Il prof. Gottardo ci aiuta anche ad imparare come si utilizza Eagle, il più diffuso CAD per PCB. In questo secondo esercizio: ottenere file gerber da Eagle.


Eagle

Esercizio 2: I files gerber con Eagle

come costruire un
Amplificatore stereo HiFi da oltre 18+18W R.M.S.

di Marco Gottardo as Ad.noctis
 

25 settembre 2010

 

Il progetto.
Amplificatore stereo HiFi dalle prestazioni sorprendenti dato il buonissimo rapporto costo/potenza. Si realizza con un contenuto numero di componenti su un supporto pcb molto compatto. l'alimentazione è duale quindi non può essere utilizzato direttamente come booster in automobile, ma è un'ottima soluzione  HiFi ad uso domestico. Esistono soluzioni circuitali anche piuttosto semplici per splittare una tensione singola rendendola duale ma esula dall'argomento trattato in questo progetto. E' un amplificatore ottimo per uso didattico ma ha prestazioni di tutto rispetto

Contestualmente risulta essere un ottimo esercizio per CAD/CAM Eagle e di visualizzazione dei file gerber che ho interamente fornito.

Prerequisito per leggere e comprendere la parte di visualizzazione 'gerber' è aver letto i precedenti tutorial.

Qui mi limito a ricordare che i file gerber si ottengono cliccando sul tasto CAM della barra dei menu di Eagle quando ci si trova in visualizzazione del file .brd ovvero del layout pcb. (nello schematico non è accessibile).


Si accede a queste finestra che propone alcuni default non sempre funzionanti perché potrebbero essere incompatibili con le specifiche macchine automatiche del nostro fornitore di fiducia di PCB. Se questo fosse attrezzato con chissà quale tipo di macchina e bene chiedere a loro le macro specifiche per la creazione dei gerber. si tratta di un file zip che vi invieranno tramite posta elettronica. 

Proseguire agendo su File->open job, verrà richiesto di selezionare lo standard gerber (sotto forma di macro) che presetta la macchina del nostro fornitore per il funzionamento ottimale.


 

Selezioniamo "excellon" perché quello più universalmente adottato. Questo è relativo alla produzione del gerber (leggasi file costruttivo) per la foratura.

Per concludere si ripete l'operazione File -> open job e si seleziona la macro CAM che il vostro fornitore vi suggerisce o vi ha fornito in modo che sia totalmente compatibile con la sua macchina automatica

Se dovessimo settare a mano tutti i parametri le cose si rattristano un po' perché sono tanti e complicati.

Per fare una prova potete usare le impostazioni di default, ma non fate costruire PCB con gerber non compatibili con la macchina del fornitore altrimenti rischiate di buttare via la produzione e i PCB non sono affatto economici come si possa  pensare, anzi sono piuttosto costosi, perché è costosissimo il laminato FR2,4,ecc che viene impiegato.
 

Procuratevi un visualizzatore di gerber, ovvero che simula la presenza della macchina cnc.

http://www.gtronic.it/energiaingioco/it/scienza/gerber/gerbvinst-2.3.0.zip

Con il software suggerito andate su file -> openlayers   e procedete all'apertura di ogni layer componente.

Potrete visualizzare separatamente o sovrapposti i layer dei drill (foratura), delle serigrafie (skin), lato piste inferiore e superiore, nonché il GKO, che contiene i margini di fresatura. Questo utile strumento deve fare parte del bagaglio culturale di ogni tecnico elettronico per non rischiare di fare produrre pcb che presentano delle piste in corto circuito.


 

Questi che vedete sull'immagine sono i file gerber con l'aggiunta dei tre nativi di Eagle, ovvero lo schematico  .sch, il board .brd e il progetto .pro.

Elenco dei gerber:

Il Cad Eagle vede all'interno del control panel la seguente situazione:

 

Procediamo aprendo con il visualizzatore di file gerber ognuna di queste voci, cominciamo con le serigrafie. Queste si trovano, come  già detto nel file con estensione .GTO.

Il colore del Layer viene scelto automaticamente dal software e potrebbe non concidere con quello che vi verrà visualizzato. Questo non ha assolutamente nessuna influenza con il lavoro finale eseguito dalla macchina automatica che produrrà il circuito stampato.

Apriamo ora la mascherina del solder sul lato superiore, ovvero il file con estensione GTS. Come possiamo vedere ha l'aspetto di chiazze leggermente più larghe delle piazzole che permetterà di esporre alla macchina automatica per la saldatura oppure all'operaio/tecnico che assemblerà la scheda.

Fino qua tutto bene. Il problema potrebbe verificarsi se visualizzando il TOP e il BOTTOM layer qualche pista risultasse in corto. Apriamoli per vedere la situazione piste.

 

BOTTOM LAYER, ovvero le piste dal lato saldature viste però come se il supporto fosse trasparente.

 

Carichiamo i TOP layer e verifichiamo che non ci siano piste in corto, eventualmente usando la funzione di zoom. ricordiamoci che questo software che stiamo utilizzando non è un CAD di disegna, ma in pratica un simulatore della presenza della macchina automatica che produce i PCB, quindi quello che vede è quello che fa. Se ora si vedono due piste in corto o troppo vicine risulteranno tali anche nel prodotto finale reale.
 

TOP LAYER, ovvero le piste dal lato dei componenti.

 

Sull'immagine sovrastante sembra che ci sia qualcosa che non va ma è solo un effetto della deformazione dovuto al ridimensionamento del jpeg. nei file originali ed eseguendo lo zoom non vi è alcun corto.

Per concludere ecco la maschera di foratura.

E' bene anche dare una bella guardata di insieme applicando tutti gli spunti nei check box.

Ecco il risultato finale.


 

Alla vista umana può sembrare un gran garbuglio, ma alla macchina CNC risulta chiarissimo.

 

Scaricate  più avanti nella pagina i file Gerber e provate.

Addestriamo i giovani tecnici a leggere la documentazione in inglese. 
 La casa costruttrice "National semiconductor" fornisce le seguenti caratteristiche tecniche.

 

Riporto tali caratteristiche tecniche direttamente in inglese a titolo di "esercizio di lettura e comprensione" di un datasheet per i giovani studenti che frequentano il laboratorio elettronico per il primo anno scolastico. Comunque anche ai veterani un po' di inglese male non fa di certo 
 

Up to 30 watts output power (dipende dalle condizioni di alimentazione)
AVO typically 90 dB (guadagno in tensione in uscita)
Low distortion: 0.015%, 1 kHz, 20 W  
Wide power bandwidth: 70 kHz  
Protection for AC and DC short circuits to ground (protezione contro i corti circuiti accidentali verso massa)
Thermal protection with parole circuit (si spegne quando surriscaldato)
High current capability: 4A  
Wide supply range 16V-60V (alimentabile da 16 a 60 Volt con conseguente aumento di potenza in uscita)
Internal output protection diodes  
94 dB ripple rejection  
Plastic power package TO-220  

Description.
The LM1875 is a monolithic power amplifier offering very low distortion and high quality performance for consumer audio applications.

The LM1875 delivers 20 watts into a 4 ohm or 8 ohm load on ±25V supplies. Using an 8 ohm load and ±30V supplies, over 30 watts of power may be delivered. The amplifier is designed to operate with a minimum of external components. Device overload protection consists of both internal current limit and thermal shutdown.

The LM1875 design takes advantage of advanced circuit techniques and processing to achieve extremely low distortion levels even at high output power levels. Other outstanding features include high gain, fast slew rate and a wide power bandwidth, large output voltage swing, high current capability, and a very wide supply range. The amplifier is internally compensated and stable for gains of 10 or greater.

Application.

High performance audio systems
Bridge amplifiers
Stereo phonographs
Servo amplifiers
Instrument systems

 

Dissipazione termica e interfacciabilità.
Come specificato nella documentazione tecnica il piedino 3 che corrisponde alla massa risulta collegato alla parte metallica dell'housing del circuito integrato, quindi questo potrà essere direttamente collegato al dissipatore termico senza necessità di usare miche di isolamento o alette separate per i due canali. In qualche caso sarà anche possibile utilizzare a titolo di dissipatore termico l'intero chassy del dispositivo. In questo caso sarà bene fare attenzione agli eventuali interfacciamenti con dispositivi non alimentati in duale. Consiglio di leggere attentamente la documentazione tecnica scaricabile dal link sottostante prima di interfacciarsi a altri dispositivi.

scarica il data book dell'LM1875

 

 

E' possibile migliorare le performance dell'amplificatore apportando delle marginali modifiche ad alcuni valori riportati nello schema, ad esempio i condensatori C2 e C12 possono aumentare notevolmente di valore (ad esempio 1000uF o addirittura 2200uF anziché 220 uF come indicato in questo schema o i soli 100uF del data book) fornendo più "dinamica" all'amplificatore quando richiesto, ad esempio durante l'esecuzione battente dei toni bassi. In realtà questi condensatori risultano in parallelo a quelli dell'alimentazione fornendo comunque una elevata riserva energetica. Il condensatore elettrolitico d'ingresso può essere sostituito con uno di equivalente valore al poliestere che risulta essere sicuramente più rapido in risposta. Alcuni amanti dell'HiFi ritengono opportuno usare resistenze a film metallico con tolleranza +/- 1%, che aumentano il costo e danno miglioria apprezzabile solo dagli audiofili più esperti.  

 

 Il PCB.
Il P.C.B. dell'amplificatore è stato sbrogliato in modo da facilitare il montaggio e il senso estetico, difatti i componenti omogenei sono tutti raggruppati in zone facilmente distinguibili. Le serigrafie riportano oltre al nome del componente anche il valore dando la possibilità di eseguire assemblaggi agevoli anche ai principianti. il PCB risulta molto compatto 66mm x 34mm predisposto per essere costruito in tecnologia FR4 dual Layer. Le piste sono molto robuste e larghe specialmente in quelle zone coinvolte da alte correnti a causa della necessità di trasferire la potenza R.M.S. dichiarata.  Il ponte di diodi e quindi l'alimentatore duale, sono già integrati nel supporto, quindi per poter soddisfare le esigenze di potenza dovranno essere in grado di sopportare almeno 4 ampère.  Una stima approssimata delle potenze in gioco infatti porta a questo ragionamento: ogni semionda è soggetta a circa 12Volt che per circa 2 ampère danno circa 24 Watt potenzialmente raggiungibili. Questa stima va duplicata dato che il progetto è costituito essendo stereo da due rami simmetrici. Ne consegue che i diodi D3,D4,D5,D6 che formano il ponte raddrizzatore dovranno essere in grado di portare almeno 4 ampere ciascuno.

 Download dei file Eagle e files costruttivi gerber dell'amplificatore stereo con LM1875

Immagini delle piste per i due layer bottom e top.

    

download dell'immagine bmp del top layer

 

download l'immagine bmp del bottom layer

Nota:l'unico foro di fissaggio disponibile ha un diametro di 3 mm.

 

PCB del progetto eseguito in Eagle
Questo progetto, palesemente sviluppato per accontentare gli studenti della fascia di età dalla prima superiore  fino alla terza, dato che per i successivi anni si tende a lavorare con le schede a micropic, è un'ottima palestra di assemblaggio  ma lo è molto di più nella parte di sviluppo CAD.  Come abbiamo visto i disegni di tutti i layer compresi i file costruttivi gerber sono disponibili nei link che vi ho postato, ma chi si volesse cimentare in un'ottima esercitazione prima di scaricarli cerchi di sviluppare il layout in maniera autonoma a partire dal solo schema.

 

Come procurarsi il PCB dell'amplificatore
Chi fosse interessato ad un singolo esemplare del PCB mostrato qui sopra mi contatti pure via messaggio privato perché possiamo attingere alla mia scorta privata fino ad esaurimento della campionatura che ho a magazzino.

Sarebbe meglio mi ordinaste non un singolo esemplare perché il viaggio in ufficio postale e l'ora che ci perdo non ne fa valere la pena.

Consiglio a tutti gli interessati di guardare tra i miei progetti, ad esempio il sistema di sviluppo Micro-GT PIC versatile I.D.E. in modo da poter fare un unico pacchetto e quindi un'unico viaggio all'ufficio postale.

Nel tutorial di Cad "Eagle esercizio 1" ho messo la lista dei PCB che ho già realizzato e che potrei fornire sotto forma di pannellini o singolarmente ma in combinazione con altri PCB, ad esempio uno per tipo.

Consiglio ad esempio di abbinare questo amplificatore al mio VU.Meter stereo  10+10 LED.

Se risulterà che un certo numero di persone è interessato a completare questo progetto con un VU-Meter  potrei procedere all'ordinazione di una campionatura in Cina.

Per gli insegnati o per i grandi laboratori hobbistici c'è la possibilità di procurarsi piccole serie del PCB facendovi inviare i seguenti pannellini contenti ciascuno 10 esemplari.

 

Se invece volete fare svolgere questa esercitazione nei laboratori scolastici è in posti dove si necessita di quantità non inferiori a 100 esemplari potete contattare Sandy, all'indirizzo di posta elettronica bonzisandy88@hotmail.com  , che vi farà da interprete presso la fabbrica cinese in cui ho già depositato i file gerber che sono comunque disponibili gratuitamente dai link che ho scritto in precedenza.

un esemplare in fase di montaggio, i cavi saranno sostituiti con cavetto schermato

 

Avvertenza.
Questo amplificatore accetta un ampio range di tensione di alimentazione duale e fornisce una potenza che va ricalcolata di conseguenza secondo quanto specificato nel datasheet che ho allegato sopra. Non superate mai la tensione consigliata o comunque una tensione "ragionevole", è meglio difatti qualche watt in meno che due TDA2030 bruciati. Inoltre, volendo tirare il collo ai circuiti integrati dovrete abbinarli a un trasformatore più grosso quindi pesante e costoso, come anche vanno dimensionati correttamente gli altoparlanti. Chiedo a qualche esperto di audio HiFi di unirsi al progetto progettando degli opportuni diffusori acustici ad esempio a tre vie con crossover passivo e un bass reflex ben dimensionato. L'effetto sonoro con i giusti diffusori può cambiare notevolmente. 
 

Conclusioni
Sono certo che questo amplificatore darà a tutti coloro che vorranno costruirlo grandi soddisfazioni. L'assemblaggio non ha nessun inghippo nascosto e vi funzionerà praticamente al primo colpo. Vi ricordo che la presa centrale del trasformatore che userete dovrà collocarsi a massa, cosa non difficile da trovare data la chiarezza del layout.
 

Le viti di fissaggio sono purtroppo solo una, ma come potete vedere dal PCB non c'è spazio per poter aggiungere il secondo foro. un aumento della superficie del pcb porta i costi a salire  con una curva piuttosto ripida.

Auguro a tutti buon divertimento.

Marco Gottardo

 

Migliorie possibili.
Suggerisco di interfacciare il presente progetto al mio VU-Meter stereo 10+10 LED.. L'effetto è sorprendete. Consiglio inoltre di abbinarlo al controllo di toni stereo volume , loudness e bilanciamento disponibile nel mio sito personale.

 

 Glossario.
CAD: computer aided design, ovvero disegno assistito dal computer.
CAM: computer aided manufacturing, ovvero produzione industriale assistita dal computer.