Projetar placas de circuito impresso

Projetar placas de circuito impresso

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Como projetar e executar placas de circuito impresso.

Este texto foi tirado da revista "Saber Eletrônica (Fora de Serie)" nº09, permanecendo idêntico ao da mesma.

Autor: Newton C. Braga

Aprenda a desenhar sua própria placa de circuito impresso a partir do diagrama esquemático do aparelho, conseguindo desta forma montar qualquer aparelho. Em muitas publicações técnicas que não trazem o lay-out da placa. Projetar é diferente de elaborar uma placa, mas não é "coisa do outro mundo" conforme os leitores verão neste artigo especial.

Um dos grandes problemas dos leitores é preparar uma placa de circuito impresso, tendo em mãos apenas o diagrama de um determinado aparelho. Tal tarefa, a partir de um desenho pronto que mostre as trilhas e a disposição componentes facilita bastante qualquer montador, mas nem sempre é possível dispor deste desenho, quando então o próprio montador deve fazer u projeto de placa. Muitos leitores se desesperam quando ocorre isso. Escrevendo para os leitores do projeto, redação da própria revista ou pedindo socorro a montadores mais experientes, visando obter o desenho pronto da placa quando eles próprios poderiam elaborá-lo até com a facilidade. É claro que, o projeto de uma placa um grau de dificuldade proporcional à complexidade do circuito que ela pretende alojar. Existem projetos tão simples que não exigem sequer um desenho prévio aos mais experientes, que já “imaginam’ a disposição das trilhas à medida que a preparam, mas projetos que são tão complicados que precisam até do auxílio do computador para que uma solução rápida e viável possa ser obtida”.

Programas especiais, como o CAD-CAM o Tango o Smart Worlh e outros, permitem a elaboração do projeto das placas pelo próprio computador que "joga" o lay-out final de uma placa numa impressora ou num Plotter mas evidentemente estes recursos se destinam apenas aos trabalhos profissionais e não ao leitor que simplesmente quer uma placa para uma eventual montagem. Assim, visando atender aos que não tenham estes recursos especiais e a desejam projetar placas de grau de dificuldade pequenas e médias, preparam este material que também é bastante didático aos que mal sabem o que é uma placa, partindo do início.

A placa de circuito impresso visa substituir o "chassi' que sustenta os componentes num aparelho e que antigamente era de metal. Também proporciona as ligações entre os diversos componentes que formam o circuito final. As placas são basicamente feitas de fibra ou fenolite contendo uma camada fina de cobre depositado conforme mostra a figura 1 que pode ser corroído, de modo a formar trilhas por onde passam as correntes do circuito. Como o cobre está firmemente depositado na placa e as trilhas são formadas por processos que lembram bastante uma impressão de símbolos numa folha de papel, pois são finas, temos a denominação de "circuito impresso"(fig.2).

No lado oposto àquele em que se encontram as trilhas são colocados os componentes, cujos terminais atravessam a placa por furos estrategicamente dispostos e podem ser soldados no próprio cobre depositado, estabelecendo assim contato elétrico. Além do contato elétrico, a soldagem firme em trilhas que estão "grudadas" na placa proporciona a sustentação do componente (figura 3).

O projeto de uma placa consiste em se planejar tanto a disposição dos componentes como das trilhas de cobre (que substituem os fios) que interligam os componentes e resultem no circuito eletrônico desejado. O falto das trilhas serem impressas, ou seja, só poderem ocupar um único plano na placa de circuito impresso, traz algumas dificuldades aos projetistas. As trilhas não podem se cruzar, o que leva, às vezes, a se tentar percursos ou disposições alternativas, que consistem no principal trabalho mental dos leitores que querem aprender a montar e projetar suas próprias placas. Podemos dizer que a elaboração de um projeto de placa lembra em muitos casos o problema infantil tradicional de se "puxar" mangueiras de 3 poços de água para 3 casas sem deixá-las cruzar, conforme sugere a figura 4.

Mas, mesmo quando é impossível evitar o cruzamento, existem soluções, que veremos durante o artigo.

O ponto fundamental para fazer qualquer projeto de placa de circuito impresso e montagem de aparelho eletrônico é saber interpretar um diagrama ou esquema.Para isso, além do conhecimento da simbologia empregada (que não é tarefa difícil, o leitor também deve ter uma idéia do aspecto físico dos componentes de como eles normalmente ficam numa placa. É claro que o leitor também deve saber interpretar as ligações num diagrama, que nem sempre correspondem à disposição real dos componentes no aparelho depois de pronto).

Para facilitar os leitores menos experientes, damos a seguir uma relação de componentes com seus símbolos e a maneira como eles podem ser montados numa placa

(figura 5). Veja que muitos componentes tanto admitem a montagem em posição horizontal como vertical, enquanto que outros podem ter disposições diversas para seus terminais. Esta disposição de terminais é importante na escolha do componente, pois determinará a separação dos furos para sua passagem na hora de planejar a placa de circuito impresso. Por exemplo, se formos usar um capacitor eletrolítico com terminais paralelos é muito mais interessante fazer para este componente furos próximos, do que do tipo que seriam necessários para utilização de um capacitor com terminais axiais (figura 6). A o caso inverso, isso também ocorre se bem que há casos em que tanto um. como, outro possam ser utilizados, conforme mostra a figura 7. Nessas circunstâncias podem ser usados apenas eletrolíticos com terminais longos.

Veja que a elaboração do lay-out de urna placa deve prever também se o circuito poda ou não ocupar um espaço maior. A disposição dos componentes de uma forma compacta é sempre mais difícil do que uma disposição "folgada" de um circuito menos crítico.

É importante observar que o projeto de uma placa nem sempre só se limita em planejar uma disposição de componentes e trilhas que resulte na configuração desejada. Existem alguns pontos críticos que o projetista deve estar apto a contornar e que exigem, em alguns casos, experiência Isso significa que, para os iniciantes sempre é preferível começar as montagens com o projeto de placas simples e que não possuam estas pontos.

Placas de fontes, áudio e circuitos de baixas freqüências em geral são as recomendadas para

os iniciantes. As placas de receptores, circuitos de alta freqüência em geral ou mesmo circuitos de altas correntes são as que mais problemas apresentam no que se refere à disposição dos componentes, mas a "campeã" das placas, em matéria de pontos críticos, é a que deve ser usada para alojar um circuito digital rápido (de alta freqüência) com muitos integrados. Se o leitor é iniciante e deseja fazer sua própria placa, sugerimos que de modo algum comece com coisas como relógios, frequencímetro ou outros instrumentos digitais!

Os principais pontos críticos são: a)Cruzamento de trilhas:

Os cruzamentos de trilhas que não tenham solução por um trajeto maior ou em que se deseja evitar isso, podem ser resolvidos com a colocação de um jumper, que nada mais é do que um pedaço de fio que salta de um ponto a outro da placa, pelo lado dos componentes, conforme mostra a figura 8. Os jumpers podem ser feitos com pedaços de fio rígido com ou sem capa plástica.

b)Trilhas longas:

Trilhas muito longas, ligando dois componentes numa placa, conforme mostra a figura 9, podem representar indutâncias ou capacitâncias parasitas.

Em outras palavras, uma trilha que corra paralela a outra, conforme mostra a figura, representa uma capacitância e alguns picofarads, ou seja, a ligação de um capacitor entre as duas trilhas com um valor que dependerá do comprimento paralelo destas trilhas.Num circuito de baixa freqüência ou de baixa impedância, a ligação de tal capacitor ou seja, sua

presença pelas proximidades das trilhas nada significa, mas no caso de um circuito de áudio de alta impedância e grande sensibilidade, como um pré- amplificador, isso pode significar um problema: o sinal pode ser "desviado" para a outra trilha, pode ocorrer uma realimentação que causa a oscilação do circuito, ou ainda pode ocorrer a captação do sinal que passa numa, por parte da outra. Nos circuitos de alta freqüência a coisa é ainda pior. As trilhas longas além de representarem capacitâncias em relação as outras próximas, também se comportam como indutores ou bobinas, conforme sugere a figura 10.

Como sabemos, uma bobina representa uma oposição à passagem de um sinal de alta freqüência, prejudicando assim o funcionamento do circuito. Em outras palavras, nos circuitos de altas freqüências ou de pré-amplificadores de áudio e outros de alta impedância, é preferível, às vezes, usar um jumper do que fazer uma trilha longa (fig.1).

Da mesma forma, as ligações entre componentes na condução de sinais muito distantes deve ser feita, em alguns casos, extremamente por meio até de cabos blindados!Os circuitos de altas freqüências e mesmo de áudio mais críticos podem trazer, às vezes, sérios problemas para o projetista, exigindo muita prática para sua solução. Estes são os chamados problemas de lay-out de placa. Nos circuitos digitais, as trilhas longas podem ainda trazer

problemas de acoplamento. Uma trilha representa uma resistência que depende de sua largura e comprimento.

Um circuito integrado digital, quando muda de estado, exige uma corrente muitas vezes maior do que a que ele exige na condição de estabilidade, ou seja, num estado ou outro. Esta exigência momentânea de corrente na comutação, a parir de uma trilha que conduz a corrente para este integrado, pode causar um "colapso" momentâneo que afeta outros integrados próximos, se alimentados pela mesma trilha, conforme sugere a figura 12. Esta influência pode chegar, nos casos mais críticos a provocar o funcionamento aleatório dos integrados afetados, o que deve ser evitado.

Assim, em lugar de se fazer uma trilha única para alimentar diversos integrados, às vezes é preferível usar diversas trilhas a partir de uma região comum onde está a fonte, conforme mostra a figura 13. Mas, quando isso não é possível, o efeito deste colapso pode ser evitado com a ligação de capacitores adicionais denominados de

"desacoplamento".Estes capacitores, normalmente cerâmicos de 100 nF, são colocados próximos do pino de alimentação do integrado conforme mostra a figura 14.

c)Correntes intensas:

Nos circuitos de alta potência (como fontes de alimentação potentes, amplificadores, transmissores) existem pontos em que a intensidade da corrente podo ser elevada, acima de

1 ou 2A, o que é um ponto crítico ao projeto de placas. As trilhas de cobre depositado numa placa São extremamente finas, de modo que sua capacidade de conduzir corrente depende basicamente de sua largura. Urna trilha estreita, de alguns milímetros não suporta correntes intensas, podendo aquecer e até romper-se com efeitos desastrosos para o aparelho. Para cada ampére de corrente é preciso que a trilha tenha aproximadamente 2 m de largura.

para se obter razoável segurança num circuito convencional.Se houver espaço físico no projeto para uma trilha mais larga do que o mínimo previsto, conforme mostra a figura 15, não deixe de fazê-la. Uma trilha mais larga também significa menor resistência, o que é muito importante para se evitar perdas no próprio circuito.

d) Componentes fora das placas:

Nem todos os componentes, podem ser montados numa placa de circuito impresso. para a elaboração de um projeto. Na verdade, componentes volumosos como transformadores devem ser montados fora das placas. Transistores de potência, SCRs e Triacs que precisem da radiadores de calor também devem ficar fora das placas, sendo conectados a ela por meio de fios, conforme sugere a figura 16.

Potenciômetros e outros elementos de controle podem ou não ser colocados na placa, dependendo da previsão que seja feita em relação à instalação do conjunto numa caixa. veja que é preciso muito mais cuidado no planejamento de um painel ou caixa que deva ter um controle (como por exemplo: um potenciômetro) montado na própria placa, do que no caso de conexão externa por meio de fios, conforme mostra a figura 17.

e)Dupla face:

Nos projetos em que a quantidade de jumpers sela grande, o que ocorre, por exemplo, em muitas montagens digitais, pode-se utilizar um tipo de placa que facilita a elaboração do projeto. Trata-se de uma placa que possui os dois lados cobreados. No caso de trilhas que se cruzem podemos então planejar sua colocação de tal forma que uma fique de um lado da placa e a outra do outro lado, conforme mostra a figura 18.

A passagem da corrente de um lado para outro pode ser feita por meio de pequenos pedaços de fios soldados nas duas faces em furos alinhados conforme mostra a figura 19. Nas placas de desenho industrial, como as usadas em montagens digitais complexas, computadores, etc. esta passagem pode ser feita através de furos metalizados.

Existem diversas técnicas de projetos que podem ser aplicadas a circuitos de complexidades variadas. Para iniciar daremos um processo simples de projeto que permite a realização de placas relativamente simples, poucos componentes, nas quais o problema de trilhas longas ou espaço não seja importante.Este processo consiste basicamente em se ter uma disposição de componentes semelhante ao diagramas esquemático, na própria placa de circuito impresso, com pequenas variações. Podemos tomar como exemplo o projeto de uma placa muito solicitada que é a de um pequeno transmissor de FM, cujo diagrama é mostrado na figura 20. Veja que neste projeto só teremos transistores e componentes passivos. Inicialmente ainda não abordaremos projetos que utilizem circuitos integrados.

O que fazemos inicialmente é desenhar numa folha a disposição dos componentes do diagrama, levando em conta suas dimensões reais. Para os resistores, desenhamos unidades com aproximadamente 3cm (menos, se quisermos uma montagem mais compacta) e 2 cm para os capacitores cerâmicos ou poliéster, para os eletrolíticos podemos pensar em montagem horizontal, deixando as unidades com tamanhos que variem entre 2 e 3cm dependendo de sua capacitância (daremos uma tabela com as dimensões reais para facilitar projetos mais complexos). Para estes componentes o ideal é tê-los em mãos para saber que tamanho têm e portanto que espaço precisam na placa. A bobina ocupa um espaço de 1 cm e o trimmer 2cm. Interruptor geral, pilhas e microfone devem ficar fora da placa, mas devemos rever os seus pontos de ligação. Temos então um desenho preliminar do tipo mostrado na figura 21. Agora, com a base na disposição dos terminais dos transistores, fazemos também sua colocação e passamos a pensar nas trilhas de cobre que deverão ser impressas.

Analisando o diagrama do pequeno transmissor devemos verificar todas as ligações que devem ser feita entre os componentes. Em primeiro lugar identificamos as linhas de alimentação (+ e -)que correm normalmente nas bordas da placa. Assim, a linha positiva (+)deve partir de S1 e chegar até R1, C1, R2, CV, L1 e C5. Já a linha negativa chega aos componentes seguinte: negativo do microfone, R3,R4 e o outro polo de C5. O que fazemos então é desenhar na folha, com lápis ou caneta de cor diferente da usada para desenhar os componentes, as trilhas que correspondem a estas conexões, conforme mostra a figura 2.

Observe, então, que todos os pontos que devem receber alimentação positiva ou negativa, segundo o diagrama, já estarão conectados pelas trilhas desenhadas no nosso projeto.O próximo passo consiste em determinar nós de conexões, ou seja, pontos em que temos a interligação de dois ou mais componentes.No nosso projeto (diagrama) estes nós são marcados pelas letras A,B,C e D. Veja que eles correspondem a interligações entre componentes que não são feitas com a alimentação positiva ou negativa. Assim, partindo do nó A vemos que é preciso interligar, através de trilhas, um dos pólos de R1 o capacitor C2 e a entrada positiva do microfone. Da mesma forma, levando em conta o nó B, temos a interligação dos seguintes pontos: terminal de C1, C2, R2, R3 e a base do transistor Q1. Na figura 23, temos a realização dessas interligações e também as correspondentes aos nós C e D. Com isso, todas as conexões estão feitas e já teremos um desenho da nossa placa de circuito impresso. Observe, entretanto que este desenho corresponde à disposição das trilhas vista do lado em que colocamos os componentes.

Para transferir este desenho para a placa de cobre virgem temos do "Invertê-la". Isso pode ser feito facilmente se copiarmos o mesmo desenho, passando um lápis ou caneta, tendo uma tolha de carbono conforme mostra a figura 24.

O desenho que fizemos é como se tivéssemos uma placa que está olhada do lado dos componentes e queremos fazer a gravação das trilhas do outro lado (lado de baixo), daí a necessidade deste procedimento.De posse do desenho fica fácil copiá-lo no lado cobreado da placa partir para sua montagem.Evidentemente, a disposição que obtivemos não é das mais compactas partindo deste desenho podemos ter os projetos de placas muito mais compactas.

A partir da disposição preliminar do processo anterior, com um pouco de prática pode-se obter uma placa de circuito impresso para uma montagem muito mais compacta.

Podemos num primeiro passo "juntar" os componentes e obter algo como mostrado na figura 25.

Procedemos então da mesma maneira para lazer as trilhas de cobre, tanto das alimentações positivas e negativas como as "ilhas" das interligações centrais. Mas, se quisermos realmente uma montagem muito mais compacta, de posse do tamanho real dos componentes podemos juntar ainda mais tudo em nossa placa. Os resistores, por exemplo, podem ser montados em posição vertical, deixando-se entre seus terminais para os furos uma distância de apenas 4 ou 5 m. Para os capacitores podemos deixar a mesma distância, em função do tamanho real das poças que estivermos usando.A bobina e o trimmer não podem ter muita alteração no espaço ocupado, mas já chegamos a algo muito menor, conforme mostra a figura 26.

Evidentemente, no caso de uma placa tão compacta também será preciso muito mais

habilidade na hora de transferir seu desenho para o cobre e fazer a corrosão. Daremos algumas dicas no final do artigo.Evidentemente, por tratar-se de placa bastante simples não precisamos sequer de um jumper.

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