Piirikaaviot

Komponenttien kytkentäkaavio.

Teemme piirikaaviot osana piirilevysuunnittelua tai omana kokonaisuutenaan. Käytössämme ohjelmistoista mm. Altium, Fusion 360, Kicad ja Proteus.

Mikä on piirikaavio?

Piirikaavio eli kytkentäkaavio on piirustus, joka esittää piirin komponentit ja niiden väliset sähköiset yhteydet standardoitujen piirrosmerkkien avulla. Sitä käytetään laajasti elektroniikka- ja sähkötekniikan suunnittelussa aina yksinkertaisista kytkennöistä monimutkaisiin järjestelmiin.

Piirikaavio ei kuvaa suoraan sitä, miten kytkentä on fyysisesti toteutettu — piirilevyn layout-piirustus kertoo fyysisen kytkennän. Piirikaavio on ensisijaisesti looginen esitys komponenttien välisistä sähköisistä yhteyksistä. Signaalin kulkusuunta piirretään yleensä vasemmalta oikealle tai ylhäältä alas, ja johtimien risteyskohdassa oleva piste tarkoittaa, että johtimet on kytketty toisiinsa. Jokaisen komponentin viereen merkitään sitä kuvaava kirjaintunnus ja osanumero, esimerkiksi R8 tarkoittaa vastusta numero 8.

Nykyisin piirikaaviot suunnitellaan lähes poikkeuksetta EDA-ohjelmistoilla (Electronic Design Automation), jolloin valmis kaavio voidaan viedä suoraan piirilevyn layout-suunnitteluun ja kytkentä voidaan tarvittaessa simuloida ennen valmistusta.

Monimutkaisempi piirikaavio

Yleisimmät piirrosmerkit

Alla on koottu yleisimmin käyttämämme piirikaavioiden piirrosmerkit eurooppalaisen (IEC 60617) merkintätavan mukaisesti.

Komponentti Piirrosmerkki
Vastus
Kondensaattori
Kela
Tasajännitelähde
Vaihtojännitelähde
Maa
Diodi
Valodiodi (LED)
Bipolaaritransistori
Sulake
FET-transistori

Esimerkki piirikaaviosta

Yksinkertaisessa esimerkkipiirissä on 12V tasajännitelähde, vastus ja LED. Vastuksella rajoitetaan LEDin läpi kulkevaa virtaa, jonka vaatimus on 20 mA ± 2 mA (eli sallittu alue on 18–22 mA). LEDin kynnysjännite on 0,6V, joten vastuksen yli jää jännite 12V − 0,6V = 11,4V.

Vastuksen arvo saadaan Ohmin lain kaavasta:

R = U / I = 11,4V / 0,02A = 570 Ω

Lähimpänä oleva standardiarvo E24-sarjasta on 560 Ω, joten valitaan se. Koska vastuksen toleranssi on ±5%, resistanssi vaihtelee välillä 532–588 Ω, jolloin virta LEDin läpi vaihtelee välillä 19,4–21,4 mA. Tämä mahtuu LEDin sallittuun 18–22 mA:n alueeseen hyvällä marginaalilla.

Todellisissa projekteissa piirikaaviot ovat usein huomattavasti monimutkaisempia, sisältäen kymmeniä tai satoja komponentteja sekä useita toiminnallisia lohkoja.

Yksinkertainen piirikaavio: 12V, vastus ja LED

Piirikaavion tehtäessä jokaiselle symbolille valitaan sitä vastaava fyysinen komponentti. Vastukselle voidaan valita esimerkiksi yleinen, isohko 0603-kotelossa oleva pintaliitosvastus: pituus 0,060 tuumaa ja leveys 0,030 tuumaa. Metrisenä vastineena tämä on noin 1,6 mm × 0,8 mm (metrinen koodi on usein 1608).

0603-kotelossa oleva pintaliitosvastus

LEDille valitaan vastusta hieman pienempi 0402-kotelo, koska se on tässä sovelluksessa optimaalinen tilankäytön kannalta.

0402-kotelossa oleva LED

Jännitelähteelle valitaan kaksinapainen ruuviliitosrima, johon ulkoinen 12V-syöttö voidaan kytkeä helposti ja turvallisesti myös huoltotilanteissa.

Kaksinapainen ruuviliitosrima

Usein kysytyt kysymykset

Piirikaavio on piirustus, joka kuvaa piirin komponentit ja niiden väliset kytkennät standardoiduilla piirrosmerkeillä. Sen avulla laitteen toiminta voidaan ymmärtää komponenttitasolla. Piirikaavio ei kuvaa suoraan fyysistä kytkentää - piirilevyn layout-piirustus kertoo, miten kytkentä on todellisuudessa toteutettu piirilevyllä.

Standardoidut piirrosmerkit, kuten IEC 60617 -standardin mukaiset symbolit, varmistavat että piirikaavio on luettavissa ja tulkittavissa samalla tavalla riippumatta siitä, kuka sen on piirtänyt tai missä maassa lukija toimii.

Yleisesti ottaen kyllä, piirikaavio on siirrettävissä ohjelmasta toiseen muunnostyökaluilla. Siirto vaatii kuitenkin joskus hieman käsityötä, esimerkiksi komponenttikirjastojen tai symbolien yhteensopivuuden tarkistamista.