Lepsze projekty z wykorzystaniem płytek PCB: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Jeśli spędziłeś czas pracując nad projektami elektronicznymi, wiesz, jaka może być zabawna i ekscytująca. Nie ma nic bardziej ekscytującego niż obserwowanie, jak obwód ożywa na twoich oczach. Robi się jeszcze bardziej ekscytująco, gdy Twój projekt zamienia się w przydatny gadżet, który chcesz umieścić na stałe w domu lub biurze. Ale jaki jest najlepszy sposób, aby to osiągnąć? Płytka do krojenia chleba z pewnością nie jest odpowiedzią, a budowanie skomplikowanego obwodu na płycie prototypowej może stać się dość żmudne. Oba te narzędzia mają swoje miejsce, ale nie są idealne do realistycznej produkcji.

Rozwiązanie? Zrób swój projekt za pomocą PCB (płytki drukowanej). Ponieważ liczba producentów i hobbystów rośnie z dnia na dzień, producenci udostępniają usługi na profesjonalnym poziomie (i przystępne cenowo) dla każdego. Kiedyś projektowanie i wytwarzanie płytek drukowanych było niezwykle kosztowne. Z wysokiej jakości oprogramowaniem CAD dostępnym za darmo w niektórych przypadkach i fabrykami produkującymi małe płytki prototypowe za jedyne 5 USD plus koszty wysyłki. Jest bardzo niewiele powodów, aby nie skorzystać z tych usług.

Moim celem jest przeprowadzenie Cię przez ten projekt na wysokim poziomie. Ponieważ każde oprogramowanie CAD jest nieco inne, musisz zebrać trochę wiedzy z innych źródeł, aby tak się stało. Opublikuję linki do kilku zasobów, które okazały się pomocne. Zanim zaczniesz się martwić o czas potrzebny na nauczenie się tych umiejętności, powiem, że zaczynałem z absolutnie zerową wiedzą i doświadczeniem, a po spędzeniu mniej niż 8 godzin na nauce z zasobów internetowych robiłem udane projekty.

Osobiście korzystałem ze wszystkich trzech pakietów oprogramowania CAD, ale polecam zapoznać się z tymi filmami wprowadzającymi, aby zorientować się, jak każdy z nich jest skonfigurowany.

• Wprowadzenie do KICAD
• Wprowadzenie do webinaru Eagle CAD
• Wprowadzenie do Altium

Doktor Peter Dalmaris ma doskonały kurs oparty na KICAD, który ukończyłem i gorąco polecam, jeśli to oprogramowanie, które wybierzesz. Jego wyjaśnienia dotyczące działania wszystkich funkcji są łatwe do zrozumienia i bardzo kompletne. Oto link do jego klasy w Tech Explorations.

Inną opcją do rozważenia (chociaż nie jest to ta, z której sam korzystałem) jest EasyEDA. Widziałem, jak inni twórcy używają tego oprogramowania online do tworzenia bardzo solidnych projektów.

Zacznijmy projektować!

Kieszonkowe dzieci

• PC z oprogramowaniem CAD
• Lutownica
• Strumień
• 1 moduł ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (pakiet SOIC)
• Regulator 5 V (L7805)
• Regulator 3,3 V (AP2114H)
• ogólne gniazdo DC baryłka dla wtyczki 2,1 mm
• Nagłówki męskie lub żeńskie (opcjonalnie)
• Piec tosterowy i pasta lutownicza (opcjonalnie)
• Wiertło (opcjonalnie)

Krok 1: Planowanie i projektowanie

Bardzo ważne jest posiadanie solidnych podstaw do każdego projektu. Niewielka ilość czasu spędzonego na planowaniu może zaoszczędzić wiele godzin frustracji.

Dobrym miejscem do rozpoczęcia jest stworzenie listy funkcji i cech, które chcesz mieć w swoim projekcie. Poniżej znajduje się lista, której użyłem podczas tworzenia tego przykładowego projektu.

• Płytka oparta na ESP-32 kompatybilna z istniejącymi konstrukcjami ESP-32
• Więcej cyfrowych pinów niż standardowy zestaw deweloperski ESP-32
• Dostępne 5v i 3v3 do zasilania akcesoriów dołączonych do płytki drukowanej
• Port do programowania, abym mógł aktualizować urządzenie w przyszłości
• Możliwość pracy na wejściu od 6 do 12 V

Drugi to zebranie listy części, których chcesz użyć, i znalezienie łatwo dostępnego źródła. Ostatnią rzeczą, którą chcesz zrobić, to zrobić płytkę PCB, do której nie możesz kupić części. Powinieneś również zebrać arkusze danych producenta dla każdej części, której zamierzasz użyć (zaufaj mi, to BARDZO ważne i wyjaśnię dlaczego później).

Na koniec zbieranie wszelkich notatek i rysunków, które mogłeś już utworzyć dla tego projektu. Obejmuje to wszelkie ograniczenia fizyczne, które możesz mieć. Na przykład chcesz, aby Twoja płyta była kompatybilna z nakładką Arduino lub pasowała do określonej obudowy. Wszystkie te informacje będą potrzebne na różnych etapach procesu.

Krok 2: Schemat PCB za pomocą CAD

Zacznijmy tworzyć nasz schemat!

Ogólnie lubię dodawać wszystkie moje części do schematu i układać je w sposób, który ma dla mnie sens. W tym momencie ich umieszczenie nie ma wpływu na fizyczne położenie na płytce drukowanej, więc możesz wykorzystać tę elastyczność na swoją korzyść. Jeśli nie masz śladów dla wszystkich swoich komponentów, gorąco polecam SnapEDA i Ultralibrarian. Zasoby te zawierają niesamowity wybór dostępnych części do niemal każdego używanego oprogramowania CAD. Wystarczy sprawdzić numer części komponentu i pobrać odpowiednie pliki. Mają samouczki uczące, jak importować te pliki, jeśli jeszcze nie wiesz, jak to zrobić.

Przed połączeniem części ze sobą najlepiej jest sprawdzić dokładność wyprowadzeń każdego komponentu. Dlatego ważne jest posiadanie arkuszy danych części, ponieważ zrujnowałem całe partie płytek PCB (pamiętasz te godziny frustracji?), ponieważ pominąłem ten krok. Jeśli sam nie wykonałeś tej części (a czasami nawet jeśli to zrobiłeś) ZAWSZE sprawdź dokładnie.

Kiedy idziesz do okablowania swojego schematu, uważam, że korzystne jest używanie etykiet sieci do tworzenia połączeń. Jeśli masz dużą liczbę przewodów biegnących we wszystkie strony, trudno jest je śledzić, a także zwiększasz szanse na nawiązanie połączenia w miejscu, w którym nie powinieneś (więcej godzin frustracji). Równowaga przewodów i etykiet siatek jest zwykle najlepsza, po prostu upewnij się, że używasz listy etykiet siatek, która będzie miała sens dla każdego, kto przyjrzy się projektowi. Ułatwi to życie, jeśli wrócisz do tego projektu w przyszłości, chcąc wprowadzić zmiany lub rozwiązać problem z oryginalnym projektem.

Schemat jest również dobrym miejscem do robienia notatek o tym, jak mają działać różne części obwodu. Jest to dobry sposób na śledzenie wszystkich szczegółów wymaganych do tego, aby rzecz działała tak, jak powinna. Przykładem tego projektu jest to, że do programowania wymagana jest zworka między pinem enable modułu ESP a zasilaniem 3.3V. Chociaż prawdopodobnie nie jest to jedyne miejsce, w którym powinieneś dokumentować tego rodzaju informacje, zdecydowanie dobrze jest wyrobić sobie nawyk zapisywania WSZYSTKIEGO.

Sprawdź swój schemat przed przejściem do następnego kroku. To musi być właściwe, aby proces projektowania PCB przebiegał sprawnie. Powolne i metodyczne podejście zawsze da Ci najlepszy efekt końcowy. Przejrzyj wszelkie notatki, które możesz mieć i zweryfikuj każdą z nich na schemacie.

Krok 3: Układ PCB

Zanim zaczniemy układać nasze komponenty, najlepiej przyjrzyj się śladom i upewnij się, że są odpowiednie dla części, których zamierzasz użyć. Na przykład niektóre części będą miały dostępne warianty otworów i SMD, upewnij się, że używasz tylko części, które będziesz mógł zainstalować. Moduł EPS-32 ma podkładkę pod spodem, który będzie wymagał specjalnej obsługi (więcej o tym później) Tylko upewnij się, że masz plan na takie sytuacje. Po wybraniu odpowiednich pakietów dla naszych komponentów należy ponownie sprawdzić wyprowadzenia każdej części z arkuszem danych (zauważyłeś tutaj trend?) Uwierz mi, gdy mówię, że mogą się mylić i będzie to długi dzień jeśli będziesz musiał później prześledzić te problemy

Podczas rozmieszczania komponentów upewnij się, że uwzględniasz dowolne z tych fizycznych ograniczeń, o których wspomniałem wcześniej. W niektórych przypadkach może być konieczne umieszczenie niektórych części na początku, ponieważ ich lokalizacja jest krytyczna i zmieścić wszystko wokół nich. Pamiętaj, aby umieścić części, które są połączone blisko siebie, ale także zapewnić wystarczającą ilość miejsca do pracy podczas montażu. Jeśli masz konkretną obudowę, której planujesz użyć, może być sensowne, aby najpierw utworzyć profil deski i wywiercić otwory.

Po tym, jak wszystkie komponenty znajdują się tam, gdzie chcesz, nadszedł czas, aby rozpocząć wyznaczanie tras. Należy pamiętać o kilku kluczowych kwestiach.

• Najkrótszy możliwy ślad jest generalnie najlepszy
• Większe jest zazwyczaj lepsze (szczególnie w przypadku linii zasilających)
• Musisz wiedzieć, ile prądu powinien obsługiwać dany tor i upewnić się, że wybrany rozmiar bezpiecznie poradzi sobie z tą ilością (jest to bardzo ważny problem bezpieczeństwa, przetężenie może powodować nagrzewanie i potencjalnie stanowić zagrożenie pożarowe)
• Dowiedz się, jakie tolerancje może zachować Twój producent, i postępuj zgodnie z tymi wytycznymi. Oto link do strony z możliwościami jednego producenta (Twoje oprogramowanie CAD może mieć narzędzie do sprawdzania reguł projektowych, które ostrzeże Cię o wszelkich miejscach, które nie spełniają standardów, które fabryka może stosować)

Podczas gdy wyznaczanie tras może być zabawną zagadką, czasami nasze projekty mogą się komplikować, co sprawia, że jest to ekstremalne wyzwanie. W takich przypadkach korzystanie z oprogramowania do automatycznego wyznaczania tras może zaoszczędzić sporo czasu. Oto link do automatycznego routera, którego używałem w kilku projektach. Auto-router importuje twój projekt i używa twoich reguł projektowych do tworzenia odpowiednich śladów dla wszystkich twoich sieci. Zazwyczaj pozwolę, aby Auto-router wykonał swoją pracę, a następnie ręcznie zmienię kilka rzeczy, które mogę chcieć zmienić. Możesz także pokierować śladami, które chcesz znaleźć w określonych lokalizacjach, a automatyczny router będzie działał wokół tych istniejących ścieżek, tak jak działa na pozostałych sieciach.

Krok 4: Ostatnie poprawki i przygotowanie do produkcji

Po umieszczeniu części i uruchomieniu ścieżek, Twoja płytka drukowana jest prawie gotowa do pracy. Teraz jest dobry moment, aby raz jeszcze przyjrzeć się całemu układowi. Podążaj śladami, korzystając ze schematu jako przewodnika i upewnij się, że wszystkie potrzebne połączenia zostały wykonane.

Powinieneś także rozważyć dodanie grafiki do swojej planszy w warstwie sitodruku. Twoje imię i nazwisko lub znak innego producenta to dobry sposób, aby inni wiedzieli, że jesteś dumny ze swojej pracy. Wierzę również w oznaczanie większości, jeśli nie wszystkich moich punktów styku, tym, do czego służą. Pomaga to, gdy idziesz podłączyć rzecz po montażu i ułatwia innym zrozumienie funkcji tych punktów połączeń.

Kolejną rzeczą do rozważenia jest oznaczenie identyfikatora wersji, zwłaszcza jeśli jest to tablica, którą zamierzasz stworzyć więcej niż raz. W ten sposób możesz w przyszłości wprowadzać zmiany w obwodzie i na pierwszy rzut oka stwierdzić, z którą wersją płytki pracujesz.

Po tym wszystkim nadszedł czas na wydrukowanie/wyeksportowanie projektu i wysłanie go do producenta. Na ogół będą to pliki Gerber i zazwyczaj wszystkie powinny być przechowywane w jednym folderze.zip. To jest to, co prześlesz, gdy złożysz zamówienie na PCB.

Oto link do plików Gerber dla mojego przykładowego projektu na GitHub

Krok 5: Zamawianie PCB

Dostępnych jest coraz więcej opcji niż w przeszłości. Stało się to tak proste, że każdy może profesjonalnie wykonać swoje projekty w dużych fabrykach i za niewiarygodnie rozsądną cenę.

Zaprojektowałem ponad 35 płytek PCB i wszystkie zostały wyprodukowane przez JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Bardzo dobra firma, z którą nigdy nie miałem problemów z jakością. Oto link do filmu, który przedstawia wycieczkę po ich zakładzie i szczegółowo wyjaśnia proces produkcji PCB. Wycieczka po fabryce

Wejdź na ich stronę i rozpocznij wycenę. Następnie prześlij.zip swoich plików Gerber. Po zakończeniu przesyłania powinieneś zobaczyć renderowanie swojego projektu. Wybierz ilość, kolor i inne kryteria, które chcesz teraz określić. Wtedy jest to prosta sprawa przejścia do kasy. Możesz łatwo przesłać własne pliki Gerber do bezpłatnej przeglądarki Gerber online i zobaczyć, jak te pliki wyglądają podczas renderowania.

Zazwyczaj staram się wysłać kilka projektów za jednym razem, aby połączyć na wysyłce. Zwykle spodziewam się, że otrzymam je w ciągu 1-2 tygodni po złożeniu zamówienia. To oczywiście może się różnić w zależności od różnych czynników, ale po wysłaniu zamówienia otrzymasz aktualne informacje o postępach zamówień na swojej stronie internetowej i numer śledzenia.

Krok 6: Zbudujmy to

Czas na montaż!

Pamiętasz, że wcześniej wspomniałem, że jest pewien trik w lutowaniu modułu ESP-32? Jeśli spojrzysz na ślad na płytce drukowanej, zauważysz dużą podkładkę pod komponentem. Cóż, to może być trochę wyzwaniem, ale mam sposoby, aby wykonać tę pracę.

Opcja 1: Użyj pasty lutowniczej i małego tostera.

To jest naprawdę proste i na pewno zapewni najlepsze wyniki. Ten film wyjaśnia proces. Upewnij się, że rozumiesz wymagania temperaturowe pasty lutowniczej, której używasz, a uzyskasz niesamowite wyniki bez większego wysiłku. To zajmie lutowanie większości, jeśli nie wszystkich elementów SMD. Dodatkowe punkty, jeśli Twój toster pochodzi ze sterty śmieci i wymaga naprawy przed użyciem.

Opcja 2: Wyjdź z wiertarki!

Ta opcja na pewno się sprawdzi, ale nie jest idealna. Ostrożne wywiercenie małego otworu w płytce drukowanej pośrodku tego podkładki pozwoli ci przylutować go z tyłu płytki jak element z otworem przelotowym. Przy takim podejściu wszystko może się nie udać, więc nie spiesz się i używaj wysokiej jakości wiertła. Jeśli nie zamierzasz używać procesu pieca rozpływowego, możesz rozwiązać takie problemy w swoim projekcie, dodając platerowany otwór przelotowy w środku tej podkładki. Umożliwi to lutowanie żelazkiem bez ryzyka uszkodzenia płyty.

Przylutuj wszelkie pozostałe części przelotowe (i SMD, jeśli nie korzystałeś z metody ponownego rozpływu). W przypadku nagłówków pinów przylutuję pojedynczy pin, aby utrzymać go na miejscu, podczas gdy odwracam płytkę, aby upewnić się, że jest prosta. Dobrze jest również bardzo dokładnie sprawdzić lutowanie na wszystkich częściach SMD za pomocą jakiejś lupy. Jeśli znajdziesz coś, co wymaga korekty, użyj trochę topnika (zaufaj mi, że to duża różnica) i podgrzej złącze lutowane. Na moim przykładowym projekcie stwierdziłem, że moduł ESP-32 miał kilka miejsc, które wymagały przeróbki. Zauważ też, że celowo nie dodałem żadnych nagłówków pinów do tej płytki, ponieważ zamierzam bezpośrednio lutować przewody z moich urządzeń peryferyjnych. Nie zawsze jest to najlepsze podejście, ale dla mojej aplikacji nie stanowi to problemu.

Otóż to! od początku do końca opracowaliśmy koncepcję obwodu i wykonaliśmy własną niestandardową płytkę drukowaną dla tego projektu. Kiedy już to zrozumiesz, możliwości są prawie nieograniczone. Mam nadzieję, że ten Instructable dał ci kilka dobrych pomysłów i wskazał kilka przydatnych zasobów, które pomogą ci w podróży do tworzenia PCB. Dziękuje za przeczytanie!

Miłego robienia i nie wypuszczaj dymu! (Poważnie potrzebuje magicznego dymu)