Betere projecten met PCB's: 6 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Als je tijd hebt besteed aan het werken met elektronicaprojecten, dan weet je hoe leuk en opwindend het kan zijn. Niets is opwindender dan uw circuit voor uw ogen tot leven te zien komen. Het wordt nog spannender wanneer uw project verandert in een handige gadget die u permanent in uw huis of kantoor wilt plaatsen. Maar wat is de beste manier om dit te bereiken? Breadboard is zeker niet het antwoord, en het bouwen van een ingewikkeld circuit op een proto-board kan behoorlijk vervelend worden. Beide tools hebben hun plaats, maar ze zijn niet ideaal voor realistische productie.

De oplossing? Maak uw project met behulp van een PCB (Printed Circuit Board). Nu het aantal makers en hobbyisten dagelijks groeit, maken fabrikanten professionele services voor iedereen beschikbaar (en betaalbaar). Ooit was het ongelooflijk duur om PCB's te ontwerpen en te fabriceren. Met CAD-software van hoge kwaliteit die in sommige gevallen gratis beschikbaar is, en fabrieken die kleine prototypeborden maken voor slechts $ 5 plus verzendkosten. Er zijn weinig redenen om geen gebruik te maken van deze diensten.

Mijn doel is om je op een hoog niveau door dit project te loodsen. Omdat elke CAD-software net iets anders is, moet je wat kennis uit andere bronnen verzamelen om dit mogelijk te maken. Ik zal links plaatsen naar een paar bronnen die ik nuttig vond. Voordat je je zorgen maakt over de tijd die het kost om deze vaardigheden te leren, wil ik zeggen dat ik mijn start kreeg met absoluut geen kennis en ervaring, en ik maakte succesvolle ontwerpen nadat ik minder dan 8 uur had besteed aan het leren van online bronnen.

Ik heb persoonlijk alle drie deze CAD-softwarepakketten gebruikt, maar ik raad u aan deze introductievideo's te bekijken om een idee te krijgen van hoe elk ervan is ingesteld.

• Een inleiding tot KICAD
• Inleiding tot Eagle CAD-webinar
• Inleiding tot Altium

Dokter Peter Dalmaris heeft een uitstekende cursus op basis van KICAD die ik heb voltooid en die ik ten zeerste aanbeveel als dat de software is die u kiest. Zijn uitleg over hoe alle functies werken, is gemakkelijk te volgen en zeer compleet. Hier is een link naar zijn les bij Tech Explorations.

Een andere optie om te overwegen (hoewel dit niet een optie is die ik zelf heb gebruikt) is EasyEDA. Ik heb andere makers deze online software zien gebruiken om een aantal zeer solide ontwerpen te maken.

Laten we gaan ontwerpen!

Benodigdheden

• PC met CAD-software
• Soldeerbout
• flux
• 1 ESP-32-module (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017's (SOIC pakket)
• 5 volt regelaar (L7805)
• 3.3 volt regelaar (AP2114H)
• generieke DC-cilinderaansluiting voor een 2,1 mm-stekker
• Mannelijke of vrouwelijke pin-headers (optioneel)
• Broodroosteroven en soldeerpasta (optioneel)
• Boor (optioneel)

Stap 1: Planning en ontwerp

Het is erg belangrijk om een solide basis te hebben voor elk project. Een beetje tijd besteed aan het plannen kan uren frustratie besparen op de weg.

Een goede plek om te beginnen is het maken van een lijst met functies en kenmerken die u wilt dat uw ontwerp heeft. Het volgende is de lijst die ik heb gebruikt toen ik dit voorbeeldproject maakte.

• Een op ESP-32 gebaseerd bord dat compatibel is met bestaande ESP-32-ontwerpen
• Meer digitale pinnen dan de standaard ESP-32 Dev-kit
• Beschikbare 5v en 3v3 voor het voeden van accessoires die op de printplaat zijn bevestigd
• Een programmeerpoort zodat ik het apparaat in de toekomst kan updaten
• De mogelijkheid om te werken op een ingang van 6 tot 12 volt

Ten tweede is het verzamelen van een lijst met onderdelen die u wilt gebruiken en het vinden van een gemakkelijk beschikbare bron. Het laatste wat je wilt doen is een printje maken waar je de onderdelen niet voor kunt kopen. Je moet ook de gegevensbladen van de fabrikant verzamelen voor elk onderdeel dat je van plan bent te gebruiken (geloof me, dit is ZEER belangrijk en ik zal later uitleggen waarom).

Eindelijk alle notities en tekeningen verzamelen die u mogelijk al voor dit ontwerp hebt gemaakt. Dit omvat eventuele fysieke beperkingen die u heeft. Zoals u wilt dat uw bord compatibel is met een Arduino-schild of in een specifieke behuizing past. Al deze informatie is nodig bij verschillende stappen in het proces.

Stap 2: PCB-schema met CAD

Laten we beginnen met het maken van ons schema!

Over het algemeen voeg ik graag al mijn onderdelen toe aan het schema en leg ze neer op een manier die voor mij logisch is. Op dit punt waar u ze plaatst, heeft dit geen invloed op de fysieke locatie op de PCB, dus u kunt die flexibiliteit in uw voordeel gebruiken. Als je niet over al je componenten beschikt, raad ik SnapEDA en Ultralibrarian ten zeerste aan. Deze bronnen hebben een verbazingwekkende selectie van beschikbare onderdelen voor zowat elke CAD-software die u misschien gebruikt. Zoek gewoon het onderdeelnummer van het onderdeel op en download de juiste bestanden. Ze hebben tutorials die je leren hoe je deze bestanden kunt importeren als je niet al weet hoe je dat moet doen.

Voordat u uw onderdelen met elkaar verbindt, is het het beste om de pin-outs van elk onderdeel op nauwkeurigheid te controleren. Dit is de reden waarom het hebben van de onderdeelgegevensbladen belangrijk is, ik heb hele batches PCB's geruïneerd (herinner je je die uren frustratie?) Omdat ik deze stap heb overgeslagen. Als je het onderdeel niet zelf hebt gemaakt (en soms zelfs als je dat wel hebt gedaan), controleer dit dan ALTIJD.

Wanneer je je schema gaat bedraden, heb ik ontdekt dat het nuttig is om netlabels te gebruiken om de verbindingen te maken. Als je een grote hoeveelheid draden hebt die alle kanten op lopen, wordt het moeilijk te volgen, en vergroot het ook de kans om een verbinding te maken waar je dat niet zou moeten doen (meer uren frustratie). Een balans van draden en netlabels is meestal het beste, maar zorg ervoor dat u een lijst met netlabels gebruikt die logisch is voor iedereen die naar het ontwerp kijkt. Dit maakt het leven gemakkelijk als u in de toekomst terugkeert naar dit ontwerp en wijzigingen wilt aanbrengen of problemen met het oorspronkelijke ontwerp wilt oplossen.

Het schema is ook een goede plek om notities achter te laten over hoe verschillende delen van het circuit zouden moeten werken. Dit is een goede manier om alle details bij te houden die nodig zijn om het ding te laten werken zoals het hoort. Een voorbeeld van dit project is dat er een jumper nodig is tussen de enable pin van de ESP-module en de 3.3v-voeding voor het programmeren. Hoewel dit waarschijnlijk niet de enige plek is waar je dat soort informatie zou moeten documenteren, is het zeker goed om er een gewoonte van te maken ALLES op te schrijven.

Geef uw schema een goede inspectie voordat u doorgaat naar de volgende stap. Dit moet goed zijn om het PCB-lay-outproces soepel te laten verlopen. Een langzame en methodische aanpak geeft altijd het beste eindresultaat. Overloop eventuele aantekeningen die u heeft en verifieer ze allemaal aan de hand van het schema.

Stap 3: PCB-layout

Voordat we beginnen met het rangschikken van onze componenten, is het het beste om naar de footprints te kijken en ervoor te zorgen dat ze correct zijn voor de onderdelen die u van plan bent te gebruiken. Sommige onderdelen hebben bijvoorbeeld gaten en SMD-varianten, zorg ervoor dat u alleen onderdelen gebruikt die u kunt installeren. De EPS-32-module heeft een kussentje eronder en vereist een speciale behandeling (hierover later meer). Zorg ervoor dat u een plan hebt voor deze situaties. Nadat je de juiste pakketten voor onze componenten hebt geselecteerd, moet je opnieuw de pin-outs van elk onderdeel vergelijken met het gegevensblad (heb je hier een trend opgemerkt?) Geloof me als ik zeg dat deze verkeerd kunnen zijn en dat het een lange dag zal maken als u deze problemen later moet opsporen

Zorg er bij het rangschikken van uw componenten voor dat u rekening houdt met een van de fysieke beperkingen die ik eerder heb genoemd. In sommige gevallen kan het nodig zijn dat u bepaalde onderdelen eerst plaatst omdat hun locatie cruciaal is en al het andere eromheen past. Denk eraan om onderdelen die met elkaar verbonden zijn dicht bij elkaar te plaatsen, maar laat ook voldoende ruimte om mee te werken tijdens de montage. Als u een specifieke behuizing heeft die u van plan bent te gebruiken, kan het zinvol zijn om eerst het bordprofiel en eventuele boorgaten te maken.

Nadat al uw componenten zich bevinden waar u ze wilt hebben, is het tijd om uw tracks te routeren. Er zijn een paar belangrijke punten om te onthouden terwijl u dit doet.

• Het kortst mogelijke spoor is over het algemeen het beste
• Groter is meestal beter (vooral voor voedingslijnen)
• U moet weten hoeveel stroom een bepaalde baan moet verwerken en ervoor zorgen dat de maat die u hebt geselecteerd die hoeveelheid veilig aankan (dit is een zeer belangrijk veiligheidsprobleem, overstroom kan verhitting veroorzaken en mogelijk brandgevaar opleveren)
• Weet welke toleranties uw fabrikant kan handhaven en volg deze richtlijnen. Hier is een link naar de mogelijkhedenpagina voor één fabrikant (uw CAD-software heeft mogelijk een ontwerpregelcontrole die u waarschuwt voor plaatsen die niet voldoen aan een standaard die de fabriek kan volgen)

Hoewel het routeren van tracks een leuke puzzel kan zijn, kunnen onze ontwerpen soms ingewikkeld worden, waardoor dit een extreme uitdaging wordt. In die gevallen kan het gebruik van automatische routeringssoftware u veel tijd besparen. Hier is een link naar een Auto-router die ik bij verschillende projecten heb gebruikt. De Auto-router importeert uw project en gebruikt uw ontwerpregels om de juiste sporen te maken voor al uw netten. Meestal laat ik de Auto-router zijn werk doen en verander ik handmatig een paar dingen die ik misschien anders wil hebben. Je kunt ook de sporen die je wilt op specifieke locaties routeren, en de auto-router zal om die bestaande sporen heen werken zoals het werkt op de resterende netten.

Stap 4: Laatste puntjes op de i en voorbereiding voor fabricage

Met geplaatste onderdelen en lopende sporen is uw PCB zo goed als klaar voor gebruik. Dit is een goed moment om de hele lay-out een keer goed te geven. Volg de sporen met behulp van het schema als richtlijn en zorg ervoor dat alle verbindingen die u nodig hebt zijn gemaakt.

Overweeg ook om afbeeldingen aan uw bord toe te voegen in de zeefdruklaag. Uw naam of een ander makersmerk is een goede manier om anderen te laten weten dat u trots bent op uw werk. Ik geloof ook in het markeren van de meeste, zo niet al mijn verbindingspunten met waar ze voor zijn. Dit helpt wanneer u het ding na montage gaat aansluiten en maakt het voor anderen gemakkelijker om de functies van deze verbindingspunten te begrijpen.

Een ander ding om te overwegen is het markeren van een revisie-ID, vooral als dit een bord is dat u meer dan eens wilt maken. Zo kun je in de toekomst wijzigingen aan het circuit aanbrengen en in één oogopslag zien met welke versie van het bord je werkt.

Nu dat allemaal gedaan is, is het tijd om uw ontwerp te plotten/exporteren en naar de fabrikant te sturen. Over het algemeen zullen dit Gerber-bestanden zijn en normaal gesproken moeten ze allemaal in een enkele.zip-map worden opgeslagen. Dit is wat u uploadt wanneer u uw PCB-bestelling plaatst.

Hier is een link naar de Gerber-bestanden voor mijn voorbeeldproject op GitHub

Stap 5: Uw PCB's bestellen

Hiervoor zijn steeds meer mogelijkheden beschikbaar dan voorheen. Het is zo eenvoudig geworden dat iedereen zijn ontwerpen professioneel kan laten maken door grote fabrieken en tegen een ongelooflijk redelijke prijs.

Ik heb meer dan 35+ PCB's ontworpen en ze zijn allemaal geproduceerd door JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Een zeer goed bedrijf waar ik nog nooit kwaliteitsproblemen mee heb gehad. Hier is een link naar een video die een rondleiding door hun faciliteit geeft en het PCB-fabricageproces in detail uitlegt. Fabrieksrondleiding

Ga naar hun website en start een offerte. Upload vervolgens de.zip van je Gerber-bestanden. U zou een weergave van uw ontwerp moeten zien nadat de upload is voltooid. Kies uw aantal, kleur en andere criteria die u op dit moment wilt specificeren. Dan is het een kwestie van naar de kassa gaan. U kunt eenvoudig uw eigen Gerber-bestanden uploaden naar een gratis online Gerber-viewer en zien hoe deze bestanden eruitzien wanneer ze worden weergegeven.

Meestal probeer ik meerdere ontwerpen tegelijk in te sturen om te combineren op de verzending. Normaal gesproken verwacht ik deze binnen 1-2 weken nadat de bestelling is geplaatst te ontvangen. Dit kan natuurlijk variëren, afhankelijk van verschillende factoren, maar ze geven je updates over de voortgang van je bestellingen via hun website en een volgnummer nadat je bestelling is verzonden.

Stap 6: Laten we het bouwen

Het is tijd om te monteren!

Weet je nog dat ik eerder zei dat er een truc is om de ESP-32-module te solderen? Als je naar de voetafdruk op de print kijkt, zie je een groot kussen onder het onderdeel. Nou, dat kan een beetje een uitdaging zijn, maar ik moet manieren hebben om de klus te klaren.

Optie 1: Gebruik soldeerpasta en een kleine broodroosteroven.

Dit is echt ongecompliceerd en het zal je zeker de beste resultaten geven. In deze video wordt het proces uitgelegd. Zorg ervoor dat u de temperatuurvereisten begrijpt van de soldeerpasta die u gebruikt, en u zult zonder veel moeite een aantal behoorlijk ongelooflijke resultaten hebben. Dit zorgt voor het solderen van de meeste, zo niet alle SMD-componenten. Bonuspunten als je broodrooster van een rommelhoop kwam en moest worden gerepareerd voordat je hem kon gebruiken.

Optie 2: Stap uit de boor!

Deze optie zal zeker werken, maar het is niet de meest ideale. Door voorzichtig een klein gaatje door de PCB in het midden van deze pad te boren, kunt u het vanaf de achterkant van het bord solderen als een component met een doorgaand gat. Met deze aanpak kunnen er vrij gemakkelijk dingen mis gaan, dus neem de tijd en gebruik een boor van hoge kwaliteit. Als u niet van plan bent om een reflow-ovenproces te gebruiken, kunt u dit soort problemen in uw ontwerp oplossen door een geplateerd doorgaand gat in het midden van deze pad toe te voegen. Hierdoor kunt u solderen met een strijkijzer zonder het risico te lopen uw bord te beschadigen.

Soldeer alle resterende doorlopende delen (en SMD als u de reflow-methode niet hebt gebruikt). Voor de pin-headers soldeer ik een enkele pin om hem op zijn plaats te houden terwijl ik het bord omdraai om ervoor te zorgen dat het recht is. Het is ook goed om het solderen van alle SMD-onderdelen zeer zorgvuldig te controleren met behulp van een of ander vergrootglas. Als je iets vindt dat moet worden bijgewerkt, gebruik dan wat vloeimiddel (geloof me, dit maakt een groot verschil) en verwarm de soldeerverbinding opnieuw. Ik ontdekte op mijn voorbeeldontwerp dat de ESP-32-module verschillende plaatsen had die opnieuw moesten worden bewerkt. Merk ook op dat ik opzettelijk geen pin-headers aan dit bord heb toegevoegd, dat komt omdat ik van plan ben om de draden van mijn randapparatuur rechtstreeks te solderen. Dit is niet altijd de beste aanpak, maar voor mijn toepassing is het geen probleem.

Dat is het! van begin tot eind hebben we een circuitconcept genomen en onze eigen aangepaste PCB gemaakt voor dit project. Als je het eenmaal onder de knie hebt, zijn de mogelijkheden bijna eindeloos. Ik hoop dat deze Instructable je een aantal goede ideeën heeft gegeven en je op enkele nuttige bronnen heeft gewezen om je te helpen bij het maken van je PCB-reis. Bedankt voor het lezen!

Veel plezier met maken en laat de rook niet ontsnappen! (Serieus, het heeft de magische rook nodig)