Projeto de PCB para Planta IoT – Parte 3 3

Finalizando a série de posts sobre a Planta IoT Board, vamos ver como é feita uma PCB e o que é necessário para enviá-la para fabricação. Confira a primeira e segunda partes desta série,  que mostram os fundamentos e ferrmentas para projetos de uma PCB!

Em resumo, neste terceiro e último post da série, vou mostrar como se associa os componentes eletrônicos à suas representações reais na placa (os chamados footprints), como fazer a PCB e, por fim, o que é preciso fazer para enviar a PCB para fabricação em uma empresa especializada. Mãos à obra!

Relacionando componentes e suas representações reais

Antes de irmos ao design da PCB de fato, uma importante tarefa precisa ser feita: o relacionamento entre os componentes do circuito esquemático e suas representações reais (em vocabulário mais técnico, chamadas de footprints). Ou seja, é preciso informar ao KiCAD como desejamos que os componentes eletrônicos sejam representados na PCB.

Para acessar esta ferramenta, vamos utilizar o atalho na barra de ferramentas, conforme mostrado abaixo:

Atalho para associação entre componentes eletrônicos e seus Footprints

Clicando sobre ele, uma nova janela irá surgir (dependendo de seu computador isto pode demorar alguns segundos, pois esta parte é uma das mais pesadas do KiCAD). Esta se trata da janela de associação de footprints. Ela é dividida em três partes, com as seguintes finalidades:

  • Parte central: uma lista com todos os componentes eletrônicos de seu circuito esquemático
  • Parte à esquerda: categorias / tipos  dos componentes
  • Parte à direita: todos os componentes da categoria / tipo selecionados

Agora é a hora de, além de navegarmos pelos componentes, visualizar em tempo-real os footprints dos mesmos, para termos mais certeza na escolha. Para isso, será usada uma ferramenta de visualização de footprints, acessível por um atalho na própria janela de associação de footprints, conforme ilustra a figura a seguir:

Acesso à ferramenta de visualização de footprints

Aqui vem a maior necessidade de se ter um monitor grande ou, preferencialmente, dois monitores para este tipo de desenvolvimento. Motivo? Será necessário navegar pela janela de associação de footprints, sempre de olho no footprint correspondente que aparece na ferramenta de visualização de footprints. Não é impossível de fazer isso com somente um monitor, embora seja um pouco “bagunçado”. Utilizando somente um monitor, segue uma imagem com uma sugestão de disposição de janelas:

Janelas de associação de footprints e visualização de footprints abertas juntas

Com estas duas ferramentas abertas, selecione componente por componente na parte central da janela de associação de footprints e escolha os mais adequados para a placa. Minha sugestão é que sejam utilizadas as seleções vistas na parte central da janela de associação de footprints, conforme destaque em preto na figura abaixo.

Seleção de componentes sugerida

Observação: não é necessário seguir a risca esta sugestão, você é livre pra escolher os tipos de componentes que quiser, mas tenha em mente que a seleção sugerida visa maior disponibilidade dos componentes no mercado e facilidade de montagem/soldagem da placa.

Feita a associação, basta fechar a ferramenta de visualização de footprints, fechar a janela de associação de footprints.

Netlist

O último passo antes de partirmos, de fato, para o desenho e roteamento da PCB é a geração da Netlist. Em resumo, a Netlist se trata de um arquivo que descreve todas as ligações que deverão existir entre os componentes eletrônicos do seu projeto, além do relacionamento entre os componentes e seus footprints escolhidos. Trata-se de algo importantíssimo, sendo o elo entre o projeto da PCB e o circuito esquemático.

Para gerá-la, siga o procedimento abaixo:

  1. Na tela do circuito esquemático, na barra de ferramentas, clique no botão com um desenho com a inscrição “Net”, conforme mostra a figura a seguir:Acesso à ferramenta de geração de Netlist
  2. Irá surgir uma janela. Nela, selecione a opção “Default Format” e clique em “Generate”. Este processo também costuma ser um tanto quanto pesado para o KiCAD, portanto pode demorar alguns segundos dependendo da complexidade de seu circuito esquemático e das configurações de seu computadorGeração do Netlist
  3. Observe, em destaque na figura anterior, o nome do arquivo de Netlist gerado (PlantaIoTBoard.net). Ele pode ser visto dentre os arquivos de seu projeto na tela principal do KiCAD, conforme mostra a figura abaixo:Tela principal do KiCAD, com destaque ao arquivo Netlist

PCB: disposição dos componentes

É chegada a hora de desenharmos, de fato, a PCB! Para isso, precisaremos rodar a ferramenta Pcbnew. Para fazer isso, utilize o atalho na barra de ferramentas na tela de circuito impresso, conforme ilustra a figura a seguir:

Acesso ao Pcbnew

O Pcbnew irá abrir. A primeira coisa a ser feita nele é carregar a Netlist gerada no tópico anterior. Para isso, clique no atalho para “Read netlist” mostrado na figura abaixo.

bnew - tela inicia e atalho para leitura do arquivo de Netlist

Na tela que surgir, clique em “Browse”, selecione seu arquivo de Netlist e clique em “Read Current Netlist” e depois em “Close” . A leitura do arquivo, assim como outras coisas descritas aqui, pode demorar alguns segundos dependendo da configuração de seu computador e da complexidade do seu circuito.

Feita a leitura, a tela do Pcbnew ficará um pouco diferente, contendo todos os componentes do circuito la, bem como as ligações entre eles. Observe a figura abaixo:

Pcbnew após leitura do arquivo de Netlist

Você deve ter notado que os componentes estão todos “amontoados”. Para resolver esta situação e espaçar os componentes, há um recurso do KiCAD chamado “Global Spread and Place”. PAra utilizá-lo, siga o procedimento:

  1. Vá em “View > Switch Canvas to Default”
  2. Utilize o atalho ilustrado na figura a seguir para entrar habilitar o “Mode Footprint”.Mode Footprint
  3. Clique com o botão direito em qualquer vazia (livre de componentes) da tela e acesse a opção “Global Spread and Place”. Nela, clique em “Spread out All Footprints”. Se surgir uma caixa de diálogo, responda ok/sim e está feito! Seu circuito deverá ficar similar ao da figura abaixo:Pcbnew após Global Spread
  4. Clique novamente no atalho do passo 1 para sair do “Mode Footprint”

Observação: apesar de este ser um recurso muito útil para deixar o circuito mais visível, ele não irá considerar a ligação entre eles na disposição! Portanto, ainda teremos que reposicioná-los conforme nossas necessidades e/ou ligações entre componentes.

Aqui vem o “lado artístico” da coisa:  posicionar os componentes de modo a conseguir organizá-los de forma que seja fácil montá-los (talvez até fazer com sejam single layer, se você tiver sorte!). Isso é algo que não tem muito o que se explicar, a não ser dizer que deve ser feito com bom senso e sempre objetivando a melhor montagem possível (por “melhor montagem”, entenda-se a mais simples, afinal quem montará/soldará a placa depois de pronta é você).

Esta também é a etapa mais longa: dependendo de sua experiência e “visão espacial” do circuito, você pode levar horas (talvez dias), mas não desanime: é uma experiência valiosa para o futuro.
No meu caso, eu achei que a disposição mais adequada (objetivando uma placa single layer e simples de montar) é a mostrada abaixo:

Sugestão de disposicao do circuito no Pcbnew

PCB: roteamento da placa

É chegada a hora do roteamento da placa. O roteamento consiste em ligar os componentes com as trilhas do circuito impresso, nas configurações desejadas (espessura, diâmetro do furo e de sua metalização, distância entre trilhas e  restante do circuito, etc.). Aos novatos, trilhas de circuitos impressões são análogos a fios unindo os terminais dos componentes.

Há duas opções de roteamento: o automático e o manual. O automático não é recomendado (sobretudo àqueles que estão iniciando nesta área) pois, além de fazer um trabalho que precisará ser compreendido por você, ele deixa muito a desejar a respeito de aproveitamento do layer (em suma, ele é “gastão” em fazer trilhas e usar layers, o que significa PCBs mais caras para fabricar e ineficientes em aproveitamento de espaço). Por estas razões iremos fazer o roteamento manual neste artigo.

Para isso, faça o seguinte:

  1. Selecione o Layer inferior, conforme mostra a figura abaixo.
    Nota: O nome B. Cu significa:
    B: Background Layer
    Cu: Layer com Cobre / superfície condutora.Seleção do Layer inferior
  2. Feito isso, significa que todo roteamento que fizermos será aplicado no Layer selecionado (no caso, inferior). Para fazermos uma trilha, na barra lateral direita do Pcbnew, clique em “Add tracks and vias”, conforme mostra a figura abaixo:
  3. Criando uma trilha
  4. Escolha um Pad (“círculo” ao retor do terminal de um componente) e clique uma vez com o botão esquerdo. Arraste o mouse até o Pad destido e clique duas vezes com o botão esquerdo. Pronto, você fez sua primeira trilha! Ela ficará como mostra a figura abaixo:Trilha feita no Pcbnew
  5. Agora repita o procedimento para todas as trilhas a serem feitas. Aqui, novamente, é algo que exige um lado mais “artístico”, pois você deverá tentar, a todo custo, a colocar todas as trilhas neste layer. Lembrando que uma trilha NUNCA pode passar por cima de outra no mesmo Layer!
    Isso é algo que pode ocupar bastante tempo (e paciência), mas você deve passar por esta experiência (é algo valioso para futuros projetos).  Abaixo segue o roteamento que achei mais conveniente (e que pode ser feito num só layer):

Pcbnew - roteamento completo

PCB: definindo a área da placa e plano de terra

Agora, será necessário definirmos a área da placa, ou seja, de toda a área disponível para o projeto, selecionar qual é realmente relevante / deverá constituir sua placa. Além disso, será definido o plano de terra, que consiste em preencher todo o espaço não utilizado pelas trilhas com um plano condutor de terra. A finalidade do plano de terra é servir de proteção para ruídos eletromagnéticos que incidem / são irradiados na placa. Estes ruídos, se incididos na placa, terão mais probabilidade de serem direcionados aos planos de terra do que às trilhas do circuito, não prejudicando o sinal que por elas trafega. Se o plano de terra não for feito, os ruídos incidirão sobre as trilhas diretamente, prejudicando (e, muitas vezes, inviabilizando) o funcionamento correto do circuito.

Para definir a área de sua placa e o plano de terra, faça o seguinte:

  1. Na barra de ferramentas à direita, selecione a opção “Add filed zones”, conforme mostra a figura abaixo:Pcbnew - Add Filed Zones
  2. Clique com o botão esquerdo onde você deseja que seja um dos vértices da placa. Uma janela irá surgir, pedindo detalhes do plano que será criado. Nela, selecione a opção GNDREF e clique em Ok. Observe a figura abaixo:Pcbnew - seleção das propriedades do plano a ser feito
  3. Agora, clicando com o botão esquerdo para definir os vértices da placa percorra toda a placa, formando um retângulo. No último vértice, clique duas vezes para a área ser fechada.
    Dica: não faça o retângulo muito próximo aos componentes, isso pode aumentar as chances de erro de fabricação da PCB.
  4. Clicar em “Perform PCB Rules Check”, conforme ilustrado abaixoPcbnew - Perform PCB Rules Check
  5. Irá surgir uma janela. Clique em “Start DRC” e depois em Ok.
    Importante: nesta etapa sera feita uma verificação de erros na sua PCB. Se algum surgir, corrija-o imediatamente.
  6. Feito isso, sua placa estará roteada, com área definida e com plano de terra, conforme mostra a figura abaixo:Pcbnew - placa finalizada

Preview 3D da sua placa

Para seu deleite, você pode ter um preview 3D de sua placa no KiCAD! Para isso, no Pcbnew, vá em “View > 3D Viewer”. Observe como fica a placa em 3D:

Pcbnew - placa 3D

E para mandar fabricar a placa, como faço?

O projeto da PCB chegou ao final, mas e para fabricar a placa? Como é feito?

Para isso, uma das formas mais populares é o uso de Gerber Files. Os Gerber Files são arquivos gerados pelo seu programa de design de PCB que mostram ao fabricante como cada detalhe da placa deve ser feito, assim em posse desses arquivos o fabricante pode fabricar as placas da maneira exata especificada.

Para gerar os Gerber Files de sua placa, siga o procedimento:

  1. No Pcbnew, clicar em Plot, conforme mostrado abaixoFunção Plot
  2. Na tela que surgir, deixe-a conforme mostra a figura abaixoTela Plot
  3. Clique em “Browse” e defina um diretório onde os arquivos gerados serão salvos. Se preferir, crie um sub-diretório dentro do diretório do seu projeto, para maior organização.
  4. Clique em “Plot”
  5. Depois, clique em “Generate Drill File”, deixe-a conforme a figura abaixo, coloque o mesmo diretório de saída do passo 4 e clique em “Drill File”.
    Pronto, tudo que você precisa para mandar fabricar sua PCB está no diretório que você escolheu!

Pcbnew - tela para geração dos Drill Files

Agora basta mandar ao fabricante os Gerber Files e Drill Files e solicitar orçamento (e fabricação, se o orçamento lhe agradar, é claro).

Material externo – recomendações

Como material de apoio para seus primeiros projetos de placas de circuito impresso, sugiro ver os seguintes vídeos:

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3 Comentários

  1. Cara, muito boa essa aula. está tudo bem explicadinho, passo a passo. Parabéns!!!

    Tem alguma recomendação de fabricantes de PCI no estado de SP?

    Abraços!!!

    1. Paulo, boa tarde.

      Primeiramente, muito obrigado pela leitura e elogio!
      Quanto à recomendação de fabricantes no estado de SP, as últimas placas que precisei fazer (protótipos) eu mandei fazer na China, portanto ando meio por fora dos melhores fabricantes de PCI brasileiros.

      Porém, segue uma lista interessante de fabricantes brasileiros, acho que vai te ajudar:
      http://www.nei.com.br/fornecedores/placas-de-circuito-com-smt?id=3fc2a5fc-5635-11e4-86da-b8ac6f8335df

      Atenciosamente,
      Pedro Bertoleti

  2. Boa noite parabéns pelas aulas gostaria de saber onde posso encaminhar para produzir a placa pode ser no Brasil ou na China. Não estou me dando muito bem para fazer está placa teria como disponibilizar o projeto.