Schaltungsplanung mit fritzing

fritzing ist eine simple Software zur Planung und Darstellung von elektrischen Schaltungen. Hier wird gezeigt, wie man vom ersten Schaltungsentwurf bis zur geplanten Platine vorgeht.

fritzing ist zwar eine Open-Source-Software, allerdings werden die ausführbaren Dateien verkauft, um die Weiterentwicklung von fritzing und den Betrieb der Webseite zu finanzieren. Schülerinnen und Schüler der Kepler-Gymnasiums können sich an mich wenden, um die Software zu Hause zu nutzen.

Als Beispiel soll hier eine Platine zur Messung der Temperatur mit einem Temperaturabhängigen Widerstand, NTC.
Dazu wird der NTC mit einem Vergleichswiderstand in Reihe geschaltet und zwischen NTC und Vergleichswiderstand wird die Spannung gemessen. Diese Schaltung nennt man Spannungsteilerschaltung.

Erster Start

Beim ersten Start von fritzing wird man mit diesem Fenster begrüßt:

Das Fenster von fritzing teilt sich in jedem Arbeitsschritt in 5 Bereiche auf.

1. Menüleiste
   Hier finden sich alle Werkzeuge, die sich nicht direkt in den anderen Bereichen wiederfinden.
2. Ansichtenumschalter
   Hier kann man zwischen den verschiedenen Ansichten in fritzing umschalten. Die Ansichten sind in der Abfolge des Platinendesigns geordnet:
   • Steckplatine: Zuerst die Schaltung planen
   • Schaltplan: Einen Schaltplan der Schaltung erstellen
   • Leiterplatte: Die Schaltung auf einer Leiterplatte umsetzen
3. Projekt-Fenster
   Hier wird die Schaltung in Abhängigkeit von der gewählten Ansicht dargestellt.
4. Bibliothek
   Alle verfügbaren Bauteile, die in die Schaltung aufgenommen werden können.
5. Inspektor
   Eigenschaften des ausgewählten Bauteils.

Schaltung planen

Der erste Schritt auf dem Weg zu einer Schaltung auf einer Leiterplatte ist, die Schaltung erst einmal vernünftig zu planen.

In fritzing geschieht das in der Steckplatinen-Ansicht ②. Hier kann die Schaltung so geplant werden, als würdest du sie mit einer Steckplatine tatsächlich aufbauen.

In der Abbildung ist die Steckplatine ausgewählt und man kann im Inspektor ⑤ sehen, dass als Größe half+gewählt wurde.

In dieser Ansicht lassen sich nun die Bauteile aus der Bibliothek ④ mittels Drag-n-Drop um die Steckplatine positionieren.
Die Kontakte der Bauteile lassen durch Linksklick+Ziehen verbinden.

Für einen sinnvollen und möglichst übersichtlichen Plan sollte man einige Dinge beachten:

• Nutze die richtige Bauteilform (im Inspektor ⑤), sonst hat man am Ende auf der Leiterplatte den falschen Bohrdurchmesser oder falsche Abstände.
• Setze die Eigenschaften der Bauteile richtig im Inspektor ⑤.
• Für eine bessere Übersicht kann man die Drähte (Wire) mit unterschiedlichen Farben versehen.
• Bei den Verbindungsdrähten sollte man mit rechten Winkeln (notfalls auch 45°) arbeiten.
  Ein Klick in die Mitte einer Verbindung fügr einen Biegepunkt ein.
  Mit Shift+Ziehen rastet die Verbindung in 45°-Schritten ein.
• Um die Bauteile zu erkennen ist es sinnvoll die Bauteilbeschriftung anzeigen zu lassen.
  Rechtsklick auf das Bauteil und Bauteilbeschriftung anzeigen.
• Beuteilbeschriftungen lassen sich mit einem Doppelklick anpassen.
• Ein Klick auf eine Verbindung hebt alle Stellen hervor, die mit diesem Punkt verbunden sind.
• Bei Bauteilen mit biegbaren Beinchen (zum Beispiel Widerstände) lassen sich die Enden der Beinchen an die richtigen Stellen ziehen.
• Manche Bauteile haben keine Zeichnung für die Steckplatine und können daher nicht hinzugefügt werden.

Unser Beispiel (Messung und Regelung der Temperatur mit einer Lampe) könnte in der Steckplatinen-Ansicht so aussehen:

Teilweise passen die Bauteile nicht perfekt, wie im Beispiel die Spannungsquelle und die Lampe.

Schaltplan erstellen

Im nächsten Schritt wechselt man in der Ansichtenumschalter ② auf Schaltplan. Hier sieht man direkt alle Bauteile, die man eben eingefügt hat allerdings als genormte Schaltungssymbole. Die Verbindungen sind nocht nicht ausgeführt sondern als sogenannte Air-Wires dargestellt.

In diesem Schritt geht es nun darum, die Bauteile sinnvoll zu positionieren und zu drehen, um anschließend die Verbindungen so auszuführen, dass der Plan übersichtlich ist. Häufig ist das mit Probieren verbunden und kann, gerade bei komplizierteren Schalplänen lange dauern.

• Verbindungen werden durch Linksklick+Ziehen zwischen den zu Verbindenden Enden erstellt.
• Einrasten der Verbindungen im 45°-Winkel mit Shift+Ziehen.
• Biegepunkte in Verbindungen lassen durch ziehen in der Mitte erzeugen.
• An Biegepunkte lassen sich auch Verbindungen von anderen Bauteilen anschließen.
• Bauteile lassen sich durch Klicken+Ziehen in ihrer Mitte verschieen.
• Bauteile lassen sich über das Kontextmenü (Rechtsklick) drehen.
• Auch hier sollten sinnvolle Bauteilbeschriftungen stehen, diese lassen sich durch Ziehen verschieben.

Wenn alle Verbindungen erstellt sind, erkennt das auch fritzing sodass in der unteren roten Leiste Routing fertiggestelltsteht.

An dieser Stelle ist die Dokumentation der Schaltung abgeschlossen. Im kommenden Schritt geht es noch um die Umsetzung auf einer Leiterplatte.

Platine planen

Im letzten Schritt geht es darum die Schaltung nicht nur als Prototyp auf einem Steckbrett zu verwirklichen, sondern die Bauteile auf einer Leiterplatte zu montieren, sodass die Schaltung deutlich robuster ist.

Beim Wechsel in die Leiterplatten-Ansicht sieht unsere Schaltung so aus.

Man kann die Leiterplatte in grau erkennen, sowie die sogenannten footprints der elektronischen Bauteile (im Beispiel Arduino und zwei Widerstände). Außerdem sind die Verbindungen wieder als Air-Wires dargestellt.

Unsere Schaltung zur Temperaturmessung soll als Shield auf dem Arduino aufgebaut werden können, sodass die Leiterplatte sich später auf den Arduino aufstecken lässt.
Der NTC soll nicht auf dem Shield sein, sondern mit Kabeln angeschlossen, sodass wir die Temperatur auch an anderen Orten, als direkt am Arduino messen können.

Für ein erfolgreiches Platinendesign ergeben sich somit folgende Schritte:

1. Braucht es zusätzliche Verbinder, da Bauteile außerhalb der Platine liegen?
   Typisch wären Sensoren oder eine Spannungsversorgung.
   Typische Verbinder findet man in der Core-Bibliothek unter Verbindung.
2. Abmessungen und Form der Leiterplatte festlegen.
   Leiterplatte auswählen und im Inspektor ⑤ die entsprechende Eigenschaft festlegen.
3. Leiterbahnen ziehen
   Im 45°-Winkel durch Halten der Shift-Taste.
   Sind externe Bauteile in der Schaltung verbindet man nur die Verbindungsstücke mit Leiterbahnen. Es bleiben Air-Wires an den externen Bauteilen.
4. Leiterbahnen dicker machen
   Oft ist es sinnvoll, die Leiterbahnen dicker auszuführen.
   In der Menü-Leiste ① unter Routing Alle Leiterbahnen auswählen.
   Im Inspektor ⑤ als Breite dick oder extra dickauswählen.
5. Design Rule Check (DRC) Du solltest abschließend deinen Entwurf einem Prüfung unterziehen, ob sich Leiterbahnen überkreuzen, zu dünn sind, oder zu nah beieinander liegen. Das geht mit dem DRC.
   Aufruf über Routing in ① → Entwurfsregelprüfung (DRC).
   Einstellungen über Routing in ① → Autorouter/DRC Einstellungen → benutzerdefiniert.

Nach einem erfolgreichen DRC könnte im Beispiel das Shield so aussehen.

Dieses Shield könnte man in die Fertigung geben.

Komplexere Schaltungen erfordern oft einiges an Zeit und geschickter Positionierung/Planung. Ein paar Tipps für kompliziertere Schaltungen:

• Manchmal sind an mehreren Stellen Kontakte mit der gleichen Funktion.
  Der Arduino hat verschiedene GND-Kontakte, sodass sich die passenden auswählen lassen.
• Ein Widerstand lässt sich nutzen, um über eine Leiterbahn zu springen. So lässt sich unter einem Widerstand eine andere Leiterbahn durchführen.
• Es lässt sich Arbeit sparen, indem man die gesamte Platte mit GND verbindet, das nennt sich Massefüllung/Ground Fill.
  So muss man für GND keine zusätzlichen Verbindungen ziehen, solange kein GND-Kontakt von anderen Leiterbahnen umzingelt ist.
  1. Bei Verbindern zu externen Bauteilen müssen die Elemente, die mit der Massefüllung verbunden sein sollen als Saat für die Massefüllung gesetzt werden.
  2. Unter Routing in ① → Massefüllung → Saat für Massefüllung wählen alle Elemente wählen, die mit der Massefüllung verbunden sein sollen.
  3. Unter Routing in ① → Massefüllung → Massefüllung (Oben und unten) wählen.
  4. Überprüfen, ob alle Elemente, die mit GND verbunden sein sollen auch tatsächlich mit der Massefüllung verbunden sind.
  5. Aushalten, dass fritzing die Massefüllung nicht sehr gut implementiert hat, sodass es jetzt zusätzliche Air-Wires zwischen den GND-Kontakten geben kann.
• Sollte die Schaltung zu kompliziert werden, lassen sich Leiterbahnen auf der Ober- und Unterseite der Platte führen.

Die anderen Ansichten

Wenn du externe Bauteile mit Verbindern auf der Platine angebracht hast, werden diese Verbinder nun in deinen anderen Ansichten (Steckplatine und Schaltplan) wieder auftauchen und mit Air-Wires verbunden sein.

Das ist ärgerlich aber leider unvermeidlich.

Platine exportieren

Um die Platine zu fertigen exportiert man die Leiterplatte als Extended Gerber.

Datei in ① → Exportieren → für die Produktion → Extended Gerber (RS-274X).

Die weiteren Schritte zur fertigen Platine sind in PCB beschrieben.

Referenzen

Eine weitere ausführliche Anleitung findet sich hier:
AZ-Delivery HowTo Fritzing