Wie im Hobbybereich Schaltpläne und Layouts erstellen?

Kleinere Schaltungen braucht man immer wieder, z.B. IC-Ersatz.
Hier mögen die Mitglieder ihre Methoden vorstellen, wie sie es machen.
Platinen stelle ich schon seit Jahrzehnten her, Hobby und auch professionell.
Deshalb berichte ich, wie es bei mir damals anfing bis heute im Computerzeitalter.

Erste einfache Platinen ätzte ich schon als Schüler.
Die Schaltpläne zeichnete ich per Hand, meist auf Karo- oder Millimeterpapier.
Anfangs zeichnete ich mit geeignetem Faserschreiber, Edding, das Layout direkt auf das Basismaterial.
Haken, es geht immer nur ein Exemplar, war noch ohne Belichten.

Bald kam der Wunsch auf, mehrere identische Platinen zu ätzen.
So beschäftigte ich mich mit dem Photopositivverfahren, Belichtung und Entwicklung.
Es wurde weiterhin per Hand gezeichnet, diesmal auf Folie.
Der Kontrast war nicht gut, häufig waren die Leiterbahnen zumindest angeätzt.
Ein Architekt brachte mich auf die Idee, Pergament für technische Zeichnungen zu nehmen.
Die Vorlagen waren merklich besser, da das Pergamentpapier leicht saugt.
Es gab Zeichenschablonen, damit gelangen Kreise für die Lötaugen.
Hohe Auflösung war nicht, die Leiterbahnen hatten etwa 1,5 mm Breite.
Sollte ich so eine alte Vorlage finden, zeige ich sie mal.

Irgendwann wurden Abreibesymbole populär, nicht ganz billig aber hervorragend deckend.
Da gab es fast alles, sogar ganze ICs rund und DIL, auch mit dünnen Leiterbahnen zwischen den Lötaugen.
Jetzt war vernünftige Auflösung möglich, nicht nur eine Leiterbahn pro 1/10 Zoll.
Ein Freund von mir hatte einen einfachen Heimcomputer, noch nicht PC.
Elektroniker war er nicht, zeigte sich jedoch interessiert.
Er kam auf die Idee, eine Art Millimeterpapier zu drucken, jedoch Raster 1/20 Zoll.

Das Papier war prima, das Raster stimmte exakt, nicht nur so halbwegs.
Der Mann hatte Ahnung vom Programmieren, er schrieb ein Progrämmchen, was die Nadeln direkt ansteuerte.
Mit dem Papier machte ich zuerst Layoutentwürfe, alles mit Bleistift, radierbar.
War ich vom Layout überzeugt, wurde mit Abreibesymbolen auf Folie übertragen.
Die Folie legte ich auf meinen Layoutentwurf, mit ein paar Tesastreifen fixiert.
Bei den Abreibesymbolen gab es beim Abreiben manchmal ganz feine Risse.
Kurz gegen Licht gehalten, Folie auch etwas gebogen, die Stellen dann mit Edding nachgebessert.

Im nächsten Teil geht es weiter mit EDV, Anfänge CAD.
Mein erster PC war DOS, dafür gab es bald bezahlbare CAD-Programme.

Andreas

Meine ersten Schritte CAD am PC

Mein erster Rechner, gebrauchter 286er, lief unter DOS.
Es dauerte nicht lange, bis ich einen Schaltplaneditor hatte, OrCAD.
Eigentlich war OrCAD damals schon ein Paket mit Layout und einfachem Leiterbahnrouter.
Es gab eine Demo, die unter Studenten kreiste, nur Schaltplan, offensichtlich als Appetitmacher gedacht.
Etwas Einschränkungen gab es, weiß ich nicht mehr so genau.
Schaltpläne bis ganze Seite DIN A4 gingen problemlos.
Es gab wohl eine Sperre, daß man keine neuen Schaltsymbole laden oder kreieren konnte.
Die Computerspezies im Bekanntenkreis hatten da aber bald eine sehr einfache Lösung.
Ein Symbol war hauptsächlich eine Textdatei, in der Name, Wert, Zentrierpunkt, Linienbreite, etc. definiert wurde.
War einem der Aufbau/Syntax klar, konnte man Symbole erstellen, bzw. vorhandene nach Wunsch ändern.
OrCAD benutze ich relativ lange, für die damalige Zeit ein recht leistungsfähiges Schaltplanprogramm.
Mit der Demo gingen nur Schaltpläne, Platinenlayouts machte ich weiterhin per Hand.

Viele Leser hier werden Target kennen, 3001 ist die aktuelle Version.
Target probierte ich nie aus, jedoch den Vorgänger RULE, war für Hobbybastler gedacht.
Dürfte ich 1990 gekauft haben, gab es auf Diskette für unter 50 DM.
Professionell war RULE nicht, jedoch Brücke von Abreibesymbolen zu CAD.
Damit gingen nur Platinenlayouts, Schaltpläne machte ich weiter mit OrCAD.
Interessant war RULE schon, man konnte sich sogar selbst Bauteile definieren.
Man konnte sogar kleine Schaltungen als Bauteil definieren, prima Sache!
Nehmen wir als Beispiel den Regler L200C, Strom und Spannung einstellbar, 5 Beine.
Der bekam dann den Spannungsteiler mit Poti und die Kondensatoren am Ein-und Ausgang.
Da er als Bauteil abgelegt war, konnte man ihn in beliebigen anderen Schaltungen verwenden.
Oder nehmen wir einen Entzerrvorverstärker Plattenspieler, zwei identische Kanäle.
Man muss nur einen Kanal aufbauen und als Bauteil abspeichern.
Beim Platinenlayout für den Phono-VV ruft man nur zweimal das "Bauteil" auf, Platine fertig!
So definierte ich einige "Bauteile" immer wiederkehrender Teilschaltungen, z.B. mit OPVs.

Ernsthaft leistungsfähig war RULE nicht, man musste wirklich alles per Hand machen.
Heutige Selbstverständlichkeiten wie Netzlisten waren da natürlich nicht vorhanden.
Die Graphik war dafür sehr genau, das, was man auf dem Bildschirm sah, spuckte auch der Drucker aus.
Es gab ein paar einfache Druckertreiber für Nadeldrucker und für die Treiber eine Anleitung.
Soweit ich mich erinnere, schrieb ich einen Treiber leicht um, bis es mit meinem Nadler passte.
Nettes Merkmal war, daß man auf dem Bildschirm stufenlos vergrößern konnte.
Somit war es möglich, das Bildschirmbild auf echt 1:1 zu bekommen, unabhängig von der Monitorgröße.
Sehr hilfreich, man konnte die realen Bauteile wie ICs zum Probieren direkt auf den Bildschirm halten.
Soweit ich mich erinnere, war auch der Ausdruck beliebig skalierbar.
Vorteil, man druckte groß aus und verkleinerte im Copyshop für die Folie.
Bald kam ich auf die Idee, zwei Folien übereinander für die Belichtung zu nehmen.
Das Belichtungsergebnis wurde wesentlich besser, fast keine angeätzten Leiterbahnen mehr.
Nur bei größeren Masseflächen klappte das nicht wirklich, stark abhängig vom Kopierer.
Da ist dann meist der Toner dünn, ich zeichnete Masseflächen mit Edding nach.

Lange benutzte ich RULE nicht, kam alsbald mit professioneller Software in Kontakt.
War eine befristete Stelle, ich erstellte doppelseitige Platinen für eine Kleinserie.
Wie die Software hieß, weiß ich nicht mehr, lief unter Unix auf einer Workstation.
Privat durfte ich da leider nichts machen, hatte aber Lunte gerochen...
Etwas später wurde es dann auch bei mir halbwegs professionell, sogar noch unter DOS.

Wer von uns benutzt Lochmaster von ABACOM?
Mich reizte das Programm nie, war schon frühzeitig mit für mich geeigneterer Software verwöhnt.
Im Hobbybereich halte ich es für sehr sinnvoll, wenn es keine geätzte Platine werden soll.
Die Benutzung scheint recht einfach und intuitiv zu sein.
Über eine kleine Vorstellung der Software würde ich mich freuen!

Andreas

Nachtrag:
Was früher von der Anwendung RULE war ist jetzt Sprint, nur halt moderner und leistungsfähiger.
Im Bild eine einfache Platine, die ich damals mit RULE erstellte, Belichtungsvorlage Folie.

Sieht interessant aus!

Wenn ich es richtig interpretiere, kann Sprint auch Leiterbahnen doppelseitig.
Der Bedienoberfläche nach zu urteilen, scheint es einen Autorouter zu geben.
Kann Sprint nur Layouts oder auch Schaltpläne?
In der Beschreibung, Link, habe ich nichts dazu gefunden.
Kann man Sprint mit Netzlisten füttern?

Andreas

Das mit der Netzliste scheint nicht zu funktionieren!

Ich fand diesbezüglich in einem Forum einen Eintrag.
Der Autor hatte die Idee, SPlan mit Sprint zu verheiraten.

Was macht eine Netzliste?
Nehmen wir als Beispiel einen 7812 mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang.
Es entstehen drei Netze, Eingangsspannung, GND und Ausgangsspannung.
C1 ist mit Netz Eingang und GND verbunden.
Pin1 7812 ist mit Eingang verbunden, also auch mit C1.
Pin2 ist mit GND verbunden, also auch mit C1 und C2.
Pin3 ist mit Ausgang verbunden, also auch mit C2.
C2 ist noch mit GND verbunden.

Diese drei Netze ergeben zusammen die Netzliste.
Sprint scheint Netze zu kennen, da es "Gummibänder" anzeigen kann.
Auch der einfache Autorouter muss wissen, welche Pins er routen soll.
So meine Idee, die Netzliste vom Schaltplan für das Layout zu übernehmen!

Andreas

Diptrace kannte ich noch nicht!

Peter meint vermutlich die kostenlose Version für Privatgebrauch:
heise.de/download/product/diptrace-24098
Auch die kleine Version kann Schaltpläne und daraus Platinenlayouts machen.
Für 75 Euro gibt es offensichtlich die gleiche Version, die man auch kommerziell nutzen kann.
Dürfte interessant sein für Kleingewerbe, z.B. Verkauf über Ebay.

Diptrace kann offensichtlich alles, was man von so einem Programm erwartet.
Gerber, heute Selbstverständlichkeit, geht natürlich, um Platinen fertigen zu lassen.
Zwei Signallayer betrachte ich nicht als Einschränkung, mehr nutzte ich selbst nie.
Platinengröße praktisch unbeschränkt, lediglich auf 300 Pins/Pads beschränkt.
Damit bekommt man locker eine dicht bestückte Europakarte mit vielen ICs hin.
Auch gibt es für Diptrace ein eigenes Forum, mit Sicherheit hilfreich.
Wäre ich nicht versorgt, würde ich Diptrace in die nähere Auswahl nehmen!

Andreas

Christian, ich mache es ähnlich!

Den ersten Schaltplan, Grundidee, zeichne ich meist per Hand.
Ist eine Simulation sinnvoll, häufig sind es bei mir HF-Schaltungen, nehme ich RFSim.
Eher einfache analoge oder digitale Schaltungen simuliere ich selten.

Einen Schaltplan von z.B. RFSim kann man nicht für ein PCB-Programm nehmen.
Das schon deswegen, weil es bei Simulatoren mit Streuparametern keine Betriebsspannungen gibt.
Somit zeichne ich dann den endgültigen Schaltplan nochmals, mit Betriebsspannung(en).
Sehr lange benutzte ich EAGLE, freunde mich gerade mit KiCAD an, dazu demnächst mehr!

Andreas

Langsam wurde es bei mir professionell!

Zuvor schrieb ich, daß ich Lunte gerochen hatte, als ich den befristeten Job hatte.
Die Platinen waren zweiseitig, Messtechnik, nicht Unterhaltungselektronik einseitige Platinen.
Anfangs blieb so ein Programm für mich Träumerei, jedoch nicht lange.

EAGLE von (ehemals) CadSoft machte sich gerade einen Namen, ich schaute immer wieder auf den Preis.
Irgendwann schlug ich zu, kaufte eine kleine kommerzielle DOS-Version mit Autorouter.
Das war genau das und mehr, was ich haben wollte, mehrere Layer, SMD, Durchkontaktierungen...
Lange dauerte es nicht, bis ich auch zweiseitige Platinen herstellte, nicht nur Spielerei am PC.
Da ging dann recht enge Bestückung, meist bedrahtete Bauteile oben und SMD unten.
Einmal baute ich sogar in Kleinserie Steckkarten PC für Messzwecke, Spezialauftrag.
Möglichst kontaktierte ich bei bedrahteten Bauteilen durch, oben und unten verlötet.
Ging das nicht, musste ich echte Vias setzen, nahm ich dafür spezielle Niete, bekommt man heute noch.

Von Autoroutern halte ich nicht viel, der von EAGLE war damals schon gut, setzte ihn teilweise ein.
Den konnte man in einem sehr weiten Bereich konfigurieren, Prioritäten festlegen, z.B. wenig Vias.
Einen Teil des Layouts machte ich per Hand, hauptsächlich Masse(n) und Betriebsspannungen.
Dann ließ ich gern mal den Autorouter laufen, schaute, was der machte.
Sein Ergebnis nahm ich als Vorschlag, häufig, bei genauem Hinschauen, ging es auch einfacher und kürzer.
Autorouter und manuell mehrfach hintereinander und ich hatte mein gewünschtes Optimum.
Auch konnte damals schon EAGLE echt Back Annotation, nachträgliche Änderungen im Schaltplan.
Sehr nützlich, wenn man erst im Layout Fehler findet, die schon im Schaltplan sind.
Auch kann man Bauteile ändern, z.B. Widerstände bedrahtet <--> SMD, was im Layout besser passt.
Ich habe jetzt aus dem Nähkästchen geplaudert, eher was weiter entfernt vom Hobbybereich.

EAGLE gibt es weiterhin, wurde mehrfach verkauft, schon länger nicht mehr CadSoft.
Demos sollten weiterhin verfügbar sein, nicht nur Win, auch Linux.
Seit Version 8 gibt es anscheinend nur noch eine Mietversion, monatliche Nutzungsgebühren.
Dies ist der Hauptgrund, warum ich mich innerlich von EAGLE verabschiede, nicht an ein Upgrade denke.
Mietkrams mag ich nicht, ich will zeitlich unbegrenzte Software mit Lizenz, sofern nötig.
Wer Interesse hat, ich finde EAGLE sehr empfehlenswert, sollte nach etwas älteren Demos gucken.
Für reine Hobbyanwendungen ist EAGLE eher zu professionell, setzt einige Kenntnisse voraus.
Momentan beschäftige ich mich mit KiCad, gibt es kostenlos für mindestens Win, Linux und MAC.
de.wikipedia.org/wiki/KiCad
Ein Beispiel mit KiCad stellte ich hier schon vor, die Punktrasterplatine Schaltnetzteil.

Andreas

KiCad, Schaltpläne und Platinenlayouts

Wer schon mal mit z.B. EAGLE gearbeitet hat, wird sich in KiCAD halbwegs schnell hineinfinden.
KiCad ist kostenlos, darf auch, soweit mir bekannt, ohne Auflagen kommerziell genutzt werden.
Hier deren Homepage mit Download, mehrere Betriebssysteme: kicad.org/
Zu Funktionen wie 3D und Spice kann ich nichts sagen, probierte ich nicht aus.

KiCad ist gewöhnungsbedürftig!
Mein Eindruck, da tobten sich Programmierer aus, die nicht so sehr Praxisbezug Elektronik haben.
Es gibt haufenweise Bauteilebibliotheken, da wurde wirklich Fleißarbeit geleistet.
Haken, durch das überreiche Bauteileangebot wird es allerdings auch unübersichtlich.

Offensichtlich wurde KiCad in einzelnen Modulen wie Schaltplan und Platinenlayout geschrieben.
Nicht ausprobiert, Layout ohne vorherigen Schaltplan sollte möglich sein.
Das kann manchmal interessant sein für Adapterplatinen oder einfache Schaltungen Punktraster.
Üblicherweise legt man sich für jedes Projekt einen entsprechenden Unterordner an.
Normalerweise startet man mit einem Schaltplan.
Hat man den, sind die Bauteile mit Netzliste für das Platinenlayout bekannt.
Haken, alle Dateinamen, außer Dateiendung müssen offensichtlich dem Namen des Unterordners entsprechen.
Macht man das nicht, hat man ein Problem, jedoch lösbar.
Schon beim Schaltplan vergebe ich aufeinanderfolgende Dateinamen wie hf-verst1, hf-verst2, usw.
Meist reift bei mir ein Schaltungskonzept, teilweise über Tage und Wochen.
Da will ich im Nachhinein die einzelnen Entwicklungsstufen bei Bedarf abrufen können.
Allein schon von Schaltplan stimmt bis schön gezeichnet für Veröffentlichungen.
Will man im Projekt hf-verst mit hf-verst7 ins Layout, gibt das Gemecker, ärgerlich.

Geht man unbedarft ins Platinenlayout, wird man sich wundern.
In aller Regel, zumindest bei Standardbauteilen, gibt es dort keine Lötpads, Gehäuse, etc.
Bei EAGLE hat man sofort Gehäuse, Pads, Bezeichnungen, etc.
Es dauerte eine Weile, bis ich hinter das "Geheimnis" kam.
Man muss schon im Schaltplan festlegen, wie der Footprint aussehen soll, gewöhnungsbedürftig.
Auch muss man den bei jedem Bauteil neu festlegen, sehr nervig bei z.B. 20 Widerständen.
Es gibt aber einen Trick, wenn alle Widerstände gleiches Gehäuse und Raster haben.
Man ruft nicht wieder im Schaltplan den Widerstand neu auf, sondern kopiert einen vorhandenen.
Der zugewiesene Footprint bleibt, man muss lediglich Name und Wert richtig eintragen.

Sind weitere Hürden überwunden, sieht man im Layoutfenster die Bauteile.
Die kann man dann platzieren, die Pads sind gemäß Netzliste mit "Gummibändern" verbunden.
Diese sind die elektrischen Verbindungen, mit denen geroutet wird.
Ist eine Leiterbahn fertig, verschwindet das "Gummiband".
Muss man eine Leiterbahn auftrennen, ungünstig verlegt, kommt das "Gummiband" wieder.
Später mehr, wird fortgesetzt.

Aktuell beschäftige ich mich mit einem Linearverstärker für Messzwecke, z.B. für den AS5(F).
Anbei der Schaltplan, Layout ist noch in Arbeit.
Ziel, es soll eine simple Platine Punktraster ganz ohne SMD werden, einfacher Nachbau.

Andreas

Christian, prima Ergänzung!

Die von Dir genannte Möglichkeit mit Footprints zuweisen kannte ich noch nicht.
Ist jetzt bei mir im Hinterkopf, werde ich vermutlich bei der nächsten Platine ausprobieren.
Schneller wird es mit Kopieren gehen, gerade bei z.B. identischen Widerständen, gleicher Wert.
Hat man verschiedene Widerstände, Bauformen, sieht Deine Methode besser aus.
Dürfte sehr interessant sein, wenn man unkompliziert SMD <--> bedrahtet wechseln will.

Andreas

Nächster Teil, Platinenlayout mit KiCad

Ich setze voraus, man importiert Bauteile und Netzliste von einem zuvor erstellten Schaltplan.
Den Schaltsymbolen sind im Schaltplan die richtigen Footprints der Bauteile zugewiesen.
Hält man sich an die zuvor genannten Konventionen, sollte das problemlos gehen.
Es geht aber auch mit Handarbeit, man gibt den Dateinamen des Schaltplans an.
Gibt es Probleme mit der Netzliste, muss man die als Datei aus dem Schaltplan exportieren.
Anschließend im Layoutprogramm importiert man exakt diese wieder.

Lief alles ohne Pannen, sieht man die Bauteile auf einem Haufen dicht beieinander.
Im ersten Bild sieht man die Bauteile auseinandergezogen, ich sortierte sie schon sinnvoll.
Etwa so will ich sie positionieren, natürlich dichter und möglichst ohne Leiterbahnüberschneidungen.

Im zweiten Bild mein Optimum bei der Bauteilplatzierung.
Geroutet ist schon, zumindest gemäß Designrulecheck.
Fehlerfrei ist die Sache nicht, einen Fehler baute ich versehentlich im Schaltplan ein.
Den sieht man bei C5, versehentlich beide Pins verbunden, deswegen Gummiband.
Fehler im Schaltplan beseitigt, Netzliste neu exportiert und im Layout geladen.
Zweiter Fehler, meine Transistoren haben Raster 0,05 Zoll, nicht 1/10 Zoll.
Wie ich eingangs schrieb, soll die Schaltung für Punktraster 1/10 sein.
Da war ich schwer am überlegen, Christians Tip zuvor kannte ich da noch nicht.
Erste Idee, Bastellösung, ich setzte Vias, um auf das richtige Raster zu kommen.
Damit es keinen Ärger mit DRC gibt, zeichnete ich die Leiterbahnen nur ganz dünn ein.
Der mittlere Anschluss Basis wäre dann bei Punktraster nicht vorhanden.
Die Emitteranschlüsse stimmen und die Kollektorbeinchen gingen dann durch die Vias.
Das war mir aber zu unprofessionell, verwarf ich wieder, änderte den Footprint.
Noch eine kleine Panne, versehentlich routete ich die Oberseite.
Das ist in dem Fall, Punktrasterplatine, nicht weiter wild.
Kann man problemlos abändern, entweder neu routen oder den Leiterbahnen untere Ebene zuweisen.

Anfangs hatten die Bauteile haufenweise Bezeichner und eher störende Gehäusezeichnungen.
Was man nicht sehen will, kann man über die Ebenen ausblenden.
Man sieht das gut im zweiten Bild, die Werte blendete ich aus, braucht man nicht beim Routen.
Auch kann man die Position des Bezeichners verschieben, nehmen wir als Beispiel R3.
Ursprünglich lag der Schriftzug R3 unter der Leiterbahn, verschob ich zur besseren Sichtbarkeit.

Hat man alles fertig, kann man die eigentliche Platine in Auftrag geben oder selbst machen.
Gewöhnlich belichte, ätze und bohre ich selbst, gerade bei einzelnen Prototypen.
Man erstellt dann normalerweise einen Film, Belichtungsvorlage.
Im einfachsten Fall blendet man alles bis auf Kupfer aus, nur noch Pads und Leiterbahnen.
Üblicherweise exportiert man zur Filmerstellung als Postskript oder eventuell PDF.
Lässt man die Platine von einer Firma machen, ist Gerber der Standard, eine Art Plottersprache.
Eventuell schreibt Christian mit Beispiel dazu was bis Erstellen eines Nutzens.

Andreas

Christian, besten Dank für die gute bebilderte Anleitung!

Andreas