Ist mein erster Platinen-Entwurf nutzbar?

[Hitomi I. (hitomi)]

Liebes Forum,

Folgendes ist gegeben:

- Ein Lattepanda Alpha (das ist ein Mini-PC und Arduino Leonardo in 
einer Platine)
- Ein iPad 9,7" Retina Display mit HDMI-Steuerplatine aus China (Google: 
"vsdisplay 9.7 lcd")
- Gehäuse Marke Eigenbau

Daraus soll als Bastel/Lernprojekt ein kleiner All in One PC entstehen.

Display, Steuerplatine und der Lattepanda arbeiten mit 12V. Das Display 
gönnt sich 1-2A und der Lattepanda 1-3A je nach Auslastung. Strom kommt 
von einem 12V 10A Schaltnetzteil.

Die Steuerplatine für das Display hat ein kleines Extra-Board mit 5 
Tastern um ein Einstellungsmenü aufzurufen. Beim Drücken einer Taste 
wird die entsprechende Signalleitung gegen Masse kurzgeschlossen; nichts 
ungewöhnliches. Die Steuerleitungen möchte ich mit der Arduino-Seite des 
PCs ansteuern.

Zudem möchte ich 12V Ausgänge für die Display-Platine, den Lattepanda 
und einen kleinen 12V PC-Lüfter bereitstellen. Display und Lüfter sollen 
hart ausgeschaltet werden wenn der PC aus ist oder schläft (er hat für 
seine ACPI-Zustände Pins, die der Arduino auslesen kann).

Um die Komponenten ordentlich zusammenzubringen bedarf es also ein 
bisschen Verbindungslogik. Das könnte man mit Bastel-Relais-Platinen für 
20€/Stk von Amazon lösen, oder selber entwerfen. Ich habe mich mit 
EasyEDA hingesetzt und letzteres versucht. Ich bin aber leider etwas 
unsicher und habe nicht viel Erfahrung im Design von Schaltkreisen.

Die Platine habe ich so angeordnet, dass der 12V-Teil und der Logik-Teil 
möglichst weit voneinander weg sind. Die Leiterbahnen für 12V sind 
entsprechend dicker um bis zu 6A Spannung auszuhalten. Die Maße der 
Platine sind fest. Eine sinnvollere Anordung der Komponenten konnte ich 
nicht finden.

Funktioniert mein Verpol- und Überspannungsschutz mit Feinsicherung und 
der TC1N4742ATB 12V Zenerdiode? An das Gehäuse soll später eine Buchse 
für einen Hohlstecker. Besser die Platine stirbt bei 
Verpolung/Überspannung als der teure Lattepanda.

Solid State Relais um die Taster-Signalleitungen gegen Masse zu schalten 
ist übertrieben, aber wird funktionieren oder? Da ich nicht weiß wie der 
Display-Controller RTD2556 intern genau arbeitet, fühlt es sich mit den 
Relais sicherer an.

Sorgen machen mir die Widerstände vor den CPC1017NTR und dem AQZ102. 
Rein kommen 5V vom Arduino. Ausgerechnet habe ich die 4kΩ mit dem 
<ohmslawcalculator.com/led-resistor-calculator>. Passt das so?

Ist irgendwas am Design richtig falsch oder schlecht?

Grüße

Hitomi

[Dieter D. (dieter_dosenkohl)]

6A Spannung? :D
Verpolungsschutz sollte passen. Vorwiderstand auch. Warum keine 
Massefläche?

[Christian M. (christian_m280)]

Hitomi I. schrieb:
> Strom kommt von einem 12V 10A Schaltnetzteil.

= gemeinsame Masse! Warum dann Optokoppler?

Gruss Chregu

[Harald A. (embedded)]

Leiterbahnen ohne Not so eng zusammen ist unschön.

[Gabriel M. (gabse)]

Zu Hellgrün:
Nimm besser mehrere kleine Vias nebeneinander anstatt einer großen. Der 
Umfang (da wo der Strom Fliest) ist bei gleicher PCB Fläche größer.
Alternativ direkt vom Anschlussstecker weck fahren oder noch besser Plus 
und GND als jeweils ein Polygon (z.B. oben Plus unten GND über den 
gerammten Bereich) ausführen.

Zu Lila:
Die Leiterbahnen sind eindeutig zu nahe. Generell würde ich auch dickere 
Leiterbahnen nehmen, gibt später weniger Probleme in der Fertigung.

Zu hellblau:
Wenn möglich immer auf die Mitte des Pads fahren.

Generell wenn möglich auf 90° Winkel verzichten, da sog. AcidTraps 
entstehen können, besser 45° Winkel verwenden.

Die Diode eventuell um 90° drehen, oder etwas nach innen verschieben, um 
mit der Leiterbahn weiter vom Platinenrand weck zu bleiben.

Die Vorwiderstände für die Optokoppler würde ich neben das 
entsprechenden de Pad am Optokoppler verschieben, den für den AQZ102 
darunter um nicht nachher die Leiterbahnen überkreuzten zu müssen

Der Vorwiderstand ist etwas zu groß.
Laut Datenblatt ergibt sich für 5mA über die LED ein Spannungsabfall von 
1,2V. Bei 5V Eingangsspannung resultieren komme ich auf 760Ω (Ohmsches 
Gesetz). Überlege dir auch eine normale LED an jeden Optokoppler 
anzuschließen, vereinfacht später die Fehlersuche in der SW.

[DSGV-Violator (Gast)]

Sind die drei Klemmblöcke richtig oder um 180° gedreht position9iert? In 
der Iso-Ansicht scheint es fast als ob die Kabel über das Board statt 
von der Seite (linsks resp. unten) geführt werden.

Die eckbohrungen wurde ich mehr ins Boardinnere ziehen und schauen das 
Platz für Unterlegscheiben ist. für die GPIO leiste könnte man auch eine 
abgewinckelte am Rand nehmen, aber dafür müsste man das "drumherum" 
kennen.

[Robert G. (robert_g311)]

Servus,

- ohne den Opto zu kennen, aber sind 2mA bis 3mA LED-Strom ausreichend?
- wenn schon Optos, dann sollte im Layout auch eine Trennung von Primär- 
und Sekundär ersichtlich sein
- ganz wichtig: Unbedingt Layoutname und Version bzw. Datum ins Kupfer 
setzen. So hat man es nachträglich viel leichter, die Versionen den 
Dateien zuzuordnen. Jetzt weißt Du noch alles, aber in 2 Jahren bist Du 
um jeden Hinweis dankbar, wenn Du zu der physikalischen Leiterplatte die 
Unterlagen suchst...

- ich persönlich würde für Vcc noch ein paar SMD-Pads für 
Abblockkondensatoren vorsehen. Muß man ja nicht bestücken, aber wenn der 
Platz da ist, kann es nichts schaden.

Gruß

Robert

[Cyblord -. (cyblord)]

Dieter D. schrieb:
> 6A Spannung? :D

Ja mein Gott, das kannst du einfach in Wh umrechnen wenn du unbedingt 
den Strom wissen willst.

[Markus K. (mako)]

Vom Prinzip passt das mit dem Überspannungs-/Verpolungsschutz.
Aber 12V Zener-Diode bei 12V Schaltung wird nicht funktionieren. Du hast 
ja sicher etwas mehr als 12V in der Versorgung und die Diode leitet 
bereits bei 9.1V 5uA ab. Definitiv spätestens bei 12V hast du einen 
Kurzschluss. Dir brennt also immer die Sicherung durch.
Würde da bei den erwarteten Strömen lieber etwas experimentieren/messen 
und sehen ob es funktioniert.
Tendenziell würde ich gleich zu einer mit mind. 13V greifen. Das müsste 
die Schaltung bzgl. Überspannung abkönnen.
Aber auch hier messen, ob die Diode nicht im Normalbetrieb schon viel zu 
viel in Wärme umwandelt.
Wenn es genauer sein soll/muss, ansonsten TVS.

[Lothar J. (black-bird)]

Zwischen LP_PWR und F1 könnte noch eine Befestigungsbohrung sein, um den 
Druck des Schraubendrehers abzufangen. Sind die Schraubklemmen um 180° 
gedreht?

Blackbird

[Hitomi I. (hitomi)]

Vielen Dank für das ganze Feedback. Das ist wirklich sehr lieb von Euch.

Ich habe versucht es zu verbessern.

* Eine Massefläche durch das ganze Board kann ich irgendwie nicht 
sinnvoll realisieren da LCD_CTRL ganz oben im Weg ist. Der muss leider 
da sein weil dort das relativ kurze Anschlusskabel von der 
HDMI-Steuerplatine ankommt. Vielleicht sehe ich die Lösung mangels 
Erfahrung aber auch einfach nicht?
* Warum Optokoppler? Bei Electronics Stack Exchange stand, dass sei 
sicherer wenn man den Schaltkreis, den man ansteuern möchte, nicht exakt 
kennt. Für eine vereinfachte Transistor-als-Schalter-Variante gilt: 
zwischen dem Pin von GPIO_IN und der Basis muss ein 1kΩ Widerstand, dann 
Masse an den Emitter und die Steuerleitung für die Display-Taste an den 
Kollektor, richtig?
* Das mit der zu engen Leiterbahn war ein Versehen. Wenn man in EasyEDA 
nicht aufpasst mit den Pfeiltasten fängt das Programm an Sachen zu 
verschieben, was man je nach Zoom-Level gar nicht mitbekommt. Ich habe 
auch die Designregeln angepasst: Leiterbahnbbreite von 0.25 auf 0.5 
erhöht und auch den Abstand auf mindestens 0.3. Nicht so schön ist es 
leider noch bei LCD_CTRL.
* Das große Via für Masse ist weg. Mit Schraubklemmen macht es natürlich 
keinen Sinn. Vor den Schraubklemmen waren da Lötpads.
* Ich habe nochmal alle Pads angeschaut und darauf geachtet, dass die 
Leiterbahnen sie mittig treffen.
* Alle 90° Winkel habe ich entfernt. Die Diode wurde gedreht und 
verschoben. Die Vorwiderstände für die Optokoppler habe ich so 
verschoben, dass sie genau in einer Linie mit den Pads liegen.
* Die Diode TC1N4742ATB habe ich ersetzt durch eine 1N5247B. Geschützt 
werden soll die Elektronik später primär davor, dass jemand irgendein 
altes Laptop-Netzteil mit Hohlstecker einsteckt, das direkt mit z.B. 24V 
loslegt.
* Die Klemmblöcke sind glaube ich so richtig. Siehe Render im Anhang.
* Die Bohrlöcher habe ich weiter innen platziert. Ich habe auch ein 
extra Loch neben den Schraubklemmen platziert damit das Board nicht 
durchbricht wenn es auf Abstandshaltern steht.
* Boardname und Revision habe ich hinzugefügt.
* Bei den Optokopplern ist die Primärseite oben und die Sekundärseite 
läuft unten und kommt nur kurz vor den Pads mit Vias nach oben. 
Zumindest dachte ich das sei so am besten (Versuch 1 mit dem Autorouter 
sah aus wie von einem Kleinkind hingekritzelt).
* Status-LEDs für den jeweiligen Schaltzustand fehlen leider noch.

Zu den Vorwiderständen: R7 für die Power LED am JST-Anschluss war 
Copy/Paste Blödsinn. Bei 4kΩ leuchtet da nichts. Verbessert.

Bei den Optokoppler-Vorwiderständen... die Datenblätter sind wie wenn 
ein Japaner Chinesisch lesen möchte, für mich. Die Schriftzeichen sind 
bekannt, der Sinn nur so halb. Leider. Ich bin so vorgegangen:

* Datenblatt CPC1017NTR: 
https://www.ixysic.com/home/pdfs.nsf/www/CPC1017N.pdf/$file/CPC1017N.pdf
* Datenblatt AQZ102: 
https://datasheet.octopart.com/AQZ102-Panasonic-datasheet-10449216.pdf
* Rechner: https://ohmslawcalculator.com/led-resistor-calculator
> Voltage Source (VS) = 5V
>
> Voltage drop from LED (VLED) = 1.2V für CPC1017NTR, 1.25V für AQZ102
>
> Current through the LED (ILED) = 1 mA für CPC1017NTR und AQZ102
>
> Ergebnis für CPC1017NTR: 3800Ω
>
> Ergebnis für AQZ102: 3750Ω


Aber warum 760Ω? Das wären 6.58mA bei 5V. Soweit ich es verstehe würde 
das sowohl CPC1017NTR als auch AQZ102 kaputt machen. Das soll kein 
Vorwurf sein. Lese ich das Datenblatt falsch? Ich würde meinen 
Denkfehler gerne verstehen. Ich dachte die beiden Optokoppler möchten 
max. 1mA für ihre LEDs, so verstand ich zumindest das Datenblatt.

Ich habe noch einen Ausschnitt beim Optokoppler für die 
12V-Stromversorgung hinzugefügt um die Leiterbahnen bestmöglich 
voneinander zu trennen. Macht das Sinn?

Ich hoffe das Design ist jetzt nicht mehr so schlimm, dass sich ein 
Experte dafür fremdschämen würde. Wegen den Optokoppler-Widerständen bin 
ich jetzt allerdigns total verunsichert.

Grüße

Hitomi

[Hitomi I. (hitomi)]

Okay unter 
https://ac-faq.industrial.panasonic.com/en/faq_detail.html?id=1092 wird 
die Widerstandsberechnung ganz langsam und deutlich erklärt bzw. gesagt 
"nimm diesen Wert".

Und im Datenblatt stand auf Seite 3 in der Fußnote, dass der Panasonic 
Optokoppler gerne 5mA oder 10mA für seine LED hätte. Jetzt macht das 
alles viel mehr Sinn.

[Gabriel M. (gabse)]

Hitomi I. schrieb:
> * Alle 90° Winkel habe ich entfernt.
Hi, das 90° sollte eigentlich bedeuten wenn möglich keine Winkel kleiner 
90°, habe ich mich wohl unklar ausgedrückt. Jetzt hast du teilweise 45° 
Winkel was noch schlechter ist. Bei Abzweigungen sind 90° Winkel OK, 
ansonsten eher zu vermeiden.

Achtung R6 ist unter dem Optokoppler platziert, den würde ich dringend 
verschieben.

Hitomi I. schrieb:
> Aber warum 760Ω? Das wären 6.58mA bei 5V.
Nein sind es nicht, da an der LED im Optokoppler 1,2V abfallen. Damit 
bleiben am Widerstand 5-1,2V=3,8V übrig. Damit kommst du dann auf 760Ω 
bei 5mA.

Hitomi I. schrieb:
> Ich dachte die beiden Optokoppler möchten
> max. 1mA für ihre LEDs, so verstand ich zumindest das Datenblatt.

Die 1mA sind sind Mindeststrom. Der Maximalstrom sind laut Datenblatt 
50mA (siehe Screenshot)
5mA habe ich gewählt, da die Graphen im Datenblatt bei 5mA aufgenommen 
wurden, aber du kannst auch problemlos bis 20mA gehen, belastet dann 
aber möglicherweise den Ausgang des Arduino stärker.

Hitomi I. schrieb:
> Ich habe noch einen Ausschnitt beim Optokoppler für die
> 12V-Stromversorgung hinzugefügt um die Leiterbahnen bestmöglich
> voneinander zu trennen. Macht das Sinn?

Nein. Macht nur Sinn wenn die Spannung zwischen den beiden Leiterbahnen 
sehr hoch ist (>100V), und die Gefahr besteht dass es überschlägt. Da 
bei dir alles 12V ist kannst du darauf verzichten.

Hitomi I. schrieb:
> * Status-LEDs für den jeweiligen Schaltzustand fehlen leider noch.

Pro-Tip schalte die LED in Reihe zur LED im Optokoppler, und mache den 
Vorwiderstand entsprechend kleiner (R=(Uv-U1-U2)/I mit Uv = 
Versorgungsspannung, U1 = Spannung LED1 U2 = Spannung LED2) das 
Reduziert die Belastung am Arduino.

Du brauchst vermutlich keine Isolation, deshalb sollte es schon OK sein 
so, Man könnte aber die Optokoppler um 90° Drehen, dan könnte sich eien 
keleine Isolationsstrecke ausgehen. Wie ich das mit der Massefläche 
gemeint hatte ist im Layout eingezeichnet. Blau = Nur Unten Massefläche, 
Rot = Oben und unten Massefläche. Dabei unten immer Minus, und oben 
Plus.

Was aber fehlt ist eine Freilaufdiode über den FAN Anschluss. Ist zwar 
nicht sicher notwendig, Würde ich aber besser trotzdem vorsehen.

[Rainer W. (rawi)]

Harald A. schrieb:
> 8A9E8162-066E-4303-ACF9-FCD0A1AEB877.jpeg

Unschön ist vor allen Dingen dieses weichgespülte Resultat einer 
Überdosis JPEG-Kompression.

[Hitomi I. (hitomi)]

Danke für Deine ausführliche Antwort, Gabriel.

Ich habe jetzt Rev. D erstellt und glaube, dass ich fertig bin.

Mit Transistoren statt Optokopplern für die Taster wird die Platine viel 
günstiger (und wie überall auf der Welt spielt Sicherheit plötzlich 
keine Rolle mehr wenn man Geld sparen kann). Jedes mal die Bahnen neu 
ziehen weil das Design geändert werden muss ist blöd aber leider die 
Strafe dafür, wenn man keine Ahnung hat.

Das gesparte Geld habe ich in die Flyback-Diode für den Lüfter und eine 
LED investiert. Ich habe auch noch die Pinleiste gegen JST PH 
ausgetauscht weil ich das Gegenstück vorkonfektioniert herumliegen habe 
und den Display-Anschluss gegen einen augenscheinlich kompatiblen, den 
mir China direkt ab Werk montiert.

Bevor ich das Teil an die teure Hardware lasse versuche ich es erstmal 
mit einem China-Arduino und einem Durchgangsprüfer. Sollte für das 
Debugging reichen. Der Simulator in EasyEDA funktioniert leider nur mit 
sorgsam ausgewählten Standardteilen und beim Gedanken jetzt noch in das 
Thema mit "SPICE" Daten usw. einzusteigen (für den Panasonic Optokoppler 
gibt es sie wohl nur für Industriekunden), da wird mir schwindelig.

Vielen Dank nochmal an alle für die sachliche Kritik und dass ich mit 
meiner Ahnungslosigkeit nicht sofort von Euch niedergemacht wurde.

Und ja im Bild ist mir bei R5 dank den Pfeiltasten schon wieder eine 
Leiterbahn verrutscht. Nervt total.

Grüße

Hitomi