Como fazer placa de circuito impresso caseira - Projeto Ponte H L293D

Eletrônica Arduino 17 de Novembro de 2019 às 11:51

Na área da eletrônica é comum a confecção de PCIs (Placas de circuito impresso) para projetos finais ou protótipos funcionais. Quando aprendemos a prática na montagem em protoboard e placas ilhadas é interessante este progresso, pois entrega um novo visual e funcionalidade ao projeto. Normalmente as placas para este tipo de aplicação são de fibra de vidro ou fenolite, não entrando em muitos detalhes sobre vantagens e desvantagens de cada uma, mas é importante salientar que ambas atendem ao projeto deste tutorial.

Será desenvolvido passo a passo um projeto de uma Ponte H utilizando o circuito integrado L293D, tendo inúmeras aplicações interessantes como a robótica. Será projetado utilizando o software multiplataforma de licença gratuita EasyEDA, com seus recursos de diagrama esquemático e layout de PCIs.

A confecção da placa será realizada em ambiente doméstico, utilizando o método de transferência térmica com papel de retro projetor e impressora a laser, além disso o produto químico utilizado para corrosão do cobre será o percloreto de ferro.

Software EasyEDA - Versão desktop.

Projeto da Ponte H no EasyEDA

Uma Ponte H é um circuito capaz de controlar cargas de potência em um sistema, como motores DC e motores de passo Bipolares. A vantagem deste circuito é que podemos controlar a velocidade e sentido de rotação dos motores com sinais PWM de um microcontrolador. Você pode entender melhor estes conceitos lendo o nosso artigo sobre "Analisando e projetando drivers Ponte H", será um conhecimento essencial para o projeto.

Definição de Ponte H com transistores de junção bipolar NPN.

O circuito integrado responsável em executar a Ponte H é o L293D, que também foi apresentado no artigo de drivers para motores. Escolhemos este CI pelo fato de ser facilmente encontrado em lojas online de componentes eletrônicos, com apenas R$9,90 você adquire este CI para controlar dois motores DC, além disso esta Ponte H suporta tranquilamente os motores DC de 6V com caixa de redução presentes em kits de robótica.

O primeiro passo do projeto é realizar o seu cadastro no site EasyEDA, assim podemos ter acesso ao editor online com suas ferramentas. É possível baixar a versão para desktop, sendo compatível em sistemas Microsoft Windows, Linux e MacOS. Após abrir o editor precisamos criar um novo projeto, coloque o nome de "Ponte H L293D PCB". O vídeo abaixo pode te auxiliar no desenvolvimento do projeto no EasyEDA até a configuração da impressão na folha de papel transparente.

Este projeto foi desenvolvido com o objetivo de ser convertido automaticamente pelo EasyEDA em um layout de PCI, então utilizamos conectores ou pinos machos para a conexão de alimentação e entradas digitais no diagrama esquemático, além de bornes KRE para a conexão dos fios dos motores e alimentação de fonte externa.

O jumper PWR_EXT pode ser configurado de três formas:

  1. Com jumper: O pino 8 do L293D recebe a tensão do microcontrolador, como no caso 5V do Arduino Uno.
  2. Sem jumper, mas utilizando fonte Arduino: Você pode conectar um cabo no pino de VDriver para o VIN do Arduino, assim utilizamos a tensão de entrada do Arduino (Neste caso recomenda-se uma fonte de alimentação de 8V, não utilizar tensão da USB)
  3. Sem jumper: Conecte dois fios no borne KRE de alimentação externa, e utilize uma fonte de bancada com uma tensão compatível ao motor, como 8V/12V.

Os jumpers de Enable A e Enable B podem ser configurados para dois tipos de motores:

  1. Sem jumper: O pino Enable recebe um sinal PWM para controle de velocidade de motores DC.
  2. Com jumper: O pino Enable recebe +5V, neste caso é útil em aplicações com motores de passo bipolares.
Esquema Ponte H L293D.

5 dicas importantes no EasyEDA para fabricar PBCs em casa

  1. Para placas de face simples sem furos metalizados, selecione todos os componentes da tela antes de realizar as conexões, e altere para a camada "Bottom Layer", pois os componentes serão fixados do lado oposto às trilhas. Cuidado, os terminais dos componentes serão invertidos!
  2. Para confecções caseiras de face simples, não é utilizado as camadas de SilkScreen, mas utilize a camada "Bottom SilkLayer" ao seu favor, ela representa os contornos dos componentes e marcações de jumpers que você pode fazer, é um guia para uma soldagem correta.
  3. Aumente a largura e altura dos furos (Pad's) para 1.8mm e o buraco (Diâmetro) para 0.4mm, isso evita deixar a área de cobre pequena para o perfurador de placa.
  4. Aumente a largura das trilhas (Faixas) para 1mm ou 1.5mm, assim diminuiu a possibilidade de falhas na hora da transferência térmica, e também para a trilha não descolar da placa com a soldagem dos componentes. Lembre-se, é uma confecção caseira!
  5. Utilize a ferramenta Text para sinalizar os pinos de alimentação, de entrada de dados, como também o seu nome!

Imprimindo o layout no papel transparente

Com a PCI projetada conforme o diagrama esquemático, o resultado final será correspondente à imagem abaixo.

Layout completo da Ponte H L293D no EasyEDA.

Para imprimir no papel transparente de retro projetor, salve e exporte como um arquivo PDF, e selecione "Camada Separada", desmarque a "Bottom Layer", selecione a opção "Espelho" na "Top Layer", e altere a cor para "Preto em branco" conforme imagem abaixo. Isso faz inverter tudo que está no layout, essencial para o processo de transferência térmica.

Janela do EasyEDA para salvar como arquivo PDF o layout como "espelho" para impressão no papel transparente.

Na versão V6.2.35 do EasyEDA estas opções são diferentes.

Versão EasyEDA: 6.2.35 - Janela do EasyEDA para salvar como arquivo PDF o layout como "espelho" para impressão no papel transparente.

O EasyEDA gera um arquivo .zip que contém o arquivo do layout, abra ele utilizando um visualizador de PDF, como o Adobe Reader. O layout da placa deve ser igual à imagem abaixo.

Arquivo PDF com o layout da placa em modo espelho.

Coloque a folha transparente com o relevo da faixa branca virada para baixo na bandeja da impressora a laser, clique no ícone de "Imprimir arquivo" no Adobe Reader, e marque como "Tamanho real" e clique no botão "Imprimir".

Configuração de impressão do Adobe Reader para layout de placa de circuito impresso.

O resultado da impressão é esta!

Layout no papel transparente da placa de de circuito impresso da Ponte H L293D.

A placa cobreada de face simples

Para este projeto foi escolhido um pedaço de placa de fenolite de face simples, recortamos a mesma com as dimensões AxC: 55mmX56mm.

O próximo passo é separar um pedaço de esponja de aço (famoso Bombril) para realizar a limpeza da face cobreada com movimentos circulares, onde retiramos toda a sujeira, e principalmente a gordura das mãos. Utilize uma luva limpa para este procedimento.

Processo de transferência térmica

Com a placa de fenolite limpa e com a impressão do layout na folha transparente, agora precisamos realizar o processo de transferência térmica, onde a tinta do toner impressa no papel é transferida via calor para a face cobreada da placa.

O primeiro passo é recortar com uma tesoura/estilete o desenho da PCI com uma folga dos lados, depois alinhe o layout na face cobreada da forma que desejar. Para o processo térmico fixe em uma madeira com fita adesiva (famoso Durex) para não deslocar com os movimentos do ferro de passar roupas.

Para realizar a transferência utilize um ferro de passar roupas em sua temperatura máxima e um pano encima da PCI, passe com movimentos leves durante 8 minutos.

Enquanto a placa esfrie, prepare uma bacia com água limpa para remover o papel transparente. Retire com cuidado as fitas adesivas da madeira, recorte as sobras do papel, mergulhe a placa, e retire aos poucos debaixo d'água.

Bacia com água limpa para remoção do papel transparente.

O resultado é este! Ao retirar o papel debaixo d'água pode ocorrer algumas falhas nas trilhas, para isso espere secar naturalmente a placa e corrija com uma caneta para retro projetor de ponta fina (1mm). Cubra com tinta os furos e reforce as trilhas mais importantes conforme imagem abaixo.

Corrosão da placa com percloreto de ferro

Após estes procedimentos precisamos corroer a parte de cobre que não é utilizada deixando o layout intacto, neste caso é necessário mergulhar a placa em um composto químico corrosivo chamado Cloreto Férrico (FeCl₃) ou conhecido como Percloreto de Ferro. Para esse processo faça um suporte com fita crepe na parte não cobreada da placa para não sujar as mãos com a solução.

Prepare um recipiente apropriado e despeje todo percloreto de ferro, mergulhe a placa e realize movimentos suaves por aproximadamente 15 minutos, este tempo depende da idade do percloreto. Utilize opcionalmente uma lâmpada de infravermelho para aquecer o percloreto, acelerando seu processo de corrosão. A placa irá ficar roseada, isso indica a ação do percloreto sobre o cobre.

Placa de circuito impresso mergulhada no percloreto de ferro.

Retire do recipiente quando a placa estiver totalmente corroída, normalmente ela fica das cores branco-bege, lave com água corrente para retirar todo o resíduo do percloreto sobre a placa, e retire por completo a tinta do toner com bucha ou esponja de aço, e veja o resultado!

Realizando a limpeza da placa para retirar a tinta do toner.

Após a limpeza da placa precisamos furar os seus respectivos furos conforme o layout da PCI, para isso abra o projeto no EasyEDA para referência e utilize um perfurador de placa de circuito impresso.

Soldagem dos componentes

Com a PCI da Ponte H perfurada podemos iniciar a separação dos componentes necessários do projeto para a soldagem. Fizemos uma lista para facilitar o processo.

  • PCI pronta da Ponte H
  • Ferro de solda
  • Estanho para solda
  • 1 CI L293D
  • 1 Soquete de 16 pinos para CI (Pino estampado ou torneado)
  • 3 Bornes KRE de 2 vias
  • Barra de pinos 1x40 180 graus - Macho
  • 1 Capacitor eletrolítico de 100uF
  • 1 Capacitor eletrolítico de 47uF
  • 1 Capacitor de poliéster de 100nF
  • 1 Resistor de 220R
  • 1 LED
  • 3 Jumpers
  • Fios

Para começar o processo de soldagem dos componentes, inicie pelo componentes mais simples, como resistor, capacitores e LED. Com as sobras dos terminais dos componentes soldados, corte-os com um alicate e faça as sete trilhas da face superior. Com as barras de pinos macho, corte do tamanho indicado e solde-os, sendo três de 2 pinos, e um de 4 pinos. Solde o soquete na placa seguindo a indicação (corte) do primeiro pino. Por fim, solde os bornes KRE de 2 vias. Se for necessário, aumente os furos dos bornes.

A montagem seguindo o layout e diagrama esquemático deve ficar semelhante a imagem abaixo.

Placa de circuito impresso do projeto Ponte H L293D.

Arduino e controle de motor DC

Utilizando um microcontrolador podemos controlar a velocidade ou sentido de rotação do motor DC com o sinal PWM. Para testar a PCI da Ponte H que foi desenvolvida, adicionamos um Arduino Uno com bateria de 7,4V para controlar a velocidade com o método "Rampa" utilizando a biblioteca DCMotorDriver.

/*
 * Biblioteca DCMotorDriver
 * 
 * Exemplo de Rampa para acelerar e desacelerar um motor DC.
 * 
 * Autora: Ana Paula Messina - [email protected]
 * https://www.tecdicas.com/
 * 
 * 06/05/2019
 * 
 * MIT
 */

#include <DCMotorDriver.h>

// Pinagem do Motor 1
#define ENA 3
#define IN1 2
#define IN2 4

// Instância do motor
DCMotorDriver Motor1(ENA, IN1, IN2);

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  // Utilze o Plotter Serial.
  for(int x=0; x<255; x++)
  {
    Motor1.Forward(x);
    Serial.println(x);
    delay(50);
  }

  for(int x=255; x>0; x--)
  {
    Motor1.Forward(x);
    Serial.println(x);
    delay(50);
  }
}
Controle de velocidade (PWM) com Arduino para placa Ponte H L293D e Motor DC 5V.

No vídeo abaixo podemos visualizar alguns testes com a Ponte H e o Arduino utilizando o código de Rampa.

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Download

Projeto-Ponte-H-L293D_tecdicas.zip

Ana Paula Messina

Analista de sistemas e membro do tecdicas.