Lepšie projekty pomocou PCB: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Ak ste strávili čas prácou na projektoch elektroniky, potom viete, aké zábavné a vzrušujúce to môže byť. Nie je nič vzrušujúcejšie, ako vidieť svoj okruh ožiť priamo pred očami. Je to ešte vzrušujúcejšie, keď sa váš projekt premení na užitočnú pomôcku, ktorou chcete vytvoriť trvalé zariadenie vo svojom dome alebo kancelárii. Ale aký je najlepší spôsob, ako to dosiahnuť? Breadboard určite nie je odpoveďou a budovanie komplikovaného obvodu na proto-boarde môže byť dosť únavné. Oba tieto nástroje majú svoje miesto, ale nie sú ideálne pre realistickú výrobu.

Riešenie? Vytvorte svoj projekt pomocou dosky plošných spojov (PCB). Vzhľadom na to, že počet výrobcov a domácich majstrov každým dňom rastie, výrobcovia sprístupňujú (a cenovo dostupné) služby na profesionálnej úrovni pre každého. Kedysi bolo navrhovanie a výroba PCB neuveriteľne drahé. Vysokokvalitný softvér CAD je v niektorých prípadoch k dispozícii zadarmo a v továrňach sa vyrábajú malé prototypové dosky za pouhých 5 dolárov plus poštovné. Existuje len veľmi málo dôvodov, prečo tieto služby nevyužiť.

Mojím cieľom je previesť vás týmto projektom na vysokej úrovni. Pretože je každý softvér CAD mierne odlišný, budete na to potrebovať zhromaždiť určité znalosti z iných zdrojov. Pošlem odkazy na niekoľko zdrojov, ktoré považujem za užitočné. Predtým, ako sa začnete obávať času potrebného na získanie týchto zručností, dovoľte mi povedať, že som začal s úplne nulovými znalosťami a skúsenosťami a úspešné návrhy som robil po necelých 8 hodinách učenia sa z online zdrojov.

Osobne som použil všetky tri tieto balíky softvéru CAD, ale odporúčam vám pozrieť sa na tieto úvodné videá, aby ste získali predstavu o tom, ako je každé z nich nastavené.

• Úvod do KICADu
• Úvod do webinára CAD Eagle
• Úvod do Altium

Doktor Peter Dalmaris má vynikajúci kurz založený na KICADe, ktorý som absolvoval a dôrazne odporúčam, ak je to softvér, ktorý si vyberiete. Jeho vysvetlenia, ako všetky funkcie fungujú, je ľahké sledovať a sú veľmi úplné. Tu je odkaz na jeho triedu v Tech Explorations.

Ďalšou možnosťou, ktorú je potrebné zvážiť (aj keď to nie je tá, ktorú som sám použil), je EasyEDA. Videl som iných výrobcov, ktorí používajú tento online softvér na vytvorenie veľmi solídnych návrhov.

Poďme navrhnúť!

Zásoby

• PC s CAD softvérom
• Spájkovačka
• Flux
• 1 modul ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (balík SOIC)
• 5 voltový regulátor (L7805)
• 3,3 voltový regulátor (AP2114H)
• generický DC sudový konektor pre 2,1 mm konektor
• Samčie alebo ženské kolíkové hlavičky (voliteľné)
• Rúra na pečenie a spájkovacia pasta (voliteľné)
• Vŕtačka (voliteľné)

Krok 1: Plánovanie a návrh

Je veľmi dôležité mať pevný základ pre každý projekt. Trochu času stráveného plánovaním môže ušetriť hodiny frustrácie na ceste.

Dobrým začiatkom je vytvoriť si zoznam funkcií a vlastností, ktoré by váš návrh mal mať. Nasleduje zoznam, ktorý som použil pri vytváraní tohto ukážkového projektu.

• Doska založená na ESP-32 kompatibilná s existujúcimi návrhmi ESP-32
• Viac digitálnych pinov ako štandardná súprava ESP-32 Dev
• K dispozícii 5v a 3v3 na napájanie príslušenstva pripojeného k doske plošných spojov
• Programovací port, aby som mohol jednotku v budúcnosti aktualizovať
• Schopnosť bežať na 6 až 12 voltovom vstupe

Druhým je zozbieranie zoznamu dielov, ktoré chcete použiť, a nájdenie ľahko dostupného zdroja. Posledná vec, ktorú chcete urobiť, je vyrobiť PCB, pre ktorú nemôžete kúpiť diely. Mali by ste tiež zhromaždiť listy s údajmi výrobcov o každej časti, ktorú plánujete použiť (verte mi, že je to VEĽMI dôležité a neskôr vysvetlím prečo).

Nakoniec zbierajte všetky poznámky a kresby, ktoré ste už pre tento návrh vytvorili. To by zahŕňalo akékoľvek fyzické obmedzenia, ktoré môžete mať. Chcete, aby bola vaša doska kompatibilná so štítom Arduino alebo sa zmestila do konkrétneho krytu. Všetky tieto informácie budú potrebné v rôznych krokoch procesu.

Krok 2: Schéma DPS pomocou CAD

Začnime vytvárať schému!

Vo všeobecnosti rád pridám všetky svoje časti do schémy a rozložím ich spôsobom, ktorý mi dáva zmysel. V tomto mieste, kde ich umiestnite, nemá žiadny vplyv na fyzické umiestnenie na doske plošných spojov, takže túto flexibilitu môžete využiť vo svoj prospech. Ak nemáte stopy pre všetky svoje súčiastky, dôrazne odporúčam SnapEDA a Ultralibrarian. Tieto zdroje majú úžasný výber dostupných dielov pre takmer každý softvér CAD, ktorý možno používate. Stačí vyhľadať číslo dielu komponentu a stiahnuť príslušné súbory. Majú návody, ktoré vás naučia importovať tieto súbory, ak ešte neviete, ako to urobiť.

Pred zapojením vašich dielov k sebe je najlepšie skontrolovať presnosť vývodov každého komponentu. Preto je dôležité mať údajové listy, pretože som zničil celé dávky DPS (pamätáte si tie hodiny frustrácie?), Pretože som tento krok preskočil. Ak ste diel nevyrobili sami (a niekedy dokonca aj vtedy, keď ste ho urobili) VŽDY skontrolujte.

Keď idete zapojiť svoju schému, zistil som, že je výhodné používať sieťové štítky na vytváranie spojení. Ak máte veľké množstvo káblov vedených všetkými spôsobmi, potom je ťažké ich sledovať a tiež zvyšuje šance na vytvorenie pripojenia na mieste, kde by ste nemali (viac hodín frustrácie). Rovnováha káblov a sieťových štítkov je zvyčajne najlepšia. Uistite sa, že použijete zoznam sieťových štítkov, ktorý bude dávať zmysel každému, kto sa pozerá na dizajn. To vám uľahčí život, ak sa v budúcnosti k tomuto dizajnu vrátite a budete chcieť vykonať zmeny alebo vyriešiť pôvodný dizajn.

Schéma je tiež dobrým miestom na zanechanie poznámok o tom, ako majú fungovať rôzne časti obvodu. Je to dobrý spôsob, ako sledovať všetky podrobnosti potrebné na to, aby vec fungovala tak, ako má. Príkladom tohto projektu je, že na programovanie je potrebná prepojka medzi uvoľňovacím kolíkom modulu ESP a napájaním 3,3 V. Aj keď to pravdepodobne nie je jediné miesto, kde by ste mali tento druh informácií dokumentovať, je určite dobré si zvyknúť napísať VŠETKO.

Predtým, ako prejdete k ďalšiemu kroku, dajte svojej schéme dobrú kontrolu. To musí byť správne, aby proces rozloženia DPS prešiel hladko. Pomalý a metodický prístup vám vždy poskytne najlepší konečný výsledok. Prejdite všetky svoje poznámky a overte ich podľa schémy.

Krok 3: Rozloženie DPS

Predtým, ako začneme usporadúvať naše komponenty, je najlepšie pozrieť sa na stopy a uistiť sa, že sú správne pre diely, ktoré plánujete použiť. Napríklad niektoré diely budú mať k dispozícii varianty dier a SMD, uistite sa, že používate iba diely, ktoré budete môcť nainštalovať. Modul EPS-32 má podložku pod ním, ktorá bude vyžadovať špeciálne zaobchádzanie (viac o tom neskôr) Uistite sa, že máte plán pre tieto situácie. Po výbere správnych balíkov pre naše súčiastky by ste mali znova skontrolovať vývody každej časti v údajovom liste (všimli ste si tu trend?) Verte mi, keď hovorím, že tieto môžu byť nesprávne a budú dlhý deň. ak budete musieť neskôr tieto problémy vystopovať

Pri usporiadaní svojich komponentov sa uistite, že zohľadňujete akékoľvek z týchto fyzických obmedzení, ktoré som už spomenul. V niektorých prípadoch môže byť potrebné, aby ste najskôr umiestnili určité časti, pretože ich umiestnenie je kritické a aby sa zmestili všetky ostatné okolo nich. Nezabudnite umiestniť diely, ktoré sú spojené tesne vedľa seba, ale zároveň poskytnú dostatok priestoru, s ktorým budete počas montáže pracovať. Ak máte konkrétny kryt, ktorý plánujete používať, môže mať zmysel najskôr vytvoriť profil dosky a všetky vyvŕtané otvory.

Potom, čo sú všetky vaše komponenty umiestnené tam, kde ich chcete, je načase začať smerovať vaše stopy. Pri tom musíte pamätať na niekoľko kľúčových bodov.

• Najkratšia možná stopa je spravidla najlepšia
• Väčšie je spravidla lepšie (najmä pre napájacie vedenia)
• Musíte vedieť, akým prúdom by mala daná trať pracovať, a uistite sa, že vami zvolená veľkosť môže bezpečne zvládnuť toto množstvo (Toto je veľmi dôležitý bezpečnostný problém, nadprúd môže spôsobiť zahriatie a potenciálne riziko požiaru)
• Zistite, aké tolerancie je váš výrobca schopný dodržať, a postupujte podľa týchto pokynov. Tu je odkaz na stránku možností pre jedného výrobcu (váš softvér CAD môže mať kontrolu pravidiel návrhu, ktorá vás upozorní na všetky miesta, ktoré nespĺňajú normu, ktorou sa môže riadiť továreň)

Napriek tomu, že trasovanie trás môže byť zábavná hádanka, niekedy sa naše návrhy môžu skomplikovať, a preto je to extrémna výzva. V týchto prípadoch vám používanie softvéru na automatické smerovanie môže ušetriť značný čas. Tu je odkaz na automatický smerovač, ktorý som použil pri niekoľkých projektoch. Automatický smerovač importuje váš projekt a podľa vašich návrhových pravidiel vytvorí vhodné stopy pre všetky vaše siete. Spravidla nechám prácu automatického smerovača a potom ručne zmením niekoľko vecí, ktorými by som sa chcel líšiť. Môžete tiež nasmerovať stopy, ktoré chcete, aby boli na konkrétnych miestach, a automatický smerovač bude obchádzať tieto existujúce stopy, ako to funguje na zostávajúcich sieťach.

Krok 4: Posledné dotyky a príprava na výrobu

S umiestnenými časťami a spustenými koľajami je vaša DPS takmer pripravená na použitie. Teraz je vhodný čas na to, aby ste celé rozloženie raz dobre premysleli. Postupujte podľa stôp pomocou schémy ako sprievodcu a zaistite, aby boli vytvorené všetky potrebné spojenia.

Mali by ste tiež zvážiť pridanie grafiky na svoju dosku vo vrstve silkscreen. Vaše meno alebo značka iných výrobcov je dobrý spôsob, ako dať druhým vedieť, že ste na svoju prácu hrdí. Verím tiež v označovanie väčšiny, ak nie všetkých svojich bodov spojenia, za tým, na čo sú. Pomáha to, keď vec po montáži zavesíte, a uľahčuje ostatným porozumenie funkciám týchto bodov pripojenia.

Ďalšia vec, ktorú je potrebné zvážiť, je označenie identifikátora revízie, najmä ak ide o dosku, ktorú chcete vytvoriť viac ako raz. Týmto spôsobom môžete vykonávať zmeny v obvode v budúcnosti a na prvý pohľad povedať, s ktorou verziou dosky pracujete.

Keď je všetko pripravené, je čas vykresliť/exportovať váš návrh a odoslať ho výrobcovi. Vo všeobecnosti pôjde o súbory Gerber a spravidla by mali byť všetky uložené v jednom priečinku.zip. To je to, čo nahráte pri objednávke DPS.

Tu je odkaz na súbory Gerber pre môj príklad projektu na GitHub

Krok 5: Objednávka dosiek plošných spojov

K tomu je k dispozícii stále viac možností ako v minulosti. Začalo to byť také jednoduché, že si každý mohol nechať nechať profesionálne vyrobiť svoje návrhy vo veľkých továrňach a za neuveriteľne rozumnú cenu.

Navrhol som viac ako 35+ PCB a všetky boli vyrobené spoločnosťou JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Veľmi dobrá spoločnosť, s ktorou som nikdy nemal žiadne problémy s kvalitou. Tu je odkaz na video, ktoré prináša prehliadku ich zariadenia a podrobne vysvetľuje proces výroby DPS. Prehliadka továrne

Prejdite na ich webovú stránku a zadajte cenovú ponuku. Potom nahrajte.zip svojich súborov Gerber. Po dokončení nahrávania by ste mali vidieť vykreslenie vášho návrhu. Vyberte si množstvo, farbu a ďalšie kritériá, ktoré by ste v tejto chvíli chceli zadať. Potom je jednoduché pristúpiť k pokladni. Môžete ľahko nahrať svoje vlastné súbory Gerber do bezplatného online prehliadača Gerber a zistiť, ako tieto súbory vyzerajú pri vykreslení.

Obvykle sa pokúšam poslať niekoľko návrhov naraz, aby som ich skombinoval pri preprave. Normálne by som očakával, že ich dostanem do 1-2 týždňov od zadania objednávky. To sa samozrejme môže líšiť v závislosti od rôznych faktorov, ale po odoslaní objednávky vám poskytnú aktuálne informácie o priebehu vašich objednávok.

Krok 6: Poďme to postaviť

Je čas zostaviť!

Pamätajte si, že už som spomenul, že existuje trik na spájkovanie modulu ESP-32? Ak sa pozriete na stopu na doske plošných spojov, všimnete si veľkú podložku pod súčiastkou. Mohla by to byť trochu výzva, ale musím nájsť spôsob, ako svoju prácu zvládnuť.

Možnosť 1: Použite spájkovaciu pastu a malú hriankovač.

Toto je skutočne priama cesta a celkovo vám to prinesie najlepšie výsledky. Toto video vysvetľuje postup. Uistite sa, že rozumiete teplotným požiadavkám spájkovacej pasty, ktorú používate, a dosiahnete celkom neuveriteľné výsledky bez veľkého úsilia. To sa postará o spájkovanie väčšiny, ak nie všetkých súčiastok SMD. Bonusové body, ak vaša hriankovač pochádza z nevyžiadanej hromady a pred použitím ho bolo potrebné opraviť.

Možnosť 2: Vydajte sa z cvičenia!

Táto možnosť bude určite fungovať, ale nie je najideálnejšia. Starostlivé vyvŕtanie malého otvoru cez DPS v strede tejto podložky vám umožní spájkovať ho zo zadnej strany dosky ako súčasť priechodného otvoru. S týmto prístupom sa veci môžu veľmi ľahko pokaziť, preto si urobte čas a použite vysokokvalitný vrták. Ak nemáte v úmysle použiť proces pretavovacej pece, mohli by ste podobné problémy vyriešiť vo svojom návrhu pridaním oplášteného priechodného otvoru v strede tejto podložky. To vám umožní spájkovať žehličkou bez rizika poškodenia dosky.

Spájkujte zvyšné časti otvorov (a SMD, ak ste nepoužili metódu pretavenia). V prípade záhlaví kolíkov spájkujem jeden kolík, aby držal na svojom mieste, zatiaľ čo dosku otáčam, aby som sa ubezpečil, že je rovná. Je tiež dobré veľmi starostlivo skontrolovať spájkovanie na všetkých častiach SMD pomocou lupy. Ak nájdete niečo, čo je potrebné opraviť, použite tavidlo (verte mi, je to veľký rozdiel) a spájkovací spoj znova zohrejte. Na svojom príklade návrhu som zistil, že modul ESP-32 mal niekoľko miest, ktoré bolo potrebné prepracovať. Všimnite si tiež, že som na túto dosku úmyselne nepridal žiadne kolíkové záhlavia, pretože mám v úmysle priamo spájkovať vodiče z mojich periférnych zariadení. Nie je to vždy najlepší prístup, ale pre moju aplikáciu to nie je problém.

To je všetko! od začiatku do konca sme použili koncepciu obvodu a vyrobili sme si vlastnú PCB pre tento projekt. Akonáhle sa zorientujete, možnosti sú takmer nekonečné. Dúfam, že vám tento návod dal niekoľko dobrých nápadov a ukázal vám niekoľko užitočných zdrojov, ktoré vám pomôžu na vašej ceste k tvorbe DPS. Vďaka za prečítanie!

Príjemné varenie a nevypúšťajte dym! (Vážne to potrebuje magický dym)