ATR0110 ANALOOG- JA

DIGITAALTEHNIKA

Kevad 2020

Trükkplaadi disainimisest

Martin Jaanus NRG-308

martin.jaanus@ttu.ee 56 91 31 93

Õppetöö : http://isc.ttu.ee

Õppematerjalid : http://isc.ttu.ee/martin

Kes vana asja meelde tuletab…

• https://www.delfi.ee/news/paevauudised/valis

maa/riia-poevaringu-kohtuprotsess-insener-

sergets-moisteti-kuueks-aastaks-vangi-

ulejaanud-oigeks?id=88965945

Teemad

• Ideaalsed, reaalsed komponendid

• Seosed jooniste ja tegelikkuse vahel

• Skeemist trükkplaadifailini

1. samm (eeltöö, ideed, mida teha)

• Peab olemas olema elektriskeem !

• Hea ,kui skeem on läbi katsetatud ja maketeeritud

(vähendab hiljem probleeme – seeriatootmises

kohustuslik) !

1. samm (eeltöö, ideed, mida teha)

• Peab (mõõtmed ja korpused võivad ka hiljem selguda)

olema komponentide ( vähemalt elektrilisel kujul) nimekiri

• Hea kui on palju füüsiliselt ühesuguseid komponente

(väärtused võivad olla erinevad, aga see on teine teema)

• Võiks olla olemas ettekujutused trükkplaadi mõõtmetest,

sellest, kuhu see läheb, kuhu kohta lähevad välised

ühendused, ekraanid pistikud, lülitid . Kas idee mahub ära

loodetud füüsilisse realisatsiooni, vajadusel muuda ideed !

2.samm tarkvara

• Võib teha ka loomulikult ilma, joonistades paberil , ja/või tušiga otse plaadile, hiljem söövitades.

• Kui kasutada spetsiaaltarkvara, on võimalik teha ka (üli) keerulisi disaine.

• Tasuta valikud on siin https://www.electroschematics.com/2249/pcb-design-software/ Soovitada võib KiCad tarkvara.

• Tasulised (või teatud tingimustel, näiteks õppeesmärgil tasuta, kuid piirangutega) tarkvarad on loomulikult võimalusterohkemad ja paindlikumad

• Populaarsemad on Eagle (http://cadsoft.de) , Diptrace (http://www.diptrace.com )ja Altium Designer (http://www.altium.com). Altiumi „tasuta“ variant https://circuitmaker.com/ ning odav(am) variant https://www.altium.com/circuitstudio/

• Proffesionaalid kasutavad Altiumit ja Eaglet, ehk kui on soovi disainiettevõttes tööd saada, on hea tutvuda nende tarkvaradega (nende kasutusoskuse eest makstakse) !

Skeemi koostamine

Kõikidel tarkvarapakettidel on omad omapärad kuid disaiminse võib jaotada reeglina järgmisteks etappideks

• Skeemi komponendi mudeli loomine, kui see puudub ( näiteks takisti, transistori) . Selle hulka kuulub graafiline sümbol -(pilt), väljastused (elektrilised ühendused) ja sellega seotud füüsiline komponent (mis koordinaatidel väljastused (sõlmed) paiknevad, kas on pind või aukmontaaž, füüsiliste mõõtmete kirjeldamine – footprint- jalajälg (abiks tootjate andmelehed). Kasuta komponenti ja mõõtmeid, mida toodetakseka tulevikus !

• Skeemi „joonestamine“ . Sõlmede omavaheline ühendamine. Mitte segi ajada joont (line) ja juhet (wire, net) ! Tuleb kindlasti veenduda, et juhe oleks väljastusega ühendatud!

• Kaks või rohkem komponenti, mille väljastused on „juhtmega“ ühendatud saavad endale sama sõlme (võrgu) nime (Net name). Seda saab muuta , kuid ei tohi olla samal ühendusel mitu nime. Vajadusel saab sõlmed eraldada (net tie) aga see on reeglina eraldi komponent.

• Skeem võiks ka ilus välja näha . Juhtmerägastiku saab peita sõlmede nimede taha

Plaadi koostamine

• Mõtle hoolega (tegelikult juba alguses), mitmekihiline, mis

mõõtudega ja valdavalt mis tehnoloogias (auk,

pindmontaaž) komponendid peale tulevad.

https://www.raypcb.com/multilayer-printed-circuit-boards-multilayer-pcb-with-latest-technology/

Plaadi koostamine

• Pindmontaaž (smd) võimaldab suurt komponenditihedust

kuid tekivad probleemid käsijootmisel ja mehaanilist

tugevust nõudvate komponentide paigaldamisel , näiteks

pistikud (enamasti on need aukväljastustega).

Plaadi koostamine

• Aukväljastusega komponendid (tht) on käsitsikoostamisel

mugavamad, lihtsam joota ja möödapääsmatud kui on

eritingimused (ohutus, kõrge pinge jne). Sobilik ka

prototüüpimiseks, üksikute eksemplaride tootmiseks kui

skeem on suhteliselt lihtne.

https://resources.altium.com/pcb-design-blog/why-use-through-hole-technology-in-pcb-design

Plaadi koostamine (üldised soovitused)

• Enne plaadi kavandamist – projekteerimist on kasulik tutvuda valmistatehase võimalustega ( või freespingi võimalustega kui plaat freesitakse).

• Reeglina on need sarnased aga ei pruugi olla

• https://www.seeedstudio.com/fusion_pcb.html

Eesti tootjad

• https://www.kamitra.ee/nouanded/

• https://www.brandner.ee/et/huva-nou/konstrueerimise-pohivead/

• Eesti tootjate eelis – kiirus ning võimalus tehnilist abi saada , kontrollitakse ka plaat üle osade disainivigade suhtes.

Skeemi joonestamine

• Oli plaanis

Skeemi joonestamine

• Eelmine skeem oli graafiliste sümbolitega või lihtsalt vaatamiseks (sageli silmaga vahet ei tee)

• Skeem tuleb joonestada kasutades reaalseid komponente (need saab teekidest või teha ka ise, mida eelistavad kogenenud kasutajad)

• Mõõtmed, sümboli kujutise ja väljastuste asukoha komponendi andmed saab komponendi andmelehest (NB! Ka andmelehti võib olla mitu, võltsitud ,internet kannatab kõike)

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad9833.pdf

Komponendil võib olla erivev kuju

• Näiteks takisti võib välja näha selline.

• Skeemisümbol on sama.

• Milline valida ?

Pildid: wikipedia

Skeemi joonestamine

• Skeem, mida saaks kasutada (skeemi on lisadud ka komponendid

häälestuse jaoks (R4, R6, R9, mida ideaaljuhul vaja pole)

• Sisendites - väljundites pistikud (või äärmisel juhul jooteplatsid)

Plaadi koostamine

• Pane paika mõõtmed, peavad sobima korpuse

mõõtmetega, kinnituskohad, kruviaugud, mõtle ,kuhu

tulevad kriitilise paigutusega komponendid (ekraanid,

pistikud, lülitid) . Tee plaadi toorik valmis. Hiljem võib seda

olla raske muuta (aeg=raha,) !

Plaadi koostamine

• Kanna skeem skeemi redaktorist plaadiomasse. Võib tulla

palju üllatusi ! Vajadusel mine skeemiredaktorisse tagasi,

kontrolli komponentidevahelisi ühendusi, vajadusel

korrigeeri komponentide mõõtmeid . Mida varem vea

avastad, seda odavam ! (Sinu aeg, firma raha,

praakpartiid)

Plaadi koostamine (paigutus)

• Pane plaadile kriitilise paigutusega elemendid (ekraanid, lülitid...) Lukusta nende koordinaadid ning kontrolli nende õigust (mitu korda)

• Kui skeem koosneb erinevate funktsionaalsusega osadest , paiguta nad eraldi plaadikohtadesse, soovitatavalt sellega seotud kriitilise asukohaga elemendi lähedusse.

• Kui tegemist on mikroskeemidega, on soovituslik jälgida andmelehe soovitusi paigalduse kohta. Arvestada, tuleb igal juhul skeemi omapäraga, et hiljem tuleks rajad võimalikult lühikesed ja ristuks vähem, arvesta „nähtamatute skeemielementidega“

• Kasutada vastavalt funktsionaalsusele ( analoogahel,võimendi, digiloogika, protsessorid, toitemuundi) omaseid paigutusi (siin on sageli ainsaks õpetajaks kogemused ja ebaõnnestumised)

Paigutus (üldreeglid)

• Digitaal- ja analoogosa teineteisest võimalikult kaugemale !

• Vajadusel näha ette ühele või teisele või mõlemale varjestus.

• Ei ole hea paigaldada digitaal- ning analogosasid vaheldumisi

(kuigi vahest tuleb seda teha).

• Pindmontaažikomponente saab paigutada mõlemale poole –

paiguta alla ainult siis kui muudmoodi ei saa.

Radade joonestamine

• Rada paistab tarkvarale „juhtmete võrguna“ , millel on nimi. Komponentide klemmid, mis on skeemiredaktoris ühendatud peavad olema ka radadena joonestatud.

• Reaalne trükirada on oma olemuselt „juhe“, millel on takistus , induktiivsus ja mahtuvus (kõrvalolevate objektide suhtes). Rada käitub ka antennina !

• Raja paksus on määratud plaadivalmistaja poolt, sageli on hea teada enne konkreetse disaini tegemist. Levinum on 35um .

• Raja laius valitakse lähtudes skeemi iseloomust. Mida suurem on voolutugevus, seda laiem peab olema rada. Minimaalne reaalset kasutatav raja laius on 0.25 mm (10 mil) . Prototüüpimisel on mõistlik kasutada ka 1-2 mm radu. Toiterajad võivad olla laiusega 1 cm ja enam.

• Radade alamliik on polügonid , ehk vask, mis katab teatud pinna. Reeglina ühendatakse see maajuhtmega

Radade joonestamine

• Radade joonestamisel (nagu ka komponentide paigutamisel) austa Kirchhoffi seadusi !!!

• Ei ole hea lasta voolata erinevate ahelate vooludel sama rada pidi (eriti kehtib see „maandusahelate“ kohta). Voolud liituvad ning trükirajal tekib tänu selle takistusele pinge ,mis sõltub mõlemast voolust . See võib (eriti digitehnikas ja tugevvoolutehnikas ) põhjustada suuri ja raskelt avastatavaid probleeme !

• Pidevate ning impulsssignaalide rajad tuleb viia teineteisest võimalikult kaugele (parasiitne vastastikune induktiivsus ja mahtuvus ). Nende vahel võiks olla rada, mis on maandatud ,kuid milles ei jookse signaal.

• Sama asi kehtib ka mitmekihilse plaadi puhul. Vältida tuleb eri tüüpi signaalide radade ristumist, või panna „maakiht“ vahele.

Radade joonestamine

• Juba joonestatud trükirajast saab „üle hüpata“ kasutades silda (näiteks tavalist juhet, või 0 väärtusega standardkestas komponenti – jah toodetakse 0Ω takisteid ) . Levinud võte ühepoolsetel plaatidel või käsitsitehtud plaatidel.

• Mitmekihilistel tööstuslikel plaatidel on selleks metaliseeritud väikesed avad – viad , millega ühendus viiakse elektriliselt teisele kihile. Freesitud plaatidel tuleb viad teha käsitsi (ja veidi suuremad), et nendesse saaks joota traadi (saab näiteks takisti või kondensaatori väljastuse küljest)

• Üldine soovitus – teha „ülehüppamisi“ nii vähe kui võimalik. Kui on plaat läbiviiggukomponentidega, on lihtne kasutada plaadi erinevaid kihte, sest metaliseeritud auk tehakse niikuinii.

• Plaadi tootmise hind sõltub viade (ja üldse aukude) arvust –puurimine on kallis . Hea kui kasutada võimalikult palju ühesuguseid avasid.

Radade joonestamine

• Valmis – aga on mõned vead – otsige üles

• Osa tarkvarapakette omab vigade otsingut disainireeglite

põhjal

Valmis plaat 3d vaatena

• Mõned tarkvarapaketid seda võimaldavad

• On võimalik ka eksportida mõnda 3d disainitarkvarasse

Markeeringud

• Pannakse „markeeringukihile“ – silk saab olla vaid üleval ja all.

• Vaikimisi pannakse sinna komponendi nimetus ( näiteks R4, C6 jne) veendu disainimisel, et see oleks õiges kohas !

• Markeeringud saavad olla ka radade peal kuid ei tohi olla jootmiskohtade peal.

• Ei ole mõistlik seda kihti „üle koormata“

• Kui plaat freesitakse, need kihid ignoreeritakse

Tootmisfailide ettevalmistamine

• Tuleb disainitarkvarast eksportida. Vähesed tootjad on

nõus vastu võtma Teie CAD tarkvaraga salvestatud

plaadifaili . Tootjal ei pruugi olla seda tarkvarapaketti ja ka

versiooni

• Universaalne lahendus on Gerber formaat

• https://www.brandner.ee/et/huva-nou/valmistusandmed-

ja-formaadid/

• CAD tarkvara peab oskama sellesse eksportida

• Freespingid võivad kasutada ka teisi formaate.

Tootmisfailide ettevalmistamine

• Soovitav, on failid üle vaadata mõne Gerber faili vaaturiga

• Näiteks GerbV http://gerbv.sourceforge.net/

• Soovitav on vaadata iga kihti ka eraldi – erinevused

(vead) on näha.

Viga !

Joonestamata rada !