Como projetar uma PCB: guia passo a passo do EasyEDA para iniciantes

Projetar uma PCB significa transformar um circuito montado com fios em uma protoboard em uma placa de circuito impresso permanente, na qual trilhas de cobre conectam os componentes. Hoje, você não precisa de um programa caro nem de uma fábrica para isso: com o EasyEDA gratuito, você desenha o esquema no navegador, projeta a placa, gera os arquivos de fabricação e faz o pedido com poucos cliques; uma ou duas semanas depois, tem em mãos placas com aparência profissional.

Neste guia, você acompanha todo o processo passo a passo, usando como exemplo uma pequena placa de sensores baseada no Arduino Nano: desenhar o esquema, escolher o footprint correto para cada componente, posicionar os componentes, definir a largura das trilhas de acordo com a corrente, adicionar uma área de cobre GND, procurar erros com o DRC, gerar arquivos Gerber, fazer o pedido e testar a placa quando ela chegar. No final, abordamos os erros de projeto mais comuns entre iniciantes e comparamos brevemente o EasyEDA com sua poderosa alternativa, o KiCad.

O que é uma PCB e por que passar da protoboard para uma PCB?

Uma PCB é feita de camadas finas de cobre aderidas a uma chapa de epóxi reforçado com fibra de vidro (FR-4). A maioria das placas para hobby tem duas camadas: há cobre em cima e embaixo, e as duas camadas são conectadas por pequenos furos metalizados chamados vias. O revestimento verde (ou de outra cor) sobre o cobre é a máscara de solda; ele protege as trilhas e faz a solda aderir apenas às ilhas. As inscrições brancas por cima formam a camada de serigrafia. Uma protoboard é ideal para experimentar, mas os fios se soltam com a vibração, jumpers longos captam ruído e o circuito não cabe em uma caixa. Uma PCB oferece um resultado resistente, compacto, reproduzível e fácil de diagnosticar.

Projeto de exemplo: uma placa de sensores baseada no Arduino Nano

Ao longo do guia, vamos passar para uma PCB um circuito que costuma ser montado em protoboard: um Arduino Nano, um sensor de temperatura e umidade DHT22, uma barra de quatro pinos para um display OLED I2C, dois botões, um LED e um buzzer passivo. Em vez de soldar o Nano diretamente na placa, vamos encaixá-lo em duas barras fêmeas de 15 pinos, permitindo retirá-lo para outro projeto ou substituí-lo facilmente se apresentar defeito. A placa receberá uma fonte de 7–12 V por um borne com parafuso e terá proteção contra polaridade invertida com um diodo. Para os números dos pinos, veja Pinagem do Arduino Nano.

Processo de projeto de uma PCB: 7 passos

1. Esquema: desenhe o circuito com símbolos e confira cada conexão.
2. Footprints: escolha a disposição das ilhas e dos furos que cada símbolo ocupará na placa.
3. Posicionamento: defina o tamanho da placa e posicione os componentes em grupos lógicos.
4. Trilhas: desenhe as conexões como trilhas de cobre; mantenha as trilhas de alimentação largas.
5. Área de cobre: preencha as áreas vazias com cobre conectado ao GND.
6. DRC: verifique as regras de projeto e corrija os erros.
7. Gerber e pedido: gere os arquivos de fabricação, confira-os e envie-os a um fabricante.

1. Desenhando o esquema no EasyEDA

O EasyEDA tem duas edições: a Standard, mais antiga e simples, e a Pro, mais recente e poderosa. Ambas são gratuitas e funcionam no navegador ou como um cliente para computador que você pode baixar. Se estiver começando, comece pela Pro. Depois de criar uma conta gratuita, crie um projeto; ao abri-lo, você terá uma folha de esquema vazia. Busque no painel Library o nome do componente ou seu código LCSC e posicione-o no esquema; componentes básicos, como resistores, capacitores e LEDs, já vêm com símbolo e footprint prontos. Depois, conecte os pinos com a ferramenta Wire e use os símbolos VCC e GND para a alimentação. Se você não está acostumado a ler esquemas, Como ler um esquema de circuito explica os símbolos um por um.

2. Escolhendo footprints: a representação do símbolo na placa

O símbolo mostra o que um componente faz no esquema; o footprint define as ilhas e os furos nos quais seus terminais se encaixam na placa e a área que ele ocupa. O mesmo resistor de 10 kΩ tem dezenas de footprints: um resistor axial de furo passante (THT) com passo de 7,62 mm ou 10,16 mm, ou encapsulamentos de montagem em superfície (SMD), como 0805 e 0603. Nunca escolha um footprint sem conferir as dimensões do componente que você tem em mãos com uma régua ou um paquímetro. Para sua primeira placa, é melhor começar com componentes THT, fáceis de soldar à mão; ao passar para SMD, o tamanho 0805 é o mais confortável para soldagem manual. Para os códigos impressos nos resistores SMD, use a ferramenta Código SMD.

3. Tamanho da placa e posicionamento

• Primeiro o contorno: desenhe o contorno da placa. Nossa placa de exemplo mede 60 × 50 mm; muitos fabricantes produzem placas menores que 100 × 100 mm na faixa de preço mais baixa.
• Furos de fixação: coloque furos de 3,2 mm (M3) nos quatro cantos, a cerca de 3,5 mm da borda; parafusar a placa em uma caixa será muito mais fácil depois.
• Conectores na borda: deixe o borne com parafuso, a barra de pinos do OLED e o conector USB do Nano voltados para a borda da placa, para que os componentes não atrapalhem ao conectar os cabos.
• Posicione em grupos: mantenha os componentes de alimentação (borne, diodo, capacitor) em um canto e os botões na borda onde o usuário vai pressioná-los.
• Mantenha o sensor longe do calor: posicione o DHT22 longe do regulador do Nano e do buzzer; o calor do regulador pode alterar a leitura de temperatura em alguns graus.
• Deixe espaço para soldar: deixe espaço suficiente entre os componentes para a ponta do ferro de solda; não deixe a distância entre duas ilhas vizinhas ficar abaixo de 1 mm.
• Serigrafia: escreva a referência de cada componente (R1, D1), as polaridades do LED e do capacitor, os nomes dos pinos e o nome da placa; não deixe o texto passar sobre as ilhas.

4. Roteando as trilhas e escolhendo sua largura

Quando terminar o posicionamento, você verá linhas finas entre os componentes; essas linhas de ratsnest mostram conexões que existem no esquema, mas ainda não foram feitas em cobre. Você transforma cada uma em uma trilha de cobre com a ferramenta Track. A largura de uma trilha determina quanta corrente ela pode conduzir: uma trilha estreita aquece com corrente alta, causa queda de tensão e, no pior caso, queima. 0,25–0,3 mm é suficiente para trilhas de sinal; mantenha trilhas de alimentação, como 5 V e VIN, com pelo menos 0,6–1 mm de largura, especialmente se forem alimentar servos, motores ou fitas de LED. Os valores abaixo são estimativas calculadas com a aproximação IPC-2221 para uma camada externa com cobre de 1 oz (35 µm) e aumento de temperatura de cerca de 10 °C; deixar uma margem de segurança é sempre uma boa ideia.

Mantenha o espaçamento entre trilhas (clearance) em pelo menos 0,2–0,3 mm; a maioria dos fabricantes consegue produzir espaçamentos menores, mas um espaço maior deixa margem para erros tanto na fabricação quanto na soldagem. Quando uma trilha precisar passar para a outra camada, use uma via; uma via com furo de 0,3 mm e diâmetro externo de 0,6 mm é uma escolha padrão para placas de hobby. Faça as curvas com ângulos de 45 graus e evite ângulos agudos (menores que 90 graus). Em placas de duas camadas, rotear as trilhas principalmente na horizontal na camada superior e na vertical na inferior facilita resolver os cruzamentos. Para calcular o valor do resistor do LED, use a ferramenta Resistor para LED.

5. Área de cobre GND

Depois de desenhar todas as trilhas, preencha a superfície vazia restante da placa com cobre conectado à net GND; no EasyEDA, a ferramenta Copper Area faz isso. Adicione a área de cobre nas camadas superior e inferior e una as duas camadas com algumas vias de GND distribuídas pela placa. Isso traz três benefícios: a conexão GND de cada componente segue um caminho curto sem precisar desenhar trilhas separadas, a resistência e o ruído do caminho de terra diminuem e o fabricante precisa remover menos cobre por corrosão. As ilhas de GND dos componentes de furo passante se conectam à área de cobre por alívios térmicos (quatro ligações finas), para que o ferro de solda consiga aquecer a ilha sem perder calor para a grande área de cobre. Depois de adicionar a área, reconstrua-a e remova as pequenas ilhas de cobre que não estejam conectadas a nada.

6. Executando o DRC

DRC (Design Rule Check) é a ferramenta que verifica automaticamente seu projeto de acordo com as regras que você definiu: ela lista trilhas próximas demais, cobre muito perto da borda, ilhas sobrepostas, componentes que ultrapassam os limites da placa e nets que ainda não estão conectadas. Clique em qualquer linha da lista de erros e o EasyEDA mostrará o local do problema. Execute o DRC até não restarem erros, mas não dependa apenas dele; o DRC não consegue saber que um footprint foi escolhido errado ou que um pino foi conectado à net errada. Faça também estas verificações manualmente antes do pedido:

1. Confira se não restam linhas de ratsnest na tela e se o DRC informa zero erros.
2. Imprima a placa em papel na escala de 100% e coloque os componentes reais sobre o papel; os espaçamentos dos furos e as barras de pinos do Nano devem corresponder exatamente.
3. Abra a visualização 3D: verifique se os componentes não se sobrepõem e se o conector USB e o borne estão voltados para a borda.
4. Siga o caminho da alimentação: o borne, o diodo, o capacitor e o pino VIN do Nano estão na ordem correta?
5. Confira se a serigrafia tem marcas de polaridade, nomes dos pinos, nome da placa e um número de versão (por exemplo, v1.0).

7. Gerando arquivos Gerber e fazendo o pedido

Os fabricantes não trabalham com seu arquivo de projeto, mas com arquivos Gerber, o padrão da indústria. Gerber descreve cada camada da placa em um arquivo separado; as posições e os diâmetros dos furos ficam em um arquivo de furação separado. Ao escolher a saída Gerber no menu de fabricação do EasyEDA, todos os arquivos são reunidos em um único arquivo ZIP; a opção de fazer o pedido diretamente ao fabricante do mesmo grupo do EasyEDA também fica nessa tela. Você também pode enviar o ZIP a qualquer outro fabricante. Seja qual for a escolha, após o envio, inspecione sua placa camada por camada no visualizador Gerber online; essa é sua última chance de conferir se o que você desenhou é o que será fabricado.

As placas costumam ser fabricadas em poucos dias, enquanto a entrega pode levar uma ou duas semanas, dependendo da modalidade escolhida. Quando as placas chegarem, não solde tudo de uma vez: primeiro instale apenas o diodo, o capacitor e o borne, verifique com um multímetro se não há curto entre VIN e GND, depois alimente a placa e confirme se a tensão correta aparece na barra de pinos do Nano. Em seguida, solde os componentes dos mais baixos para os mais altos: resistores, diodo, botões, barras de pinos e, por fim, os componentes grandes. Para obter boas juntas de solda, veja Como soldar com estanho, e para fazer medições, veja Como usar um multímetro. Encaixe o Nano e carregue o sketch de teste abaixo para conferir cada conexão da placa, uma por uma.

1// Nano kartı ilk test: her bağlantıyı tek tek doğrula
2// Nano board first test: check every connection one by one
3#include <Wire.h>
4
5const int DHT_PIN  = 2;              // DHT22 veri hattı, 10 kΩ pull-up / DHT22 data line, 10 kΩ pull-up
6const int BUTON1   = 3;              // buton GND'ye / button to GND
7const int BUTON2   = 4;
8const int LED_PIN  = 6;              // LED + 330 Ω
9const int BUZZER   = 8;              // pasif buzzer / passive buzzer
10
11void i2cTara() {
12  byte bulunan = 0;
13  for (byte adres = 1; adres < 127; adres++) {
14    Wire.beginTransmission(adres);
15    if (Wire.endTransmission() == 0) {             // cihaz cevap verdi / a device answered
16      Serial.print(F("I2C cihaz / device: 0x"));
17      Serial.println(adres, HEX);                  // OLED genelde 0x3C / OLED is usually 0x3C
18      bulunan++;
19    }
20  }
21  if (bulunan == 0) Serial.println(F("I2C cihaz yok: A4/A5 yollarini kontrol et / no I2C device: check the A4/A5 tracks"));
22}
23
24void setup() {
25  Serial.begin(9600);
26  pinMode(BUTON1, INPUT_PULLUP);
27  pinMode(BUTON2, INPUT_PULLUP);
28  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
29  pinMode(DHT_PIN, INPUT);
30  Wire.begin();
31
32  Serial.println(F("--- Kart testi / board test ---"));
33  i2cTara();
34  // Pull-up direnci lehimliyse veri hattı boşta HIGH okunur
35  // If the pull-up resistor is soldered, the idle data line reads HIGH
36  Serial.print(F("DHT hatti / DHT line: "));
37  Serial.println(digitalRead(DHT_PIN) ? F("HIGH (pull-up tamam / OK)") : F("LOW (pull-up ya da kisa devre? / pull-up or short?)"));
38  tone(BUZZER, 2000, 150);                         // buzzer kısa bip / short beep
39}
40
41void loop() {
42  digitalWrite(LED_PIN, (millis() / 500) % 2);     // LED yarım saniyede bir / LED every half second
43
44  static bool once1 = HIGH, once2 = HIGH;
45  bool b1 = digitalRead(BUTON1);
46  bool b2 = digitalRead(BUTON2);
47  if (b1 == LOW && once1 == HIGH) { Serial.println(F("Buton 1 / button 1")); tone(BUZZER, 1000, 80); }
48  if (b2 == LOW && once2 == HIGH) { Serial.println(F("Buton 2 / button 2")); tone(BUZZER, 1500, 80); }
49  once1 = b1;
50  once2 = b2;
51  delay(20);                                       // basit debounce / simple debounce
52}

Na inicialização, o código faz uma varredura do barramento I2C e, se o OLED estiver conectado, imprime seu endereço (geralmente 0x3C); se nada for encontrado, pede para verificar as trilhas A4 e A5. Se o resistor de pull-up R1 estiver soldado corretamente, a linha de dados do DHT22 será lida como HIGH em repouso; se aparecer LOW, o resistor está faltando ou a linha está em curto com GND. O buzzer emite um bipe curto na inicialização, o LED pisca a cada meio segundo e cada botão imprime seu nome no Monitor Serial e produz um som diferente. Depois que todos esses testes passarem, você poderá adicionar as bibliotecas do sensor e do display e seguir para seu projeto de fato.

Erros comuns no projeto de PCBs

Uma breve visão do KiCad: EasyEDA ou KiCad?

No KiCad, o processo é o mesmo: você desenha o circuito no Editor de esquemas, atribui um footprint a cada símbolo, faz o posicionamento e o roteamento no Editor de PCB, executa o DRC e gera os arquivos Gerber e de furação pelo menu Plot. Para sua primeira placa, a biblioteca pronta do EasyEDA e o pedido em um único passo economizam tempo. Conforme seus projetos crescem, faz sentido migrar para o KiCad se você quiser trabalhar sem internet, manter seus arquivos inteiramente sob seu controle e usar recursos avançados; os conceitos de footprint, largura das trilhas, área de cobre e DRC que você aprendeu aqui são os mesmos nos dois programas.

Quando segurar sua primeira PCB, você verá uma placa resistente e reproduzível no lugar do emaranhado de fios da protoboard; mesmo que cometa um erro, a segunda versão sempre fica melhor. Comece com uma placa pequena e componentes THT, confira duas vezes os footprints e as trilhas de alimentação e imprima em papel para experimentar os componentes antes do pedido. Os diagramas de fiação dos projetos de LED, botão, buzzer, DHT11, LCD e OLED do app BlueGrays são um bom ponto de partida para projetar sua própria placa; primeiro faça o circuito funcionar na protoboard seguindo os passos do app e depois passe para uma PCB.