Further Conclusions

A fase de projeto da PCB pode ser subdividida em duas fases distintas. A primeira fase corresponde ao desenho do esquemático elétrico no software e a segunda fase ao desenho da PCB.

Na primeira fase, desenhou-se o circuito elétrico (apresentado no Anexo A) de acordo com o dimensionado e descrito na seção 3.1, recorrendo às bibliotecas de componentes disponibilizadas pela Altium® que, além do desenho do componente, inclui as suas propriedades de encapsulamento (footprint, dimensões e desenho 3D). O termo inglês footprint define a área de cobre disponível para soldadura do componente na PCB. Ainda nesta fase, caracterizaram-se os componentes através da seleção de uma footprint mais adequada para a soldadura a estanho manual.

Na segunda etapa, definiram-se as dimensões pretendidas para a PCB e separaram-se os componentes em categorias de acordo com a sua funcionalidade. De um modo geral, podem-se classificar duas categorias quanto à tipologia do circuito. A primeira contém os componentes que pertencem ao circuito de instrumentação, processamento, comunicação e acondicionamento dos sinais dos sensores. A segunda contém os componentes do circuito de potência (MOSFETS, transístor, IGBT) que são suscetíveis de causar maior interferências elétricas e eletromagnéticas. Além disso, como as altas frequências (ruído) produzidas no circuito de potência (proveniente dos atuadores) podem interferir no circuito de instrumentação (que funciona a um nível de tensão inferior e precisa de estabilidade nos sinais), estes circuitos foram separados eletricamente por isoladores óticos.

Na PCB os componentes de cada categoria foram posicionados nas duas faces de acordo com a sua funcionalidade: analógicos, digitais, processamento, alimentação,

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comunicação, potência. Os condensadores foram posicionados perto dos respetivos circuitos integrados para eliminar ruído de alta frequência que pode causar erros de funcionamento. Também o cristal manteve-se perto do microcontrolador por ser um elemento que precisa de estabilidade.

Optou-se também pela utilização de planos de massa. Os planos de massa permitem obter um circuito elétrico com melhor condutividade elétrica à massa e maior simplicidade de ligações à massa. Os planos de massa têm ainda a vantagem de diminuir as interferências eletromagnéticas e diminuir a resistência nas ligações de massa. Para garantir o isolamento de circuitos, os planos de massa dos circuitos de potência e instrumentação foram mantidos separados. A Figura 4.2 apresenta o protótipo projetado no software Altium e permite facilmente visualizar a separação entre os planos de massa das zonas de instrumentação (área maior) e potência (área menor).

Todos os componentes da PCB estão identificados e numerados para permitir a fácil identificação do componente de acordo com esquemático elétrico apresentado no Anexo A. A nomenclatura utilizada permite classificar os componentes por categoria: Jx – conetores, Ry – resistência, Cx – condensador, Dx – díodo, LDx – díodo emissor de luz (LED), VRx – regulador de tensão, M1 – memória, Ux – circuitos integrados (microprocessador, amplificadores operacionais, isoladores óticos e FTDI), X1 – cristal, onde x corresponde à numeração do componente.

(a) (b)

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4.5. Fabrico da PCB

Dependendo da capacidade do equipamento de fabrico, os limites técnicos podem sofrer alterações. Para este projeto pretendia-se que a PCB fosse produzida por uma empresa externa, pela qualidade que os processos de fabrico mais recentes oferecem. Assim, efetuou-se uma pesquisa de empresas que dispõem deste tipo de serviço e após a avaliação de cotações, optou-se pelo fabrico na empresa Guimocircuito – Circuitos Impressos Lda [24]. Dos limites técnicos especificados pela empresa, destacam-se a distância mínima entre pads, pistas e planos de 0.254 mm, a largura mínima de pista de 0.254 mm e o diâmetro mínimo do pad das vias de duas vezes o diâmetro do furo. O pad é o termo em inglês para a zona de cobre que permite a soldadura do componente. Estes limites técnicos revelaram-se universais por permitem o fabrico noutras empresas que utilizam os mesmos limites técnicos ou inferiores. Por exemplo, na Olimex LTD [25] em que a distância mínima entre pads, pistas e planos de massa é de 0.2 mm e o diâmetro mínimo do pad das vias é de mais 0.4 mm que o diâmetro do furo.

O protótipo foi produzido no material FR-4 de 1,6 mm de espessura. Este material é constituído por várias camadas de tecido de fibra de vidro com uma resina epóxi com propriedades retardantes e resistentes a chamas, em conformidade com a norma UL 94V-0. Estas propriedades permitem a utilização em ambiente automóvel. O cobre da PCB apresenta um acabamento em máscara de solda. A máscara de solda é uma tinta fotográfica negativa industrial, desenvolvida para proteger os circuitos impressos contra oxidações e conservar as partes do circuito onde não serão soldados os componentes eletrónicos. Este acabamento possui um elevado nível de resistência química e dielétrica. Além disso, a PCB possui uma camada denominada em inglês por Silk Screen que corresponde à legenda dos componentes. Para melhorar o processo de soldadura, os pads dos componentes têm acabamento de estanhagem seletiva, isto é, os pads são pré estanhados com uma camada fina de estanho que melhora a transferência de calor e a posterior soldadura dos componentes. A Figura 4.3 apresenta o PCB produzida onde é possível visualizar a mascara de solda (cor verde), a camada de Silk Screen (identificação dos componentes) e a camada de acabamento de estanhagem seletiva (pads dos componentes).

Na Figura 4.4 é apresentado o protótipo utilizado nos testes práticos, com os componentes soldados através de soldadura manual, ao qual foi atribuído o nome de Engitec.

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(a) (b)

Figura 4.3 – PCB protótipo produzida: (a) f ace superior; (b) f ace inf erior.

(a) (b)

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4.6. Custo estimado do protótipo

Um dos objetivos deste projeto consiste em manter o baixo custo da unidade de controlo desenvolvida. Por este motivo, estimou-se o custo do hardware do protótipo. A estimativa inclui todos os componentes, conetores e o custo da PCB.

Relativamente ao custo dos componentes e conetores, a estimativa foi efetuada com base nos preços on-line da empresa RS Components - Amidata S.A [26]. Além disso, considerou-se o preço para a quantidade mínima do produto (custo mais alto). Em relação à PCB, considerou-se o valor da cotação dado pela empresa Guimocircuito para uma unidade apenas. A compra de componentes e o fabrico de PCBs em grandes quantidades (por exemplo, 100 unidades) resulta numa diminuição significativa no custo final, que pode chegar a 50% do valor estimado.

O custo estimado de produção de uma unidade Engitec (protótipo) é de aproximadamente 100 €, conforme apresentado no Anexo D. Nesta estimativa não são considerados os custos de desenvolvimento do software, hardw are e da soldadura dos componentes.

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5. Montagem e procedimentos

experimentais

Neste capítulo é apresentada a montagem experimental do protótipo desenvolvido e descrevem-se as principais adaptações mecânicas efetuadas ao motor de testes. Por conseguinte, são apresentados os procedimentos experimentais para validação do software e do hardware desenvolvidos.