طراحی PCB با پروتئوس

PCB و انواع PCB:

PCB مخفف عبارت Printed Circuit Boards (برد مدار چاپی) است. بردهای مدار چاپی اجزای اساسی سیستم های الکترونیکی هستند. آنها از یک لایه زیر و لایه اصلی نازک از جنس مس و قطعات مختلف الکترونیکی متصل به جریان از طریق مدار تشکیل شده اند. دو نوع PCB بر اساس طراحی وجود دارد، PCB های نقطه چین و PCB های طرح دار.

مدار چاپی نقطه‌دار در مقابل مدار چاپی لایه ای:

مدارهای چاپی نقطه‌دار دارای نقطه‌هایی روی سطح هستند و اجزای آن بر این اساس در این سوراخ‌ها وارد می‌شوند. سپس قطعات با سیم وصل شده و به هم لحیم می شوند. طراحی چنین PCB هایی پیچیده است و می تواند خطاهای زیادی داشته باشد. به عنوان مثال، اتصال پین ها و جلوگیری از خطا در اتصالات. از طرف دیگر، PCBهای لایه ای ساده‌تر طراحی می‌شوند. ما مدار خود را با استفاده از نرم افزار پروتئوس طراحی می کنیم، سپس طرح خود را روی لایه مسی برد حک می کنیم و سپس اجزای مختلف را روی برد لحیم می کنیم. این روش ساده تر است و احتمال خطای کمتری دارد و ساخت آن زمان کمتری می برد.

نرم افزارهای طراحی زیادی برای طراحی PCB وجود دارد مانند
Express PCB ، Eagle PCB، PCBWeb Designer، Zenith PCB، PCB Elegance، Free PCB ، Open Circuit Design , Proteus و غیره
ما از Proteus برای طراحی مدار PCB خود استفاده خواهیم کرد .

پروتئوس چیست؟

Proteus نرم افزاری است که برای اتوماسیون طراحی الکترونیکی استفاده می شود. عمدتا برای تهیه شماتیک و طراحی PCB استفاده می شود. ابزارهای زیادی دارد که نه تنها استفاده از آنها آسان است، بلکه در طراحی PCB و یادگیری در مورد طراحی PCB مفید هستند. IT از یک روتر خودکار یکپارچه استفاده می کند و امکان تصویربرداری کامل شماتیک، قوانین طراحی قابل تنظیم، پشتیبانی از پلنت قدرت را می دهد. همچنین دارای محرک مدار تعاملی، پیروی از استاندارد صنعتی CADCAM و خروجی ODB++ می باشد و امکان مشاهده سه بعدی را فراهم می کند.

طراحی مدار چیدمان PCB مجازی:

اکنون، به سمت فرآیند طراحی خود حرکت می کنیم. ابتدا با کلیک بر روی آیکون برنامه را اجرا کنید و یک صفحه نمایش جدید ظاهر می شود. در مرحله بعد، یک فضای کاری شبکه مانند تصویر بالا ظاهر می شود. دکمه هایی در دسترس هستند که به ما در طراحی PCB کمک می کنند. یک مستطیل آبی وجود دارد. مدار ما در این فضای مستطیلی طراحی خواهیم کرد.

ما از Proteus برای طراحی مدار زیر استفاده خواهیم کرد. این یک مولد فرکانس 38 کیلوهرتز است که از آی سی تایمر 555 استفاده می کند. 

قطعات شامل آی سی تایمر 555، مقاومت های 470K، 22K و یک مقاومت متغیر 10K، خازن 0.001μf و یک LED IR است. اکنون به “کتابخانه” ‘library’ بروید و ‘Pick device/symbol’ را انتخاب کنید. یک پنجره ظاهر می شود. راه دیگر برای انتخاب کامپوننت ها استفاده از نوار ابزار در سمت چپ فضای کاری است. روی “component model” کلیک کنید یا از کتابخانه انتخاب کنید.

اکنون تمام اجزای مورد نیاز خود را انتخاب کنید، اینها به لیست قطعات اضافه خواهند شد. قطعه ای که انتخاب می‌کنید را می‌توانید با استفاده از دکمه‌های چرخش بچرخانید. سپس می توانید قطعه خود را در فضای کاری قرار دهید. پس از قرار دادن تمام اجزای خود، مکان نما را در انتهای پین مؤلفه قرار دهید و اتصالات را رسم کنید. تمام قطعات را وصل کنید تا مدار طراحی شده ای مطابق شکل بدست آورید.

 اگر می‌خواهید کامپوننتی را تغییر دهید، کافی است روی کامپوننت کلیک راست کنید. یک منوی کشویی مطابق شکل ظاهر می‌شود. پس از اتمام پروژه را ذخیره کنید. در اینجا طرح مجازی ما کامل شده است.

طراحی چیدمان PCB:

در مرحله بعد، از طراحی مجازی برای طراحی PCB خود استفاده می کنیم. Proteus دارای سوییت طراحی ARES یکپارچه است. ما می توانیم از آن برای توسعه PCB خود استفاده کنیم. ابتدا Proteus را باز کرده و “Tools” را انتخاب کرده و سپس “netlist to Ares” را انتخاب کنید.

با این کار پنجره لیست قطعات باز می شود. اکنون برد خود را با استفاده از “حالت جعبه گرافیکی دو بعدی” ‘2D Graphics Box Mode’ ایجاد می کنیم. بر روی ‘select layer’ کلیک کنید و سپس ‘board edge’ را انتخاب کنید. حالا یک کادر در فضای کاری خود بکشید. پس از اتمام کار، یک بار دیگر کلیک کنید و خط سبز به زرد تغییر می کند. مدار ما قرار است در این کادر رسم شود. همچنین در صورت لزوم می توانید جعبه را بزرگ تر کنید.

در مرحله بعد، روی قطعه کلیک کنید و در صورت لزوم با استفاده از دکمه‌های چرخش بچرخانید، سپس در فضای کاری خود قرار دهید. پس از اضافه کردن تمام اجزاء، آنها را مرتب کنید. شما می توانید با کلیک بر روی “حالت انتخاب” ‘selection mode’ و سپس انتخاب قطعه خود، آن را به مکان مورد نیاز بکشید. بعد، تمام اجزا را به هم وصل کنید. ‘track mode’ را انتخاب کنید. می‌توانید با انتخاب «C» (ایجاد) یا «E» (ویرایش) عرض را تغییر دهید. با انتخاب این دکمه ها پنجره جدیدی باز می شود. عرض خود را با توجه به PCB طراحی شده انتخاب کنید. از آنجایی که این PCB برای سرگرمی در خانه ساخته شده، از عرضی بیشتر از 25 استفاده خواهیم کرد. در اینجا از 35 استفاده خواهیم کرد.

در مرحله بعد، کامپوننت ها را به هم متصل کنید، روی انتهای کامپوننت با قلم کلیک کنید و خط سبز را دنبال کنید. پس از اتمام کار، خط سبز حذف خواهد شد. اگر PCB تک لایه طراحی می کنید، قطعات در یک طرف قرار می گیرند و اتصالات در طرف دیگر ایجاد می شوند. در دو لایه، طراحی و اجزاء در دو طرف انجام می شود. در چند لایه، لایه های مختلف با رنگ های مختلف نشان داده می شوند. به عنوان مثال، لایه پایین نشان دهنده آبی، لایه بالایی قرمز و لایه های داخلی نیز با رنگ های مختلفی را نشان داده می شوند.

جهت نمایش اجزای محتلف تریس با فلش های سفید، اتصالات با خطوط سبز و خطوط آبی مسیر را نشان می دهند. هر گونه خطا در ردیابی با دایره های قرمز نشان داده می شود.  

برای جلوگیری از خطا، می توانید مسیر track را تغییر دهید. برای PCB های دو لایه، می توانید با دوبار کلیک کردن روی دکمه سمت چپ ماوس، مسیر بین لایه ها را تغییر دهید که به تغییر لایه از یک لایه به لایه دیگر کمک می کند. دایره های نارنجی نشان دهنده راه های بین لایه ها هستند. با ابزار مسیریاب خودکار “auto-router”، می توانید track ها را به طور خودکار مرتب کنید. می‌توانید پنجره “auto-router” را باز کنید که شامل تمام حالت‌ها، قوانین طراحی و گزینه‌های عرض شبکه است که می‌توانید متناسب با آن تغییر دهید و سپس روی Routing کلیک کنید. مسیریابی خودکار شروع خواهد شد. تراک های قرمز همانطور که نشان داده شده نشان دهنده بالا و آهنگ ها و آبی نشان دهنده تراک های پایین بین لایه ها است. این برای PCB های دو لایه است.

پس از تکمیل تراکینگ، پروژه خود را در همان فایلی که پروژه Proteus خود را ذخیره کرده اید ذخیره کنید. می توانید تجسم سه بعدی را انتخاب کنید یا مدار نهایی را ببینید. شما می توانید از تمام زوایا، برد بدون قطعات و یا با قطعات قرار داده شده در نمای جلو و عقب را مشاهده کنید.

چاپ طرح بندی:

مرحله بعدی مرحله نهایی ما است که چاپ صفحه است. برای این کار به گزینه خروجی “output option” بروید و ‘Print’ را انتخاب کنید. پنجره طرح بندی “print layout” چاپ باز می شود. گزینه های زیادی مانند حالت، مسیر، مقیاس، چرخش و غیره وجود دارد. 4 حالت: artwork و a solder resist و SMT mask و drill plot وجود دارد. در حالت artwork ، ماژول زرد رنگی که طراحی کردیم قابل چاپ است. به خاطر داشته باشید که برای لایه مسی زیرین، باید در قسمت “reflection” حالت “mirror” را انتخاب کنیم.

1: لایه مس بالایی: این فقط برای PCB های دو لایه لازم است.

2: لایه مسی پایین: در حین چاپ این لایه، فقط “bottom copper” و “board edge” را در “layer/artwork” انتخاب کنید. مقیاس “scale” را به صورت 100% انتخاب کنید، “X Horizontal” را در “Rotation”و “Mirror” را در گزینه “reflection” انتخاب کنید. از آنجایی که سمت چاپ شده روی لایه مس در جهت مخالف خواهد بود، گزینه “mirror” را انتخاب می کنیم.

3: لایه سیلک بالایی: این لایه با لایه مسی زیرین ترکیب می شود. لایه سیلک بالایی نمای اجزا را چاپ می کند. برای این کار، «top silk» و «board edge» را در «layer/artwork» انتخاب کنید. در قسمت «Reflection» گزینه «normal» را انتخاب کنید.

4: لایه پایین: این برای PCB دو لایه است.

5: لایه Solder Resist: برای جلوگیری از اتصال کوتاه است. برای انتخاب این حالت, گزینه ‘sold resist’ و ‘bottom resist’ و ‘board edge’ را انتخاب کنید. همچنین گزینه “mirror” را در قسمت “reflection” انتخاب کنید.

6: حالت SMT: ما از حالت SMT (فناوری نصب سطحی) استفاده نمی کنیم زیرا مدار ما به ماژول SMT نیاز ندارد

7: لایه Drill Plot: این لایه برای نشان دادن محل مته و اندازه سوراخ استفاده می شود. «drill» و «board edge» را انتخاب کنید و گزینه “normal” را در “Reflection” انتخاب کنید.

حکاکی (Etching) PCB:

در مرحله بعد به سراغ فرآیند اچینگ می رویم. ابتدا مسیرهای (tracks) مسی خود را روی لایه مسی چاپ می کنیم.

1: تخته لایه مسی را بردارید و طبق نیاز خود برش دهید.

2: خروجی نرم افزار (تصویر مدار چاپی) را با پرینتر سیاه و سفید معمولی روی کاغذ گلاسه پرینت بگیرید. توجه داشته باشید تصویر مدار چاپ شده کم رنگ نباشد.

3: همانطور که در شکل نمایش داده شده طرف چاپ شده کاغذ را روی سطح مس برد قرار دهید. کاغذ و تخته را با دقت تنظیم کنید.

4: با اتو حرارت را روی کاغذ چاپ شده اعمال کنید.

5: خواهیم دید که کاغذ به برد می چسبد. سپس برد را داخل آب بیندازید و کاغذ را بردارید. چاپ کربن روی برد باقی خواهد ماند.

6: سپس تخته خود را در مایع کلرید آهن (اسید فیبر مدار چاپی) قرار دهید. مس بدون لایه کربن با کلرید آهن واکنش می دهد و حل می شود.

7: حالا تخته خود را با سمباده تمیز کنید و لایه کربن اضافی را بردارید.

8: در مرحله بعد، مطابق با لایه موقعیت مته”drill position layer” که طراحی کردیم، با دریل سوراخ ها را ایجاد کنید.

9: سپس قطعات را در محل صحیح قرار دهید و آنها در جای خود لحیم کنید.(بهتر است که از روغن لحیم استفاده نشود)