KiCad Tutorial – Pcbnew – Leiterbahnen und Vias (Teil 1)

Getestet mit der Version 4022 (2013-07-07)

Diese Artikel-Reihe beschäftigt sich mit dem Programm KiCad, einem Tool zu Erstellung von Schaltplänen und dem Entwurf von Leiterplatten. Diese Software ist kostenlos, völlig ohne Beschränkungen und sie wird ständig weiterentwickelt.

Hier geht es zur Übersichtsseite mit allen Artikeln der KiCad-Tutorial-Reihe.

Die benötigten Footprints der verwendeten Bauteile sind nun vollständig. Einzig die Taster mussten angepasst werden, sodass ich für diese einen neuen Footprint erstellt und im Layout platziert habe. Der nächste Schritt ist daher, die Bauteile zu Verbinden, wie es der Schaltplan vorgibt. Dabei werde ich auch u.a. darauf eingehen, wie verschiedene Leiterbahnstärken eingestellt werden können und wie Vias platziert werden.

Netzlinien

Diese Linien zieht KiCad zwischen den verbundenen Pads der verwendeten Bauteile. Zum Beispiel sind alle, an GND angeschlossenen, Pads miteinander durch Netzlinien verbunden. Die Schaltfläche im folgenden Bild blendet die Netzlinien ein und aus.

Pcbnew - Netzlinien einblenden

Pcbnew – Netzlinien einblenden

Die Netzlinien können schon zu Beginn Verbesserungsmöglichkeiten des Layouts aufzeigen – vor allem in einem solchen kleinen Projekt. Ehrlich gesagt blende ich die Netzlinien bei größeren Projekten auch schon mal gerne aus, da die Übersichtlichkeit stark unter den vielen weißen Linien leiden kann. Aber probiert euch hier am Besten selbst aus.

Auf dem folgenden Bild kann man erkennen, dass sich die Verbindungen der Taster (die zum Mikrocontroller gehen) mit den GND-Verbindungen kreuzen.

Pcbnew - Kreuzende Netzlinien

Pcbnew – Kreuzende Netzlinien

Eine Möglichkeit wäre es, mit GND auf die Bestückungsseite zu wechseln. Eine Andere, die Taster um 180° zu drehen.

Pcbnew - Gedrehte Taster

Pcbnew – Gedrehte Taster

So können Probleme bereits im Vorfeld vermieden werden. Jedoch werden sich so nicht alle Kreuzungen vermeiden lassen (siehe D1-4). Daher sind ein paar „Umwege“ auf der Leiterplatte nicht unüblich. Aber mit der Anzahl der manuellen Routings wächst auch die Erfahrung und die Ergebnisse sehen immer besser aus!

Leiterbahnen zeichnen

Jetzt komme ich aber zum interessanten Teil des Artikels. Zum Zeichnen der Leiterbahnen klicke ich erstmal auf die entsprechende Schaltfläche in der rechten Werkzeugleiste.

Pcbnew - Schaltfläche für Leiterbahnen und Durchkontaktierungen

Pcbnew – Schaltfläche für Leiterbahnen und Durchkontaktierungen

Anschließend klicke ich auf ein Pad (hier Pad 5 des PCF8574), was daraufhin gelb markiert wird. Gleichzeitig wird auch das Pad gelb markiert, zu dem eine Verbindung hergestellt werden muss. Sollten es mehr als ein Pad sein (z.B. bei miteinander verbundenen GND-Pads), so leuchten alle Pads auf. Hier und jetzt ziehe ich die Linie mit der Maus bis zum Pad 2 der LED D1. Dort beende ich die Linie mit einem Doppelklick.

Pcbnew - Leiterbahn ziehen

Pcbnew – Leiterbahn ziehen

In einigen Fällen ist ein einfaches Ziehen mit der Maus nicht möglich, da die Leiterbahn Pads oder andere Leiterbahnen kreuzen würde, die sie nicht kreuzen soll. Auf der vorhandenen Leiterplatte wäre dies der Fall, wenn ich Pad 7 des PCF8574 mit seiner LED verbinde und die Maus einfach auf das Pad der Leuchtdiode ziehen würde. Dadurch würde das Pad 8 gekreuzt.

Pcbnew - Linie auf falschem Pad

Pcbnew – Linie auf falschem Pad

Damit das nicht passiert und die Leiterbahnen genau so liegen, wie ich es mir vorstelle, kann die Linienführung durch Mausklicks definiert werden. Im folgenden Bild ziehe ich die Bahn erstmal etwas nach unten und fixiere die Ecke mit einem Mausklick. Achtung, manchmal braucht es einen zweiten Klick, aber bitte keinen Doppelklick machen.

Pcbnew - Linie an einem Punkt fixieren

Pcbnew – Linie an einem Punkt fixieren

Im nächsten Schritt ziehe ich die Linie weiter bis zum Pad der LED. So können auch sehr komplexe Linienführungen durchgeführt werden

Pcbnew - Linie verlegen

Pcbnew – Linie verlegen

Bevor ich dieses Thema verlasse noch einen Tipp. Eine Leiterbahn muss nicht an einem Pad beendet werden. Mit einem Doppelklick kann eine angefangene Bahn beendet werden. Die bis dahin gezeichneten Linien bleiben erhalten. Nur mit der ESC-Taste verschwindet die Linie komplett. Sehr hilfreich ist außerdem die Undo-Funktion 😉

Pcbnew - Die Undo-Funktion

Pcbnew – Die Undo-Funktion

Leiterbahnen löschen

Trotz Undo-Funktion ist es nötig Leiterbahnen zu löschen. Das geht am Einfachsten, wenn die ENTF-Taste gedrückt wird, wenn der Mauszeiger über der entsprechenden Leiterbahn steht. Damit wird die gesamte Leiterbahn gelöscht zwischen zwei oder mehr Pads. Mit der Rücktaste (BkSp-Taste) würde nur das Leiterbahnsegment gelöscht. Ein Segment ist ein Leiterbahnteilstück zwischen zwei Kurven oder zwischen einer Kurve und einem Pad, wie es auf dem folgenden Bild zu sehen ist.

Pcbnew - Gelöschtes Segment

Pcbnew – Gelöschtes Segment

Sehr häufig funktioniert es nicht, die Bahn mittels BkSp- oder ENTF-Taste zu löschen. Das liegt daran, dass Leiterbahnen und Footprints übereinander liegen, wie das Leiterbahnsegment im Bild zuvor, das unter der LED verläuft. Drücke ich nun die ENTF-Taste, so nimmt KiCad meistens an, dass ich den Footprint löschen möchte. Das kann schnell sehr nervig werden! Mit einem Klick der rechten Maustaste auf die zu löschende Leiterbahn, öffnet sich ein Menü. Der Menüpunkt „Entfernen“ öffnet eine weitere Menüebene mit drei Auswahlmöglichkeiten. „Segment entfernen“, „Leiterbahn entfernen“ und „Netz entfernen“.

Pcbnew - Leiterbahnen löschen

Pcbnew – Leiterbahnen löschen

„Segment entfernen“ und „Leiterbahn entfernen“ habe ich bereits beschrieben. Vorsicht walten lassen sollte man bei dem Punkt „Netz entfernen“, da damit nicht nur die gesamte Leiterbahn, sondern alle Bahnen des gleichen Netz gelöscht werden. Zum Beispiel gehören alle GND-Leiterbahnen dem Netz „GND“ an. Die müssen nicht immer alle per Leiterbahn direkt miteinander verbunden sein. Es gibt auch die Möglichkeit Kupferflächen (wird in einem späteren Kapitel erklärt) als Verbindung zu nutzen. Mit dem „Leiterbahn entfernen“-Befehl könnten in diesem Fall nicht alle Bahnen gleichzeitig gelöscht werden, da sie nicht direkt miteinander verbunden sind. Dafür wird „Netz entfernen“ verwendet.

Leiterbahnen verschieben

Manchmal kann es aber auch ausreichend sein, wenn die Leiterbahn verschoben wird. Auch das ist mit KiCad möglich. Mit einem Klick der rechten Maustaste öffne ich das Menü für die Leiterbahn und finde dort je eine Möglichkeit zum Verschieben und zum Ziehen. Doch was ist der Unterschied?

Pcbnew - Menüpunkt "Ziehen/Verschieben"

Pcbnew – Menüpunkt „Ziehen/Verschieben“

Das Verschieben

Bei dieser Funktion ist der Zusatz „…Neigung beibehalten“ sehr wichtig. Auf den beiden folgenden Bildern ist sehr schön zu erkennen, wie der übliche 45° Winkel der angrenzenden Segmente, also die Neigung, wird beibehalten wird.

Pcbnew - Segment verschieben

Pcbnew – Segment verschieben

Das Ziehen

Der Unterschied zum Verschieben liegt darin, dass sich die Winkel der angrenzenden Segmente verändern. Im Bild wird der Winkel des linken Segments größer, während er rechts kleiner wird.

Pcbnew - Leiterbahn ziehen

Pcbnew – Leiterbahn ziehen

Knoten verschieben

Neben den einzelnen Segmenten ist es auch möglich, die Knotenpunkte direkt anzuwählen und zu verschieben. Knotenpunkte sind dabei alle Punkte, an denen sich zwei oder mehr Segmente treffen. Im folgenden Beispiel nehme ich eine der Leiterbahnecken. Dafür klicke ich auf die rechte Maustaste, wenn der Mauszeiger über der Ecke liegt. Wurde die Ecke richtig getroffen, dann kann im Menü der Punkt „Knoten verschieben“ ausgewählt werden.

Pcbnew - Knoten verschieben

Pcbnew – Knoten verschieben

Der Knoten hängt jetzt am Mauszeiger und kann auf einem beliebigen Rasterpunkt abgelegt werden. Aber Achtung, die Leiterbahn kann dann nicht abgelegt werden, wenn sie durch das Ziehen oder Verschieben eine andere Leiterbahn kreuzt, berührt oder der Abstand zu klein wird.

Pcbnew - Knoten verschieben

Pcbnew – Knoten verschieben

Vias setzen

Bereits zu Beginn dieses Artikels habe ich über kreuzende Linien gesprochen. Sicher, mit viel Mühe lassen sich Layouts ohne kreuzende Bahnen bewerkstelligen. Aber je voller die Leiterplatte  wird, desto ehe kann es passieren, das sich zwei Pads nicht ohne eine Drahtbrücke verbinden lassen. Für einseitige Layouts ist eine Drahtbrücke eine passable Lösung, aber wer das nicht haben möchte, für den gibt es sogenannte Durchkontaktierungen – auch Vias genannt. Damit wird ein Durchgang zur anderen Seite der Leiterplatte erzeugt, sodass die Leiterbahn dort weitergeführt werden kann.

Bei der Beispielschaltung ist es nicht möglich, die Leiterbahn auf direktem Weg zum Widerstand zu legen (klar, außen um die LED wäre es möglich. Ist ja nur ein Beispiel! 😉 ).

Pcbnew - Blockierter Weg

Pcbnew – Blockierter Weg

An der Stelle im oberen Bild möchte ich nun ein Via setzen und klicke daher auf die rechte Maustaste um das Menü zu öffnen. Dort wähle ich den Punkt „Durchkontaktierung platzieren“…

 Pcbnew - Menü für die Durchkontaktierung

Pcbnew – Menü für die Durchkontaktierung

 …und schon erscheint ein grauer Punkt an dieser Stelle – die Durchkontaktierung. Weitaus interessanter ist aber, dass die Leiterbahn, von dem Vias ausgehend, nun in roter Farbe dargestellt wird. Dies zeigt an, dass sich die Leiterbahn nun auf der Bestückungsseite befindet.

Pcbnew - Leiterbahn auf der Bestückungsseite

Pcbnew – Leiterbahn auf der Bestückungsseite

Für eine richtige „Brücke“ müsste die Leiterbahn wieder zurück auf die Lötseite. Ich kann hierfür entweder das Menü (wie eben beschrieben) nutzen oder ich drücke „V“ um das Via zu platzieren.

Pcbnew - Wechsel der Leiterbahn auf die Lötseite

Pcbnew – Wechsel der Leiterbahn auf die Lötseite

Bei einigen Platinenherstellern sind die Pads der Bauteile standardmäßig durchkontaktiert, sodass  die Leiterbahn auch ohne zweites Via direkt an das Pad herangeführt werden könnte. Das kommt aber auch auf die Schaltung und manchmal einfach nur auf den persönlichen Geschmack an.

Vias bewegen

Auch bereits platzierte Vias können verschoben werden. Wie bei den Footprints ist hierfür die Taste M zuständig. Einfach den Mauszeiger über das Via ziehen und die Taste drücken. Dann hängt es am Zeiger und kann (fast) beliebig platziert werden. Auch hier gilt, dass die am Via hängenden Leiterbahnen beim absetzen keine anderen Bahnen berühren dürfen.

Ende des ersten Teils

Wer hätte gedacht, dass es so viele Details, beim Zeichnen der Leiterbahnen, zu beachten gibt?  Ich jedenfalls nicht! Und daher bin ich erstaunt, dass ein zweiter Teil nötig wird um den Artikel nicht zu unübersichtlich werden zu lassen.

Im nächsten Teil beleuchte ich unter anderem was es mit dem „Brechen“ einer Leiterbahn auf sich hat und wie bereits „verdrahtete“ Footprints verschoben werden.

Bis dahin, alles Gute, Timo

2 Gedanken zu „KiCad Tutorial – Pcbnew – Leiterbahnen und Vias (Teil 1)

  1. Hallo Timo
    ich bin ebenfalls ein Elektronik-Begeisterter!
    Erlaube mir bitte zwei Fragen über KiCad:
    Wie kann ich zwischen zwei GND Lagen (Top/Bottom) Vias setzen ohne diese im Schema vorher einzeln definieren zu müssen?
    Die KiCad Module starten sehr schnell, ausser eeschema. Woran kann das liegen?
    Beste Grüsse
    Roland Plüss aus Recherswil Schweiz

    1. Hallo Roland,

      mehrere GND Vias zu setzen ist nicht schwer. Im Moment arbeite ich an einem Schrittmotor-Treiberboard mit dem Allegro A3979 und da muss ich die Wärme auf beide Seiten der Leiterplatte verteilen. Das geht ganz gut mit vielen Vias, die die GND Flächen auf beiden Seiten verbinden.
      Dafür startest du einfach mit der Verlegung einer GND Leiterbahn. Die muss an einem vorhandenen GND Anschluss starten, damit die Leiterbahn weiß, dass sie zu GND gehört. Und dann platzierst du einfach an einem beliebigen Punkt dein Via. Nun läuft die Leiterbahn auf der anderen Seite weiter, bis du wieder ein Via platzierst, und so weiter…
      Hier ein Link zum Bild: http://timogruss.de/?attachment_id=16903
      Ich hoffe das bringt dich weiter!

      Was deine zweite Frage betrifft muss ich leider passen 🙁 Ich habe keine Idee, warum dein Eeschema so langsam ist.

      Alles Gute, Timo

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.