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ÍNDICE Prefácio ____________________________________________________________ 3 UNIDADE 1 _________________________________________________________ 4 Porque Criar nossos layouts de projetos eletrônicos em sistemas CAD? Quais as vantagens? 5 Conceitos Básicos ___________________________________________________________ 7 1 – Esquema Elétrico _______________________________________________________________________ 7 2 – Entendendo um layout __________________________________________________________________ 10 3 – Vantagens e desvantagens da utilização dos sistemas CAD ______________________________________ 13
O processo de criação de PCI’s em sistema CAD __________________________________ 14 1 – Criação do esquemático _________________________________________________________________ 15 2 – Importação das ligações para o módulo de criação da PCI _______________________________________ 15 3 – Posicionamento dos componentes__________________________________________________________ 15 4 – Criação das trilhas de interligação (Roteamento) ______________________________________________ 16 5 – Geração dos arquivos de industrialização ____________________________________________________ 17 6 – Corrosão da PCI _______________________________________________________________________ 18 7 – Acabamento final da placa de circuito impresso _______________________________________________ 19
Instalando e conhecendo o software Eagle _______________________________________ 20 Instalação _______________________________________________________________________________ 20
Conhecendo o Eagle ________________________________________________________ 22 1 – Módulo gerenciador de projetos ___________________________________________________________ 23 2 – Editor de esquemas _____________________________________________________________________ 24 3 – Edição do layout _______________________________________________________________________ 24 4 – Seleção dos componentes ________________________________________________________________ 25 5 – Módulo de criação de componentes ________________________________________________________ 26
Criando nosso primeiro projeto ________________________________________________ 27 1 – Criando um projeto _____________________________________________________________________ 27 2 – Criando um esquema elétrico _____________________________________________________________ 28 3 – Criando o layout a partir do esquema elétrico _________________________________________________ 30
UNIDADE 2 ________________________________________________________ 34 Detalhando o uso do Eagle ___________________________________________________ 35 1 – Nosso projeto _________________________________________________________________________ 35 2 – Criando o Esquema Elétrico ______________________________________________________________ 36 3 – Criando o Layout ______________________________________________________________________ 47 4 – Impressão ____________________________________________________________________________ 56 5 – Criando componentes e Bibliotecas ________________________________________________________ 59 6 – Definindo Regras de Roteamento __________________________________________________________ 73 7 – Personalizando o dimensionamento das trilhas ________________________________________________ 77 8 – Detalhando a criação de ligações elétricas NETs ______________________________________________ 79
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UNIDADE 3 ________________________________________________________ 84 Criação de um projeto de eletrônica Analógica ____________________________________ 85 1 – O circuito ____________________________________________________________________________ 85 2 – Criando o projeto e o esquemático _________________________________________________________ 87 3 – Criação do layout ______________________________________________________________________ 91 4 – Sugestões e regras para a criação de Layout __________________________________________________ 96 5 – Posicionamento dos Componentes _________________________________________________________ 96 6 – Traçado de trilhas e isolação ______________________________________________________________ 99 7 – Evitar traçados longos com paralelismo.____________________________________________________ 101 8 – Determinação de Espessura de trilhas ______________________________________________________ 103 9 – Sugestões para limites de projeto _________________________________________________________ 105 10 – Dicas e Segredos _____________________________________________________________________ 107
UNIDADE 4 _______________________________________________________ 115 Criação de um projeto de eletrônica Digital ______________________________________ 116 1 – O Projeto ____________________________________________________________________________ 116 2 – Características do projeto _______________________________________________________________ 117 3 – Projeto Eletrônico _____________________________________________________________________ 118 4 – NETs _______________________________________________________________________________ 125 5 – Dicas e Segredos ______________________________________________________________________ 130
UNIDADE 5 _______________________________________________________ 136 Geração dos arquivos de Pós-Processamento e Industrialização _____________________ 137 1 – Verificação de erros no projeto ___________________________________________________________ 137 2 – Arquivos de Pós-Processamento __________________________________________________________ 140 3 – Arquivos .upl_________________________________________________________________________ 142 4 – Gerando os arquivos de Industrialização____________________________________________________ 143 5 – Arquivos Gerber ______________________________________________________________________ 143
UNIDADE 6 _______________________________________________________ 154 Gerando uma Pré-Visualização 3D do seu projeto ________________________________ 155 1 – A importância da visualização 3D ________________________________________________________ 155 2 – As ferramentas utilizadas _______________________________________________________________ 158
CONCLUSÃO ________________________________________________________ 173 APÊNDICE – TABELA DE CONVERSÃO DE MEDIDAS ________________________ 174
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PREFÁCIO
Este material foi concebido com o intuito de fornecer aos projetistas e estudantes da área de eletroeletrônica uma fonte de consulta simples e rápida, de forma a agilizar a geração de lay-outs e arquivos de industrialização para Placas de Circuito Impresso (PCI), assunto este de difícil acesso a literaturas em nosso país; o software CAD Eagle foi adotada por sua facilidade de mauseio, grande quantidade de bibliotecas e pela possibilidade de uso de uma versão gratuita sem muitas restrições.
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UNIDADE 1 UNIDADE 1: FERRAMENTAS CAD PARA DESENVOLVIMENTO DE LAY-OUTS DE CIRCUITO IMPRESSO, POR QUE UTILIZÁ-LAS? QUAIS AS VANTAGENS? Temática: Nesta primeira unidade, entenderemos os conceitos fundamentais sobre as ferramentas CAD para a criação de circuitos impressos, suas vantagens e desvantagens, e também iniciaremos o estudo da platataforma Eagle, que será utilizada em nosso treinamento.
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Porque Criar nossos layouts de projetos eletrônicos em sistemas CAD? Quais as vantagens? Aqueles que possuem experiência ou trabalham com projetos de hardware eletrônico, estão familiarizados com as dificuldades e longas horas despendidas para essa tarefa, com toda a certeza o processo para passar um esquema eletrônico para um desenho onde as ligações elétricas são representadas pelas trilhas não é uma atividade fácil, lembrando que devemos respeitar todas as dimensões dos componentes e sempre ter em mente um melhor posicionamento dos componentes, finalizada esta etapa chega o momento mais crítico, trabalhoso e delicado, passar o layout para a placa de circuito impresso, a fim de realizar a corrosão e deixá-la pronta para a furação e soldagem dos componentes. Figura 1: Placas de Circuito Impresso
Para auxiliar neste processo existem, já há bastante tempo, ferramentas do tipo CAD (Computer Aided Design) específicas para desenvolvimento de projetos eletrônicos, muitos projetistas já as utilizam, mas nem sempre extraem delas todos os recursos disponíveis, os quais podem auxiliar muito e agilizar o processo de criação e desenvolvimento.
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Figura 2: Visualização de PCI criada em sistema CAD
O primeiro programa CAD para eletrônica a ficar famoso e ser largamente utilizado na indústria foi o antigo TANGO, sua interface era em plataforma DOS®, mas mesmo assim conquistou fãs em todo o mundo, ainda hoje muitos projetistas utilizam essa ferramenta, embora possamos dizer que ela está obsoleta. Com o passar dos anos e das décadas muitas outras ferramentas foram criadas, cada vez mais poderosas e de mais fácil utilização.
Figura 3: CadSoft
Em nosso estudo utilizaremos como ferramenta de desenvolvimento o software Eagle® criado pela empresa alemã CadSoft, adotamos essa plataforma por ser de fácil utilização, relativo poder de roteamento, possuir uma grande diversidade de componentes em sua biblioteca e principalmente por disponibilizar uma versão gratuita com poucas restrições. Web site da empresa: http://www.cadsoftusa.com
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Conceitos Básicos Este é um material básico de apoio para aqueles que não possuem familiaridade com as nomenclaturas relativas a circuitos impressos. É importante o estudo deste material, mesmo que rápido, para o nivelamento dos alunos a fim de evitar erros de interpretação e transtornos no aprendizado.
1 – Esquema Elétrico Esquema elétrico é uma representação gráfica dos componentes elétricos e eletrônicos, representados por suas simbologias, as quais são padronizadas e normalizadas; e as conexões elétricas entre esses componentes. O software Eagle que utilizaremos para a criação de nossos esquemas elétricos utiliza os padrões e normas americanas e européias para a simbologia dos componentes, assim o projetista pode escolher a que melhor lhe convir. Para uso de sistemas CAD de eletrônica as linhas que realizam a conexão elétrica entre os componentes são chamadas de NETs, e o arquivo que lista todas essas conexões de um projeto é chamado NET LIST.
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Figura 4: Exemplo de esquema elétrico
Ao ser transferido o esquema elétrico para o módulo PCB, as conexões elétricas também são apresentadas, agora em linhas amarelas finas.
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NETs representados por linhas
Figura 5: Representação dos NETs no layout
Figura 6: Diferenças nos padrões de simbologia
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2 – Entendendo um layout Agora vamos entender um pouco melhor as nomenclaturas utilizadas para as placas de circuito impresso: - Conexões Elétricas: São representadas pelas TRILHAS (WIRE), que são caminhos de material metálico, geralmente cobre, por onde trafega o fluxo de corrente, esses caminhos são criados com a corrosão do cobre desprotegido, isso após a criação da máscara de corrosão. - Furos para encaixe e solda dos componentes: são chamados de ILHAS (PAD), podem ser de diversos formatos (circular, elíptico, retangular,...) de acordo com o componente utilizado o diâmetro do furo é diferente. - VIAS: são furos metalizados que atravessam as placas e realizam conexões elétricas entre os layers ou camadas de sinal da placa. TRILHAS
ILHAS
Figura 7: Exemplo de PCI
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Os projetos de PCI em sistemas CAD utilizam uma técnica de separação em camadas de desenhos (LAYERs) para facilitar manipulação de componentes e conexões, correções e alterações do projeto; os layers mais utilizados são: Dimension ou BOARD – Layer onde se encontra o desenho do contorno da PCI TOP – Camada superior da PCI, onde são colocados os componentes, em placas de face simples não há trilhas neste layer, porém em placas dupla-face esse layer além de receber os componentes possui trilhas com conexões elétricas. BOTTOM – Camada inferior da PCI, também chamado de “lado da solda”, por ser o local onde os terminais dos componentes são soldados, quando criamos placas face simples, apenas este lado possui as trilhas das conexões elétricas. PADs e VIAs – Camada que contém os desenhos dos furos dos terminais e também das conexões elétricas entre os planos, as VIAS existem apenas em placas com mais de um layer de sinal, e nesses casos tanto elas quanto os furos das trilhas geralmente são metalizados. COMPONENTES – São uma reunião de layers com as informações de desenho, simbologia, numeração e nome dos componentes, essa camada geralmente é impressa na parte superior da placa TOP.
Figura 8: PCI completa
Figura 9: Layer TOP
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Figura 10: Layer Bottom
Figura 11: Layer PADs e VIAs
Figura 12: Layer Componentes
Para finalizar o último conceito a ser apresentado é o de plano de terra, que é uma criação geométrica ligada ao terra (GND), ele é muito utilizado para evitar ruídos e interferências eletromagnéticas, durante os projetos que realizaremos aprenderemos como criá-lo no Eagle.
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Plano de Terra
Figura 13: Layout com plano de terra
A continuidade do treinamento depende da familiarização com os conceitos e nomenclaturas aqui apresentados, portanto não deixe de estudar esse material.
3 – Vantagens e desvantagens da utilização dos sistemas CAD Utilizar softwares específicos para a criação de projetos eletrônicos apresenta diversas vantagens aos processos manuais, dentre os quais podemos apontar: Rapidez → Utilizando esse tipo de software não há a necessidade de desenhar o símbolo e o encapsulamento de cada componente, além disso, as ligações elétricas são transmitidas automaticamente de módulo para outro, e existe a possibilidade do roteamento automático das trilhas. Precisão e eliminação de erros → Como todos os encapsulamentos e símbolos já estão presentes na biblioteca do software evita erros de conexão e dimensionamento, desde que utilizemos o componente e o encapsulamento correto, além disso, como as ligações elétricas ou “NET LIST” são Proibida a cópia integral ou parcial deste material sem prévia autorização. Logo e Marca Microgenios® são de propriedade de Microgenios Soluções Eletrônicas.
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transmitidas automaticamente do esquemático para a PCI, não há perigo de erros ou confusões e com o roteamento automático a criação de trilhas e conexões erradas é inexistente. Documentação → Um projeto realizado por esse sistema está muito melhor documentado, havendo a possibilidade de diversas reimpressões e geração rápida de informações como lista de material. Repetibilidade → Como estamos tratando de um processo profissional, a geração dos arquivos de CAD-CAM agiliza o processo de fabricação e mantém a qualidade e confiabilidade do sistema mesmo para a produção de grandes quantidades de PCI’s. Porém existe também uma desvantagem relativamente crítica no processo totalmente automático de criação do layout, pois para certos projetos como circuitos de potência e radio freqüência, o layout deve ser muito bem pensado e cada componente e trilha devem ser muito bem posicionados a fim de evitar ruídos e interferências, geralmente esse tipo de projeto requer grande experiência e conhecimento do projetista, além de muitas vezes necessitar de diversos testes e simulações até chegar ao produto final, de qualquer modo mesmo que o projetista opte por traçar as trilhas manualmente, ele utilizará um sistema CAD para a criação do layout, apenas não utilizará o autoroteamento.
ATENÇÃO!!! Caro aluno, até agora mencionamos algumas palavras e expressões desconhecidas, mas tudo será abordado em seu devido tempo, não se preocupe e nem se assuste, todos os processos serão explicados detalhadamente.
O processo de criação de PCI’s em sistema CAD Primeiramente para facilitar a escrita e evitar contínuas repetições, convencionaremos a utilização em nossos estudos das siglas PCI (português) ou PCB (inglês) em substituição à “Placa de Circuito Impresso”. Nosso objetivo principal neste curso é o entendimento e aprendizado das técnicas para a criação profissional da PCI, portanto serão abordados os processos industriais de fabricação, em alguns momentos mencionaremos processos manuais, mas não será nosso foco principal.
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1 – Criação do esquemático O primeiro passo para o desenvolvimento de nosso projeto de hardware eletrônico é a criação do esquema elétrico, que descreve todas as ligações elétricas do componente, é muito importante grande atenção neste momento, pois essas ligações serão refletidas na criação das ilhas do layout.
Figura 14: Esquema eletrônico
2 – Importação das ligações para o módulo de criação da PCI Após a criação atenciosa do esquema elétrico, é chegado o momento de transportar as ligações elétricas aqui realizadas para o módulo de criação da PCI, em cada ferramenta CAD esse processo é um pouco diferente geralmente necessitando da geração da listagem de conexões elétricas (NET LIST), no Eagle esse processo é bastante simples e automático, além disso, cada símbolo é associado automaticamente a um invólucro ou encapsulamento, facilitando muito a criação da PCI.
3 – Posicionamento dos componentes Neste ponto do projeto devemos realizar o dimensionamento de nossa PCI e então posicionar os componentes de maneira adequada, respeitando a proximidade dos componentes a fim de minimizar Proibida a cópia integral ou parcial deste material sem prévia autorização. Logo e Marca Microgenios® são de propriedade de Microgenios Soluções Eletrônicas.
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o comprimento das trilhas. As ligações elétricas aparecem como linhas ligando os terminais dos componentes e neste ponto servem apenas para sinalização.
Figura 15: Posicionamento dos componentes
4 – Criação das trilhas de interligação (Roteamento) Após o posicionamento correto dos componentes chegou o momento de criação das trilhas que interligam os componentes, para a realização desse procedimento pode ser utilizado o processo manual ou então o processo automático, de acordo com os interesses do projetista, nesta etapa diversas configurações podem ser realizados, como: • • • •
Dimensionamento de espessura das trilhas Ângulos de criação das trilhas Quantidade de layers a serem utilizados Distanciamento de trilhas e ilhas
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Figura 16: layout pronto
5 – Geração dos arquivos de industrialização Esta é uma das maiores, senão a maior, vantagem da utilização dos sistemas CAD para a criação de nosso projeto, pois através desses procedimentos conhecidos como “pós processamento”, conseguimos criar os arquivos para a geração dos fotolitos, que serão usados para o processo de fotoplotagem do layout na placa de cobre e geração das matrizes para o teste elétrico, além disso, geramos também os arquivos de furação para utilização nas furadeiras e fresas CNC; esses processos aceleram a confecção da placa e minimizam as possibilidades de erros.
Figura 17: Fotolito
Figura 18: Furadeira CNC
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