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

Desenvolva um projeto (diagrama esquemático e layout) de Ponte H utilizando o software EasyEDA, e confeccione a placa de circuito impresso com o método de transferência térmica.

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

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.
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 drivers de controle para motores, será um conhecimento essencial para o projeto.

Definição de Ponte H com transistores de junção bipolar NPN.
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.
Esquema Ponte H L293D.

5 dicas importantes para o EasyEDA

  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.
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
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.
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 opcionalmente para descolar da margem, marque o botão "Múltiplo", e clique no botão "Imprimir".

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

Placa de fenolite face simples antes da limpeza com esponja de aço.
Placa de fenolite face simples antes da limpeza com esponja de aço.
Placa de fenolite face simples depois da limpeza com esponja de aço.
Placa de fenolite face simples depois da limpeza com esponja de aço.

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.

Papel com layout alinhado com a placa de fenolite em uma madeira fixado com fita adesiva.
Papel com layout alinhado com a placa de fenolite em uma madeira fixado com fita adesiva.

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.

Ferro de passar roupas realizando o método de transferência térmica do layout para a placa.
Ferro de passar roupas realizando o método de transferência térmica do layout para a placa.

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.
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.

Layout transferido para a placa com método de transferência térmica.
Layout transferido para a placa com método de transferência térmica.
Placa com trilhas e furos reforçados com caneta de retroprojetor de ponta fina (1mm).
Placa com trilhas e furos reforçados com caneta de retro projetor de ponta fina (1mm).

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.
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.
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.

Placa da Ponte H L293D e o perfurador de placa de circuito impresso.
Placa da Ponte H L293D e o perfurador de placa de circuito impresso.
Placa da Ponte H L293D com seus respectivos furos.
Placa da Ponte H L293D com seus respectivos furos.

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

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

Placa de circuito impresso do projeto Ponte H L293D.
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.
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

 


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