PCB-Tipps und Tricks

Abhängig von Ihrer Sichtweise, Ihrem Arbeitsstil und Ihrer bisherigen Erfahrung denken Sie vielleicht, dass eine maßgeschneiderte Leiterplatte für ein Projekt gleich zu Beginn des Entwicklungsprozesses bestellt werden sollte. Sie bekommen eine Idee, zeichnen einen Schaltplan, legen die Platine aus, bestellen sie (oder ätzen sie selbst) und bauen sie dann zusammen. Oft ist es so, dass man, obwohl die Platine perfekt ist, ein Problem auf einer ganz anderen Ebene übersehen hat. Jetzt müssen Sie ein weiteres bestellen, gefolgt von einem dritten oder sogar vierten. Jede Iteration belastet das Projektbudget und beeinträchtigt die Fristen. Um dies zu vermeiden, schiebe ich die Festlegung auf die erste Leiterplatte normalerweise so lange wie möglich hinaus.

Die Schaltung selbst muss irgendwie überprüft und getestet werden. Egal wie sehr Ihr erster Testaufbau einem Rattennest ähnelt, er liefert dennoch wichtige Erkenntnisse darüber, ob alles so funktioniert, wie es sollte. Hier reichen häufig Komponenten aus, die auf einer Standard-Prototyping-Steckerplatine verdrahtet sind. Alternativ könnten Sie Streifenbretter verwenden, aber manchmal bevorzuge ich die „Igel“-Struktur auf einem Blechdeckel (Abbildung 1 ). Dadurch erhalten Sie eine ordentliche Masseebene, und die gelöteten Verbindungen sorgen dafür, dass es nicht zu zeitweise auftretenden Störungen durch schuppige Steckerkontakte kommt. Komponentenwerte können einfach geändert werden, bis alles optimal funktioniert. Wenn sich die Schaltung als instabil erweist, können Sie den besten Ort für die Anbringung von Entkopplungskondensatoren und Kondensatoren mit geringem Wert an Punkten entlang des Signalpfads ermitteln.

Wenn Sie sich mit einem Mikrocontroller-basierten Projekt befassen, beginnen Sie normalerweise mit einem handelsüblichen Entwicklungsboard. In diesem Fall können Sie externe Komponenten anschließen, um die Gesamtfunktion vorläufig zu testen und die Firmware zu entwickeln. Oft lässt sich leicht erkennen, ob Vorkehrungen zur Störfestigkeit getroffen werden müssen. EMV-Probleme zeigen sich durch die Erzeugung von Störsignalen, die man im Radio hören kann. Möglicherweise haben Sie bereits bemerkt, dass die Schaltung schlecht auf nahegelegene Störquellen reagiert. Dies weist darauf hin, dass beim Platinenlayout besonderes Augenmerk auf die Störfestigkeit gelegt werden muss. In vielen Fällen verdrahte ich die Komponenten auf einem Steckbrett, um eine bessere Vorstellung von der fertigen Platinengröße und einer möglichen Platzierung der Komponenten und etwaiger Bedienelemente zu bekommen. sowie Steckdosen für Strom und Signale. Daraus kann dann ein praktischer Prototyp werden (Figur 2 ). Ein Kunde könnte damit sogar erste Tests durchführen und Änderungen vorschlagen, die dann einfach getestet werden können. Sobald die Schaltung fertiggestellt ist, können Sie sich der Leiterplatte zuwenden. Bisher wurden für den Aufbau der Schaltung wahrscheinlich bedrahtete Komponenten verwendet, für die endgültige Leiterplatte werden jedoch höchstwahrscheinlich SMDs verwendet. Das Breadboard-Layout ist wahrscheinlich nicht EMV-optimiert, da es keine Groundplane gibt, aber wir wissen jetzt, was noch verbessert werden muss.

Vermutlich liegen Ihnen bereits Schaltpläne in Form von Skizzen vor. Aber alle PCB-Design-Softwaretools erfordern zunächst die Eingabe des Schaltplans. Jede Komponente muss sehr genau spezifiziert werden. „Widerstand 10 kΩ“ reicht nicht, man muss das Gehäuse detailliert beschreiben, z. B. einen SMD-Widerstand der Größe 0805. Die Auswahl der richtigen Bauteile ist oft sehr aufwändig, da es so viele ähnliche Bauteile gibt. Dies gilt vor allem für Steckverbinder, Schalter, Potentiometer und dergleichen. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die ausgewählte Komponente tatsächlich verfügbar ist und dass ihre Umrisse auf dem PCB-Layout korrekt sind. Es ist so frustrierend, wenn Sie feststellen, dass Ihre schöne, makellose Leiterplatte den falschen Lochabstand hat und der USB-Anschluss nicht auf die Platine passt. Seien Sie bei der Auswahl der Komponenten sehr vorsichtig. Bei der Arbeit mit SMD-Widerständen und -Kondensatoren ist mir aufgefallen, dass sie auf dem Bildschirm so groß und überschaubar aussehen, dass man ihre tatsächliche Größe leicht falsch einschätzen kann. Dies kann ein Problem sein, wenn Sie die Platine manuell bestücken möchten. Zumindest beim Löten von Hand sind kleinste Bauteile problematisch. Sie sollten einige Beispiele der Teile auf Ihrem Schreibtisch haben, um einen schnellen Realitätscheck durchführen zu können. Ich persönlich finde den 0805-Umriss am einfachsten zu löten. Ich erinnere mich an ein Projekt, bei dem aus Platzgründen Komponenten der Größe 0402 verwendet wurden. Das Verlöten der Komponenten für den Prototypenbau erwies sich als äußerst schwierig, diese Situation lässt sich aber natürlich vermeiden, wenn die Leiterplatte fertig montiert geliefert wird. Sobald alle Komponenten ausgewählt sind, kann der Schaltplan mit allen Anschlüssen gezeichnet werden. Sollte später beim Zeichnen der Platine übrigens ein Fehler auftreten, muss man immer zuerst zum Schaltplan zurückgehen und dort die Änderungen vornehmen. Die Platinenlayout-Software stellt stets sicher, dass das Leiterbahnlayout der Leiterplatte mit dem Schaltplan übereinstimmt.

Nun zur Platine. Zunächst müssen Sie den physischen Raum prüfen, in den es passen muss, um die Abmessungen zu bestimmen und festzustellen, ob eine doppelseitige Leiterplatte erforderlich ist. Sie können jetzt Features wie abgerundete Ecken und spezielle Umrissformen definieren. Sie können diese später ändern, es ist jedoch einfacher, wenn Sie die Maße gleich zu Beginn ermitteln. Doppelseitige Bretter sind in der Regel Standard. Eine einseitige Leiterplatte hat zwar kaum Kostenvorteile, kann aber den Prozess vereinfachen, wenn Sie beabsichtigen, sie selbst zu ätzen. In den meisten Fällen bestelle ich im ersten Schritt einfach fünf oder zehn Muster bei einem Leiterplatten-Dienstleister, um mir den Ärger zu ersparen. Einige Leiterplattenlieferanten bieten auch die Bestückung von Prototypen an. Stellen Sie in diesem Fall vorab sicher, welche Bauteile verbaut werden und berücksichtigen Sie dies bei der Erstellung des Schaltplans. Sobald der Umriss definiert ist, können Sie alle Bauteile aus dem Schaltplan importieren und zunächst neben dem Leiterplattenumriss auf dem Bildschirm platzieren . Sie können sie dann einzeln auf die Leiterplatte verschieben und nach der richtigen Platzierung suchen, um die kürzeste und direkteste Leiterplattenbahn zu erhalten. Hier ist es von Vorteil, wenn man vorher alles bereits auf einem Steckbrett aufgebaut hat. Sie haben dann bereits eine Vorstellung davon, wie Sie die Komponenten mit möglichst wenig sich kreuzenden Leiterbahnen positionieren, sodass Durchkontaktierungen auf der anderen Seite vermieden werden können. Wenn alle Komponenten platziert sind, können Sie den automatischen Router starten. Anschließend versucht die Software, alle Komponenten wie im Schaltplan anzuschließen. Allerdings kann es dann leicht passieren, dass die Leitungsführung unter anderen Gesichtspunkten nicht optimal ist. Möglicherweise liegen zu lange und verwickelte Erdungsleitungen vor, oder der „kürzeste“ Pfad zwischen VCC und GND über einen Bypass-Kondensator wird zu lang und bildet eine effektive Rahmenantenne. EMV-Probleme sind dann vorprogrammiert. Zumindest die Erd- und Versorgungsleitungen sollten Sie vorab selbst verlegen und erst dann den Router starten. Ich gehe noch einen Schritt weiter und verlege lieber alle Leitungen per Hand. Vor allem sehr einfache Schaltungen haben meist eine klare Struktur (Figur 3) und lässt sich leicht umsetzen.

Durchgehende Bodenflächen sind eine große Hilfe. Hierzu können Sie auf der Unterseite der Platine eine durchgehende Kupferfläche erzeugen, die mit GND verbunden ist. Alle signalführenden Gleise bleiben möglichst oben. Wenn es unvermeidlich ist, dass sich zwei Leiterbahnen kreuzen, endet eine Leiterbahn in einem Pad mit einem durchkontaktierten Loch (Via), das das Signal nach unten zu einer kleinen Leiterbahn auf der unteren Ebene und dann an einer anderen Stelle wieder nach oben leitet. Sinnvoll ist es, mit der Gleisführung ein System zu etablieren, etwa alle Versorgungsgleise horizontal und die signalführenden Gleise möglichst vertikal zu verlegen. Jede Unterbrechung in der Masseebene sollte so kurz wie möglich sein, um Spannungsabfälle zu minimieren. Letztlich trägt eine durchgehende Kupferebene dazu bei, über die gesamte Platinenfläche den kürzestmöglichen Weg zur Erde zu erreichen; Eine Durchgangslochverbindung ist alles, was Sie brauchen, wenn eine Komponente eine Verbindung zur Masse benötigt. Masseebenen können Wunder bewirken, wie beim Elektor SDR-Shield (Figur 4 ) Projekt. Da es sich bei dieser Schaltung um einen empfindlichen Kurzwellenempfänger handelt, ist es wichtig, Störungen zu vermeiden, die die Leistung beeinträchtigen würden. Die Abschirmung wird direkt über einen Arduino Uno gesteckt. Anfangs befürchtete ich, dass die Montage so nah an einem Mikrocontroller zu Problemen führen könnte, aber es hat alles gut geklappt und der Empfang war problemlos. Eine Masseebene auf der Unterseite dient als Abschirmung für Signale von unten, Störfelder von oben wirken sich weniger aus, da die meisten Feldlinien direkt am Boden enden und nur sehr wenige auf den dünnen Leiterbahnen.

Die meisten Leiterplatten benötigen eine Verbindung zur Außenwelt. Am Rand der Platine werden häufig Pfostenstecker oder Buchsen verwendet, wie beim Arduino, oder anderen standardisierten Stecksystemen. Wenn es um experimentelle Projekte oder Leiterplatten für den Bildungsbereich geht, sind größere Anschlusspunkte oft praktischer. Runde, durchkontaktierte 4-mm-Löcher nehmen direkt Bananenstecker sowie Krokodilklemmen auf (Abbildung 5).

Ich bevorzuge doppelseitige, rechteckige Pads mit durchkontaktierten Löchern im Abstand von 5,08 mm. Diese Anschlusspunkte verursachen keine zusätzlichen Kosten und sind sehr flexibel einsetzbar; Sie können Drähte anlöten, Krokodilkabel verwenden oder einen Schraubklemmenblock anbringen. Für ganz einfache Experimente können Bauteile auch einfach direkt in die Kontaktlöcher gesteckt werden (Abbildung 6).

Es gibt auch Leiterplatten, die nur aus Anschlusspunkten bestehen. Dann benötigen Sie keinen Schaltplan und können direkt mit der Platine beginnen. Für ein HF-fähiges Steckbrett habe ich auf beiden Seiten eine durchgehende Masseebene erstellt. Die meisten Kontaktstellen liegen auf abgelegenen Inseln. Aber die Punkte am Feldrand und mehrere durchgehende Reihen sind mit Erde verbunden (Abbildung 7 ). Dadurch ist die Erde auf kurzem Weg überall gut erreichbar und man hat eine relativ gute Abschirmfläche.

Software zur Herstellung von Leiterplatten führt automatisierte Tests durch, um offene Schaltkreise, Kurzschlüsse und geschlossene parallele Leiterbahnen zu finden. Es gibt jedoch noch andere Fehler, die auf einer ganz anderen Ebene auftreten können und die nur Sie selbst herausfinden können. Ziel ist es, dass die erste Leiterplatte, die Sie bestellen, fehlerfrei ist, aber wie Sie wissen, gilt auch hier Murphys Gesetz. Rückblickend schätze ich, dass jede zweite Platine, die ich erhalten habe, mindestens einen Fehler hatte. Hier sind häufig Änderungen in letzter Minute die Ursache, da sie einen neuen unvorhergesehenen Fehler erzeugen können. Es sind auch schon zu Beginn des Projekts Fehler passiert, die irgendwie unbemerkt geblieben sind. Um eine Leiterplatte zu bestellen, müssen Sie die Informationen in Gerber-Dateien konvertieren. Die Software erstellt individuelle Dateien für die verschiedenen Schichten der Leiterplatte und für die Bohrlöcher. Im Internet finden Sie verschiedene Gerber-Viewer, mit denen Sie sich das Ergebnis ansehen können. Anschließend können Sie zwischen den Ebenen wechseln und erhalten eine völlig andere Ansicht. Dies ist ein weiterer wichtiger Schritt im Verifizierungsprozess und hat schon so manchen übersehenen Fehler aufgedeckt, auch zu diesem Zeitpunkt besteht noch eine gewisse Unsicherheit, ob am Ende alles richtig funktionieren wird. Ein weiterer Tipp, der helfen kann, Fehler zu erkennen, ist das Ausdrucken des Erstellen Sie ein Layout und platzieren Sie die Komponenten über ihrem Umriss. Bei einem Projekt, an dem ich arbeitete, dachte ich, ich könnte das weglassen, weil die Platine so schön einfach und klar strukturiert war. Als die frisch ausgepackte Platine auf dem Tisch lag und der Lötkolben auf Temperatur war, wurde mir plötzlich klar: Falsches SO-Umrisspaket für das Mikrocontroller-Gehäuse! Diese besondere Komponente ist in schmaler oder breiter Ausführung erhältlich. In diesem Fall habe ich trotzdem weitergemacht und die Platine zusammengebaut, indem ich alle Pins des Controllers auf einer Seite mit kleinen Kabellängen verlängert habe (Abbildung 8).

Das ist so frustrierend; Normalerweise kann ich mich jedoch damit trösten, andere Optimierungen zu finden, die dem Layout zugute kommen würden (in diesem Fall eine bessere Beschriftung), sodass eine neue PCB-Iteration kein völliger Verlust ist (Abbildung 9).

Bei sehr einfachen Platinen mit bedrahteten Bauteilen, etwa für Schulungsprojekte, kann man noch einen Schritt weiter gehen und tatsächlich eine Version der Platine vorab bauen: Kleben Sie eine Papierkopie des Platinenlayouts auf ein kleines Blatt Pappe und stechen Sie Löcher hinein für die Komponentenleitungen. Anschließend können die Bauteile durch den Karton gesteckt und darunter verlötet werden. Anstelle der Leiterplattenbahnen werden dann kurze Kabellängen verwendet. Dies gibt Ihnen eine gute Chance, mögliche Fehler zu erkennen. Darüber hinaus steht Ihnen ein brauchbarer Prototyp zum Testen zur Verfügung, bevor Sie sich für das endgültige PCB-Layout entscheiden (Abbildung 10).

Viele dieser Strategien zum Entwerfen einfacher Leiterplatten funktionieren bei kleinen, überschaubaren, experimentellen Projekten sehr gut, bei größeren Designs jedoch offensichtlich nicht so gut. Dem Chef eines großen Unternehmens mangelt es möglicherweise an Verständnis und er verachtet Kartonlayouts, weil er denkt, dass sie amateurhaft und Zeitverschwendung seien und dass jeder kompetente professionelle Ingenieur in der Lage sein sollte, es gleich beim ersten Mal richtig zu machen. Nun ja, im Prinzip stimmt das, aber glauben Sie mir – Versäumnisse und Fehler passieren zwangsläufig, und oft sind mehrere Entwürfe erforderlich, was jedes Mal die Kosten erhöht und die Projektfristen gefährdet. Ich kann nur sagen, dass die hier beschriebene Technik bei mir gut funktioniert hat; Der Schwerpunkt sollte auf Vorversuchen und Tests liegen, damit weniger Versionen des Boards bestellt werden müssen.

Burkhard Kainka arbeitete viele Jahre als Physiklehrer, bevor er sich 1996 als Entwickler und Autor im Bereich Elektronik und Mikrocontroller selbstständig machte. Er betreibt die Websites www.elektronik-labor.de und www.b-kainka.de finden Sie viele interessante kleine und große Projekte sowie Informationen zu den Grundlagen der Elektronik. Burkhard ist ein begeisterter Funkamateur mit dem Rufzeichen DK7JD.

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