В предыдущих статьях мы неоднократно видели, что каждый компонент (электронный компонент) состоит из трех составных частей: символа, посадочного места, 3-х мерной модели корпуса. Несколько не очевидно, что ни одна из этих частей не является обязательной!
Вполне могут существовать компоненты, которые имеют только символ. И даже только одну составляющую символа - УГО. Такие компоненты используются на принципиальной схеме, но размещать на печатной плате их не требуется. Например, условное обозначение магнитной головки, которое размещается на схеме блока усилителей лишь для наглядности.
Вполне могут существовать компоненты, которые имеют только посадочное место. И даже не имеют контактных площадок. Если не рассматривать создание печатной платы без схемы, когда на плате просто размещаются вручную посадочные места, то в качестве примера можно привести монтажные отверстия и различные логотипы. Они есть на плате, но их нет на схеме.
Посадочное место, которое соответствует корпусу, в котором располагается реальный компонент, может не иметь 3-х мерной модели. И такое не является большой редкостью. При этом в библиотеке может иметься модель, которая не связана ни с одним посадочным местом. Но вы никак не сможете использовать эту модель саму по себе, без привязки к посадочному месту.
А теперь, давайте рассмотрим подробности.
УГО и символ, в чем разница?
УГО (Условное Графическое Обозначение) это просто рисунок. Стандартизованный и подчиняющийся определенным правилам, но рисунок. С точки зрения графического редактора это просто маленькое готовое изображение, которое имеет размеры и точку привязки. Никакой дополнительной информации УГО не содержит.
Символ это УГО с дополнительной информацией. В частности, в символе обозначены "точки подключения" - это те самые выводы, которые редактором принципиальных схем используются для подключения связей. Причем вывод это не только пара графических координат, у него есть и другие важные параметры.
Теперь для нас не важна граница рисунка (графического фрагмента), равно как и точка привязки. Безусловно, они остаются, и мы это еще увидим, но для подключения связей компонента с другими компонентами схемы они не нужны.
Зато у нас появились выводы, которые имеют имя, номер, тип (на иллюстрации не показан), дополнительные атрибуты (на иллюстрации не показаны). Имя и номер используются при построении списка цепей. Кроме того, они могут быть важны и для изображения компонента в схеме, например, номер и название вывода микросхемы. Точка подключения определяет места подключения внешних связей компонента с другими компонентами схемы.
Вывод считается подключенным к схеме только когда к точке подключения подключена связь.
В данном случае, для левого транзистора вывод базы оказался не подключенным к схеме, так как связь проведена не до точки подключения, а до графического элемента УГО "линия". Это одна из распространенных ошибок новичков. Отсутствие подключения видно и по кружку, которым отмечается точка подключения вывода. Для транзистора справа вывод базы подключен к связи, так как она подведена именно в точку подключения. Это видно и по исчезнувшему кружку в точке подключения вывода.
Кроме того, теперь у нас текст тоже стал информацией, а не просто элементом дизайна. Причем позиционное обозначение и номер элемента разделены. В данном случае, VT задается в качестве атрибута символа, а вот номер будет присвоен позднее, уже в процессе работы со схемой. Значение может быть или жестко заданным для компонента, например, полное наименование транзистора, или может редактироваться после добавления компонента в схему, например, сопротивление резистора.
Немного подробнее о выводах
Выводы символов компонентов являются важными элементами, так как кроме графического отображения и использования в подключении компонента к схеме принимают участие и в проверке схемы на ошибки. Поэтому давайте рассмотрим и немного подробнее.
Как видите, здесь есть уже знакомые нам атрибуты "имя" и "номер". Причем "номер вывода" определяет, какой именно контактной площадке посадочного места будет соответствовать данный вывод. Контактные площадки тоже нумеруются, как мы немного позже увидим.
К большому сожалению, в KiCad связь вывода и контактной площадки осуществляется только по их номерам, имена не используются. Это приводит к тому, что если цоколевка, например, двух транзисторов в одинаковых корпусах, например TO-92, различается, мы будем вынуждены создать два различных символа компонентов. И эти символы будут различаться только номерами выводов.
Важнейшим атрибутом вывода является "Электрический тип", который мы раньше называли просто типом. Этот атрибут не влияет на отображение вывода, но определяет правила, которые применяются к выводу при проверке схемы на наличие ошибок. В настоящее время возможны такие типы выводов
Кроме того, тип вывода отображается в редакторе компонентов. Поэтому пользователю не обязательно искать данные о вывода в документации на используемый электронный компонент.
Для многих электронных компонентов тип вывода не имеет большого значения. В этом случае нужно использовать тип "Пассивный" или "Не определено". Например, хоть транзистор и является активным электронным компонентом, его выводы будут иметь именно тип "пассивный" (или "не определено", если вам это больше нравится).
А вот атрибут "Графический стиль" наоборот, используется для изображения вывода на схеме, но никак не влияет на применяемые к выводу правила. В настоящее время возможны такие графические стили выводов
Атрибут "Видимый" позволяет управлять отображением вывода. Вывод можно скрыть, как иногда делается для выводов питания микросхем. Как подключать скрытые выводы к схеме мы увидим в следующих статьях.
Другие атрибуты выводов мы пока рассматривать не будем. Они нам потребуются, когда будем создавать свои компоненты. И тогда мы их внимательно рассмотрим.
В окне предпросмотра, в правом нижнем углу, можно посмотреть, как будет выглядеть вывод в итоге.
Абстрактный компонент и конкретизированный компонент
Использованный нами для примера символ NPN транзистора можно назвать абстрактным. То есть, это NPN транзистор вообще, а не какой то конкретный. Таким компонентом конечно можно пользоваться, но это очень неудобно, так как приходится для каждого транзистора указывать не только наименование, но и корпус, и другие атрибуты.
Поэтому в библиотеках компонентов обычно размещают конкретизированные компоненты, наряду с обобщенными (абстрактными). Например, можно создать обобщенные компоненты резисторов различной мощности и связать их с предопределенными типами корпусов. Но для тех же транзисторов, с учетом различной цоколевки, уже более целесообразно создавать компоненты для конкретных транзисторов.
Может показаться, что при этом потребуется много раз создавать отдельные символы компонентов. Однако, это не совсем так. Я сегодня не буду рассказывать, как можно создать новый компонент на основе уже существующего, это будет в последующих статьях. Но вот как можно легко создать сразу несколько компонентов создавая лишь один, мы сейчас увидим.
Обратите внимание, что некоторые транзисторы в списке на иллюстрации отображаются обычным шрифтом, а некоторые курсивом (наклонным). И это не просто так. Нормальным шрифтом отображаются полноценные компоненты, а курсивом синонимы (псевдонимы). То есть, мы создаем компонент, который послужит основой для автоматического создания целого семейства компонентов.
Семейство компонентов должно обладать некоторыми общими признаками. Самым очевидным общим признаком является единый символ. Причем именно символ, то есть совокупность УГО и набора выводов (включая одинаковые номера!). Вторым обязательным общим признаком является идентичность корпусов компонентов. Таким образом, нельзя создавать семейство, если транзисторы имеют одинаковые корпуса, но разную цоколевку.
А теперь давайте посмотрим на список атрибутов компонента. Уже не символа, а именно компонента
Может смущать, что мы же редактировали символ компонента, откуда теперь появился сам компонент? Все правильно, символ компонента определяет, как компонент отображается и как подключается к схеме. Именно это мы и рассматривали. Но в таком чистом абстрактном виде, только как символ, компонент существовать не может. Мы должны конкретизировать этот символ превратив его в полноценный компонент. И делается это через редактирование свойств компонента. А символ мы создавали именно в редакторе компонентов.
Основными атрибутами компонента являются:
- Позиционное обозначение (Reference). В данном случае это Q, так компонент взят из стандартной библиотеки. Мы бы использовали обозначение VT. Номер будет добавлять редактор схем автоматически.
- Наименование/значение (Value). В данном случае это BC817. Именно под этим именем компонент хранится в библиотеке. Изменив значение атрибута Value мы автоматически изменим и имя компонента в библиотеке.
- Посадочное место (Footprint). Это поле не обязательно должно быть заполнено. Если оно пустое, нам придется выбирать посадочное место вручную при переходе от схемы к печатной плате. Вводить вручную название посадочного места не требуется, оно будет выбираться из библиотеки посадочных мест. Но о собственно посадочных местах мы поговорим далее.
- Имя компонента. А вот это весьма неудачно и нелогично, возможно, в дальнейшем исправят или изменят. Идея этого атрибута была в том, что бы разделить имя компонента в библиотеке и отображаемое на схеме и печатной плате имя. Но в настоящий момент это два разных места для редактирования одного и того же атрибута Value. Ну а что бы окончательно всех запутать, можно просто изменить наименование компонента как текста при редактировании символа.
Остальные атрибуты на вкладке "Общие" мы сегодня не будем рассматривать, это дело будущих статей.
Вкладка "Псевдонимы" позволяет легко создать не один компонент, а целое семейство компонентов.
В данном случае, видно, что транзистор BC817 имеет 8 псевдонимов. Различаются они только именами и описаниями. Обратите внимание, что здесь опять два различных места для редактирования одного и того же атрибута псевдонима.
Если мы в списке компонентов библиотеки выберем псевдоним, то в окне редактирования будет отображаться не псевдоним, а его основной компонент. Это может сбивать с толку, но все нормально. Если хотите изменить атрибуты псевдонима, воспользуйтесь вкладкой "Псевдонимы" основного компонента семейства. Изменить отдельно символ псевдонима нельзя.
Обратите внимание, что если существует псевдоним, то нельзя создать полноценный компонент с таким же именем. Это совершенно естественно. Сначала нужно будет удалить псевдоним.
Последняя вкладка "Посадочные места" позволяет связать компонент не с конкретным посадочным местом, а с семейством посадочных мест.
Атрибут "Посадочное место", которое мы видели на вкладке "Общие" задает для компонента посадочное место по умолчанию. Но иногда может существовать несколько посадочных мест для одного и того же корпуса, но несколько различающихся. Например, варианты для пайки волной и вручную, которые будут различаться размером контактных площадок.
Задаваемый на этой вкладке список фильтров позволяет ограничить количество предлагаемых вариантов выбора при замене посадочного места для компонента на печатной плате. А если посадочное место по умолчанию не задано, то этот список будет выводиться для ручного выбора при переходе к печатной плате.
Теперь мы знаем о внутреннем мире компонентов в KiCad довольно много. Но все эти знания большей частью касаются работы с компонентом в принципиальной схеме. Пришло время посмотреть, как компонент становится частью чего то более осязаемого - печатной платы.
Кратко о печатных платах
Прежде, чем мы будем рассматривать посадочные места, нам нужно немного вспомнить, как устроена печатная плата.
Я не сомневаюсь, что все читатели это и так знают, но для дальнейшего обсуждения нам нужно уточнить некоторые понятия, что бы избежать неоднозначности.
Итак, контактные площадки бывают двух основных видов:
- Контактная площадка компонента для поверхностного монтажа (SMD). Располагается на одном из внешних слоев меди. Никак не может напрямую взаимодействовать с другими медными слоями в многослойных печатных платах. Не должна покрываться паяльной маской. Слои шелкографии (дополнительные надписи и обозначения на печатной плате) не должны перекрывать контактную площадку. Форма контактной площадки может быть любой и определяется формой и размерами вывода компонента. На контактную площадку может дополнительно наноситься паяльная паста перед установкой компонентов (через специальный шаблон).
- Контактная площадка для компонента с проволочными выводами, которые устанавливаются в отверстия (THT). Такая площадка располагается на обоих внешних слоях меди (для многослойных плат). Причем ее форма и размеры будут идентичны на обоих слоях. Отверстие такой площадки проходит через все слои печатной платы, насквозь. В большинстве случаев отверстие металлизируется, что позволяет соединить несколько слоев меди и пропаивать вывод компонента только со стороны одного слоя. Как и площадка SMD не должна покрываться маской и перекрываться шелкографией. Нанесение паяльной пасты возможно, но нецелесообразно, так как такие платы паяются вручную или волной припоя.
Основная работа при создании посадочного места заключается как раз в создании и размещении контактных площадок. Но необходимо задавать и дополнительную информацию. А какую, сейчас узнаем
Посадочное место
Посадочное место, как и символ компонента, состоит из нескольких основных частей. Прежде всего это конечно контактные площадки. Кроме того, зачастую на плате размещают и дополнительные обозначения и надписи (с помощью шелкографии). Если компонент предполагает какой то дополнительный способ крепления к печатной плате, например, винтами, то в состав посадочного места могут включаться и монтажные отверстия. Кроме того, задаются и границы посадочного места. Эти границы не наносятся на печатную плату, но используются при проверке на ошибке в размещении посадочных мест.
Не отмеченные элементы посадочного места давайте пока оставим в стороне. А вот так это будет выглядеть на печатной плате
- Контактные площадки. Как я и говорил ранее, каждая контактная площадка имеет свой номер. Именно с помощью номеров контактные площадки и выводы символа компонента связываются между собой.
- Позиционное обозначение. Подстановка конкретного обозначения и номера будет выполнена автоматически при создании печатной платы из схемы. Размещается в слое шелкографии.
- Маркеры для установки компонента. Являются чисто графическими элементами, как и позиционное обозначение, размещаемыми в слое шелкографии. В общем и целом, это могут быть абсолютно любые графические и текстовые элементы. Они используются лишь для удобства и не являются обязательными.
- Границы посадочного места. Позволяют отслеживать возможные наложения различных компонентов на печатной плате. Границы посадочного места не должны пересекаться границами других компонентов. Эти границы задаются в посадочном месте, но графически на готовой плате не отображаются. Могут отсутствовать, но это будет вызывать ошибку при проверке платы (можно отключить в настройках).
Разумеется, каждое посадочное место имеет собственное имя. В нашем примере оно отображается большими буквами серого цвета (SOT-23). А теперь подробнее...
Контактная площадка
Самый главный элемент посадочного места.
В данном случае, это площадка SMD, но окно будет тем же самым и для площадок выводных компонентов (THT). Давайте рассмотрим основные атрибуты
- Номер контактной площадки. Как мы уже знаем, связь между выводом и площадкой создается именно на основе номеров.
- Тип контактной площадки. Определяет основной набор свойств площадки. В данном случае это площадка SMD. Другими полезными для нас типами будут "Сквозной" для площадок выводных компонентов и "Неметаллизированный сквозной, механический" для монтажных отверстий. Остальные типы остаются за рамками статей "для начинающих".
- Форма. Определяет форму площадки.
- Форма отверстия. Может быть задана только для сквозных площадок и монтажных отверстий. Отверстия могут быть круглой и овальной формы.
- Размеры отверстия. Могут быть заданы только для сквозных площадок и монтажных отверстий. Для круглых отверстий задается только один размер (диаметр), для овальных два размера. Обратите внимание, что большая ось овала может быть только параллельной одной из координатных осей.
- Слои меди. Можно выбрать или конкретный слой (только внешние слои) или все слои меди. В последнем случае сквозная площадка не только будет представлена во всех слоях, но и будет соединять их между собой. Так же, можно выбрать вариант "Отсутствуют". В этом случае контактных площадок не будет, но отверстие будет металлизировано. В этом и заключается разница между монтажным отверстием и контактной площадкой без медных слоев.
- Технологические слои. По умолчанию для SMD площадок включены слои маски и паяльной пасты. Причем в посадочном месте нужно определять именно верхние слои (на лицевой стороне платы). Если компонент будет установлен на другой стороне платы, сторона слоев будет изменена автоматически. Для сквозных площадок по умолчанию включены слои маски с обоих сторон платы. Дополнительно могут быть выбраны слои адгезива (клея), которые наносятся на плату и позволяют дополнительно удерживать SMD компоненты. Остальные слои мы пока не будем затрагивать.
Другие вкладки в окне редактирования атрибутов контактных площадок сегодня не будут рассматриваться. О них будет отдельный разговор.
Границы посадочного места
Обозначаются отрезками прямых, в большинстве случаев, которые размещаются в специальном слое редактора посадочных мест (не печатных плат). Границы не обязательно должны быть прямоугольными, но должны очерчивать внешние контуры посадочного места с учетом минимального расстояния между компонентами. Кроме того, не должно быть самопересечения границ.
Связь посадочного места и 3-х мерной модели корпуса
Задается в свойствах посадочного места, на отдельной вкладке. Конкретная модель выбирается из списка существующих. Если модель не задана, то в 3-х мерном просмотрщике будут отображаться только кусочек печатной платы, контактные площадки и надписи (шелкография).
Поскольку окно редактирования свойств посадочного места очень простое, а дополнительные вкладки мы сегодня не рассматриваем, иллюстрацию приводить не буду.
Заключение
Сегодня мы познакомились с тем, что представляют из себя компоненты в Kicad. Не смотря на большой объем статьи это было лишь обзорное знакомство. Но нам пока большего и не требуется. Понимание, как все это устроено, важно даже в том случае, если вы никогда не будет создавать собственные компоненты. Потому что вы будете компонентами пользоваться при работе в KiCad. И тот минимальный объем знаний, который я сегодня попытался дать вам своей статьей, поможет еще не раз. И избежать многих ошибок. И избавиться от непонимания. И более плодотворно использовать KiCad.
Ну а в дальнейшем мы будем активно пользоваться изученным сегодня. И, а это неизбежно, будем углублять эти знания. И постепенно вы обнаружите, что оказывается все довольно легко и просто, только сначала казалось страшным. Да, не всегда удобно, иногда запутано и нелогично, но довольно просто.