Millors projectes amb PCB: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Si heu passat temps treballant amb projectes electrònics, sabreu el divertit i emocionant que pot ser. Res no és més engrescador que veure com el teu circuit pren vida just davant dels teus ulls. Es fa encara més emocionant quan el vostre projecte es converteix en un gadget útil que voleu que tingueu un dispositiu permanent a la vostra llar o oficina. Però, quina és la millor manera d’aconseguir-ho? Certament, la taula de pa no és la solució i crear un circuit complicat a la placa de prototipatge pot arribar a ser força tediós. Ambdues eines tenen el seu lloc, però no són ideals per a una producció realista.

La solució? Feu el vostre projecte mitjançant un PCB (placa de circuit imprès). Amb el nombre de fabricants i aficionats creixent diàriament, els fabricants ofereixen serveis de nivell professional disponibles (i assequibles) per a tothom. Aleshores era increïblement car dissenyar i fabricar PCB. Amb un programari CAD d’alta qualitat fàcilment disponible de forma gratuïta en alguns casos, i fàbriques que fabriquen petites taules de prototip per tan sols 5 dòlars més l’enviament. Hi ha molt poques raons per no aprofitar-se d’aquests serveis.

El meu objectiu és portar-vos a través d’aquest projecte a un alt nivell. Com que cada programari CAD és lleugerament diferent, haureu de recollir coneixement d'altres fonts perquè això passi. Publicaré enllaços a alguns recursos que m’han semblat útils. Abans que us preocupeu pel temps que necessiteu per aprendre aquestes habilitats, deixeu-me dir que vaig començar amb un coneixement i experiència absolutament nuls, i que estava fent dissenys amb èxit després de passar menys de vuit hores aprenent dels recursos en línia.

He utilitzat personalment aquests tres paquets de programari CAD, però us recomano que mireu aquests vídeos d’introducció per tenir una idea de com es configuren cadascun d’ells.

• Una introducció a KICAD
• Introducció al seminari web Eagle CAD
• Introducció a Altium

El doctor Peter Dalmaris té un curs excel·lent basat en KICAD que he completat i us recomano si aquest és el programari que trieu. Les seves explicacions sobre el funcionament de totes les funcions són fàcils de seguir i molt completes. Aquí hi ha un enllaç a la seva classe a Tech Explorations.

Una altra opció a tenir en compte (tot i que no he fet servir jo mateixa) és EasyEDA. He vist que altres fabricants utilitzen aquest programari en línia per fer dissenys molt sòlids.

Comencem a dissenyar!

Subministraments

• PC amb programari CAD
• Soldador
• Flux
• 1 mòdul ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017's (paquet SOIC)
• Regulador de 5 volts (L7805)
• Regulador de 3,3 volts (AP2114H)
• presa genèrica de barril de CC per a un endoll de 2,1 mm
• Capçaleres masculines o femenines (opcional)
• Torradora i pasta de soldar (opcional)
• Trepant (opcional)

Pas 1: planificació i disseny

És molt important tenir una base sòlida per a qualsevol projecte. Una mica de temps dedicat a la planificació pot estalviar hores de frustració a la carretera.

Un bon lloc per començar és crear una llista de funcions i funcions que voleu que tingui el vostre disseny. La següent és la llista que vaig utilitzar quan vaig crear aquest exemple de projecte.

• Una placa basada en ESP-32 compatible amb dissenys ESP-32 existents
• Més pins digitals que el kit estàndard ESP-32 Dev
• Disponible 5v i 3v3 per alimentar els accessoris connectats al PCB
• Un port de programació per poder actualitzar la unitat en el futur
• La possibilitat de funcionar amb una entrada de 6 a 12 volts

El segon és recollir una llista de les parts que voleu utilitzar i trobar una font fàcilment disponible. L'últim que voleu fer és fabricar un PCB per al qual no pugueu comprar les peces. També heu de recollir els fulls de dades dels fabricants de cada part que vulgueu utilitzar (confieu en mi, això és MOLT important i explicaré el perquè més endavant).

Finalment, recopileu les notes i els dibuixos que hàgiu creat per a aquest disseny. Això inclouria les limitacions físiques que pugueu tenir. Tal com voldríeu que la vostra placa sigui compatible amb un escut Arduino o que s’adapti a un recinte específic. Tota aquesta informació serà necessària en diversos passos del procés.

Pas 2: Esquema de PCB mitjançant CAD

Comencem a fer el nostre esquema.

En general, m'agrada afegir totes les meves parts a l'esquema i distribuir-les d'una manera que tingui sentit per a mi. En aquest punt on els col·loqueu no té cap impacte en la ubicació física del PCB, de manera que podeu utilitzar aquesta flexibilitat al vostre avantatge. Si no teniu petjades de tots els vostres components, us recomano SnapEDA i Ultralibrarian. Aquests recursos tenen una selecció sorprenent de peces disponibles per a gairebé tots els programes CAD que podríeu utilitzar. Simplement busqueu el número de peça del component i descarregueu els fitxers adequats. Tenen tutorials que us ensenyen a importar aquests fitxers si encara no sabeu com fer-ho.

Abans de connectar les peces junts, és millor comprovar la precisió dels pin-outs de cada component. És per això que és important tenir els fulls de dades de peces, he tingut arruïnats lots sencers de PCB (recordeu aquelles hores de frustració?) Perquè he saltat aquest pas. Si no heu fet la peça vosaltres mateixos (i de vegades fins i tot si ho heu fet) SEMPRE reviseu-ho.

Quan aneu a connectar el vostre esquema, he resultat útil utilitzar etiquetes de xarxa per fer les connexions. Si teniu una gran quantitat de cables en funcionament en tots els sentits, és difícil seguir-lo i també augmenta les possibilitats de fer una connexió en algun lloc que no hauríeu de fer (més hores de frustració). Un equilibri de cables i etiquetes de xarxa sol ser el millor, només cal que utilitzeu una llista d’etiquetes de xarxa que tindrà sentit per a qualsevol altra persona que estigui mirant el disseny. Això us facilitarà la vida si torneu a aquest disseny en el futur amb ganes de fer canvis o solucioneu el disseny original.

L’esquema també és un bon lloc per deixar notes sobre com se suposa que funcionen diverses parts del circuit. Aquesta és una bona manera de fer un seguiment de tots els detalls necessaris perquè la cosa funcioni com hauria de ser. Un exemple d’aquest projecte és que cal un pont entre el pin d’habilitació del mòdul ESP i el subministrament de 3,3 v per a la programació. Tot i que probablement no sigui l’únic lloc on hauríeu de documentar aquest tipus d’informació, definitivament és bo tenir l’hàbit d’escriure TOT.

Feu una bona inspecció al vostre esquema abans de passar al següent pas. Això ha de ser correcte perquè el procés de disseny de PCB funcioni sense problemes. Un enfocament lent i metòdic sempre us proporcionarà el millor resultat final. Repasseu totes les notes que tingueu i verifiqueu cadascuna d'elles contra l'esquema.

Pas 3: Disseny de PCB

Abans de començar a organitzar els nostres components, és millor mirar les petjades i assegurar-se que siguin correctes per a les peces que voleu utilitzar. Per exemple, algunes peces tindran disponibles variants de forats i SMD, assegureu-vos que només utilitzeu peces que podreu instal·lar. El mòdul EPS-32 té un coixinet a sota que requerirà una manipulació especial (més sobre això més endavant). Només cal que us assegureu de tenir un pla per a aquestes situacions. Després de seleccionar els paquets adequats per als nostres components, haureu de tornar a comprovar els pin-outs de cada part en relació amb el full de dades (heu notat alguna tendència aquí?) Creieu-me quan dic que es poden equivocar i que durarà un llarg dia si heu de rastrejar aquests problemes més endavant

Quan organitzeu els components, assegureu-vos de tenir en compte qualsevol d'aquestes restriccions físiques que he esmentat anteriorment. En alguns casos, pot ser necessari que col·loqueu certes parts primer perquè la seva ubicació és fonamental i s’adapta a tota la resta que les envolta. Recordeu que heu de col·locar parts connectades entre si, però que també us permeten treballar prou durant el muntatge. Si teniu un recinte específic, teniu previst utilitzar-lo, pot ser que sigui convenient crear primer el perfil de la placa i els forats.

Després de localitzar tots els components on vulgueu, és hora de començar a enrutar les pistes. Hi ha alguns punts clau que cal recordar durant la realització d’això.

• La traça més curta possible sol ser la millor
• Més gran sol ser millor (sobretot per a línies de subministrament elèctric)
• Heu de saber la quantitat de corrent que hauria de manejar una pista determinada i assegureu-vos que la mida que heu seleccionat pugui gestionar amb seguretat aquesta quantitat (aquest és un problema de seguretat molt important, la sobrecorrent pot provocar escalfament i pot ser un perill d'incendi).
• Conegueu quines toleràncies el vostre fabricant és capaç de mantenir i seguir aquestes pautes. Aquí hi ha un enllaç a la pàgina de funcions d’un fabricant (el vostre programari CAD pot tenir un verificador de regles de disseny que us avisarà de qualsevol lloc que no compleixi els estàndards que la fàbrica pot seguir)

Tot i que encaminar pistes pot ser un divertit trencaclosques, de vegades els nostres dissenys es poden complicar, cosa que suposa un repte extrem. En aquests casos, l’ús d’un programari d’encaminament automàtic us pot estalviar temps substancial. Aquí teniu un enllaç a un enrutador automàtic que he utilitzat en diversos projectes. L’encaminador automàtic importa el vostre projecte i utilitza les vostres regles de disseny per fer el seguiment adequat de totes les vostres xarxes. Normalment, deixaré que l’encaminador automàtic faci la seva feina i després canviaré manualment algunes coses que potser vull que siguin diferents. També podeu encaminar les traces que vulgueu a ubicacions específiques i l’encaminador automàtic funcionarà al voltant d’aquestes pistes ja que funciona a la resta de xarxes.

Pas 4: tocs finals i preparació per a la fabricació

Amb les peces col·locades i les pistes executades, el vostre PCB està gairebé a punt. Ara és un bon moment per donar un bon cop al disseny complet. Seguiu els rastres utilitzant l’esquema com a guia i assegureu-vos que s’hagin establert totes les connexions que necessiteu.

També heu de considerar afegir gràfics al tauler a la capa de serigrafia. El vostre nom o alguna marca d'altres fabricants és una bona manera de fer saber a d'altres que esteu orgullosos del vostre treball. També crec en marcar la majoria, si no tots, dels meus punts de connexió amb què serveixen. Això ajuda quan es connecta el dispositiu després del muntatge i facilita la comprensió per part d'altres de les funcions d'aquests punts de connexió.

Una altra cosa a tenir en compte és marcar un identificador de revisió, especialment si es tracta d’un tauler que voleu crear més d’una vegada. D'aquesta manera, podreu fer canvis al circuit en el futur i dir d'un cop d'ull amb quina versió de la placa esteu treballant.

Amb tot això, ha arribat el moment de traçar / exportar el vostre disseny i enviar-lo al fabricant. En general, es tracta de fitxers Gerber i, normalment, tots s’han d’emmagatzemar en una única carpeta.zip. Això és el que carregareu quan feu la vostra comanda de PCB.

Aquí hi ha un enllaç als fitxers Gerber del meu exemple de projecte a GitHub

Pas 5: demaneu els vostres PCB

Hi ha més i més opcions disponibles que en el passat. Es fa tan fàcil que tothom pot fer els seus dissenys de manera professional per grans fàbriques i un preu increïblement raonable.

He dissenyat més de més de 35 PCB i tots han estat produïts per JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Una empresa molt bona amb la qual mai he tingut cap problema de qualitat. Aquí teniu un enllaç a un vídeo que fa un recorregut per les seves instal·lacions i explica detalladament el procés de fabricació de PCB. Visita a la fàbrica

Aneu al seu lloc web i comenceu un pressupost. A continuació, pengeu el fitxer.zip dels vostres fitxers Gerber. Un cop finalitzada la càrrega, hauríeu de veure una representació del vostre disseny. Trieu la quantitat, el color i qualsevol altre criteri que vulgueu especificar en aquest moment. Aleshores és senzill procedir al pagament. Podeu penjar fàcilment els vostres propis fitxers Gerber a un visor Gerber en línia gratuït i veure com són aquests fitxers quan es representen.

Normalment intento enviar diversos dissenys alhora per combinar-me amb l’enviament. Normalment, esperaria rebre-les en 1-2 setmanes després de la comanda. Això, per descomptat, pot variar en funció de diversos factors, però us proporcionaran actualitzacions sobre el progrés de les vostres comandes a través del seu lloc web i un número de seguiment després de l'enviament de la vostra comanda.

Pas 6: Permet construir-lo

És hora de muntar!

Recordeu que abans vaig esmentar que hi ha un truc per soldar el mòdul ESP-32? Si mireu la petjada del PCB, notareu un gran coixinet a sota del component. Bé, això podria ser una mica un repte, però he de maneres de fer la feina.

Opció 1: utilitzeu pasta de soldadura i un forn petit per torrar.

Això és realment senzill i sens dubte us donarà els millors resultats en general. Aquest vídeo explica el procés. Assegureu-vos d’entendre els requisits de temperatura de la pasta de soldar que utilitzeu i obtindreu uns resultats força increïbles sense gaire esforç. Això s'encarregarà de soldar la majoria, si no tots els components SMD. Punts extra si el forn de la torradora provenia d’una pila d’escombraries i cal reparar-lo abans d’utilitzar-lo.

Opció 2: treure el trepant!

Aquesta opció definitivament funcionarà, però no és la més ideal. Perforar acuradament un petit forat a través del PCB al centre d’aquest coixinet us permetrà soldar-lo des de la part posterior del tauler com si fos un component del forat passant. Les coses poden sortir malament amb aquest enfocament, així que preneu-vos el temps i utilitzeu una broca d'alta qualitat. Si no teniu intenció d’utilitzar un procés de forn de reflux, podríeu solucionar problemes com aquest al vostre disseny afegint un forat travesser xapat al centre d’aquest coixinet. Això us permetrà soldar amb una planxa sense risc de danyar el tauler.

Soldeu les parts restants dels forats (i SMD si no heu utilitzat el mètode de reflow). Per a les capçaleres dels pins, soldaré un sol pin per mantenir-lo al seu lloc mentre giro el tauler per assegurar-me que sigui recte. També és bo comprovar la soldadura amb molta cura en totes les peces SMD mitjançant una lupa d'algun tipus. Si trobeu alguna cosa que necessiti un retoc, utilitzeu una mica de flux (confieu en mi, això fa una gran diferència) i torneu a escalfar la junta de soldadura. Al meu disseny d’exemple vaig trobar que el mòdul ESP-32 tenia diversos llocs que calia tornar a treballar. Tingueu en compte també que intencionadament no he afegit cap capçalera a aquesta placa, això és perquè tinc la intenció de soldar directament els cables dels meus dispositius perifèrics. Aquest no sempre és el millor enfocament, però per a la meva aplicació no és un problema.

Això és! de principi a fi, vam prendre un concepte de circuit i vam crear el nostre propi PCB personalitzat per a aquest projecte. Un cop us ho copieu, les possibilitats són gairebé infinites. Espero que aquest Instructable us hagi donat algunes bones idees i us hagi indicat alguns recursos útils per ajudar-vos en el vostre viatge de fabricació de PCB. Gràcies per llegir!

Feliç fabricació i no deixeu sortir el fum! (Seriosament necessita el fum màgic)