Piirilevyjen (PCB) suunnittelu ja niiden jatkokäsittely Vertex G4-ohjelmassa

Vertex Systems Oy:llä ei ole omaa PCB-levyjen suunnitteluohjelmaa. Suunnittelun osalta Vertex ED on keskittynyt sähkösuunnitteluun (Vertex ED ja HD -tuotedokumentaatio), mutta se ei pidä sisällään piirilevyjensuunnittelua.

Piirilevy – Wikipedia

Tässä artikkelissa käydään pääpiirteissään perusvaiheiden kautta läpi piirilevyjen suunnittelua ilmaisella Kicad-ohjelmalla yhden harrastusprojektin kautta ja valmiin piirilevyn 3d-mallin tuontia Vertex G4-ohjelman puolelle jatkokäsittelyyn.  

Kicad-ohjelman voit ladata KiCad EDA - Schematic Capture & PCB Design Software

Ohjelman opetteluun löytyy paljon ohjevideoita esim. youtubessa:

(1787) kicad tutorial for beginners - YouTube

Työvaiheet pääpiirteissään piirilevyn suunnittelussa

1. Idean hahmottelua

   1. Piirretään hahmotelma paperille kytkentäkaaviosta, josta halutaan varsinainen piirilevy suunnitella

   2. Tai kopioidaan olemassaoleva kaavio

2. Kytkentäkaavion suunnittelu Kicad-ohjelmassa, komponentit ja reitit

3. Piirilevyn suunnittelu Kicad-ohjelmassa, komponenttien sijoitus ja reittien piirtäminen piirilevylle

4. Valmiin piirilevysuunnitelman tiedostojen tallennus piirilevyjen valmistajaa varten

5. 3d-mallin esikatselu

6. 3d-mallin vienti step-formaatissa

7. 3d-mallin tuonti Vertex G4-ohjelmaan ja sen jatkokäsittely

1. Idean hahmottelua

• Mietitään idean konseptia hahmottelemalla käsin ja/tai valmiita sähkökaavioita hyväksikäyttäen tarpeiden mukaan.

2. Sähkökaavion suunnittelu KICAD-ohjelmalla

• Kicad-ohjelmassa avataan Schematic capture-osio Schematic Capture in Eeschema | KiCad EDA
• Suunnitellaan kaavio käyttäen ohjelman valmiita symboleita tai ladataan symboleita internetin kirjastoista. Ohjelmassa on kattava oma kirjasto jo valmiina
• Kytkennät piirretään komponenttien välille

Esimerkissä yksinkertainen kaavio sähkökitaran fuzz-tyyppisestä säröpedaalista kahdella transistorilla ja kahdella potentiometrilla (voluumin ja särön määrä), käyttöjännite 9V.

Kytkentäkaavio on variaatio 1960-luvun Fuzz Face-pedaalista.

Piirilevystä tehdään tässä tapauksessa "läpireikä"-komponenteille sopiva versio, joilloin se on helposti juotettavissa juotoskolvilla.

Ohjelma tukee myös pintaliitoskomponenttien käyttöä, joten sillä voidaan suunnitella myös sarjavalmisteisia pcb-levyjä. Samoin monikerroksisten levyjen suunnittelu neljään kerrokseen asti on tuettu.

3. Piirilevyn suunnittelu

• Kun kaavio on suunniteltu ja testattu ohjelman sisällä, voidaan siirtyä itse piirilevyn suunnittelupuolelle PCB Design in PcbNew | KiCad EDA
• Kun kaavio on tehty Kicadin symboleilla, on kaavio synkronissa piirilevyn suunnittelun kanssa

Esimerkin piirilevy suunniteltuna valmiiksi. Komponenttien kiinnitysreiät, komponenttien väliset reitit ja silkkipainotekstit piirilevyn pintaan on jo olemassa.

Piirilevyn leveys ja pituus on myös määritelty valmiiksi, samoin levyn kiinnityslevyt

4. Valmiin piirilevysuunnitelman tiedostojen tallennus piirilevyjen valmistajaa varten

• Ohjelmasta voidaan tulostaa kytkentäkaavion, piirilevyn ja piirilevyn porausten tiedosto valmistajaa varten
• Erilaisia protopiirilevyjen valmistuspalveluita löytyy monia internetin kautta, jotka tekevät tarivttaessa hyvinkin pieniä määriä kerrallaan
• Esimerkkinä PCBWAY China PCB Prototype & Fabrication Manufacturer - PCB Prototype the Easy Way

5. 3d-mallin esikatselu

• Kun piirilevy on saatu valmiiksi, levyä voidaan tarkastella myös 3d-näkymässä 3D PCB Viewer Features | KiCad EDA
• Mikäli komponenttien symboleihin on liitetty 3d-mallit, näkyvät ne myös 3d-esikatselussa
• Mallia pystyy pyörittämään ja tasoja piilottamaan ja tuoda näkyviin

Esimerkin 3d-malli esikatselussa.

6. 3d-mallin vienti step-formaatissa

• Kicadistä voi valmiin piirilevyn 3d-mallin exportata ulos esim. step-formaatissa
• Toiminto löytyy piirilevyn puolelta Export- Step-kohdassa

• Step-asetuksissa voi vielä säätää, mitä yksityiskohtia haluaa mallissa näkyä.

7. 3d-mallin tuonti Vertex G4-ohjelmaan

• Avaa malli Vertex G4:ssä Tiedosto - Avaa tiedosto-komennolla

Esimerkin piirilevy komponenttien kera avattuna Vertex G4:ssä. Malli tulee kokoonpanona sisään, jonka jälkeen kaikkia komponentteja voidaan muokata (poistaa ja piilottaa).

HUOM. Esimerkin mallissa on ledin osalta ACIS-geometriavirheitä, josta syystä myös mallin pääkokoonpano näkyy punaisella värillä. Ledin geometria kannatta korjata tai mallintaa osa uudelleen, jotta saa tuon virheen pois.

• Vertex G4:ssä voit rakentaa esim. kotelorakenteita piirilevyn ympärille. Esimerkissä Raspberry Pi-kortille G4:n puolella suunniteltu ohutlevykotelo, jossa rei'itys ja piirilevyn kiinnitys sekä kotelon kiinnitys suunniteltu.
• Yhtälailla piirilevyn koteloinnin konstruktion voi suunnitella esim. 3d-tulostamalla tehtäväksi