Melhores projetos usando PCBs: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Se você já passou algum tempo trabalhando com projetos eletrônicos, sabe como isso pode ser divertido e empolgante. Nada é mais estimulante do que ver seu circuito ganhar vida bem diante de seus olhos. Fica ainda mais emocionante quando seu projeto se transforma em um gadget útil que você deseja tornar uma fixação permanente em sua casa ou escritório. Mas qual é a melhor maneira de fazer isso? A placa de ensaio certamente não é a resposta, e construir um circuito complicado em uma protoplaca pode se tornar bastante tedioso. Essas duas ferramentas têm seu lugar, mas não são ideais para uma produção realista.

A solução? Faça seu projeto usando uma PCB (placa de circuito impresso). Com o número de fabricantes e amadores crescendo diariamente, os fabricantes estão disponibilizando serviços de nível profissional (e acessíveis) para todos. Ao mesmo tempo, era incrivelmente caro projetar e fabricar PCBs. Com software CAD de alta qualidade disponível gratuitamente em alguns casos, e fábricas fazendo pequenas placas de protótipo por apenas US $ 5 mais frete. Existem muito poucos motivos para não aproveitar esses serviços.

Meu objetivo é conduzi-lo por este projeto em um alto nível. Como cada software CAD é ligeiramente diferente, você precisará coletar algum conhecimento de outras fontes para que isso aconteça. Vou postar links para alguns recursos que considero úteis. Antes que você se preocupe com o tempo que leva para aprender essas habilidades, deixe-me dizer que comecei com absolutamente zero conhecimento e experiência, e estava fazendo designs bem-sucedidos depois de passar menos de 8 horas aprendendo com recursos online.

Eu usei pessoalmente todos os três pacotes de software CAD, mas recomendo que você dê uma olhada nesses vídeos de introdução para ter uma ideia de como cada um deles está configurado.

• Uma introdução ao KICAD
• Seminário on-line de introdução ao Eagle CAD
• Introdução ao Altium

O Dr. Peter Dalmaris tem um excelente curso baseado no KICAD que concluí e recomendo fortemente se esse for o software que você escolher. Suas explicações de como todos os recursos funcionam são fáceis de seguir e muito completas. Aqui está um link para sua aula na Tech Explorations.

Outra opção a considerar (embora esta não seja uma que eu mesmo usei) é EasyEDA. Já vi outros fabricantes usarem este software online para fazer alguns designs muito sólidos.

Vamos começar a projetar!

Suprimentos

• PC com software CAD
• Ferro de solda
• Fluxo
• 1 módulo ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017's (pacote SOIC)
• Regulador de 5 volts (L7805)
• Regulador de 3,3 volts (AP2114H)
• conector de barril DC genérico para um plugue de 2,1 mm
• Pin-headers masculinos ou femininos (opcional)
• Torradeira e pasta de solda (opcional)
• Drill (opcional)

Etapa 1: planejamento e design

É muito importante ter uma base sólida para qualquer projeto. Um pouco de tempo gasto no planejamento pode economizar horas de frustração no futuro.

Um bom lugar para começar é criar uma lista de funções e recursos que você deseja que seu design tenha. A seguir está a lista que usei quando criei este projeto de exemplo.

• Uma placa baseada em ESP-32 compatível com os designs existentes de ESP-32
• Mais pinos digitais do que o kit padrão ESP-32 Dev
• Disponível 5v e 3v3 para acessórios de alimentação anexados ao PCB
• Uma porta de programação para que eu possa atualizar a unidade no futuro
• A capacidade de funcionar com uma entrada de 6 a 12 volts

O segundo é coletar uma lista de peças que você deseja usar e encontrar uma fonte disponível. A última coisa que você quer fazer é fazer um PCB para o qual você não pode comprar as peças. Você também deve coletar as folhas de dados do fabricante para cada peça que planeja usar (acredite, isso é MUITO importante e explicarei o porquê mais tarde).

Finalmente colete todas as notas e desenhos que você possa já ter criado para este projeto. Isso inclui quaisquer restrições físicas que você possa ter. Por exemplo, você gostaria que sua placa fosse compatível com um escudo Arduino ou cabesse dentro de um gabinete específico. Todas essas informações serão necessárias em várias etapas do processo.

Etapa 2: Esquemático de PCB usando CAD

Vamos começar a fazer nosso esquema!

Em geral, gosto de adicionar todas as minhas partes ao esquema e organizá-las de uma forma que faça sentido para mim. Nesse ponto, onde você os coloca, não há impacto na localização física do PCB, portanto, você pode usar essa flexibilidade a seu favor. Se você não possui pegadas para todos os seus componentes, eu recomendo fortemente o SnapEDA e o Ultralibrarian. Esses recursos têm uma seleção incrível de peças disponíveis para quase todos os softwares CAD que você possa estar usando. Basta procurar o número da peça do componente e baixar os arquivos apropriados. Eles têm tutoriais ensinando como importar esses arquivos, se você ainda não sabe como fazer isso.

Antes de conectar suas peças, é melhor verificar a precisão das pinagens de cada componente. É por isso que ter as planilhas de dados das peças é importante. Lotes inteiros de PCBs estragaram (lembra daquelas horas de frustração?) Porque pulei esta etapa. Se você não fez a parte (e às vezes até mesmo se o fez) SEMPRE verifique novamente.

Quando você vai conectar seu esquema, descobri que é benéfico usar rótulos de rede para fazer as conexões. Se você tem uma grande quantidade de fios em todas as direções, torna-se difícil seguir e também aumenta as chances de fazer uma conexão em algum lugar que você não deveria (mais horas de frustração). Um equilíbrio entre fios e etiquetas de rede é geralmente o melhor, mas certifique-se de usar uma lista de etiquetas de rede que fará sentido para qualquer pessoa que esteja olhando para o design. Isso tornará sua vida mais fácil se você voltar a este design no futuro, querendo fazer alterações ou solucionar problemas do design original.

O esquema também é um bom lugar para deixar notas sobre como as várias partes do circuito devem funcionar. Essa é uma boa maneira de controlar todos os detalhes necessários para fazer a coisa funcionar como deveria. Um exemplo neste projeto é que um jumper é necessário entre o pino de habilitação do módulo ESP e a alimentação de 3,3 V para programação. Embora este provavelmente não seja o único lugar onde você deve documentar esse tipo de informação, é definitivamente bom adquirir o hábito de anotar TUDO.

Dê uma boa inspeção em seu esquema antes de passar para a próxima etapa. Isso precisa estar certo para que o processo de layout do PCB ocorra sem problemas. Uma abordagem lenta e metódica sempre lhe dará o melhor resultado final. Reveja todas as notas que você possa ter e compare cada uma delas com o esquema.

Etapa 3: Layout PCB

Antes de começarmos a organizar nossos componentes, é melhor observar as pegadas e certificar-se de que estão corretos para as peças que você pretende usar. Por exemplo, algumas peças terão furos e variantes de SMD disponíveis, certifique-se de usar apenas peças que você será capaz de instalar. O módulo EPS-32 tem uma almofada embaixo do e exigirá algum manuseio especial (mais sobre isso mais tarde). Apenas certifique-se de ter um plano para essas situações. Depois de selecionar os pacotes adequados para nossos componentes, você deve verificar novamente a pinagem de cada peça em relação à folha de dados (você notou uma tendência aqui?) Acredite em mim quando digo que estes podem estar errados e isso vai durar um longo dia se você tiver que rastrear esses problemas mais tarde

Ao organizar seus componentes, certifique-se de levar em consideração qualquer uma das restrições físicas que mencionei anteriormente. Em alguns casos, pode ser necessário colocar certas peças primeiro porque sua localização é crítica e encaixar tudo ao seu redor. Lembre-se de colocar as peças que estão conectadas juntas, mas também deixe espaço suficiente para você trabalhar durante a montagem. Se você tiver um gabinete específico que planeja usar, pode fazer sentido criar o perfil da placa e quaisquer furos primeiro.

Depois que todos os seus componentes estiverem localizados onde você deseja, é hora de começar a rotear suas trilhas. Existem alguns pontos-chave a serem lembrados ao fazer isso.

• O menor traço possível é geralmente melhor
• Maior é normalmente melhor (especialmente para linhas de fonte de alimentação)
• Você precisa saber quanta corrente uma determinada pista deve lidar e certificar-se de que o tamanho que você selecionou pode lidar com essa quantidade com segurança (Esta é uma questão de segurança muito importante, a corrente excessiva pode causar aquecimento e potencialmente ser um risco de incêndio)
• Saiba quais tolerâncias seu fabricante é capaz de manter e siga essas orientações. Aqui está um link para a página de recursos de um fabricante (seu software CAD pode ter um verificador de regras de projeto que irá alertá-lo sobre todos os locais que não atendem a um padrão que a fábrica pode seguir)

Embora as trilhas de roteamento possam ser um quebra-cabeça divertido, às vezes nossos projetos podem ficar complicados, tornando isso um desafio extremo. Nesses casos, o uso de um software de roteamento automático pode economizar bastante tempo. Aqui está um link para um roteador automático que usei em vários projetos. O roteador automático importa seu projeto e usa suas regras de design para fazer rastreamentos apropriados para todas as suas redes. Normalmente, deixo o roteador automático fazer seu trabalho e, em seguida, altero manualmente algumas coisas que posso querer que sejam diferentes. Você também pode rotear os rastros que deseja em locais específicos, e o roteador automático irá contornar esses rastros existentes da mesma forma que funciona nas redes restantes.

Etapa 4: Toques Finais e Preparação para Fabricação

Com as peças colocadas e os trilhos, seu PCB está quase pronto para funcionar. Agora é um bom momento para dar uma boa olhada em todo o layout. Siga os traçados usando o esquema como guia e certifique-se de que todas as conexões necessárias foram feitas.

Você também deve considerar a adição de gráficos à sua placa na camada da serigrafia. Seu nome ou a marca de algum outro fabricante é uma boa maneira de mostrar aos outros que você se orgulha de seu trabalho. Eu também acredito em marcar a maioria, senão todos os meus pontos de conexão com o que eles servem. Isso ajuda quando você vai conectar o dispositivo após a montagem e torna mais fácil para outras pessoas entenderem as funções desses pontos de conexão.

Outra coisa a considerar é marcar um identificador de revisão, especialmente se esta for uma placa que você pretende fazer mais de uma vez. Dessa forma, você pode fazer alterações no circuito no futuro e dizer rapidamente com qual versão da placa está trabalhando.

Com tudo isso feito é hora de plotar / exportar seu projeto, e enviá-lo para o fabricante. Em geral, serão arquivos Gerber e, normalmente, devem ser armazenados em uma única pasta.zip. Isso é o que você carregará quando fizer seu pedido de PCB.

Aqui está um link para os arquivos Gerber para meu projeto de exemplo no GitHub

Etapa 5: solicitando seu PCB

Mais e mais opções estão disponíveis para isso do que no passado. Tornou-se tão fácil que qualquer um pode ter seus projetos feitos profissionalmente em grandes fábricas e a um preço incrivelmente razoável.

Eu projetei mais de 35 PCBs e todos eles foram produzidos por JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Uma empresa muito boa com a qual nunca tive problemas de qualidade. Aqui está um link para um vídeo que faz um tour por suas instalações e explica o processo de fabricação de PCB em detalhes. Tour pela fábrica

Acesse o site deles e faça uma cotação. Em seguida, faça upload do.zip de seus arquivos Gerber. Você deve ver uma renderização do seu design após a conclusão do upload. Escolha sua quantidade, cor e qualquer outro critério que você gostaria de especificar neste momento. Em seguida, é uma simples questão de proceder ao checkout. Você pode carregar facilmente seus próprios arquivos Gerber para um visualizador Gerber online gratuito e ver como esses arquivos se parecem quando são renderizados.

Normalmente tento enviar vários designs de uma vez para combinar no envio. Normalmente, eu esperaria recebê-los em 1 a 2 semanas após o pedido ser feito. É claro que isso pode variar dependendo de uma variedade de fatores, mas eles fornecerão atualizações sobre o andamento dos seus pedidos por meio do site deles e um número de rastreamento após o envio do pedido.

Etapa 6: Vamos construí-lo

É hora de montar!

Lembra-se de que mencionei anteriormente que existe um truque para soldar o módulo ESP-32? Se você olhar para a pegada na placa de circuito impresso, você notará uma grande almofada embaixo do componente. Bem, isso pode ser um pouco desafiador, mas eu tenho que encontrar maneiras de fazer o trabalho.

Opção 1: use pasta de solda e uma pequena torradeira.

Isso é muito simples e, definitivamente, vai lhe dar os melhores resultados em geral. Este vídeo explica o processo. Certifique-se de entender os requisitos de temperatura da pasta de solda que está usando, e você terá alguns resultados incríveis sem muito esforço. Isso cuidará da soldagem da maioria, senão de todos os componentes SMD. Pontos de bônus se sua torradeira vier de uma pilha de lixo e precisar ser consertada antes de usar.

Opção 2: saia da broca!

Esta opção certamente funcionará, mas não é a mais ideal. Perfurar cuidadosamente um pequeno orifício através da placa de circuito impresso no centro desta almofada permitirá que você a solde na parte de trás da placa como um componente de orifício passante. As coisas podem dar errado facilmente com essa abordagem, portanto, use uma broca de alta qualidade. Se você não pretende usar um processo de forno de refluxo, pode lidar com problemas como esse em seu projeto adicionando um orifício de passagem metalizado no centro desta almofada. Isso permitirá que você soldar com um ferro sem o risco de danificar sua placa.

Solde qualquer peça restante através do orifício (e SMD se você não usou o método de refluxo). Para os cabeçotes de pino, vou soldar um único pino para mantê-lo no lugar enquanto viro a placa para ter certeza de que está reta. Também é bom verificar a soldagem com muito cuidado em todas as peças SMD usando algum tipo de lupa. Se você encontrar algo que precise retocar, use um pouco de fluxo (acredite, isso faz uma grande diferença) e reaqueça a junta de solda. Descobri em meu projeto de exemplo que o módulo ESP-32 tinha vários lugares que precisavam ser retrabalhados. Observe também que intencionalmente não adicionei nenhum pin-head nesta placa, isso porque pretendo soldar diretamente os fios dos meus dispositivos periféricos. Essa nem sempre é a melhor abordagem, mas para minha aplicação não é um problema.

É isso! do início ao fim, pegamos um conceito de circuito e fizemos nosso próprio PCB personalizado para este projeto. Depois de pegar o jeito, as possibilidades são quase infinitas. Espero que este Instructable tenha lhe dado algumas boas idéias e apontado alguns recursos úteis para ajudá-lo em sua jornada de criação de PCB. Obrigado por ler!

Feliz fabricação e não deixe a fumaça sair! (Sério, ele precisa da fumaça mágica)