NE555타이머 IC를 활용한 LED 교차점등 PCB 설계

안녕하세요 이번에는 NE555 IC타이머를 이용하여 LED 2개를 교차하며 점등하는 회로를 만들고 PCB를 설계하면서

KiCad의 사용법을 익혀보겠습니다.

 

먼저 카이캐드의 구성에 대해 설명하고 진행하겠습니다.

카이캐드를 실행하면 위에 보이는 창이 나오는데 여기서 프로젝트를 생성하고 관리하게 됩니다.

 

저의는 여기서 회로도 편집기 와 PCB 에디터 를 가장 많이 사용할 것입니다.

그 이외 심볼편집기나 풋프린트 편집기도 PCB를 제작하면서 사용하지만 이번 프로젝트에서는

사용할 일은 없습니다.

 

이제 프로젝트를 생성해보겠습니다.

좌측상단에 파일(F) -> 새 프로젝트 를 선택하고 프로젝트를 생성할 위치를 지정하여 프로젝트를 생성해주세요.

저는Chapter1_NE555Timer 이라는 이름으로 프로젝트를 만들었습니다.

그럼 다음과 같이 프로젝트 파일에 프로젝트 이름에 kicad_pcb 와 kicad_sch 라는 확장자가

붙은 파일이 2개 생성이 됩니다.

이중에 먼저 kicad_sch 확장자를 가진 파일을 실행시켜서 회로도를 작성할것입니다.

 

확장자를 가진 프로젝트 파일을 더블클릭하여 실행시켜도 되고 오른쪽에 회로도 편집기 아이콘을

클릭하여도 실행이 됩니다.

이 곳에서 회로도를 그릴것입니다.

오른쪽에 있는 아이콘들이 회로를 설계하면서 사용할 도구들입니다.

 

 

먼저 LED 교차점등 회로에 필요한 부품들을 가져오겠습니다.

*참고로 여기서는 정확히는 부품이 아니라 심볼 이라고 합니다. 앞으로는 심볼이라고 말하겠습니다.

 

심볼은 오른쪽에 파란색으로 표시한 삼각형 모양의 아이콘을 클릭하시면 새로운 창이 나오게 됩니다.

여기서 빨간색으로 표시한 검색창에 원하는 심볼의 기호나 이름을 검색하시면 심볼 이미지나오는데 원하는 심볼이 맞다면 확인버튼을 클릭하거나 엔터를 눌러 부품을 가져옵니다.

 

저의가 필요한 부품들은 저항, 전해콘덴서, LED, NE555 IC, 배터리 홀더 이렇게 5개의 부품의 심볼을 가져와야 합니다.

 

*여기서 주의해야할 점은 콘덴서 입니다. 콘덴서의 종류는 전해, 세라믹, 마일러 등이 있는데 이중 극성이 있는 전해콘덴서 를 가져와야 합니다. 전해콘덴서는 심볼 기호에 +극성이 표시되어 있는걸로 가져와야 합니다. 검색창에 C 를 입력하시면 극성이 없는 부품이 나오는데 아래 리스트를 내리면서 극성이 표시된걸로 찾아주세요

 

*간단하게 화면 조작법을 알려드리겠습니다.

화면은 마우스 휠을 사용하시면 확대 축소가 가능하고 휠버튼 또는 우클릭을 하시면서 커서를 움직이시면 화면이

커서에 따라 이동을 합니다.

 

이렇게 5개의 심볼을 가져오시면 됩니다.

 

여기서 심볼 이동과 회전 등 조작법을 설명드리겠습니다.

먼저 원하는 심볼을 마우스로 클릭하여 선택하시고

이동은 클릭하면서 커서를 움직이시면 되고 정밀하게 이동하고 싶으시면 키보드의 방향키를 사용하시면

1칸씩 이동하게 됩니다.

회전은 키보드의 단축키 R을 눌러 회전이 가능하고 좌우회전은 Y 상하회전은 X 를 누리시면 됩니다.

삭제를하고 싶으시면 Delete키로 삭제가 가능합니다.

복제는일반적인 컨트롤C, 컨트롤V 로 가능합니다.

 

만약 여러개의 심볼을 조작하고 싶으시면 마우스 커서를 클릭하면서 드래그하여 원하는 심볼을 감싸면 여러 심볼을 선택할 수 있습니다.

 

심볼의 이름을 변경하고 싶으시면 이름부분을 더블클릭하시면 변경이 가능합니다.

***주의할점은 ?가 붙어있는것은 설계가 끝나고 심볼 번호를 매길때 사용하기 때문에 변경하지 않는것이 좋습니다.***

 

 

이제 심볼을 배치하고 선으로 연결하겠습니다.

심볼 배치는 자유롭게 하셔도 상관없지만 간단하고 보기좋게 배치하는것이 좋습니다.

선은 도구바에서 빨간색으로 된 대각선 모양을 클릭하시면 선을 연결하는 기능이 활성화 됩니다.

그 상태에서 연결할 심볼의 다리에 대고 클릭하여 심볼끼리 선을 연결하시면 됩니다.

 

아래처럼 연결을 하셨으면 마지막으로 전원부를 연결하시면 됩니다.

전원도 전선으로 연결하면 되지안나 라고 생각할수 있지만 GND까지 모두 선으로 연결하게 되면 선이 많아져 설계하기 불편하기도 하고 캐드 프로그램에서는 추후에 PCB설계를 위해 따로 빼주는것이 좋습니다.

 

전원부는 도구바에서 부품과 선 사이화살표처럼 생긴 GND기호를 선택하시면 심볼을 가져올때와 같은 창이 나오는데

여기서 - 는 GND, + 는 VCC 를 검색하셔서 기호들을 가져와주시면 됩니다.

 

그리고  - 에는 GND 를 연결해 주시고 +에는 VCC에 연결해 주시면 됩니다.

 

이렇게 연결을 다 하셨으면 회로설계는 끝났습니다.

 

*참고로 GND는 되도록 아래를 향해서 배치해주시고 VCC는 위를 향해서 배치해주는것이 좋습니다.

 

 

이제 각각의 심볼을 PCB에 실장하기 위해 부품규격에 맞는 풋프린트를 연결해주어야 하는데

풋 프린트란 PCB에 실장할 부품의 핀 규격과 사이즈 기호등의 정보를 가진 데이터로 이것을 정의해주고

PCB에서 부품 배치만 하면 부품에 맞게 홀과 실크마스크를 그려주는 작업을 자동으로 해주게 됩니다.

설명이 조금 이해하기 힘들수도 있지만 진행하다보면 알수 있으실겁니다.

 

풋프린트 작업은 상단에 심볼 이미지와 부품이미지를 고리로 연결해주는 모양의 아이콘을 클릭하시면 가장먼저

회로도에 주석을 달라는 창이 나오는데 위에서 말했던 각각의 심볼에 번호를 부여한다고 했던 작업을

여기서 하는것입니다.

번호 부여는 그냥 빨간색으로 표시한 주석버튼을 클릭하시면 자동으로 번호가 부여되며

풋프린트를 지정하는 창이 나오게 됩니다.

 

이 창이 열리면 상단에 검정색으로 표시한 3개의 아이콘이 있는데 오늘쪽 아이콘 버튼을 눌러서 기능을 해제해주세요.

저 3개의 기능은 풋프린터를 필터링해주는 기능인데 가가각 설명을 드리면

왼쪽은 선택된 심볼에 정의되어있는 풋프린트들을 찾아주는 기능입니다.

가운데는 심볼의 핀 개수와 풋프린트의 핀 개수가 동일한것만 찾아주는 기능입니다.

오른쪽은 저도 잘 모르겠습니다....

라이브러리별로 보는기능인거 같은데 별로 사용하지 안는 기능이니 그냥 꺼주시면 됩니다.

 

여기서 파란색으로 표시한 부분이 저의가 회로도에서 생성한 심볼 이고 빨간색으로 표시한 부분이 풋프린트 입니다.

풋프린트와 연결할 심볼을 선택하시고 풋프린트 리스트에서 실제로 기판에 실장할 부품에 맞는 규격으로

선택하시면 됩니다.

풋프린트를 찾는 작업이 어려울거라고 생각하실 수 있는데 어렵지는 않습니다.

부품의 개수가 많으면 힘들긴 합니다.

풋프린트 리스트에 글만 있어서 어떤 부품인지 모르기 때문에 좌측상단에 부품과 돋보기 모양 아이콘을 클릭하시면

새로운 창이 열리면서 풋프린트의 모양을 볼 수 있습니다.

그리고 새 창에서 상당에 부품이 기반에 붙어있는 아이콘을 클릭하시면 3D로 부품이 실제로 어떻게 생겼는지 확인하실 수 있습니다.

이 창에서는 부품의 사이즈와 핀이 들어갈 홀의 지름등을 측정할 수 있어 사용할 부품의 규격과 동일한 풋프린트를

선택할 수 있습니다.

왼쪽에 자 모양을 선택하시고 측정할 부분의 처음과 끝부분을 을 클릭하시면 길이를 확인 할 수 있습니다.

 

이렇게 원하는 부품을 찾으시면 풋프린트 리스트에서 선택한 부품을 더블클릭 하시면 심볼과 연결이 됩니다.

같은 방식으로 모든 부품을 연결 해주시면 됩니다.

 

***풋프린트가 기본으로 지정되어 있는 부품인 경우에는 변경하지 마세요***

 

 

모두 지정을 하셨으면 OK버튼을 클릭 해주세요.

*위에 이미지와 동일한 부품을 사용하지 마시고 여러분이 실제로 연결한 부품의 규격을 찾아서 지정해주셔야 합니다.

 

회로설계와 풋프린트 지정까지 다 했으니 이제 PCB를 설계해보겠습니다.

 

프로젝트 관리창에서 PCB 에디터 를 실행해주세요.

 

 

그럼 검정 바탕에 창이 생성이 되는데 여기서 PCB를 설계 할것입니다.

 

먼저 저의가 앞에서 설계하고 풋프린트를 지정한 설계파일을 여기로 가져오겠습니다.

상단에 회로도편집기와 PCB편집기가 연결된 아이콘을 클릭하시면 화면에 창이 나오는데 여기서 Update PCB 버튼을

클릭해주시면 모든 풋프린트를  가져올 수 있습니다. Close 버튼으로 창을 닫아주시고 풋프린트를

화면 가운데에 배치해주세요.

 

풋프린트를 보시면 실선으로 부품들과 연결되어 있는데 저 선들은 저의가 앞에서 회로를 설계할때 전선으로 연결한 선들 입니다. 그냥 PCB설계 가이드 선이라고 보시면 됩니다.

이제 저 풋프린트 들을 적절하게 배치를 해주시면 되는데 배치할때 가이드 선들이 되도록 덜 겹치도록 고려해가면서

배치해주시면 되고 부품끼리 서로 겹치면 안되기 때문에 어느정도 여유를 두셔야 합니다.

 

부품 이동과 조작법은 회로 설계할때와 동일합니다.

 

***한가지 중요한 팁은 메인IC를 중심으로 배치를 해주는것이 좋습니다.***

 

 

이런식으로 배치를 해주시면 됩니다. 물론 저와 똑같이 안하셔도 됩니다.

 

이제 PCB의 모양을 만들어 줄겁니다.

오른쪽에 보면 Edge.Cuts라고 았습니다. 이것을 선택하신 후에 오른쪽 선, 곡서느 사각형, 원, 폴리곤 을 사용하여

PCB의 모양을 그릴 수 있습니다. 이 부분은 구지 설명하지 않겠습니다.

 

이제 각각의 핀끼리 선으로 연결해 줄겁니다.

저의가 만드는 PCB는 양면 PCB이기에 앞면과 뒷면 모두 선으로 연결할 수가 있습니다.

오른쪽에 F.Cu 와 B.Cu 가 있는데 F 가 Front 앞면에 선으로 연결하는거고 B 가 Back 뒷면을 선으로 연결하는 것입니다.

기본적으로는 앞면에서 작업을 하고 현결할 길이 없을경우 뒤로 연결하는것이 일반적입니다.

 

먼저 F.Cu를 선택하시고 오른쪽에 선이 2번 꺾인 아이콘을 글릭하시고 회로를 설계한것처럼 핀과 핀을 클릭하여

연결해주시면 됩니다.

 

만약 상단에서 선을 그리다가 중간에 아래로 내려가서 연결을 해야하는 경우가 있을 수도 있습니다.

그때는 비아홀 을 사용하면 됩니다.

비아홀은 양면 사이에 있는 절연체에 구멍내고 그 사이로 도금처리하여 전지적으로 연결시키는 방식입니다. 

 

중간에 비아홀을 사용하는 방법은 간단합니다. 

선으로 연결중에 우클릭을 하고  Place Through Via 라는 항목을 클릭하시면 비아홀이 선택되고 원하는 지점에 클릭하시면 반대쪽에서 연결할 수 있습니다.

 

***중요한것은 GND는 선으로 연결하지 마세요***

 

이렇게 연결을 다 하셨으면 GND는 카파푸어를 통해 연결해 줄겁니다. 카파푸어는 선이 연결되지 않는 모든 영역을 구리로

채워서 전기적으로 연결될 수 있게 하는것입니다.

 

간단하게 카파푸어를 사용하는 이유를 설명드리겠습니다.

GND를 선으로 연결 할 경우 선이 너무 많아지기에 불편하기도 하고 또한 도선 사이에 생기는 자기장으로 인해 다른 도선에 영향을 미치는것을 GND로 연결되있는 카파푸어를 통해 자지장을 흡수하여 회로의 노이즈를 제거해주기도 하고

발열이 많이 생기는 부품이 있다면 GND와 연결하여 방열을 하기도 합니다. 

 

카파푸어는 오른쪽 도구창에 파란색 도형모양의 아이콘을 클릭하시고 카파푸어를 감싸기 위해 시작지점을 클릭하시면

카파푸어의 설정창이 나오게 됩니다.

여기서 오른쪽 Layer창에 F.Cu B.Cu 두개다 체크해주세요

*이것은 양쪽면에 다 카파푸어를 씌어줄것이라고 지정해 준것입니다.

둘중 하나만 체크하면 체크한 한쪽 면에만 카파푸어가 만들어집니다.

 

그리고 가운데창에 (no net, GND, VCC) 가 있는데 이중 GND를 선택해주셔야 합니다.

*no net는 아무거도 연결하지 안는것이며 GND는 - 부분을 연결한다는것이고 VCC는 + 를 연결한다는 것 입니다.

 

지정을 다 해주셨으면 OK버튼을 클릭해주세요

 

이어서 연결할 영역의 꼭지점을 클릭해주시고 처음 선택한 지점을

마지막으로 다시 찍어주시면 카파푸어를 생성할 영영이 만들어집니다.

 

그리고 카파푸어를 더블클릭하여 다시 설정창을 열고 다시한번 OK버튼을 클릭해주시면

카파푸어가 만들어지게 됩니다.

 

보시면 GND를 연결하던 실선이 모두 사라진것을 보실 수 있습니다.

 

하지만 보시면 중간에 카파푸어가 안들어간 부분이 있는데 저건 다른 선들로 인해 카파푸어가 들어갈 통러가

없어서 카파푸어가 만들어지지 못한것입니다.

지금은 전혀 문제가 없지만 만약 저부분에 GND를 연결해야 하는 부품이 있다면

그 부품은 카파푸어와 연결하지 못하게 됩니다. 그러한 문제또한 비아홀을 사용하여 해결이 가능합니다.

 

오른쪽 도구바에 주황색 원을 선택하시고 연결이 안된 부분에 클릭해주시면 바텀에 존재하는 카파푸어와 연결이 되서

GND가 연결될 통로가 만들어집니다.

 

그리고 다시 카파푸어를 더클릭릭하여 OK버튼을 클릭하여 업데이트 해주시면 카파푸어가 들어가게 됩니다.

 

이것으로 PCB설계는 끝났습니다.

 

 

다음 알려드리것은 추가적인 기능입니다. 제가 알려드릴 기능은 정말 유용한 기능이기에 자주 사용하실겁니다.

 

1. 해당 PCB에 글 새기기

오른쪽 Layers창에서 F.Silkscreen, B.Silkscreen 중 글자를 새길 면을 클릭하시고

도구창에서 T 를 선택해주시면 창이 나오는데 여기서 텍스트를 입력하고 원하는 사이즈를 설정하여

OK버튼을 클릭해주면 텍스트를 넣을 수 있습니다.

 

 

 

2. PCB 사이즈 측정하기

오른쪽 도구바에서 자 모양 아이콘을 클릭하시고

측정할 부분의 한 지점을 클릭하고 다른 지점을 클릭하면 사이즈를 mm단위로 확인이 가능합니다.

 

 

 

3. PCB 3D 로 미리보기

상단에 View -> 3D Viewer 를 클릭하시면 3D로 확인이 가능합니다.

 

이제 정말 마지막으로 PCB을 업체에 발주하기 위해 거버파일을 만들겁니다.

간단하게 거버파일에 대해 설명을 드리겠습니다.

PCB는 여러 기계장비를 사용하여 제작하게되는데 장비들에게 설계도를 입력해줘야 설계도대로

PCB를 가공할 수 있습니다. 그래서 PCB의 모양과 사이즈 각 부품이 들어갈 홀의 좌표 홀의 지름 실크스크린의

데이터등 PCB에 모든 데이터를 각종 기계가 읽을 수 있도록 파일을 만드는 작업입니다.

프로그래밍으로 비유하면 C언어로 작성된 코드가 PCB설계도면이고 컴파일 과정이 지금 저의가 할 거버파일을 만드는 과정 마지막으로 만들어진 바이너리파일이 거버파일 이라고 보시면 됩니다.

 

거버파일은 상단바에서 FIie -> Plot... 을 선택하시면 다음과 같은 창이 나옵니다.

여기서 상단에 plot format 를 Gerber로 지정하시고 옆에 거버파일이 생성될 경로를 지정해주세요.

*거버파일을 생성하면 파일이 10개가 만들어지기에 따로 폴더를 만들어주는것이 편합니다.

그리고 왼쪽에 F.Paste 와 B.Paste 는 체크를 해제해주세요

총 7개의 항목이 체크되어야 합니다.

 

그리고 하단에 Generate Drill Files 버튼을 클릭해주세요.

여기서는 파란색 박스에 항목이 위처럼 설정되있는지 확인해주세요

그리고 하단에 Generate Drill File 버튼을 클릭하고 Close로 창을 닫아주세요

 

그리고 다시 위 창에서 plot 를 클릭해주시면 파일들이 여러분이 지정한 폴더에 생성이 됩니다.

창을 닫아주시고 여러분이 만든 폴더에 들어가보시면 총 10개의 파일들이 생성되있을겁니다.

이제 저 모든 파일을 선택해서zip 으로 압축해서 하나로 만들어주시면 거버파일 만드는 작업이

모두 끝났습니다.

zip으로 만든 파일을 PCB생산 업체에 보내면 여러분이 설계한 PCB를 받을 수 있습니다.

 

이상으로 NE555타이머 IC를 활용한 LED교차점등 PCB설계과정이 모두 끝났습니다.

모두 수고하셨습니다.