Na segunda parte deste curso vimos como fabricar uma placa de circuito impresso para a montagem de um projeto usando diversas técnicas. Na ocasião, entretanto, salientamos que o maior problema para o montador não é fazer a placa, mas sim projetar uma quando o desenho da disposição dos componentes não está disponível. Nesta parte de nosso curso, explicaremos como fazer o projeto de uma placa.
Para projetar uma placa de circuito impresso, ou seja, estabelecer a disposição dos componentes e as interligações que devem ser feitas de modo a se obter um determinado circuito, o leitor precisa ter alguns conhecimentos básicos importantes de eletrônica como:
É preciso, em primeiro lugar, saber interpretar um diagrama, ou seja, pelo esquema o leitor deve saber como devem ser os componentes reais a serem interligados (nosso Curso Básico de Eletrônica no site é um bom começo para se aprender isso).
Esse conhecimento não se limita simplesmente a termos uma visão semelhante ao circuito como mostra a figura 1, em que imaginamos os componentes dispostos exatamente como no esquema, substituindo-se seu símbolo pelo aspecto, mas muito mais.
O leitor deve ser capaz de juntar pontos interligados, aproximando-os dos componentes de modo a conseguir uma disposição muito mais compacta, mas ainda assim equivalente ao circuito original.
Isso significa que, em lugar de puxarmos um fio de conexão à três ou quatro componentes é muito mais fácil levar seus terminais a um ponto único de ligação.
Em segundo lugar, é preciso conhecer os componentes no seu aspecto real, ou seja, sua forma e suas dimensões para que possamos prever na placa o espaço necessário a sua instalação.
Um resistor de 1/8 W (0,125 W), por exemplo, se for montado horizontalmente precisa de furos separados por uma distância de pelo menos 1 cm. Se deixarmos uma distância menor, conforme mostra a figura 2 teremos o desagradável aspecto de uma montagem com componentes tortos ou saltados.
Devemos saber que o espaço exigido por um resistor de maior dissipação deve também ser maior, para não ocorra o que mostramos na mesma figura 2.
Para os capacitores vale o mesmo. Devemos ter uma idéia do tamanho para os valores e tensões dos capacitores usados. Um capacitor de 1 000 µF x 40 V é maior do que um capacitor de 1 000 µF x 6 V.
Normalmente, nos laboratórios de projeto é possível contar com manuais de fábricas ou folhas de dados em que as dimensões dos componentes são fornecidas com precisão. Também é possível acessar essas informações na internet.
No entanto, para o leitor que não disponha de muitas informações existem uma alternativa. O procedimento indicado nesses casos consiste em seu projetar a placa somente depois de ter os componentes em mãos, pois assim podemos medir em cada um o espaço que ele precisa na placa para sua instalação, conforme mostra a figura 3.
A separação entre os terminais depende do valor do capacitor.
Veja que, os capacitores eletrolíticos, por exemplo, podem ter terminais paralelos ou axiais, conforme mostra a figura 4, e que suas dimensões não dependem apenas do valor mas também da tensão de trabalho.
Capacitores com terminais axiais e terminais paralelos.
Para os circuitos integrados, o trabalho é mais fácil, pois em cartelas de decalques já temos os pontos de seus terminais com as separações corretas.
O MAIS DIFÍCIL
Mas, o grande problema da maioria, não é fazer o que explicamos que exige apenas tempo e um local apropriado. O problema maior é partir de um diagrama e projetar sua própria placa.
Os desenhos que publicamos em nossos artigos exigem mais habilidade e alguns recursos como por exemplo a possibilidade de se "copiar" fielmente o desenho no cobre ou ainda de se trabalhar com cartelas de símbolos adesivos, como a que vimos na lição anterior.
Essas cartelas contém as "ilhas" ou pequenas rosquinhas que correspondem aos pontos onde entram os terminais dos componentes e também linhas retas e curvas que podem ser usadas para fazer as trilhas.
Mas, e para os que não tem acesso a estes recursos.
Para estes vamos ensinar métodos alternativos de fazer placas de circuito impresso com poucos componentes e que valem para circuitos mais simples.
CRIANDO UMA PLACA
Vamos supor que o leitor deseje montar um pequeno transmissor de FM cujo diagrama é dado na figura 5.
Evidentemente, o primeiro passo para isso é projetar uma placa de circuito impresso que "corresponda" aquele circuito.
O primeiro passo é colocar num papel o desenho feito a mão das peças como elas são na realidade e mais ou menos do mesmo tamanho. Obtemos então algo como mostra a figura 6.
A seguir, devemos estabelecer as ligações entre os componentes conforme o diagrama. Uma idéia simples para isso é marcar com uma caneta colorida as chamadas "ilhas" ou interligações.
Assim, conforme mostra a figura 7, a base do transistor, R2, C2 e R3 são interligados, o que significa que podemos estabelecer entre estes componentes um sistema de ligações.
Se formos usar uma caneta para circuito impresso, essas ligações podem ser finas conforme mostra a figura 8-a, mas temos outras alternativas,e uma delas é mostrada na figura 8.b.
Nesta alternativa formamos regiões de conexão grandes que podem depois ser recobertas com fita adesiva ou mesmo esmalte de unhas.
Fazendo isso com as outras ligações entre os componentes, e incluindo as ligações externas ao microfone, do ponto de zero volt (0), a antena e positivo da alimentação, chegamos a dois desenhos possíveis.
O primeiro, mostrado na figura 9 tem trilhas finas que depois podem ser traçadas com decalques ou mesmo uma caneta de circuito impresso. Observe que as trilhas de correntes maiores não são tão finas.
O segundo, mostrado na figura 10 tem regiões retangulares e é muito mais fácil de obter, pois poderemos usar alguns recursos domésticos.
Veja, entretanto, que esses dois desenhos correspondem ao lado dos componentes, ou seja, a placa quando vista "por cima" e não do lado cobreado. Para transferir esse desenho para o lado cobreado, devemos gira-lo conforme mostra a figura 11.
Uma maneira simples de inverter o desenho é usando papel carbono, conforme mostra a figura 12.
Obtemos então o padrão cobreado que deve ser transferido para o cobre virgem da placa e para isso temos diversas possibilidades.
Se o leitor for bom de desenho pode copiar o padrão somente observando-o e usando a caneta especial para circuito impresso.
Uma idéia para se obter uma boa precisão é tomar como referência apenas os pontos em que devem ficar os furos dos terminais. Para isso podemos prender o desenho provisoriamente na placa e marcar esses pontos com um prego ou punção, batendo não muito forte, conforme mostra a figura 13.
Seguindo as marcas dos furos, fica fácil copiar as trilhas do desenho original. Se tivermos uma cartela de "bolinhas de terminais" elas podem ser as primeiras a serem transferidas para depois as unirmos usando a caneta de circuito impresso ou mesmo decalques.
Outra possibilidade é transferir o desenho das regiões usando papel carbono de depois "pintar" com esmalte de unhas, ou cobrir com fita adesiva ou mesmo fita crepe as regiões que devem ficar cobreadas e assim obter o padrão de ilhas retangulares conforme mostra a figura 14.
De qualquer maneira é sempre importante ter o esquema e o desenho da placa disponível para que a montagem seja feita depois sem problemas.
Nesse ponto, a placa pode ir para o banho de percloreto (Cloreto de ferro II).
Uma alternativa interessante para projeto consiste na "copia modificada" do diagrama.
O que se faz é desenhar os componentes com os tamanhos e dimensões reais na própria placa, inicialmente usando um lápis. Uma cópia deve ser feita num papel.
Depois, copiamos as ligações conforme o diagrama, mas engrossando os fios de ligação de modo que eles se tornem as trilhas da placa. Temos então uma reprodução exata do desenho do diagrama, mas já na forma de uma placa de circuito impresso.
Podemos ainda dar uns retoques na placa engrossando algumas trilhas, conforme mostra a figura 15.
Veja que estas técnicas são válidas apenas para os projetos que não usem circuitos integrados. O que ocorre é que os circuitos integrados possuem terminais muito juntos e isso dificulta o desenho a mão.
Para trabalhar com circuitos integrados o leitor precisa ter disponível uma cartela com a disposição de seus terminais, ou seja uma cartela de terminais de filas paralelas (DIL), conforme já vimos na lição anterior.
Se vamos trabalhar com um circuito integrado de 14 pinos (4093, por exemplo) o que fazemos é transferir para a placa esses 14 terminais diretamente da cartela e depois, partindo deles é que fazemos as ligações ou desenhos das trilhas que unem aos demais componentes. Vale neste caso a mesma idéia de se desenhar "diretamente", mas precisamos lembrar que estamos olhando o circuito integrado "por baixo" quando desenhamos no cobre o que nos leva a uma numeração diferente, conforme mostra a figura 16.
Mesmo para os transistores, quando desenhamos um diagrama "direto" no cobre é preciso ter em mente que os estamos observando "por baixo", pois uma vez furada, os componentes vão ter seus terminais enfiados do outro lado.
USANDO O COMPUTADOR
Existem programas de computador como o Multisim e outros de que já falamos em outras oportunidades que podem simular circuitos e depois fazer o desenho de uma placa de circuito impresso, conforme mostra a figura 17.
Placa sendo criada no Ultiroute do Multisim 11.
Assim, o desenho da placa pode ser obtido diretamente numa folha branca o que facilita enormemente a obtenção final da mesma.
Uma alternativa importante para o uso do computador é que o padrão da placa pode ser impresso diretamente numa transparência e com isso uma tela de silkscreen ou mesmo o desenvolvimento da placa por métodos fotográficos fica extremamente simplificado.
Existem mesmo películas que podem ser utilizadas para fazer placas e que são gravadas diretamente pela impressora e trabalhadas com o calor de um ferro de passar roupas como as do tipo Easy Peel, que infelizmente não mais encontrado à venda em nosso país.
No entanto, nem sempre é possível encontrar com facilidade estes materiais no comércio especializado.
O BANHO DE PERCLORETO
O tempo do banho depende da "força da solução". Um litro de solução serve para fazer dezenas de placas de circuito impresso, mas à medida que ela vai sendo usada enfraquece. No início, com uma solução forte, a corrosão pode ocorrer em 15 a 20 minutos, agitando-se o líquido para acelerar o processo. Com o tempo, a corrosão vai demorando mais, e quando chegarmos aos 50 minutos é sinal que precisamos de solução nova.
Se agitarmos o líquido, a corrosão é mais rápida. Uma maneira de se "fabricar" uma banheira de ação rápida é mostrada na figura 18.
Com vidro e cola de silicone é possível fazer um "aquário" vertical para as placas e usando dois fios encapados rígidos fazemos os ganchos que prendem a placa a meia altura. Para manter o líquido agitado usamos um borbulhador do tipo empregado para oxigenação da água em aquários. Esta banheira acelera consideravelmente a corrosão de placas.
A placa fica pronta quando não restam manchas de cobre visíveis sobre a parte descoberta. Quando isso acontecer, retire a placa e lave-a em água corrente.
Depois é só remover o decalque ou tinta usando um algodão com acetona ou álcool. Para as que são recobertas com fita adesiva,isolante ou crepe a retirada da fita deve ser feita manualmente.
ACABAMENTO
O próximo passo no preparo da placa será a furação que pode ser feita com a furadora manual ou elétrica. Observe que certos componentes como transistores de potência, trimpots e resistores de fio podem ter terminais mais grossos o que exige furos maiores.
A limpeza do cobre pode ser feita com uma esponja de aço, mas limpe depois muito bem a superfície cobreada de modo a não deixar nenhum fiapo. Esses fiapos podem colocar em curto as trilhas causando problemas se não forem totalmente removidos!
Para proteger o cobre contra a oxidação que o escurece e torna difícil a adesão da solda, pode-se usar uma solução de iodeto de prata (pratex) que será aplicada com um pincel. Esta substância forma uma fina película de prata sobre o cobre tornando a placa cor de prata e mais resistente a oxidação.
Alguns montadores costumam aplicar uma camada de verniz incolor na placa de modo a melhorar sua aparência.
Também é possível utilizar uma máscara de solda nas placas, principalmente as que vão ser usadas em máquinas automáticas de soldagem (por imersão parcial ou onda). O que se faz é uma segunda tela de silk screen que tem marcado apenas o local onde devem ser soldados os terminais.
Quando esta tela é usada com verniz toda a superfície cobreada da placa é recoberta menos os pontos que devem receber solda. As placas da maioria dos equipamentos comerciais usam esta técnica o que pode ser facilmente observado pela camada de verniz esverdeado que as recobre por baixo exceto nos pontos onde existe a soldagem dos terminais dos componentes.
Problemas de Projeto
Um problema que pode aparecer no projeto de uma placa é o cruzamento de trilhas. Veja que a elaboração do desenho do cobreado é uma espécie de quebra cabeças em que temos de unir diversos pontos (terminais dos componentes) com linhas de cobre, mas que não podem cruzar.
Num circuito como o que tomamos como exemplo, isso é fácil, mas à medida que um circuito vai se tornando mais complexo chegamos a necessidade de cruzar algumas trilhas. Isso ocorre, por exemplo, no circuito da figura 19.
A solução para este problema consiste em se utilizar um "jumper", ou seja, um pedaço de fio que "salta" a trilha que deve ser cruzada, passando a ligação pelo lado dos componentes, conforme mostra a figura 20.
Chegamos então à placa da figura 21 que possui um jumper como solução para esse tipo de problema.
Quando uma montagem tem um número muito grande de cruzamentos, e se torna desinteressante o uso de jumpers, uma solução consiste em se empregar placas de dupla face.
Esta placa possui duas faces cobreadas e podemos utilizar qualquer delas para a elaboração das trilhas interligando os componentes. Assim, se uma trilha tender a diversos cruzamentos numa face, transferimos esta trilha para a outra face, conforme mostra a figura 22.
Nesta placa as trilhas do lado esquerdo são gravadas de um lado da placa e as trilhas do lado direito do outro.
Este tipo de placa é muito usado em aparelhos digitais onde o número de interligações costuma ser grande.
Quando utilizamos circuitos integrados nas montagens, um procedimento importante para o projeto é partir da posição inicial desses componentes, que pode ser conforme mostra a figura 23.
A partir dessa disposição primeiramente traçamos as linhas de alimentação. Essas linhas podem ser externas e em alguns casos também podem ser internas, conforme mostra a figura 24.
Nos circuitos digitais de alta velocidade é muito importante que os terminais que recebem alimentação sejam desacoplados da fonte, isto é, tenham recursos para impedir que quando um circuito comute, isso cause uma influência que se propague pela linha de alimentação até outros circuitos integrados.
Estes pulsos ou variações de corrente são desacoplados com a ligação de capacitores (tipicamente cerâmicos de 100 nF) junto ao terminal positivo da alimentação, conforme mostra a figura 25.
Nos projetos mais críticos, estes capacitores devem ser colocados em todos os circuitos integrados e normalmente não são indicados nos diagramas.
A espessura de uma linha de alimentação também deve ser considerada, principalmente nos projetos que operam com altas correntes.
Uma trilha muito fina representa uma resistência, existindo um limite para a corrente máxima que pode conduzir, Não é conveniente deixar correntes maiores que 1 ampère por milímetro de largura de uma trilha de cobre.
Nos circuitos de áudio essas trilhas são muito importantes para se evitar instabilidades e também distorções. Uma trilha longa demais ou fina demais significa uma resistência que influi no sinal que passa através dela, causando problemas.
Voltando aos circuitos integrados, depois de estabelecidas as linhas de alimentação passamos às interligações, obtendo-se então a configuração final, conforme mostra a figura 26.
Uma boa prática, para não esquecer nenhuma ligação, é a de "dar baixa" no diagrama a cada conexão feita, utilizando-se, por exemplo, uma cópia Xerox na qual marcamos com caneta vermelha cada interligação.
Outro processo que facilita a realização do desenho da placa de circuito impresso, é sempre começar com o pino 1 do integrado, e fazer as interligações em ordem numérica. Isso evita que pinos sejam esquecidos, comprometendo o projeto.
Nestas interligações devemos cuidar para que as trilhas sejam sempre as mais curtas possíveis.
Com o tempo e a prática, o leitor vai se acostumar a escolher os melhores posicionamentos para os componentes. Certas vezes o desenho precisará ser feito mais de uma vez até se conseguir a melhor disposição dos componentes.
Procedimento Geral
Podemos dar uma série de procedimentos para que o leitor possa melhor projetar suas placas, minimizando a possibilidade de erros.
a) Analise o diagrama planejando uma disposição para as etapas ou componentes básicos (circuitos integrados ou transistores).
b) Verifique se as dimensões de todos os componentes são conhecidas.
c) Estude uma disposição inicial para os principais componentes, que devem ficar os mais próximos possíveis, uns dos outros.
d) Comece traçando as linhas de alimentação e terra de todas as etapas.
e) Ligue os componentes de polarização de cada etapa (resistores)
f) Faça a conexão dos componentes de acoplamento como capacitores e eventualmente transformadores.
g) Complete com as ligações das entradas e saídas, além dos componentes de ajuste e controle (trimpots, trimmers e potenciômetros).
Softwares para Projetos
A disponibilidade de um computador facilita tremendamente o projeto de placas de circuito impresso. Já observamos nesse mesmo artigo que existem programas (softwares) que realizam este tipo de trabalho.
Existem muitos programas que realizam este tipo de trabalho. Os mais simples exigem que o usuário entre com as dimensões dos componentes e sua localização na placa. Através de comandos, ele indica os terminais que devem ser interligados e o programa traça a trilha da melhor maneira possível.
Os mais elaborados possuem uma biblioteca de componentes em que estão armazenadas as pinagens e dimensões dos tipos mais usados como, por exemplo, circuitos integrados lineares e digitais, transistores, e outros componentes de uso freqüente.
Temos ainda outros que fazem a placa diretamente a partir de um diagrama transferido para sua memória, de modo que o projetista nem sequer precisa conhecer o aspecto real dos componentes ou saber interpretar diagramas.
Um programa muito útil para estudantes, iniciantes e amadores e até mesmo profissionais que precisam desenvolver circuitos de pequena e média complexidade é o Ultiboard da National Instruments (www.ni.com).
Trata-se de um conjunto de programas que não só permite desenhar os esquemas fazendo o projeto no computador, como também obter sua simulação com instrumentos virtuais que permitem medir tensões, injetar sinais, analisar formas de onda e muito mais.
Pode-se projetar totalmente o circuito e comprovando-se seu funcionamento o software pode projetar uma placa para a montagem de um protótipo.
Existe ainda a necessidade de termos meios para transferir o desenho da placa para o papel e dele para o cobre. Uma impressora é o meio mais comum, se bem que nos laboratórios mais bem equipados existem até máquinas que gravam a placa por um processo de abrasão fabricando-a a partir do desenho do computador, sem a necessidade de qualquer transferência.
Conclusão
Para os leitores que desejam criar projetos de placas simples, e depois eventualmente fazer algumas unidades, os processos que descrevemos nessa terceira parte de nosso curso servem.
É muito importante montar algumas placas para que a experiência em sua confecção seja adquirida e assim serem obtidos protótipos cada vez mais perfeitos.
Na próxima parte desse artigo trataremos das placas de circuito impresso que podem ser adquiridas prontas, ou seja, daquelas que são consideradas "universais", pois podemos criar qualquer disposição de componentes para uma montagem.
