طراحی برد الکترونیکی و ساخت مدارهای الکترونیکی + فیلم آموزش طراحی مدار الکترونیکی
در دنیای امروز که بعنوان عصر دیجیتال شناخته می شود اگر نگاهی به اطرافمان بیندازیم می توانیم مشاهده کنیم که اکثر 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 کنند. وسیله ای که باعث می شود 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 دلیل 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 ی نقلیه را روشن کنیم و همچنین 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 مشخص کنیم هر قطعه ای چه مقدار 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 احتیاج داریم.
مدار الکترونیکی چیست؟
مدار الکترونیکی را می توانیم در حقیقت مجموعه ای از اجزا و قطعات الکترونیکی بدانیم که توسط 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 ی 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 ی چیدمان کلیه ی 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 فیلم‌های آموزشی فرادرس استفاده کنند.
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 بررسی 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 کننده ها
- بررسی منبع تغذیه
- طراحی نمونه اولیه
- شبیه سازی کردن با نرم افزارها
- طراحی برد PCB
- لحیم کاری کردن
- بررسی 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 موفق به فهم مسئله باشیم باید ابتدا کلیه ی نیازمندی های مورد نظر از یک مدار الکترونیکی را بدانیم و اینکه بررسی 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 مشکلات مورد نظر چه خواهد بود؟ ولی بصورت کلی مسئله ی اصلی در اینباره ساخت مدار الکترونیکی برای ربات انسان نما است.
تبدیل مسئله به مسائل کوچکتر
حال که مسئله ی اصلی را بررسی 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 ی بزرگی مواجه 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 ی اصلی بپردازیم.
انتخاب کردن ورودی و سنسورها
حال که با تقسیم کردن مسئله به مسائل کوچکتر آماده بررسی کردن آن شدیم می بایست ابتدا شیوه ی 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 مورد طراحی برد الکترونیکی برای ربات انسان نما باید شیوه ی حرکت کردن آن شبیه انسان را تحلیل و بررسی کنیم و در بخش دیگری نحوه ی استفاده از دست را تحلیل کنیم و همچنین شیوه ی تعامل آن با انسان های دیگر را مطالعه کنیم.
انتخاب کردن عملگرها
در گام بعدی می خواهیم کلیه ی خروجی ها و عملگردهای مورد بررسی را مشخص 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 مورد 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 شود که متناسب با سایز و ابعاد ربات مورد نظر حجم و قدرت موتور مورد استفاده متفاوت خواهد بود.
انتخاب کردن کنترل کننده ها
در بخش بعدی از طراحی یک مدار الکترونیکی باید بخش کنترل کننده مدار را انتخاب کنیم که در این بخش نیاز خواهیم داشت از برخی 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 کننده در مدارها شناخته می شوند.
بررسی منبع تغذیه
در گام بعدی نیاز داریم برای اینکه قطعات نصب شده بر روی یک مدار الکترونیکی شروع بکار کنند 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 مقدار 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 متفاوت است و برای اینکار باید قطعات و جزئیات بکار رفته در آن را محاسبه کنیم که هر قطعه چه مقدار 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 ی 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 مشخص کنیم. بطور مثال ابتدا باید سنسورها و حسگره را در کنار پایه های ورودی قرار دهیم و همچنین موتور را در کنار پایه های خروجی جایگذاری کنیم. حال بعد از اینکه اطلاعات لازم از دیتاشیت هر قطعه را مشخص 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 ی 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 بررسی عیب های ممکن در طراحی برد الکترونیکی است که می توانیم در اینجا کاملا واضح مشاهده کنیم. همچنین 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 کرد 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 شود بررسی کنیم. این ویژگی به ما کمک خواهد کرد با تغییر بخش کوچکی از ایجاد مشکلات در کل مدار ساخته شده جلوگیری کنیم. برخی از نرم افزارهای موجود در این زمینه عبارتند از :
- نرم افزار Proteus
- نرم افزار Fritzing
- نرم افزار easyEDA
هر کدام از این نرم افزارها می توانند در فرآیند طراحی مدارهای الکترونیکی کمک شایانی به ما کنند.
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 از طریق 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 ضروری 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.
بررسی 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 ی موارد دیگر را بررسی کنیم و همچنین کار تست قطعات نصب شده بر روی برد الکترونیکی را انجام دهیم. اگر تمامی مراحل فوق بدون مشکلی انجام شده 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 بررسی 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 بررسی کردیم. اگر بخواهید بصورت اصولی و کاربردی طراحی انواع برد الکترونیکی را یاد بگیرید می توانید از فیلم‌های آموزشی فرادرس که با تدریس اساتید خبره و باتجربه انجام شده است استفاده کنید.
اگر برای خرید مودم، اینترنت و تجهیزات شبکه سوال داشتید یا نیاز به راهنمایی و کمک دارید؛ کانال تلگرام شبکه‌چی به آی‌دی shabakehchi@ را فالو و پرسش خود را برای مدیر کانال بفرستید تا جواب دهیم.
