شرح كيف تصمم دوائر مطبوعة PCB بكفائه عالية

Kicad ببساطه

برنامج kicad برنامج ليس حديث التطوير فقد بدا تطويره عام 1992 ثم توقف التطوير  فتره من الفترات  حتي تولي دعمه سِرن (اختصاراً لـ«المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية» CERNK البرنامج يعد أفضل حزمة تطوير إلكترونية مفتوحة المصدر  ويتمتع بقدر كبير من الدعم المجتمعي بالرغم أنه مازال يعاني بعض القصور و الاخطاء، ومع ذلك يعتبر بديل ممتاز للبرنامج المشابهة مثل Altium designer  والذي يبلغ سعر الرخصه الخاصه به  7,245 USD

يمكنك تحميل النسخه الخاصه بك من

http://kicad-pcb.org

 ان ناخذ في الحسبان ان التصميم الجيد لا يتوقف علي البرنامج. ف البرنامج هو اداة تستخدمها للتصميم الجيد و لاكن العلم بالتصميم و تكتيكاته هو ما يخرج تصميم محترف و البرنامج يقصر المده لانجاو التصميم عن طريق ادواته

المفهوم الخطأ عن تصميم الـ PCB

كما شرحنا في الدرس الاول ان المعني الرئيسي للPCB هو توصيل المكونات ببعضها البعض و لكن لا يعتبر كل توصيل هو الوصول للهدف فعدم العلم بانواع المكونات و المهمه التي تقوم بها تصبح الفكره الاساسيه و هي توصيل المكونات عائق امام المكونات تمنعها من مهمتها الاساسيه

اذا ما هو الهدف الأكبر لطريقه التصميم؟

يعتبر الهدف الأكبر في تصميم ال pcb هو جعل PCB بدون تاثير يذكر علي المكونات و الاشارات المتحركه، كأن جميع المكونات على اللوحة تتفاعل كأنها بداخل شريحه مدمجه  ic، هذا هو الهدف الاساسي لتصميم PCB شفافيه التاثير. و لكن هذا ليس بالأمر السهل  فالـ pcb تعتبر جزء من تصميمك و يجب معاملته بعنايه

أنواع المكونات

تعتبر ال  pcb هي الحامل للمكونات و تقنيه المكونات الالكترونيه تتطور و لاكن يوجد 3 انواع اساسيه حاليا:

Through hole component

تعتبر المكونات ال through hole هي اول طريقه لتوصيل المكونات و تعرف هذه الطريقه من التصنيع ب الحجم الكبير و و القوه الميكانيكيه و لكن تحتاج لثقوب في PCB للتثبيت و هذا يلتلزم خطوه في  تصنيع ال pcb  و هي ثقب هذه الثقوب هذا يجعل سعر التصنيع اكبر و تتجه الصناعه لعدم استخدام ال through hole  نظرا لحجمها الكبير و السعر الاعلي لتصنيع pcb مناسب لها

surface mounted component

المكونات المثبه علي السطح دخلت الصناعه في اوائل 1980 و احدثت نقله كبيره في طريقه التصميم لصغر حجمها و السماح بوجود ارجل كثيره للمكونات في مساحه صغيره مما ادي لتصميمت اصغر احدثت نقله في حجم الاجهزه نشعر بها كل يوم

embedded component inside PCB

الطلب علي pcb اصغر في المساحه ادي للتفكير ليس خارج ال صندوق و لاكن داخل ال Pcb نفسها لماذا لا نصنع مكونات داخل الpcb نفسها و بذلك نوفر مساحه اكثر للمكونات الاخري مكونات تكون في عمليه التصنيع نفسها. هذه التقنيه سيكون لها تاثير كبير علي حجم الاجهزه

---

حتي الان نظرتنا ميكانيكيه  اكثر لل pcb و لاكن هل هي النظره الصحيحه  للتصميم لنحاول تعريف ال pcb بشكل افضل

الدائرة المطبوعة هي توصيلات من النحاس  توصل بين مكونات محدده لتنفيذ مهمه محدده لذلك الدور الرئيسي لل pcb  نقل الكهرباء سواء كان اشارات او تغذيه لذلك ال pcb هي حزء من التصميم لابد من ان تنظر له كهربيا و تضع حسبانه في حساباتك لل فولطيات و التيارات ومنها نستنتج أنها لابد ان ننظر للتصميم الكهربي للدائره قبل ان ننتقل للتصميم الميكانيكي عن طريق رسم ال pcb

ما هي المكونات الاساسيه للتصميم الكهربي

1- power circuits

2- Analog Circuits

3-Digital Circuits

تتكون التصميمات الكهربيه من هذه الاجزاء او كلها متداخله بما يعرف ب mixed signal design و لكل نوع من الانواع قوانينه الخاصه في التصميم الكهربي ك نظام
و كذلك كتصميم pcb و هو ما سنهتم به جدا في هذه الدروس و تعتبر ال analog circuit design هو اعقد الانواع و تحتاج تركيز عند التصميم و سيكون لها مساحه كبيره في الدروس كاهم انواع التصميم

المشكله الرئيسيه لل pcb

المشكله الرئيسيه و هو التشويش و للتشويش انواع:
1-تشويش داخلي Internal Noise تنتجه المكونات لبعضها البعض مثلا كتاثير جزء من التصميم بتردد عالي علي جزء اخر بتردد صغير او كتاثير دائره تغذيه ليست بها مرشحات filterss فيكون تاثير تشويشها علي كل المكونات و هذه مشكله كبيره جدا تجعل التصميم عديم الفائده او تاثير دائره رقميه  digitalعاليه التردد علي دائره ضعيفه الفولطيه ك analog circuits او كتاثير اشاره بتيار عالي جدا علي اشارات اصعف منها.
هذه المشاكل الرئيسيه للتشويش الداخلي و هي مشاكل كبيره و لها تكتيكات خاصه للتقليل من تاثيرها سنقوم بشرحها لاحقا

2- تشويش خارجي External Noise تشويش ياتي من خارج الدائره عن طريقه احدالمدخلات او عن طريق  الحث الكهرومغناطيسي، فمثلا اذا كان محرك كهربي يعمل بجانب التصميم فسنجد تشويش قوي قد يدمر الاشارات الرقميه بفولطيات عاليه فحاولوا ان تتخيلوا التاثير علي دائره حساس يعمل ب 10mv

و لكي نقوم بحل هذه المشاكل لابد من نعرف المكونات الرئيسيه للتوصيل في الدوائر المطبوعه و تنقسم للاتي :

1. الموصلات النحاسيه tracks
2.   Vias
3. Connectors

Tracks

الموصلات النحاسيه tracks  هي الناقل الاساسي للكهرباء في الدوائر المطبوعه لذلك له دور مهم في اداء التصميم ككجزء من التصميم ف الموصل بتصميم سئ يمكن ان يكون مقاومه  كبيره جدا او مكثف يدمر الاشارات التي تمر بجانبه او antenna يبث اشاراته للدوائر القريبه  لذلك لابد ان تفهم التصميم الكهربي جيدا للدائره لكي ترسم موصل مناسب للمهمه الخاصه للدائره

اول ما يجب الاهتمام به عند تصميم الموصل هو قدرته علي تحمل التيار المار فيه ف مرور تيار كبير في موصل غير قادر علي تمرير هذا القدر من التيار سيقوم بتسخين الموصل و حرقه و تدمير التصميم باكمله او تكوين فرق جهد علي طرفي الموصل يدمؤ الاشاره الماره فيه لذلك لابد من حساب التيارات الماره في الموصل قبل رسمة خصوصا التيارات الكبيره و يمكنكم الاستعانه بهذه اﻵلة الحاسبة للمسارات :

https://www.eeweb.com/toolbox/internal-pcb-trace-max-current
للتاكيد للتيارات العاليه يجب حساب عرض الموصل لمعرفه قدرتة علي تحمل التيار المار فيه حتي لا يحدث break-down للموصل و ينهي عمل الدائره
طبعا لن تقوم بالحساب لكل موصل ترسمه فهذا فقط يحدث في تصميم اجهزه القياس و لكن لان معظم ما نتعامل معه يعمل بتيارات صغيره فايمكنك اختيار عرض الموصل الذي يناسب تصميمك و تقوم بالحساب مره واحده و تعمم هذا العرض علي كل الاشارات المنخفضه التيار اما التيارات العاليه حالتحكم في المحركات الكهربيه و غيرها من الاحمال الكبيره فلابد من حسابها منفرده

بعد حساب عرض ال track و التاكد من قدرته علي التحمل ننتقل الي خاصيه اخري للتراك و هي عمله ك مقاومه

الموصل كمقاومه

نحن نعلم ان النحاس ليس موصل خارق بل له مقاوميه تتغير بدرجه الحراره اذا ما اهميه الاهتمام ب الموصل ل مقاومه
كما نعرف ان كل مقاومه تخنق التيار المار فيها ما يؤدي الي فرق جهد علي طرفي المفاومه و هذا ما يحدث في الموصل.
مقاومه الموصل تقوم بخنق التيار المار فيه و يحدث فرق جهد بين مصدر التيار و مكان وصوله، فما اهميه ذلك؟

في ال digital circuits ليس بالاهميه الكبيره ف اذا خرجت الاشاره من المصدر بقيمه 5 فولت و وصلت بقيمه 4.8 فلن يحث اي تاثير نظرا لان ال digital systems حساسيتها قليله فهي لها قيمتان صفر اقل من 1.8 مثلا و 1 اكثر من 3.7 فلن يوئر هذا الفقد

لقياس مقاومه الموصل يمكنك استخدام هذه المعادله

و لكن بالنسبه لدوائر التيارات العاليه و دوائر ال analog design

فللامر اهميه كبيره جدا جدا سنفترض مثال :
انت تقوم بقراه اشاره عن طريق 16 bit  ADC
و قمت باختيار track سمكه 0.25mm
وقمت بحساب قيمه المقاومه لل track و كانت 19 mΩ/cm
طول هذا الموصل  5cm
مما يجعل المقاومه الكليه 0.1 Ω
لنفترض ان المقاومه الداخليه لل ADC هي 50KΩ

باستخدام قانون تقسيم الفولت عن طريق المقاومات سنجد ان الفقد في قيمه الاشاره =(~0.0019%)
قد يظهر لك ان هذا الرقم صغير جدا و لكنك تستخدم ADC 16 bit  مما يعني ان هذا الفقد قد قلل حساسيه ال ADC ل
15 bit  لان هذا الفقد اكبر من قيمه 1 bit لهذا ال ADC  التي تساوي (~0.00155%)

هذا المثال متطرف قليلا و مهم للنظم الحساسه كتجهزة القياس
ولكن ما اود توضيحه هو ان مقاومه الموصل في ال analog circuits  تجعلك تقرا اشاره خاطئه

و هذا هو القانون الاول لل analog circuits  الموصلات اقصر مما يمكن
عند تصميم ال analog circuits  لابد ان تكون الموصلات اقصر مما يمكن كي تقلل الفقد في قيمه الفولت ف الفولت في  analog systems  هي المعلومه ولابد ان تحافظ عليها

ثاني مثال وهو التيارات الكبيره

لنفرض انك تقوم بقراه قيمه تيار عن طريقه مقاومه قيمتها 0.2 Ω
و مقاومه الموصل 0.05 Ω
في الحاله المثاليه لو مر تيار قيمته 10 اكبير سيتكون فرق جهد علي المقاومه
يساوي االمقاومه x التيار = 10*0.2 = 2 فولت
لنرجع للوضع الحقيقي مع مقاومه الموصل اصبحت القيمه الكليه 0.2+0.05=0.25
سيكون قيمه الفولت المتكون = 10*0.25= 2.5 فولت

هكذا قراه هي مشكله كبيره بمعني ان النظام الخاص بك يشعر انه يري تيار اكبر من المفروض سيقوم بتقليل التيار المار و بهذا يكون النظام غير متزن لانك تقرا معلومه خاطئه بسبب مقاومه الموصل

ثالث مثال للتيارات الكبيره

دائره تحكم في محرك كهربي بقدره كبيره
طول الموصل هنا مهم جدا
لنفرض ان مقاومه ملف المحرك 0.05Ω
في الحاله المثاليه سيكون مقاومه الموصل صفر
اذا سيكون المحرك قادر علي سحب التيار الخاص به
ولكن في الحاله الطبيعيه سيكون طول الموصل ذو تاثير كبير لان الطول يتناسب طرديا مع مقاومه الموصل
و مع زياده المقاومه سيحدث فقط في الطاقه لان مقاومه الموصل تخنق التيار الواصل الي المحرك.

القانون الاول للتيارات الكبيره لابد من حساب قيمه عرض الموصل ليتحمل التيار المار فيه
القانون الثاني في التيارات الكبيره الموصلا أقصر ما يمكن حتي نتفادي خنق التيار الناشئ من مقاومه الموصل و يكون النظام قادر علي تنفيذ مهمته .

تنويه: سيكون هناك مقال عملي في نهايه كل جزء علي برنامج KiCAD

 للمناقشه ارجو استخدام التعليقات تحت المقال و سنوقم بمناقشه و توضيح كل الاسئله
شكرا…………

يتبع………………