בין פריטי הפסולת האלקטרונית שמוצאים את דרכם לרחוב (כן, יש עוד אנשים טובים 🙂 ), הנפוצים ביותר כיום הם טלוויזיות CRT ומדפסות. עם הטלוויזיות אין כל כך למייקר הממוצע מה לעשות, אבל המדפסות הן כבר סיפור אחר. בואו נראה איך מפענחים, מנצילים ומפעילים אחד מהרכיבים השימושיים שאפשר למצוא בתוכן – המפסק האופטי.

המפסק האופטי הזה (או בשמו האנגלי המלא Transmissive optical switch, Phototransistor output) הוא בדרך כלל רכיב שחור בצורת האות ח' הפוכה, בגודל סנטימטר פלוס מינוס לרוחב ולגובה. בצד הפנימי של רגלי ה-ח' יש שני חריצים אנכיים דקיקים, אחד בכל רגל, מקבילים זה לזה. בתוך הרגליים מסתתרים הרכיבים האלקטרוניים: דיודה פולטת אור (LED) בצד אחד, וטרנזיסטור רגיש לאור (פוטו-טרנזיסטור) בצד השני.

במדפסות, המפסק האופטי עובד כמעט תמיד בשילוב עם מנוף מכני קטן, שהזרוע שלו יכולה להיכנס ולצאת מהמרווח שבין הרכיבים. הזרוע זזה בהתאם לתנועה של הנייר במדפסת, והיא יכולה לחסום את האור מה-LED או לתת לו להגיע לפוטו-טרנזיסטור. ככה ה"מוח" של המדפסת יודע לזהות מתי חסר נייר, אם הדף נתקע במנגנון וכדומה.

בתמונה הבאה ארבעה לוחות PCB צרים וארוכים שעקרתי ממדפסות שונות. על כל אחד מהם יש שני מפסקים אופטיים, שני נגדים וקבל אחד, וכל אחד מהלוחות התחבר ל"מוח" דרך ארבעה חוטים. אינטואיטיבית, הגיוני ששניים מהחוטים הם לאספקת חשמל והשניים האחרים הם הסיגנלים שמתקבלים מהמפסקים – חוט אחד לכל מפסק. עוד נוודא את זה בהמשך. אגב, הרכיב נקרא "מפסק", אבל לפחות במקרה הזה משתמשים בו דווקא כחיישן.

למרבה הנוחות, הסימונים על ה-PCB מראים לנו באיזה צד של המפסק נמצא ה-LED. בחלק מהרכיבים שאצלי, כמו בתמונה הבאה, הרגל הזו מסומנת גם באות "E" (Emitter, המשדר). באחרים יש עליה שתי אותיות: A ו-K, שזה עוד יותר הגיוני – A לאנודה (רגל ה"פלוס" של ה-LED) ו-K לקתודה (ה"מינוס", או אדמה). נכון, באנגלית כותבים Cathode, אבל בגרמנית זה Kathode, והאות C כבר תפוסה כפי שנראה מיד.

אם עוקבים אחרי פסי המוליכים (Traces) בצד התחתון של ה-PCB – תרגיל מצוין למתחילים, כי אלה לוחות פשוטים להפליא – אפשר לראות שהקתודות של שני המפסקים מחוברות ישירות זו לזו ולאחד מהחוטים. האנודות מחוברות לחוט אחר, כל אחת דרך אחד מהנגדים. בדיוק כמו שאנחנו מחברים לפין בארדואינו LED ונגד פשוטים בטור כדי להגביל את הזרם. בשניים מהלוחות שלי ערכי הנגדים הם 100 אוהם, ובשניים האחרים 110 אוהם. הקבל שעל הלוח, אגב, נמצא שם כדי לייצב את המתח עבור הרכיבים, ונותן לנו רמז עבה כמו פיל לזיהוי של חוטי אספקת החשמל.

ברגל השנייה של המפסק נמצא כאמור הפוטו-טרנזיסטור, עם סימון קצת פחות טריוויאלי: S (הכוונה כנראה ל-Sensor), או E ו-C, שהם Emitter ו-Collector בטרמינולוגיה של טרנזיסטורים בטכנולוגיית BJT. אם נסתכל שוב על המוליכים נראה שפין E של הפוטו-טרנזיסטור מתחבר לקתודה של ה-LED ולאדמה, מה שרומז שזהו טרנזיסטור מסוג NPN. כלומר, הוא אמור לתת לזרם לעבור דרכו אל האדמה כאשר יש אור. אבל מאיפה מגיע הזרם? הדבר היחיד שמחובר לפין C הוא חוט. אז איפשהו ב"מוח" של המדפסת יש מיקרו-בקר, שמתחבר לחוט הזה באמצעות פין קלט שמזהה את החיבור לאדמה, בתוספת נגד pull-up שמבטיח מתח ידוע כאשר האור חסום והטרנזיסטור לא מוליך. אגב, זה מה שנקרא "Open drain output": הפלט של החיישן הוא או חיבור ישיר לאדמה, או כלום (חיבור צף).

הגיע הזמן להעמיד את כל התיאוריות האלה למבחן. ניקח את אחד הלוחות ונחבר אותו לארדואינו… רגע, זהירות! לוחות ארדואינו הנפוצים עובדים במתח של 5V, והתנגדות של 100 או 110 אוהם זה לא כל כך הרבה. האם רכיבי המדפסת יסתדרו עם 5V, או שה-LED יישרף מזרם גבוה מדי? נעזרתי בפונקציית בדיקת הדיודות במולטימטר (אתם יודעים שזה קיים בהרבה מולטימטרים, כן?) וגיליתי שהמתח שנופל בין A ל-K הוא משהו כמו 1V בלבד, שזה נמוך מאוד אפילו ל-LED, מה שאומר בין השאר שזהו LED אינפרה-אדום. בכל אופן, אם רק וולט אחד נופל שם, זה משאיר לנו 4V שנופלים על הנגד. לפי חוק אוהם, הזרם הוא המתח חלקי ההתנגדות, כלומר בסביבות 40 מיליאמפר. זה עלול להיות יותר מדי ל-LED קטן טיפוסי, במיוחד אם אנחנו מאירים ברצף ולא בפולסים. אם נחבר את ה-PCB הזה לפין 3.3V של הארדואינו בתור אספקת חשמל, נישאר בתחום בטוח יותר.

ה-LED האינפרה-אדום בפעולה (מצלמות דיגיטליות מסוימות יכולות לקלוט את האור הזה)

הנה קוד מינימליסטי לארדואינו Uno. פין 13 עם ה-LED המובנה של הארדואינו משמש לפלט חזותי למשתמש, והקריאה ל-digitalWrite בפונקציה loop "מדליקה" את ה-LED הזה בכל פעם ש(לפחות) אחד מהחיישנים לא מוליך דרך הטרנזיסטור שלו, כלומר שמשהו חוסם את האור האינפרה-אדום בין ה-LED לפוטו-טרנזיסטור שבחיישן.

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(8, INPUT_PULLUP);
  pinMode(9, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, 
     !( digitalRead(8) || digitalRead(9) ));
}

אפרופו, זו הזדמנות טובה לבצע ניסוי מדעי קטן. האם דף נייר רגיל חוסם מספיק אור אינפרה-אדום? ואם ניקח שני דפים, או שקית ניילון?

הנה השיטה הכי נוחה שמצאתי לשלוף את המפסקים האופטיים מה-PCB המקורי בלי ציוד מיוחד: נוגעים עם קצה מלחם בשני פינים צמודים בו-זמנית (למשל A/K או E/C) עד שההלחמות שלהם נמסות. מפעילים קצת(!) כוח כדי "לנדנד" את הרכיב ולהרחיק את הצד הזה שלו מה-PCB. לא להתפרע – בפעם הראשונה מדובר על תזוזה של מילימטר או פחות. מרחיקים את המלחם, וכשההלחמות חוזרות ומתמצקות עוברים לזוג הפינים השני ועושים את אותו הדבר. כך חוזרים הלוך ושוב, כשבכל פעם הרכיב מתרחק יותר מה-PCB ויותר בקלות. תוך שלוש-ארבע פעמים הרכיב משתחרר לגמרי. חשוב לשים לב שהפינים שלו קצרים מאוד, וכל נזק קטן להם עלול להפוך את הרכיב לבלתי-שמיש לגמרי.

עכשיו מתגלה הפתעה לא נעימה: לא כל המפסקים זהים. בחלקם, הרווח בין זוגות רגלי הפינים לא מתחלק בדיוק ב-2.54 מ"מ (הריווח הסטנדרטי בין חורים במטריצה או ב-Prefboard), ולחלקם יש זיזי פלסטיק קטנים למטה שמונעים מהם להיצמד לגמרי למשטח. את הזיזים האלה אפשר לקצוץ עם קאטר קטן, אבל בנוגע לריווח אפשר רק לקוות שעם לחץ פיזי מתון זה יהיה מספיק טוב.

זהו, הרכיבים מוכנים לפרויקטים שלכם (לא לשכוח נגד ל-LED, כן?) אפשר להשתמש בהם למדידת מהירות סיבוב של גלגל מחורץ (כמו שנעשה לעתים קרובות ברובוטים זולים), אפשר לשבץ אותם במסילה צרה כדי לזהות מטבע מתגלגלת או כרטיס שמועבר במתקן, ועוד שימושים כיד הדמיון הטובה. וסתם לידע כללי, באתרי האלקטרוניקה הגדולים מוכרים רכיבים כאלה בסביבות דולר או שניים ליחידה.