Tarjeta de visita PCB con NFC: 18 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Al llegar al final de mis estudios, recientemente tuve que buscar una pasantía de seis meses en el campo de la ingeniería electrónica. Para impresionar y maximizar mis posibilidades de ser contratado en la compañía de mis sueños, tuve la idea de hacer mi propia tarjeta de presentación. Quería hacer algo único, útil y capaz de demostrar mis habilidades de diseño de circuitos electrónicos a quien se lo entregaré.

Hace tres años, mientras navegaba por Instructables, encontré un proyecto muy interesante realizado por Joep1986, titulado "Tarjeta de presentación digital con NFC". Este proyecto implicó incrustar una etiqueta NFC en una tarjeta de presentación de papel para compartir información de contacto con un teléfono equipado con tecnología NFC. Encontré este proyecto muy inspirador y pensé en reemplazar la etiqueta NFC genérica con un circuito personalizado de mi invención.

Así se me ocurrió la idea de crear mi propia tarjeta de presentación en una placa de circuito impreso, capaz de enviar en un instante mi perfil de LinkedIn en el teléfono inteligente de un reclutador utilizando tecnología NFC.

Este Instructable cubre cada paso que seguí para imaginar, diseñar y crear mi tarjeta de presentación de PCB con NFC, desde los cálculos de los parámetros de la antena hasta la programación del chip NFC a través del diseño de PCB texturizado.

Paso 1: BOM, herramientas y habilidades necesarias

Necesitará:

Herramientas necesarias:

• soldador
• herramienta de reparación de aire caliente
• pasta de soldadura
• flujo de soldadura
• alambre de soldar
• pinzas de punta larga
• pinzas de bloqueo cruzado
• alcohol isopropílico
• un hisopo
• un palillo de dientes
• un teléfono con NFC

Herramientas opcionales (pero útiles):

• Extractor de humo
• Magnífico vaso

Habilidades:

Habilidades de soldadura SMD

Lista de materiales:

Componente	Paquete	Referencia	Cantidad	Proveedor
Chip NFC de 1 kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
LED amarillo	0805	APT2012SYCK / J3-PRV	1	Mouser
Resistencia de 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Condensador de 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
tarjeta de circuito impreso	-	-	1	Elecrow

Paso 2: la tecnología NFC

¿Qué es NFC?

NFC es un acrónimo de Near Field Communication. Es una tecnología de radio de corto alcance que permite la comunicación entre dispositivos que se mantienen muy cerca (<10 cm). Los sistemas NFC se basan en RFID de alta frecuencia (HF) tradicional y funcionan a 13, 56 MHz.

Actualmente, el estándar NFC admite diferentes velocidades de transmisión de datos de hasta 424 kbit / s. El mecanismo principal de comunicación NFC entre dos dispositivos es el mismo que el RFID tradicional de 13, 56 MHz, donde hay un maestro y un esclavo. El maestro se llama emisor o lector / escritor y el esclavo es una etiqueta o una tarjeta.

Como funciona ?

NFC siempre involucra un iniciador y un objetivo: el iniciador (Emisor) genera activamente un campo de RF que puede alimentar un objetivo pasivo (Etiqueta) utilizando inducción electromagnética entre dos antenas de bucle:

Las antenas del emisor y la etiqueta están acopladas a través de un campo electromagnético y este sistema se puede ver mejor como un transformador de núcleo de aire donde el lector actúa como el devanado primario y la etiqueta como el devanado secundario: la corriente alterna que pasa a través del primario. bobina (emisor) induce un campo en el aire, induciendo corriente en la bobina secundaria (etiqueta). La etiqueta puede utilizar la corriente del campo para alimentarse: en este caso, no se requiere batería para acceder a ella, ni en modo lectura ni escritura. El chip de etiqueta NFC extrae toda la energía necesaria para operar del campo magnético generado por el lector a través de su antena de cuadro.

¿Dónde se usa NFC?

NFC es una tecnología en crecimiento con la necesidad de conectar dispositivos electrónicos de forma inalámbrica. NFC se ha integrado ampliamente en los teléfonos inteligentes para interactuar con dispositivos físicos compatibles con NFC y proporcionar nuevos servicios como el pago sin contacto.

Dado que las etiquetas NFC no necesitan integrar una fuente de alimentación porque pueden ser alimentadas por la energía emitida por el lector, pueden adoptar factores de forma muy simples, como etiquetas sin alimentación, pegatinas, tarjetas o incluso anillos.

Realmente me gustó el hecho de que las etiquetas NFC no incorporan celdas de botón contaminantes para funcionar, sino que solo usan la energía del transmisor.

Paso 3: el chip NFC

NFC IC

El chip NFC es el corazón de la tarjeta de presentación.

Mi requerimiento fue:

• un pequeño paquete SMD
• suficiente memoria para un enlace a mi perfil de LinkedIn
• módulo de recolección de energía integrado

Después de comparar varios módulos NFC, opté por el NTAG NT3H1101 IC de NXP. Según su ficha técnica:

"El NTAG I2C es el primer producto de la familia NTAG de NXP que ofrece interfaces sin contacto y de contacto (ver Figura 1). Además de la interfaz pasiva sin contacto compatible con NFC Forum, el IC cuenta con una interfaz de contacto I2C, que puede comunicarse con un microcontrolador si El NTAG I2C se alimenta desde una fuente de alimentación externa. Una SRAM adicional alimentada externamente asignada a la memoria permite una transferencia rápida de datos entre las interfaces RF e I2C y viceversa, sin las limitaciones del ciclo de escritura de la memoria EEPROM. Características del producto NTAG I2C un pin de detección de campo configurable, que proporciona un disparador a un dispositivo externo dependiendo de las actividades en la interfaz de RF. El producto NTAG I2C también puede suministrar energía a dispositivos externos (de baja potencia) (por ejemplo, un microcontrolador) a través del circuito integrado de recolección de energía."

Paso 4: Cálculo de la inductancia de la antena

Para comunicarse y recibir alimentación, una etiqueta NFC debe tener una antena. El procedimiento de diseño de la antena comienza con el modelo equivalente del chip NFC y su antena de cuadro:

dónde:

• Voc es el voltaje de circuito abierto inducido por el campo magnético en la antena de cuadro
• Ra es la resistencia equivalente de la antena de cuadro
• La es la inductancia equivalente de la antena de cuadro
• Rs es la resistencia equivalente en serie del chip NFC
• Cs es la capacitancia de sintonización equivalente en serie del chip NFC

La antena puede describirse mediante un inductor La con una resistencia de pérdida muy pequeña Ra. Cuando un campo magnético es inducido por el emisor en la antena de cuadro, se induce una corriente en él y aparece un voltaje de circuito abierto Voc en sus terminales. El chip NFC puede describirse mediante una resistencia de entrada Rs y un condensador de ajuste integrado Cs.

Las resistencias en serie Ra y Rs se suman para el último modelo equivalente del circuito que consta del circuito integrado NFC y su antena de cuadro:

La resistencia Rs de NFC IC junto con la resistencia de antena Ra y el condensador Cs incorporado forman un circuito resonante RLC con el inductor La de la antena. Se explica más información sobre los circuitos de resonancia RLC en los tutoriales de electrónica en línea.

La frecuencia de resonancia de un circuito RLC en serie viene dada por la fórmula:

dónde:

• f es la frecuencia de resonancia (Hz)
• L es la inductancia equivalente del circuito (H)
• C es la capacitancia equivalente del circuito (F)

El único parámetro desconocido de la ecuación es el valor de la inductancia L. Este está tan aislado para poder ser calculado:

Sabiendo que la frecuencia de operación NFC es 13, 56 MHz y que el capacitor de sintonización NT3H1101 es 50 pF, la inductancia L se calcula:

Para resonar en la frecuencia NFC, la antena de la tarjeta de visita de PCB debe tener una inductancia total de 2, 75 μH.

Paso 5: Definición de la forma de la antena: cálculos geométricos (primer método)

Es posible diseñar una antena de cuadro en una PCB con una inductancia específica y debe respetar las restricciones geométricas. Una antena puede adoptar varias formas: rectangular, cuadrada, redonda, hexagonal o incluso octogonal. A cada forma le corresponde una fórmula específica que da la inductancia equivalente en función del tamaño, el número de vueltas, el ancho de las pistas, el espesor del cobre, y muchos otros parámetros …

Para el diseño de mi tarjeta de presentación, elegí utilizar una antena rectangular cuya geometría es la siguiente:

dónde:

• a0 y b0 son las dimensiones totales de la antena (m)
• aavg y bavg son las dimensiones medias de la antena (m)
• t es el espesor de la pista (m)
• w es el ancho de vía (m)
• g es el espacio entre las pistas (m)
• Nant es el número de vueltas
• d es el diámetro equivalente de la pista (m)

Para esta geometría específica, la inductancia equivalente Lant viene dada por la fórmula:

dónde:

Para facilitar los cálculos, creé una herramienta de cálculo basada en Excel que calcula automáticamente la inductancia equivalente de la antena de acuerdo con los diferentes parámetros geométricos. Este archivo me ahorró mucho tiempo y esfuerzos para encontrar la geometría de antena correcta.

Tenía una inductancia equivalente Lant = 2, 76 μH (lo suficientemente cerca) con los siguientes parámetros:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 mm
• t = 34, 79 µm (1 oz)
• ancho = 0, 3 mm
• g = 0, 3 mm
• Nant = 5

Si es alérgico a las matemáticas y los cálculos, existen otros métodos que se detallan en los siguientes pasos. Aún es importante realizar los cálculos para aprender más sobre los conceptos básicos del diseño de antenas;)

Paso 6: Definición de la forma de la antena: calculadoras en línea (segundo método)

Una alternativa a los largos cálculos soportados en el paso anterior es la existencia de calculadoras de geometría de antena en línea. Estas calculadoras están hechas por particulares o profesionales y están destinadas a simplificar el diseño de antenas. Como es difícil verificar qué cálculos hacen estas calculadoras online, es muy recomendable utilizar calculadoras que muestren referencias y fórmulas utilizadas, o aquellas desarrolladas por empresas especializadas.

STMicroelectronics ofrece una calculadora de este tipo en su aplicación en línea eDesignSuite para ayudar a los clientes a integrar los productos ST en su circuito. La calculadora es válida para cualquier aplicación con tecnología NFC y, por lo tanto, se puede utilizar para el chip NFC de NXP.

Con los valores geométricos calculados previamente, la inductancia resultante calculada por la aplicación eDesignSuite es 2, 88 μH en lugar del valor esperado de 2, 76 μH. Esta diferencia sorprende y cuestiona el resultado obtenido anteriormente. Se desconoce la fórmula utilizada por la aplicación y es imposible realizar la comparación con los cálculos realizados anteriormente.

Entonces, ¿cuál de los dos métodos da un resultado correcto?

Ninguno ! Las calculadoras y fórmulas en línea son herramientas teóricas para la aproximación de un resultado, pero deben completarse con simulaciones con softwares especializados y pruebas reales para obtener el resultado esperado.

Afortunadamente, las soluciones NFC ya simuladas y probadas se han puesto a disposición de los diseñadores de electrónica y son el tema del siguiente paso …

Paso 7: Definición de la forma de la antena: Antenas de código abierto (tercer método)

Para facilitar la implementación de sus circuitos integrados NFC, algunos fabricantes ofrecen soluciones completas para diseñadores de electrónica, como guías de diseño, notas de aplicación e incluso archivos EDA.

Es el caso de NXP, que ofrece para su gama de circuitos integrados NFC NTAG una guía completa que incluye referencias para el diseño de antenas NFC, herramienta de cálculo basada en Excel para antenas rectangulares y redondas, archivos gerber y Eagle para diferentes clases de antenas.

Una clase define los factores de forma y tamaño de una antena. Cuanto más grande es la clase, más pequeña es la antena. Para NFC, NXP recomienda utilizar antenas de “Clase 3”, “Clase 4”, “Clase 5” o “Clase 6”.

Decidí centrarme en las antenas rectangulares de clase 4, cuyo tamaño parecía adecuado para mi tarjeta de presentación, que se ubicarán dentro de una zona definida:

• Rectángulo externo: 50 x 27 mm
• Rectángulo interno: 35 x 13 mm, centrado en el rectángulo externo, con un radio de esquina de 3 mm

Para esta clase, NXP proporciona los archivos Eagle de una antena fabricada por sus ingenieros y ya integrada en algunos de sus productos. La principal ventaja de este diseño es que ya ha sido simulado, corregido y optimizado por completo. Los métodos de prueba, las correcciones y las optimizaciones se presentan en un documento también disponible.

Decidí usar este diseño de código abierto como modelo y crear mi propia versión para implementarlo en una biblioteca dedicada al proyecto.

Paso 8: Creación de Eagle Librairy

Para dibujar el circuito electrónico de la tarjeta de presentación en Eagle, es necesario tener los símbolos y huellas dactilares de los componentes utilizados. Solo faltaban la antena y la etiqueta NFC, así que tuve que crearlas e incluirlas en una biblioteca para el proyecto.

Comencé diseñando la antena copiando la antena rectangular de clase 4 de fuente abierta proporcionada por NXP. Solo cambié la posición de los conectores y los coloqué a lo largo de la antena. Luego, asocié el paquete con el símbolo de una bobina y agregué las etiquetas de nombre y valor:

A continuación, diseñé el chip NFC utilizando los datos proporcionados en su hoja de datos. Nombré, dimensioné y junté los 8 pines de los componentes para formar la huella de 1, 6 * 1, 6 mm del paquete XQFN8. Finalmente, asocié el paquete con el símbolo de la NTAG y agregué las etiquetas de nombre y valor:

Para obtener más información sobre las bibliotecas Eagle y la creación de componentes, Autodesk ofrece tutoriales en su sitio web.

Paso 9: Esquema

La creación del esquema electrónico se realiza en EAGLE PCB.

Después de importar la librería "PCB_BusinessCard.lbr" creada previamente, los diferentes componentes electrónicos se agregan al esquema.

El circuito integrado NFC NT3H1101, el único componente activo del circuito, se conecta a los componentes pasivos utilizando las descripciones de sus pines que se dan en su hoja de datos:

• La antena de cuadro de 2, 75 μH está conectada a los pines LA y LB.
• La salida de recolección de energía VOUT se usa para alimentar el chip NFC y, por lo tanto, está conectada a su pin VCC.
• Un condensador de 220 nF está conectado entre VOUT y VSS para garantizar el funcionamiento durante la comunicación de RF.
• Finalmente, el LED y su resistencia en serie son alimentados por VOUT.

El valor de la resistencia del LED se calcula con la ley de ohmios según los parámetros del LED y la tensión de alimentación:

dónde:

• R es la resistencia (Ω)
• Vcc es voltaje de suministro (V)
• Vled es el voltaje directo del LED (V)
• Iled es la corriente directa del LED (A)

Paso 10: Diseño de PCB: Cara inferior

Para el diseño de mi tarjeta de presentación, quise lograr algo sobrio pero que pueda mostrar lo inventiva que soy en la vida y siempre con una nueva idea en mente. Elegí el diseño de la bombilla incandescente, símbolo de una nueva idea cuya luz puede iluminar las zonas grises de un problema. También me gustó el hecho de que un reclutador pudiera asociar fácilmente mi perfil de LinkedIn que aparece en su teléfono con una nueva buena idea para su empresa.

Comencé diseñando una bombilla de luz radiante en el software de dibujo vectorial Inkscape. El dibujo se exporta en dos archivos BitMap, el primero contiene solo la bombilla y el segundo solo los rayos de luz.

De vuelta a Eagle, utilicé import-bmp ULP para importar las imágenes de BitMap generadas por Inkscape en un dibujo de Eagle. Esta ULP genera un archivo SCRIPT que dibuja pequeños rectángulos de píxeles sucesionales con idéntico color que combinados recrean la imagen.

• El diseño de la bombilla se importa en la capa 22 "bPlace" y aparecerá en la serigrafía del PCB en blanco, encima de la máscara de soldadura negra.
• El dibujo de los rayos de luz se importa en la capa 16 "Inferior" y se considerará como una pista de cobre cubierta por la máscara de soldadura negra.

Usar la capa de cobre para una imagen permite jugar con el grosor de la PCB y así crear efectos de textura y color que normalmente son imposibles en una PCB. Los tableros artísticos se pueden hacer con tales trucos y algunos proyectos de arte de PCB me han inspirado mucho.

Finalmente, dibujé los contornos del circuito y agregué mi lema "Siempre una idea nueva". en la capa 22 "bPlace".

Paso 11: Diseño de PCB: Cara superior

Como la cara superior del tablero no tiene componentes, pude encontrar una manera elegante de marcar mi información de contacto clásica: apellido, nombre, cargo, correo electrónico y número de teléfono.

Una vez más, jugué con las diferentes capas del PCB: comencé definiendo un plano de tierra parcial. Luego, importé un texto que contiene mi información de contacto en la capa 29 "tStop", que controla la máscara de soldadura para la cara superior. La superposición del plano de tierra y el texto en la capa "tStop" hace que las letras aparezcan en el plano de tierra sin la máscara de soldadura, dando al texto un bonito aspecto metálico brillante.

Pero, ¿por qué no poner el plano de tierra en toda la tarjeta de visita?

El diseño de una antena inductiva en una placa de circuito impreso requiere una atención especial, ya que las ondas de radio no pueden atravesar metales y no debe haber planos de cobre por encima o por debajo de la antena.

El siguiente ejemplo muestra una buena implementación, donde la transferencia de energía y la comunicación entre el lector y la etiqueta NFC son adecuadas porque ningún plano de cobre se superpone a la antena.

El siguiente ejemplo muestra una mala implementación, donde el flujo electromagnético no puede fluir a través de la antena. El plano de tierra en un lado de la PCB bloquea la transferencia de energía entre el lector y la antena de etiqueta NFC:

Paso 12: Enrutamiento de PCB

Comencé colocando todos los componentes diferentes en la cara inferior del PCB.

El LED se coloca sobre el filamento de la bombilla y los demás componentes se disponen de la forma más discreta posible en la base de la bombilla.

Los cables que conectan los diferentes componentes pasivos entre sí o con la etiqueta NFC se colocan preferiblemente debajo de las líneas que dibujan la bombilla por razones estéticas.

Finalmente, la antena se coloca en la parte inferior del circuito, alrededor del lema, y se conecta al circuito integrado NFC mediante dos cables delgados.

¡El diseño de PCB ya está listo!

Paso 13: Generación de archivos Gerber

Los archivos Gerber son el archivo estándar utilizado por el software de la industria de placas de circuito impreso para describir las imágenes de PCB: capas de cobre, máscara de soldadura, leyenda, etc.

Ya sea que elija fabricar su PCB en casa o confiar el proceso de fabricación a un profesional, es fundamental generar los archivos Gerber a partir del PCB fabricado previamente en Eagle.

Exportar archivos Gerber desde Eagle es muy simple usando el procesador CAM incorporado: utilicé el archivo CAM para el PCB Seeed Fusion de 2 capas que contiene todas las configuraciones utilizadas por este fabricante y muchos otros. Puede encontrar más información sobre la generación Gerber con este archivo en el sitio web de Seeed.

El procesador CAM genera un archivo.zip "NFC_BusinessCard.zip" que contiene 10 archivos correspondientes a las siguientes capas del PCB de la tarjeta de visita NFC:

Extensión	Capa
NFC_BusinessCard. GBL	Cobre inferior
NFC_BusinessCard. GBO	Serigrafía inferior
NFC_BusinessCard. GBP	Pasta de soldadura inferior
NFC_BusinessCard. GBS	Máscara de soldadura inferior
NFC_BusinessCard. GML	Capa de molino
NFC_BusinessCard. GTL	Cobre superior
NFC_BusinessCard. GTO	Serigrafía superior
NFC_BusinessCard. GTP	Pasta de soldadura superior
NFC_BusinessCard. GTS	Máscara de soldadura superior
NFC_BusinessCard. TXT	Archivo de taladro

Para asegurarme de que la PCB se verá exactamente como quería, cargué los archivos Gerber en el visor Gerber en línea de EasyEDA. Cambié el tema a negro y el acabado de la superficie a plateado para visualizar el diseño final después de la fabricación.

Estaba muy contento con el resultado y decidí continuar con el paso de fabricación …

Paso 14: pedir las placas de circuito impreso

Como quería un acabado de calidad para mis tarjetas de visita, encomendé el proceso de fabricación a un profesional.

Muchos fabricantes de PCB ofrecen ahora precios muy competitivos: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay y muchos otros… Consejo: para comparar precios y servicios ofrecidos por diferentes fabricantes de PCB, recomiendo utilizar el sitio web de PCB Shopper, que me resulta muy útil.

Para la fabricación de mis tarjetas de visita, tomé en cuenta un detalle importante: muchos fabricantes de PCB se permiten marcar el número de pedido en la serigrafía de PCB. Este número, aunque pequeño, es molesto especialmente cuando la PCB necesita ser estética. Por ejemplo, tuve esta mala sorpresa para mis árboles de Navidad de PCB de $ 1, ordenados en SeeedStudio.

Por experiencia, sabía que Elecrow no tenía este mal hábito y por eso decidí confiar la fabricación de mis tarjetas a este fabricante y pedí 10 tarjetas de visita por $ 4.9 con la siguiente configuración:

• Capas: 2 capas
• Dimensiones: 54 * 86 mm
• Diseño de PCB diferente: 1
• Espesor de PCB: 0, 6 mm (el más delgado disponible)
• Color de PCB: negro
• Acabado superficial: HASL
• Agujero almenado: No
• Peso de cobre: 1 oz (según se elija en la fórmula de inductancia de la antena)

Dos semanas después, recibí mis PCB perfectamente hechos y sin ningún número de pedido molesto marcado en la serigrafía. Hasta ahora todo bien, ¡es hora de soldar estas placas!

Paso 15: Soldar el chip NFC

Premio de los jueces en el Concurso de PCB