Cartão de visita PCB com NFC: 18 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Chegando ao final dos meus estudos, recentemente tive que procurar um estágio de seis meses na área de engenharia eletrônica. Para impressionar e maximizar minhas chances de ser recrutado na empresa dos meus sonhos, tive a ideia de fazer meu próprio cartão de visita. Eu queria fazer algo único, útil e capaz de demonstrar minhas habilidades de design de circuitos eletrônicos a quem entregaria.

Há três anos, navegando no Instructables, encontrei um projeto muito interessante feito pelo Joep1986, intitulado "Digital Business Card With NFC". Este projeto envolveu a incorporação de uma etiqueta NFC em um cartão de visita de papel para compartilhar informações de contato com um telefone equipado com tecnologia NFC. Achei este projeto muito inspirador e pensei em substituir a tag NFC genérica por um circuito personalizado de minha invenção.

Foi assim que tive a ideia de criar meu próprio cartão de visita em uma placa de circuito impresso, capaz de enviar em um instante meu perfil do LinkedIn no smartphone de um recrutador usando a tecnologia NFC.

Este Instructable cobre todas as etapas que eu segui para imaginar, projetar e criar meu cartão de visita PCB com NFC, desde os cálculos dos parâmetros da antena até a programação do chip NFC até o design do PCB texturizado.

Etapa 1: BOM, ferramentas e habilidades necessárias

Você vai precisar de:

Ferramentas necessárias:

• ferro de solda
• ferramenta de retrabalho de ar quente
• pasta de solda
• fluxo de solda
• fio de solda
• pinças de nariz comprido
• pinças cross-lock
• álcool isopropílico
• um cotonete
• um palito de dente
• um telefone com NFC

Ferramentas opcionais (mas úteis):

• Extrator de fumaça
• Vidro magnífico

Habilidades:

Habilidades de solda SMD

Lista de materiais:

Componente	Pacote	Referência	Quantidade	Fornecedor
Chip NFC 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
LED amarelo	0805	APT2012SYCK / J3-PRV	1	Mouser
Resistor 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Capacitor 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Etapa 2: a tecnologia NFC

O que é NFC?

NFC é um acrônimo para Near Field Communication. É uma tecnologia de rádio de curto alcance que permite a comunicação entre dispositivos mantidos próximos (<10 cm). Os sistemas NFC são baseados em RFID de alta frequência (HF) tradicional, operando a 13, 56 MHz.

Atualmente, o padrão NFC suporta diferentes taxas de transmissão de dados de até 424 kbit / s. O principal mecanismo de comunicação NFC entre dois dispositivos é o mesmo do RFID tradicional de 13,56 MHz, onde há um mestre e um escravo. O mestre é chamado de emissor ou leitor / gravador e o escravo é uma etiqueta ou um cartão.

Como funciona ?

NFC sempre envolve um iniciador e um alvo: o iniciador (Emissor) gera ativamente um campo de RF que pode alimentar um alvo passivo (Tag) usando indução eletromagnética entre duas antenas de loop:

As antenas do emissor e da etiqueta são acopladas por meio de um campo eletromagnético e este sistema pode ser melhor visto como um transformador de núcleo de ar, onde o leitor atua como o enrolamento primário e a etiqueta como o enrolamento secundário: a corrente alternada passando pelo primário bobina (Emissor) induz um campo no ar, induzindo corrente na bobina secundária (Tag). O tag pode utilizar a corrente do campo para se alimentar: neste caso, não é necessária bateria para acessá-lo, nem no modo de leitura nem de escrita. O chip de etiqueta NFC extrai toda a energia necessária para operar a partir do campo magnético gerado pelo leitor por meio de sua antena de quadro.

Onde o NFC é usado?

NFC é uma tecnologia em crescimento com a necessidade de conectar dispositivos eletrônicos sem fio. NFC foi amplamente integrado em smartphones para interagir com dispositivos físicos compatíveis com NFC e fornecer novos serviços, como pagamento sem contato.

Como as etiquetas NFC não precisam integrar uma fonte de alimentação porque podem ser alimentadas pela energia emitida pelo leitor, elas podem assumir fatores de forma muito simples, como etiquetas sem energia, adesivos, cartões ou até anéis.

Eu realmente gostei do fato de que as tags NFC não incorporam células-botão poluentes para operar, mas usam apenas a energia do transmissor.

Etapa 3: o chip NFC

NFC IC

O chip NFC é o coração do cartão de visita.

Meus requisitos eram:

• um pequeno pacote SMD
• memória suficiente para um link para meu perfil do LinkedIn
• módulo de captação de energia embutido

Depois de comparar vários módulos NFC, optei pelo IC NTAG NT3H1101 da NXP. De acordo com sua ficha técnica:

“O NTAG I2C é o primeiro produto da família NTAG da NXP oferecendo interfaces sem contato e sem contato (veja a Figura 1). Além da interface sem contato compatível com NFC Forum passiva, o IC possui uma interface de contato I2C, que pode se comunicar com um microcontrolador se o NTAG I2C é alimentado por uma fonte de alimentação externa. Uma SRAM alimentada externamente adicional mapeada na memória permite uma transferência rápida de dados entre as interfaces RF e I2C e vice-versa, sem as limitações do ciclo de gravação da memória EEPROM. Os recursos do produto NTAG I2C um pino de detecção de campo configurável, que fornece um gatilho para um dispositivo externo dependendo das atividades na interface de RF. O produto NTAG I2C também pode fornecer energia para dispositivos externos (baixa energia) (por exemplo, um microcontrolador) por meio do circuito integrado de coleta de energia."

Etapa 4: Calculando a Indutância da Antena

Para se comunicar e receber energia, uma etiqueta NFC deve ter uma antena. O procedimento de design da antena começa com o modelo equivalente do chip NFC e sua antena de quadro:

Onde:

• Voc é a tensão de circuito aberto induzida pelo campo magnético na antena de quadro
• Ra é a resistência equivalente da antena de quadro
• La é a indutância equivalente da antena de quadro
• Rs é a resistência serial equivalente do chip NFC
• Cs é a capacitância de sintonia equivalente serial do chip NFC

A antena pode ser descrita por um indutor La com um resistor de perda Ra muito pequeno. Quando um campo magnético é induzido pelo emissor na antena de quadro, uma corrente é induzida nele e uma voltagem Voc de circuito aberto aparece em seus terminais. O chip NFC pode ser descrito por um resistor de entrada Rs e um capacitor de sintonia embutido Cs.

Os resistores em série Ra e Rs são somados para o último modelo equivalente do circuito que consiste no circuito integrado NFC e sua antena de quadro:

O resistor NFC IC Rs junto com o resistor de antena Ra e o capacitor embutido Cs forma um circuito ressonante RLC com o indutor La da antena. Mais informações sobre circuitos de ressonância RLC são explicadas em tutoriais de eletrônica online.

A frequência ressonante de um circuito RLC em série é dada pela fórmula:

Onde:

• f é a frequência ressonante (Hz)
• L é a indutância equivalente do circuito (H)
• C é a capacitância equivalente do circuito (F)

O único parâmetro desconhecido da equação é o valor da indutância L. Este é tão isolado para ser calculado:

Sabendo que a frequência de operação NFC é 13,56 MHz e que o capacitor de sintonia NT3H1101 é 50 pF, a indutância L é calculada:

Para ressoar na frequência NFC, a antena do cartão de visita PCB deve ter uma indutância total de 2,75 μH.

Etapa 5: Definindo a forma da antena: cálculos geométricos (1º método)

Projetar uma antena de quadro em um PCB com uma indutância específica é possível e deve respeitar as restrições geométricas. Uma antena pode assumir várias formas: retangular, quadrada, redonda, hexagonal ou até octogonal. Para cada forma corresponde uma fórmula específica que dá a indutância equivalente dependendo do tamanho, o número de voltas, a largura das trilhas, a espessura do cobre e muitos outros parâmetros …

Para o design do meu cartão de visita, optei por usar uma antena retangular cuja geometria é a seguinte:

Onde:

• a0 e b0 são as dimensões gerais da antena (m)
• aavg & bavg são as dimensões médias da antena (m)
• t é a espessura da trilha (m)
• w é a largura da trilha (m)
• g é a lacuna entre as faixas (m)
• Nant é o número de voltas
• d é o diâmetro equivalente da pista (m)

Para esta geometria específica, a indutância Lant equivalente é dada pela fórmula:

Onde:

Para tornar os cálculos mais fáceis, criei uma ferramenta de cálculo baseada em Excel que calcula automaticamente a indutância equivalente da antena de acordo com os diferentes parâmetros geométricos. Este arquivo economizou muito tempo e esforços para encontrar a geometria certa da antena.

Eu tinha uma indutância equivalente Lant = 2, 76 μH (perto o suficiente) com os seguintes parâmetros:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 mm
• t = 34, 79 µm (1 oz)
• w = 0, 3 mm
• g = 0, 3 mm
• Nant = 5

Se você é alérgico a matemática e cálculos, existem outros métodos que são detalhados nas etapas a seguir. Ainda é importante fazer os cálculos para aprender mais sobre os fundamentos do projeto da antena;)

Etapa 6: Definindo o formato da antena: calculadoras on-line (segundo método)

Uma alternativa aos longos cálculos realizados na etapa anterior é a existência de calculadoras online de geometria de antenas. Essas calculadoras são feitas por indivíduos ou profissionais e têm como objetivo simplificar o projeto de antenas. Como é difícil verificar quais cálculos são feitos por essas calculadoras online, é altamente recomendável usar calculadoras que apresentem referências e fórmulas utilizadas, ou aquelas desenvolvidas por empresas especializadas.

A STMicroelectronics oferece essa calculadora em seu aplicativo online eDesignSuite para ajudar os clientes a integrar produtos ST em seus circuitos. A calculadora é válida para qualquer aplicativo com tecnologia NFC e, portanto, pode ser usada para o chip NFC da NXP.

Com os valores geométricos calculados anteriormente, a indutância resultante calculada pelo aplicativo eDesignSuite é 2, 88 μH em vez do valor esperado de 2, 76 μH. Essa diferença surpreende e questiona o resultado obtido anteriormente. A fórmula utilizada pelo aplicativo é desconhecida e não é possível fazer a comparação com os cálculos feitos anteriormente.

Então, qual dos dois métodos dá um resultado correto?

Nenhum ! Calculadoras e fórmulas online são ferramentas teóricas para aproximar um resultado, mas devem ser completadas por simulações com softwares especializados e testes reais para se obter o resultado esperado.

Felizmente, as soluções NFC já simuladas e testadas foram disponibilizadas para designers de eletrônicos e são o assunto da próxima etapa …

Etapa 7: Definindo o formato da antena: Antenas de código aberto (3º método)

Para facilitar a implementação de seus ICs NFC, alguns fabricantes fornecem soluções completas para designers de eletrônicos, como guias de design, notas de aplicação e até arquivos EDA.

É o caso da NXP, que oferece para sua gama de circuitos integrados NFC NTAG um guia completo incluindo referências para design de antenas NFC, ferramenta de cálculo baseada em excel para antenas retangulares e redondas, arquivos gerber e Eagle para diferentes classes de antenas.

Uma classe define os fatores de forma e tamanho de uma antena. Quanto maior a classe, menor é a antena. Para o NFC, a NXP recomenda o uso de antenas de “Classe 3”, “Classe 4”, “Classe 5” ou “Classe 6”.

Decidi focar em antenas retangulares de classe 4, cujo tamanho parecia adaptado para meu cartão de visita, que deve estar localizado dentro de uma zona definida:

• Retângulo externo: 50 x 27 mm
• Retângulo interno: 35 x 13 mm, centralizado no retângulo externo, com raio de canto de 3 mm

Para esta aula, a NXP disponibiliza os arquivos Eagle de uma antena fabricada por seus engenheiros e já integrada em alguns de seus produtos. A principal vantagem desse projeto é que ele já foi simulado, corrigido e totalmente otimizado. Métodos de teste, correções e otimizações são apresentados em documento também disponível.

Decidi usar este design de código aberto como modelo e criar minha própria versão para implementá-lo em uma biblioteca dedicada ao projeto.

Etapa 8: Criando a Águia Librairy

Para desenhar o circuito eletrônico do cartão de visita no Eagle, é necessário ter os símbolos e as impressões digitais dos componentes utilizados. Faltavam apenas a antena e a tag NFC, então tive que criá-los e incluí-los em uma biblioteca para o projeto.

Comecei projetando a antena copiando a antena retangular de código aberto classe 4 fornecida pela NXP. Eu apenas mudei a posição dos conectores e os coloquei no comprimento da antena. Em seguida, associei o pacote ao símbolo de uma bobina e adicionei os rótulos de nome e valor:

Em seguida, projetei o chip NFC usando os dados fornecidos em sua folha de dados. Eu nomeei, dimensionei e juntei os 8 pinos dos componentes para formar a pegada de 1, 6 * 1, 6 mm do pacote XQFN8. Por fim, associei o pacote ao símbolo do NTAG e adicionei os rótulos de nome e valor:

Para obter mais informações sobre as bibliotecas Eagle e a criação de componentes, a Autodesk oferece tutoriais em seu site.

Etapa 9: Esquemático

A criação do esquema eletrônico é feita no EAGLE PCB.

Após importar a biblioteca "PCB_BusinessCard.lbr" criada anteriormente, os diferentes componentes eletrônicos são adicionados ao esquema.

O circuito integrado NFC NT3H1101, o único componente ativo do circuito, é conectado aos componentes passivos usando as descrições de seus pinos fornecidas em sua ficha técnica:

• A antena de quadro de 2, 75 μH é conectada aos pinos LA e LB.
• A saída de coleta de energia VOUT é usada para alimentar o chip NFC e, portanto, é conectada ao seu pino VCC.
• Um capacitor 220 nF é conectado entre VOUT e VSS para garantir a operação durante a comunicação RF.
• Finalmente, o LED e seu resistor em série são alimentados por VOUT.

O valor da resistência do LED é calculado com a lei do ohm de acordo com os parâmetros do LED e a tensão de alimentação:

Onde:

• R é a resistência (Ω)
• Vcc é a tensão de alimentação (V)
• Vled é a tensão direta do LED (V)
• Iled é a corrente direta do LED (A)

Etapa 10: Design de PCB: Face inferior

Para o design do meu cartão de visita, pretendia alcançar algo sóbrio mas que pudesse mostrar o quão inventivo sou na vida e sempre com uma ideia nova em mente. Escolhi o desenho da lâmpada incandescente, símbolo de uma nova ideia cuja luz pode iluminar as áreas cinzentas de um problema. Também gostei do fato de um recrutador poder associar facilmente meu perfil do LinkedIn que aparece em seu telefone com uma nova boa ideia para sua empresa.

Comecei projetando uma lâmpada radiante no software de desenho vetorial Inkscape. O desenho é exportado em dois arquivos BitMap, o primeiro contendo apenas a lâmpada e o segundo apenas os raios de luz.

De volta ao Eagle, usei o import-bmp ULP para importar as imagens BitMap geradas pelo Inkscape para um desenho do Eagle. Este ULP gera um arquivo SCRIPT que desenha pequenos retângulos de pixels sucessivos com cores idênticas que combinados, recriam a imagem.

• O desenho da lâmpada é importado na 22ª camada "bPlace" e aparecerá na serigrafia do PCB em branco, acima da máscara de solda preta.
• O desenho dos raios de luz é importado na 16ª camada "Fundo" e será considerado como uma trilha de cobre recoberta pela máscara de solda preta.

Usar a camada de cobre para uma imagem permite brincar com a espessura do PCB e, assim, criar efeitos de textura e cor que normalmente são impossíveis em um PCB. Pranchas artísticas podem ser feitas com esses truques e eu fui muito inspirado por alguns projetos de arte pcb.

Por fim, desenhei os contornos do circuito e acrescentei o meu lema "Sempre uma ideia nova". na 22ª camada "bPlace".

Etapa 11: Design de PCB: Face superior

Como a face superior do quadro não tem componentes, tive a liberdade de encontrar uma maneira elegante de marcar minhas informações de contato clássicas: sobrenome, nome, cargo, e-mail e número de telefone.

Mais uma vez, brinquei com as diferentes camadas do PCB: comecei definindo um plano de solo parcial. Em seguida, importei um texto contendo minhas informações de contato na 29ª camada "tStop", que controla a máscara de solda para a face superior. A sobreposição do plano de base e o texto na camada "tStop" faz com que as letras apareçam no plano de base sem a máscara de solda nela, dando ao texto um belo aspecto metálico brilhante.

Mas por que não colocar o plano do solo em todo o cartão de visita?

O layout de uma antena indutiva em um PCB requer atenção especial, pois as ondas de rádio não podem atravessar metais e não deve haver planos de cobre acima ou abaixo da antena.

O exemplo a seguir mostra uma boa implementação, onde a transferência de energia e a comunicação entre o leitor e a etiqueta NFC são adequadas porque nenhum plano de cobre se sobrepõe à antena.

O exemplo a seguir mostra uma implementação ruim, onde o fluxo eletromagnético não pode fluir através da antena. O plano de aterramento em um lado do PCB bloqueia a transferência de energia entre o leitor e a antena de etiqueta NFC:

Etapa 12: Roteamento de PCB

Comecei colocando todos os diferentes componentes na face inferior do PCB.

O LED é colocado no filamento da lâmpada, e os demais componentes são dispostos da maneira mais discreta possível na base da lâmpada.

Os fios que conectam os diferentes componentes passivos uns aos outros ou à etiqueta NFC são preferencialmente colocados sob as linhas que desenham a lâmpada por razões estéticas.

Finalmente, a antena é colocada na parte inferior do circuito, ao redor do lema, e conectada ao circuito integrado NFC por dois fios finos.

O design do PCB está pronto!

Etapa 13: Gerando os arquivos Gerber

Os arquivos Gerber são o arquivo padrão usado pelo software da indústria de placa de circuito impresso para descrever as imagens do PCB: camadas de cobre, máscara de solda, legenda, etc …

Quer você opte por fabricar seu PCB em casa ou confiar o processo de fabricação a um profissional, é essencial gerar os arquivos Gerber a partir do PCB feito anteriormente no Eagle.

Exportar arquivos Gerber do Eagle é muito simples usando o processador CAM embutido: Eu usei o arquivo CAM para o Seeed Fusion 2-layers PCB que contém todas as configurações usadas por este fabricante e muitos outros. Mais informações sobre a geração do Gerber com este arquivo podem ser encontradas no site da Seeed.

O processador CAM gera um arquivo.zip "NFC_BusinessCard.zip" contendo 10 arquivos correspondentes às seguintes camadas do PCB NFC Business Card:

Extensão	Camada
NFC_BusinessCard. GBL	Cobre inferior
NFC_BusinessCard. GBO	Silkscreen inferior
NFC_BusinessCard. GBP	Pasta de solda inferior
NFC_BusinessCard. GBS	Máscara de solda inferior
NFC_BusinessCard. GML	Camada de moinho
NFC_BusinessCard. GTL	Top Copper
NFC_BusinessCard. GTO	Top Silkscreen
NFC_BusinessCard. GTP	Pasta de solda superior
NFC_BusinessCard. GTS	Máscara de solda superior
NFC_BusinessCard. TXT	Arquivo de treino

Para ter certeza de que o PCB ficará exatamente como eu queria, carreguei os arquivos Gerber no visualizador Gerber online da EasyEDA. Mudei o tema para preto e o acabamento da superfície para prata para visualizar o design final após a fabricação.

Fiquei muito feliz com o resultado e decidi continuar com a etapa de fabricação …

Etapa 14: Solicitando os PCBs

Como queria um acabamento de qualidade para os meus cartões de visita, confiei o processo de fabricação a um profissional.

Muitos fabricantes de PCB agora oferecem preços muito competitivos: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay e muitos outros … Dica: Para comparar preços e serviços oferecidos por diferentes fabricantes de PCB, aconselho a usar o site PCB Shopper, que considero muito útil.

Para a fabricação dos meus cartões de visita, levei em consideração um detalhe importante: muitos fabricantes de PCB se permitem marcar o número do pedido na serigrafia de PCB. Esse número, embora pequeno, é irritante, especialmente quando o PCB precisa ser estético. Por exemplo, tive esta surpresa ruim para minhas árvores de Natal de $ 1 PCB, encomendadas no SeeedStudio.

Por experiência, eu sabia que Elecrow não tinha esse mau hábito e então decidi confiar a fabricação dos meus cartões a este fabricante e encomendei 10 cartões de visita por $ 4,9 com as seguintes configurações:

• Camadas: 2 camadas
• Dimensões: 54 * 86 mm
• Design de PCB diferente: 1
• Espessura do PCB: 0, 6 mm (o mais fino disponível)
• Cor PCB: Preto
• Acabamento de Superfície: HASL
• Orifício Acastelado: Não
• Peso do cobre: 1 oz (conforme escolhido na fórmula de indutância da antena)

Duas semanas depois, recebi meus PCBs perfeitamente feitos e sem nenhum número de pedido irritante marcado na serigrafia. Até aí tudo bem, hora de soldar essas placas!

Etapa 15: soldando o chip NFC

Prêmio Juízes no Concurso PCB