Piirilevyn suunnittelu Vertex G4:n jatkokäsittelyä varten
Piirilevyn suunnittelu KiCad-ohjelmassa
Tämä teksti on generoitu videon litteroinnin perusteella
Tässä artikkelissa käydään läpi vaihe vaiheelta, miten yksinkertainen elektroniikkatuote suunnitellaan KiCadilla aina ideasta valmiiseen 3D-malliin ja STEP-tiedostoon, jonka voi tuoda Vertex G4:ään mekaanista suunnittelua varten.
1. Yleiskuva: mitä KiCad tekee ja missä kohtaa Vertex tulee mukaan
Elektroniikkatuotteen suunnitteluprosessi etenee käytännössä näin:
Tuoteidean hahmottelu
Kytkentäkaavion suunnittelu (Schematic) KiCadissa
Piirilevyn suunnittelu (PCB layout) KiCadissa
Valmistusdatan (Gerberit, poraustiedot, komponenttilista) tuottaminen
Piirilevyn 3D-mallin tarkastus KiCadissa
Piirilevyn 3D-mallin vienti STEP-muodossa ulos
Ja vasta tämän jälkeen:
STEP-mallin tuonti Vertex G4:ään
Mekaanisten osien, kotelon ja muun tuotteen suunnittelu piirilevyn ympärille Vertex G4:ssä
KiCad siis hoitaa elektroniikan (kytkentä, piirilevy, komponentit). Vertex G4 hoitaa mekaniikan (kotelo, kiinnitys, kokonaisuus).
2. Vaiheet KiCadissa
2.1 Tuoteidea
Ennen kuin avataan KiCad, on hyvä määritellä mitä ollaan tekemässä:
Mikä laitteen tehtävä on? (esim. kitarasäröpedaali, anturimoduuli, ohjainkortti)
Mitä signaaleja tai jännitteitä käsitellään? (esim. 9 V paristosyöttö)
Tuleeko mukaan säätöpotikoita, liittimiä, ledejä, kytkimiä jne.?
Onko tarkoitus tehdä prototyyppi vai jo lähes tuotantoon sopiva levy?
Tämä rajaa myös sen, käytetäänkö läpireikäkomponentteja (helppo juottaa käsin, hyvä protoihin) vai pintaliitoskomponentteja (pienempi koko, tuotantomainen kokoonpano).
2.2 Kytkentäkaavion suunnittelu (Schematic)
Ensimmäinen varsinainen työvaihe KiCadissa on sähköisen kytkentäkaavion piirtäminen.
Lisää komponentit kaavioon
Vastukset, kondensaattorit, transistorit, liittimet, LEDit, potikat, kytkimet jne.
KiCadissa on laaja valmiiksi toimitettu komponentti- ja symbolikirjasto.
Samalle toimintolohkolle voi piirtää selkeästi oman alueensa (esim. tulo, vahvistus, säätö, lähtö, syöttöjännite).
Valitse komponenttien symbolityyli
KiCadissa löytyy sekä amerikkalaisia (ANSI) että eurooppalaisia (IEC) komponenttisymboleita. Voit käyttää yrityksesi standardin mukaista tyyliä.
Nimeä komponentit ja anna arvot
Jokainen komponentti saa tunnuksen (esim. R1, C3, Q2).
Annetaan myös arvo / tyyppi, esim. “10 kΩ”, “100 nF”, “BC108” tms.
Kytke komponentit toisiinsa
Piirrät signaalipolut ja syötöt viivoilla.
Huolehdit maadoituksesta (GND), käyttöjännitteestä (+9 V tms.) ja siitä, mihin signaali kulkee sisään ja ulos.
Tarkista toiminnallisuus
Kun kytkentä on kasassa, KiCadilla voi tarkistaa loogisesti, että liitännät menevät järkevästi (esim. ettei jää irrallisia nastoja vahingossa).
Kytkentää voidaan myös simuloida tietyissä rajoissa ennen kuin siirrytään fyysiseen levyyn.
Tämän vaiheen tulos on sähköinen määrittely siitä, mitä piirilevy toteuttaa.
2.3 Piirilevyn layout (PCB Editor)
Kun kytkentäkaavio on kunnossa, tieto viedään piirilevyn suunnitteluun (PCB Editor). Tässä vaiheessa siirrytään abstraktista kaaviosta fyysiseen todellisuuteen.
Footprinttien (juotospadien) määrittely
Jokaiselle kaavion komponentille valitaan fyysinen asennusmuoto: esim. läpireikätransistori, 1/4 W hiilikalvovastus, elektrolyyttikonkka, liitinrima, potentiometri paneeliin jne.
Näiden perusteella KiCad tietää montako reikää levyyn tulee ja minkä kokoisina.
Levyalueen ja ulkoreunan määrittely
Piirretään levyn ääriviiva.
Tässä vaiheessa kannattaa jo miettiä, millaiseen koteloon levy aiotaan asentaa ja mihin kohtaan tulevat kiinnitysreiät.
Komponenttien sijoittelu
Komponentit sijoitellaan levylle toiminnallisesti ja mekaanisesti järkeviin kohtiin:
Käyttäjän käännettävät potikat reunaan / kanteen
Liittimet loogisille sivuille (IN, OUT, virtaliitin)
LED näkyville kotelon etulevyyn
Suuret komponentit (esim. elektrolyyttikondensaattorit) niin että niille on tilaa
Myös tekstit, merkinnät (esim. “IN”, “OUT”, “+9V”, “GND”) ja polariteettimerkinnät voi lisätä suoraan levyyn.
Kuparijälkien reititys (”routing”)
Piirrät varsinaiset sähköradat (”tracks”) komponenttien välille.
Voit käyttää yksipuoleista, kaksipuoleista tai monikerroslevyä:
Esimerkkitapauksessa käytettiin kaksikerroslevyä (jäljitykset levyn molemmin puolin).
KiCad tukee useampia kerroksia, ja eri kerroksia voi näyttää/piilottaa, jotta reititys pysyy selkeänä.
Synkronointi kaavion ja levyn välillä
KiCadin vahvuus on, että kytkentäkaavio ja piirilevy pysyvät sidoksissa toisiinsa.
Jos muutat arvoja tai komponentteja kaaviossa, voit päivittää muutokset suoraan PCB Editorin puolelle.
Tämä vähentää virhettä, jossa layout olisi eri kuin sähköinen kaavio.
Tämän vaiheen lopputulos on valmis levyasettelu: fyysinen komponenttien paikkojen ja kupariratojen suunnitelma.
2.4 Valmistusdatan generointi
Kun layout on valmis ja tarkistettu, KiCadista viedään valmistuksessa tarvittavat tiedostot.
Tyypillisesti tuotetaan:
Gerber-tiedostot kuparikerroksille, silkkipainatuksille, juotosmaskille jne.
Poraustiedosto (NC drill), joka kertoo valmistajalle missä levyyn porataan reiät.
BOM / osaluettelo (Bill of Materials), eli lista komponenteista (vastukset, kondensaattorit, transistorit, liittimet, potikat…). Tätä käytetään hankinnassa.
Näiden tietojen avulla piirilevy voidaan teettää piirilevyvalmistajalla ja komponentit voidaan tilata joko omatoimista käsijuottamista varten tai kokoonpanopalvelulle.
2.5 Piirilevyn 3D-mallin tarkastelu KiCadissa
KiCad pystyy mallintamaan piirilevyn myös kolmiulotteisesti:
Jokaiselle footprintille löytyy yleensä valmiiksi 3D-malli (esim. komponentin kotelo, liitinrunko, potentiometrin runko).
Kun komponentit on sijoiteltu ja reititys tehty, saat suoraan koko levyn 3D-näkymään:
Näet levyn mitat
Näet komponenttien korkeudet ja suhteet toisiinsa
Pystyt varmistamaan, että esim. potikat, LEDit ja liittimet osuvat niihin kohtiin, joissa niiden pitää näkyä lopullisessa kotelossa
Tämä on erityisen tärkeää silloin, kun levy pitää mahtua olemassa olevaan tai suunniteltavaan koteloon – tai kun haluat varmistaa, että kaikki mekaaniset osat ovat saavutettavissa ulkopuolelta (säätönuppi, kytkin, liitin jne.).
2.6 STEP-vienti KiCadista
Viimeinen vaihe KiCadissa on viedä piirilevyn 3D-malli ulos standardimuodossa:
PCB Editorissa käytetään vientitoimintoa (Export → STEP).
Tuloksena syntyy STEP-tiedosto, jossa on:
Piirilevyn muoto
Komponenttien 3D-mallit oikeilla paikoillaan
(Valinnaisesti myös kupariradat / tekstit, jos halutaan näkyviin)
Tämä STEP-tiedosto toimii siltana mekaniikkasuunnitteluun.
3. Piirilevyn hyödyntäminen Vertex G4 -suunnittelussa
Kun sinulla on KiCadista viety STEP-malli piirilevystä, seuraava vaihe tehdään Vertex G4:ssä:
Tuo piirilevyn STEP Vertex G4:ään
Saat piirilevyn ja kaikki siihen sijoitetut komponentit 3D-mallina Vertex-ympäristöön.
Lisää muut tuotteen osat Vertex G4:ssä
Muut osat, joita ei suunnitella KiCadissa (esim. kotelorunko, kannet, kiinnitysruuvit, liitinten läpiviennit), mallinnetaan Vertex G4:ssä.
Suunnittele kotelo piirilevyn ympärille
Nyt näet tarkalleen, missä kohtaa levyssä on potikka, LED tai liitin → voit tehdä koteloon reiät ja aukot oikeille kohdille.
Levyn kiinnitysreiät (joiden paikat määrittelit ja porasit layout-vaiheessa) voidaan käyttää suoraan Vertex G4:ssä kotelokiinnitysten suunnitteluun.
Viimeistele tuote
Tässä kohdassa elektroniikka (KiCad) ja mekaniikka (Vertex G4) yhdistyvät yhdeksi kokonaisuudeksi.
Lopputulos on fyysisesti toteuttamiskelpoinen tuote, jossa on sekä toimiva kytkentä että siihen sopiva mekaaninen kotelointi.
4. Hyödyllisiä huomioita suunnittelijalle
Läpireikä vs. pintaliitos
Prototyypeissä käytetään usein läpireikäkomponentteja (”perinteiset kolmejalkaiset transistorit, normaalit vastukset ja kondensaattorit”), koska ne on helppo juottaa käsin.
Tuotannollisempi versio voidaan tehdä pintaliitoskomponenteilla samoilla periaatteilla – KiCad tukee myös tätä.
Komponenttivalinta vaikuttaa käytökseen
Esimerkiksi audiolaitteissa (kuten kitarasäröpedaaleissa) transistorityyppi vaikuttaa soundiin.
Germanium-transistorit käyttäytyvät eri tavalla kuin piipohjaiset transistorit (”silikoni”-transistorit), ja germanium on hyvin lämpötilaherkkä. Tämä on osa tuotteen sähköistä suunnittelua ennen kuin mitään piirretään levylle.
Prototyypin tilaaminen on nykyään helppoa
Kun Gerberit ja poraustiedot on valmiina, pienen protosarjan (esim. 5–10 kpl) piirilevyjä saa nykyään teetettyä nopeasti ja edullisesti.
Tämä madaltaa kynnystä tehdä fyysinen koekappale, testata se käytännössä ja korjata suunnitelmaa ennen lopullista kotelointia.
KiCad pitää kaiken synkassa
Sähkösuunnittelu (kytkentäkaavio), piirilevylayout ja 3D-malli eivät ole erillisiä maailmoja, vaan samaa projektia.
Tämä vähentää virheitä: jos muutat kytkentää, tieto päivittyy levylle ja edelleen 3D-näkymään.
Vertex G4 täydentää kokonaisuuden
KiCad ei suunnittele koko lopputuotetta: se ei tee mekaanista koteloa.
Vertex G4 ottaa piirilevyn STEP-mallin lähtötiedoksi ja mahdollistaa lopullisen tuotteen koteloinnin, kiinnitykset ja muun mekaniikan suunnittelun.
5. Yhteenveto
Suunnittele kytkentä KiCadissa (Schematic).
Tee piirilevylayout (PCB Editor): komponenttien sijoittelu, reititys, kiinnitysreiät, tekstit.
Generoi valmistusdokumentit (Gerberit, poraus, BOM).
Tarkista levy 3D-näkymässä KiCadissa.
Vie piirilevy 3D:nä STEP-muodossa.
Tuo STEP Vertex G4:ään ja suunnittele kotelointi ja muut mekaaniset osat piirilevyn ympärille.
Tämän työnjaon avulla saat nopeasti sekä sähköisesti toimivan prototyypin että mekaanisesti järkevän tuotteen rungon ilman, että asioita tarvitsee mallintaa käsin alusta asti kahteen kertaan.