Progetti migliori che utilizzano PCB: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Se hai passato del tempo a lavorare con progetti di elettronica, allora sai quanto può essere divertente ed eccitante. Niente è più esaltante che vedere il tuo circuito prendere vita proprio davanti ai tuoi occhi. Diventa ancora più eccitante quando il tuo progetto si trasforma in un gadget utile che vuoi rendere un appuntamento fisso in casa o in ufficio. Ma qual è il modo migliore per farlo? Breadboard non è certamente la risposta e costruire un circuito complicato su proto-board può diventare piuttosto noioso. Entrambi questi strumenti hanno il loro posto, ma non sono l'ideale per una produzione realistica.

La soluzione? Realizza il tuo progetto utilizzando un PCB (circuito stampato). Con il numero di produttori e hobbisti che cresce ogni giorno, i produttori stanno rendendo disponibili (e convenienti) servizi di livello professionale per tutti. Un tempo era incredibilmente costoso progettare e fabbricare PCB. Con software CAD di alta qualità prontamente disponibile gratuitamente in alcuni casi e fabbriche che producono piccole schede prototipo per soli $ 5 più spese di spedizione. Ci sono pochissime ragioni per non usufruire di questi servizi.

Il mio obiettivo è portarti attraverso questo progetto ad alto livello. Poiché ogni software CAD è leggermente diverso, dovrai raccogliere alcune conoscenze da altre fonti per far sì che ciò accada. Pubblicherò collegamenti ad alcune risorse che ho trovato utili. Prima che ti preoccupi del tempo necessario per apprendere queste abilità, lasciami dire che ho iniziato con conoscenza ed esperienza assolutamente zero e stavo realizzando progetti di successo dopo aver trascorso meno di 8 ore a imparare dalle risorse online.

Ho utilizzato personalmente tutti e tre questi pacchetti software CAD, ma ti consiglio di guardare questi video introduttivi per avere un'idea di come ciascuno di essi è impostato.

• Un'introduzione a KICAD
• Webinar di introduzione al CAD Eagle
• Introduzione ad Altium

Il dottor Peter Dalmaris ha un eccellente corso basato su KICAD che ho completato e che consiglio vivamente se questo è il software che scegli. Le sue spiegazioni su come funzionano tutte le funzionalità sono facili da seguire e molto complete. Ecco un link alla sua classe a Tech Explorations.

Un'altra opzione da considerare (anche se questa non è una che ho usato io stesso) è EasyEDA. Ho visto altri produttori utilizzare questo software online per realizzare progetti molto solidi.

Iniziamo a progettare!

Forniture

• PC con software CAD
• Saldatore
• Flusso
• 1 modulo ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (pacchetto SOIC)
• Regolatore 5 volt (L7805)
• Regolatore da 3,3 volt (AP2114H)
• jack a barilotto CC generico per una spina da 2,1 mm
• Pin-header maschio o femmina (opzionale)
• Tostapane e pasta saldante (opzionale)
• Trapano (opzionale)

Passaggio 1: pianificazione e progettazione

È molto importante avere una base solida per qualsiasi progetto. Un po' di tempo dedicato alla pianificazione può far risparmiare ore di frustrazione lungo la strada.

Un buon punto di partenza è creare un elenco di funzioni e caratteristiche che vuoi che il tuo design abbia. Quello che segue è l'elenco che ho usato quando ho creato questo progetto di esempio.

• Una scheda basata su ESP-32 compatibile con i progetti ESP-32 esistenti
• Più pin digitali rispetto al kit di sviluppo ESP-32 standard
• Disponibile 5v e 3v3 per l'alimentazione degli accessori collegati al PCB
• Una porta di programmazione in modo da poter aggiornare l'unità in futuro
• La capacità di funzionare con un ingresso da 6 a 12 volt

Il secondo è raccogliere un elenco di parti che desideri utilizzare e trovare una fonte prontamente disponibile. L'ultima cosa che vuoi fare è creare un PCB di cui non puoi acquistare le parti. Dovresti anche raccogliere le schede tecniche dei produttori per ogni parte che intendi utilizzare (fidati di me, questo è MOLTO importante e spiegherò perché più tardi).

Infine, raccogliendo eventuali note e disegni che potresti aver già creato per questo progetto. Ciò includerebbe eventuali vincoli fisici che potresti avere. Ad esempio, vorresti che la tua scheda fosse compatibile con uno shield Arduino o che si adattasse a un involucro specifico. Tutte queste informazioni saranno necessarie nelle varie fasi del processo.

Passaggio 2: Schema PCB utilizzando CAD

Iniziamo a realizzare il nostro schema!

In generale mi piace aggiungere tutte le mie parti allo schema e disporle in un modo che abbia senso per me. A questo punto, dove li collochi non ha alcun impatto sulla posizione fisica sul PCB, quindi puoi usare quella flessibilità a tuo vantaggio. Se non hai impronte per tutti i tuoi componenti, consiglio vivamente SnapEDA e Ultralibrarian. Queste risorse hanno una straordinaria selezione di parti disponibili per quasi tutti i software CAD che potresti utilizzare. Basta cercare il numero di parte del componente e scaricare i file appropriati. Hanno tutorial che ti insegnano come importare questi file se non sai già come farlo.

Prima di collegare le parti insieme, è meglio controllare l'accuratezza dei pin-out di ciascun componente. Questo è il motivo per cui è importante avere le schede tecniche delle parti, ho avuto interi lotti di PCB rovinati (ricordate quelle ore di frustrazione?) Perché ho saltato questo passaggio. Se non hai fatto la parte da solo (e talvolta anche se l'hai fatto) ricontrolla SEMPRE.

Quando vai a cablare il tuo schema, ho trovato utile usare le etichette di rete per effettuare i collegamenti. Se hai una grande quantità di cavi che corrono in ogni direzione, diventa difficile seguirli e aumenta anche le possibilità di stabilire una connessione da qualche parte in cui non dovresti (più ore di frustrazione). Un equilibrio di fili ed etichette di rete è solitamente il migliore, assicurati solo di utilizzare un elenco di etichette di rete che abbia senso per chiunque altro guardi il design. Ciò semplificherà la vita se tornerai a questo progetto in futuro volendo apportare modifiche o risolvere i problemi del progetto originale.

Lo schema è anche un buon posto per lasciare note su come dovrebbero funzionare le varie parti del circuito. Questo è un buon modo per tenere traccia di tutti i dettagli necessari per far funzionare la cosa come dovrebbe. Un esempio su questo progetto è che è necessario un ponticello tra il pin di abilitazione del modulo ESP e l'alimentazione 3.3v per la programmazione. Anche se questo probabilmente non è l'unico posto in cui dovresti documentare quel tipo di informazioni, è sicuramente utile prendere l'abitudine di scrivere TUTTO.

Dai una buona ispezione al tuo schema prima di passare al passaggio successivo. Questo deve essere corretto affinché il processo di layout del PCB proceda senza intoppi. Un approccio lento e metodico ti darà sempre il miglior risultato finale. Esamina tutte le note che potresti avere e verifica ciascuna di esse rispetto allo schema.

Passaggio 3: layout PCB

Prima di iniziare a sistemare i nostri componenti, è meglio guardare le impronte e assicurarsi che siano corrette per le parti che si intende utilizzare. Ad esempio, alcune parti disporranno di varianti di foro e SMD, assicurati di utilizzare solo parti che sarai in grado di installare. Il modulo EPS-32 ha un pad sotto il che richiederà una gestione speciale (ne parleremo più avanti) Assicurati di avere un piano per queste situazioni. Dopo aver selezionato i pacchetti appropriati per i nostri componenti, dovresti nuovamente controllare i pin-out di ogni parte rispetto alla scheda tecnica (hai notato una tendenza qui?) Credimi quando dico che questi possono essere sbagliati e renderanno per una lunga giornata se devi rintracciare questi problemi in seguito

Quando organizzi i tuoi componenti, assicurati di tenere conto di uno di quei vincoli fisici che ho menzionato prima. In alcuni casi potrebbe essere necessario posizionare prima alcune parti perché la loro posizione è fondamentale e si adatta a tutto il resto intorno a loro. Ricorda di posizionare le parti che sono collegate vicine tra loro, ma lascia anche spazio sufficiente per lavorare durante il montaggio. Se si dispone di un involucro specifico che si prevede di utilizzare, potrebbe essere opportuno creare prima il profilo della scheda e gli eventuali fori.

Dopo che tutti i tuoi componenti si trovano dove vuoi che siano, è il momento di iniziare a instradare le tue tracce. Ci sono alcuni punti chiave da ricordare mentre lo fai.

• La traccia più breve possibile è generalmente la migliore
• Più grande è in genere migliore (soprattutto per le linee di alimentazione)
• Devi sapere quanta corrente dovrebbe essere gestita da un determinato binario e assicurarti che la dimensione che hai selezionato possa gestire in sicurezza quella quantità (questo è un problema di sicurezza molto importante, la sovracorrente può causare riscaldamento e potenzialmente essere un rischio di incendio)
• Sapere quali tolleranze è in grado di mantenere il produttore e seguire tali linee guida. Ecco un collegamento alla pagina delle funzionalità per un produttore (il tuo software CAD potrebbe avere un controllo delle regole di progettazione che ti avviserà di eventuali punti che non soddisfano uno standard che la fabbrica può seguire)

Mentre le tracce di routing possono essere un puzzle divertente, a volte i nostri progetti possono complicarsi rendendo questo una sfida estrema. In questi casi, l'utilizzo di un software di auto-routing può farti risparmiare molto tempo. Ecco un collegamento a un router automatico che ho utilizzato su diversi progetti. L'Auto-router importa il tuo progetto e usa le tue regole di progettazione per creare tracce appropriate per tutte le tue reti. In genere lascerò che l'Auto-router faccia il suo lavoro, quindi cambierò manualmente alcune cose che potrei voler cambiare. Puoi anche instradare le tracce che desideri siano in posizioni specifiche e l'auto-router funzionerà attorno a quelle tracce esistenti mentre funziona sulle reti rimanenti.

Passaggio 4: ritocchi finali e preparazione per la produzione

Con le parti posizionate e le tracce eseguite, il tuo PCB è quasi pronto per l'uso. Ora è un buon momento per dare una buona volta all'intero layout. Segui le tracce usando lo schema come guida e assicurati che tutti i collegamenti necessari siano stati effettuati.

Dovresti anche considerare l'aggiunta di elementi grafici alla tua scheda nel livello serigrafia. Il tuo nome o il marchio di altri produttori è un buon modo per far sapere agli altri che sei orgoglioso del tuo lavoro. Credo anche nel segnare la maggior parte se non tutti i miei punti di connessione con quello a cui servono. Questo aiuta quando si va a collegare la cosa dopo il montaggio e rende più facile per gli altri comprendere le funzioni di questi punti di connessione.

Un'altra cosa da considerare è contrassegnare un identificatore di revisione, soprattutto se si tratta di una scheda che si intende realizzare più di una volta. In questo modo puoi apportare modifiche al circuito in futuro e dire a colpo d'occhio con quale versione della scheda stai lavorando.

Fatto tutto ciò, è tempo di tracciare/esportare il tuo design e inviarlo al produttore. In generale si tratta di file Gerber e in genere dovrebbero essere archiviati tutti in un'unica cartella.zip. Questo è ciò che caricherai quando effettui l'ordine del PCB.

Ecco un collegamento ai file Gerber per il mio progetto di esempio su GitHub

Passaggio 5: ordinare i PCB

Per questo sono disponibili sempre più opzioni rispetto al passato. È diventato così facile che chiunque può avere i propri progetti realizzati professionalmente da grandi fabbriche e un prezzo incredibilmente ragionevole.

Ho progettato più di 35 PCB e tutti sono stati prodotti da JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Un'ottima azienda con cui non ho mai avuto problemi di qualità. Ecco un collegamento a un video che offre un tour della loro struttura e spiega in dettaglio il processo di fabbricazione del PCB. Giro della fabbrica

Vai al loro sito web e iniziare un preventivo. Quindi carica il.zip dei tuoi file Gerber. Dovresti vedere un rendering del tuo design al termine del caricamento. Scegli la quantità, il colore e qualsiasi altro criterio che desideri specificare in questo momento. Quindi è una semplice questione di procedere al checkout. Puoi caricare facilmente i tuoi file Gerber su un visualizzatore Gerber online gratuito e vedere come appaiono questi file quando vengono visualizzati.

In genere cerco di inviare più design contemporaneamente da combinare sulla spedizione. Normalmente mi aspetto di riceverli in 1-2 settimane dopo l'ordine. Questo ovviamente può variare in base a una varietà di fattori, ma ti forniranno aggiornamenti sui progressi dei tuoi ordini tramite il loro sito Web e un numero di tracciamento dopo la spedizione dell'ordine.

Passaggio 6: costruiamolo

È tempo di assemblare!

Ricordi prima che ho detto che c'è un trucco per saldare il modulo ESP-32? Se guardi l'impronta sul PCB noterai un grande pad sotto il componente. Beh, potrebbe essere un po' una sfida, ma devo trovare dei modi per portare a termine il lavoro.

Opzione 1: utilizzare pasta saldante e un piccolo tostapane.

Questo è davvero semplice e sicuramente ti darà i migliori risultati complessivi. Questo video spiega il processo. Assicurati di comprendere i requisiti di temperatura della pasta saldante che stai utilizzando e otterrai risultati davvero incredibili senza troppi sforzi. Questo si occuperà di saldare la maggior parte se non tutti i componenti SMD. Punti bonus se il tuo tostapane proveniva da un mucchio di spazzatura e doveva essere riparato prima dell'uso.

Opzione 2: tira fuori il trapano!

Questa opzione funzionerà sicuramente, ma non è la più ideale. Praticare con cura un piccolo foro attraverso il PCB al centro di questo pad ti consentirà di saldarlo dal lato posteriore della scheda come un componente con foro passante. Le cose possono andare storte abbastanza facilmente con questo approccio, quindi prenditi il tuo tempo e usa una punta da trapano di alta qualità. Se non intendi utilizzare un processo di rifusione del forno, potresti gestire problemi come questo nel tuo progetto aggiungendo un foro passante placcato al centro di questo pad. Questo ti permetterà di saldare con un ferro senza il rischio di danneggiare la tua tavola.

Salda le parti rimanenti del foro passante (e SMD se non hai utilizzato il metodo di rifusione). Per le intestazioni dei pin salderò un singolo pin per tenerlo in posizione mentre giro la scheda per assicurarmi che sia dritta. È anche utile controllare molto attentamente la saldatura su tutte le parti SMD usando una lente di ingrandimento di qualche tipo. Se trovi qualcosa che deve essere ritoccato, usa del flusso (fidati di me questo fa una grande differenza) e riscalda il giunto di saldatura. Ho scoperto sul mio progetto di esempio che il modulo ESP-32 aveva diversi punti che dovevano essere rielaborati. Si noti inoltre che non ho aggiunto intenzionalmente alcun pin-header a questa scheda, perché intendo saldare direttamente i fili dei miei dispositivi periferici. Questo non è sempre l'approccio migliore, ma per la mia applicazione non è un problema.

Questo è tutto! dall'inizio alla fine abbiamo preso un concetto di circuito e realizzato il nostro PCB personalizzato per questo progetto. Una volta che ci hai preso la mano, le possibilità sono quasi infinite. Spero che questo Instructable ti abbia dato alcune buone idee e ti abbia indicato alcune risorse utili per aiutarti nel tuo viaggio nella creazione di PCB. Grazie per aver letto!

Buon lavoro e non far uscire il fumo! (Seriamente ha bisogno del fumo magico)