Anfängerfreundliches Entwurfswerkzeug für Leiterplatten – Das neue kostenlose PCB-Design-Tool LibrePCB

Die erfolgreiche Verwirklichung einer modernen Entwurfssoftware für Leiterplatten, die in der Praxis erfolgreich eingesetzt werden kann und zugleich leicht erlernbar ist, erfordert in der Regel umfangreiches vielseitiges Wissen, entsprechende finanzielle Aufwendungen für die notwendige Manpower, Geduld als auch Zielstrebigkeit in der Entwicklungsarbeit gleichermaßen. Kaum zu glauben, dass auch heute noch Einzelpersonen in beharrlicher Hobbyarbeit Grundlagen für solch komplexe Konstrukte wie PCB-Designtools legen und mit Hilfe von Sponsoren als auch Fördermitteln letztlich erfolgreich ans Ziel kommen. Im Fall von LibrePCB kann man erkennen, wie wichtig Fördertöpfe sind, die nicht nur nach dem Gießkannenprinzip größere Unternehmen oder Institutionen bedienen, sondern auch engagierten Einzelpersonen finanziell unter die Arme greifen. Die Realisierung von LibrePCB ist wesentlich auf das glückliche Zusammentreffen eines engagierten Elektroingenieurs und einer Fördereinrichtung wie der NLnet Foundation zurückzuführen. Das LibrePCB-Projekt erhielt in der entscheidenden Entwicklungsphase Unterstützung aus dem NGI Zero Entrust Fonds, einem Fonds, der von NLnet mit finanzieller Unterstützung des EuropäischenProgramms Next Generation Internet geschaffen wurde.

NLnet Foundation

Abb. 1: Logo der NLnet FoundationDie NLnet Foundation unterstützt Organisationen und Privatpersonen, die zu einem offenen Internet für alle beitragen wollen. Sie kofinanziert durch Mikrozuschüsse Projekte, die helfen, das Internet mittels offener Hardware, Software, Standards, Wissenschaft und Daten weiterzuentwickeln. Neben diesen werden Beratung und Zugang zu einem interessanten globalen Netzwerk, das die Stiftung im Laufe der Jahre aufgebaut hat, geboten. Nach ihrem historischen Beitrag zum frühen Internet in Europa in den 1980er Jahren ist NLnet seit 1997 auf die finanzielle Hilfe bei der Entwicklung des offenen Internets übergegangen [1]. Die Geschichte von NLnet reicht bis ins Jahr 1982 zurück. Die Foundation hat ihren Sitz in den Niederlanden (Abbildung 1).

NLnet hat Mittel zu vielen wichtigen und sichtbaren Projekten rund um grundlegende IT-Standards beigetragen, indem es die Kern-Routing-Protokolle und das Domain-Namen-System des Internets bis hin zu sichereren E-Mails, herstellerunabhängigen Videokonferenzen, zuverlässigeren drahtlosen Netzwerken und privaten Instant Messagings entwickelte - alles basierend auf offenen Standards und nachprüfbarer Open-Source-Software und/oder Hardware. Doch auch für die Mikroelektronik und Leiterplattentechnik hat sich NLnet in den vergangenen Jahren stark eingesetzt. Unter [2] ist eine umfangreiche Übersicht über die seit 1997 geförderten bzw. in Förderung befindlichen Projekte aufrufbar. Beispiele für Vorhaben der Elektronik bzw. speziell Mikroelektronik sind in Tabelle 1 enthalten.

LibrePCB

Unter den in der Tabelle aufgeführten zahlreichen Förderprojekten, die mit den Buchstaben Libre beginnen, befindet sich auch LibrePCB [3]. Es geht hier um eine EDA-Software zur Entwicklung von Leiterplatten, genauer um eine kostenlose Open-Source-Software-Suite zur Automatisierung des Elektronikdesigns (EDA) bzw. zur Entwicklung von PCBs.

Das Projekt wird durch den NGI Zero Entrust Fonds finanziert, einem von NLnet mit finanzieller Unterstützung des Next Generation Internet Programms der Europäischen Kommission eingerichteten Fonds unter der Schirmherrschaft der GD Communications Networks, Content and Technology. Das Projekt läuft im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung (Grant Agreement) Nr. 101069594 [4].

In der Projektbeschreibung unter [3] ist folgendes zu lesen:

„Das Tool soll auf allen wichtigen Plattformen laufen und einfach zu bedienen sein, aber gleichzeitig die Möglichkeit bieten, professionelle Schaltpläne und Leiterplatten zu erstellen. Ziel ist es, die Konstruktion von Elektronik durch den Einsatz moderner Technologien und Benutzeroberflächenkonzepte einfacher, effizienter und weniger fehleranfällig zu machen. LibrePCB rationalisiert daher den gesamten PCB-Designprozess – von der Installation von Teilebibliotheken bis zur Bestellung des endgültigen PCB-Designs. Eine solch kostenlose, leistungsstarke EDA-Software zu haben, ist die Grundlage für die gesamte Open-Hardware-Community, da sie es ermöglicht, die Abhängigkeit von proprietären und teuren Technologien zu reduzieren und es jedem erlaubt, Hardware kostenlos zu entwickeln, vom Bastler bis zum Profi“.

LibrePCB – anfangs ein Einzelkämpferprojekt

Liest man die Projektbeschreibung, die ja gleichzeitig als Teil der Projektbegründung bei der Antragstellung auf Fördermittel anzusehen ist, fragt man sich, was an diesem Projekt nun neu sein soll. Es gibt doch neben den professionellen EDA-Tools beispielsweise von Altium, Zuken, Cadence oder auch EasyEDA bereits zahlreiche mehr oder weniger leistungsfähige, für den User kostenpflichtige oder auch kostenfreie Design-Werkzeuge für Leiterplatten. Über einige wurde in dieser Fachzeitschrift in der jüngeren Vergangenheit schon berichtet. Allerdings stammen fast alle kostenlosen CAD-Tools für Leiterplatten ursprünglich nicht aus Europa. Manche der Tools sind aber insbesondere für Anfänger überfordernd und überladen. LibrePCB soll die Lücke schließen (Abbildung 2).

Abb. 2: Die Homepage von LibrePCB

Abb. 3: Elektroingenieur Urban BruhinNun hatte sich ausgerechnet der junge Schweizer Elektroingenieur Urban Bruhin 2013 vorgenommen, mit LibrePCB die Situation zu ändern (Abbildung 3). Seitdem arbeitete er in seiner Freizeit neben einer andersartigen Vollzeitbeschäftigung aktiv an der Entwicklung des EDA-Tools und verbesserte es in Etappen kontinuierlich. Nach einer langen Konzept- und Testphase mit Versionen wie 0.1, 0.1.7, 0.2 kam die erste offizielle Release 2018 heraus. Letztes Jahr folgte die Version 1.0 mit einem deutlichen Entwicklungssprung gegenüber den Vorgängern. Möglich wurde dieser Fortschritt besonders durch die vorn erwähnte Förderung durch NLnet und zahlreiche Sponsoren sowohl von Firmen als auch von Usern. Das erlaubte es Bruhin, endlich in Vollzeit und mit weiterer Hilfe das Projekt voranzubringen.

Tool bereits international nachgefragt

Eines der Ziele der Release 1.0 bestand darin, mehrere Einschränkungen zu beseitigen, die LibrePCB 0.1.x für viele PCB-Projekte bisher ungeeignet machten. Jetzt mit Stand 24. September 2023 stehen zum Beispiel auch folgende Board-Editor-Funktionen zur Verfügung [5]:

• Wärmeentlastungspads in den Lagen
• Blinde und vergrabene Vias
• Beschichtete und nicht beschichtete Vias
• Sperrzonen
• Abgerundete und benutzerdefinierte Formen der Anschlusspads
• Konfigurierbare automatische Lötstopmaske und Lötpaste auf Pads
• Passermarken und andere Pad-Typen

Einzelheiten zu den implementierten Features und zu weiteren geplanten Verbesserungen sind im Blog von LibrePCB [5, 6] nachzulesen.

Das Tool hat es schon auf den internationalen Markt geschafft und wird in [7] unter dem Titel 10 Best PCB Design Software in 2023 (All Skill Levels) bereits als Best Open Source PCB Design Software aufgeführt. Das ist verwunderlich, wenn man sich den Werdegang der Entstehung von LibrePCB vor Augen hält. Dieser ist ein Zeichen dafür, dass Beharrlichkeit auch von Einzelpersonen mit etwas Glück (nämlich die Zuteilung einer Förderung durch NLnet bzw. durch ein Förderprogramm der EU-Kommission und Sponsoren) zum Erfolg werden kann. Zu den Firmen-Sponsoren gehören u. a. die chinesischen PCB-Produzenten PCBGoGo, PCBWay, HQ NextPCB, der chinesische Bauelement-Distributor (insbesondere obsolete Komponenten) Winsource Electronics, der kalifornische Bauelement-Distributor Partstack, der niederländische PCB-Hersteller und EMS-Dienstleister Aislerv. Letzterer führt LibrePCB bereits auf seiner Homepage als einsetzbare CAD-Software.

Was kann LibrePCB?

Das Designtool wird auf den Internetseiten des Anbieters so umrissen:

„LibrePCB ist eine kostenlose, plattformübergreifende, benutzerfreundliche Automatisierungssuite für elektronisches Design zum Zeichnen von Schaltplänen und zum Entwerfen von Leiterplatten – für Hersteller, Studenten und Profis, vom Anfänger bis zum Experten (Abbildung 4 und 5 sowie einleitende Abbildung 1). Mit dieser Software können Sie Elektronik einfach richtig entwickeln. Keine Kosten. Keine Einschränkungen. Kein Online-Konto. Keine unnötige Komplexität [8]“.

Abb. 4: Einfaches Board mit LibrePCB 1.0

Abb. 5: Einfache Schaltung mit LibrePCB 1.0

Weiterhin wird wie folgt für das neue EDA-Tool geworben (wörtliche Wiedergabe):

• LibrePCB wurde im Hinblick auf Portabilität entwickelt, sodass es auf praktisch jedem Computer ausgeführt werden kann – einschließlich Windows, Linux, UNIX, BSD, Solaris und macOS. Es ist in 16 verschiedenen Sprachen verfügbar und kostet kein Geld
• Eine LibrePCB-Bibliothek ist mehr als nur eine Sammlung stupider Grafiken für Symbole und Footprints – sie sind auf sinnvolle, semantische Weise organisiert. Dadurch macht die Bibliotheksverwaltung mehr Spaß und viele Probleme, die man von anderen EDA-Tools kennt, werden beseitigt
• Das Installieren von Bibliotheken und das Bestellen von Leiterplatten war noch nie so einfach wie mit LibrePCB. Der integrierte Bibliotheksmanager und der PCB-Fertigungsservice können Ihnen viel Zeit und Frust ersparen. Aber natürlich kann LibrePCB auch vollständig offline genutzt werden
• LibrePCB ist eine kostenlose Open-Source-Software. Der Quellcode wird auf GitHub unter der GPLv3-Lizenz veröffentlicht
• Einfache, intuitive und bekannte Benutzeroberflächenkonzepte erleichtern den schnellen Einstieg in LibrePCB. Sie müssen die Dokumentation nicht tagelang studieren, sondern können einfach mit der Arbeit beginnen
• Alle von LibrePCB erstellten Dateien sind für Menschen lesbar, kanonisch und sehr sorgfältig konzipiert. Dies ermöglicht die Verwendung von Versionskontrollsystemen für Bibliotheken und Projekte, ohne mit unbeabsichtigten oder verschleierten Unterschieden zu kämpfen
• Mit LibrePCB-cli (command-line interface) ist es kinderleicht, die Qualitätssicherung zu verbessern (und Zeit zu sparen), indem wichtige Prüfungen und Datenexporte automatisiert ausgeführt werden – z. B. innerhalb einer CI-Pipeline.

Freie Anwendung

Die LibrePCB-Anwendung kann für jeden Zweck frei verwendet werden, auch für kommerzielle Projekte. Aber gerade bei kommerziellen Projekten bitten die Autoren, folgendes zu beachten: Unterstützung der Entwicklung mit einer Spende oder Patenschaft.

Es ist zu beachten, dass es keinen kostenlosen Support von den Projektentwicklern gibt. Stattdessen wird empfohlen, die diesbezügliche Community zu fragen. Für Bezahl-Support können die Entwickler kontaktiert werden.

Der Quellcode von LibrePCB wird unter der GNU General Public License GPLv3-License veröffentlicht. Die Lizenzbedingungen sind unter LICENSE.txt im Quellcode-Repository zu finden.

Alle offiziellen Bibliotheken werden unter der Creative Commons CC0-1.0-License veröffentlicht. Dies bedeutet, dass diese Bibliotheken auch für kommerzielle Projekte nach Belieben verwendet, geändert und weitergegeben werden können. Die Lizenzbedingungen sind in der Datei LICENSE.txt in jeder Bibliothek zu finden.

Langfristige Ziele

In der Roadmap des Entwicklers [9] werden langfristige Ziele für LibrePCB genannt.

Natürlich wollen die Ingenieure das Tool langfristig zu einem funktionsreichen EDA-Tool machen. Dazu gehören beispielsweise folgende Vorhaben (in beliebiger Reihenfolge):

• Hierarchische Sheets
• Schaltplan-Busse
• Push&Shove-Router
• Längenangepasste Leiterbahnen
• SPICE-Simulation

Weitere innovative Ideen sind vorhanden, werden aber noch nicht verraten.Damit die potentiellen User wissen, wohin der Hase läuft, werden jedoch auch Nicht-Ziele des Projektes genannt:

„Es gibt keine expliziteFunktion, die wir nicht gerne implementieren würden. Aber im Allgemeinenkonzentrieren wir uns auf Stabilität, Zuverlässigkeit, gute Konzepte und ein vernünftiges Dateiformat und nicht auf eine große Anzahl von Funktionen. Anstatt also viele coole, aber halbfertige und fehlerhafte Features zu implementieren, konzentrieren wir uns lieber auf nur wenige, aber sorgfältig entwickelte, zuverlässige Funktionen. Darüber hinaus muss jede neue Funktion unserer Überzeugung entsprechen, dass sie virtuell auf praktisch jeder Plattform funktioniert. Folglich implementieren wir keine Funktionen, die zwar auf modernster Technologie basieren, die jedoch auf einigen Computern, auf denen LibrePCB laufen soll, nicht ausführbar sind.“

Es wird interessant sein, den weiteren Werdegang bzw. die weitere Entwicklung von LibrePCB in den nächsten Jahren zu verfolgen.

Referenzen

[1] https://nlnet.nl/ (Abruf 24.1.24).
[2] https://nlnet.nl/project/ (Abruf 24.1.24).
[3] https://nlnet.nl/project/LibrePCB/ (Abruf 24.1.24).
[4] www.ngi.eu (Abruf 24.1.24).
[5] https://librepcb.org/blog/2023-09-24_release_1.0.0/ (Abruf 24.1.24).
[6] https://librepcb.org/blog/2023-05-15_roadmap_1.0/ (Abruf 24.1.24).
[7] www.3dsourced.com/3d-software/best-pcb-design-software/#librepcb-software (Abruf 24.1.24).
[8] https://librepcb.org/ (Abruf 24.1.24).
[9] https://librepcb.org/roadmap/ (Abruf 24.1.24).