Come progettare un PCB: guida passo passo con EasyEDA

Progettare un PCB significa trasformare un circuito montato con fili su una breadboard in un circuito stampato (Printed Circuit Board) permanente, in cui piste di rame collegano i componenti. Oggi non servono programmi costosi né una fabbrica: con EasyEDA, gratuito, disegni lo schema nel browser, progetti la scheda, generi i file di produzione e ordini con pochi clic; dopo una o due settimane hai in mano schede dall'aspetto professionale.

In questa guida seguirai l'intero processo passo passo prendendo come esempio una piccola scheda sensori basata su Arduino Nano: disegnare lo schema, scegliere il footprint giusto per ogni componente, posizionare i componenti, definire la larghezza delle piste in base alla corrente, aggiungere un piano di massa GND, cercare gli errori con il DRC, generare i file Gerber, ordinare e collaudare la scheda quando arriva. Alla fine vediamo gli errori di progettazione più comuni tra i principianti e confrontiamo brevemente EasyEDA con la sua potente alternativa, KiCad.

Cos'è un PCB e perché passare dalla breadboard al PCB?

Un PCB è fatto di sottili strati di rame incollati su una lastra di epossidica rinforzata con fibra di vetro (FR-4). La maggior parte delle schede hobbistiche è a due strati: c'è rame sopra e sotto, e i due strati sono collegati da piccoli fori metallizzati chiamati via. Lo strato verde (o di altro colore) sopra il rame è il solder mask; protegge le piste e fa sì che lo stagno aderisca solo alle piazzole. Le scritte bianche in cima formano lo strato di serigrafia (silkscreen). La breadboard è ideale per provare, ma i fili si allentano con le vibrazioni, i ponticelli lunghi raccolgono disturbi e il circuito non entra in una scatola. Un PCB dà un risultato robusto, compatto, replicabile e facile da verificare.

Progetto d'esempio: scheda sensori basata su Arduino Nano

In tutta la guida porteremo su PCB un circuito che si monta spesso su breadboard: un Arduino Nano, un sensore di temperatura e umidità DHT22, un connettore a quattro pin per un display OLED I2C, due pulsanti, un LED e un buzzer passivo. Invece di saldare il Nano direttamente sulla scheda, lo inseriremo in due strip femmina da 15 pin; così potrai toglierlo per un altro progetto o sostituirlo facilmente in caso di guasto. La scheda riceverà 7–12 V da un alimentatore tramite un morsetto a vite e sarà protetta dall'inversione di polarità con un diodo. Per i numeri dei pin vedi Pinout di Arduino Nano.

Il flusso di progettazione di un PCB: 7 passi

1. Schema: Disegna il circuito con i simboli e verifica ogni collegamento.
2. Footprint: Scegli la disposizione di piazzole e fori che ogni simbolo occuperà sulla scheda.
3. Posizionamento: Definisci le dimensioni della scheda e disponi i componenti in gruppi logici.
4. Piste: Disegna i collegamenti come piste di rame; tieni larghe quelle di alimentazione.
5. Piano di rame: Riempi le zone vuote con rame collegato a GND.
6. DRC: Controlla le regole di progetto e correggi gli errori.
7. Gerber e ordine: Genera i file di produzione, controllali e caricali presso il produttore.

1. Disegnare lo schema in EasyEDA

EasyEDA esiste in due edizioni: la vecchia e semplice Standard e la più recente e potente Pro. Entrambe sono gratuite e funzionano nel browser o con un client desktop scaricabile. Se sei agli inizi, parti con Pro. Dopo aver creato un account gratuito, crea un nuovo progetto; all'apertura trovi un foglio di schema vuoto. Cerca nel pannello Library il nome del componente o il suo codice LCSC e posizionalo nello schema; i componenti di base come resistenze, condensatori e LED arrivano con simbolo e footprint già pronti. Poi collega i pin con lo strumento Wire e usa i simboli VCC e GND per l'alimentazione. Se non sei abituato a leggere gli schemi, Come leggere uno schema elettrico spiega i simboli uno per uno.

2. Scegliere i footprint: l'equivalente del simbolo sulla scheda

Il simbolo mostra nello schema cosa fa un componente; il footprint definisce le piazzole e i fori in cui si inseriscono i suoi terminali sulla scheda e lo spazio che occupa. La stessa resistenza da 10 kΩ ha decine di footprint: una resistenza assiale a foro passante (THT) con passo di 7,62 mm o 10,16 mm, oppure package a montaggio superficiale (SMD) come 0805 e 0603. Non scegliere mai un footprint senza controllare con un righello o un calibro le misure del componente che hai in mano. Per la prima scheda conviene partire da componenti THT, facili da saldare a mano; quando passerai all'SMD, il formato 0805 è il più comodo da saldare a mano. Per i codici stampati sulle resistenze SMD usa lo strumento Decodificatore codici SMD.

3. Dimensioni della scheda e posizionamento

• Prima il contorno: Disegna il contorno della scheda (board outline). La nostra scheda d'esempio misura 60 × 50 mm; molti produttori realizzano le schede sotto i 100 × 100 mm nella fascia di prezzo più economica.
• Fori di fissaggio: Metti fori da 3,2 mm (M3) nei quattro angoli, a circa 3,5 mm dal bordo; avvitare la scheda in una scatola diventerà molto più facile.
• Connettori sul bordo: Il morsetto, il connettore OLED e la presa USB del Nano devono guardare verso il bordo, così nessun componente intralcia quando colleghi i cavi.
• Posiziona per gruppi: Raggruppa i componenti di alimentazione (morsetto, diodo, condensatore) in un angolo e i pulsanti sul bordo dove l'utente li premerà.
• Sensore lontano dal calore: Metti il DHT22 lontano dal regolatore del Nano e dal buzzer; il calore del regolatore può falsare di qualche grado la misura di temperatura.
• Lascia spazio per saldare: Tra i componenti deve passare la punta del saldatore; non scendere sotto 1 mm tra due piazzole vicine.
• Serigrafia: Scrivi il riferimento di ogni componente (R1, D1), la polarità di LED e condensatore, i nomi dei pin e il nome della scheda; non far finire il testo sulle piazzole.

4. Tracciare le piste e scegliere la larghezza

Finito il posizionamento vedi delle linee sottili tra i componenti; queste linee ratsnest mostrano collegamenti presenti nello schema ma non ancora realizzati in rame. Con lo strumento Track trasformi ognuna in una pista di rame. La larghezza di una pista determina quanta corrente può portare: una pista stretta si scalda con correnti elevate, provoca cadute di tensione e nel caso peggiore brucia. Per le piste di segnale bastano 0,25–0,3 mm; tieni le piste di alimentazione come 5 V e VIN ad almeno 0,6–1 mm, soprattutto se alimenteranno servo, motori o strisce LED. I valori qui sotto sono stime approssimative calcolate con l'approssimazione IPC-2221 per uno strato esterno con rame da 1 oz (35 µm) e circa 10 °C di riscaldamento; lasciare un margine di sicurezza è sempre una buona idea.

Mantieni una distanza tra le piste (clearance) di almeno 0,2–0,3 mm; la maggior parte dei produttori riesce a fare distanze più strette, ma una distanza ampia lascia margine d'errore sia in produzione sia in saldatura. Quando una pista deve passare sull'altro strato usa una via; una via con foro da 0,3 mm e diametro esterno di 0,6 mm è una scelta standard per le schede hobbistiche. Fai le curve con angoli a 45 gradi ed evita gli angoli acuti (meno di 90 gradi). Sulle schede a due strati, tracciare le piste soprattutto in orizzontale sullo strato superiore e in verticale su quello inferiore aiuta a risolvere gli incroci. Per calcolare il valore della resistenza del LED usa lo strumento Calcolatore resistenza LED.

5. Piano di massa GND (copper pour)

Quando tutte le piste sono tracciate, riempi la superficie libera della scheda con rame collegato alla rete GND; in EasyEDA lo fa lo strumento Copper Area. Aggiungi il piano sia sullo strato superiore sia su quello inferiore e collega i due strati con alcune via di massa distribuite sulla scheda. I vantaggi sono tre: il collegamento a massa di ogni componente avviene per la via più breve senza piste dedicate, resistenza e disturbi della massa diminuiscono e il produttore deve asportare meno rame. Le piazzole di massa dei componenti a foro passante si collegano al piano tramite thermal relief (quattro raggi sottili), così il saldatore riesce a scaldare la piazzola senza disperdere il calore nella grande superficie di rame. Dopo aver aggiunto il piano, ricalcolalo e rimuovi le piccole isole di rame non collegate a nulla.

6. Il controllo DRC

Il DRC (Design Rule Check) è lo strumento che controlla automaticamente il progetto rispetto alle regole che hai impostato: elenca piste troppo vicine, rame troppo vicino al bordo, piazzole sovrapposte, componenti che escono dalla scheda e reti ancora non collegate. Facendo clic su una riga dell'elenco errori, EasyEDA ti mostra il punto del problema. Esegui il DRC finché non resta nessun errore, ma non affidarti solo a lui; il DRC non può sapere che un footprint è stato scelto male o che un pin è collegato alla rete sbagliata. Prima di ordinare fai anche questi controlli a mano:

1. Assicurati che sullo schermo non restino linee ratsnest e che il DRC dia zero errori.
2. Stampa la scheda su carta in scala 100% e appoggiaci sopra i componenti veri; le distanze dei fori e gli strip del Nano devono combaciare esattamente.
3. Apri la vista 3D: controlla che i componenti non si sovrappongano e che la presa USB e il morsetto guardino verso il bordo.
4. Segui il percorso dell'alimentazione: morsetto, diodo, condensatore e pin VIN del Nano sono nell'ordine giusto?
5. Controlla che la serigrafia riporti i segni di polarità, i nomi dei pin, il nome della scheda e un numero di versione (ad es. v1.0).

7. Generare i file Gerber e ordinare

I produttori non lavorano con il tuo file di progetto, ma con i file Gerber, lo standard del settore. Il Gerber descrive ogni strato della scheda in un file separato; posizioni e diametri dei fori sono in un file di foratura (drill) a parte. Scegliendo l'uscita Gerber nel menu di produzione di EasyEDA, tutti i file vengono raccolti in un unico archivio ZIP; nella stessa schermata c'è anche l'opzione per ordinare direttamente dal produttore collegato a EasyEDA. Puoi comunque caricare lo ZIP presso qualsiasi altro produttore. Qualunque sia la tua scelta, dopo il caricamento esamina la scheda strato per strato nel visualizzatore Gerber online; è l'ultima occasione per vedere che ciò che hai disegnato è ciò che verrà prodotto.

Di solito le schede vengono prodotte in pochi giorni, mentre la spedizione può richiedere una o due settimane a seconda del metodo scelto. Quando arrivano, non saldare tutto subito: monta prima solo diodo, condensatore e morsetto, verifica con il multimetro che non ci sia cortocircuito tra VIN e GND, poi alimenta e controlla di avere la tensione giusta sugli strip del Nano. Quindi salda i componenti dal più basso al più alto: resistenze, diodo, pulsanti, strip e per ultimi i componenti grandi. Per saldature pulite vedi Come saldare, per le misure Come usare il multimetro. Inserisci il Nano e carica lo sketch di prova qui sotto per verificare uno per uno tutti i collegamenti della scheda.

1// Nano kartı ilk test: her bağlantıyı tek tek doğrula
2// Nano board first test: check every connection one by one
3#include <Wire.h>
4
5const int DHT_PIN  = 2;              // DHT22 veri hattı, 10 kΩ pull-up / DHT22 data line, 10 kΩ pull-up
6const int BUTON1   = 3;              // buton GND'ye / button to GND
7const int BUTON2   = 4;
8const int LED_PIN  = 6;              // LED + 330 Ω
9const int BUZZER   = 8;              // pasif buzzer / passive buzzer
10
11void i2cTara() {
12  byte bulunan = 0;
13  for (byte adres = 1; adres < 127; adres++) {
14    Wire.beginTransmission(adres);
15    if (Wire.endTransmission() == 0) {             // cihaz cevap verdi / a device answered
16      Serial.print(F("I2C cihaz / device: 0x"));
17      Serial.println(adres, HEX);                  // OLED genelde 0x3C / OLED is usually 0x3C
18      bulunan++;
19    }
20  }
21  if (bulunan == 0) Serial.println(F("I2C cihaz yok: A4/A5 yollarini kontrol et / no I2C device: check the A4/A5 tracks"));
22}
23
24void setup() {
25  Serial.begin(9600);
26  pinMode(BUTON1, INPUT_PULLUP);
27  pinMode(BUTON2, INPUT_PULLUP);
28  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
29  pinMode(DHT_PIN, INPUT);
30  Wire.begin();
31
32  Serial.println(F("--- Kart testi / board test ---"));
33  i2cTara();
34  // Pull-up direnci lehimliyse veri hattı boşta HIGH okunur
35  // If the pull-up resistor is soldered, the idle data line reads HIGH
36  Serial.print(F("DHT hatti / DHT line: "));
37  Serial.println(digitalRead(DHT_PIN) ? F("HIGH (pull-up tamam / OK)") : F("LOW (pull-up ya da kisa devre? / pull-up or short?)"));
38  tone(BUZZER, 2000, 150);                         // buzzer kısa bip / short beep
39}
40
41void loop() {
42  digitalWrite(LED_PIN, (millis() / 500) % 2);     // LED yarım saniyede bir / LED every half second
43
44  static bool once1 = HIGH, once2 = HIGH;
45  bool b1 = digitalRead(BUTON1);
46  bool b2 = digitalRead(BUTON2);
47  if (b1 == LOW && once1 == HIGH) { Serial.println(F("Buton 1 / button 1")); tone(BUZZER, 1000, 80); }
48  if (b2 == LOW && once2 == HIGH) { Serial.println(F("Buton 2 / button 2")); tone(BUZZER, 1500, 80); }
49  once1 = b1;
50  once2 = b2;
51  delay(20);                                       // basit debounce / simple debounce
52}

All'avvio il codice scansiona il bus I2C e, se l'OLED è collegato, ne stampa l'indirizzo (di solito 0x3C); se non trova nulla, ti dice di controllare le piste di A4 e A5. Se la resistenza di pull-up R1 è saldata correttamente, la linea dati del DHT22 a riposo si legge HIGH; se vedi LOW, manca la resistenza oppure la linea è in cortocircuito con GND. Il buzzer emette un breve bip all'avvio, il LED lampeggia ogni mezzo secondo e ogni pulsante scrive il proprio nome nel Monitor seriale con un suono diverso. Quando tutti i test sono superati, puoi aggiungere le librerie del sensore e del display e passare al tuo progetto vero e proprio.

Errori comuni nella progettazione di un PCB

Uno sguardo a KiCad: EasyEDA o KiCad?

In KiCad il flusso è lo stesso: disegni il circuito nell'Editor schemi elettrici, assegni un footprint a ogni simbolo, posizioni e tracci nell'Editor PCB, esegui il DRC e generi i file Gerber e di foratura dal menu Plotta (Plot). Per la prima scheda, la libreria pronta di EasyEDA e l'ordine in un solo passo fanno risparmiare tempo. Quando i tuoi progetti crescono, passare a KiCad ha senso se vuoi lavorare offline, tenere i file completamente in mano tua e usare funzioni avanzate; i concetti di footprint, larghezza delle piste, piano di rame e DRC imparati qui sono identici nei due programmi.

Nel momento in cui hai in mano il tuo primo PCB, vedi una scheda robusta e replicabile prendere il posto del groviglio di fili sulla breadboard; anche se commetti un errore, la seconda versione viene sempre meglio. Parti da una scheda piccola con componenti THT, ricontrolla footprint e piste di alimentazione e stampala su carta per provare i componenti prima di ordinare. Gli schemi di collegamento dei progetti con LED, pulsante, buzzer, DHT11, LCD e OLED dell'app BlueGrays sono un buon punto di partenza per progettare la tua scheda; prima fai funzionare il circuito su breadboard seguendo i passi dell'app, poi portalo su PCB.