1. KiCad 8 — środowisko pracy
KiCad to otwarte oprogramowanie EDA (Electronic Design Automation) rozwijane m.in. przez CERN i dostępne bezpłatnie na kicad.org. Wersja 8, wydana w lutym 2024 roku, wprowadza m.in. ulepszone zarządzanie bibliotekami footprintów oraz narzędzie do interaktywnego trasowania z obsługą par różnicowych.
Środowisko składa się z kilku modułów:
- Eeschema — edytor schematów elektrycznych,
- PCB Editor (Pcbnew) — edytor płytek PCB,
- Footprint Editor — tworzenie i edycja footprintów,
- 3D Viewer — podgląd trójwymiarowy projektu.
2. Schemat elektryczny — pierwsze kroki
Schemat elektryczny tworzy się w Eeschema. Symbole elementów pobiera się z bibliotek wbudowanych (np. Device dla rezystorów i kondensatorów, MCU_Microchip_ATmega dla mikrokontrolerów AVR). Każdy element na schemacie musi mieć przypisaną wartość (np. 10k), referencję (np. R1) i odpowiedni footprint.
Wskazówka: Przed trasowaniem sprawdź DRC (Design Rule Check) w Eeschema. Nieprzypisane piny zasilające lub brakujące połączenia odzwierciedlają się w postaci błędów ERC, które należy usunąć przed przejściem do edytora PCB.
3. Footprinty — dobór obudów elementów
Footprint określa rozmieszczenie padów na warstwie miedzi oraz kontur obudowy na warstwie Silkscreen. W projektach DIY najczęściej stosuje się footprinty THT (Through-Hole Technology) dla elementów przewlekanych lub footprinty SMD (Surface Mount Device) w rozmiarach 0805, 0603 lub 0402.
Rezystory i kondensatory w obudowie 0805 mają wymiary 2,0 × 1,25 mm i są możliwe do lutowania ręcznego. Obudowy 0402 (1,0 × 0,5 mm) wymagają lupy lub mikroskopu. W polskich projektach hobbystycznych standardem jest 0805 lub 1206 ze względu na łatwość lutowania lutownicą kolbową.
4. Trasowanie ścieżek — zasady praktyczne
Minimalna szerokość ścieżki sygnałowej zależy od obciążalności prądowej i parametrów technologicznych producenta PCB. Dla tanich usług jak JLCPCB minimum wynosi 0,1 mm (4 mil), jednak ścieżki sygnałowe o szerokości 0,2 mm (8 mil) są zalecane ze względu na większy margines tolerancji produkcyjnej. Ścieżki zasilające 3,3 V i 5 V przy prądzie do 500 mA projektuje się w szerokości minimum 0,4 mm.
Obliczenie szerokości ścieżki (IPC-2221): I = 1 A, ΔT = 10°C, grubość Cu = 1 oz (35 µm) Dla ścieżki zewnętrznej: W [mm] = I / (k × ΔT^0.44) gdzie k = 0.048 W = 1 / (0.048 × 10^0.44) W ≈ 1 / (0.048 × 2.754) W ≈ 0.756 mm → przyjmujemy 0.8 mm
5. Warstwy sygnałowe i płaszczyzny zasilające
Płytka dwuwarstwowa (2L) ma warstwy F.Cu (front copper) i B.Cu (back copper). W typowych projektach mikrokontrolerowych na warstwie górnej trasuje się sygnały, a warstwę dolną przeznacza na płaszczyznę GND (copper fill). Płaszczyzna GND zmniejsza impedancję powrotną sygnałów i ogranicza emisję elektromagnetyczną.
Separacja masy analogowej (AGND) od masy cyfrowej (DGND) jest zalecana w projektach z przetwornikami ADC o rozdzielczości 12 bitów i wyżej. Punkt połączenia mas umieszcza się możliwie blisko pinu GND przetwornika lub układu referencyjnego napięcia.
6. Eksport plików Gerber i zamówienie produkcji
Pliki Gerber to format wymiany danych między projektem a producentem PCB, opisany normą IPC-RS-274X. KiCad generuje je przez menu File → Fabrication Outputs → Gerbers. Typowy zestaw plików zawiera: F.Cu.gbr, B.Cu.gbr, F.SilkS.gbr, B.SilkS.gbr, F.Mask.gbr, B.Mask.gbr, Edge.Cuts.gbr oraz plik wierceń (*.drl).
Tani producenci PCB akceptujący pliki Gerber to m.in. JLCPCB (Chiny, od ok. 2 USD za 5 sztuk w rozmiarze 100×100 mm), PCBWay (Chiny) oraz europejskie firmy jak Beta LAYOUT lub Eurocircuits (Niemcy/Belgia) oferujące dostawy do Polski.
7. Weryfikacja przed zamówieniem
- Uruchom DRC w PCB Editor i sprawdź, czy nie ma nierozwiązanych połączeń (unconnected nets).
- Sprawdź minimalną odległość między padami i ścieżkami (clearance) — przy technologii podstawowej minimum to 0,15 mm.
- Wyświetl projekt w podglądzie Gerber (np. w Gerbv lub na stronie jlcpcb.com) przed złożeniem zamówienia.
- Sprawdź wymiary konturów Edge.Cuts pod kątem zgodności z planowanymi otworami mocującymi.
8. Dokumentacja i zasoby
- KiCad Documentation — oficjalna dokumentacja w języku angielskim
- JLCPCB Capabilities — parametry technologiczne (ang.)
- IPC-2221 — norma projektowania PCB (dostęp płatny)