PCB Tasarımı Nasıl Yapılır? EasyEDA ile Adım Adım Rehber

PCB tasarımı, breadboard üzerinde kablolarla kurduğun bir devreyi, bakır yolların bileşenleri birbirine bağladığı kalıcı bir baskılı devre kartına (Printed Circuit Board) dönüştürme işidir. Bugün bunun için pahalı programlara ya da fabrikaya gerek yok: ücretsiz EasyEDA ile tarayıcında şemayı çizer, kartı tasarlar, üretim dosyalarını oluşturur ve birkaç tıkla sipariş verirsin; bir iki hafta sonra elinde profesyonel görünümlü kartlar olur.

Bu rehberde Arduino Nano tabanlı küçük bir sensör kartını örnek alarak bütün akışı adım adım göreceksin: şema çizmek, her parça için doğru footprint seçmek, parçaları yerleştirmek, akıma göre yol genişliği belirlemek, GND bakır alanı eklemek, DRC ile hata aramak, Gerber dosyalarını oluşturup sipariş vermek ve gelen kartı test etmek. Sonunda yeni başlayanların en sık yaptığı tasarım hatalarını ve EasyEDA'nın güçlü alternatifi KiCad'i kısaca karşılaştırıyoruz.

PCB nedir, neden breadboard'dan PCB'ye geçmeli?

Bir PCB, cam elyafı takviyeli epoksi (FR-4) bir levhanın üzerine yapıştırılmış ince bakır katmanlardan oluşur. Hobi kartlarının çoğu iki katmanlıdır: üstte ve altta bakır vardır, iki katman via denen kaplamalı küçük deliklerle birbirine bağlanır. Bakırın üzerindeki yeşil (ya da başka renkli) tabaka lehim maskesidir; yolları korur ve lehimin yalnızca pedlere tutunmasını sağlar. En üstteki beyaz yazılar serigrafi (silkscreen) katmanıdır. Breadboard deneme için idealdir ama kablolar titreşimle gevşer, uzun jumper'lar gürültü toplar ve devre bir kutuya sığmaz. PCB ise sağlam, küçük, tekrar üretilebilir ve hata ayıklaması kolay bir sonuç verir.

Örnek proje: Arduino Nano tabanlı sensör kartı

Rehber boyunca, breadboard'da sık kurulan bir devreyi PCB'ye taşıyacağız: bir Arduino Nano, DHT22 sıcaklık-nem sensörü, I2C OLED ekran için dört pinli bir başlık, iki buton, bir LED ve pasif bir buzzer. Nano'yu doğrudan karta lehimlemek yerine iki adet 15 pinli dişi başlığa takacağız; böylece Nano'yu çıkarıp başka projede kullanabilir, arızada kolayca değiştirebilirsin. Kart, 7–12 V'luk bir adaptörü vidalı klemensten alacak ve ters takılmaya karşı bir diyotla korunacak. Pin numaraları için Arduino Nano pinleri yazısına bakabilirsin.

PCB tasarım akışı: 7 adım

1. Şema: Devreyi sembollerle çiz, her bağlantıyı doğrula.
2. Footprint: Her sembolün kartta kaplayacağı ped ve delik düzenini seç.
3. Yerleşim: Kart boyutunu belirle, parçaları mantıklı gruplara yerleştir.
4. Yollar: Bağlantıları bakır yollarla çiz; besleme yollarını kalın tut.
5. Bakır alan: Boş alanları GND'ye bağlı bakırla doldur.
6. DRC: Tasarım kurallarını kontrol et, hataları düzelt.
7. Gerber ve sipariş: Üretim dosyalarını oluştur, kontrol et ve üreticiye yükle.

1. EasyEDA'da şema çizmek

EasyEDA'nın iki sürümü vardır: eski ve sade Standard ile daha yeni ve güçlü Pro. İkisi de ücretsizdir; tarayıcıdan ya da indirilebilir masaüstü istemciyle çalışır. Yeni başlıyorsan Pro ile başla. Ücretsiz bir hesap açtıktan sonra yeni bir proje oluştur; proje açılınca boş bir şema sayfası gelir. Kütüphane panelinden parça adını ya da LCSC parça numarasını aratıp şemaya yerleştir; direnç, kondansatör, LED gibi temel parçaların hazır sembolü ve footprint'i birlikte gelir. Ardından Kablo aracıyla pinleri birbirine bağla, besleme için VCC ve GND sembollerini kullan. Şemayı okumaya alışık değilsen devre şeması okuma yazısı sembolleri tek tek anlatır.

2. Footprint seçimi: şemadaki sembolün karttaki karşılığı

Sembol, şemada parçanın ne yaptığını gösterir; footprint ise kartta parçanın bacaklarının oturacağı pedleri, delikleri ve kapladığı alanı tanımlar. Aynı 10 kΩ direncin onlarca footprint'i vardır: 7,62 mm ya da 10,16 mm aralıklı delikli (THT) bir eksenel direnç, ya da 0805, 0603 gibi yüzey montaj (SMD) kılıflar. Elindeki parçanın ölçüsünü cetvelle ya da kumpasla doğrulamadan footprint seçme. İlk kartında elle lehimlemesi kolay THT parçalarla başlamak en iyisidir; SMD'ye geçtiğinde ise 0805 boyutu elle lehimlenebilecek en rahat seçenektir. SMD dirençlerin üzerindeki kodlar için SMD Kod Çözücü aracını kullanabilirsin.

3. Kart boyutu ve yerleşim

• Önce kenar çizgisi: Kartın dış hattını (board outline) çiz. Örnek kartımız 60 × 50 mm; birçok üretici 100 × 100 mm'nin altındaki kartları en ucuz fiyat sınıfında üretir.
• Montaj delikleri: Dört köşeye, kenardan yaklaşık 3,5 mm içeride 3,2 mm çaplı (M3) delikler koy; kutuya vidalamak sonradan çok kolaylaşır.
• Konnektörler kenarda: Vidalı klemens, OLED başlığı ve Nano'nun USB soketi kart kenarına baksın; kablo takarken parçalar engel olmasın.
• Gruplayarak yerleştir: Besleme parçalarını (klemens, diyot, kondansatör) bir köşede, butonları kullanıcının basacağı kenarda topla.
• Isıdan uzak sensör: DHT22'yi Nano'nun regülatöründen ve buzzer'dan uzağa koy; regülatörün ısısı sıcaklık ölçümünü birkaç derece şaşırtabilir.
• Lehim payı bırak: Parçalar arasında havya ucunun girebileceği boşluk kalsın; yan yana iki pedin arasını 1 mm'nin altına indirme.
• Serigrafi: Her parçanın referansını (R1, D1), LED ve kondansatör kutuplarını, pin adlarını ve kartın adını yaz; yazıları pedlerin üstüne taşırma.

4. Yol (track) çizimi ve yol genişliği

Yerleşim bitince ekranda parçalar arasında ince çizgiler görürsün; bu ratsnest çizgileri şemadaki ama henüz bakırla yapılmamış bağlantıları gösterir. Yol aracıyla her birini bakır bir yola dönüştürürsün. Yolun genişliği taşıyabileceği akımı belirler: dar bir yol yüksek akımda ısınır, gerilim düşümü yaratır ve en kötü durumda yanar. Sinyal yolları için 0,25–0,3 mm yeterlidir; 5 V ve VIN gibi besleme yollarını, özellikle servo, motor ya da LED şeridi besleyeceksen en az 0,6–1 mm tut. Aşağıdaki değerler 1 oz (35 µm) bakırlı bir dış katman ve yaklaşık 10 °C ısınma için IPC-2221 yaklaşımıyla hesaplanmış kaba değerlerdir; güvenlik payı bırakmak her zaman iyidir.

Yollar arasındaki boşluğu (clearance) en az 0,2–0,3 mm tut; üreticilerin çoğu daha dar boşlukları da üretebilir ama geniş boşluk hem üretimde hem lehimde hata payı bırakır. Bir yolu öteki katmana geçirmen gerektiğinde via kullan; 0,3 mm delik ve 0,6 mm dış çaplı via hobi kartları için standart bir seçimdir. Köşeleri 45 derecelik kırımlarla dön ve dar (90 dereceden küçük) açılardan kaçın. İki katmanlı kartlarda üst katmanda yolları çoğunlukla yatay, alt katmanda dikey çizmek kesişmeleri çözmeyi kolaylaştırır. LED direncinin değerini hesaplamak için LED Direnç Hesaplama aracını kullanabilirsin.

5. GND bakır alanı (copper pour)

Bütün yollar çizildikten sonra kartın boş kalan yüzeyini GND ağına bağlı bir bakır alanla doldur; EasyEDA'da bu işi Bakır alan (Copper Area) aracı yapar. Bakır alanı hem üst hem alt katmana ekle ve iki katmanı karta serpiştirdiğin birkaç GND via'sıyla birbirine bağla. Bu yöntemin üç faydası vardır: her parçanın GND bağlantısı ayrı yol çizmeden kısa yoldan yapılır, toprak hattının direnci ve gürültüsü azalır, üreticinin aşındırarak kaldıracağı bakır miktarı düşer. Delikli parçaların GND pedleri bakır alana termal bağlantıyla (dört ince köprüyle) bağlanır; böylece havya ısıyı geniş bakıra kaptırmadan pedi ısıtabilir. Bakır alanı ekledikten sonra yeniden döktür (rebuild) ve hiçbir yere bağlanmayan küçük bakır adacıkları kaldır.

6. DRC kontrolü

DRC (Design Rule Check), tasarımını belirlediğin kurallara göre otomatik tarayan araçtır: çok yakın duran yolları, kenara fazla yaklaşan bakırı, çakışan pedleri, kartın dışına taşan parçaları ve hâlâ bağlanmamış ağları listeler. Hata listesindeki her satıra tıkladığında EasyEDA sorunlu yeri gösterir. DRC'yi hata kalmayana kadar çalıştır, ama yalnızca ona güvenme; DRC bir footprint'in yanlış seçildiğini ya da bir pinin yanlış ağa bağlandığını bilemez. Siparişten önce şu kontrolleri de elle yap:

1. Ekranda hiç ratsnest çizgisi kalmadığından ve DRC'nin sıfır hata verdiğinden emin ol.
2. Kartı kâğıda %100 ölçekle yazdır, parçaların gerçeklerini kâğıdın üzerine koy; delik aralıkları ve Nano başlıkları tam oturmalı.
3. 3D görünümü aç: parçalar üst üste biniyor mu, USB soketi ve klemens kenara doğru mu bakıyor, bak.
4. Besleme hattını takip et: klemens, diyot, kondansatör ve Nano'nun VIN pini doğru sırada mı?
5. Serigrafide kutup işaretleri, pin adları ve kartın adı ile sürüm numarası (ör. v1.0) var mı, kontrol et.

7. Gerber dosyası oluşturma ve sipariş

Üreticiler senin tasarım dosyanla değil, endüstri standardı Gerber dosyalarıyla çalışır. Gerber, kartın her katmanını ayrı bir dosyada tanımlar; delik konumları ve çapları da ayrı bir drill dosyasındadır. EasyEDA'da üretim menüsünden Gerber çıktısını seçtiğinde bütün dosyalar tek bir ZIP arşivine konur; EasyEDA'nın kardeş üreticisine doğrudan sipariş verme seçeneği de bu ekrandadır. ZIP'i başka bir üreticiye de yükleyebilirsin. Hangi üreticiyi seçersen seç, yükledikten sonra çevrim içi Gerber görüntüleyicide kartını katman katman incele; çizdiğin şeyin üretilecek şeyle aynı olduğunu son kez burada görürsün.

Kartlar genellikle birkaç gün içinde üretilir, kargo ise seçtiğin yönteme göre bir iki hafta sürebilir. Kartlar geldiğinde hemen tüm parçaları lehimleme: önce yalnızca diyot, kondansatör ve klemensi tak, multimetreyle VIN ile GND arasında kısa devre olmadığını ölç ve beslemeyi verip Nano'nun başlığında doğru gerilimi gördüğünü doğrula. Sonra parçaları alçaktan yükseğe doğru lehimle: dirençler, diyot, butonlar, başlıklar, en son büyük parçalar. Temiz lehim için lehim nasıl yapılır, ölçüm için multimetre nasıl kullanılır yazılarına bakabilirsin. Nano'yu takıp aşağıdaki test kodunu yüklediğinde kartın her bağlantısını tek tek doğrularsın.

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}

Kod açılışta I2C hattını tarar ve OLED takılıysa adresini (genellikle 0x3C) yazar; hiçbir şey bulunamazsa A4 ve A5 yollarını kontrol etmen gerektiğini söyler. DHT22'nin veri hattı, R1 pull-up direnci doğru lehimlendiyse boşta HIGH okunur; LOW görüyorsan direnç eksiktir ya da hat GND'ye kısa devre olmuştur. Buzzer açılışta kısa bir bip sesi verir, LED yarım saniyede bir yanıp söner, her buton da Seri Monitör'e kendi adını yazar ve farklı bir ses çıkarır. Bu testlerin hepsi geçtiğinde sensör ve ekran kütüphanelerini ekleyip asıl projene geçebilirsin.

Sık yapılan PCB tasarım hataları

KiCad'e kısa bakış: EasyEDA mı KiCad mi?

KiCad'de akış aynıdır: Şema Düzenleyici'de devreyi çizer, her sembole footprint atar, PCB Düzenleyici'de yerleşim ve yolları yapar, DRC'yi çalıştırır ve Çizim (Plot) menüsünden Gerber ile drill dosyalarını üretirsin. İlk kartın için EasyEDA'nın hazır kütüphanesi ve tek adımlı sipariş akışı zaman kazandırır. Tasarımların büyüdükçe, internetten bağımsız çalışmak, dosyalarının tamamen sende olması ve ileri özellikler istiyorsan KiCad'e geçmek mantıklıdır; burada öğrendiğin footprint, yol genişliği, bakır alan ve DRC kavramları iki programda da aynıdır.

İlk PCB'ni elinde tuttuğun an, breadboard'daki kablo yığınının yerini sağlam ve tekrar üretilebilir bir kartın aldığını görürsün; hata yapsan bile ikinci sürüm hep daha iyi olur. Küçük ve THT parçalı bir kartla başla, footprint'leri ve besleme yollarını iki kez kontrol et, siparişten önce kâğıda yazdırıp parçaları dene. BlueGrays uygulamasındaki LED, buton, buzzer, DHT11, LCD ve OLED projelerinin devre şemaları, kendi kartını tasarlarken başlangıç noktası olarak işini görür; önce devreyi uygulamadaki adımlarla breadboard'da çalıştır, sonra PCB'ye taşı.