Printplaten ontwerpen met KiCad
Iedereen die wel eens een projectje gedaan heeft dat meer omvatte dan alleen wat (open source) software, weet dat op een gegeven moment de soldeerbout ter hand genomen moet worden. Soms om simpel draadjes aan elkaar te solderen. Of, als het wat groter of complexer is, om componenten aan elkaar solderen op een gaatjes print.
Arjan ten Hoopen
Gaatjes print is echter niet een betrouwbare oplossing en vaak ook niet iets dat een lang leven gegeven is. Daar komt nog bij dat het er niet echt aantrekkelijk uitziet. De oplossing hiervoor is een printplaat of PCB (Printed Circuit Board). Vroeger maakte je een ontwerp op kalkpapier, ging je de ruwe printplaat belichten en etsen. Prachtig voor de jaren 80. Tegenwoordig zijn er bedrijven die voor anderen printplaten fabriceren. Niet alleen grote aantallen maar ook enkele stuks, en vaak ook één enkele (Vind printplaat leveranciers door te zoeken met een zoekmachine naar ‘printplaat laten maken Nederland’).
Wil je bij een dergelijk bedrijf een printplaat bestellen, dan moet je zelf de layout opleveren. De layout moet opgeleverd worden in een bepaald bestandsformaat. Een hele populaire is het Gerber formaat. Dit is een open ASCII formaat waar nagenoeg elke PCB fabrikant mee om kan gaan. Meestal zijn ook andere bestandsformaten ondersteund.
Maken
Maar nu lopen we even vooruit op de muziek. We moeten eerst open source tooling hebben die ons kan helpen in het maken van een printplaat layout. Een graag geziene gast bij printplaat ontwikkelaars is KiCad. KiCad is een open source en cross platform oplossing. Werk je dus in een groep of vereniging waarbij niet iedereen verliefd is op Linux dan kunnen ook onze Windows en Apple vrienden gebruik maken van KiCad. En kun je op die manier samenwerken en samen kennis delen. KiCad kan direct gedownload worden vanaf de KiCad website, maar kijk eerst even in de standaard repositories van je systeem. Meestal staat daar KiCad ook bij. Ga je liever aan de slag met de source code, dan kan dat natuurlijk ook.
Theorie
Voordat we de handjes laten wapperen, moeten we eerst even een idee krijgen hoe we een printplaat met KiCad moeten ontwerpen. Het is een driestappenplan. De eerste stap is dat je je elektronisch ontwerp in brengt in KiCad. Hiervoor heeft KiCad tekengereedschap aan boord dat je helpt het elektronisch ontwerp in te brengen. In dit artikel gebruiken we een heel eenvoudig ontwerp, een LED met een weerstand en een batterij. Je zult straks zien dat je heel eenvoudig met dit tekengereedschap een schema kunt maken. De volgende stap is het selecteren van de fysieke componenten. Je schema heeft bijvoorbeeld een weerstand van 470 Ohm, maar moet het dan een normaal exemplaar zijn, of SMD, of een 1Watt versie? Met behulp van de componenten bibliotheek van KiCad geef je elk onderdeel uit het elektronisch ontwerp een fysieke tegenhanger. Probeer dit zo goed mogelijk te doen, want het bepaald de afmetingen (footprint) van het component dat straks op de printplaat geplaatst moet worden.
Een foutje, of iets dat je even vergeten bent, is snel gemaakt. KiCad heeft een Rules Check functie. Deze controleert je schema. Dit kleine tooltje gaat je vriend worden. In schema’s die namelijk (veel) groter zijn dan het simpele ledje met weerstand ben je zo een pootje of verbinding vergeten. Deze vriendelijke vriend gaat ze voor je opsporen. Je hebt nu de tekening en de fysieke componenten. De volgende stap is het positioneren van de componenten op de printplaat.
Positioneren
De componenten worden automatisch op de printplaat geplaatst, maar ga er maar vanuit dat je daar niet tevreden mee bent. Je kunt de componenten zelf herpositioneren. Dan nog de verbindingen leggen tussen de componenten, en aan geven wat de afmetingen van de printplaat moeten worden. Dan ben je eigenlijk klaar! Je kunt zelfs nog met een 3D viewer kijken hoe het geheel eruit ziet. Heerlijke eyecandy. Klinkt als kind kan de was doen en dat is het ook, maar je zult ook nog wel een paar builen vallen en een krachtkreet af en toe is ook te verwachten. Kom je er even niet meer uit? Er is zeer goede documentatie voorhanden.
Aan de slag
Nadat je KiCad geïnstalleerd hebt, open je haar en maak je een nieuw project aan (zie bovenstaande afbeelding). De twee belangrijkste knoppen zijn de Schema Editor en de PCB Layout Editor. Deze twee tools vindt je ook onder het Tools menu. Start de Schema editor (zie de onderstaande afbeeldingen).
Voor nu zijn de iconen aan de rechterzijde het belangrijkste. Met deze iconen selecteer je wat je wilt gaan tekenen. De meest voor de hand liggende zijn het plaatsen van een symbool (Place Symbol, derde van boven) en het leggen van een connectie (Place Wire, vijfde van boven). Start met het selecteren van Place Symbol, klik vervolgens ergens op het nog lege schema vel. De bibliotheken zullen geladen worden waarna je juiste component uit de bibliotheek kunt selecteren. In dit geval een weerstand (resistor) en toets op OK en plaats haar ongeveer op het midden van het schema vel. Het ziet er allemaal heel pieterpeuterig uit maar met de + en – iconen, in het iconen menu, kun je uitvergroten en verkleinen, of gebruik je muiswieltje hiervoor. Wil je het component nog verplaatsen, toets dan uit de menu aan de rechterzijde het Select Item (Muis pointer) en selecteer, en klik met de rechtermuisknop het component dat je wilt verplaatsen. Je krijgt een pop-up met daarin onder andere de mogelijkheid om het component te verplaatsen (m), roteren(r) en om de waarde aan te passen (v). Herhaal dit plaatsen van een component voor alle andere componenten uit je schema. In dit geval moet er nog een LED bij, en om te zorgen dat het ledje kan gaan branden ook nog een batterij (battery). De volgende stap is dat we de verbindingen gaan leggen. Dit doen we door te toetsen op het Place Wire icoon om alle componenten met elkaar te verbinden. Doe dit door te klikken op het aansluitput van het eerste component, vervolgens klik je op het aansluitpunt waar het mee verbonden moet worden. Het geheel vraagt even wat gewenning, met name met de wat grotere schema’s, maar het went snel.
Alle componenten hebben nu nog een ongenummerde waarde (R?, D?,BT?). Dit kun je helemaal met de hand gaan aanpassen (R1, D1, BT1) maar KiCad kan het ook automatisch voor je doen. KiCad noemt dit annoteren. Selecteer van uit het menu Tools →Annotate Schematic. Er volgt een pop-up waarin je nog diverse instellingen kunt aanpassen. Voor nu laten we dat voor wat het is en toetsen op Annotate en vervolgens op Close. Alle componenten hebben nu een volgnummer gekregen.
Componenten
Het schema is nu klaar en de volgende stap is dat we fysieke componenten uitzoeken voor alle componenten in het schema. Dit is noodzakelijk omdat we moeten weten hoe groot elk component in werkelijkheid is. Klik op Tools →Assign Footprints. Je krijgt een popup te zien met drie lijsten. De linkerlijst geeft de bibliotheken weer. De middelste laat al je componenten zien en de rechter de (gefilterde) items uit de bibliotheken. Filteren doe je door bijvoorbeeld in de linkerlijst een bibliotheek te selecteren (b.v. Battery). Wil je een idee krijgen wat de footprint is, selecteer dan een component in de rechterlijst vervolgens een rechtermuisknop klik en selecteer View Footprint. Wil je het ook nog bekijken in 3D, toets dan op het 3D Display icoon. Op die manier krijg je een goed idee wat je selecteert. Door dubbel te klikken op het component selecteer je haar. Selecteer nu een Batterij, LED en weerstand. Vervolgens klik je op Apply, Save Schematic & Continue en daarna OK. Alles is nu opgeslagen, het schema, met alle bijbehorende fysieke componenten.
Dit was natuurlijk wel een “mooie weer” scenario. In grotere schema’s vergeet je gemakkelijk een component. KiCad heeft hiervoor een Rules Check Engine. Die zit onder het Lieveheersbeestje icoon. Toets hierop en toets vervolgens op Run. Als het goed is, zijn er geen fouten, zijn er toch fouten gevonden dan worden deze duidelijk omschreven in de Error List. Het tabblad Options geeft een overzicht wanneer errors en warnings worden gegenereerd. Een input-pin die niet verbonden is geeft bijvoorbeeld een Error.
Netlist
De volgende stap is dat we een netlist laten maken. Hierin staan opgesomd alle verbindingen zoals weergegeven in het schema. Klik op het Generate Netlist icoon (icoon met tekst NET) en toets Generate Netlist. Sla het eindresultaat op in een bestand. De voorgestelde naam is meestal dat wat je wilt, ook de map is reeds goed gekozen (huidig project map).
PCB maken
Nu moeten we de echte printplaat (PCB) gaan maken. Dit doe je met de PCB Editor. Als je die opstart moet je vervolgens de Netlist gaan inlezen. Makkelijker is om te kiezen voor Tools →Update PCB from Schematic en klik vervolgens op Update PCB. Die doet alles in 1 keer.
Vervolgens kun je alle componenten verplaatsen en op de, voor jou, goede plek zetten. Dit gaat via dezelfde methode als bij het elektrisch schema; selecteren en via de rechtermuisknop selecteer je de actie. De verbindingen die je ziet zijn het spinnenweb. Je moet zelf dit spinnenweb nog transformeren naar kopersporen. Je doet dit weer met de tools aan de rechterzijde. Selecteer Route Tracks (groene streepje). Klik op de plek waar een track moet beginnen, en klik vervolgens op de plek waar de track moet eindigen. Loop op die manier je hele schema door. Het spinnenweb geeft je een visuele indicatie van wat je nog moet doen.
Let op: je kunt tracks maken op de voorzijde (Front) of op de achterzijde van de printplaat. Selecteer in de Layers Manager de juiste layer. F.Cu is voorzijde, B.Cu is de achterzijde.
Je zult je nu afvragen, hoe groot wordt de printplaat? Dat gaan we nu instellen. Selecteer in de Layers Manager de Edge.Cuts layer. Selecteer het Add grapic polygoon tool (blauwe vierhoek). Daarna teken je de afmetingen van de printplaat. Dit is wel een accuraat werkje want het begin en eindpunt moeten precies op elkaar vallen! Uitvergroten, door aan het muiswieltje te draaien, is zeer aan te bevelen evenals regelmatig opslaan. Wil je weten hoe het eindresultaat er uit komt te zien toets dan Tools →3D Viewer (zie de onderstaande afbeelding).
Uitbesteden
Er zijn vele leveranciers waar je 1 of enkele printplaten kunt laten maken (Zoek met een zoekmachine op ‘printplaat laten maken Nederland’). Vaak wordt het KiCad formaat (extensie .kicad_pcb) ondersteund door leveranciers. Zeker is, dat alle leveranciers het Gerber formaat ondersteunen. KiCad kan dit vanuit de PCB Editor aanmaken. Klik op het Plotter symbool. In het pop-up window selecteer je de layers, minimaal de koper (.Cu) en de Edge.Cuts. Selecteer een Output directory en toets vervolgens op Plot. Dit genereert alle Gerber bestanden. Deze bestanden heeft de leverancier nodig om je printplaat te maken. Veel succes met het maken van je eerste printplaat!
