Laminadora de PCB

Laminadora de PCB

Introdução:      [Voltar ao Índice]

No processo de fabricação de placas de circuito impresso pelo método térmico (transferência de toner), uma das principais etapas é o aquecimento do conjunto papel + placa, necessário para o derretimento do toner e a consequente transferência do mesmo para a placa. Normalmente, esse processo é realizado de maneira artesanal, com o uso de um ferro de passar roupas.

Ferro de Passar

Esse método, no entanto, tem algumas desvantagens:

  • A pressão exercida sobre o conjunto não é equilibrada em toda a área, podendo provocar a transferência parcial em algumas regiões da placa;
  • A temperatura não é constante, da mesma forma que a pressão, o que também pode provocar o desequilíbrio na transferência em regiões diferentes da placa;
  • É praticamente impossível repetir a aplicação de pressão, temperatura e tempo a duas placas distintas - somente a experiência do usuário pode garantir a qualidade final do processo.

Por essa razão, o processo poderia ser automatizado com o uso de uma máquina, que exercesse pressão e temperatura constantes à placa.

Uma solução seria o uso de uma prensa com aquecimento, como as que são utilizadas para estampar camisetas. No entanto, o alto custo desses equipamentos torna essa solução inviável para muitas pessoas.

Daí surgiu a ideia de transformar um equipamento sucateado, que pudesse ser modificado para oferecer pressão e temperatura constantes ao processo.

Um dos equipamentos que possui essa funcionalidade é a impressora laser, cujo funcionamento está descrito mais adiante neste artigo, e que foi a base para a construção desta máquina.

Outro equipamento comumente modificado para realizar essa função é a plastificadora de documentos, mas esse não é o escopo deste projeto. Para maiores informações, pesquise na internet sobre Laminadora PCB com plastificadora.

 

O que é uma Laminadora de PCB:      [Voltar ao Índice]

Uma Laminadora de PCB (ou Laminador), é uma máquina destinada a transferir termicamente o toner impresso em um papel para uma placa de circuito impresso virgem.

Não há uma definição precisa do porquê do nome "Laminadora", mas como a placa percorre dois rolos (sendo um aquecido), há uma semelhança com o processo de laminação de materiais, como descrito na Wikipédia (Processo de Laminação - em inglês).

Neste artigo será abordada a construção de uma Máquina Laminadora de PCB, a partir da sucata de uma impressora laser HP Laserjet 5L.

 

Processo de Transferência Térmica:      [Voltar ao Índice]

O processo de transferência térmica para fabricação de placas de circuito impresso consiste em imprimir um desenho da placa (invertido, ou espelhado) através de uma impressora laser, em um papel especial, posicionar esse desenho sobre a placa virgem e aquecer o conjunto até o derretimento do toner, fazendo com que ele adira sobre a placa.

Esse método é detalhado no artigo: Fabricação de PCB através de Transferência Térmica.

 

Funcionamento de uma Impressora Laser:      [Voltar ao Índice]

Basicamente, uma impressora laser funciona da seguinte maneira:

Impressora Laser

Trajeto do papel em uma impressora laser (©Howstuffworks 2005)

O papel é retirado da bandeja de entrada através de um motor, e encaminhado ao conjunto (cartucho) de toner, conhecido como drum assembly. Esse conjunto é formado por um rolo coberto com material fotossensível, um receptáculo contendo o toner (um pó) e uma série de roletes que encaminham o papel.

O rolo fotossensível do cartucho é iluminado por um laser, em pontos específicos, determinados em função da imagem que deverá ser impressa no papel. Os pontos do rolo que receberam o laser se tornam estaticamente carregados, e atraem as partículas de pó do toner que está no receptáculo do cartucho. Como é formada uma diferença de potencial elétrico entre o rolo e o papel, as partículas de pó são então atraídas para o papel, se desprendendo do rolo fotossensível. Com o movimento do rolo e do papel, o pó do toner permanece sobre o papel somente pela força da gravidade, e seria facilmente arrancado dali se não houvesse a unidade fusora.

A unidade fusora é composta por dois rolos: um deles contém um elemento aquecedor. O papel então, passa no meio dos dois rolos, fazendo com que a pressão e a alta temperatura derreta o toner e o adira à superfície do papel.

O que interessa ao projeto da Máquina Laminadora de PCB é exatamente a unidade fusora, que pode ser melhor detalhada assim:

  • Um dos rolos é apenas um "rolo pressor", normalmente de borracha, que gira controlado por um motor de passo, através de um conjunto de engrenagens.
  • O outro rolo possui internamente um elemento aquecedor, que pode ser uma lâmpada halógena ou um elemento cerâmico.
  • Junto com o elemento aquecedor, normalmente há um sensor de temperatura, tipicamente um NTC, usado para o controle da temperatura da unidade.
  • Em alguns modelos de impressora, há alguns componentes de proteção em série com o elemento aquecedor, como PTC's, por exemplo - que atuam somente em casos extremos de sobretemperatura.
  • Caso a temperatura do rolo que contém o elemento aquecedor exceda os limites, poderá haver danos ao "rolo pressor", como a deformação ou derretimento da borracha.

 

Detalhes da Impressora HP Laserjet 5L:      [Voltar ao Índice]

A impressora Laserjet 5L é uma impressora laser monocromática fabricada pela Hewlett-Packard em meados de 1995.

HP Laserjet 5L

Impressora HP Laserjet 5L

Página de suporte do produto: HP LaserJet 5L Printer series - HP Business Support Center.

Essa impressora possui uma unidade fusora com um elemento aquecedor cerâmico, acoplado termicamente a um NTC, usado como sensor de temperatura.

HP Laserjet 5L

Detalhe da unidade fusora, ainda coberta pela tampa plástica protetora

O "rolo pressor" da unidade fusora é movimentado através de um motor de passo bipolar, por meio de uma série de engrenagens acopladas.

HP Laserjet 5L

Engrenagens acopladas ao "rolo pressor" da unidade fusora (o eixo do "rolo pressor" está pintado de azul)

HP Laserjet 5L

Engrenagens acopladas ao motor de passo bipolar (engrenagem metálica na parte inferior da foto)

 

Diagrama esquemático da fonte de alimentação da impressora (e controle do elemento aquecedor da unidade fusora):

Esquema PSU HP Laserjet 5L/6L

O Service Manual dessa impressora pode ser visualizado através do link HP Laserjet 5L/6L Service Manual (PDF ~ 4,2 MB).

 

Hardware da Máquina Laminadora:      [Voltar ao Índice]

Já com todas as informações sobre a impressora HP Laserjet 5L em mãos, o maior desafio foi aproveitar o máximo possível dos componentes originais dessa impressora para transformá-la na Máquina Laminadora de PCB.

A parte mecânica se resume nos rolos da unidade fusora, motor de passo, engrenagens para acoplar o motor ao "rolo pressor" e a carcaça metálica, usada como chassis da máquina. Todos os outros elementos foram desmontados e removidos do conjunto.

HP Laserjet 5L

Carcaça da HP 5L com a unidade fusora e motor de passo
(o cabo da esquerda é do NTC, e o da direita é do elemento aquecedor do fusor)

HP Laserjet 5L

Detalhe dos rolos da unidade fusora (o vermelho é o "rolo pressor")

HP Laserjet 5L

Montagem das engrenagens do motor ao "rolo pressor" (a alavanca verde original foi removida)

HP Laserjet 5L

Detalhe do motor de passo bipolar (4 fios)

Para a parte eletrônica, um ponto de partida foi a inspiração dada pelo artigo desse site: Laminador de PCI feito com sucata.

No entanto, ao contrário das características descritas nesse artigo, a Laserjet 5L possui um fusor com elemento aquecedor cerâmico, que esquenta e esfria muito rapidamente (diferente da lâmpada halógena), e um motor de passo bipolar, que é mais difícil de controlar do que o unipolar, pois requer uma "Ponte H" como driver.

Desta forma, a solução encontrada foi desenvolver um circuito microcontrolado, aproveitando os circuitos originais do driver do motor e do acionamento do elemento aquecedor. Outra parte que poderia se aproveitar seria a fonte de alimentação, mas como não foi encontrado o datasheet do integrado STR-Z1506 original, optou-se por desenvolver uma fonte chaveada baseada em UC3842, aproveitando-se apenas o transformador, os circuitos de primário e de feedback da fonte original da impressora.

A seguir há uma descrição mais detalhada do hardware da Máquina Laminadora de PCB.

Todos os diagramas esquemáticos aqui ilustrados poderão ser encontrados na seção Downloads do projeto.

Driver do Motor de Passo

O driver do motor de passo da HP 5L foi inteiramente aproveitado (incluindo dissipador, resistores e capacitores), e é baseado no integrado MTD2003, que contém uma "Ponte H" internamente. As quatro entradas de controle (IN1-IN4) são ativadas pelo microcontrolador principal da máquina.

Controle do Fusor

O acionamento do elemento aquecedor do fusor é realizado por meio de um TRIAC (Q2), acionado pelo microcontrolador principal da máquina, através do optoacoplador U3. Neste caso, todos os componentes foram aproveitados da impressora HP 5L, utilizando o mesmo circuito original. Note que esse circuito foi projetado para operar somente com 110VAC (não é bivolt!).

Datasheets:

TRIAC BCR8PM
Optoacoplador S21ME6
Spark Quencher AU1201

Para a fonte de alimentação, foi usado como base um circuito que aplica o integrado UC3842, que é um controlador PWM apropriado para fontes chaveadas. O primário foi modificado para utilizar o mesmo circuito de entrada aproveitado da impressora HP 5L, e as saídas adaptadas, pois devem fornecer +5V e +12V para o funcionamento da Máquina Laminadora.

Fonte com UC3842/44

O circuito da fonte de alimentação da Máquina Laminadora aproveita os seguintes componentes originais da impressora HP 5L: todo o primário, transformador, diodos de saída, capacitores e indutores de filtro, circuito de feedback (optoacoplador e TL431) . O circuito integrado UC3842, o transistor MOSFET, os diodos 1N3613 e os resistores de potência foram reaproveitados de um velho monitor CRT de 14 polegadas que estava sucateado...

Fonte de Alimentação da Laminadora

Datasheets:

Controlador PWM UC3842
Optoacoplador PS2501
MOSFET FS7UM
Ponte Retificadora D2SBA60
Diodo Duplo F10SC4

CPU Principal

A Máquina Laminadora de PCB é controlada por um PIC16F870, que implementa as seguintes funções:

- Controlador do Motor de Passo: através dos pinos RA1...RA3 e RA5. Esses pinos excitam diretamente a entrada do driver MTD2003.
- Termômetro Digital: os pinos RC0...RC6 e RB0...RB2 acionam três displays de 7 segmentos, de maneira multiplexada, para a exibição da temperatura corrente do fusor. Essa medida é realizada através da leitura do sensor NTC, por meio do pino AN0 do conversor A/D do PIC.
- Termostato Digital: além de medir a temperatura do fusor, o PIC controla o acionamento do elemento aquecedor, através do pino RB5, mantendo a temperatura do fusor o mais estável possível.
- Power-Off Seguro: o PIC lê uma chave conectada no pino RB4, que, ao ser acionada, permite o desligamento automático da máquina, através de um procedimento seguro: desliga o elemento aquecedor, acelera o giro do "rolo pressor", aguarda até que a temperatura caia a um nível aceitável (que não derreta a borracha do rolo) e desliga a máquina automaticamente, parando o motor.

Datasheets:

Microcontrolador PIC16F870
Display 7 Segmentos C-551E

 

Placa de Circuito Impresso:      [Voltar ao Índice]

Para elaborar a placa de circuito impresso da Máquina Laminadora de PCB, foi utilizado o software CADSoft Eagle, e para transferir o layout para a placa, foi usado o método detalhado no artigo: Fabricação de PCB através de Transferência Térmica.

Os arquivos de layout da placa poderão ser encontrados na seção Downloads do projeto.

Placa da Laminadora

Placa de circuito da Máquina Laminadora de PCB.

Os conectores do NTC (que não aparece nesta foto) e do elemento aquecedor da unidade fusora foram reaproveitados da Laserjet 5L.

Placa da Laminadora

Detalhe ampliado da fonte de alimentação (até os fusíveis foram reaproveitados da Laserjet 5L).

Placa da Laminadora

Detalhe do driver do motor de passo (o conector também foi reaproveitado da Laserjet 5L).

Montagem da Máquina Laminadora de PCB:      [Voltar ao Índice]

Máquina Laminadora de PCB

Máquina Laminadora de PCB já montada.
O rolo da unidade fusora foi revestido com uma folha adesiva de PVC + silicone, para aumentar a rigidez mecânica.

Máquina Laminadora de PCB

Máquina Laminadora de PCB em funcionamento.
O display exibe a temperatura corrente do fusor, em °C.

 

Firmware da Máquina Laminadora:      [Voltar ao Índice]

O firmware da Laminadora foi implementado em linguagem JALv2 (Just Another Language, version 2), que é uma linguagem muito parecida com Pascal, destinada à programação de microcontroladores Microchip PIC de diversas famílias, incluindo PIC16xx.

Para simplificar o desenvolvimento, foi utilizado o ambiente descrito no artigo: Ambiente de Desenvolvimento para Microchip PIC, com Eclipse, JAL, e GNU/Linux.


A seguir está detalhada a implementação do firmware da Máquina Laminadora de PCB.

A rotina principal do programa da Laminadora realiza um loop infinito, verificando os slots de temporização do Timer0 (cada slot representa uma task).
O Timer0 é configurado para gerar ticks na frequência determinada pela constante timer0_isr_rate, usando a biblioteca timer0_isr_interval da JALLib.
Há 5 tasks nessa implementação:

  • Refresh Display:  acende um dígito do display, com o valor atual contido no buffer display_map[].
  • Thermometer Display: atualiza o buffer display_map[] com a média dos últimos valores medidos pelo termômetro da Máquina. Essa implementação faz com que o valor exibido no display mude "suavemente" (como um filtro antialias).
  • Thermostate: mede a temperatura e armazena o valor em um buffer (para ser exibido no display através da task "Thermometer Display"); verifica a temperatura instantânea do fusor, e liga ou desliga o elemento aquecedor conforme o valor da medição, para manter a temperatura dentro de dois níveis pré-definidos (com uma histerese).
  • Stepper Motor Advance: avança um passo no motor bipolar que gira o "rolo pressor".
  • Start/Stop Switch Check: verifica se o botão "Start/Stop" foi pressionado, e altera o modo de operação da Máquina. Também verifica se a temperatura atingiu um nível aceitável no modo "Power-Off Seguro", se sim, desliga automaticamente a Máquina.

Constantes Pré-definidas:

Temperatura alvo do termostato, em °C:
const byte THERMOSTAT_TEMPERATURE

Histerese da temperatura do termostato, em °C:
const byte THERMOSTAT_HISTERESYS

Temperatura máxima antes de ativar o Power-Off seguro, em °C:
const byte AUTO_POWEROFF_TEMPERATURE

Frequência de operação do motor de passo - operação normal, em Hz:
const word STEPPER_STATE1_FREQ

Frequência de operação do motor de passo - modo "Power-Off Seguro", em Hz:
const word STEPPER_STATE2_FREQ

Modos de Operação:

Started: Modo de operação normal da Máquina: motor girando lento e termostato ligado. Display exibe a temperatura corrente do fusor.

Stopped: Máquina parada: motor e termostato desligados. Display exibe "---".

Stopping: Máquina parando, em modo "Power-Off Seguro": motor girando acelerado e termostato desligado (esfriando). Display exibe a temperatura corrente do fusor. Ao atingir uma temperatura segura (menor do que AUTO_POWEROFF_TEMPERATURE), o modo é alterado para Stopped.

 

As funções de Display da Máquina Laminadora utilizam a biblioteca seven_segment da JALLib.
Basicamente, existe um buffer (variável) chamado display_map[3], que representa cada um dos dígitos do display.
Há 3 rotinas implementadas nesse arquivo:

  • refreshDisplay(): a cada chamada a esta rotina, é aceso um dígito do display, exibindo o conteúdo de uma das posições do buffer display_map[]. Como há a multiplexação das linhas de I/O para os displays de 7 segmentos, é necessário chamar essa rotina periodicamente, dando a ilusão (ótica) de que todos os dígitos estão acesos simultaneamente.
  • setDisplayByte(byte in value): armazena o byte especificado no parâmetro value no buffer display_map[]. O valor é automaticamente convertido para decimal por essa rotina. Esse valor só é exibido no display quando a rotina refreshDisplay() for chamada.
  • setDisplayDash(): armazena hífens ("---") no buffer display_map[], para serem exibidos no display quando a rotina refreshDisplay() for chamada.

 

  • Rotinas de Movimentação do Motor de Passo (laminadorastepper.jal):      [Voltar ao Índice]

Para movimentar o motor de passo bipolar, a Máquina Laminadora utiliza um driver baseado no MTD2003, o que simplifica bastante as rotinas de controle.
Basicamente, existe uma variável chamada stepper_step[4], que contém o mapa de bits para cada um dos passos do motor, em modo de baixo torque (passo completo).
Há 3 rotinas implementadas nesse arquivo:

  • stepperNext(): a cada chamada a esta rotina, é enviada a próxima sequência de bits da variável stepper_step[] ao driver, fazendo com que o motor avance um passo.
  • stepperPrevious(): a cada chamada a esta rotina, é enviada a sequência anterior de bits da variável stepper_step[] ao driver, fazendo com que o motor retroceda um passo.
  • stepperOff(): essa rotina desliga completamente o motor de passo e o driver.

 

As funções do Termômetro da Máquina Laminadora utilizam a biblioteca adc da JALLib.
O NTC do conjunto fusor forma um divisor de tensão com o resistor R4, e a tensão resultante é lida pelo pino AN0 do ADC do PIC.
Para converter o valor lido a partir do ADC (10 bits) para um valor de temperatura em °C, foi utilizada uma tabela look-up, declarada através da constante temp_table[].
Essa tabela contém os valores do ADC dispostos nas posições do vetor, sendo que a primeira posição [0] corresponde à temperatura de 20°C. Cada incremento na posição do vetor aumenta em 2°C o valor da temperatura.
Exemplo: [0] -> 20°C, [1] -> 22°C, [2] -> 24°C ...
Para compor essa tabela, foi utilizado o software Thermistor Resistance / Temperature Table Generator, e calculado cada valor lido do ADC, correspondente à resistência do NTC para cada temperatura.

Há apenas 1 função implementada nesse arquivo:

  • thermoGetTempByte(): a cada chamada a esta função, é retornado o valor instantâneo de temperatura do fusor, medido através do NTC (um valor byte que representa a temperatura em °C).

 

Operação da Máquina Laminadora:      [Voltar ao Índice]

Para ligar a Máquina Laminadora de PCB, devem ser seguidos os procedimentos:

  • Conectar o plugue de alimentação (110V, 60Hz) e ligar a chave geral da Máquina;
  • Pressionar o botão START até que o display exiba a temperatura do fusor e o motor seja acionado;
  • Os rolos então começarão a girar e o fusor a aquecer. Deve-se esperar alguns minutos para que a temperatura externa do rolo do fusor alcance a temperatura interna (que é exibida no display).

Para transferir o desenho para uma placa de circuito impresso:

  • Inserir a placa com o desenho a ser transferido entre os rolos. A Máquina irá movimentar lentamente a placa, passando a mesma através dos rolos.

Para desligar a Máquina Laminadora:

  • Pressionar o botão STOP, até que "---" seja exibido momentaneamente nos displays;
  • O elemento aquecedor do fusor é então desligado e os rolos passam a girar em uma velocidade maior, facilitando o esfriamento do fusor;
  • Aguardar até que a temperatura atinja um nível aceitável, quando a Máquina exibe "---" nos displays e desliga automaticamente o motor;
  • Desligar a chave geral da Máquina e desconectar o plugue de alimentação.

IMPORTANTE: Se essa sequência de desligamento da Máquina não for obedecida, e a chave geral desligada com o fusor ainda quente, poderá ocorrer danos ao "rolo pressor", como o derretimento da borracha.

Máquina Laminadora de PCB em funcionamento

Placa produzida com a Laminadora

Placa produzida com a Máquina Laminadora de PCB (já corroída).

Placa produzida com a Laminadora

Placa produzida com a Máquina Laminadora de PCB (estanhada).

 

Downloads do Projeto:      [Voltar ao Índice]

Aqui podem ser encontrados todos os downloads relativos a versão corrente do projeto da Máquina Laminadora de PCB.

Para salvar ao invés de visualizar os documentos que estão em formato PDF, use o botão direito / "Salvar Link [ou Destino] Como..." e escolha a pasta / diretório onde deseja salvar o arquivo.

Máquina Laminadora de PCB versão 1.0:

ArquivoDescrição
Diagramas Esquemáticos e Layout da PCB (PDF) Diagramas Esquemáticos e Placa de Circuito Impresso (arquivo PDF, ~429KB)
Diagramas Esquemáticos e Layout da PCB (Eagle) Diagramas Esquemáticos e Placa de Circuito Impresso no formato do CADSoft Eagle
(arquivo ZIP, ~109KB)
Firmware (HEX) Firmware da Máquina para PIC16F870 em formato HEX (arquivo ZIP, ~2,75KB)
Firmware (Source) Arquivos fonte do Firmware da Máquina em linguagem JALv2 (arquivo ZIP, ~5,09KB)
Todos arquivos do Projeto Todos os arquivos do Projeto compactados em um único pacote (arquivo ZIP, ~517KB)

 

Update (28/05/2012):

Como há uma diferença entre a temperatura interna da unidade fusora e a temperatura externa medida no rolo fusor, a temperatura apresentada no display sempre será maior do que a temperatura real externa do rolo.
Para minimizar esse efeito e ter uma medida no display mais próxima da temperatura externa, realizei três alterações na Máquina Laminadora de PCB:

  1. O Resistor de referência para o termistor (R4) foi modificado de 18K para 5K6;
  2. Os PTC's de proteção, localizados dentro do rolo da unidade fusora foram eliminados. A conexão do elemento aquecedor foi realizada diretamente para o conector macho correspondente ao J8.
  3. A constante THERMOSTAT_TEMPERATURE no arquivo LaminadoraPCB.jal foi alterada de 195 para 180, e recompilado o programa do firmware.

Desta forma, a temperatura apresentada no display será muito próxima à temperatura real externa do rolo fusor, e não mais à temperatura interna.

O firmware, já com essa alteração, pode ser baixado aqui:
Firmware (Source)
Firmware (Hex) 

 

Referências e Bibliografia:      [Voltar ao Índice]

Martins, Robson. Fabricação de PCB através de Transferência Térmica.
http://www.robsonmartins.com/eletr/transfterm/

Mehl, Ewaldo L.M. Método Simplificado para fazer Circuitos Impressos.
http://www.eletrica.ufpr.br/mehl/pci/poliester.html

Harris, Tom. Como Funcionam as Impressoras a Laser.
http://informatica.hsw.uol.com.br/impressoras-a-laser.htm

Hewlett Packard Co. HP Laserjet 5L/6L Service Manual.
http://www.newgen.net.ph/docs/LaserJet5L-6L.pdf

Sturaro, Luciano. Laminador de PCI feito com sucata.
http://www.py2bbs.qsl.br/laminador.php

CADSoft. CADSoft Eagle Light.
http://www.cadsoftusa.com/download-eagle/freeware/?language=en

U.S.Sensor Corp. Thermistor Resistance/Temperature Table Generator.
http://www.ussensor.com/steinhart-hart.html

Just Another Language v2 (JALv2).
http://www.casadeyork.com/jalv2/

Martins, Robson. Ambiente de Desenvolvimento para Microchip PIC, com Eclipse, JAL, e GNU/Linux.
http://www.robsonmartins.com/inform/linux/pic.php#eclipsejal

Martins, Robson. Microchip PIC USB Programmer - PICkit 2 Clone (PK2C).
http://www.robsonmartins.com/eletr/pk2c/

Martins, Robson. Microchip PIC Serial Programmer (MPSP).
http://www.robsonmartins.com/eletr/mpsp/

Todos os sites foram visitados em 09/06/2012.

 

Robson Martins -  out/2011
robson@robsonmartins.com
http://www.robsonmartins.com

 

Os autores dos projetos não se responsabilizam por danos pessoais ou a equipamentos, provocados por mau uso das informações aqui contidas ou por imperícia dos usuários.

Qualquer projeto que envolva componentes eletrônicos deve ser realizado somente por pessoas capacitadas e conscientes dos riscos de segurança envolvidos e de como preveni-los (como choques elétricos, incêndio, explosões, queimaduras, danos a equipamentos, etc.).

As informações aqui descritas são oferecidas sem nenhuma garantia e nem suporte técnico por parte dos autores e fabricantes citados, e devem ser usadas somente para fins educacionais/didáticos, sem nenhum compromisso com aplicações críticas (suporte de vida, por exemplo).

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