Kartu Nama PCB Dengan NFC: 18 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Sampai di penghujung studi saya, saya baru-baru ini harus mencari magang enam bulan di bidang teknik elektronik. Untuk membuat kesan dan memaksimalkan peluang saya untuk direkrut di perusahaan impian saya, saya memiliki ide untuk membuat kartu nama saya sendiri. Saya ingin membuat sesuatu yang unik, berguna, dan mampu menunjukkan keterampilan desain sirkuit elektronik saya kepada siapa saya akan menyerahkannya.

Tiga tahun lalu, saat menelusuri Instructables, saya menemukan proyek yang sangat menarik yang dibuat oleh Joep1986, berjudul "Kartu Bisnis Digital Dengan NFC". Proyek ini melibatkan penyematan tag NFC di kartu nama kertas untuk berbagi informasi kontak dengan telepon yang dilengkapi dengan teknologi NFC. Saya menemukan proyek ini sangat menginspirasi dan saya pikir mengganti tag NFC generik dengan sirkuit kustom penemuan saya.

Beginilah cara saya mendapatkan ide untuk membuat kartu nama saya sendiri di papan sirkuit tercetak, yang mampu mengirim profil LinkedIn saya dalam sekejap ke smartphone perekrut menggunakan teknologi NFC.

Instruksi ini mencakup setiap langkah yang saya ikuti untuk membayangkan, merancang, dan membuat kartu nama PCB saya dengan NFC, mulai dari perhitungan parameter antena hingga pemrograman chip NFC melalui desain PCB bertekstur.

Langkah 1: BOM, Alat dan Keterampilan yang Dibutuhkan

Anda akan perlu:

Alat yang diperlukan:

• besi solder
• alat pengerjaan ulang udara panas
• pasta solder
• fluks solder
• Kawat Solder
• pinset hidung panjang
• pinset cross-lock
• alkohol isopropil
• sebuah Q-tip
• tusuk gigi
• ponsel dengan NFC

Alat opsional (tapi berguna):

• Ekstraktor asap
• Kaca yang luar biasa

Keterampilan:

Keterampilan menyolder SMD

Bill of material:

Komponen	Kemasan	Referensi	Kuantitas	pemasok
Chip NFC 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
LED kuning	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 resistor	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kapasitor	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	listrik

Langkah 2: Teknologi NFC

Apa itu NFC?

NFC adalah singkatan dari Near Field Communication. Ini adalah teknologi radio jarak pendek yang memungkinkan komunikasi antar perangkat yang diadakan dalam jarak dekat (<10 cm). Sistem NFC didasarkan pada RFID Frekuensi Tinggi (HF) tradisional, yang beroperasi pada 13, 56 MHz.

Saat ini, standar NFC mendukung kecepatan transmisi data yang berbeda hingga 424 kbit/s. Mekanisme prinsip komunikasi NFC antara dua perangkat sama dengan tradisional 13, 56 MHz RFID, di mana ada master dan slave. Master disebut emitor, atau pembaca/penulis dan slave adalah tag atau kartu.

Bagaimana cara kerjanya ?

NFC selalu melibatkan inisiator dan target: inisiator (Emitter) secara aktif menghasilkan medan RF yang dapat memberi daya pada target pasif (Tag) menggunakan induksi elektromagnetik antara dua antena loop:

Antena emitor dan tag digabungkan melalui medan elektromagnetik dan sistem ini paling baik dilihat sebagai transformator inti udara di mana pembaca bertindak sebagai belitan primer dan tag sebagai belitan sekunder: arus bolak-balik yang melewati primer kumparan (Emitter) menginduksi medan di udara, menginduksi arus di kumparan sekunder (Tag). Tag dapat menggunakan arus dari medan untuk menyalakannya sendiri: dalam hal ini, tidak diperlukan baterai untuk mengaksesnya, baik dalam mode baca maupun tulis. Chip tag NFC menarik semua daya yang diperlukan untuk beroperasi dari medan magnet yang dihasilkan oleh pembaca melalui antena loopnya.

Dimana NFC digunakan?

NFC adalah teknologi yang berkembang dengan kebutuhan untuk menghubungkan perangkat elektronik secara nirkabel. NFC telah terintegrasi secara luas di smartphone untuk berinteraksi dengan perangkat fisik yang kompatibel dengan NFC dan menyediakan layanan baru seperti pembayaran tanpa kontak.

Karena tag NFC tidak perlu mengintegrasikan sumber daya karena dapat ditenagai oleh energi yang dipancarkan oleh pembaca, tag NFC dapat mengambil faktor bentuk yang sangat sederhana seperti tag tanpa daya, stiker, kartu, atau bahkan cincin.

Saya sangat menyukai fakta bahwa tag NFC tidak menyematkan sel tombol pencemar untuk beroperasi tetapi hanya menggunakan energi pemancar saja.

Langkah 3: Chip NFC

IC NFC

Chip NFC adalah jantung dari kartu nama.

Persyaratan saya adalah:

• paket SMD kecil
• memori yang cukup untuk tautan ke profil LinkedIn saya
• modul pemanen energi tertanam

Setelah membandingkan beberapa modul NFC, saya memilih IC NTAG NT3H1101 dari NXP. Menurut datasheetnya:

"NTAG I2C adalah produk pertama dari keluarga NTAG NXP yang menawarkan antarmuka tanpa kontak dan kontak (lihat Gambar 1). Selain antarmuka tanpa kontak yang sesuai dengan Forum NFC pasif, IC ini memiliki antarmuka kontak I2C, yang dapat berkomunikasi dengan mikrokontroler jika NTAG I2C ditenagai dari catu daya eksternal. SRAM bertenaga eksternal tambahan yang dipetakan ke dalam memori memungkinkan transfer data yang cepat antara antarmuka RF dan I2C dan sebaliknya, tanpa batasan siklus tulis memori EEPROM. Fitur produk NTAG I2C pin deteksi medan yang dapat dikonfigurasi, yang menyediakan pemicu ke perangkat eksternal tergantung pada aktivitas di antarmuka RF. Produk NTAG I2C juga dapat memasok daya ke perangkat eksternal (daya rendah) (misalnya mikrokontroler) melalui sirkuit pemanen energi tertanam."

Langkah 4: Menghitung Induktansi Antena

Untuk berkomunikasi dan diberi daya, tag NFC harus memiliki antena. Prosedur desain antena dimulai dengan model chip NFC yang setara dan antena loopnya:

di mana:

• Voc adalah tegangan rangkaian terbuka yang diinduksi oleh medan magnet di antena loop
• Ra adalah resistansi ekivalen dari antena loop
• La adalah induktansi ekivalen dari antena loop
• Rs adalah resistansi ekuivalen serial dari chip NFC
• Cs adalah kapasitansi tuning setara seri dari chip NFC

Antena dapat digambarkan dengan induktor La dengan resistor rugi yang sangat kecil Ra. Ketika medan magnet diinduksi oleh emitor di antena loop, arus diinduksi di dalamnya dan tegangan rangkaian terbuka Voc muncul di terminalnya. Chip NFC dapat dijelaskan oleh resistor input Rs dan kapasitor penyetelan bawaan Cs.

Resistor seri Ra dan Rs dijumlahkan untuk model ekuivalen terakhir dari rangkaian yang terdiri dari sirkuit terpadu NFC dan antena loopnya:

Resistor IC NFC Rs bersama dengan resistor antena Ra dan kapasitor bawaan Cs membentuk rangkaian resonansi RLC dengan induktor La antena. Informasi lebih lanjut tentang sirkuit resonansi RLC dijelaskan dalam tutorial elektronik online.

Frekuensi resonansi rangkaian RLC seri diberikan oleh rumus:

di mana:

• f adalah frekuensi resonansi (Hz)
• L adalah induktansi ekivalen dari rangkaian (H)
• C adalah kapasitansi ekivalen dari rangkaian (F)

Satu-satunya parameter persamaan yang tidak diketahui adalah nilai induktansi L. Yang ini sangat terisolasi untuk dihitung:

Mengetahui bahwa frekuensi operasi NFC adalah 13, 56 MHz dan kapasitor tuning NT3H1101 adalah 50 pF, induktansi L dihitung:

Agar beresonansi pada frekuensi NFC, antena kartu nama PCB harus memiliki induktansi total 2, 75 H.

Langkah 5: Menentukan Bentuk Antena: Perhitungan Geometris (Metode Pertama)

Merancang antena loop pada PCB dengan induktansi tertentu dimungkinkan, dan harus menghormati batasan geometris. Antena dapat mengambil berbagai bentuk: persegi panjang, persegi, bulat, heksagonal atau bahkan segi delapan. Untuk setiap bentuk sesuai dengan formula khusus yang memberikan induktansi setara tergantung pada ukuran, jumlah putaran, lebar trek, ketebalan tembaga, dan banyak parameter lainnya…

Untuk desain kartu nama saya, saya memilih menggunakan antena segi empat yang geometrinya sebagai berikut:

di mana:

• a0 & b0 adalah dimensi keseluruhan antena (m)
• aavg & bavg adalah dimensi rata-rata antena (m)
• t adalah ketebalan lintasan (m)
• w adalah lebar lintasan (m)
• g adalah jarak antara trek (m)
• Nant adalah jumlah putaran
• d adalah diameter ekivalen lintasan (m)

Untuk geometri spesifik ini, induktansi setara Lant diberikan oleh rumus:

di mana:

Untuk mempermudah perhitungan, saya membuat alat kalkulasi berbasis excel yang secara otomatis menghitung induktansi ekivalen antena menurut parameter geometris yang berbeda. File ini menghemat banyak waktu dan upaya saya untuk menemukan geometri antena yang tepat.

Saya memiliki induktansi setara Lant = 2, 76 H (cukup dekat) dengan parameter berikut:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 mm
• t = 34, 79 m (1oz)
• w = 0, 3 mm
• g = 0, 3 mm
• Nan = 5

Jika Anda alergi terhadap matematika dan perhitungan, ada metode lain dan dirinci dalam langkah-langkah berikut. Masih penting untuk melakukan perhitungan untuk mempelajari lebih lanjut tentang dasar-dasar desain antena;)

Langkah 6: Menentukan Bentuk Antena: Kalkulator Online (Metode ke-2)

Alternatif untuk perhitungan panjang yang dialami pada langkah sebelumnya adalah keberadaan kalkulator geometri antena online. Kalkulator ini dibuat oleh individu atau profesional, dan dimaksudkan untuk menyederhanakan desain antena. Karena sulit untuk memverifikasi perhitungan apa yang dilakukan oleh kalkulator online ini, sangat disarankan untuk menggunakan kalkulator yang menunjukkan referensi dan rumus yang digunakan, atau yang dikembangkan oleh perusahaan khusus.

STMicroelectronics menawarkan kalkulator semacam itu dalam aplikasi online eDesignSuite untuk membantu pelanggan mengintegrasikan produk ST ke dalam sirkuit mereka. Kalkulator ini berlaku untuk aplikasi apa pun dengan teknologi NFC, dan karenanya dapat digunakan untuk chip NFC dari NXP.

Dengan nilai geometris yang dihitung sebelumnya, induktansi yang dihasilkan yang dihitung oleh aplikasi eDesignSuite adalah 2, 88 H, bukan nilai yang diharapkan dari 2, 76 H. Perbedaan ini mengejutkan dan mempertanyakan hasil yang diperoleh sebelumnya. Rumus yang digunakan oleh aplikasi tidak diketahui dan tidak mungkin untuk membuat perbandingan dengan perhitungan yang dilakukan sebelumnya.

Jadi, mana dari dua metode yang memberikan hasil yang benar?

Tidak ada ! Kalkulator dan rumus online adalah alat teoretis untuk memperkirakan hasil, tetapi harus dilengkapi dengan simulasi dengan perangkat lunak khusus dan tes nyata untuk mendapatkan hasil yang diharapkan.

Untungnya, solusi NFC yang sudah disimulasikan dan diuji telah tersedia untuk desainer elektronik, dan merupakan subjek dari langkah selanjutnya…

Langkah 7: Menentukan Bentuk Antena: Antena Open Source (Metode ke-3)

Untuk memfasilitasi penerapan IC NFC mereka, beberapa produsen menyediakan solusi lengkap untuk desainer elektronik, seperti panduan desain, catatan aplikasi, dan bahkan file EDA.

Ini adalah kasus NXP, yang menawarkan rangkaian terpadu NFC NTAG panduan lengkap termasuk referensi untuk desain antena NFC, alat kalkulasi berbasis excel untuk antena persegi panjang dan bulat, file gerber dan Eagle untuk kelas antena yang berbeda.

Sebuah kelas mendefinisikan faktor bentuk dan ukuran antena. Semakin besar kelasnya, semakin kecil antenanya. Untuk NFC, NXP merekomendasikan untuk menggunakan antena "Kelas 3", "Kelas 4", "Kelas 5" atau "Kelas 6".

Saya memutuskan untuk fokus pada antena persegi panjang kelas 4, yang ukurannya tampaknya disesuaikan untuk kartu nama saya, yang akan ditempatkan di dalam zona yang ditentukan:

• Persegi panjang eksternal: 50 x 27mm
• Persegi panjang internal: 35 x 13mm, berpusat di persegi panjang eksternal, dengan radius sudut 3mm

Untuk kelas ini, NXP menyediakan file Eagle dari antena yang dibuat oleh para insinyur mereka dan sudah terintegrasi dalam beberapa produk mereka. Keuntungan utama dari desain ini adalah bahwa ia telah disimulasikan, dikoreksi, dan dioptimalkan sepenuhnya. Metode pengujian, koreksi dan optimasi disajikan dalam dokumen juga tersedia.

Saya memutuskan untuk menggunakan desain open source ini sebagai model, dan membuat versi saya sendiri untuk mengimplementasikannya di perpustakaan yang didedikasikan untuk proyek tersebut.

Langkah 8: Membuat Perpustakaan Elang

Untuk menggambar sirkuit elektronik kartu nama pada Eagle, perlu memiliki simbol dan sidik jari dari komponen yang digunakan. Hanya antena dan tag NFC yang hilang, jadi saya harus membuatnya dan memasukkannya ke perpustakaan untuk proyek tersebut.

Saya mulai dengan merancang antena dengan menyalin antena kelas 4 open source persegi panjang yang disediakan oleh NXP. Saya hanya mengubah posisi konektor dan meletakkannya di panjang antena. Kemudian, saya menghubungkan paket dengan simbol koil dan menambahkan label nama dan nilai:

Selanjutnya, saya mendesain chip NFC menggunakan data yang tersedia di lembar datanya. Saya menamai, mengukur, dan menyatukan 8 pin komponen untuk membentuk footprint 1, 6 * 1, 6 mm dari paket XQFN8. Akhirnya, saya menghubungkan paket dengan simbol NTAG dan menambahkan label nama dan nilai:

Untuk informasi lebih lanjut tentang perpustakaan Eagle dan pembuatan komponen, Autodesk menyediakan tutorial di situs webnya.

Langkah 9: Skema

Pembuatan skema elektronik dilakukan pada EAGLE PCB.

Setelah mengimpor perpustakaan "PCB_BusinessCard.lbr" yang dibuat sebelumnya, komponen elektronik yang berbeda ditambahkan ke skema.

Sirkuit terintegrasi NFC NT3H1101, satu-satunya komponen aktif dari sirkuit, terhubung ke komponen pasif menggunakan deskripsi pin yang diberikan dalam lembar datanya:

• Antena loop 2, 75 H terhubung ke pin LA dan LB.
• Output pemanenan energi VOUT digunakan untuk memberi daya pada chip NFC dan oleh karena itu terhubung ke pin VCC-nya.
• Kapasitor 220 nF dihubungkan antara VOUT dan VSS untuk menjamin operasi selama komunikasi RF.
• Akhirnya, LED dan resistor serinya ditenagai oleh VOUT.

Nilai resistansi LED dihitung dengan hukum ohm sesuai dengan parameter LED dan tegangan suplai:

di mana:

• R adalah hambatan (Ω)
• Vcc adalah tegangan suplai (V)
• Vled adalah tegangan maju LED (V)
• Iled adalah arus maju LED (A)

Langkah 10: Desain PCB: Wajah Bawah

Untuk desain kartu nama saya, saya ingin mencapai sesuatu yang sederhana tetapi itu dapat menunjukkan betapa inventifnya saya dalam hidup dan selalu dengan ide baru dalam pikiran. Saya memilih desain bola lampu pijar, simbol ide baru yang cahayanya dapat menerangi area abu-abu dari suatu masalah. Saya juga menyukai fakta bahwa seorang perekrut dapat dengan mudah mengaitkan profil LinkedIn saya yang muncul di ponselnya dengan ide baru yang bagus untuk perusahaannya.

Saya mulai dengan merancang bola lampu yang memancar pada perangkat lunak menggambar vektor Inkscape. Gambar diekspor dalam dua file BitMap, yang pertama hanya berisi bohlam dan yang kedua hanya sinar cahaya.

Kembali ke Eagle, saya menggunakan ULP import-bmp untuk mengimpor gambar BitMap yang dihasilkan oleh Inkscape ke dalam gambar Eagle. ULP ini menghasilkan file SCRIPT yang menggambar persegi panjang kecil dari piksel suksesi dengan warna identik yang digabungkan, membuat ulang gambar.

• Desain bola lampu diimpor pada lapisan ke-22 "bPlace" dan akan muncul di layar sutra PCB berwarna putih, di atas topeng solder hitam.
• Gambar sinar cahaya diimpor pada "Bawah" lapisan ke-16 dan akan dianggap sebagai jalur tembaga yang ditutupi oleh topeng solder hitam.

Menggunakan lapisan tembaga untuk gambar memungkinkan untuk bermain dengan ketebalan PCB dan dengan demikian menciptakan tekstur dan efek warna yang biasanya tidak mungkin pada PCB. Papan artistik dapat dilakukan dengan trik seperti itu dan saya sangat terinspirasi oleh beberapa proyek seni pcb.

Akhirnya, saya menggambar kontur sirkuit dan menambahkan moto saya "Selalu ide baru." pada lapisan ke-22 "bPlace".

Langkah 11: Desain PCB: Wajah Atas

Karena bagian atas papan tidak memiliki komponen, saya bebas menemukan cara elegan untuk menandai informasi kontak klasik saya: nama belakang, nama depan, gelar, email, dan nomor telepon.

Sekali lagi, saya bermain dengan lapisan PCB yang berbeda: Saya mulai dengan mendefinisikan bidang tanah parsial. Kemudian, saya mengimpor teks yang berisi informasi kontak saya pada lapisan ke-29 "tStop", yang mengontrol topeng solder untuk permukaan atas. Superposisi bidang dasar dan teks pada lapisan "tStop" menyebabkan huruf muncul di bidang dasar tanpa topeng solder di atasnya, memberikan teks aspek logam mengkilap yang bagus.

Tapi mengapa tidak meletakkan ground plane di seluruh kartu nama?

Tata letak antena induktif pada PCB memerlukan perhatian khusus karena gelombang radio tidak dapat menembus logam, dan tidak boleh ada bidang tembaga di atas atau di bawah antena.

Contoh berikut menunjukkan implementasi yang baik, di mana transfer energi dan komunikasi antara pembaca dan tag NFC cocok karena tidak ada bidang tembaga yang tumpang tindih dengan antena.

Contoh berikut menunjukkan implementasi yang buruk, di mana fluks elektromagnetik tidak dapat mengalir melalui antena. Bidang tanah di satu sisi PCB memblokir transfer energi antara pembaca dan antena tag NFC:

Langkah 12: Perutean PCB

Saya mulai dengan menempatkan semua komponen yang berbeda di permukaan bawah PCB.

LED ditempatkan pada filamen bola lampu, dan komponen lainnya diatur dengan cara yang paling bijaksana di dasar bola lampu.

Kabel yang menghubungkan komponen pasif yang berbeda satu sama lain atau ke tag NFC lebih disukai ditempatkan di bawah garis yang menggambar bohlam untuk alasan estetika.

Terakhir, antena ditempatkan di bagian bawah sirkuit, di sekitar moto, dan dihubungkan ke sirkuit terintegrasi NFC oleh dua kabel tipis.

Desain PCB sekarang sudah selesai!

Langkah 13: Menghasilkan File Gerber

File Gerber adalah file standar yang digunakan oleh perangkat lunak industri papan sirkuit tercetak untuk menggambarkan gambar PCB: lapisan tembaga, topeng solder, legenda, dll…

Apakah Anda memilih untuk membuat PCB di rumah atau mempercayakan proses pembuatannya kepada seorang profesional, sangatlah penting untuk membuat file Gerber dari PCB yang sebelumnya dibuat di Eagle.

Mengekspor file Gerber dari Eagle sangat sederhana menggunakan prosesor CAM bawaan: Saya menggunakan file CAM untuk Seeed Fusion 2-layer PCB yang berisi semua pengaturan yang digunakan oleh pabrikan ini dan banyak lainnya. Informasi lebih lanjut tentang generasi Gerber dengan file ini dapat ditemukan di situs web Seeed.

Prosesor CAM menghasilkan file.zip "NFC_BusinessCard.zip" yang berisi 10 file yang sesuai dengan lapisan PCB Kartu Bisnis NFC berikut:

Perpanjangan	Lapisan
NFC_BusinessCard. GBL	Tembaga Bawah
NFC_BusinessCard. GBO	Layar Sutra Bawah
NFC_BusinessCard. GBP	Pasta Solder Bawah
NFC_BusinessCard. GBS	Topeng Solder Bawah
NFC_BusinessCard. GML	Lapisan Pabrik
NFC_BusinessCard. GTL	Tembaga Atas
NFC_BusinessCard. GTO	Layar Sutra Atas
NFC_BusinessCard. GTP	Pasta Solder Atas
NFC_BusinessCard. GTS	Topeng Solder Atas
NFC_BusinessCard. TXT	File Bor

Untuk memastikan bahwa PCB akan terlihat persis seperti yang saya inginkan, saya mengunggah file Gerber di penampil Gerber online EasyEDA. Saya mengubah tema menjadi hitam dan permukaan akhir menjadi perak untuk memvisualisasikan desain akhir setelah fabrikasi.

Saya sangat senang dengan hasilnya dan memutuskan untuk melanjutkan langkah pembuatan…

Langkah 14: Memesan PCB

Karena saya menginginkan hasil akhir yang berkualitas untuk kartu nama saya, saya mempercayakan proses pembuatannya kepada seorang profesional.

Banyak produsen PCB sekarang menawarkan harga yang sangat kompetitif: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay, dan banyak lainnya… Tip: Untuk membandingkan harga dan layanan yang ditawarkan oleh produsen PCB yang berbeda, saya menyarankan untuk menggunakan situs web PCB Shopper yang menurut saya sangat berguna.

Untuk pembuatan kartu nama saya, saya memperhitungkan detail penting: banyak produsen PCB membiarkan diri mereka menandai nomor pesanan pada sablon PCB. Angka ini, meskipun kecil, mengganggu terutama ketika PCB perlu estetis. Misalnya, saya mendapat kejutan buruk untuk Pohon Natal PCB $1 saya, yang dipesan di SeeedStudio.

Dari pengalaman, saya tahu bahwa Elecrow tidak memiliki kebiasaan buruk ini, jadi saya memutuskan untuk mempercayakan pembuatan kartu saya ke pabrikan ini dan saya memesan 10 kartu nama seharga $ 4,9 dengan pengaturan berikut:

• Lapisan: 2 lapisan
• Dimensi: 54*86 mm
• Desain PCB yang berbeda: 1
• Ketebalan PCB: 0, 6 mm (tertipis yang tersedia)
• Warna PCB: Hitam
• Permukaan Selesai: HASL
• Lubang Castellated: Tidak
• Berat Tembaga: 1oz (seperti yang dipilih dalam rumus induktansi antena)

Dua minggu kemudian, saya menerima PCB saya yang dibuat dengan sempurna dan tanpa nomor pesanan yang mengganggu yang tertera di layar sutra. Sejauh ini bagus, saatnya menyolder papan ini!

Langkah 15: Menyolder Chip NFC

Hadiah Juri dalam Kontes PCB