Placas de Circuito Impresso

 

 A Importância da Placa de Circuito Impresso

Um erro bastante comum de iniciantes é menosprezar o papel do Circuito Impresso na fabricação de um pedal de efeito ou outro circuito eletrônico. Muitos nem enxergam um Circuito Impresso como um componente eletrônico, pensando tratar-se somente de um suporte onde os componentes eletrônicos são mantidos juntos e seus terminais são interconectados. O Circuito Impresso é um componente eletrônico, como um resistor, um transistor ou um circuito integrado. Um resistor, um transistor e um integrado já são adquiridos fabricados; todos os parâmetros deles já estão prontos. Basta utilizá-los no circuito. O Circuito Impresso tem que ser projetado e muitos de seus parâmetros dependem de habilidade e conhecimento técnico do projetista.

Muitos aspirantes a construtores de pedais não atingem o objetivo porque param na primeira fase da construção: a fabricação caseira de circuito impresso. Existem vários métodos para a criação caseira de circuito impresso:

-Desenhar com caneta ácido resistente sobre a placa de circuito impresso virgem;

-Utilizar o método da transferência térmica (impressora laser ou xerox);

-Sensibilização direta da placa de circuito impresso virgem;

-Silk-screen;

Para quem já experimentou o método de desenhar com caneta diretamente sobre a placa de circuito impresso, já sabe que é um método ultrapassado, ineficiente e com resultados catastróficos. Só valia a pena quando era o único método para a montagem de um protótipo. Não há a menor possibilidade de produzir uma placa com qualidade.

O método da transferência térmica que utiliza uma impressão feita em impressora laser ou xerox, que é aplicada a uma placa de circuito virgem utilizando um ferro de passar. Produz resultados pouco satisfatórios, ainda mais quando a placa de circuito impresso possui grandes áreas cobreadas. Também é ineficiente para produzir placas de circuito impresso com trilhas mais finas. É um bom método para a fabricação de protótipos, mas nunca para um circuito definitivo.

O método da sensibilização direta pode ser uma boa alternativa para a produção de protótipos, mas requer muita habilidade do construtor. Como o método de transferência térmica, também é falho ao tentar produzir placas com trilhas mais finas. Requer mais prática, mais tempo e mais custo do que o método da transferência térmica, para produzir um resultado semelhante.

Silk-screen é o único método que pode produzir em casa placas com acabamento semiprofissional. O problema é o preço de cada tela de silk-screen. Para um circuito impresso de face simples deve-se fabricar 3 telas: circuito impresso, máscara de solda e silk-screen dos componentes. Portanto só é aplicável a fabricação de um volume grande de placas de circuito impresso.

Além do problema da falta de qualidade, o custo de fabricação de uma placa de circuito impresso caseiro é alto e, a princípio, muito desse custo é menosprezado pelo construtor. Primeiramente existe o custo da placa virgem. Ela geralmente é maior do que o necessário, o que já é o primeiro desperdício. Soma-se a isso o preço de um cortador de placa de circuito impresso, que é necessário principalmente se a placa for de fibra de vidro. Depois o preço da caneta com tinta resistente a ácido, que é necessária para qualquer um dos métodos, se não para desenhar todo o circuito mas ao menos para eliminar imperfeições dos outros métodos. No caso de transferência térmica, é necessário uma impressora laser, ou uma máquina de xerox, e papel glossy, que é o único que dá algum resultado bom. Após isso, tem o custo do percloreto de ferro. E os vasilhames, todos de plástico – uma garrafa, um funil e uma bandeja rasa – que após utilizados para o percloreto não podem ser utilizados para mais nada. E mais outros custos: uma esponja do tipo “Scotch-Brite” (BomBril pode ser utilizado, porém é muito abrasivo e pode remover todo o cobre da placa), fita crepe, pinça de plástico, etc. Depois da placa corroída, acrescente o custo de acetona ou Thinner para limpeza. Depois o custo do verniz e, claro, o custo do pincel para espalhar o verniz. Após isso, acrescente o custo de uma furadeira do tipo Mini Drill – nunca tente furar uma placa de circuito impresso utilizando uma furadeira comum, a não ser que você possua uma furadeira de bancada – e o custo das brocas para furação. Uma placa de circuito impresso tem no mínimo duas bitolas para furação: 0,8 mm e 1,0 mm. Portanto pelo menos duas brocas, isso se não quebrarem. E quanto àqueles perfuradores manuais, de punção? Estes equipamentos funcionam muito mal em placas de fenolite, e muito pior em placas de fibra de vidro. Resumindo, acho que é nesse ponto que todo iniciante desiste de começar a construção de um pedal de efeito. O que o site propõe é fornecer para cada circuito da seção Projeto um circuito impresso profissional, cujo custo será menor para o construtor do que se ele tentar fabricar o circuito utilizando algum método caseiro. Melhor, mais barato e com resultado profissional. E, o que é mais importante, sem dor de cabeça. O construtor pode focar sua atenção na fabricação do pedal.

Um circuito impresso deve conter mais que ilhas de cobre para a soldagem dos componentes. Ilhas de cobre, sem nenhum tratamento, demoram muito para serem soldadas. Isto pode fazer com que ocorra ou a ‘solda fria’, que é quando os componentes não ficam soldados corretamente à placa de circuito impresso, impedindo o contato elétrico correto, ou, o que é pior, que na tentativa de soldar o componente o construtor mantenha o ferro de soldar mais tempo que o necessário, soldando corretamente o componente, porém queimando-o. Em circuitos impressos comerciais, as ilhas de cobrem sofrem um tratamento denominado ‘hot-air’, que basicamente é o preenchimento, geralmente com estanho e/ou chumbo, das ilhas do circuito impresso. Isso faz com que o processo de solda dos componentes aconteça de forma muito mais simples e rápida, reduzindo drasticamente o risco de soldas frias ou a queima de algum componente durante o processo de soldagem.

O lado cobreado deve ser protegido. Circuitos impressos comerciais utilizam verniz resistente à soldagem, geralmente verde, que protege o cobre da oxidação, e faz com que durante a soldagem a solda não se espalhe da ilha para a trilha ou área cobreada do circuito.

O lado dos componentes deve possuir a impressão dos componentes, o que facilita em muito a montagem e eventual reparo no circuito.

Estas facilidades que um circuito impresso profissional possui são muito mais que estéticas. Um circuito com boa aparência, bem soldado, com os pontos de solda brilhantes, com a solda bem aderida à placa significa que funciona, e funciona bem.

Lay-out do Circuito Impresso

Tão importante quanto a finalização, o acabamento de uma placa de circuito impresso, está o seu projeto. A placa de circuito impresso é bem mais que um suporte onde os componentes são soldados. O projeto de uma placa de circuito impresso exerce influência fundamental na qualidade de um circuito eletrônico, muito mais quando este circuito é de um pedal de efeito, onde a amplitude do sinal que percorre o circuito é baixíssima, da ordem de centenas de milivolts. Isso faz com que qualquer ruído seja captado e acrescentado ao sinal. Uma placa mal projetada faz com que este ruído apareça de forma incontrolável na saída do efeito, enquanto que uma placa de circuito impresso bem projetada leva em conta diversos fatores que atenuam este ruído a níveis aceitáveis.

Especificamente para pedais de efeito, o projetista deve, onde for possível, desenhar as trilhas e dispor os componentes na placa de circuito impresso de forma que o sinal percorra o circuito de um lado da placa para outro, a fim de manter os furos para inserção dos jacks de entrada e saída bem afastados.

Os diversos fatores que influenciam a qualidade final de montagens em circuito impresso são, direta ou indiretamente, dependentes do lay-out do circuito impresso e podem ser solucionados aplicando-se diversas técnicas, que são basicamente:

-Manter o sinal de entrada longe da saída;

-Manter áreas cobreadas para blindagem do sinal;

-Incluir em todos os circuitos integrados um capacitor bypass;

-Colocar trilha de terra entre terminais de entrada e saída;

-Fazer o circuito impresso o mais compacto possível;

-Quando soldar, evitar excesso de solda. Portanto ao projetar, verificar o tamanho de cada ilha para cada componente;

-Após a soldagem, limpar bem o fluxo de solda que eventualmente ficou grudado à placa. Portanto, ao projetar, manter a maior distância possível entre trilhas e ilhas, para facilitar esta limpeza;

-Trilhas muito próximas às outras podem dar origem a capacitâncias no circuito. Este é um ponto praticamente desprezível em circuitos de baixa frequência, como são os circuitos de efeito de áudio, por que estas capacitâncias são de baixo valor e afetam muito pouco o sinal de áudio. Porém, para circuitos digitais, com frequências de trabalho na ordem das dezenas, centenas ou milhares de megahertz este efeito não pode ser desprezado e tem que ser levado em conta no projeto da placa de circuito impresso.

-Utilizar cabo blindado para sinais de alta impedância;

-Cortar os terminais dos componentes soldados à placa o mais rente possível;

-NÃO utilizar soquetes para circuitos integrados analógicos;

-Eliminar loops de terra (Ground Loop);

 

Ground Loop

Quando temos dois ou mais pontos no circuito que são referenciados como terra, deveríamos ter teoricamente 0 V de tensão entre eles. Porém, na prática isso nem sempre ocorre. Se há dois pontos de terra com diferença de tensão entre eles em um circuito dizemos que há um Loop de Terra (ou Ground Loop). Nenhum condutor possui 0 ohms de resistência e, portanto, qualquer condutor pode causar uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial, dependendo de onde estiver aplicada, pode gerar oscilação ou problemas com o ganho ou fase do circuito.

A maneira de evitar problemas de ground loop é utilizar um lay-out de circuito impresso em que haja somente um ponto de terra.

Outra dica é manter as trilhas do circuito impresso o mais largas possível e as bitolas dos cabos as maiores possível.

Durante o roteamento, pensar sobre como e onde cada corrente está retornando para o terra. Isto é, corrente de terra muito grande pode induzir corrente, mesmo que pequena, em uma entrada de um circuito. Este efeito é importante e não pode ser negligenciado em circuitos que trabalham com potência baixa, como são os circuitos de efeito de áudio, mas é um efeito que pode tornar inutilizável uma placa de circuito impresso projetada para um circuito de maior potência. Por exemplo, ao projetar a placa de circuito impresso para um amplificador de guitarra, a parte cobreada da placa, que corresponde ao terra, fornece o caminho de retorno para, por exemplo, o negativo da bateria. Se esta corrente for muito grande, ela gerará uma corrente na entrada do circuito, que aparecerá amplificada na saída do circuito, que gerará uma corrente na entrada do circuito, que gerará …

A explicação escrita deste fenômeno é bem mais difícil de entender do que visualmente.

Considere as seguintes trilhas de circuito impresso, referentes a um amplificador de áudio:

Como fica claro na imagem, a ligação do terminal negativo da bateria é feita pelo lado esquerdo da placa, e a trilha que consome mais corrente está localizada do lado direito da placa, que é a saída do circuito do amplificador.

Quando há o aumento na corrente de saída devido, por exemplo, a um sinal de áudio presente na entrada, a corrente é drenada da bateria, seguindo o caminho mostrado na figura.

Como a trilha que alimenta a entrada do amplificador está antes da trilha que realmente está exigindo mais corrente, é desta pequena trilha que a bateria drenará mais corrente, conforme mostra a seta azul. Com isso, esta corrente que aparece na trilha de entrada do circuito comporta-se como um sinal na entrada do amplificador, que aparecerá amplificada na saída do amplificador, e o ciclo se repete. Na prática, este fenômeno soa como um ruído de volume extremamente alto na saída do alto-falante.

A única solução para este problema seria refazer o lay-out da placa de circuito impresso. O projetista tem que estar atento a este fenômeno e deve manter as trilhas de sinais de entrada longe das trilhas de correntes mais altas do circuito. Para o circuito hipotético mostrado, a solução seria mover a ilha que conecta o circuito à bateria para o lado direito da placa de circuito impresso. Com isso, a trilha do sinal de entrada do circuito permanece longe das altas correntes de saída, e nenhum sinal é drenado da trilha do sinal de entrada.

Sinais Digitais + Sinais Analógicos

Um outro problema que surgiu após a revolução digital foi a existência de placas de circuito impresso que compartilham sinais analógicos e digitais. Microprocessadores e microcontroladores trabalham em frequências muito mais altas que um sinal de áudio, e estas frequências podem causar interferência eletromagnética (EMI) em circuitos de áudio. Desenhar uma placa de circuito impresso que opere com ambos sinais pode ser um desafio muito grande para o projetista.

Algumas dicas de especialistas incluem:

-Particionar a placa de circuito impresso com seções separadas para os sinais analógicos e digitais.

-Distribuir os componentes de forma correta.

-Não dividir o plano de terra (isto é, o plano de terra deve ser comum para os sinais analógicos e digitais).

-Fazer o roteamento dos sinais digitais somente no lado da seção digital da placa.

-Fazer o roteamento dos sinais analógicos somente no lado da seção analógica da placa.

Conclusão

Placas de circuito impresso são componentes eletrônicos cuja qualidade depende em grande parte do projetista. Placas fabricadas de forma caseira não tem a mesma qualidade que uma placa fabricada industrialmente.

As placas de circuito impresso dos circuitos do site foram projetas levando em conta os itens demonstrados neste artigo, para que o músico, amador ou profissional, ao utilizar um dos efeitos montados com uma destas placas, não consiga diferenciar a qualidade do efeito obtido por estes circuitos e circuitos de marcas consagradas, nacionais ou importadas.

Bibliografia

National Audio Handbook – 2.0 Preamplifiers

OTT, HENRY W., Partitioning and layout of a mixed signal PCB