Лучшие проекты с использованием печатных плат: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Если вы потратили время на работу с проектами в области электроники, то знаете, насколько это может быть весело и увлекательно. Нет ничего более радостного, чем видеть, как ваша схема оживает прямо у вас на глазах. Это становится еще более захватывающим, когда ваш проект превращается в полезный гаджет, который вы хотите закрепить в своем доме или офисе. Но как лучше всего этого добиться? Макетная плата - это, конечно, не ответ, и создание сложной схемы на макетной плате может стать довольно утомительным занятием. У обоих этих инструментов есть свое место, но они не идеальны для реалистичного производства.

Решение? Сделайте свой проект, используя PCB (печатную плату). Поскольку количество производителей и любителей растет с каждым днем, производители делают услуги профессионального уровня доступными (и доступными) для всех. Когда-то проектировать и изготавливать печатные платы было невероятно дорого. Благодаря высококачественному программному обеспечению САПР, который в некоторых случаях доступен бесплатно, а также фабрикам, производящим небольшие прототипы плат всего за 5 долларов плюс доставка. Есть очень мало причин не пользоваться этими услугами.

Моя цель - познакомить вас с этим проектом на высоком уровне. Поскольку каждое программное обеспечение САПР немного отличается, вам нужно будет собрать некоторые знания из других источников, чтобы это произошло. Я опубликую ссылки на несколько ресурсов, которые мне показались полезными. Прежде чем вы начнете беспокоиться о времени, необходимом для изучения этих навыков, позвольте мне сказать, что я начал с абсолютно нулевых знаний и опыта, и я делал успешные проекты, потратив менее 8 часов на изучение онлайн-ресурсов.

Я лично использовал все три из этих пакетов программного обеспечения САПР, но я рекомендую вам посмотреть эти вводные видеоролики, чтобы получить представление о том, как настраивается каждый из них.

• Введение в KICAD
• Вебинар "Введение в Eagle CAD"
• Введение в Altium

У доктора Питера Далмариса есть отличный курс, основанный на KICAD, который я закончил, и настоятельно рекомендую, если это программное обеспечение, которое вы выберете. Его объяснения того, как работают все функции, просты и полны. Вот ссылка на его курс в Tech Explorations.

Еще один вариант, который стоит рассмотреть (хотя я сам не использовал его) - EasyEDA. Я видел, как другие производители использовали это онлайн-программное обеспечение для создания очень надежных дизайнов.

Приступим к проектированию!

Запасы

• ПК с программным обеспечением САПР
• Паяльник
• Поток
• 1 модуль ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (корпус SOIC)
• Регулятор 5 вольт (L7805)
• Регулятор 3,3 вольт (AP2114H)
• стандартный цилиндрический разъем постоянного тока для штекера 2,1 мм
• Штекерные или женские штыревые разъемы (необязательно)
• Тостер и паяльная паста (по желанию)
• Сверло (необязательно)

Шаг 1: планирование и дизайн

Для любого проекта очень важно иметь прочную основу. Небольшое время, потраченное на планирование, может сэкономить часы разочарования в будущем.

Хорошее место для начала - создание списка функций и возможностей, которые вы хотите, чтобы ваш дизайн имел. Ниже приводится список, который я использовал при создании этого примера проекта.

• Плата на базе ESP-32, совместимая с существующими проектами ESP-32.
• Больше цифровых выводов, чем в стандартном комплекте разработчика ESP-32
• Доступны 5 В и 3 В 3 для питания аксессуаров, прикрепленных к печатной плате
• Порт программирования, чтобы я мог обновить устройство в будущем
• Возможность работы на входе от 6 до 12 вольт

Во-вторых, нужно собрать список частей, которые вы хотите использовать, и найти легкодоступный источник. Последнее, что вам нужно сделать, это сделать печатную плату, для которой вы не сможете купить детали. Вам также следует собрать паспорта производителей для каждой детали, которую вы планируете использовать (поверьте мне, это ОЧЕНЬ важно, и я объясню почему позже).

Наконец, соберите все заметки и рисунки, которые вы, возможно, уже создали для этого дизайна. Это будет включать любые физические ограничения, которые могут у вас возникнуть. Например, вы хотели бы, чтобы ваша плата была совместима с экраном Arduino или помещалась в конкретный корпус. Вся эта информация понадобится на разных этапах процесса.

Шаг 2: Схема печатной платы с использованием САПР

Приступим к созданию нашей схемы!

В общем, мне нравится добавлять в схему все свои части и раскладывать их так, чтобы они были понятны мне. На этом этапе их размещение не влияет на физическое расположение на печатной плате, поэтому вы можете использовать эту гибкость в своих интересах. Если у вас нет посадочных мест для всех ваших компонентов, я настоятельно рекомендую SnapEDA и Ultralibrarian. На этих ресурсах есть потрясающий выбор доступных частей практически для любого программного обеспечения САПР, которое вы можете использовать. Просто найдите номер детали компонента и загрузите соответствующие файлы. У них есть учебные пособия, которые научат вас импортировать эти файлы, если вы еще не знаете, как это сделать.

Перед тем, как соединять детали вместе, лучше всего проверить правильность разводки выводов каждого компонента. Вот почему так важно иметь спецификации деталей, у меня были испорчены целые партии печатных плат (помните те часы разочарования?), Потому что я пропустил этот шаг. Если вы не делали деталь сами (а иногда даже если делали), ВСЕГДА дважды проверяйте.

Когда вы собираетесь подключать свою схему, я обнаружил, что полезно использовать метки цепей для выполнения соединений. Если у вас есть большое количество проводов, идущих в разные стороны, становится трудно проследить за ним, а также увеличиваются шансы установить соединение в том месте, где вы не должны (больше часов разочарования). Баланс проводов и меток цепей обычно является лучшим, просто обязательно используйте список меток цепей, который будет понятен всем, кто смотрит на дизайн. Это упростит жизнь, если вы вернетесь к этому дизайну в будущем, желая внести изменения или устранить неполадки в исходном дизайне.

Схема также является хорошим местом, чтобы оставлять заметки о том, как должны работать различные части схемы. Это хороший способ отслеживать все детали, необходимые для правильной работы устройства. Примером этого проекта является необходимость установки перемычки между разрешающим контактом модуля ESP и источником питания 3,3 В для программирования. Хотя это, вероятно, не единственное место, где вы должны документировать такую информацию, определенно полезно иметь привычку записывать ВСЕ.

Внимательно изучите схему, прежде чем переходить к следующему шагу. Это должно быть правильно, чтобы процесс компоновки печатной платы прошел гладко. Медленный и методичный подход всегда даст вам наилучший конечный результат. Просмотрите все заметки, которые у вас могут быть, и сверьте каждое из них со схемой.

Шаг 3: компоновка печатной платы

Прежде чем мы начнем размещать наши компоненты, лучше всего посмотреть на посадочные места и убедиться, что они подходят для частей, которые вы собираетесь использовать. Например, для некоторых деталей будут доступны варианты с отверстиями и SMD, убедитесь, что вы используете только те детали, которые сможете установить. Под модулем EPS-32 есть прокладка, которая требует особого обращения (подробнее об этом позже). Просто убедитесь, что у вас есть план на эти ситуации. После выбора подходящих пакетов для наших компонентов вы должны снова проверить распиновку каждой части по таблице данных (вы заметили здесь тенденцию?) Поверьте мне, когда я говорю, что это может быть неправильно, и это продлится долгий день. если вам нужно будет отследить эти проблемы позже

При размещении компонентов убедитесь, что вы учли все физические ограничения, о которых я упоминал ранее. В некоторых случаях вам может потребоваться сначала разместить определенные детали, потому что их расположение имеет решающее значение, и разместить все остальное вокруг них. Не забудьте разместить соединенные детали близко друг к другу, но при этом оставьте достаточно места для работы во время сборки. Если у вас есть конкретный корпус, который вы планируете использовать, возможно, имеет смысл сначала создать профиль платы и просверлить отверстия.

После того, как все ваши компоненты будут расположены там, где вы хотите, самое время начать разводку ваших треков. При этом следует помнить несколько ключевых моментов.

• Как правило, самый короткий путь лучше всего
• Чем больше, тем лучше (особенно для линий электропитания)
• Вам необходимо знать, какой ток должен выдерживать данный трек, и убедиться, что выбранный вами размер может безопасно справиться с этим количеством (это очень важная проблема безопасности, перегрузка по току может вызвать нагрев и потенциально стать пожарной опасностью)
• Знайте, какие допуски ваш производитель может поддерживать, и следуйте этим рекомендациям. Вот ссылка на страницу возможностей для одного производителя (в вашем программном обеспечении CAD может быть средство проверки правил проектирования, которое предупредит вас о любых местах, которые не соответствуют стандарту, которому может следовать завод)

Маршрутизация треков может быть забавной головоломкой, но иногда наши проекты могут быть сложными, что делает это чрезвычайно сложной задачей. В таких случаях использование программного обеспечения автоматической маршрутизации может значительно сэкономить время. Вот ссылка на автоматический маршрутизатор, который я использовал в нескольких проектах. Авто-маршрутизатор импортирует ваш проект и использует ваши правила проектирования для создания соответствующих трасс для всех ваших цепей. Обычно я позволяю автоматическому маршрутизатору выполнять свою работу, а затем вручную изменяю несколько вещей, которые я могу захотеть изменить. Вы также можете развести следы, которые хотите разместить в определенных местах, и автоматический маршрутизатор будет работать с этими существующими дорожками, как он работает с оставшимися цепями.

Шаг 4: Последние штрихи и подготовка к производству

После размещения деталей и запуска дорожек ваша печатная плата почти готова к работе. Сейчас хорошее время, чтобы хорошенько изучить весь макет. Следуйте трассировкам, используя схему в качестве руководства, и убедитесь, что все необходимые соединения выполнены.

Вам также следует подумать о добавлении графики на вашу доску в слое шелкографии. Ваше имя или знак других производителей - хороший способ показать другим, что вы гордитесь своей работой. Я также верю в то, что нужно отмечать большинство, если не все мои точки соединения тем, для чего они нужны. Это помогает, когда вы собираетесь подключать устройство после сборки, и помогает другим понять функции этих точек подключения.

Еще одна вещь, которую следует учитывать, - это пометить идентификатор ревизии, особенно если это плата, которую вы собираетесь делать более одного раза. Таким образом, вы сможете вносить изменения в схему в будущем и сразу определять, с какой версией платы вы работаете.

После этого пришло время построить / экспортировать дизайн и отправить его производителю. Как правило, это будут файлы Gerber, и обычно все они должны храниться в одной папке.zip. Это то, что вы загрузите при размещении заказа на печатную плату.

Вот ссылка на файлы Gerber для моего примера проекта на GitHub

Шаг 5: заказ вашей печатной платы

Для этого доступно все больше и больше вариантов, чем раньше. Это стало настолько просто, что любой может профессионально изготовить дизайн на крупных фабриках по невероятно разумной цене.

Я разработал более 35+ печатных плат, и все они были произведены JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Очень хорошая компания, с которой у меня никогда не было проблем с качеством. Вот ссылка на видео, которое знакомит с их производством и подробно объясняет процесс изготовления печатных плат. Завод Тур

Зайдите на их сайт и начните цитату. Затем загрузите.zip ваших файлов Gerber. Вы должны увидеть визуализацию вашего дизайна после завершения загрузки. Выберите количество, цвет и любые другие критерии, которые вы хотите указать сейчас. Тогда можно перейти к оформлению заказа. Вы можете легко загрузить свои собственные файлы Gerber в бесплатную онлайн-программу просмотра Gerber и посмотреть, как эти файлы выглядят при рендеринге.

Обычно я стараюсь отправить несколько дизайнов одновременно, чтобы объединить их при доставке. Обычно я ожидаю получить их через 1-2 недели после размещения заказа. Это, конечно, может варьироваться в зависимости от множества факторов, но они будут сообщать вам обновления о ходе выполнения ваших заказов через свой веб-сайт и номер для отслеживания после того, как ваш заказ будет отправлен.

Шаг 6: давайте построим

Пора собирать!

Помните, ранее я упоминал, что есть трюк с пайкой модуля ESP-32? Если вы посмотрите на посадочное место на печатной плате, вы заметите большую площадку под компонентом. Что ж, это может быть немного проблематично, но я должен найти способы, которыми вы можете выполнить эту работу.

Вариант 1. Используйте паяльную пасту и небольшой тостер.

Это действительно просто, и это определенно даст вам лучшие результаты в целом. Это видео объясняет процесс. Убедитесь, что вы понимаете требования к температуре используемой паяльной пасты, и вы получите невероятные результаты без особых усилий. Это позаботится о пайке большинства, если не всех компонентов SMD. Бонусные баллы, если ваша тостерная печь была взята из груды мусора и ее нужно было отремонтировать перед использованием.

Вариант 2: достать дрель!

Этот вариант точно подойдет, но он не самый идеальный. Осторожно просверлив небольшое отверстие в печатной плате в центре этой площадки, вы сможете припаять его с задней стороны платы, как компонент со сквозным отверстием. При таком подходе что-то может пойти не так, поэтому не торопитесь и используйте высококачественное сверло. Если вы не собираетесь использовать процесс оплавления печи, вы можете решить подобные проблемы в своем дизайне, добавив металлическое сквозное отверстие в центре этой площадки. Это позволит вам паять утюгом без риска повредить плату.

Припаяйте все оставшиеся детали со сквозными отверстиями (и SMD, если вы не использовали метод оплавления). Для разъемов контактов я припаяю один контакт, чтобы удерживать его на месте, пока я переворачиваю плату, чтобы убедиться, что она прямая. Также хорошо проверить пайку на всех SMD-деталях с помощью какой-нибудь лупы. Если вы обнаружите что-то, что нужно подправить, используйте немного флюса (поверьте мне, это имеет большое значение) и повторно нагрейте паяное соединение. На моем примере дизайна я обнаружил, что в модуле ESP-32 есть несколько мест, которые необходимо переработать. Также обратите внимание, что я намеренно не добавил никаких контактов на эту плату, потому что я намереваюсь напрямую припаять провода от своих периферийных устройств. Это не всегда лучший подход, но для моего приложения это не проблема.

Вот и все! от начала до конца мы взяли концепцию схемы и сделали нашу собственную печатную плату для этого проекта. Как только вы освоите это, возможности почти безграничны. Я надеюсь, что эта инструкция дала вам несколько хороших идей и указала на некоторые полезные ресурсы, которые помогут вам в вашем путешествии по печатной плате. Спасибо за прочтение!

Удачи и не выпускайте дым! (Серьезно ему нужен волшебный дым)