Tipps für Ein- und Umsteiger:

Einführung in KiCAD

Abbildung EESchema

KiCAD ist ein leistungsfähiges, kostenloses Programm zur Schaltplaneingabe und zum Erstellen eines Platinenlayouts. Der Beitrag beschreibt erste Schritte und eventuelle Fallstricke für Einsteiger. Umsteiger von anderen Layoutprogrammen finden erste Orientierung. Zum besseren Verständnis ist es empfehlenswert, die nachfolgend beschriebenen Schritte am PC nachzuvollziehen.

Das Programmpaket besteht es aus mehreren Modulen und "wiegt" mehr als 100 MByte, die es von der Heft-DVD zu installieren gilt. Letzteres geschieht beispielsweise unter Windows XP SP3 problemlos und endet mit einem KiCAD-Icon auf dem Desktop. Ein Doppelklick darauf startet den KiCAD-Projektmanager. Erschien die Installationssprache noch englisch, erscheint KiCAD nun komplett in deutscher Sprache - eine große Hilfe für den Einsteiger.

Der Schaltplaneditor EESchema

Am leichtesten gelingt der Start in das Schaltplanmodul sicherlich mit Öffnen eines der zum Lieferumfang gehörenden Schaltpläne. Im Projektmanager über "Öffnen" im Unterverzeichnis "Demo" ein Projekt auswählen und danach eine Datei mit der Endung ".sch" anklicken. Es erscheint EESchema mit dem gewünschten Schaltplan.

Um Details besser betrachten zu können, gibt es die Zoomfunktion, die über die Symbole "Plus" und "Minus" der Symbolleiste oben ausgelöst wird. Praktischer sind die Funktionstasten F1 zum Vergrößern und F2 zum Verkleinern der Ansicht. Noch praktischer gerät die Betätigung des Mausrades zur Steuerung des Vergrößerungsfaktors. Mit Betätigen von F4 zentriert sich die Ansicht auf die aktuelle Mausposition.

Der sichtbare Ausschnitt lässt sich wie bei jedem anderen Windows-Programm mittels Maus über die Bildlaufleisten verschieben. Eine Selektion des Ausschnitts über Tasten ist nicht vorgesehen, mit Ausnahme von Pos1 (Home), diese Autozoom genannte Funktion passt die Ansicht des Schaltplans an die Fenstergröße optimal an. Alles ist zu sehen, soweit es die Größe zulässt.

Abbildung EESchema

EESchema: KiCAD-Programm zur Eingabe des Schaltplans.

Bauteil hinzufügen

Die Symbolleiste rechts verfügt über das entsprechende Symbol. Nach dessen Auswahl geschieht erst einmal solange nichts, bis der Anwender auf die gewünschte Position im Schaltbild klickt. Ein aufkommender Dialog ermöglicht die Auswahl anhand einer Bauteilbezeichnung (z. B. NPN), einer Suchmaske (N*), der bereits geladenen Bauteileliste oder aus einer Bauteilebibliothek mittels Browser. Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und dergleichen sind in der Bibliothek "device" abgelegt. Nach Auswahl eines Bauelementes, beispielsweise eines Kondensators, "hängt" dieser an der Maus und kann auf der Arbeitsfläche positioniert werden. Die Größe des Bauelementes auf der Platine - sein Fußabdruck - spielt zu diesem Zeitpunkt noch keine Rolle und wird später festgelegt.

Wer weitere Bauelemente hinfügt, wird feststellen, das EESchema zuerst die zuletzt eingefügten Bauteile anbietet. Das Vereinfacht die Suche nach dem richtigen Symbol sehr.

Das Programm verbleibt solange in der gewählten Funktion (hier: "Bauteile einfügen"), bis der Anwender eine andere Funktion wählt oder die laufende Funktion explizit beendet. Das geschieht entweder durch Mausklick rechts, der das Kontextmenü öffnet und dann durch Auswahl von "Tool beenden". Alternativ klickt der Anwender in der rechten Symbolleiste auf das Symbol ganz zuoberst (Pfeilsymbol).

Bauelement verschieben und entfernen

EESchema gestattet es sehr intuitiv und einfach: Mit der Maus auf das gewünschte Bauteilesymbol fahren und die Entf-Taste drücken. Dazu muss "Bauteile einfügen" oder eine andere Funktion nicht verlassen werden, kann also zu jeder Zeit ausgeführt werden, ebenso wie die Funktion "Verschieben". Das Verschieben von Bauelementen oder Teile des Schaltbilds geschieht durch Ziehen eines Rahmens um den gewünschten Schaltungsteil. Danach "hängt" das Bauelement bzw. der Teil des Schaltbilds an der Maus und lässt sich an neuer Position ablegen. Eine laufende, aber nochtz angeschlossene Tätigkeit wird bequem mit der Taste ESC abgebrochen, beispielsweise ein gerade platziertes Bauteil wird mit ESC schnell entfernt.

Die Funktionen des Kontextmenüs eines Bauelementes werden bequem über Tastaturkürzel aufgerufen, wenn die Maus auf dem Bauelement schwebt.

Wert zuweisen, Bauteil kopieren

Das Kontextmenü zu jedem Bauteil enthält wichtige Funktionen. So wird es aufgerufen: Mit der Maus über das Bauteil fahren, die rechte Maustaste betätigen. Das Kontextmenü erscheint. Hier können die Funktionen "Ziehen" (= verschieben) und Löschen aufgerufen werden, die im Absatz zuvor bereits beschrieben wurden. Wichtig ist "Bauteil editieren", um z. B. einem Widerstand oder Kondensator einen Wert zuzuweisen. Werden beispielsweise mehrere 100nF-Kondensatoren benötigt, kann man sich Arbeit sparen, um nicht jedem Kondensator einzeln einen Wert zuweisen zu müssen: Zuerst einem Kondensator den gewünschten Wert zuweisen, dann über das Kontextmenü die Funktion "Bauteil kopieren" ausführen. Der neue Kondensator hat ebenfalls den Wert von 100 nF.

Trick: Bauteile kopieren, rotieren und mehr

Es geht noch einfacher, wenn Sie die Funktionen des Kontextmenüs über Tastaturkürzel aufrufen lassen. Beispielsweise das Kopieren von Bauteilen: Mit der Maus über das zu kopierende Bauteil fahren, Taste "c" auf der Tastatur drücken, schon "hängt" das kopierte Bauelement an der Maus, bereit, um es zu positionieren. Analog funktioniert das Rotieren eines Bauelementes mit der Taste "r".

Gruppierung

Beim Ziehen eines Rahmens um eines oder mehrerer Bauelemente werden diese gruppiert. Lässt man die Maustaste nach dem Ziehen los, führt das Programm die Funktion "Verschieben der Gruppe" aus. Betätigt der Benutzer hingegen bei gedrückt gehaltener linker Maustaste zusätzlich die rechte Maustaste, erscheint das Kontextmenü. Es bietet diverse Funktionen an, die auf die Gruppe der Bauteile wirken. Diese zugegeben etwas komplizierte Bedienung - Rahmen ziehen, Maustaste links gedrückt halten, Rechtsklick - ermöglicht unter anderem die praktische Funktion "Auswahl heranzoomen". Damit ergibt sich eine prima Möglichkeit, auf einen gewünschten Schaltplanausschnitt zu zoomen.

Wurde einmal ein Bauteil zuviel gelöscht oder eine andere Funktion falsch angewandt, ist die Rückgängig-Funktion (STRG-Z) praktisch, welche die letzte Aktion rückgängig macht. In der Symbolleiste stehen die Funktionen "Rückgängig" und "Wiederherstellen" ebenfalls zur Verfügung.

Die erste Schaltung : ein astabiler Multivibrator.

Verbindungen

Das Verlegen elektrischer Verbindungen zwischen den Bauelementen geschieht sehr intuitiv mit der Maus. Ein Schalter in der linken Symbolleiste bestimmt, ob Verbindungen in allen Richtungen (auch diagonal) oder lediglich horizontal und vertikal gezogen werden dürfen. Knotenpunkte setzt EESchema automatisch, soweit es sie erkennt. Manuelle Knotenpunkte lassen sich einfügen, um sicherzustellen, wenn zwei sich kreuzende Leiterbahnen miteinander verbunden werden sollen.

Eine Nummerierung der Bauteile in einem Schaltplan nimmt die Funktion "Annotation" vor.

Damit ist das Schaltbild fast fertig. Fast, denn es fehlt bisher die Nummerierung der Bauelemente (R1, R2 etc.). Diese wird mit der Funktion "Annotation" aus der Symbolleiste oben gestartet.

Vom Schaltbild zur Platine

Das Schaltbild ist geprüft und fertig. Nun kann das Layout der Platine erstellt werden. Doch bevor das Layoutprogramm PCBNew gestartet wird, ist es zwingend erforderlich, aus dem Schaltplaneditor zuerst eine Netzliste zu exportieren. Dazu gibt es in der Symbolleiste oben die Funktion "Netzliste erstellen". Dabei entsteht z. B. die Datei "Test1.net".

Ebenso ist es notwendig, ausnahmslos allen Bauelementen des Schaltplans ein "Package" - KiCAD spricht hier von "Fußabdruck", engl. footprint - zuzuweisen. Ein Fußabdruck beschreibt das Aussehen eines Bauteils auf der Platine. Die Zuweisung von Bauelement zu Fußabdruck ist Aufgabe des Programms CvPCB, das aus EESchema heraus über die obere Symbolleiste aufgerufen wird. Es fügt der zuvor erstellten "Text1.net" die nötigen Informationen der Fußabdrücke hinzu. In CvPCB erscheinen links die Bauelemente des Schaltbildes, rechts die Liste aller Fußabdrücke.

CvPCB fügt der Netzliste Informationen zu den "Fußabdrücken" aller elektronischen Bauelemente des Schaltbildes hinzu.

Um einem Bauelement mit einem Fußabdruck zu verbinden ist in der Bauteileliste links zuerst ein Bauelement zu markieren (anklicken). Durch einen weiteren Mausklick auf einen Fußabdruck in der rechten Liste wird dieser dem markierten Bauteil zugeordnet. Die Namensgebung der Fußabdrücke ist leider nicht immer "sprechend". Da hilft die Einblendung des Abbildes eines Fußabdruckes sehr. Sie lässt sich über die Symbolleiste zuschalten. Fährt der Anwender einige Male durch die Liste der Fußabdrücke und schaut sich die dazu gehörenden Bilder an, fällt eine sinnvolle Zuordnung bald nur halb so schwer.

Sind alle Bauteile mit einem Fußabdruck für das Platinenlayout versehen, wird die Netzliste "Test1.net" inklusive der neuen Informationen gespeichert. Damit sind alle Vorbereitungen getroffen, um das Platinen-Layoutprogramm mit PCBNew in Angriff zu nehmen.

Platinenlayout

Nach dem Start erscheint eine schwarze Arbeitsfläche. Die erste Tat ist der Import der Netzliste. Dazu verfügt die Symbolleiste über die Funktion "Lese Netzliste".

Dieser Dialog wird aus PCBNew aufgerufen, um die vom Schaltplaneditor erstellte Netzliste zu importieren.

In dem aufkommenden Dialog den Button "Lese aktuelle Netzliste" betätigen. Nun das Fenster schließen. Auf der Arbeitsfläche sind oben links (mit F2 etwas herauszoomen, um es besser zu erkennen) die Bauteile zu sehen, die leider allesamt übereinander gestapelt liegen. Der Zugriff auf die Bauelemente fällt leichter, wenn sie so verschoben werden, dass sie nebeneinander angeordnet sind. Das geschieht mit einer Funktion, die den sperrigen Namen "Manuelles und automatisches Verschieben oder Platzieren von Bauteilen" trägt und in der Symbolleiste oben beheimatet ist. Dann folgt ein Rechtsklick auf die schwarze Arbeitsfläche, um das Kontextmenü erscheinen zu lassen. Dort wird "Globales Verschieben und Platzieren" aufgerufen und schließlich "Alle Bauteile verschieben". Puh, ist das geschafft, liegen sie hübsch nebeneinander auf der Arbeitsfläche und sind bereit, manuell so verschoben zu werden, dass ein späteres Verlegen der Leiterbahnen möglich ist.

Platzieren

PCBNew verfügt über eine automatische Platzierung, ein Schauspiel, das man nicht verpassen sollte. Dazu "Manuelles und automatisches Verschieben oder Platzieren von Bauteilen" auswählen, das Kontextmenü aufrufen, dort "Globales Verschieben und Platzieren" wählen und das automatische Platztieren anklicken - und zuschauen. Hat der Autoplacer seine Arbeit verrichtet, folgt die manuelle Korrektur.

Tipp:

Damit das automatischen Platzieren funktioniert, sind zuerst die Abmessungen der Platine zu definieren: Dazu auf die Lage "Platinenumriss" schalten (Sichtbarkeitsliste ganz rechts in PCBNew) und mit Funktion "Grafische Linie / Vieleck hinzufügen" die Platinengrenzen zeichnen, die auf der Arbeitsfläche gelb erscheinen.

Die Bauteile sind positioniert. Neben der manuellen Platzierung verfügt PCBNew über eine automatische Platzierung der Bauelemente.

Das manuelle Positionieren der Bauelemente geschieht analog zu Bedienung in EESchema: Mit der Maus auf ein elektronisches Bauteil zielen, Taste "m" (wie "move") drücken und verschieben. Soll dabei das Bauelement gedreht werden, ist zudem die Taste "r" (wie "rotate") zu betätigen. Das kennen wir schon. Leider scheint es keinen generellen Verschiebemodus zu geben, der es gestattet, nacheinander mehrere Bauteile zu positionieren. Das Drücken der Tasten "m" und "r" für jedes Bauteil ist jeweils auszuführen.

Leiterbahnen verlegen

Es gibt einen Autorouter, der die Leiterbahnen selbsttätig verlegt. In der Symbolleiste unterhalb des Menüs die Funktion "Leiterbahn und Autorouting Modus" wählen, dann das Kontextmenü der Arbeitsfläche aufrufen (rechte Maustaste) und "Autoroute" und schließlich "Automatisches Routen aller Bauteile" anklicken.

Für das manuelle Verlegen der Leiterbahnen ist die Funktion "Leiterbahnen und Durchkontaktierungen hinzufügen" aus der Symbolleiste rechts verantwortlich. Tipp: Das Verlegen selbst ist intuitiv gestaltet, jedoch muss jede Leiterbahn mit der Taste "Ende" abgeschlossen werden. Mit der Maus wird sie bis zum Endpunkt geführt, dann die Maus still halten und Taste "Ende" drücken. Danach kommt die nächste Verbindung an die Reihe.

Die Leiterbahnen wurden manuell verlegt. Es gibt auch einen automatischen Router.

Änderungen am Layout

Die Bauteile sind platziert und mit Leiterbahnen untereinander verbunden. Ein Layout ist damit noch nicht fertig. Verbindungen müssen verschoben werden, bisher schmale Leiterbahnen sollen verbreitert werden.

Nachfrage nach Markieren eines Objektes: Welches ist gemeint?

Der erste Versuch, die Breite einer Leiterbahn zu verändern, schlug zunächst fehl, weil in der zuständigen Kombobox in der oberen Symbolleiste lediglich die Breite von 8 mil angeboten wurde. Erst der Eintrag weiterer Breiten unter "Globale Designregeln" erweiterte die Kombobox um mehr Auswahl. Einzelne Bahnbreiten werden durch Markieren der Leiterbahn (Linksklick auf die Leiterbahn) eingeleitet. Der folgende Rechtsklick fördert das Kontextmenü der Leiterbahn zutage. Zuerst wird die Breite ausgewählt, dann explizit zugewiesen. Erst nach dieser Prozedur erscheint sie in der neu zugewiesenen Breite auf dem Monitor.

Kontextmenü Leiterbahn: Leiterbahnbreite ändern und weitere Funktionen.

Jeder Leiterbahn manuell eine neue Breite zuzuweisen, kann sehr langwierig sein. Es geht zum Glück einfacher: Mit Netzklassen. Sie definieren Eigenschaften von Leiterbahnen, Durchkontaktierungen (DoKus) und MikroDoKus. Bisher existiert lediglich die Netzklasse "default", die per Standard allen Leiterbahnen zugewiesen ist. Nach Definition einer neuer Netzklasse werden Leiterbahnen, wie im unten abgebildeten Dialog zu sehen, einzelnen oder insgesamt der neuen Netzklasse zugewiesen und deren Eigenschaften verändert: Den Netzklasseneditor erreichen Sie über das Menü "Designregeln" und dann noch einmal auf "Designregeln" klicken.

Netzklassen definieren Attribute für Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Hier wird eine neue Klasse "Leiterbahn" mit größerer Breite definiert.

Ziehen = Verschieben

Über das Kontextmenü einer Leiterbahn kann man diese insgesamt oder als Segment verschieben (Funktion "Segment ziehen"). "Leiterbahn brechen" fügt ein "Scharnier" in die Verbindung ein, sie kann dann im nächsten Arbeitsschritt an dieser Stelle geknickt werden.

Pad editieren

Eine praktische Eigenschaft von KiCAD ist die Fähigkeit, Eigenschaften aller Objekte eines Layouts auch nach dem Platzieren im Board verändern zu können, beispielsweise die Änderung der Parameter eines Pad.

Eigenschaften eines Lötpad ändern: Hier der Bohrdurchmesser.

Über das Kontextmenü des Pads erreicht man über "Editiere Pad" den Dialog "Pad Eigenschaften". Dieser erlaubt die Änderung von Größe und Form eines Pads ebenso wie die Verkleinerung des Bohrdurchmessers, damit z. B. sich ein 0,8 mm Bohrer gut zentriert.

Der umfangreiche Druckdialog erlaubt den Ausdruck exakt im Maßstab 1:1 in Schwarzweiß oder Farbe, auf Wunsch auch gespiegelt.

Belichtungsvorlage drucken

Der Druck auf Papier oder Transparentpapier - das transparent genug ist, um beim Belichten der Platine gute Ergebnisse zu erzielen - funktioniert mit KiCAD problemlos. Für Belichtung des Layouts in einer Druckerei ist die Ausgabe des Layouts als HPGL-, Postscript- und als Gerber-Datei möglich. Der Ausdruck auf einem Laser- oder Tintenstrahldrucker erfolgt exakt im Maßstab 1:1. Das ist für ein Layout, das zum Belichten einer Platine dienen soll, unbedingt nötig und im Programm Voreinstellung. Andere Größen bis hin zum Seiten füllenden Format sowie in zweifacher- oder vierfacher Größe wird angeboten.

Fazit

Mit KiCAD kann man - mit ein wenig Einarbeitung - kleine wie große, einseitige, doppelseitige und mehrlagige Platinenlayouts in annehmbarem Zeitaufwand erstellen. Mit den Verarbeitungsschritten Schaltplaneingabe, Netzliste erzeugen, Netzliste importieren, Bauteile platzieren und Verbindungen routen entspricht KiCAD dem Arbeitsprozess professioneller Layoutprogramme. Der Einsteiger, unbelastet von der Bedienung anderer Layoutsoftware, wird sich zügig einarbeiten können. Hervorzuheben ist KiCAD' s Fähigkeit, in einem bestehenden Layout sämtliche Eigenschaften von Leiterbahnen, Lötpads und Durchkontaktierungen jederzeit eigenen Wünschen anpassen zu können. KiCAD sei den Anwendern empfohlen, die regelmäßig ein eigenes Platinenlayout erstellen möchten.


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Copyright Michael Wöste