[Tuto KiCad] Concevoir un circuit imprimé partie 2: le circuit imprimé

Vous avez aimé le premier article sur KiCAD? vous n’avez plus rien mangé ni bu en attendant la suite? Hé bien faites-vous un gros sandwich avec une bonne bière, car la voici!

Alors avant de commencer, je souhaite me dédouaner d’une chose. Dans le premier tuto, je vous ai présenté les fonctions de base de KiCad en construisant un schéma sans queue ni tête. Dans cette seconde partie, nous n’utiliserons pas le schéma présenté précédemment, mais un vrai schéma pour un vrai projet. C’est plus concret, et surtout, je ne travaillerai pas pour rien, hé hé 🙂

Alors voilà, nous allons partir sur un petit circuit pas méchant. L’idée, c’est de faire un mini shield pour une Arduino Uno, qui va générer un signal sinusoïdal grâce à un DAC (MCP4921). Le DAC pilote un MOSFET pour alimenter une LED de puissance.

Voici le schéma KiCad :

Assigner des empreintes aux composants

Le schéma reste un schéma, et ne reflète pas forcément la réalité physique des composants. D’ailleurs, un même composant peut se présenter sous différentes formes. Typiquement, il peut y avoir une version montée en surface (SMD, ou CMS en français) et une version traversante.

Et malheureusement, KiCad ne peut pas savoir quelle version de chaque composant nous voulons implanter sur notre circuit.

Par conséquent, à chaque composant, nous allons devoir associer une empreinte (c’est à dire une forme physique du composant). Et ce sont ces empreinte que nous allons par la suite positionner sur notre circuit imprimé.

Pour associer une empreinte à un composant du schéma, placez la souris au dessus du composant (ici le MOSFET) et appuyez sur F (comme Footprint).

En appuyant sur le bouton [Sélection], une fenêtre s’ouvre, et nous affiche une méga liste vraiment mal foutue, parce qu’on ne peut pas faire de recherche dedans. Il faut savoir ce qu’on veut. A gauche, on a les grandes familles de composants (résistances, transistors, connecteurs…), éventuellement sous-catégorisés en SMD (Surface Mount Device) et THT (Through Hole Technology). En cliquant sur une famille, on a à droite sa liste d’empreintes de composants.

Dans notre cas, nous allons implanter un MOSFET au format TO-220. Je ne croyais pas dire des choses pareilles en public un jour, mais je réalise que parler de boîtiers TO-220, ça doit quand même faire une sacrée impression dans les dîners mondains.

Pour le DAC, c’est un Housings_DIP:DIP-8_W7.62mm.

Et pour les connecteurs, j’ai pris des Connect:AK300-2 pour les gros (entraxe de 5mm) Pin_Headers:Pin_Header_Straight_1x02_Pitch2.54mm pour les petits.

Ok, donc tous nos composants sont maintenant associés à une empreinte, alors passons à la suite!

Ah il faudra quand même que je vous montre comment créer une empreinte de composant, si jamais vous avez besoin de quelque chose qui n’existe pas dans la librairie standard. C’est important de savoir faire, et vous verrez c’est vraiment facile. Je ferai une aparté à la fin de l’article à ce sujet.

Donc!

Sur la barre d’outils de KiCad, en haut, il y a un bouton [NET]. Cette fonction va nous permettre de générer la netlist, qui est en fait un fichier texte récapitulant toutes les connexions entre les composants. C’est le maillage de notre circuit.

Cliquez sur [Générer], et KiCad va nous proposer d’enregistrer un fichier nom_du_projet.net dans le répertoire du projet. Parfait. Une fenêtre devrait apparaitre.

En fait, KiCad nous explique que chaque composant doit être annoté (par exemple, les résistances doivent être nommées R1, R2, R3…). Alors là, en général je m’en contrefous et je clique sur [Numérotation]. Je fais en général de petits circuits et je sais ce que je vais mettre dessus, et où.

Hop! Notre fichier .net est créé et nous allons pouvoir passer à la vue de conception de circuit imprimé. Pour cela, cliquer sur . Ce bouton est à droite de la barre d’outils.

La fenêtre PcbNew d’ouvre, avec un fond noir, encadré de rouge. Vide. Ah. T’inquiète, c’est normal. Nous allons importer notre netlist, et tout va se charger correctement: clic sur le bouton [NET] dans la barre d’outils, puis [Read Current Netlist]. L’opération peut prendre quelques secondes, et une fois terminée, nous pouvons fermer cette fenêtre.

Positionner les composants

Tout est bien là, mais VRAIMENT en vrac. On va réarranger un peu tout ce bazar avec les touche M et R (déplacer et pivoter, comme lors de la conception du schéma).

On y voit un peu plus clair!

Comme il s’agit d’un shield pour une Arduino Uno, il va falloir être précis au niveau des 4 connecteurs du haut et des deux du bas. L’espacement vertical doit être de 1.9 pouce.

Soit on la joue naïve (en regardant les coordonnées en bas), soit on utilise la grille comme il faut pour un placement efficace. Allez, je choisis pour vous: réponse 2.

La grille est un outil super puissant, pour peu qu’on sache l’exploiter. Nous allons définir une grille personnalisée, avec comme pas vertical 1.9 pouce, et comme pas horizontal 0.1 pouce (2.54mm) (on s’occupera de l’horizontal juste après).

Dans le menu Dimensions>Grid, entrons les deux pas (attention, selon votre configuration régionale, il faut peut être utiliser une virgule à la place du point. J’ai ce problème).

Une fois la grille validée, cliquons sur le bouton tout en bas de la barre d’outils de droite:

Il va nous permettre fixer l’origine de la grille. Nous allons poser cette origine sur la pin SCK du connecteur du haut. C’est la pin 13 de notre Arduino.

Ensuite, activons notre grille personnalisée avec clic droit>Grid select>User Grid.

On peut voir que la partie basse descend un peu trop bas… On va déplacer notre connecteur du bas pour qu’il soit placé sur la ligne de la grille, puis rétablir une grille au pas de 2.54mm pour réarranger vite fait les autres composants.

Procédons de la même manière pour placer notre connecteur du bas correctement en X, et réarrangeons le tout.

Nous pouvons maintenant créer les pistes de cuivre qui relieront nos composants, avec le bouton .

Peu à peu, nous arrivons à quelque chose comme ça:

Zone de remplissage

Nous allons relier toutes les masses à l’aire d’une zone de remplissage. Pour cela, cliquons sur le bouton , puis quelque part sur notre schéma. On choisit la couche de cuivre, le Net (dans ce cas, GND), puis OK. Nous pouvons ensuite dessiner un chouette rectangle autour de notre circuit (double clic pour le valider).

On peut afficher ou pas les zones de remplissage avec les boutons suivants:

Et pour reconstruire la zone, c’est la touche B du clavier.

Oh yeah! Mais le contour… C’est un peu trop conventionnel, non?

Pour terminer, nous allons donner une forme un peu exotique à notre circuit final.

Sélectionnons la couche Edge.Cuts à droite (elle est jaune normalement).

A l’aide des boutons et , nous allons nous éclater à dessiner un contour totalement déliraaaant (avec la voix de Stéphane Bern), puis re-appuyer sur B pour que KiCAD recalcule le remplissage de masse, et hooooop!

Supplément gratuit spécial été : créer une empreinte de composant personnalisée

Savoir créer des composants custom, c’est capital. Pouvoir le faire hyper facilement, c’est encore mieux. C’est d’ailleurs la raison principale qui m’a fait quitter Fritzing pour KiCAD. Avec Fritzing, pour créer un composant, c’est une putain de plaie. Ouverte. Et pas désinfectée. KiCAD, lui, a soigné cette plaie sans douleur ni cicatrice, et m’a même fait un gros bisou sur le front pour que j’oublie tout 🙂

Pour la démo, je vais créer un circuit intégré, le CD4011 (quatre portes NAND). Il a une valeur sentimentale, c’est le premier circuit intégré que j’ai eu l’occasion d’utiliser (Kosmos Electronic 2000… Souvenirs…)

Bref! Voici la tronche du circuit dans KiCAD, vite fait:

CD4011 à la Nico

Bien, maintenant nous allons créer l’empreinte de ce circuit.

Dans l’éditeur de schéma, cliquons sur le bouton Footprint Editor, puis sur New Footprint. On va l’appeler CD4011-DIP.

On va cliquer à droite sur Add Pads, et poser les 14 pastilles de notre circuit intégré (espacées de 2.54mm, et la largeur du circuit est de 7.62mm.

Avant de poser la 2ème pastille, on peut éditer la 1ère (touche E), et régler par exemple la forme et le diamètre de la pastille. Ce réglage sera repris sur les suivantes.

On va créer un répertoire cd4011.pretty dans le dossier du projet, puis aller dans Préférences>Footprint Libraries Manager, cliquer sur l’onglet Project Specific Libraries, et ajouter notre librairie d’empreinte comme ceci:

Après ça, File>Save Footprint in active Library, et on lui donne un nom (CD4011-DIP).

Et voilà! Les numéros de pins de l’empreinte collent avec celles du composant dans le schéma, et c’est toute ce dont on a besoin!

Il ne nous reste plus qu’à dire à KiCAD « Hey, j’ai créé une nouvelle bibliothèque d’empreintes, et j’aimerais l’utiliser dans mon projet. Je peux te montrer où elle se trouve? »

Depuis l’éditeur d’empreintes, on va donc dans Préférences>Assistant des librairies d’empreintes, et on parcourt notre disque dur jusqu’à l’emplacement de notre répertoire pretty. Il nous propose d’importer l’empreinte de façon globale, ou bien juste pour le projet actuel. Pour la démo, choisissons le projet actuel.

De retour dans l’éditeur de schéma, plaçons la souris sur notre composant, appuyons sur F, suis Sélection. On déroule la liste, et voici le graal: notre empreinte du CD4011 est présente et utilisable!

Bilan des courses

Si vous en êtes à lire ce paragraphe, félicitations!

J’avoue que l’article est assez long, j’ai essayé de l’illustrer le plus possible pour expliquer la démarche pas à pas… Normalement, entre le premier article et celui-ci, KiCAD devrait sembler plus accessible qu’au premier abord.

En fait, les raccourcis clavier sont capitaux dans KiCAD, et notamment:

  • M (move) : déplacer un élément
  • G (grab) : déplacer un élément en conservant ses connexions
  • E (edit) : modifier les propriétés d’un élément
  • F (footprint) : assigner une empreinte physique à un composant de schéma
  • Suppr (Delete pour nos amis suisses) : effacer un élément

Si KiCAD a un doute quant à l’élément qui se trouve sous la souris, il affichera un menu Clarification qui nous permet d’indiquer avec précision l’élément sur lequel on veut agir.

Avec tout ça, nous avons un beau circuit imprimé virtuel, il ne reste plus qu’à le fabriquer! Mais ce sera l’objet d’un prochain article 😀

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