Bättre projekt med PCB: 6 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Om du har ägnat tid åt att arbeta med elektronikprojekt vet du hur roligt och spännande det kan vara. Ingenting är mer spännande än att se din krets vakna till liv precis framför dina ögon. Det blir ännu mer spännande när ditt projekt förvandlas till en användbar gadget som du vill göra en permanent armatur runt ditt hem eller kontor. Men vad är det bästa sättet att åstadkomma detta? Brödbräda är verkligen inte svaret, och att bygga en komplicerad krets på proto-board kan bli ganska tråkig. Båda dessa verktyg har sin plats, men de är inte idealiska för realistisk produktion.

Lösningen? Gör ditt projekt med ett kretskort (kretskort). Med antalet tillverkare och hobbyister som växer dagligen gör tillverkarna tjänster på professionell nivå tillgängliga (och prisvärda) för alla. En gång var det otroligt dyrt att designa och tillverka PCB. Med högkvalitativ CAD -programvara tillgänglig i vissa fall gratis, och fabriker som tillverkar små prototyper för så lite som $ 5 plus frakt. Det finns väldigt få skäl att inte dra nytta av dessa tjänster.

Mitt mål är att ta dig igenom detta projekt på en hög nivå. Eftersom varje CAD -programvara är något annorlunda måste du samla in lite kunskap från andra källor för att få detta att hända. Jag kommer att lägga upp länkar till några resurser som jag tyckte var till hjälp. Innan du blir orolig för den tid det tar att lära mig dessa färdigheter, låt mig säga att jag började med absolut noll kunskap och erfarenhet, och jag gjorde framgångsrika mönster efter att ha tillbringat mindre än 8 timmar på att lära mig av online -resurser.

Jag har personligen använt alla tre av dessa CAD-programvarupaket, men jag rekommenderar att du tittar på dessa introduktionsvideor för att få en uppfattning om hur var och en av dem är konfigurerade.

• En introduktion till KICAD
• Introduktion till Eagle CAD webinar
• Introduktion till Altium

Doktor Peter Dalmaris har en utmärkt kurs baserad på KICAD som jag har genomfört och rekommenderar starkt om det är den programvara du väljer. Hans förklaringar om hur alla funktioner fungerar är lätta att följa och mycket fullständiga. Här är en länk till hans klass på Tech Explorations.

Ett annat alternativ att överväga (även om det inte är det jag själv har använt) är EasyEDA. Jag har sett andra tillverkare använda denna onlineprogramvara för att göra några mycket solida mönster.

Låt oss börja designa!

Tillbehör

• PC med CAD -programvara
• Lödkolv
• Flöde
• 1 ESP-32-modul (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (SOIC -paket)
• 5 volt regulator (L7805)
• 3.3 volt regulator (AP2114H)
• generisk DC -fatuttag för en 2,1 mm -kontakt
• Man- eller kvinnliga stifthuvuden (tillval)
• Brödrost och lödpasta (valfritt)
• Borr (tillval)

Steg 1: Planering och design

Det är mycket viktigt att ha en solid grund för alla projekt. Lite tid att planera kan spara timmar av frustration på vägen.

Ett bra ställe att börja är att skapa en lista över funktioner och funktioner som du vill att din design ska ha. Följande är listan jag använde när jag skapade detta exempelprojekt.

• Ett ESP-32-baserat kort som är kompatibelt med befintliga ESP-32-konstruktioner
• Fler digitala stift än standard ESP-32 Dev-kit
• Tillgänglig 5v och 3v3 för strömförsörjningstillbehör som är anslutna till kretskortet
• En programmeringsport så att jag kan uppdatera enheten i framtiden
• Möjligheten att köra på en 6 till 12 volt ingång

För det andra samlar du en lista över delar du vill använda och hittar en lättillgänglig källa. Det sista du vill göra är att göra ett kretskort som du inte kan köpa delarna till. Du bör också samla tillverkarens datablad för varje del du planerar att använda (lita på mig, detta är mycket viktigt och jag kommer att förklara varför senare).

Slutligen samlar du alla anteckningar och ritningar som du kanske redan har skapat för denna design. Detta skulle omfatta alla fysiska begränsningar du kan ha. Såsom du vill att din bräda ska vara kompatibel med en Arduino -sköld eller passa inuti ett specifikt hölje. All denna information kommer att behövas vid olika steg i processen.

Steg 2: PCB -schema med CAD

Låt oss börja göra vårt schema!

I allmänhet gillar jag att lägga till alla mina delar i schemat och lägga upp dem på ett sätt som är vettigt för mig. Vid denna tidpunkt där du placerar dem har ingen inverkan på den fysiska platsen på kretskortet, så du kan använda den flexibiliteten till din fördel. Om du inte har fotavtryck för alla dina komponenter rekommenderar jag starkt SnapEDA och Ultralibrarian. Dessa resurser har ett fantastiskt urval av tillgängliga delar för nästan varje CAD -programvara du kanske använder. Sök bara upp komponentens artikelnummer och ladda ner lämpliga filer. De har självstudier som lär dig hur du importerar dessa filer om du inte redan vet hur du gör det.

Innan du kopplar ihop dina delar är det bäst att kontrollera stiften på varje komponent för noggrannhet. Det är därför som det är viktigt att ha deldatablad, jag har förstört hela partier PCB (kom ihåg de timmarna av frustration?) Eftersom jag hoppade över det här steget. Om du inte gjorde delen själv (och ibland även om du gjorde det) dubbelkolla ALLTID.

När du går till tråd din schemat jag har funnit det fördelaktigt att använda nätetiketter för att göra anslutningarna. Om du har en stor mängd ledningar som går åt vilket håll som helst så blir det svårt att följa, och ökar också chansen att ansluta någonstans du inte borde (fler timmar med frustration). En balans mellan trådar och nätetiketter är vanligtvis det bästa, var noga med att använda en lista med nätetiketter som är vettiga för alla andra som tittar på designen. Detta kommer att göra livet enkelt om du kommer tillbaka till denna design i framtiden och vill göra ändringar eller felsöka den ursprungliga designen.

Schemat är också ett bra ställe att lämna anteckningar om hur olika delar av kretsen ska fungera. Detta är ett bra sätt att hålla reda på alla detaljer som krävs för att få saken att fungera som den ska. Ett exempel på detta projekt är att en bygel krävs mellan aktiveringsstiftet på ESP -modulen och 3.3v -matningen för programmering. Även om detta förmodligen inte är det enda stället du bör dokumentera den typen av information på, är det definitivt bra att ha för vana att skriva ner ALLT.

Ge din schema en bra inspektion innan du går vidare till nästa steg. Detta måste vara rätt för att PCB -layoutprocessen ska gå smidigt. Ett långsamt och metodiskt tillvägagångssätt ger dig alltid det bästa slutresultatet. Gå igenom eventuella anteckningar och verifiera dem mot schemat.

Steg 3: PCB -layout

Innan vi börjar ordna våra komponenter är det bäst att titta på fotspåren och se till att de är korrekta för de delar du tänker använda. Till exempel kommer vissa delar att ha hål- och SMD -varianter tillgängliga, se till att du bara använder delar som du kommer att kunna installera. EPS-32-modulen har en kudde under den som kräver speciell hantering (mer om detta senare) Se bara till att du har en plan för dessa situationer. Efter att ha valt rätt paket för våra komponenter bör du igen kontrollera pin-outs för varje del mot databladet (har du märkt en trend här?) Tro mig när jag säger att dessa kan vara fel och det kommer att göra för en lång dag om du måste spåra dessa frågor senare

När du ordnar dina komponenter, se till att du tar hänsyn till någon av de fysiska begränsningarna som jag nämnde tidigare. I vissa fall kan det vara nödvändigt att du placerar vissa delar först eftersom deras plats är kritisk och passar allt annat runt dem. Kom ihåg att placera delar som är anslutna nära varandra, men också ge tillräckligt med utrymme för dig att arbeta med under montering. Om du har ett specifikt hölje som du planerar att använda kan det vara meningsfullt att skapa brädprofilen och eventuella borrhål först.

När alla dina komponenter är placerade där du vill att det är dags att börja dirigera dina spår. Det finns några viktiga punkter att komma ihåg när du gör detta.

• Det kortaste möjliga spåret är i allmänhet bäst
• Större är vanligtvis bättre (särskilt för strömförsörjningsledningar)
• Du måste veta hur mycket ström ett visst spår ska hantera och se till att storleken du har valt säkert kan hantera den mängden (Detta är en mycket viktig säkerhetsfråga, överström kan orsaka uppvärmning och potentiellt vara brandrisk)
• Vet vilka toleranser din tillverkare kan bibehålla och följ dessa riktlinjer. Här är en länk till kapacitetssidan för en tillverkare (din CAD -programvara kan ha en konstruktionsregelkontroll som varnar dig om alla platser som inte uppfyller en standard som fabriken kan följa)

Även om routningsspår kan vara ett roligt pussel, kan ibland våra mönster bli komplicerade vilket gör detta till en extrem utmaning. I dessa fall kan du spara mycket tid med att använda en automatisk routingprogramvara. Här är en länk till en Auto-router jag har använt i flera projekt. Auto-routern importerar ditt projekt och använder dina designregler för att skapa lämpliga spår för alla dina nät. Normalt låter jag Auto-routern göra sitt arbete, sedan manuellt ändra några saker som jag kanske vill vara annorlunda. Du kan också dirigera spåren du vill vara på specifika platser, och auto-routern kommer att kringgå de befintliga spåren när den fungerar på de återstående näten.

Steg 4: Sista beröringar och förberedelser för tillverkning

Med delar placerade och spår kör din PCB är nästan redo att gå. Nu är en bra tid att ge hela layouten en bra gång. Följ spår med hjälp av schemat som en guide och se till att alla anslutningar du behöver har gjorts.

Du bör också överväga att lägga till grafik på ditt bräde i silkscreen -lagret. Ditt namn eller några andra tillverkares märke är ett bra sätt att låta andra veta att du är stolt över ditt arbete. Jag tror också på att markera de flesta om inte alla mina kopplingspunkter med vad de är till för. Detta hjälper när du går att ansluta saken efter montering och gör det lättare för andra att förstå funktionerna hos dessa anslutningspunkter.

En annan sak att tänka på är att markera en revisionsidentifierare, särskilt om det här är en tavla du tänker göra mer än en gång. På så sätt kan du göra ändringar i kretsen i framtiden och på ett ögonblick berätta vilken version av kortet du arbetar med.

Med allt det gjort är det dags att plotta/exportera din design och skicka den till tillverkaren. I allmänhet kommer dessa att vara Gerber -filer, och vanligtvis bör de alla lagras i en enda.zip -mapp. Detta är vad du kommer att ladda upp när du lägger din PCB -beställning.

Här är en länk till Gerber -filerna för mitt exempelprojekt på GitHub

Steg 5: Beställa dina kretskort

Fler och fler alternativ är tillgängliga för detta än tidigare. Det har blivit så enkelt att vem som helst kan få sin design professionellt tillverkad av stora fabriker och ett otroligt rimligt pris.

Jag har designat över 35+ kretskort och alla har producerats av JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Ett mycket bra företag som jag aldrig har haft några kvalitetsproblem med. Här är en länk till en video som ger en rundtur i deras anläggning och förklarar PCB -tillverkningsprocessen i detalj. Fabrikstur

Gå till deras webbplats och starta en offert. Ladda sedan upp.zip av dina Gerber -filer. Du bör se en återgivning av din design när överföringen är klar. Välj din kvantitet, färg och andra kriterier du vill ange just nu. Då är det bara att gå till kassan. Du kan enkelt ladda upp dina egna Gerber -filer till en gratis Gerber -visning online och se hur dessa filer ser ut när de återges.

Vanligtvis försöker jag skicka in flera mönster samtidigt för att kombinera frakten. Normalt förväntar jag mig att få dessa inom 1-2 veckor efter att beställningen har lagts. Detta kan naturligtvis variera beroende på en mängd olika faktorer, men de kommer att ge dig uppdateringar om dina orderframsteg via deras webbplats och ett spårningsnummer efter att din beställning skickats.

Steg 6: Låt oss bygga det

Det är dags att montera!

Kommer du ihåg att jag tidigare nämnde att det finns ett knep för att löda ESP-32-modulen? Om du tittar på fotavtrycket på kretskortet kommer du att märka en stor kudde under komponenten. Det kan vara lite av en utmaning, men jag måste sätt som du kan få jobbet gjort.

Alternativ 1: Använd lödpasta och en liten brödrostugn.

Detta är verkligen rakt fram, och det kommer definitivt att ge dig de bästa resultaten totalt sett. Denna video förklarar processen. Se till att du förstår temperaturkraven för den lödpasta du använder, och du kommer att få ganska otroliga resultat utan mycket ansträngning. Detta kommer att ta hand om lödning de flesta om inte alla SMD -komponenter. Bonuspoäng om din brödrostugn kom från en skräphög och behövde repareras innan du använder den.

Alternativ 2: Släpp ut övningen!

Detta alternativ kommer definitivt att fungera men det är inte det mest idealiska. Om du noggrant borrar ett litet hål genom kretskortet i mitten av denna kudde kan du lödda det från brädans baksida som en genomgående hålskomponent. Saker och ting kan gå fel med det här tillvägagångssättet, så ta dig tid och använd en borr av hög kvalitet. Om du inte tänker använda en återflödesugnsprocess kan du hantera problem som detta i din design genom att lägga till ett pläterat genomgående hål i mitten av denna platta. Detta gör att du kan lödas med ett strykjärn utan risk för att skada din bräda.

Löd eventuella kvarvarande håldelar (och SMD om du inte använde återflödesmetoden). För stifthuvudena ska jag lödda en enda stift för att hålla den på plats medan jag vänder brädet för att se till att den är rak. Det är också bra att kontrollera lödningen mycket noggrant på alla SMD -delar med ett förstoringsglas av något slag. Om du hittar något som behöver åtgärdas, använd lite flussmedel (lita på mig det här gör stor skillnad) och värm upp lödfogen. Jag fann på min exempeldesign att ESP-32-modulen hade flera platser som behövde bearbetas om. Observera också att jag avsiktligt inte har lagt till några stifthuvuden på det här kortet, det är för att jag tänker direkt löd trådarna från mina kringutrustning. Detta är inte alltid det bästa tillvägagångssättet, men för min applikation är det inte ett problem.

Det är allt! från början till slut tog vi ett kretskoncept och gjorde vår egen anpassade PCB för detta projekt. När du väl har koll på det är möjligheterna nästan oändliga. Jag hoppas att Instructable har gett dig några bra idéer och pekat på några användbara resurser för att hjälpa dig på din PCB -resa. Tack för att du läser!

Lycka till, och släpp inte ut röken! (Allvarligt talat behöver den den magiska röken)