Bessere Projekte mit PCBs - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Wenn Sie Zeit mit Elektronikprojekten verbracht haben, wissen Sie, wie lustig und aufregend es sein kann. Nichts ist aufregender, als zu sehen, wie Ihre Schaltung direkt vor Ihren Augen zum Leben erwacht. Noch spannender wird es, wenn aus Ihrem Projekt ein nützliches Gadget wird, das Sie zu Hause oder im Büro dauerhaft verankern möchten. Aber wie gelingt dies am besten? Breadboard ist sicherlich nicht die Antwort, und der Aufbau einer komplizierten Schaltung auf einem Proto-Board kann ziemlich mühsam werden. Beide Werkzeuge haben ihren Platz, sind aber für eine realistische Produktion nicht ideal.

Die Lösung? Machen Sie Ihr Projekt mit einer Leiterplatte (Leiterplatte). Da die Zahl der Hersteller und Hobbyisten täglich wächst, stellen die Hersteller professionelle Dienstleistungen für jedermann zur Verfügung (und erschwinglich). Zu einer Zeit war es unglaublich teuer, Leiterplatten zu entwerfen und herzustellen. Mit hochwertiger CAD-Software, die in einigen Fällen kostenlos erhältlich ist, und Fabriken, die kleine Prototypenplatinen für nur 5 US-Dollar plus Versand herstellen. Es gibt nur sehr wenige Gründe, diese Dienste nicht in Anspruch zu nehmen.

Mein Ziel ist es, Sie auf hohem Niveau durch dieses Projekt zu führen. Da jede CAD-Software etwas anders ist, müssen Sie dazu einige Kenntnisse aus anderen Quellen sammeln. Ich werde Links zu einigen Ressourcen veröffentlichen, die ich hilfreich fand. Bevor Sie sich Sorgen über die Zeit machen, die zum Erlernen dieser Fähigkeiten benötigt wird, lassen Sie mich sagen, dass ich mit absolut null Wissen und Erfahrung angefangen habe und erfolgreiche Designs erstellt habe, nachdem ich weniger als 8 Stunden damit verbracht habe, von Online-Ressourcen zu lernen.

Ich habe alle drei dieser CAD-Softwarepakete persönlich verwendet, aber ich empfehle Ihnen, sich diese Einführungsvideos anzusehen, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie jedes von ihnen eingerichtet ist.

• Eine Einführung in KICAD
• Einführung in das Eagle CAD-Webinar
• Einführung in Altium

Doktor Peter Dalmaris hat einen ausgezeichneten Kurs auf der Grundlage von KICAD, den ich abgeschlossen habe und den ich wärmstens empfehlen kann, wenn dies die Software ist, die Sie wählen. Seine Erklärungen zur Funktionsweise aller Funktionen sind leicht verständlich und sehr vollständig. Hier ist ein Link zu seiner Klasse bei Tech Explorations.

Eine andere zu erwägende Option (obwohl ich diese nicht selbst verwendet habe) ist EasyEDA. Ich habe gesehen, dass andere Hersteller diese Online-Software verwenden, um einige sehr solide Designs zu erstellen.

Lasst uns designen!

Lieferungen

• PC mit CAD-Software
• Lötkolben
• Fluss
• 1 ESP-32-Modul (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (SOIC-Paket)
• 5-Volt-Regler (L7805)
• 3,3-Volt-Regler (AP2114H)
• generische DC-Buchse für einen 2,1-mm-Stecker
• Stift- oder Buchsenleisten (optional)
• Toasterofen und Lötpaste (optional)
• Bohrer (optional)

Schritt 1: Planung und Design

Es ist sehr wichtig, ein solides Fundament für jedes Projekt zu haben. Ein wenig Zeit für die Planung kann Ihnen stundenlange Frustration ersparen.

Ein guter Ausgangspunkt ist das Erstellen einer Liste der Funktionen und Merkmale, die Ihr Design haben soll. Das Folgende ist die Liste, die ich verwendet habe, als ich dieses Beispielprojekt erstellt habe.

• Ein ESP-32-basiertes Board, das mit bestehenden ESP-32-Designs kompatibel ist
• Mehr digitale Pins als das Standard-ESP-32-Entwicklungskit
• Verfügbare 5V und 3V3 für die Stromversorgung von Zubehör, das an der Platine befestigt ist
• Ein Programmierport, damit ich das Gerät in Zukunft aktualisieren kann
• Die Möglichkeit, an einem 6 bis 12-Volt-Eingang zu laufen

Zweitens ist das Sammeln einer Liste der Teile, die Sie verwenden möchten, und die Suche nach einer leicht verfügbaren Quelle. Das Letzte, was Sie tun möchten, ist eine Leiterplatte zu erstellen, für die Sie die Teile nicht kaufen können. Sie sollten auch die Datenblätter des Herstellers für jedes Teil, das Sie verwenden möchten, sammeln (glauben Sie mir, das ist SEHR wichtig und ich werde später erklären, warum).

Sammeln Sie schließlich alle Notizen und Zeichnungen, die Sie möglicherweise bereits für dieses Design erstellt haben. Dies würde alle körperlichen Einschränkungen einschließen, die Sie möglicherweise haben. So wie Sie möchten, dass Ihr Board mit einem Arduino-Shield kompatibel ist oder in ein bestimmtes Gehäuse passt. All diese Informationen werden in verschiedenen Schritten des Prozesses benötigt.

Schritt 2: PCB-Schema mit CAD

Beginnen wir mit der Erstellung unseres Schaltplans!

Im Allgemeinen füge ich gerne alle meine Teile in den Schaltplan ein und lege sie so an, dass es für mich sinnvoll ist. An dieser Stelle, an der Sie sie platzieren, hat dies keinen Einfluss auf die physische Position auf der Leiterplatte, sodass Sie diese Flexibilität zu Ihrem Vorteil nutzen können. Wenn Sie keine Footprints für alle Ihre Komponenten haben, empfehle ich SnapEDA und Ultralibrarian. Diese Ressourcen bieten eine erstaunliche Auswahl an verfügbaren Teilen für fast jede CAD-Software, die Sie möglicherweise verwenden. Suchen Sie einfach die Teilenummer der Komponente und laden Sie die entsprechenden Dateien herunter. Sie haben Tutorials, die Ihnen beibringen, wie Sie diese Dateien importieren, wenn Sie nicht bereits wissen, wie das geht.

Bevor Sie Ihre Teile miteinander verdrahten, ist es am besten, die Pinbelegung jeder Komponente auf Genauigkeit zu überprüfen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Teiledatenblätter zu haben. Ich habe ganze Chargen von Leiterplatten ruiniert (erinnern Sie sich an diese Stunden der Frustration?), weil ich diesen Schritt übersprungen habe. Wenn Sie das Teil nicht selbst gemacht haben (und manchmal selbst wenn Sie es getan haben), überprüfen Sie IMMER noch einmal.

Wenn Sie Ihren Schaltplan verdrahten, habe ich festgestellt, dass es von Vorteil ist, Netzetiketten zu verwenden, um die Verbindungen herzustellen. Wenn Sie eine große Anzahl von Kabeln in alle Richtungen führen, wird es schwierig, dem zu folgen, und erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass eine Verbindung an einer Stelle hergestellt wird, die Sie nicht sollten (mehr Stunden Frustration). Ein ausgewogenes Verhältnis von Drähten und Netzetiketten ist normalerweise das Beste, aber stellen Sie sicher, dass Sie eine Liste von Netzetiketten verwenden, die für alle anderen, die sich das Design ansehen, sinnvoll sind. Dies wird Ihnen das Leben erleichtern, wenn Sie in Zukunft zu diesem Design zurückkehren und Änderungen vornehmen oder Fehler am ursprünglichen Design beheben möchten.

Der Schaltplan ist auch ein guter Ort, um Notizen darüber zu hinterlassen, wie verschiedene Teile der Schaltung funktionieren sollen. Dies ist eine gute Möglichkeit, alle Details zu verfolgen, die erforderlich sind, damit das Ding so funktioniert, wie es sollte. Ein Beispiel für dieses Projekt ist, dass für die Programmierung ein Jumper zwischen dem Enable-Pin des ESP-Moduls und der 3,3-V-Versorgung erforderlich ist. Obwohl dies wahrscheinlich nicht der einzige Ort ist, an dem Sie diese Art von Informationen dokumentieren sollten, ist es auf jeden Fall gut, sich anzugewöhnen, ALLES aufzuschreiben.

Überprüfen Sie Ihren Schaltplan, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Dies muss stimmen, damit der PCB-Layout-Prozess reibungslos abläuft. Ein langsames und methodisches Vorgehen wird Ihnen immer das beste Endergebnis liefern. Gehen Sie alle Notizen durch, die Sie möglicherweise haben, und überprüfen Sie sie anhand des Schaltplans.

Schritt 3: PCB-Layout

Bevor wir mit der Anordnung unserer Komponenten beginnen, schauen Sie sich am besten die Footprints an und stellen Sie sicher, dass sie für die Teile, die Sie verwenden möchten, korrekt sind. Zum Beispiel sind einige Teile mit Durchgangsloch- und SMD-Varianten verfügbar. Stellen Sie sicher, dass Sie nur Teile verwenden, die Sie installieren können. Das EPS-32-Modul hat ein Pad unter dem wird eine spezielle Handhabung erfordern (dazu später mehr). Stellen Sie sicher, dass Sie einen Plan für diese Situationen haben. Nachdem Sie die richtigen Pakete für unsere Komponenten ausgewählt haben, sollten Sie die Pinbelegung jedes Teils noch einmal anhand des Datenblatts überprüfen (haben Sie hier einen Trend bemerkt?) Glauben Sie mir, wenn ich sage, dass diese falsch sein können und es für einen langen Tag sorgen wird wenn Sie diese Probleme später aufspüren müssen

Achten Sie beim Anordnen Ihrer Komponenten darauf, dass Sie alle oben genannten physischen Einschränkungen berücksichtigen. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, dass Sie bestimmte Teile zuerst platzieren, da ihre Position kritisch ist, und alles andere um sie herum anbringen. Denken Sie daran, die verbundenen Teile eng beieinander zu platzieren, aber lassen Sie auch während des Zusammenbaus genügend Platz zum Arbeiten. Wenn Sie ein bestimmtes Gehäuse haben, das Sie verwenden möchten, kann es sinnvoll sein, zuerst das Plattenprofil und alle Bohrlöcher zu erstellen.

Nachdem sich alle Ihre Komponenten dort befinden, wo Sie sie haben möchten, ist es an der Zeit, mit dem Routing Ihrer Spuren zu beginnen. Dabei sind einige wichtige Punkte zu beachten.

• Die kürzeste Spur ist im Allgemeinen am besten
• Größer ist in der Regel besser (insbesondere für Stromversorgungsleitungen)
• Sie müssen wissen, wie viel Strom eine bestimmte Strecke verarbeiten sollte, und sicherstellen, dass die von Ihnen gewählte Größe diese Menge sicher bewältigen kann (Dies ist ein sehr wichtiges Sicherheitsproblem, Überstrom kann zu Erhitzung führen und möglicherweise eine Brandgefahr darstellen).
• Wissen Sie, welche Toleranzen Ihr Hersteller einhalten kann und befolgen Sie diese Richtlinien. Hier ist ein Link zur Funktionsseite für einen Hersteller (Ihre CAD-Software verfügt möglicherweise über einen Design Rules Checker, der Sie auf Stellen aufmerksam macht, die nicht einem Standard entsprechen, den das Werk befolgen kann)

Während das Routing von Tracks ein lustiges Puzzle sein kann, können unsere Designs manchmal kompliziert werden, was dies zu einer extremen Herausforderung macht. In diesen Fällen können Sie mit einer Auto-Routing-Software viel Zeit sparen. Hier ist ein Link zu einem Auto-Router, den ich in mehreren Projekten verwendet habe. Der Auto-Router importiert Ihr Projekt und verwendet Ihre Designregeln, um geeignete Spuren für alle Ihre Netze zu erstellen. Normalerweise lasse ich den Auto-Router seine Arbeit machen und ändere dann manuell ein paar Dinge, die ich vielleicht anders machen möchte. Sie können auch die gewünschten Spuren an bestimmten Orten routen, und der Auto-Router umgeht diese vorhandenen Spuren, während er in den verbleibenden Netzen arbeitet.

Schritt 4: Letzter Schliff und Vorbereitung für die Herstellung

Wenn die Teile platziert und die Spuren ausgeführt sind, ist Ihre Leiterplatte fast einsatzbereit. Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, um das gesamte Layout noch einmal zu überprüfen. Folgen Sie den Spuren, indem Sie den Schaltplan als Richtlinie verwenden, und stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen Verbindungen hergestellt wurden.

Sie sollten auch erwägen, Ihrem Board in der Siebdruckebene Grafiken hinzuzufügen. Ihr Name oder eine andere Herstellermarke ist eine gute Möglichkeit, anderen mitzuteilen, dass Sie stolz auf Ihre Arbeit sind. Ich glaube auch daran, die meisten, wenn nicht alle meine Verbindungspunkte mit dem zu markieren, wozu sie dienen. Das hilft beim Anschließen des Dings nach der Montage und macht es anderen leichter, die Funktionen dieser Anschlusspunkte zu verstehen.

Eine andere zu berücksichtigende Sache ist das Markieren einer Revisionskennung, insbesondere wenn dies ein Board ist, das Sie mehr als einmal erstellen möchten. So können Sie in Zukunft Änderungen an der Schaltung vornehmen und erkennen auf einen Blick, mit welcher Version des Boards Sie arbeiten.

Nachdem dies alles erledigt ist, ist es an der Zeit, Ihr Design zu plotten/exportieren und an den Hersteller zu senden. Im Allgemeinen sind dies Gerber-Dateien, und normalerweise sollten sie alle in einem einzigen ZIP-Ordner gespeichert werden. Dies ist, was Sie hochladen, wenn Sie Ihre Leiterplattenbestellung aufgeben.

Hier ist ein Link zu den Gerber-Dateien für mein Beispielprojekt auf GitHub

Schritt 5: Bestellung Ihrer Leiterplatten

Dafür stehen immer mehr Möglichkeiten zur Verfügung als in der Vergangenheit. Es ist so einfach geworden, dass jeder seine Designs professionell von großen Fabriken zu einem unglaublich günstigen Preis herstellen lassen kann.

Ich habe über 35 PCBs entworfen und alle wurden von JLCpcb (https://jlcpcb.com) produziert.

Eine sehr gute Firma, bei der ich noch nie Qualitätsprobleme hatte. Hier ist ein Link zu einem Video, das einen Rundgang durch ihre Einrichtung bietet und den PCB-Fertigungsprozess im Detail erklärt. Fabrik-Tour

Gehen Sie auf ihre Website und starten Sie ein Angebot. Laden Sie als Nächstes die.zip-Datei Ihrer Gerber-Dateien hoch. Nach Abschluss des Uploads sollte ein Rendering Ihres Designs angezeigt werden. Wählen Sie zu diesem Zeitpunkt Ihre Menge, Farbe und alle anderen Kriterien aus, die Sie angeben möchten. Dann geht es ganz einfach zur Kasse. Sie können Ihre eigenen Gerber-Dateien ganz einfach in einen kostenlosen Online-Gerber-Viewer hochladen und sehen, wie diese Dateien beim Rendern aussehen.

Normalerweise versuche ich, mehrere Designs gleichzeitig einzusenden, um sie beim Versand zu kombinieren. Normalerweise würde ich damit rechnen, diese in 1-2 Wochen nach der Bestellung zu erhalten. Dies kann natürlich von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, aber sie werden Sie über ihre Website über den Fortschritt Ihrer Bestellung und eine Tracking-Nummer informieren, nachdem Ihre Bestellung versandt wurde.

Schritt 6: Lass es uns bauen

Es ist Zeit zum Zusammenbauen!

Erinnern Sie sich, dass ich zuvor erwähnt habe, dass es einen Trick gibt, das ESP-32-Modul zu löten? Wenn Sie sich den Footprint auf der Platine ansehen, sehen Sie ein großes Pad unter dem Bauteil. Nun, das könnte eine kleine Herausforderung sein, aber ich muss Wege finden, wie Sie die Arbeit erledigen können.

Option 1: Verwenden Sie Lötpaste und einen kleinen Toaster.

Dies ist wirklich einfach und wird Ihnen definitiv die besten Ergebnisse insgesamt liefern. Dieses Video erklärt den Vorgang. Stellen Sie sicher, dass Sie die Temperaturanforderungen der von Ihnen verwendeten Lötpaste verstehen, und Sie werden ohne großen Aufwand einige unglaubliche Ergebnisse erzielen. Dadurch werden die meisten, wenn nicht alle SMD-Komponenten gelötet. Bonuspunkte, wenn Ihr Toaster von einem Schrotthaufen stammt und vor der Verwendung repariert werden muss.

Option 2: Holen Sie den Bohrer raus!

Diese Option wird definitiv funktionieren, aber sie ist nicht die idealste. Wenn Sie in der Mitte dieses Pads vorsichtig ein kleines Loch durch die Platine bohren, können Sie es von der Rückseite der Platine wie eine Durchgangslochkomponente löten. Bei diesem Ansatz kann leicht etwas schief gehen. Nehmen Sie sich also Zeit und verwenden Sie einen hochwertigen Bohrer. Wenn Sie nicht beabsichtigen, einen Reflow-Ofenprozess zu verwenden, können Sie solche Probleme in Ihrem Design lösen, indem Sie ein plattiertes Durchgangsloch in der Mitte dieses Pads hinzufügen. Auf diese Weise können Sie mit einem Bügeleisen löten, ohne Ihre Platine zu beschädigen.

Löten Sie alle verbleibenden Durchgangslochteile (und SMD, wenn Sie nicht die Reflow-Methode verwendet haben). Für die Stiftleisten löte ich einen einzelnen Stift, um ihn an Ort und Stelle zu halten, während ich die Platine umdrehe, um sicherzustellen, dass sie gerade ist. Es ist auch gut, das Löten auf allen SMD-Teilen mit einer Art Lupe sehr sorgfältig zu überprüfen. Wenn Sie etwas finden, das nachgebessert werden muss, verwenden Sie etwas Flussmittel (glauben Sie mir, das macht einen großen Unterschied) und erhitzen Sie die Lötstelle erneut. Ich habe bei meinem Beispieldesign festgestellt, dass das ESP-32-Modul mehrere Stellen hatte, die überarbeitet werden mussten. Beachten Sie auch, dass ich dieser Platine absichtlich keine Stiftleisten hinzugefügt habe, da ich die Drähte von meinen Peripheriegeräten direkt verlöten möchte. Dies ist nicht immer der beste Ansatz, aber für meine Anwendung kein Problem.

Das ist es! Von Anfang bis Ende haben wir ein Schaltungskonzept erstellt und unsere eigene kundenspezifische Leiterplatte für dieses Projekt hergestellt. Sobald Sie den Dreh raus haben, sind die Möglichkeiten fast endlos. Ich hoffe, dieses Instructable hat Ihnen einige gute Ideen gegeben und Sie auf einige nützliche Ressourcen hingewiesen, die Ihnen bei Ihrer PCB-Herstellung helfen. Danke fürs Lesen!

Viel Spaß beim Basteln und lass den Rauch nicht raus! (Ernsthaft braucht es den magischen Rauch)