Platinen layouten mit Eagle

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9743-mal angesehen • Hochgeladen: 15.01.2010

Einführung

Spätestens wenn man sich etwas intensiver mit Elektronik befasst, will man nicht mehr jede Schaltung auf eine Lochrasterplatine zusammenlöten und hoffen, dass es funktionier. Ab diesem Punkt wird es Zeit eigene Platinen zu Layouten und Herzustellen. Dadurch wird die ganze Sache auch viel professionieller :)

Der Schaltplan

Bevor man ein Layout erstellt sollte man zuvor den Schaltplan erstellen, damit man keine Leitungen falsch verlegt (man kann auch eine Platine ohne Schaltplan layouten. Davon rate ich aber ab.)
Zum Layouten benutze ich das weitverbreitete CAD-Programm Eagle. Davon gibt es eine kostenlose Version, die für Hobby-Zwecke völlig ausreicht. (Download unter: http://cadsoft.de/download.htm)
Nachdem man Eagle installiert hat, erstellt man zuerst ein Projekt (über Datei -> Neu -> Projekt) und gebt diesem einen passenden Namen. Ich erstelle hier im Tutorial mal ein ATMEGA8-TestBoard. In dem Projekt erstellt ihr dann noch einen Schaltplan, dann öffnet sich auch sofort das Schaltplan-Fenster.

Das Schaltplan-Fenster ist, wie der Name schon verrät, dafür da Schaltpläne zu zeichnen. In dem Fenster sind an der linken Seite die ganzen Hauptfunktionen, wie Löschen oder Einfügen etc.
Auf dem Bild habe ich mal die wichtigsten Funktionen makiert (Farbe in Klammern ist auf dem Bild Farbe des Rahmens):

• Add (Gelb): Mit dieser Funktion kann man Bauteile in den Schaltplan einfügen. Dabei bekommt man eine Auswahl zwischen verschieden Bibliotheken. Für Anfänger ist es sehr schwer die Teile zu finden. Ich hab mal die wichtigsten Teile in den Bibliotheken aufgelistet:
  • rcl: Sie enthält Widestände, Kondensatoren und Spulen in allen Formen und Größen. R-EU sind Widerstände in Europäische Norm und R-US in Amerikanischer Norm. C und L sind Kondensatoren und Spulen.
  • led: Wie hier der Name sagt, sind hier LEDs drin. Im Unterpunkt LED findet man alle Standard-LEDs (3mm, 5mm, 10mm, 1206 etc...).
  • atmel / microchip: Aus diesen Bibliotheken kann man AVR und PIC Mikrocontroller auswählen.
  • transistor(-npn / -pnp): Sie enthalten Standard-Transistoren (NPN und PNP). Die Bibliothek transistor-power beinhaltet FETs und Darlington-Transistoren.
  • diode: Dioden
  • v-reg: Spannungsregler: z.B. 7805 (in der Bib. unter 78xx, da z.B. 7805 und 7812 gleich aufgebaut sind.)
  • pinhead: Stiftleisten
  • crystal: Quarze
  • supply1: Spannungszeichen: GND (alle Pins die hiermit verbunden werden, werden verbunden), VCC, +5V etc...
• Delete (Rot): Hiermit kann man Teile wieder löschen. Dazu muss man auf das kleine Kreuz in der Mitte der Teile klicken.
• Move (Lila): Mit Move kann man platzierte Teile verschieben.
• Copy (Hellblau): Diese Funktion dient dazu Teile zu duplizieren (aber nur einzelne)
• Group (Schwarz): Nachdem man diese Funktion gewählt hat, kann man mehrere Teile gruppierern, wozu das gut ist kommt gleich. Man kann jetzt auch Group wählen und Rechtsklick->Move: Gruppe = verschieben von mehreren Teilen (Geht auch mit Delete o.Ä.)
• Cut (Grün): Hiermit werden gruppierte Elemente in den Zwischenspiecher kopiert.
• Paste (Blau): Die mit Cut kopierten Teile können mit Paste dann eingefügt werden -> man kann so mehrere Teile kopieren (Copy kopiert immer nur ein Teil)
• Wire (Weiß): Eine sehr wichtige Funktion: Denn man will ja seine Bauteile auch verbinden. Dies geht mit Wire. Dann kann man einfach Linien auf dem Schaltplan zeichnen, diese entsprechen dann elektrischen Verbindungen.
• Text (Hellgrün): Mit dieser Funktion kann man Texte einfügen. (Tip: Oben unter Speichern, Öffnen etc. kann man die Schrift noch einstellen (also Größe oder Farbe) bei einigen Funktionen kann man hier meistens auch noch was verändern: testest es einfach mal aus.
• Junction (Braun): Ermöglicht das Zeichnen von Punkten, die 2 Leitungen miteinander verbinden.
• Name und Value (Pink): Name (R2 = schwarz) und Value (10k schwarz) haben die Funktion den Namen und den Wert eines Teiles zu ändern. So kann man Widerständen und Kondensatoren einen Wert geben. Bei ICs macht das VALUE wenig Sinn, da sie von vornherein schon eine definierte Value haben.
• Invoke (Orange): Mit dieser Funktion kann man nicht angezeigte Teile eines ICs hinzufügen: z.B. bei dem MAX232 fehlen im Schaltsymbol der VCC und GND Anschluss, diese müssen durch INVOKE noch hinzugefügt werden. Dazu klickt man nachdem man Invoke ausgewählt hat auf das Symbol im Schaltplan. Die VCC und GND Pins sollten nicht vergessen werden!!!

Am Besten man spielt erst ein wenig mit den Befehlen rum, um sich ein Gefühl für Eagle zuschaffen. Am meisten lernt man ja auch, wenn man es ausprobiert.
Hier ist mein Schaltplan für das Mega8-Board:

Vom Schaltplan zum Layout

Wichtig ist, dass der Schaltplan richtig ist. Das Layout kann noch so gut sein, wenn der der Schaltplan fehler hat, wird auch das Layout nicht richtig funktioniern. In Eagle kann man einfach aus einem Schaltplan ein Boardlayout erstellen, indem man oben in der Menüleiste auf den Button neben der Auswahl, in der "1/1" steht, klickt.

Das Layout

Eagle öffnet dann ein Fenster indem man das Layout erstellen kann. Hier sieht man zuerst ein leeres Rechteck und am Rand die Bauteile, die willkürlich gestapelt sind. Der graue Rahmen sind die Ausmaße der Platine also der Rand.
So sieht es jetzt bei meinem Board aus.

Jetzt muss man die Teile ausrichten. Dazu nimmt man den Move Befehl. Eigentlich gibt es im Layout-Editor die gleichen Befehle und Funktionen wie im Schaltplan-Editor. Dazu gekommen sind nur Route (Rot umrahmt) um Leiterbahnen zu zeichnen und RipUp (Blau eingerahmt) um Leiterbahnen wieder aufzulösen (geht nicht mit Delete). Die Teile sollte man allgemein so ausrichten, dass sie am besten passen. Bauteile an denen viel angeschlossen ist, z.B. Hauptcontroller sollte man am besten in der Mitte der Platine platzieren. Wenn man die rechte Maustaste drückt, während man ein Teil verschiebt lässt es sich ohne Probleme um 90Grad drehen. Die anderen Teile kann man jetzt um den Controller rum anordnen: Also beginnt man mit den Teilen die direkt an dem Controller o.Ä. hängen. Die Teile sollten so ausgerichtet sein, dass die Gelben Luftlinien (noch nicht verlegte Leiterbahnen) möglichst kurz und ohne kreuzungen sind. Außerdem sollte man darauf achten den Platz optimal auszunutzen, es macht wenig Sinn, wenn die Hälfte der Platine leer sein muss.
Platzierten Teile auf meinem Board. Wie man sehen kann ist es fast nie möglich alle überkreuzungen weg zu bekommen.

Wichtig bei dieser Ausrichtung ist, dass Quarze von Bauteilen immer direkt in der Nähe von diesen sind. Wie man auch in meinem Versuch sehen kann: ist der Quarz der Mega8 sehr nah an dem Controller. Grund: der Quarz schwingt nur mehr sehr wenig Strom, dieser geht über die Strecke verloren (durch den Widerstand) -> der Quarz schwingt nicht.

Der nächste Schritt nach dem Ausrichten, ist das verlegen der Leiterbahnen. Hierbei gilt es wieder einige zu beachten. Zuerst sollte man das Raster kleiner stellen. Dazu geht man auf Ansicht -> Raster... . In dem Fenster gibt man bei Raster z.B. 0.01 oder 0.005 ein. Hilfreich ist auch die Anzeige des Rasters auch Ein zu schalten. Bei Eagle wählt man erst den Route-Befehl aus um Leiterbahnen zu verlegen. Klickt man nun auf eine der gelben Luftlinien kann man diese verlegen. Aber einfach so ist das nicht möglich. Gerade beim verlegen von Leiterbahnen gibt es viele Punkte auf die man achten muss:

• 45Grad Winkel beachten: Wenn man mal Leiterbahnen um die Ecke legen muss, sollte man dabei 45° bzw. vielfache davon benutzen, statt der 90° Winkel. Grund (einfach gesagt): Die Elektronen können leicher um die Ecke fließen und es entsteht keine Reflexion
• Leiterbahnbreiten: Auf vielen Platinen sieht man immer unterschiedlich Breite Leiterbahnen. Abhängig ist die Breite von dem Strom der über sie fließt. Bei einem hohen Strom erwärmen sich dicke Leiterbahnen nicht so stark wie dünne. Allgemein gilt: Man sollte versuchen so dicke Leiterbahnen wie möglich zu verlegen. Aber oft reicht der Platz nicht für dicke Leiterbahnen. Spannungsversorgungsleitungen sollten immer möglichst dick sein. Am besten ist, wenn man sich vorher ausrechnet oder abschätzt, wie viel Strom eine Leiterbahn führen soll. So kann man auf die Mindestdicke schließen. ( Spezifikationen aus dem PCB-Pool ). Es kommt auch auf die Mindestbreite von den Herstellern an. Viele gute Hersteller schaffen bis zu 6mil = 0.15mm. Im Hobby schafft man in den Anfängen mit Glück 10mil = 0.25mm also sollte man zu dünne Leiterbahnen somit auch vermeiden. Einige Beispiele: Datenleitung zum PC (z.b. TX, RX): kann sehr dünn sein, Leitung von Controller zu einer LED: da der Strom bei ca. 20mA liegt kann die Leiterbahn auch recht dünn sein, +5V der Platine: viele Boards ziehen bis zu 100mA: Hier sollte man am besten von 1A ausgehen als Strom -> dickere Leiterbahnen

Umsetzung in Eagle:
Die Leiterbahnbreite kann man mit Width einstellen. Dazu gibt es oben, wenn man Route gewählt hat, eine Auswahlliste.
Zwischen den Winkeln kann man mit der rechten Maustaste während des Route umschalten.
Hier gilt wieder: am besten mal selber ein wenig ausprobieren.
Hier mein Versuch

Man sieht, dass es fast nie möglich ist alle Leiterbahnen zu verlegen, da meist andere im Weg sind. Man sollte aber auf alle fälle immer die Stromversorgung und Leitungen vom Quarz zeichnen.
Für dieses Problem gibt es eigentlich nur 2 Lösungen:

• 1. Eine Zweite Lage verwenden: Professionelle Platinien sind meistens Doppelseitig gefertigt. Hobbymäßig ist das natürlich auch möglich, aber realtiv schwer. Um Leiterbahnen in der Zweiten Lage zu verlegen, kann man in der Auswahlliste in der "16 Bottom" steht auf "1 Top" umschalten. Jetzt werden die Leiterbahnen rot gezeichnet. Diese Leiterbahnen können die Blauen (Bottom = unten) kreuzen aber nicht die Grünen Beinchen der Bauteile.
• 2. Extra verbinden: Möglich ist es auch, die Platine genau so zu lassen und auf der Platine nachher noch einige Drähte einlöten, die die restlichen Verbindungen herstellen.

Als nächstes muss man noch die Platinen größe auf das Layout anpassen. Dazu nimmt man mit MOVE die grauen Außenlinien in der Mitte auf und verschiebt sie bis zum Rand der gelayouten Fläche. Aber man muss eine kleinen Rand lassen.
Hier sind nun schon die Platinenausmaße angepasst und ich habe die übrigen Leiterbahnen auf TOP verlegt.

Massefläche:
Wichtig für ein gutes Layout ist auch eine Massefläche. Sie hält außerdem unerwünschte Strahlung auf. Dazu zeichnet man auf 16 Bottom ein Polygon (dazu Polygon anklicken, blau umrahmt auf dem letzten Bild.). Bei Isolate wählt man am besten einen Bastand zwischen 0 und 0.032 das kommt wiederrum immer darauf an, wie gut man Platinen ätzen kann oder wie gut der Hersteller sie herstellen kann. Das Polygon wird auch auf den grauen Linien gezeichnet also wird die ganze Schaltung mit dem Polygon umrundet. Um aus dem Polygon eine Massefläche zu machen muss man auf NAME (rot umrandet) klicken und damit auf den gestrichelten Rand des Polygons. Nun gibt man GND ein und bestätigt dieses Fenster. Um die Massefläche nun dar zustellen muss man zu letzt noch auf Ratsnest klicken (grüner Rahmen).
Hier die Platine von mit mit Massefläche.

Fazit

Somit kann man mit wenigen Schritten und etwas Übung relativ leicht eines qualitativ gutes Layout erstellen. Im Hobby ist das Layout meistens auch nicht wirklich entscheidend. Da ist es meistens so, dass wenn der Schaltplan funktioniert meistens auch die Platinie funktioniert. Trotzdem kann es für einen Anfänger auf diesem Gebiet gut sein, sein Layout in einem Forum überprüfen zu lassen.

Ausblick

Ich werde hier nochmal auf die SMD Technik eingehen, vorallem mit Durchkontaktierungen. Außerdem sollte noch die Auswertung des DRC-Tests mit in die Beschreibung.

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