איך הרכיב הכי קטן וזניח במערכת יכול להפוך למכשול, שמעכב וכמעט מחריב את הפרויקט כולו?

לאחרונה הייתי מעורב בפרויקט, שבו התפקיד שלי היה ממש צדדי. המערכת השלמה כוללת שרת בענן, מחשבי לוח-יחיד, מצלמות, בינה מלאכותית, מארזים מפוארים, וגם לוחות ארדואינו ולדים Neopixel ספורים בשביל הרושם החיצוני. את כל זה מישהו אחר בחר, תיכנת והכין. אני התבקשתי רק לתכנן שני לוחות PCB שיחזיקו בצורה מסודרת את האלקטרוניקה. פשוט וקל. עשיתי את מה שביקשו ממני, ואז התחילו הבעיות.

בשלב ראשון, ה-Neopixels לא האירו בדיוק כמו שציוו עליהם. לא ניכנס כאן לכל הסאגה הספציפית, מספיק לומר שגם אם כל האינטרנט טוען שהפרוטוקול של WS2813B תואם לגמרי ל-WS2812B, הוא לא. העניין טופל, אבל אז צצה בעיה נוספת בלדים. בחלק מהיחידות החדשות שהורכבו, הלדים התחילו להבהב באקראי באדום מיד עם הדלקת המערכת, והתעלמו מכל הפקודות.

החשד המיידי נפל על החיווט בין הלוחות. בדקתי, והחיווט דווקא היה בסדר. האופציה הבאה בתור הייתה נפילת מתח. האם ייתכן שהמחשב-לוח-יחיד, שנותן חשמל גם ללדים וגם לתת-מערכות אחרות דרך יציאות USB, אינו מסוגל לעמוד בעומס? זה לא מסביר למה הבעיה מופיעה רק בחלק מהיחידות, אבל אולי צריכת הזרם היא בדיוק על הגבול, ושינויים קלים בטמפרטורה או בפרמטר מקרי אחר מטים את הכף.

לשמחתי, כבר בתחילת הדרך הייתה לי תחושת בטן נבואית, ותכננתי את הלוח כך שהוא יוכל לספק 5V ללדים ממקור חלופי – לא מיציאת USB אלא ישירות מאספקת החשמל של המחשב. עשיתי את זה – ועכשיו גם תת-המערכות האחרות קרסו מייד עם ההדלקה. נגמרו התירוצים, יש פה קצר חשמלי. אבל איפה?

חיפשתי בעזרת בודק הרציפות שלי, עד שאיתרתי משהו מאוד מוזר: קצר בין קווי הפלוס והמינוס בקונקטור שמוביל מהלוח אל מערך הלדים. ניתקתי את ה-5V מהמקור החדש שלו (המחשב היה כמובן כבוי כל הזמן) ועדיין היה קצר! ידעתי בוודאות שמערך הלדים עצמו תקין, כי בדקתי אותו בנפרד רגעים ספורים קודם לכן. אז זה חייב להיות משהו בקונקטור עצמו, לא? ניתקתי את החוטים ובדקתי ויזואלית וחשמלית, הכול בסדר. אז הבעיה בכל זאת בלדים? בטעות, בלי לחשוב, בדקתי רציפות בין חוט הפלוס של מערך הלדים לבין האדמה של הלוח הראשי. שיהיה ברור, באותו רגע מערך הלדים היה מנותק לחלוטין מהלוח. כל החיווט שלו ריחף באוויר. ובכל זאת, יש קצר!

ואז התחלתי להבין. מערך הלדים אמנם היה מנותק מהמחשב, אבל תת-מערכות אחרות עדיין היו מחוברות למחשב דרך USB. והפואנטה היא שגם הלדים וגם תת-המערכות מותקנים בתוך מארז אחד עשוי מתכת!

אם כך, יש איזשהו מגע בין הפלוס על ה-PCB של הלדים לבין מארז המתכת. אבל המארז תוכנן היטב כך ששום רכיב או הלחמה חשופים לא נוגעים בו, וה-PCB מוחזק במקומו על ידי ברגים בתוך NPTH – חורי עיגון ללא ציפוי נחושת פנימי. לא הייתה גם שום חתיכת מתכת חופשית שנקלעה למקום הלא-נכון. איפה הקצר?

אחרי עוד כמה בדיקות הבנתי שלמרות הכול, החשמל פשוט חייב לעבור דרך הברגים – ולמעשה איתרתי בורג אחד ספציפי שגרם לקצר. הברגתי אותו החוצה, לקחתי את ה-PCB למיקרוסקופ והסתכלתי על החור שמתחת לאותו בורג:

על ה-PCB יש משטח (Copper pour) של 5V, שעובר מסביב לחורים של הברגים. הוא לא נוגע בהם, אבל המרחק ביניהם קטן מאוד. מי שהידק את הבורג הספציפי עשה זאת עם הרבה מרץ, והצד התחתון של ראש הבורג שרט ושחק את ה-Soldermask עד כדי כך שנוצר מגע בין הבורג לבין הנחושת של אזור ה-5V. במקום אחר במארז, תת-מערכת אחרת "מוארקת" למתכת דרך הברגים שלה, וכך נוצר הקצר.

הפתרון הנכון הוא לוודא שהחורים הטכניים, לברגים או לכל צורך אחר, כוללים "שטח מת" מספיק גדול סביבם, כך שגם אם תהיה שחיקה היא לא תגרום לקצר. מעבר לזה, אם התנאים מאפשרים אז רצוי להשתמש בברגי פלסטיק, או לפחות בשייבה (דיסקית שטוחה, washer) מחומר מבודד בין ראש הבורג ל-PCB.