PCB-Design Grundlagen

Medium · 45 min · Kostenlos

Ziel & Lerninhalt

Verstehe, wie aus einem Schaltplan eine physische Platine wird – und welche Designregeln dabei entscheidend sind.

  • Den Weg von Schaltplan → Netlist → Layout → Fertigung erklären.
  • Leiterbahnbreite nach Strom dimensionieren.
  • Grundlegende Designregeln (Abstände, Masseebene) anwenden.

Erklärung & Wissen

Basic

Eine Platine (PCB = Printed Circuit Board) ist ein Stück Kunststoff mit eingeätzten Kupferbahnen, die Bauteile elektrisch verbinden – viel kompakter und zuverlässiger als Jumper-Kabel auf einem Steckbrett. Der Workflow: Erst zeichnest du in einem EDA-Programm (z.B. KiCad) den Schaltplan. Das Programm erzeugt daraus eine Netlist (welcher Pin gehört zu welchem). Dann legst du die Bauteile auf der Platine an und verbindest sie durch Leiterbahnen – das ist das Layout. Schließlich schickst du Gerber-Dateien an den Hersteller.

Medium

Leiterbahnbreite: Nach IPC-2221 gilt für interne Bahnen bei 1 oz Kupfer (35 µm): $w[mm] = I / (k \cdot \Delta T^{0.44})$. Für 5V-Signale (< 100 mA) reichen 0,25 mm. Für Motorversorgung (1A+) mindestens 1 mm. Massefläche (Ground Plane): Eine durchgehende Kupferfläche auf der Unterseite verbindet alle GND-Punkte ohne lange Leiterbahnen – reduziert Widerstand, verbessert EMV. Bauteilplatzierung: Entkopplungskondensatoren (100 nF) so nah wie möglich an VCC-Pins der ICs – sonst schwingen digitale ICs unkontrolliert.

Expert

EMV-Design: Hohe Ströme und schnelle Signale (Takt, PWM) erzeugen elektromagnetische Felder. Regel: Schleifen klein halten (Hin- und Rückleiter eng beieinander). Via-Stitching: Reihen von Durchkontaktierungen verbinden Top- und Bottom-Massefläche, verringern die Impedanz. Impedanzkontrollierte Leiterbahnen: Für HF-Signale (USB, SPI bei hoher Taktrate) muss die Leiterbahnbreite so berechnet werden, dass die charakteristische Impedanz 50Ω (Koax-Standard) oder 90Ω (USB-Differential) beträgt. Diese Berechnung hängt von der Platinendicke und Dielektrizitätszahl des Substrats ab.

Fun Fact

Die erste kommerzielle Leiterplatte wurde 1943 von Paul Eisler in Großbritannien für Funkzünder entwickelt – als Alternative zu unzuverlässigen Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen in Kriegsgeräten. Die Technologie war so wertvoll, dass sie bis nach dem Krieg geheim gehalten wurde.

Leiterbahnbreite
Breite des Kupferstreifens – bestimmt den maximalen Strom ohne Überhitzung. IPC-2221 Faustregel: 0,25 mm für Signale (< 200 mA), 0,5 mm für 500 mA, 1 mm für 1A. Bei zu schmalen Bahnen steigt der Widerstand $R = \rho \cdot l / A$, was zu Spannungsabfall und Wärmeentwicklung führt. Online-Rechner (z.B. PCBWay Trace Width Calculator) machen die genaue Berechnung einfach.
Massefläche
Durchgehende Kupferfläche für GND – reduziert Impedanz und verbessert EMV. Eine solide Massefläche (Ground Plane) hat typisch < 10 mΩ Widerstand gegenüber vielen Millionen mΩ bei einer schmalen Leiterbahn. Wichtig: Massefläche niemals mit Schlitzen oder Unterbrechungen versehen – das erzwingt Ströme auf langen Umwegen und verschlechtert EMV drastisch.
Entkopplungskondensator
100 nF Kondensator direkt am VCC-Pin eines ICs – filtert Versorgungsrauschen. Digitale ICs ziehen beim Schalten kurze Stromspitzen (< 10 ns). Die Induktivität langer Versorgungsleitungen verhindert sofortige Nachlieferung → Spannungseinbruch → Fehlfunktion. Der Entkopplungskondensator direkt am Pin liefert Energie aus lokalem Puffer. Faustregel: 100 nF pro IC, 10 µF pro Versorgungseingang.
Gerber-Format
Standard-Dateiformat, das alle Informationen für die Platinen-Fertigung enthält. Gerber (RS-274X) beschreibt pro Lage (Top Copper, Bottom Copper, Solder Mask, Silk Screen, Drill) eine eigene Datei. Der Hersteller fräst, ätzt und bohrt nach diesen Daten. Moderne EDA-Tools (KiCad, Eagle) exportieren Gerber auf Knopfdruck. Günstige Hersteller (JLCPCB, PCBWay): 10 Platinen ab < 5€.

Übung: ProtoPeaks Mainboard analysieren

Betrachte ProtoPeaks Mainboard und identifiziere die gelernten PCB-Elemente direkt auf der realen Platine.

  • ProtoPeaks Mainboard (zum Anschauen)
  • Lupe (optional)
  1. Leiterbahnen identifizieren

    Betrachte ProtoPeaks Mainboard. Suche die dicksten Leiterbahnen – sie verbinden wahrscheinlich die Motoranschlüsse mit der Stromversorgung. Vergleiche mit den dünnen Signal-Leiterbahnen zu den Pins.

    Check: Du findest breite und schmale Leiterbahnen auf dem Board.

    Tipp: Breite Bahnen führen hohe Ströme (Motor-Versorgung), schmale Bahnen sind Signalleitungen.

  2. Entkopplungskondensatoren finden

    Suche die kleinen rechteckigen SMD-Bauteile direkt neben dem Haupt-IC (Mikrocontroller). Das sind wahrscheinlich Entkopplungskondensatoren für stabile Versorgungsspannung.

    Check: Du findest kleine rechteckige Bauteile (SMD) nahe an ICs.

    Tipp: Kleine schwarze oder braune Rechtecke ohne Beschriftung sind meist 100 nF Keramikkondensatoren.

  3. Massefläche erkennen

    Kippe das Board um. Erkennst du große Kupferflächen, die die freien Bereiche füllen? Das ist die Massefläche (Ground Plane). Sie verbindet alle GND-Punkte mit minimalem Widerstand.

    Check: Du erkennst eine großflächige Kupferfläche auf der Platinenunterseite.

    Tipp: Kupferflächen sind oft matt-gold (HASL) oder silbrig – alles außer der grünen Lötstopplack-Schicht.

  4. Via-Durchkontaktierungen suchen

    Suche kleine Löcher mit Kupferring um sie herum – das sind Vias (Durchkontaktierungen). Sie verbinden Leiterbahnen auf der Ober- mit Bahnen auf der Unterseite der Platine.

    Check: Du findest kleine Löcher mit Kupferring auf der Platine.

    Tipp: Vias sind die kleinen runden Punkte mit Loch in der Mitte – verbinden Top- und Bottom-Lage.

  5. KiCad-Erste-Schritte

    Lade KiCad (kostenlos) herunter und installiere es. Erstelle ein neues Projekt. Öffne den Schematic Editor. Füge ein Widerstandssymbol (R) und zwei Draht-Punkte ein – das ist dein erster Schaltplan-Schritt.

    Check: KiCad ist installiert, ein leeres Projekt ist erstellt.

    Tipp: KiCad ist kostenlos und für Windows/Mac/Linux verfügbar. Für Anfänger: Schematische Editierung zuerst lernen, Layout kommt danach.

Kein Versuchsaufbau – Analyse des vorhandenen Boards.

  • KiCad öffnet sich nicht oder stürzt ab. — Neueste stabile Version (nicht Nightly Build) verwenden. 64-bit Windows/Mac erforderlich. Grafiktreiber aktualisieren.
  • Ich erkenne keine Leiterbahnen auf dem Board. — Lupe verwenden. Leiterbahnen sind manchmal sehr fein (0,25 mm). Unter schräg einfallendem Licht sind sie besser sichtbar.

Kurzzusammenfassung

PCB-Design: Schaltplan → Netlist → Layout → Gerber → Fertigung. Leiterbahnbreite nach Strom dimensionieren, Massefläche für niedrige Impedanz, Entkopplungskondensatoren direkt an IC-Pins. KiCad ist das kostenlose Einstiegs-Tool.

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