Lepší projekty s použitím desek plošných spojů: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Pokud jste strávili čas prací s elektronickými projekty, víte, jak zábavné a vzrušující to může být. Není nic vzrušujícího, než vidět, jak se váš okruh ožívá přímo před vašima očima. Je to ještě vzrušující, když se váš projekt promění v užitečného gadgeta, ze kterého chcete vytvořit trvalé zařízení kolem vašeho domova nebo kanceláře. Ale jak toho nejlépe dosáhnout? Breadboard rozhodně není odpověď a budování komplikovaného obvodu na proto-boardu může být docela únavné. Oba tyto nástroje mají své místo, ale nejsou ideální pro realistickou produkci.

Řešení? Vytvořte svůj projekt pomocí desky plošných spojů (PCB). Vzhledem k tomu, že počet tvůrců a fandů každým dnem roste, výrobci zpřístupňují (a dostupné) služby na profesionální úrovni pro každého. Najednou bylo neuvěřitelně drahé navrhnout a vyrobit PCB. S vysoce kvalitním softwarem CAD, který je v některých případech k dispozici zdarma, a továrnami, které vyrábějí malé prototypové desky za pouhých 5 USD plus poštovné. Důvodů, proč těchto služeb nevyužít, je velmi málo.

Mým cílem je provést vás tímto projektem na vysoké úrovni. Protože je každý CAD software mírně odlišný, budete k tomu potřebovat nějaké znalosti z jiných zdrojů. Pošlu odkazy na několik zdrojů, které mi přišly užitečné. Než se začnete starat o čas potřebný k osvojení těchto dovedností, dovolte mi říci, že jsem začal s naprosto nulovými znalostmi a zkušenostmi a úspěšně jsem vytvářel návrhy poté, co jsem strávil méně než 8 hodin učením se z online zdrojů.

Osobně jsem použil všechny tři tyto balíčky softwaru CAD, ale doporučuji vám podívat se na tato úvodní videa, abyste získali představu o tom, jak je každé z nich nastaveno.

• Úvod do KICADu
• Úvod do webináře Eagle CAD
• Úvod do Altium

Doktor Peter Dalmaris má vynikající kurz založený na KICADu, který jsem absolvoval a vřele doporučuji, pokud je to software, který si vyberete. Jeho vysvětlení, jak všechny funkce fungují, lze snadno sledovat a je velmi úplné. Zde je odkaz na jeho třídu v Tech Explorations.

Další možností, kterou je třeba zvážit (i když to není ta, kterou jsem sám použil), je EasyEDA. Viděl jsem, že jiní výrobci používají tento online software k vytvoření velmi solidních návrhů.

Pojďme navrhovat!

Zásoby

• PC s CAD softwarem
• Páječka
• Flux
• 1 modul ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (balíček SOIC)
• 5voltový regulátor (L7805)
• 3,3 voltový regulátor (AP2114H)
• obecný DC barel jack pro 2,1mm konektor
• Záhlaví pinů mužského nebo ženského pohlaví (volitelně)
• Topinkovač a pájecí pasta (volitelně)
• Vrták (volitelně)

Krok 1: Plánování a návrh

Je velmi důležité mít pevný základ pro jakýkoli projekt. Trocha času stráveného plánováním může ušetřit hodiny frustrace na cestě.

Dobrým místem pro začátek je vytvoření seznamu funkcí a funkcí, které má váš design mít. Následuje seznam, který jsem použil při vytváření tohoto příkladného projektu.

• Deska založená na ESP-32 kompatibilní se stávajícími designy ESP-32
• Více digitálních pinů než standardní sada ESP-32 Dev
• K dispozici 5v a 3v3 pro napájení příslušenství připojeného k desce plošných spojů
• Programovací port, abych mohl jednotku v budoucnu aktualizovat
• Schopnost běžet na 6 až 12 voltovém vstupu

Druhým je shromáždění seznamu dílů, které chcete použít, a nalezení snadno dostupného zdroje. Poslední věc, kterou chcete udělat, je vyrobit desku plošných spojů, pro kterou nemůžete koupit díly. Měli byste také shromáždit datové listy výrobců pro každou část, kterou plánujete použít (věřte mi, že je to velmi důležité a vysvětlím proč později).

Nakonec sbírejte poznámky a kresby, které jste pro tento návrh již vytvořili. To by zahrnovalo veškerá fyzická omezení, která můžete mít. Chcete, aby vaše deska byla kompatibilní se štítem Arduino nebo aby se vešla do konkrétního krytu. Všechny tyto informace budou potřebné v různých krocích procesu.

Krok 2: Schéma desky plošných spojů pomocí CAD

Začněme vytvářet naše schéma!

Obecně rád přidám všechny své části do schématu a rozvrhnu je způsobem, který mi dává smysl. V tomto okamžiku, kdy je umístíte, nemá žádný vliv na fyzické umístění na desce plošných spojů, takže tuto flexibilitu můžete využít ve svůj prospěch. Pokud nemáte stopy pro všechny své komponenty, vřele doporučuji SnapEDA a Ultralibrarian. Tyto zdroje mají úžasný výběr dostupných dílů pro téměř každý CAD software, který možná používáte. Stačí vyhledat číslo součásti součásti a stáhnout příslušné soubory. Mají výukové programy, které vás naučí importovat tyto soubory, pokud ještě nevíte, jak to udělat.

Před zapojením součástí dohromady je nejlepší zkontrolovat přesnost vývodů jednotlivých komponent. Proto je důležité mít datové listy součástí, nechal jsem zničit celé dávky desek plošných spojů (pamatujete na ty hodiny frustrace?), Protože jsem tento krok přeskočil. Pokud jste díl nevyrobili sami (a někdy i když ano), VŽDY zkontrolujte.

Když se chystáte zapojit své schéma, zjistil jsem, že je výhodné používat síťové štítky k vytváření připojení. Pokud máte velké množství vodičů vedených všemi způsoby, pak je obtížné je sledovat a také zvyšuje šance na vytvoření připojení někde, kde byste neměli (více hodin frustrace). Rovnováha vodičů a síťových štítků je obvykle nejlepší, stačí použít seznam síťových štítků, který bude dávat smysl každému, kdo se dívá na design. To usnadní život, pokud se v budoucnu k tomuto designu vrátíte a budete chtít provést změny nebo vyřešit původní návrh.

Schéma je také dobrým místem pro psaní poznámek o tom, jak mají různé části obvodu fungovat. Je to dobrý způsob, jak sledovat všechny podrobnosti potřebné k tomu, aby věc fungovala tak, jak má. Příkladem tohoto projektu je, že pro programování je vyžadována propojka mezi aktivačním kolíkem modulu ESP a napájením 3,3 V. I když to pravděpodobně není jediné místo, kde byste měli tento druh informací dokumentovat, je rozhodně dobré si zvyknout zapisovat VŠECHNO.

Než přejdete k dalšímu kroku, udělejte svému schématu pořádnou kontrolu. To musí být správné, aby proces rozložení DPS proběhl hladce. Pomalý a metodický přístup vám vždy poskytne nejlepší konečný výsledek. Projděte si všechny své poznámky a ověřte je podle schématu.

Krok 3: Rozložení DPS

Než začneme uspořádávat naše komponenty, je nejlepší se podívat na stopy a ujistit se, že jsou správné pro součásti, které hodláte použít. Například některé díly budou mít k dispozici varianty otvorů a SMD, ujistěte se, že používáte pouze díly, které budete moci nainstalovat. Modul EPS-32 má pod sebou podložku, která bude vyžadovat zvláštní zacházení (více o tom později) Jen se ujistěte, že máte plán pro tyto situace. Po výběru správných balíčků pro naše komponenty byste měli znovu zkontrolovat vývody každé části v datovém listu (všimli jste si zde trendu?) Věřte mi, když říkám, že to mohou být chyby a bude to trvat celý den pokud budete muset tyto problémy vystopovat později

Při uspořádání svých komponent se ujistěte, že zohledňujete některá z těchto fyzických omezení, která jsem zmínil dříve. V některých případech může být nutné, abyste nejprve umístili určité části, protože jejich umístění je kritické a aby se do nich vešlo vše ostatní. Nezapomeňte umístit díly, které jsou spojeny blízko sebe, ale také umožňují dostatek prostoru, se kterým můžete při montáži pracovat. Pokud máte konkrétní skříň, kterou plánujete používat, může mít smysl nejprve vytvořit profil desky a vyvrtat otvory.

Poté, co jsou všechny vaše součásti umístěny tam, kde je chcete, je čas začít směrovat vaše stopy. Přitom je třeba pamatovat na několik klíčových bodů.

• Nejkratší možná stopa je obecně nejlepší
• Větší je obvykle lepší (zejména u napájecích vedení)
• Musíte vědět, jaký proud by měla daná trať zpracovávat, a ujistěte se, že vámi zvolená velikost toto množství bezpečně zvládne (Toto je velmi důležitý bezpečnostní problém, nadproud může způsobit zahřívání a potenciálně nebezpečí požáru)
• Zjistěte, jaké tolerance je váš výrobce schopen dodržovat, a postupujte podle těchto pokynů. Zde je odkaz na stránku možností pro jednoho výrobce (váš CAD software může mít kontrolu pravidel návrhu, která vás upozorní na všechna místa, která nesplňují standard, který může továrna dodržovat)

I když směrovací tratě mohou být zábavné hádanky, někdy se naše návrhy mohou zkomplikovat, což je extrémní výzva. V takových případech vám používání softwaru pro automatické směrování může ušetřit značný čas. Zde je odkaz na Auto-router, který jsem použil u několika projektů. Automatický směrovač importuje váš projekt a pomocí vašich návrhových pravidel vytvoří odpovídající stopy pro všechny vaše sítě. Obvykle nechám auto router pracovat, pak ručně změním pár věcí, kterými bych se chtěl odlišovat. Můžete také směrovat stopy, které chcete mít na konkrétních místech, a automatický směrovač bude tyto existující stopy obcházet, jak to funguje na zbývajících sítích.

Krok 4: Poslední úpravy a příprava na výrobu

S rozmístěnými součástmi a spuštěnými stopami je vaše deska plošných spojů téměř připravena jít. Nyní je vhodný čas dát celé rozložení pořádně zabrat. Sledujte stopy pomocí schématu jako vodítka a ujistěte se, že byla vytvořena všechna potřebná připojení.

Měli byste také zvážit přidání grafiky na desku ve vrstvě sítotisku. Vaše jméno nebo značka jiných tvůrců je dobrý způsob, jak dát ostatním vědět, že jste na svou práci hrdí. Věřím také v označení většiny, ne -li všech mých bodů spojení s tím, k čemu jsou. To pomáhá, když věc po montáži zavěsíte, a ostatním usnadňuje porozumět funkcím těchto bodů připojení.

Další věc, kterou je třeba zvážit, je označení identifikátoru revize, zvláště pokud se jedná o desku, kterou chcete vytvořit více než jednou. Tímto způsobem můžete v budoucnu provádět změny obvodu a na první pohled říci, s jakou verzí desky pracujete.

Když bylo vše hotovo, načrtl/exportoval váš návrh a odeslal jej výrobci. Obecně se bude jednat o soubory Gerber a obvykle by měly být všechny uloženy v jedné složce.zip. To je to, co nahrajete při zadávání objednávky DPS.

Zde je odkaz na soubory Gerber pro můj příklad projektu na GitHubu

Krok 5: Objednávka desek plošných spojů

K tomu je k dispozici stále více možností než v minulosti. Stalo se to tak snadné, že si každý mohl nechat své návrhy profesionálně vyrobit ve velkých továrnách a za neuvěřitelně rozumnou cenu.

Navrhl jsem více než 35+ desek plošných spojů a všechny byly vyrobeny společností JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Velmi dobrá společnost, se kterou jsem nikdy neměl žádné problémy s kvalitou. Zde je odkaz na video, které poskytuje prohlídku jejich zařízení a podrobně vysvětluje proces výroby DPS. Prohlídka továrny

Přejděte na jejich web a začněte citovat. Dále nahrajte.zip vašich souborů Gerber. Po dokončení nahrávání byste měli vidět vykreslení vašeho návrhu. Vyberte si množství, barvu a další kritéria, která byste v tuto chvíli chtěli určit. Pak je jednoduché přejít k pokladně. Můžete snadno nahrát vlastní soubory Gerber do bezplatného online prohlížeče Gerber a zjistit, jak tyto soubory vypadají při vykreslování.

Obvykle se pokouším odeslat několik návrhů najednou, abych je spojil při přepravě. Obvykle bych očekával, že je obdržím do 1-2 týdnů po zadání objednávky. To se samozřejmě může lišit v závislosti na řadě faktorů, ale budou vám poskytovat informace o průběhu vašich objednávek prostřednictvím jejich webových stránek a sledovací číslo po odeslání vaší objednávky.

Krok 6: Pojďme to postavit

Je čas se shromáždit!

Pamatujete si již dříve, zmínil jsem se, že existuje trik k pájení modulu ESP-32? Když se podíváte na stopu na DPS, všimnete si velké podložky pod komponentou. No, to by mohla být trochu výzva, ale musím najít způsoby, jak tu práci zvládnout.

Možnost 1: Použijte pájecí pastu a malou toustovač.

To je opravdu přímočaré a celkově vám to určitě poskytne nejlepší výsledky. Toto video vysvětluje postup. Ujistěte se, že rozumíte teplotním požadavkům na pájecí pastu, kterou používáte, a budete mít docela neuvěřitelné výsledky bez velkého úsilí. Tím se postará o pájení většiny, ne -li všech součástí SMD. Bonusové body, pokud vaše toustovací trouba pocházela z hromady haraburdí a před použitím ji bylo třeba opravit.

Možnost 2: Vycvičte se!

Tato možnost bude určitě fungovat, ale není nejideálnější. Pečlivé vyvrtání malého otvoru přes desku plošných spojů ve středu této podložky vám umožní jej pájet ze zadní strany desky jako součást průchozího otvoru. S tímto přístupem se věci mohou snadno pokazit, takže si udělejte čas a použijte vysoce kvalitní vrták. Pokud nemáte v úmyslu použít proces přetavovací pece, mohli byste podobné problémy vyřešit ve svém návrhu přidáním pokoveného průchozího otvoru do středu této podložky. To vám umožní pájet žehličkou bez rizika poškození desky.

Pájejte všechny zbývající části otvorů (a SMD, pokud jste nepoužili metodu přetavení). U konektorů kolíků pájím jeden kolík, aby držel na místě, zatímco otočím desku, abych se ujistil, že je rovná. Je také dobré velmi pečlivě zkontrolovat pájení na všech částech SMD pomocí nějaké lupy. Pokud najdete něco, co je třeba opravit, použijte tavidlo (věřte mi, to je velký rozdíl) a ohřejte pájecí spoj. Na svém příkladu návrhu jsem zjistil, že modul ESP-32 měl několik míst, která bylo třeba přepracovat. Všimněte si také, že jsem na tuto desku záměrně nepřidal žádné pinové záhlaví, protože mám v úmyslu přímo pájet vodiče z mých periferních zařízení. To není vždy nejlepší přístup, ale pro mou aplikaci to není problém.

A je to! od začátku do konce jsme použili koncept obvodu a pro tento projekt jsme vyrobili vlastní desku plošných spojů. Jakmile se zorientujete, možnosti jsou téměř nekonečné. Doufám, že vám tento Instructable poskytl několik dobrých nápadů a upozornil vás na několik užitečných zdrojů, které vám pomohou na cestě k výrobě DPS. Děkuji za přečtení!

Šťastné tvoření a nevypouštějte kouř! (Vážně to chce kouzelný kouř)