طراحی برد الکترونیکی و ساخت مدارهای الکترونیکی
به گزارش لیسو، در دنیای امروز که بعنوان عصر دیجیتال شناخته می گردد اگر نگاهی به اطرافمان بیندازیم می توانیم مشاهده کنیم که بیشتر وسایل هوشمند با قطعات الکترونیکی ساخته شده است و این قطعات در کنار هم قرار گرفته اند تا یک نتیجه و هدف مهمی را اجرا نمایند. وسیله ای که باعث می گردد این قطعات در کنار هم قرار داده شوند مدارهای الکترونیکی است برای طراحی برد الکترونیکی ابتدا باید مراحل و روش های انجام آن را بدانیم تا بتوانیم براحتی و پس از طی کردن آموزش های لازم مدارهای الکترونیکی مخصوص خودمان را بسازیم و یا برای شرکت هایی که در آنها فعالیت می کنیم وسایل دیجیتالی سودمندی را ابداع کنیم. تمامی اینها با استفاده از یادگیری و کار بر روی خصوصیات قطعات و مدارهای الکترونیکی قابل انجام است و می توانیم با صبر و حوصله و گذراندن دوره های تخصصی مربوط به این حوزه کار طراحی مدارهای الکتریکی و الکترونیکی را انجام دهیم. در این مقاله سعی داریم تا با ساختار و بخش های طراحی یک مدار الکترونیکی آشنا شویم.
چرا یادگیری طراحی مدار الکترونیکی مهم است؟
می توانیم بگوییم که دلایل زیادی وجود دارد که ما نیاز خواهیم داشت یک مدار الکترونیکی را بسازیم و آن را برای اهداف خود در اختیار داشته باشیم. مهمترین علت آن در کاربرد این مبحث در زمینه های مختلف صنعتی و محیط شهری است. بطور مثال اگر بخواهیم یک لامپ را هم روشن کنیم و یا یک وسیله نقلیه را روشن کنیم و بعلاوه از لوازم خانگی استفاده کنیم نیاز داریم تا با یک مدار الکترونیکی تمامی دستورات و وظایف مورد نظر را به سخت افزار و قطعات مختلف بدهیم و از آنها درخواست کارهای مورد نظرمان را کنیم.
حال تمامی این وسایل مانند لامپ، موتور خودرو و حتی یک LED ساده را اصطلاحا بار می نامیم که برای کار کردن به یک جریان و ولتاژ مخصوصی نیاز دارند و این جریان البته ممکن است از یک ولتاژ AC و یا ولتاژ DC باشد. با استفاده از طراحی برد الکترونیکی می توانیم تعیین کنیم هر قطعه ای چه میزان جریان و ولتاژ و از چه نوعی داشته باشد. البته ساختن برد و مدار الکترونیکی تنها با یک بار ممکن نیست و ما در اینجا به خصوصیات و المان های دیگری نیز نیاز داریم.
مدار الکترونیکی چیست؟
مدار الکترونیکی را می توانیم در حقیقت مجموعه ای از اجزا و قطعات الکترونیکی بدانیم که به وسیله یکسری از سیم های رسانا به هم متصل شده اند و بهم دسترسی دارند. این قطعات می توانند شامل : ترانزیستور، دیود، خازن، سلف، مقاومت و… باشند. اگر بخواهیم یک مدار را از نوع الکترونیکی بدانیم باید در آن یک قطعه و مولفه فعال وجود داشته باشد که بطور مثال می توانیم به ترانزیستور اشاره کنیم. در این حالت مدار و برد تنها الکتریکی نیست و می توانیم آن را مدار الکترونیکی بدانیم. برای اینکه طراحی یک مدار الکترونیکی را انجام دهیم باید با نحوه چیدمان کلیه قطعات گفته شده آشنا شویم و هدف خود را از طراحی نهایی این مدار بدانیم. برای این منظور به علاقمندانی که می خواهند با آموزش ساخت مدار الکترونیکی آشنا شوند پیشنهاد می کنیم از فیلم های آموزشی فرادرس استفاده نمایند.
- مجموعه آموزش مهندسی الکترونیک - کلیک کنید
آموزش مراحل طراحی مدار الکترونیکی
برای اینکه بخواهیم یک مدار الکترونیکی را طراحی کنیم باید طبق یک اصول و قواعد درستی پیش برویم و هر بخش را مرحله به مرحله آنالیز کنیم. برای این منظور می خواهیم مراحل گام به گام طراحی یک مدار الکترونیکی را نام ببریم :
- فهم کامل مسئله
- کوچک کردن مسئله به مسائل کوچکتر
- انتخاب کردن ورودی و سنسورها
- انتخاب کردن عملگرها
- انتخاب کردن کنترل نماینده ها
- آنالیز منبع تغذیه
- طراحی نمونه اولیه
- شبیه سازی کردن با نرم افزارها
- طراحی برد PCB
- لحیم کاری کردن
- آنالیز عیب ها و تست قطعات
همانطور که ملاحظه می کنیم برای طراحی برد الکترونیکی باید مراحل یازده گانه را طی کنیم تا بتوانیم بصورت اصولی و با رعایت تمامی قواعد مهم یک مدار الکترونیکی را جهت اهدافمان طراحی کنیم.
فهم کامل مسئله
در اولین گام باید صورت مسئله را بخوبی بفهمیم چون فهم صورت مسئله خود نیمی از حل مسئله است. برای اینکه در گام اول طراحی یک مدار الکترونیکی پیروز به فهم مسئله باشیم باید ابتدا کلیه نیازمندی های مورد نظر از یک مدار الکترونیکی را بدانیم و اینکه آنالیز کنیم برای ساخت این مدار الکترونیکی می خواهیم به چه هدفی برسیم و فرآیند های مورد نیاز و چالش های پیش روی ما چه خواهد بود؟
بعنوان مثال اگر بخواهیم یک ربات انسان نما طراحی کنیم باید به تمامی جوانب آن دقت کنیم و اینکه برای خلق این وسیله نیاز به چه وسایل و قطعاتی داریم و اینکه برای ساخت این ربات چالش ها و مسائل مورد نظر چه خواهد بود؟ ولی بصورت کلی مسئله اصلی در اینباره ساخت مدار الکترونیکی برای ربات انسان نما است.
کوچک کردن مسئله به مسائل کوچکتر
حال که مسئله اصلی را آنالیز کردیم و به فهم کامل رسیدیم باید تمامی کل آن را به جزء های کوچکتر تقسیم کنیم تا بتوانیم هر بخش را جداگانه و با سرعت بیشتری انجام دهیم. شکی نیست برای اینکه بخواهیم با یک مسئله بزرگی روبرو شویم باید به جزئیات و جوانب آن دقت کنیم و مسئله اصلی را به مسائل و جزئیات کوچکتر بخش بندی کنیم. در اینصورت طراحی با هدف بهتری پیش می رود و بعد از حل از مسئله می توانیم به حل مسئله اصلی بپردازیم.
انتخاب کردن ورودی و سنسورها
حال که با تقسیم کردن مسئله به مسائل کوچکتر آماده آنالیز کردن آن شدیم می بایست ابتدا شیوه ورود اطلاعات و داده ها بعنوان ورودی به یک مدار الکترونیکی را تحلیل کنیم و تمامی سنسورها و حسگر هایی که نقش ورود دیتا به یک مدار را دارند تجزیه کنیم. در اصل در این بخش می خواهیم به هر زیر مسئله بصورت جداگانه نگاه کنیم و مسائل مختلف را حل کنیم و در نهایت پس از حل آنها تمامی بخش های موجود را باهم ترکیب کنیم. بطور مثال در خصوص طراحی برد الکترونیکی برای ربات انسان نما باید شیوه حرکت کردن آن شبیه انسان را تحلیل و آنالیز کنیم و در بخش دیگری نحوه استفاده از دست را تحلیل کنیم و بعلاوه شیوه تعامل آن با انسان های دیگر را مطالعه کنیم.
انتخاب کردن عملگرها
در گام بعدی می خواهیم کلیه خروجی ها و عملگردهای مورد آنالیز را تعیین کنیم. این مورد براساس نوع هدف ما از طراحی یک مدار الکترونیکی متفاوت خواهد بود و هر برد الکترونیکی خروجی و عملگرهای خاص خود را خواهد داشت. مثلا در خصوص طراحی یک ربات انسان نما برای حرکت کردن اجزای بدن ربات باید از یک موتور محرکه استفاده کنیم که خود بعنوان یک عملگر شناخته می گردد که متناسب با سایز و ابعاد ربات مورد نظر حجم و قدرت موتور مورد استفاده متفاوت خواهد بود.
انتخاب کردن کنترل نماینده ها
در بخش بعدی از طراحی یک مدار الکترونیکی باید بخش کنترل نماینده مدار را انتخاب کنیم که در این بخش نیاز خواهیم داشت از بعضی ریزپردازنده ها که به عنوان مغز یک مدار الکترونیکی شناخته می شوند استفاده کنیم. ریزپردازنده ها در اصل میکروکنترلرها هم نامیده می شوند که آنها از یک مدار مجتمع تشکیل شده اند که دارای واحد پردازنده مرکزی (CPU)، ورودی و خروجی، حافظه می باشند. از میکروکنترلرها می توانیم برای طراحی مدارهای کنترلی استفاده کنیم که در صنایع مختلف جایگاه خاص خود را دارند و همانطور که گفته شد بعنوان مغز محاسبه نماینده در مدارها شناخته می شوند.
- مجموعه آموزش تحلیل و طراحی مدار الکتریکی - کلیک کنید
آنالیز منبع تغذیه
در گام بعدی نیاز داریم برای اینکه قطعات نصب شده بر روی یک مدار الکترونیکی آغاز بکار نمایند از یک منبع تغذیه استفاده کنیم که برای تامین ولتاژ و جریان مورد نیاز یک مدار مورد نیاز است. باید در نظر داشته باشیم که انتخاب یک منبع تغذیه بسیار مهم است و برای اینکه بخواهیم آن را از بین منبع تغذیه های مختلف با میزان جریان و ولتاژهای متعدد انتخاب کنیم باید اطلاعات و دانش کافی در این زمینه داشته باشیم. البته که منبع تغذیه برای هر مدار الکترونیکی با مدار دیگر فرق دارد و برای اینکار باید قطعات و جزئیات بکار رفته در آن را محاسبه کنیم که هر قطعه چه میزان ولتاژ نیاز دارد و بعد از منبع تغذیه با حجم و ولتاژ مورد نظر را انتخاب کنیم که در این حالت اتفاقی برای مدار الکترونیکی ساخته نخواهد افتاد ولی در غیراینصورت احتمالا اگر جریان و ولتاژ کمتر و بیشتری را به یک مدار الکترونیکی بدهیم آن مدار از بین خواهد رفت و می سوزد.
طراحی نمونه اولیه
در مرحله بعدی باید طراحی نمونه اولیه و ابتدایی از طراحی مدار الکترونیکی را بسازیم و در این حالت باید قطعات مورد نظر را در کنار هم جایگذاری کنیم و ارتباط آنها با یکدیگر را تعیین کنیم. بطور مثال ابتدا باید سنسورها و حسگره را در کنار پایه های ورودی قرار دهیم و بعلاوه موتور را در کنار پایه های خروجی جایگذاری کنیم. حال بعد از اینکه اطلاعات لازم از دیتاشیت هر قطعه را تعیین کردیم باید با استفاده از قواعد مهم طراحی مدارهای الکترونیکی و اطلاعات مربوط به بردهای الکترونیکی، مدار RLC مورد نظر را بسازیم و بعد از آن قطعات مورد نیاز برای این مدار مانند دیود، خازن، مقاومت و… را تهیه کنیم.
شبیه سازی کردن مدار در نرم افزارهای تخصصی
در بخش بعدی که البته بصورت پیشنهادی است و می توانید این بخش را از طراحی مدار الکترونیکی نادیده بگیریم می توانیم کلیه اطلاعات مربوط به یک مدار الکترونیکی را به نرم افزارهای تخصصی موجود در این زمینه بدهیم و مراحل انجام کار را شبیه سازی کنیم. در اینصورت مزیتی که می توانیم داشته باشیم آنالیز عیب های ممکن در طراحی برد الکترونیکی است که می توانیم در اینجا کاملا واضح مشاهده کنیم. بعلاوه نحوه انجام کار و درستی کار کردن فرآیند مورد نیاز برای اجرای یک مدار را ملاحظه می کنیم تا ببنیم هدف ما را تامین خواهد نمود یا خیر؟ با شبیه سازی مدار می توانیم در اصل از معیوب شدن قطعات و خطاهایی که ممکن است در اثر استفاده از یک قطعه خاص متوجه مدار الکترونیکی گردد آنالیز کنیم. این ویژگی به ما یاری خواهد نمود با تغییر بخش کوچکی از ایجاد مسائل در کل مدار ساخته شده جلوگیری کنیم. بعضی از نرم افزارهای موجود در این زمینه عبارتند از :
- نرم افزار Proteus
- نرم افزار Fritzing
- نرم افزارeasyEDA
هر کدام از این نرم افزارها می توانند در فرآیند طراحی مدارهای الکترونیکی یاری شایانی به ما نمایند.
طراحی برد PCB
در طراحی برد الکترونیکی گام بعدی پس از اینکه مدار و برد الکترونیکی را در نرم افزارهای مخصوص اینکار شبیه سازی کردیم اینست که طراحی مدار PCB را انجام دهیم. PCB مخفف عبارات Printed Circuit Board است که به معنای مدار چاپی چند لایه است و می توانیم این مدارها را در کلیه وسایل الکتریکی از لوازم خانگی گرفته تا یک گوشی موبایل مشاهده کنیم. درون مدار PCB قطعات در بخش های مورد نظر که سوراخ شده اند قرار خواهند گرفت و به وسیله خطوط رسانا که می توانیم خودمان آنها را بکشیم به هم وصل خواهند شد. جهت اینکه مدار PCB را بسازیم ابتدا باید طرح شماتیک یک برد الکترونیکی را طراحی کنیم و با استفاده از نرم افزارهای تخصصی که در این زمینه وجود دارند و یکی از معروفترین آنها نرم افزار Altium است ساختار یک برد الکترونیکی را را بسازیم.
لحیم کاری کردن
پس از اینکه بخش طراحی برد الکترونیکی و طراحی مدار PCB را بدرستی انجام دادیم می بایست قطعاتی که قرار است روی برد PCB قرار بگیرند را لحیم کاری کنیم. البته لحیم کاری هم یک تخصص و مهارت لازم است که هرکسی باید در این زمینه تجربه کافی را داشته باشد. البته در حال حاضر در شرکت هایی که کار طراحی اتوماسیون صنعتی را انجام می دهند برای جلوگیری از اتلاف وقت عمل لحیم کاری را با دستگاه های دقیق و هوشمند انجام می دهند تا کوچکترین جزئیات از قلم نیفتند.
آنالیز عیب ها و تست قطعات
در نهایت بعد از اینکه لحیم کاری را بدرستی انجام دادیم باید عیب های احتمالی در انجام لحیم کاری و کلیه موارد دیگر را آنالیز کنیم و بعلاوه کار تست قطعات نصب شده بر روی برد الکترونیکی را انجام دهیم. اگر تمامی مراحل فوق بدون مسئله ای صورت گرفته باشند و در بخش طراحی برد PCB و لحیم کاری اشکالی وجود نداشته باشد می توانیم مطمئن شویم که کار ما در طراحی مدار الکترونیکی درست و کامل بوده است.
جمع بندی درباره طراحی برد الکترونیکی
در این مطلب با دلایل مهم و نیازمندی های ممکن جهت طراحی مدار الکترونیکی آشنا شدیم و به آنالیز مفهوم یک مدار الکترونیکی بطور کامل پرداختیم. در ادامه تمامی بخش های اساسی برای طراحی برد الکترونیکی را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادیم و بخش به بخش آن را آنالیز کردیم. اگر بخواهید بصورت اصولی و کاربردی طراحی انواع برد الکترونیکی را یاد بگیرید می توانید از فیلم های آموزشی فرادرس که با تدریس اساتید خبره و باتجربه صورت گرفته است بهره ببرید.
- آموزش عیب یابی مدارات الکترونیکی - کلیک کنید