As atividades deste projeto ocorrem no escopo do edital “PROEN Nº 24/2023 – FOMENTO A PROJETOS DE ENSINO 2024 (EDITAL COM BOLSAS DE ENSINO E RECURSO FINANCEIRO)”, dentro do projeto intitulado “Prototipagem de circuitos impressos: estudo, concepção e produção de placas de circuitos eletrônicos como laboratório didático de apoio ao ensino de eletrônica”, cuja proposta submetida e aprovada pode ser acessada aqui.
Por se tratar de projeto de abrangência de ensino e envolvendo equipamentos laboratoriais de uso amplo dos estudantes da engenharia, os dados e materiais desenvolvidos no projeto em questão permanecerão disponíveis no site do curso.
O material seguinte documenta o uso de softwares CAD como KiCAD e equipamento de prototipagem como a fresa PCB-Proto 1S disponível no campus para produção de circuitos elétricos em forma de PCB. Partindo do o uso do KiCAD para desenvolvimento do diagrama de circuito e símbolos, então progredindo para criação de um layout que inclui visão 3D completa do circuito final montado, para produzir uma placa de circuito impresso real os arquivos de fresagem do PCB-Proto Studio.
Em conjunto com as ferramentas, convenções e práticas úteis são apresentadas ao longo do processo. Para o processo, o projeto de um módulo para switches foi desenvolvido, que pode ser conectado às protoboards para uso nos laboratórios do instituto. O projeto tem como objetivo exemplificar o planejamento e prototipagem iterativa utilizando a fresadora, com passo a passo descrito utilizando textos e vídeos alternadamente para maior fluidez no consumo.
Fluxo de Criação de Circuitos Impressos
Produzir uma PCB (Printed Circuit Board) ou PCI (Placa de Circuito Impresso) começa com a descrição do circuito em um diagrama esquemático ou diagrama de circuito, onde os componentes e suas conexões são inicialmente definidos. Um exemplo desse tipo de diagrama pode ser visto na figura 1.
Na figura 2, uma protoboard (ou breadboard) é utilizada para validar um diagrama esquemático em laboratório. Protoboards são utilizadas em laboratórios pois a sua matriz de contatos em uma base de plástico perfurada permite a inserção e conexão de componentes elétricos sem a necessidade de solda para componentes do tipo Through Hole Technology (THT).
Partindo para manufatura, é feita a descrição física de como será a placa de circuito produzida, gerando um layout, que contém posicionamento dos componentes, pads – superfícies onde componentes são soldados – e mapeamento das trilhas – caminhos de cobre entre os componentes – em múltiplas camadas (layers) da placa – camadas permitem sobreposição de trilhas e conexão com terra e alimentação do circuito. Um exemplo de modelo de layout pode ser visto na figura 3.
Produzir o circuito físico a partir do layout é possível de múltiplas maneiras, com placas padrão, remoção de cobre de uma superfície ou com deposição.
Utilizando uma placa padrão (ou perfurada) – base de fenolite com uma matriz de ilhas cobreadas para solda de componentes e fios, disponível em face simples como a exibida no circuito da figura 4 e também por um custo maior, com ilhas em ambas as faces.
Com corrosão química – o circuito é desenhado com tinta, como por exemplo, uma caneta permanente, então mergulhado em ácido percloreto de ferro para remover a superfície desprotegida. O método de corrosão é simples e acessível e de baixo custo, porém com menos controle sobre a largura das trilhas e ilhas, ou capacidade produção em escala.
Por fresagem – gera placas de circuito a partir do layout pela eliminação mecânica do cobre entre as trilhas e realiza furação e corte da PCB em um único equipamento. Para fins de prototipação de circuitos, permite ciclos rápidos e de baixo custo aos usuários. O IFRS, campus Canoas, possui uma prototipadora (vide a figura 5) de PCBs operando por esse método.
Por fim, técnicas de deposição ou de corrosão com uso de máscara fotossensível, utilizadas para produção em larga escala com trilhas precisas desenhadas à laser – uma máscara fotossensível permite a precisa litografia do layout, definindo as áreas onde o material condutor (cobre ou mesmo ouro) será depositado e no caso de corrosão, onde será protegido do àcido. Na fábrica, o circuito pode então prosseguir para uma máquina de pick and place que adiciona componentes e um forno para derreter a solda, adicionada antes dos componentes por meio de estêncil, gerando um circuito completo como encontrado em eletrônicos e eletrodomésticos. Um tour por uma fábrica a de PCBs pode ser visto em Inside a Flexible PCB Factory – in China e Inside a Huge PCB Factory (legendas em português disponíveis).
Para proteger os circuitos produzidos de corrosão, também é comum a proteção com uso de revestimento conformal – camada fina de silicone, epóxi ou outro material para proteger contra umidade – plating (revestimento metálico) – uso de camada de ouro para impedir oxidação de contatos elétricos – ou potting (encapsulamento em resina) – mergulhar completamente o circuito dentro de uma caixa com resina para melhor proteção contra umidade, vibrações e poeira, comum em circuitos expostos ao clima.
Projeto
No Instituto Federal, muitas protoboards são utilizadas diariamente nos laboratórios. Com o uso, os contatos metálicos da protoboard acabam desgastados, dificultando a conexão de componentes com pinos estreitos, como switches – muito utilizados em montagens. Para resolver esse problema, foi proposto a fresagem de um circuito impresso com switches. Esse circuito pode ser posicionado no centro de uma protoboard e conectado com barramentos de pinos que são mais largos, logo, mantém melhor contato elétrico com a protoboard.
O número estabelecido de switches para o módulo foi de 6, quatro são switches do tipo Push Button – chaves que fecham contato enquanto pressionado – e um DIP Switch de duas vias – par de chaves seletoras SPST (Single Pole Single Throw) que mantém estado fixo de acordo com a posição do seletor, aberto ou fechado. Esses switches devem ser conectados diretamente a conectores de pinos com 2,54 mm de espaçamento ou 100 mils no sistema imperial, o padrão para conexão em protoboards.
Esquemático
O diagrama de um circuito elétrico ou esquemático como mostrado na figura 9, é uma representação gráfica de um circuito elétrico, que contém tanto os componentes que fazem parte do circuito – representados por símbolos – quanto as suas ligações elétricas – representados por labels ou fios. Existem diversos tipos de diagramas para a representação esquemática – como a representação de circuitos lógicos, ou diagramas unifilares para instalações elétricas – aqui o termo será utilizado para indicar unicamente circuitos eletrônicos.
Novo Projeto
O KiCad é uma ferramenta open source e gratuita para a criação de esquemáticos e layouts de PCIs que contém uma ampla biblioteca de símbolos, componentes e funcionalidades, ganhando cada vez mais espaço no mercado de EDA (Electronic Design Automation) — categoria de ferramentas para conceber, verificar, fabricar e testar sistemas eletrônicos. Para criação de esquemático e layout do projeto o KiCad versão 8.0 será utilizado.
No KiCad, o fluxo de desenvolvimento de um circuito é integrado a partir de um projeto, obrigatório para criação de esquemas e layouts desde sua versão 5. Um projeto no KiCad organiza todos arquivos e bibliotecas relevantes em uma única pasta, esquema, layout de placa e outros arquivos associados, como bibliotecas de símbolos, footprints, dados de simulação e BOM (Bill of Materials), permitindo que o projeto seja salvo e compartilhado sem fragmentação do conteúdo.
Abrindo o KiCad, é possível a criação de um novo projeto através do menu “File → New Project” mostrado na figura 6 (em português, “Arquivo → Novo Projeto”), utilizando o atalho “Ctrl + N” ou ainda, no próprio botão no canto superior esquerdo do KiCad, conforme pode ser visto nas figuras 5 e 6.
Nomeie o projeto com um nome descritivo e característico, como por exemplo “modulo_de_switches_para_protoboard”. O KiCad automaticamente cria uma pasta para o projeto com a opção “Create a new folder for the project” marcada, disponível próximo ao botão de Salvar, mostrado na figura 8 no canto inferior direito. Coloque o projeto em em um diretório adequado como “Documentos” ou caso configurado, no Google Drive (necessita da aplicação Google Drive instalada no computador).
Criação de Novo Símbolo
Criar ou adaptar um símbolo no KiCad é fundamental para criação de diagramas de circuitos, onde com frequência, o símbolo exato necessário não estará disponível. Com objetivo de compreender a criação de um símbolo do início, o símbolo de um DIP Switch de duas vias foi escolhido para ser criado. O DIP Switch de duas vias, mostrado na figura 13, foi escolhido, pois contém características comuns à múltiplos componentes – é representado como um retângulo com múltiplos pinos laterais.
