บทที่ 5 เริ่มต้นสร้างลายวงจรพิมพ์

บทที่ 5 เริ่มต้นสร้างลายวงจรพิมพ์

โปรแกรม Proteus นอกจากมีความสามารถ ในการจำลองการทำงานของวงจรไฟฟ้าและไมโครคอนโทรลเลอร์ได้แล้ว ยังสามารถออกแบบลายวงจรพิมพ์ได้อีกด้วย


5.1 เรื่องที่ควรรู้ก่อนการสร้าง PCB

PCB ย่อมาจากคำว่า Print Circuit Board เป็นส่วนประกอบพื้นฐานที่สำคัญของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะใช้เป็นทางเดินสัญญาณไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ที่อยู่บนวงจร

5.1.1 ชนิดของแผ่น PCB

แผ่น PCB ในปัจจุบัน มีอยู่ 3 ชนิด คือ

1. ชนิดเซลลูโลสฟีโนลิกเรซิน (Phenolic Celluloes Paper) แผ่นเป็นสีน้ำตาลเข้ม ซึ่งนิยมใช้กันมากเพราะมีราคาถูกที่สุด แต่มีข้อเสียคือ ทนความร้อนได้น้อยที่สุดเช่นกัน

2. ชนิดเซลลูโลสอีพอกไซด์เรซิน (Epoxide Celluloes Paper) แผ่นเป็นสีน้ำตาลอ่อน ๆ และมีความทนทานกว่าชนิดเซลลูโลสฟีโนลิกเรซิน ชนิดนี้จะทนความร้อนได้ดีพอสมควร

3. ชนิดอีพอกไซด์เรซิน (Epoxide Woven Glass Fabric) แผ่นเป็นแบบใส มองเห็นเนื้อทองแดงด้านบน มีความแข็งแรงและทนความร้อนมากที่สุด




5.1.2 ความหมายของฟุตปริ้น

ฟุตปริ้น คือ รูปร่างที่อ้างอิงจากอุปกรณ์จริง ไม่ว่าจะเป็นระยะห่างของขาอุปกรณ์ ความยาวความกว้างของตัวถึงอุปกรณ์ เป็นต้น ซึ่งจะเปรียบเสมือนกับอุปกรณ์จริงทุกอย่าง เพื่อใช้ในการออกแบบลายวงจรพิมพ์




5.1.3 สิ่งที่ต้องคำนึงก่อนการออกแบบ

สิ่งที่จำเป็นและสำคัญมาก สำหรับการออกแบบลายวงจรพิมพ์ คือ ขนาดของอุปกรณ์จริงที่ต้องใช้ในงาน PCB นั้น ต้องมีขนาดเท่ากันกับฟุตปริ้น ไม่เช่นนั้นแล้ว การลงอุปกรณ์บนแผ่น PCB จะเกิดปัญหาได้ เพราะฉะนั้นก่อนออกแบบลายวงจรพิมพ์ทุกครั้ง ต้องใช้ฟุตปริ้นให้ถูกต้องด้วย



5.2 ส่วนประกอบของไฟล์ PCB

เมื่อทราบถึงรายละเอียดเกี่ยวกับ PCB มาพอสังเขปแล้ว ต่อไปเรามาดูส่วนประกอบของไฟล์ PCB ภายในโปรแกรม Proteus กัน ซึ่งจะมีชื่อว่าโปรแกรม ARES





แถบเมนูหลัก เป็นแถบที่รวบรวมคำสั่งทั้งหมดของโปรแกรม ARES ไว้

แถบปุ่มเครื่องมือ เป็นแถบที่รวบรวมคำสั่งที่ใช้บ่อย ๆ โดยแสดงเป็นรูปภาพบนปุ่ม

ช่องรายการอุปกรณ์ แสดงรูปอุปกรณ์ที่อยู่ในพื้นที่ทำงาน

พื้นที่ทำงาน ใช้ออกแบบลายวงจรพิมพ์

ช่องรูปอุปกรณ์ แสดงรูปอุปกรณ์ที่อยู่ในพื้นที่ทำงาน


5.3 เครื่องมือใช้งาน PCB

ก่อนการสร้างลายวงจรพิมพ์ เรามาดูหน้าที่ของเครื่องมือในไฟล์ PCB กันดีกว่าว่าแต่ละชนิดมีหน้าที่การใช้งานอย่างไร เพื่อเราจะได้เลือกใช้ได้ถูกต้องกับความต้องการ





















5.4 การนำวงจรไฟฟ้าไปทำลายวงจรพิมพ์

เมื่อออกแบบวงจรไฟฟ้าเสร็จเรียบร้อยแล้ว เราก็จะนำไฟล์ Schematic เปลี่ยนเป็นไฟล์ PCB เพื่อนำมาสร้างลายวงจรพิมพ์ สามารถทำได้ง่ายดังนี้

1. เมื่อออกแบบวงจรไฟฟ้าเสร็จเรียบร้อยแล้ว ให้ตรวจสอบวงจรและขนาดฟุตปริ้นของอุปกรณ์ที่ใช้ว่าตรงกับความต้องการหรือไม่ ซึ่งในที่นี้ให้ไปเข้ากำหนดฟุตปริ้นให้กับแอลอีดีในช่อง PCB Package ใส่คำว่า LED ลงไป จากนั้นคลิกที่ปุ่ม




2. ก็จะขึ้นหน้าต่าง Package Selector ซึ่งก็คือ อุปกรณ์ที่อยู่ในรูปฟุตปริ้น ให้คลิกที่ปุ่ม ไปเรื่อย ๆ จนหมด




3. รายการอุปกรณ์ที่ต้องใช้ ก็จะปรากฏเข้ามาในโปรแกรม ARES

NOTE
ก่อนแปลงไฟล์ Schematic ให้เป็น PCB ต้องตรวจสอบฟุตปริ้นของอุปกรณ์ทุกตัวทุกครั้ง เพื่อไม่ให้เกิดความผิดพลาดได้

5.5 การวางอุปกรณ์

เมื่อแปลงไฟล์ Schematic ให้เป็นไฟล PCB แล้วจะเห็นว่า อุปกรณ์ยังไม่ได้ถูกวางไว้บนพื้นที่ทำงาน ซึ่งการออกแบบนั้น ต้องวางอุปกรณ์ทุกตัวในครบทุกตัวก่อน จึงจะออกแบบได้ โดยจะมีสองวิธีคือ วางด้วยตัวเองและวางแบบอัตโนมัติ การวางด้วยตัวเองนั้น เป็นวิธีที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบลายวงจรพิมพ์ เพราะเราสามารถเลือกตำแหน่งอุปกรณ์ได้ตามต้องการ ส่วนการวางแบบอัตโนมัติเหมาะกับวงจรที่มีอุปกรณ์มาก ๆ แต่ก็วางได้ไม่ดีเท่ากับวางด้วยตัวเองอยู่ดี


5.5.1 วางแบบอัตโนมัติ

การวางอุปกรณ์อัตโนมัตินั้น จะจัดวางได้ไม่ดีนัก ซึ่งในตัวอย่างนี้จะแสดงให้เห็นว่า มีขั้นตอนการทำอย่างไร


1. คลิกที่ช่องเลเยอร์ เลือก Board Edge เพื่อสร้างแผ่น PCB



2. คลิกที่ปุ่ม เพื่อสร้างกรอบสี่เหลี่ยม

3. คลิกเมาส์ซ้ายค้างไว้บนพื้นที่ทำงาน แล้วสร้างกรอบสี่เหลี่ยม ขนาดตามต้องการ ซึ่งกรอบสี่เหลี่ยมนี้ก็คือ แผ่น PCB นั่นเอง

4. เมื่อได้ขนาดแผ่น PCB ที่ต้องการแล้ว ให้คลิกที่ปุ่ม เพื่อใช้คำสั่งวางอัตโนมัติ หรือใช้คำสั่ง Tools > Auto placer ก็ได้




5. หน้าต่าง Auto placer ก็จะปรากฎขึ้นมา แล้วคลิกที่ปุ่ม



6. อุปกรณ์ทุกตัว ก็จะถูกจัดเรียงบนแผ่น PCB อย่างอัตโนมัติ





5.5.2 วางด้วยตนเอง

การวางอุปกรณ์ด้วยตัวเอง จะได้ผลงานดีที่สุด เพราะสามารถเลือกวางอุปกรณ์ได้ตามใจชอบ ซึ่งก็สามารถทำได้ง่ายดังนี้



1. คลิกที่ปุ่ม เพื่อเลือกอุปกรณ์

2. เลื่อนเมาส์มาคลิกในพื้นที่ทำงาน เพื่อวางอุปกรณ์ลงไป



3. จากนั้นวางอุปกรณ์ให้ครบทุกตัว




4. คลิกที่ช่องเลเยอร์ เลือก Board Edge เพื่อสร้างแผ่น PCB



5. คลิกที่ปุ่ม เพื่อสร้างกรอบสี่เหลี่ยม

6. ลากเมาส์คลุมอุปกรณ์ทุกตัว ก็จะได้ขนาด PCB ที่เหมาะสม





5.6 การหมุน

การออกแบบลายวงจรพิมพ์นั้น สิ่งที่จะหลีกเลี่ยงไปไม่ได้ก็คือ ตำแหน่งของอุปกรณ์ที่อยู่ในลักษณะแนวนอนหรือแนวตั้ง เราก็สามารถหมุนได้ด้วยวิธีง่าย ๆ ดังนี้

1. คลิกขวาที่อุปกรณ์เลือก > Rotate.......(ตามมุมที่เราต้องการ)



2. อุปกรณ์ก็จะหมุนไปตามที่เรากำหนด





5.7 การเดินลายทองแดงด้วยตนเอง

หลังจากที่วางอุปกรณ์และจัดเรียงอุปกรณ์เป็นที่พอใจแล้ว ต่อไปเป็นขั้นตอนการเดินลายทองแดงด้วยตนเอง แบบหน้าเดียวและสองหน้า


5.7.1 ชนิดลายทองแดงหน้าเดียว

การออกแบบลายทองแดงหน้าเดียว จะใช้เลเยอร์ที่เรียกว่า Bottom Copper ในการเดินลายทองแดงเท่านั้น ซึ่งมีขั้นตอนการสร้างดังนี้
1. คลิกที่ช่องเลเยอร์เลือก Bottom Copper เพื่อเดินลายทองแดงด้านล่าง

2. คลิกที่ปุ่ม เพื่อใช้เดินลายทองแดง

3. คลิกที่เลือกขนาดเส้นทองแดงตามต้องการ

4. คลิกที่จุดบัดกรี เพื่อทำการเชื่อมต่อ

5. ลากเส้นทองแดงจนได้ระยะที่ต้องการ แล้วคลิกเมาส์หนึ่งครั้งเพื่อวางลายทองแดงลงไป



6. หักมุม แล้วนำมาเชื่อมต่อกับจุดบัดกรีที่มีชื่อเหมือนกัน ก็จะได้ลายทองแดงระหว่าง Net ที่สมบูรณ์ จากนั้นก็เดินลายทองแดงให้ครบทุก Net ตามต้องการ

NOTE
ในระหว่างตอนเดินลายทองแดง ถ้ากดปุ่มคีย์ ค้างไว้ จะทำให้การเดินลายทองแดงเป็นเส้นโค้ง

5.7.2 ชนิดลายทองแดงสองหน้า

การออกแบบลายทองแดงสองหน้า จะใช้เลเยอร์ที่เรียกว่า Bottom Copper กับ Top Copper ในการเดินลายทองแดง ซึ่งมีขั้นตอนการสร้างดังนี้

1. คลิกที่ช่องเลเยอร์เลือก Bottom Copper เพื่อเดินลายทองแดงด้านล่าง

2. คลิกที่ปุ่ม เพื่อใช้เดินลายทองแดง

3. คลิกที่เลือกขนาดเส้นทองแดงตามต้องการ

4. คลิกที่จุดบัดกรี เพื่อทำการเชื่อมต่อ

5. ลากเส้นทองแดงจนได้ระยะที่ต้องการแล้วดับเบิ้ลคลิก จะสังเกตเห็นว่า มีรูเวียปรากฎขึ้นมา ถ้าคลิกเมาส์ไปเรื่อย ๆ จะเห็นว่าในช่องเลเยอร์ จะเปลี่ยนสลับไปมาระหว่าง Top Copper กับ Bottom Copper ให้เลือก Top Copper



6. แล้วนำมาเชื่อมต่อกับจุดบัดกรีที่มีชื่อเหมือนกัน ก็จะได้ลายทองแดงที่เป็น 2 เลเยอร์ระหว่าง Net ที่สมบูรณ์ จากนั้นก็เดินลายทองแดงให้ครบทุก Net ตามต้องการ





5.8 การเดินลายทองแดงอัตโนมัติ

เป็นวิธีที่สะดวกและง่าย เหมาะกับวงจรที่มีความซับซ้อนมาก ๆ โดยในตัวอย่างนี้จะเดินแบบ Single Layer (ชนิดหน้าเดียว) และแบบ Two Layer Plated Through Hole (ชนิดสองหน้า PTH) ซึ่งมีขั้นตอนดังนี้


5.8.1 ชนิดลายทองแดงสองหน้า

การเดินลายทองแดงสองหน้าแบบอัตโนมัติ เหมาะมากสำหรับวงจรที่มีอุปกรณ์จำนวน มาก ๆ เพราะประหยัดเวลาการออแบบได้มากทีเดียว ส่วนขั้นตอนมีดังนี้

1. คลิกที่เมนู Tools > Auto Router



2. เลือกกริดในช่อง Grid ตามต้องการ

3. คลิกที่ปุ่ม



4. ก็จะได้ลายทองแดงแบบสองหน้าตามต้องการ ส่วนรูเวีย (Plated Through Hole) นั้น โปรแกรมจะคำนวณเองว่า สมควรใช้หรือไม่ ซึ่งขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของวงจร

NOTE
ลายทองแดงจะออกมาสวยหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับการวางอุปกรณ์

5.8.2 ชนิดลายทองแดงหน้าเดียว

การเดินลายทองแดงหน้าเดียวแบบอัตโนมัติ ในบางวงจรที่มีอุปกรณ์มาก ๆ ก็ไม่สามารถเดินลายทองแดงได้ครบทุกตัว เพราะความซับซ้อนมีมากเกินไป อาจทำให้ความผิดพลาดได้ ซึ่งขั้นตอนมีดังนี้

1. คลิกที่ปุ่ม เพื่อเดินลายทองแดงอัตโนมัติ



2. คลิกที่ปุ่ม



3. คลิกที่ช่อง Pair 1 (Hoz) เลือก None เพื่อปิดการใช้งาน Top Copper

4. คลิกที่ปุ่ม



5. คลิกที่ปุ่ม อีกครั้ง



6. ก็จะได้ลายทองแดงแบบหน้าเดียวตามต้องการ





5.9 การลบลายทองแดง

ในกรณีที่ต้องการลบลายทองแดงที่ไม่ต้องการ ก็สามารถลบออกได้ง่าย ด้วยขั้นตอนต่อไปนี้

1. เลือกลายทองแดงที่ต้องการลบ แล้วคลิกขวาสองครั้ง ก็จะทำให้ลายทองแดงหายไป





5.10 การสร้าง Power Plane ให้กับลายทองแดง

Power Plane เป็นการทำลายทองแดงให้มีขนาดใหญ่เฉพาะ Net ที่เราต้องการ ซึ่งจะมีขั้นตอนการสร้างดังนี้

1. คลิกที่เมนู Tools > Power Plane Generator



2. คลิกที่ช่อง Net เพื่อเลือก Net ที่ต้องการ ในที่นี้เลือก GND=POWER

3. คลิกที่ช่อง Layer เพื่อเลือกเลเยอร์ Bottom Copper

4. เลือกขนาดในช่อง Boundary ตามต้องการ

5. คลิกที่ปุ่ม




6. ก็จะได้ Power Plane ตามต้องการ





5.11 การใช้สายไฟจั๊มพ์ข้ามลายทองแดง

ในกรณีเดินลายทองแดงด้วยตนเองแล้ว เกิดติดปัญหาไม่สามารถเดินข้ามไปได้ เพราะมีเส้นทองแดงที่ไม่ใช่ Net เดียวกันขวางอยู่ เราก็สามารถใช้สายไฟจั๊มพ์ข้ามไปได้ โดยที่ไม่ต้องเดินลายทองแดงใหม่ ส่วนขั้นตอนการทำมีดังนี้

1. คลิกที่ปุ่ม เพื่อเลือกใช้จุดบัดกรีชนิดกลม

2. เลือกขนาดตามต้องการ ในที่นี้เลือกใช้ C-70-30

3. นำมาวางใกล้ ๆ กับขาตัวต้านทานที่ต้องการจั๊มพ์สายไฟ



4. นำมาวางใกล้ ๆ กับขาตัวต้านทานที่ต้องการจั๊มพ์สายไฟอีกจุดหนึ่ง

5. จากนั้นคลิกเลือกเลเยอร์ Bottom Copper เพื่อใช้เดินลายทองแดงด้านล่าง

6. คลิกที่ปุ่ม เพื่อใช้เดินลายทองแดง

7. เลือกขนาดทองแดงตามต้องการ ในที่นี้เลือกใช้ T40



8. เดินลายทองแดงให้จุดบัดกรีทั้งสองจุด เชื่อมติดกับขาตัวต้านทาน

9. คลิกที่ปุ่ม

10. จากนั้นคลิกเลือกเลเยอร์ Top Silk เพื่อให้ทำรูปสายไฟ



11. เดินเส้นตรงจากจุดที่หนึ่งไปจุดที่สอง

12. คลิกที่ปุ่ม เพื่อพิมพ์ข้อความ

13. จากนั้นคลิกเมาส์บริเวณ สายไฟที่ได้สร้างไว้



14. ตั้งชื่อในช่อง String ตามต้องการ ในที่นี้ตั้งชื่อ JP

15. กำหนดขนาดหรือรูปอักษรได้ที่กรอบ Font Attributes ตามต้องการ

16. คลิกที่ปุ่ม



17. ก็จะได้สายไฟจั๊มพ์ข้ามลายทองแดง ตามต้องการ





5.12 การกำหนดกริด

ถ้าต้องการเลื่อนอุปกรณ์ให้มีความละเอียดมากขึ้น ก็สามารถเข้าไปกำหนดกริดให้กับพื้นที่ทำงานได้


1. คลิกที่เมนู System > Set Grids



2. ในกรอบ Metric กำหนดค่าในช่อง F4 Snap เป็น 0.1mm

3. คลิกที่ปุ่ม แล้วลองเคลื่อนอุปกรณ์ดู

NOTE
การกำหนดกริดสามารถใช้ได้ทั้งโปรแกรม Proteus ISIS และ ARES

5.13 การเพิ่มขนาดลายทองแดง

ในกรณีที่เดินลายทองแดงไปแล้ว ต้องการที่จะเพิ่มขนาดให้กับลายทองแดงใน Net นั้นให้ใหญ่ขึ้นก็สามารถทำได้ง่าย ๆ ดังนี้

1. เลือกลายทองแดง Net ที่ต้องการเพิ่มขนาด ในที่นี้เลือก Net #00006



2. จากนั้นคลิกขวาที่ลายทองแดงที่เลือกไว้ แล้วเลือก Change Trace Style > T40 (เลือกขนาดตามต้องการ)




3. ลายทองแดงก็เพิ่มขนาดไปตามที่เราต้องการ

NOTE
ลายทองแดงที่เดินไปแล้ว เกิดเป็นมุมแหลมหรือมุมฉาก เราสามารถเปลี่ยนให้เป็นมุม 45 องศา ได้ง่าย ๆ โดยคลิกขวาที่ลายทองแดงที่ต้องการเปลี่ยน แล้วเลือกเมนู > Mitre ก็จะทำให้ลายทองแดงใน Net นั้น มีมุมเป็น 45 องศาทั้งเส้น

5.14 การกำหนดขนาดให้แผ่นวงจรพิมพ์

เมื่อสร้างแผ่น PCB เสร็จเรียบร้อยแล้ว ถ้าต้องการรู้ขนาดที่เราสร้างว่า มีขนาดเท่าไรก็สามารถทำได้ง่าย ๆ ดังนี้

1. คลิกที่ปุ่ม เพื่อเลือกใช้เครื่องมือวัด



2. จากนั้นคลิกเมาส์ลงบริเวณที่ต้องวัดจุแรก เพื่อใช้เป็นจุดเริ่มต้น

3. แล้วลากมายังอีกจุดหนึ่งที่ต้องการวัด ก็จะทำให้เราทราบขนาดของแผ่นวงจรพิมพ์ตามต้องการ

NOTE
ถ้าต้องการเปลี่ยนหน่วยวัด สามารถทำได้โดยคลิกที่ปุ่ม บนแถบเครื่องมือ