BWP-WS19-02/Praktische Arbeiten/Platinenaufbau

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Version vom 10. März 2020, 18:22 Uhr von Fsimo001 (Diskussion | Beiträge) (Ätzen der Platinen)

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Platinenaufbau

Eagle-Schaltplan anfertigen

Zur Planung des Platinenlayouts und insbesondere der Pinbelegung des feather boards haben wir begonnen einen Schaltplan mit eagle zu erstellen. Hierbei haben wir auch kontrolliert, das die einzelnen Module technisch zusammen arbeiten können, da die jeweils verbauten ICs unterschiedliche Spannungen benötigen. Glücklicherweise sind die Breakout-boards bereits mit Spannungsreglern und Logikpegelwandlern bestückt, womit der Betrieb des Bussystems als auch des Gesamtsystems mit einer Betriebsspannung von 3,3V möglich ist. Da die I/O's des feather boards eventuell nicht ausreichen, werden wir diese voraussichtlich über I2C-Schieberegister erweitern. Ob die I/O's ausreichen hängt vorerst noch davon ab, wie viele Helligkeitssensoren tatsächlich installiert werden und ob wir diese einzeln über die Analog-Eingänge des feather-boards einlesen, oder auf Helligkeitssensoren mit direkter Busanbindung zurückgreifen.


Änderungen:

  Version 17.12.2019: Zweiter I/O Expander. Wannenstecker auf Motherboard umgedreht. (Keine Änderungen an featherboard Pinbelegung.)
  Version 05.02.2020: Änderung an feahterboard Pinbelegung (Motor Speed Left -> A3, Motor Speed Right -> A4, LDR1 -> A0, LDR2 -> A1, LDR3 -> A2)
                      Änderung an Spannungsversorgung (Provisorische Taster Schalter kombination zum Einschalten des Boards)
                      Operationsverstärker von Motor Drehzahl Messung entfernt. -> Nur noch 150k Pullup für Hallsensoren zur Drehzahlerfassung.
                      I2C Pullup.
                      Anschluss für Kondensatoren zur Glättung des PWM Signals.
                      Jumper zur Wahl zwischen Zusatzversorgungsspannung für Maus oder allgemeine Versorgungsspannung.
                      Jumper an Coulomb Counter waren vertauscht.
  Version 24.02.2020: Neues Mouse Board mit Boost Converter, Level Shifter, Hexbuffer, ON/OFF und Start Button.
                      Verdrehte Stiftleisten gedreht.
                      Leiterbahnen (händisch) geroutet, sodass alle Lötstellen auf der Unterseite der Platine sind
                      und alle Leiterbahnen maximal weit voneinander entfernt sind.
  Version 28.02.2020: Änderungen nachdem die Platinen hergestellt wurden.
                      Coloumb Counter Battery OUT und Coloumb Counter Solar OUT Jumper gedreht (Polarität verdreht).
                      Maus nutzt kein I2C -> daher LDR2 und LDR3 vom Wannenstecker entfernt und die Anschlüsse ASCL, ASDA des 3V3->5V Levelshifters
                      an deren Stelle angeschlossen. -> ASCL ist nun mit GPIO A1 und ASDA auf GPIO A2 des feather boards verbunden.
                      DRV8833 Motortreiber hatte keine Versorgungsspannung und der SLP (sleep) Pin war nicht auf 3V3 angeschlossen.
                      Der SCL Pin des I2C Busses war nicht verbunden, da im laufe der Entwicklung das Rastermaß des Eagle Schaltplans geändert wurde
                      und erst bei starker Vergrößerung des Schaltplans sichtbar wurde das die Leitung nicht am gewünschten Pin des Featherboards
                      angeschlossen war. -> Ein Sinnvolles Rastermaß für den Schaltplan ist 2,54 mm (0,1 inch). Für das Board Design 0,1 mm.
  Version 06.03.2020: Spannungsversorgung geändert. JP20.1 (Batterie Coloumb Counter Ausgang Plus) wird ist über den ON/OFF Schalter geschleift.
                      Damit kann die Versorgungspannung für das Board ausgeschaltet werden während der Akku weiterhin vom Solar Click geladen wird.
                      Der Solar Click kann nur über den START Button gestartet werden, kann aber nicht ausgeschaltet werden.
                      Der gesamte Energieverbrauch des Autos, inklusive Energieverbrauch des Solar Clicks wird nun über den Coloumb Counter Battery gezählt.

Alle EAGLE Dateien finden sich im GIT Repository.

Datei:ITS-E Circuit Diagrams.pdf

Datei:ITS-E Circuit Diagrams Mouse.pdf


ITS-E_Motherboard_V1-3.png ITS-E_Mouseboard.png

(Links: ITS-E Energy Board, Rechts: ITS-E Motherboard)

Ätzen der Platinen

Zum herstellen der Platinen wurde auf das klassische Ätzverfahren von photopositiv-beschichteten Platinen zurückgegriffen.

Im folgenden werden Arbeitsschritte zum ätzen einer Platine erläutert: ITSE PLATINEN 1.png

  • 1.) Board-Layout ausdrucken.
  • 2.) Board-Layout auf Platine legen und diese belichten.
  • 3.) Platine entwickeln (im Natriumhydroxid Bad).
  • 4.) Da eine doppelseitige Platine erstellt wurde: Bohrung durch eine Lötöse an allen vier Ecken.
  • 5.) Entwickelte Seite wieder abkleben.
  • 6.) Board-Layout auf Rückseite der Platine legen (Bohrlöcher müssen übereinstimmen).
  • 7.) Rückseite belichten.
  • 8.) Rückseite entwickeln (im Natriumhydroxid Bad).
  • 9.) Schutzfolie der Vorderseite wieder entfernen und Platine ätzen im Natriumpersulfat- oder Eisen-III-Chlorid -Bad.

1.) Zunächst wurde das Boardlayout ausgedruckt. Um ein optimales Ergebnis beim Belichten zu erzielen wurde das Layout 2x ausgedruckt und übereinander gelegt. Außerdem wurde in Farbe und mit maximalem Kontrast und minimaler Helligkeit gedruckt. Dadurch wird der Druck besonders dicht. Da beim belichten der Platine die photopositive Schicht der Platine zerstört wird, ist es wichtig, dass nur dort Licht hingelangt, wo das Kupfer weggeätzt werden soll.

Im Idealfall liegt also die mit Toner beschichtete Seite der Folie direkt auf der Platine. Daher wurde die Oberseite der Platine gespiegelt ausgedruckt.

ITSE PLATINEN 5.jpg


2) Mit einem UV Belichtungsgerät wird die Platine gleichmäßig belichtet. Das Boardlayout wird über eine Vakuumpumpe dicht auf die Platine gepresst. Es kann aber auch jede beliebige andere Lichtquelle verwendet werden. Genauso kann auch ein Bilderrahmen verwendet werden, um das Boardlayout auf die Platiene zu drücken.

ITSE PLATINEN 7.jpg ITSE PLATINEN 9.jpg ITSE PLATINEN 8.jpg


3) Als Entwicklerbad reicht eine flache Schale und etwa 300 ml Wasser mit 3g Natriumhydroxid. Die Platinen sollten ständig bewegt werden und sofort aus dem Entwicklerbad genommen werden, sobald alle feinen Konturen deutlich sichtbar sind. Danach werden die Platinen mit Wasser abgespült, um den Entwicklungsprozess zu unterbrechen.

4.) Durch Bohrungen in allen vier Ecken erreicht kann das Boardlayout der Rückseite exakt ausgerichtet werden.

5.) Die Platinen sind zunächst mit einer Schutzfolie überzogen. Diese kann man nach dem Entwickeln der Oberseite wieder aufbringen.

9.) Nachdem auch die Rückseite fertig Belichtet wurde wird die Platine in einer Kanüle mit ca 1 Ltr Wasser und 500g Natriumpersulfat geätzt. Wichtig hierbei ist es, die Temperatur auf etwa 49°C zu regelen, da warmes Wasser den Ätzprozess beschleunigt, ab 50°C jedoch das Natriumpersulfat schneller unwirksam wird.

ITSE PLATINEN 10.jpg ITSE PLATINEN 3.jpg ITSE PLATINEN 4.jpg

Die fertig geätzte Platinen:

ITSE PLATINEN 6.jpg ITSE PLATINEN FERTIG.png


Danach werden die Platinen gestanzt und die Kanten sauber geschliffen. ITSE PLATINEN 14.jpg ITSE PLATINEN 13.jpg

ITSE PLATINEN 15.jpg ITSE PLATINEN 16.jpg ITSE PLATINEN 17.jpg ITSE PLATINEN 18.jpg ITSE PLATINEN 19.jpg ITSE PLATINEN 20.jpg

Nun noch geduldig Löcher bohren (oder vom Platinen-Drucker bohren lassen). Dann können alle Durchkontaktierungen verlötet werden und im Anschluss alle Bauteile. ITSE PLATINEN 21.jpg ITSE PLATINEN 22.jpg ITSE PLATINEN 23.jpg ITSE PLATINEN 24.jpg


Hinweise: Um ein gutes Ergebnis zu erzielen muss die Belichtungszeit genau bestimmt werden. Diese hängt von den verwendeten Platinen und natürlich von der Lichtquelle ab.

Man sollte also zunächst ein paar Probe-Platinen erstellen. Hierzu wurden kleine Streifen der mit Leiterbahnen bedruckten Folie auf Platinenstückchen gelegt und die Belichtungszeit variiert. Beim Entwickeln sieht man dann bereits, ob der Prozess viel zu schnell, oder zu langsam geht. Beides ist nicht gut und bewirkt ein ungleichmäßiges Bild.

Hier ein paar Fotos kleiner Platinenstückchen nach dem Entwickeln und ätzen. ITSE PLATINEN 2.jpg

ITSE PLATINEN 11.jpg ITSE PLATINEN 12.jpg

Wenn man die Platinen selbst herstellen möchte sind die Bohrungen nicht durchkontaktiert. Das wird zum Problem, wenn wenn man Leiterbahnen auf dem Top-Layer der Bauteile angeschlossen hat, da wegen des Bauteils (z.B. Buchsenleiste) dann kein Platz mehr ist um die Leiterbahn an den gewünschten Pin an zu löten. Man muss also entweder die Löcher der Buchsenleisten groß genug wählen, sodass man die Ober- und Unterseite der Platine über Nieten durchkontaktieren kann, oder aber alle Anschlüsse nur auf die Unterseite der Buchsenleisen routen und auf ein paar Millimeter Abstand vom Bauteil auf den Top-Layer durchkontaktieren.