Las reglas no escritas del dibujo electrónico y del diseño de circuitos impresos

2. Normas inéditas para el dibujo de planos electrónicos
3. Normas inéditas para el diseño de circuitos impresos
4. ¿Cómo obtener las dimensiones físicas de los dispositivos?
5. Algunas indicaciones de medidas físicas típicas
6. Consideraciones finales
7. Procedimiento guía para hacer una búsqueda en el ECG
8. Taller práctico de dibujo electrónico y de diseño de circuitos impresos
9. Consulta de bibliografía

"Si lo imagina, es posible;

si es posible, puede hacerse"

INTRODUCCIÓN

En el mercado existen muchos paquetes de propósito específico para el dibujo de circuitos electrónicos y el diseño de circuitos impresos (OrCAD, Tango, Eagle, SmArtwork, Circuit Maker, entre otros) pero en ningún documento de fabricante se dan normas como las que aquí se presentan (y que obedecen a una experiencia personal de varios años en el proceso de diseño y producción de equipos electrónicos con la empresa Bohr Ingeniería Ltda.).

Todos los programas se limitan a enseñar los comandos de operación y no trabajan sobre consideraciones y reglas de dibujo o diseño de tipo práctico; ése es el propósito del presente artículo. Estas son normas universales y son independientes del software utilizado ya que la diferencia entre un paquete y otro radica en los comandos utilizados, o en las instrucciones, en la facilidad de uso, en la amigabilidad y, sobre todo, en las capacidades y utilidades que ofrecen unos y otros.

Por ejemplo: una aplicación puede ofrecer la posibilidad de una línea entre pad y pad de un circuito integrado mientras que otro puede ofrecer dos o tres líneas; un programa puede ofrecer sólo el diseño sobre dos caras o capas mientras que otro puede ofrecer tres o más capas, y así sucesivamente.

Ahora bien, es importante resaltar que aunque, hoy en día, tenemos la fortuna de contar con herramientas informáticas tipo CAD para el dibujo y el diseño, anteriormente había que abordar estos procesos con otras herramientas que muchos todavía utilizan.

Por ejemplo, el dibujo se hacía por los métodos tradicionales de los dibujantes y diseñadores: con lápiz o rapidógrafo y a mano alzada y regla o con díngrafo y escala, regla o escuadra. Los circuitos impresos se hacían con dibujos hecho a mano o con herramientas de dibujo o con cinta adhesiva Bishop, especial para circuitos impresos, y luego se procedía a entregar el arte al fabricante de impresos o uno mismo podía realizar el impreso utilizando las tarjetas con revestimiento de cobre y soluciones químicas. Posteriormente apareció el AUTOCAD, el cual también permite hacer dibujos esquemáticos y diseños de impresos pero de una manera menos eficiente por tratarse de un programa no concebido para esta aplicación.

La desventaja de los métodos manuales de fabricación de impresos radica en que la presentación no es tan profesional y es más traumático el montaje por carecer de guías de ensamblaje y porque las perforaciones de los pads u orificios hay que hacerlas con taladro, manualmente, y, además, no se tiene la posibilidad de agujeros metalizados cuando se va a trabajar con dos o más capas.

1. NORMAS INÉDITAS PARA EL DIBUJO DE PLANOS ELECTRÓNICOS

1. Por razones de estética, distribución de espacio y facilidad para interconectar los dispositivos, se recomienda trazar sólo líneas horizontales y verticales.
2. Evitar, hasta donde sea posible, hacer líneas oblicuas.
3. En el caso de que en diferentes partes de un plano haya que hacer líneas oblicuas, todas deben tener el mismo ángulo de inclinación.

   

4. Si en los cruces de 2 líneas hay contacto eléctrico (nodo) se debe colocar un punto indicándolo, así:

   

5. Si en el cruce no hay contacto eléctrico se debe dibujar así:

   

6. Cuando haya demasiados puntos comunes a la tierra del circuito se debe evitar el uso de muchas líneas de conexión, utilizando en su lugar el símbolo de tierra para cada línea, así:
7. Hasta donde sea posible, aunque no es estrictamente necesario, es deseable que haya cierta correspondencia espacial en la ubicación de los elementos en el plano respecto al dibujo pictórico o al dispositivo físico real.

   

8. No olvidar la convención de los símbolos literales para componentes de circuitos, así:

   R1, R2, R3, C1, C2, C3, L1, L2,Q1,Q2,….

9. Cuando en un plano hay dos o más componentes del mismo tipo se debe utilizar índices ó subíndices así:

   

10. Si el plano no es muy complejo se pueden colocar los símbolos literales, sus subíndices y sus valores al pie del respectivo símbolo normalizado del elemento. Ejemplo:
11. Si el plano es muy complejo, es preferible hacer una tabla o cuadro aparte con los valores de los componentes.

    

12. En los diagramas de bloques, las líneas con sus flechas deben ubicarse en la mitad de los costados de los rectángulos así:

    Ejemplo:

13. En los diagramas de bloques sólo se escribe la función o el tipo de bloque funcional del circuito eléctrico de donde proviene; no se dibujan allí los símbolos de los componentes, a menos que sean relevantes por sí mismos.
14. En las conexiones en T es preferible poner el punto o nodo de conexión. Ejemplo:

2. NORMAS INÉDITAS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS

1. Hacer un diseño previo en papel milimetrado, a escala natural (1:1) antes de sentarse a trabajar con el programa de computador. Este procedimiento, a la larga, ahorra tiempo, minimiza errores y permite optimizar el diseño desde el principio.
2. Por lo regular, en los dispositivos portátiles (alimentados con pilas) habrá más restricciones de espacio en el diseño, por ello debe buscarse hacer un impreso lo más pequeño posible, y utilizar, de ser necesario, más de una cara ó capa.
3. En dispositivos con restricciones de espacio y con alta densidad de líneas y/o gran complejidad del circuito, se debe utilizar doble faz y "thru-hole" (hueco ó agujero pasante metalizado). Si el orificio no es metalizado, ello obligaría a utilizar "puentes" con alambre , lo cual dificultaría el montaje y sería una causa potencial de errores en el funcionamiento.
4. Aunque en algunos casos el espacio no sea una restricción hay que optimizar el tamaño del impreso ya que las tarjetas las cobran con base en el área, es decir por cm2.
5. En los dispositivos portátiles deben hacerse diseños "ergonómicos", es decir, los dispositivos deben ubicarse de tal manera que permitan una buena operación o funcionalidad por parte del usuario y, posteriormente, no causen traumas al proceso de mantenimiento.

2.6 Hasta donde sea posible, aunque no es estrictamente necesario, es deseable

que haya cierta correspondencia espacial en la ubicación de los elementos en el plano respecto al dibujo pictórico o al dispositivo físico real. Indiscutiblemente, esto facilita el montaje, el mantenimiento y la estética. Por esta misma razón no es conveniente utilizar la utilidad de la AUTORRUTA que ofrecen algunos programas ya que ella no garantiza un control ni sobre la estética ni sobre la correspondencia espacial. En la práctica, no es recomendable en absoluto.

7. La ubicación de los elementos debe hacerse teniendo en cuenta, además de la ergonomía, lo siguiente:

1. Si todos los dispositivos van en el impreso y de allí van directamente enclavados al chassís.
2. Si algunos van en el impreso y otros en el chassís y estos últimos se conectan al impreso mediante conectores y/o cables.

7. Hay que buscar que el diseño lleve cierta "estética", buscando que haya una buena ubicación y elegancia en el trazado de las líneas. Aquí también son válidas las normas dadas en 1.1, 1.2 y 1.3 para el dibujo de planos esquemáticos.
8. Los tres tipos de líneas de un circuito deben tener en cuenta la siguiente convención en el impreso:

1. línea delgada
2. Línea de interconexión de dispositivos o conducción de señales o datos: Línea más gruesa
3. Línea de alimentación de voltaje Vcc:
4. Línea de tierra:

Línea mucho más gruesa

7. 

8. Para evitar interferencias electromagnéticas por inducción de ruidos en el circuito y para "apantallarlo" frente a señales espúreas (aleatorias) de ruido de radio frecuencia (RF), se debe rellenar todo espacio disponible con líneas o trazos de tierra. Ejemplo:

   

9. Si lo prefiere, por estética, trate de hacer enmallados más "rellenos" (sombreados) en la tierra del impreso, así:
10. Para circuitos de aplicaciones en RF tratar, de ser posible y si el programa lo permite, redondear las esquinas de los trazos evitando así vórtices de oscilación. Además se debe procurar no levantar la capa de cobre accidentalmente cuando se está manipulando la tarjeta al rozar el extremo agudo de un trazo.
11. En aplicaciones de telecomunicaciones con señales de muy alta frecuencia (UHF o microondas) es necesario tener en cuenta la aparición de parámetros distribuídos (que se estudian en la teoría de las líneas de transmisión). Esto significa que con una línea conductora de cobre se puede simular un condensador o una bobina, teniendo en cuenta las dimensiones de la línea, la separación entre líneas, el grosor de la tarjeta, la permitividad relativa del material dieléctrico, etc. Algunos de los materiales que se utilizan son: baquelita, Arseniuro de galio (GaAs), Alúmina, Quarzo, fibra de vidrio de teflón, fibra de vidrio epoxy, cerámica, entre otros. Usualmente este tipo de tarjetas llevan una cara completa de cobre y los componentes van montados superficialmente sobre la otra. Este tipo de tarjetas se conocen como LINEAS DE TRANSMISION POR MICROCINTA y la técnica de diseño puede estudiarse en los manuales de transistores y amplificadores de UHF o microondas, como el de MOTOROLA, por ejemplo.

2.14 Una excelente estrategia para evitar los problemas de funcionamiento de los

circuitos integrados en las tarjetas electrónicas, ocasionados por la inducción de ruidos de RF (a través de la línea de alimentación o por el aire), es la utilización de filtros a la entrada de alimentación (Vcc) del chip. Una manera práctica y eficiente de hacerlo es poniendo condensadores de tántalo (o tantalio) de 0.1 microfaradios lo más cerca posible del pin o patilla de Vcc del Circuito Integrado. No olvide que los condensadores de tántalo son electrolíticos y por consiguiente debe tenerse en cuenta la polaridad.

15. Sobre el tipo de material a utilizar como dieléctrico, el valor de la constante de permitividad relativa no influye sobre el funcionamiento del circuito siempre y cuando se opere en bajas frecuencias. En altas frecuencias, es necesario hacer consideraciones de microcinta como se planteó en 2.13. En Colombia, los materiales más utilizados, comúnmente, son la fibra de vidrio y la baquelita, siendo más económica esta última pero la primera ofrece una mejor presentación estética.
16. Siempre se deben tener muy en cuenta las dimensiones físicas, reales de los dispositivos.

1. Las de los pines de conexión al impreso para la separación entre los huecos u orificios donde van los pads.
2. La del encapsulado del dispositivo para que no se "monte", choque o impida la ubicación de otro dispositivo.
3. Los dispositivos que generen calor en su funcionamiento también deben ser considerados en la parte de diseño previo, para no alterar el normal funcionamiento de los elementos alrededor.

¿CÓMO OBTENER LAS DIMENSIONES FISICAS DE LOS DISPOSITIVOS?

• Midiendo el dispositivo físico real con una regla, una escala o una escuadra.
• Poniendo el dispositivo sobre un board. Si no dispone de un board, puede utilizar un conector para impresos ya que la separación entre orificios coincide con la del board.
• Poniendo el dispositivo sobre papel milimetrado.
• Consultando en los manuales de componentes originales, o en los de reemplazo (ej: E.C.G.)
• No olvidar que las dimensiones en los manuales internacionales algunas veces aparecen con el sistema inglés de pulgadas y en fracciones (1/8, ¼, 1/16, etc.). Cuando las dimensiones están en pulgadas es conveniente convertirlas a centímetros y milímetros. Lo usual es expresarlas en milímetros.
• También se debe tener en cuenta si el dispositivo lleva disipadores de calor ya que estos ocupan más espacio.

Ejemplo:

• En ocasiones es ideal que los componentes que requieren disipación de calor (diodos, reguladores) vayan con el disipador directamente sobre el chassís del equipo y así se libera espacio en el impreso y se evitan los problemas asociados a la disipación calórica. En este caso, la conexión del dispositivo al impreso se hace vía cable y conectores (aéreos o en la tarjeta).

15. 

    ALGUNAS INDICACIONES DE MEDIDAS FÍSICAS TIPICAS

    Chip angosto	7.5 mm o 6 espacios de ancho
    Chip ancho	15 mm o 12 espacios de ancho
    Conectador grande	3 espacios entre pad y pad
    Conectador estándar	2 espacios entre los pads
    Diodo 3 Amperios	15 mm = 12 espacios
    Diodo 1 amperio	10 mm ú 8 espacios
    Resistor ¼ watt	1 cm = 8 espacios
    Resistor 1 W	15 mm = 12 espacios
    Condensador 3300 a 25 V	7 espacios ~= 9 mm
    Capacitor tantalio	2 espacios = 2.5 mm
    Nota: 2 espacios de cursor en smART	Work = 2.54 mm = 1 espacio del board

16. La altura de los dispositivos debe ir en concordancia con la altura máxima de la caja o el chasis donde va el impreso. A veces es necesario doblar el dispositivo y "acostarlo" lo cual afecta el espacio disponible para ubicar otros elementos como se muestra a continuación con un capacitor electrolítico.
17. Los cables deben ir con amarradores, hay que evitar las "selvas" y las "marañas" lo cual denota desorden, falta de profesionalismo y causa errores frecuentes, afectando la presentación y la calidad y generando grandes dolores de cabeza a la hora de hacer un mantenimiento.
18. Dispositivos muy pesados como los transformadores de alimentación, por lo regular, no se deben ubicar en el impreso, pero sí en el chasís, a menos que sea absolutamente necesario. En su lugar se prefiere el uso de conectores para establecer la concexión entre el transformador y el impreso.
19. En los equipos en donde el chasis actúa como tierra, debe procurarse buscar bastantes puntos de conexión del impreso al chasís, especialmente en equipos de Telecomunicaciones. Para ello se deben aprovechar, eventualmente, los tornillos de sujeción del impreso.
20. En circuitos de RF que requieran apantallamiento o blindaje contra el ruido electromagnético y cuyo chassís sea plástico se recomienda revestir el interior de la caja plástica (conocida en inglés como enclosrure) con papel aluminio.

2.21 No olvidar dejar los espacios para ubicar los tornillos de sujeción del impreso y medir el diámetro de éstos.

2.22 En equipos con dos o más tarjetas, hay que tener en cuenta:

1. Si se van a interconectar entre sí por medio de Racks o por medio de cables con conectores, si las tarjetas están ubicadas en sitios diferentes.
2. Si una tarjeta va sobre la otra hay que prever la altura de separación de acuerdo con los dispositivos y el chasís.

23. Para proteger las tarjetas de circuitos impresos contra la corrosión del medio ambiente, la cual causa oxidación y aislamiento eléctrico en las pistas de cobre, se debe proteger la tarjeta bañandola con una capa de antisoldering. Esta sustancia, además, facilita la aplicación de los puntos de soldadura en los componentes y le da una apariencia muy profesional al circuito con un color típico, verde o azul.

3. CONSIDERACIONES FINALES

3.1 La mayoría de los programas ofrecen, como mínimo, las siguientes posibilidades de impresión de capas:

• La capa de soldadura, que es la usual, especialmente cuando se trabaja con una sola cara (solder side)
• La capa de los componentes, cuando se trabaja con dos caras (component side)
• La capa del screen (silk screen) cuando se utiliza como guía de componentes para identificar el tipo de componente y su denominación o valor. Va por el lado de los componentes
• La capa de máscara de puntos de pads sobre el lado de la soldadura (solder-side mask). Se utiliza para el baño de antisoldering, permitiendo que sólo los puntos de conexión de los componentes a la tarjeta queden libres para la aplicación de la soldadura. Así mismo, para permitir el proceso de taladrar los orificios mediante máquinas de control numérico.
• La capa de máscara de puntos de pads sobre el lado de los componentes (component-side mask). Tiene el mismo propósito de la anterior.

3.2 Desde el punto de vista de impresiones de prueba y arte final, un programa

debe permitir la impresión de chequeo de prueba a tamaño natural (1:1) y a doble tamaño (2:1) y el arte final a doble tamaño.

3.3 La manera como se entrega el arte final para la fabricación del circuito impreso

dependerá de los requerimientos que tenga cada fabricante de circuitos impresos. Anteriormente se entregaba el arte impreso en impresora o en ploter a escala 1:1 y a escala 2:1. Ahora, lo usual es entregarlo en diskette o por e-mail y el fabricante se encarga del resto del proceso: imprimir o plotear (esto es lo más indicado), elaborar los negativos en las escalas necesarias y de acuerdo con la demanda del cliente: para impreso de una sola faz, de dos o más caras con o sin thru hold (orificio o agujero pasante metalizado), microcinta, con máscara de pads o agujeros para aplicación de antisoldering y para guía de perforaciones con máquina de control numérico, con silk screen para guía del montaje de componentes, etc.

4. PROCEDIMIENTO GUÍA PARA HACER UNA BÚSQUEDA EN EL ECG

NOTA: El ECG es la guía de reemplazos de componentes electrónicos de los principales fabricantes en el ámbito mundial; lo ideal es conseguir el elemento del fabricante original, por ejemplo: National Semiconductor, Texas Instruments, Motorola, etc. Hay que buscar un manual lo más actualizado posible para evitar la sorpresa de que un dispositivo ya ha sido descontinuado por el fabricante.

En todo caso, la Guía de Reemplazos jamás podrá sustituir al manual del fabricante original pero constituye una buena ayuda, especificamente en lo referente a dimensiones numéricas exactas.

1. Tomar la referencia original del elemento que se va a buscar.
2. Buscar la referencia respectiva en la guía de reemplazos, Ejemplo: ECG 5710. Las referencias se encuentran al final del manual en el siguiente orden:

1. Numéricas y literales. Ejemplo: 2N 2222.
2. Sólo numéricas. Ejemplo: 46 - 132206 - 6.
3. Literales y numéricos. Ejemplo: LM 317.

1. Buscar la referencia de reemplazo en el índice de productos, al principio del manual. Allí aparece la referencia, el número de página, el número de figura y una corta descripción.

4.4 Buscar la referencia en la página correspondiente. El ECG está dividido en los siguientes bloques:

2. Dispositivos semiconductores discretos.

• Diodos.
• Transistores.
• Tiristores.
• Dispositivos ópticos, etc.

1. Circuitos modulares y circuitos integrados (IC’s) lineales.
2. Circuitos integrados digitales, los cuales a su vez tienen las siguientes familias o tecnologías:

i.) CMOS * iii) RTL.

ii.) HLL iv) TTL *

* Tecnologías con las que más se trabaja actualmente.

5. Una vez encontrada la referencia correspondiente, allí se tendrá la

información básica (datos de especificaciones típicas o críticas) a excepción de los IC’s lineales y digitales, que sólo tendrán, por lo general, el diagrama de conexiones (distribución de pines). Los semiconductores discretos disponen de mayor información para los diferentes parámetros.

• Muy importante: el empaquetamiento externo (Package) se define mediante su encapsulado (case) y un número de figura. Algunos ejemplos de tipos de encapsulado pueden verse más adelante en 4.6

4.6 Una referencia ECG puede corresponder a varias referencias originales.

De igual manera, un mismo encapsulado puede ser común a varios dispositivos. Puesto que los transistores, los Triacs, SCR y los reguladores vienen en una amplia variedad de encapsulados, éstos se pueden encontrar en los Package Outlines (esquemas de encapsulado) del ECG. A continuación se muestran algunos ejemplos de símbolos y de encapsulados comunes:

5. TALLER PRACTICO DE DIBUJO ELECTRÓNICO Y DE DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS

Como entrenamiento en lo planteado en los temas anteriores, y con el propósito de desarrollar competencias en el dibujo electrónico y en el diseño de circuitos impresos, se proponen los siguientes ejercicios:

5.1 Dado el plano esquemático de un circuito electrónico, por ejemplo una fuente regulada de voltaje o un secuenciador de luces o el que usted quiera, diseñar el circuito impreso correspondiente.

5.2 Dada una tarjeta electrónica real:

- Levantar el plano del circuito impreso.

- Levantar el plano del circuito electrónico.

- Levantar el diagrama de montaje.

Si tiene dudas con los componentes electrónicos, es conveniente consultar los símbolos y modalidades de encapsulado y los terminales o pines de conexión de dispositivos semiconductores típicos como se vio en los ejemplos del numeral 4.6. Esto lo puede hacer en los manuales de componentes o en los libros de Electrónica típicos. Pero las dimensiones tendrán que consultarse necesariamente en los manuales siempre que no se tenga a disposición el dispositivo físico real.

5.3 Buscar los tipos de encapsulados para los siguientes dispositivos en un manual de componentes.

- Transistores Bipolares N P N – P N P

- Transistores FET – MosFET.

- Reguladores de voltaje de tres terminales de encapsulado metálico (con disipador de calor por tratarse de reguladores de potencia) y los de encapsulado plástico de baja potencia .

- SCR – Rectificadores controlados de silicio.

- IC’s

Observe cuidadosamente la asignación de pines en los reguladores porque no siempre coincidirá el mismo pin (de tierra, entrada o salida) para todos. Por ejemplo, en los reguladores (que son dispositivos de tres terminales) de encapsulado TO-220 como el LM 7815 y el LM 7805, el pin del medio es tierra; en el LM 7915 y el LM 337 el pin del medio es la entrada y en el LM 317 el pin del medio es la salida. Esto es muy importante tenerlo en cuenta a la hora del diseño para no cometer errores.

5.4 Tenga muy presente las diferencias en dimensiones entre los diferentes dispositivos. Por ejemplo: entre resistencias de ¼, ½ y 1 vatio, entre condensadores cerámicos y condensadores electrolíticos, y así sucesivamente.

REGLAS GENERALES PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS PARA EFECTOS DE SU FABRICACION A NIVEL INDUSTRIAL (CORTESIA DE MICROCIRCUITOS LTDA. COLOMBIA) Use el máximo grosor y espacio posible entre líneas. Use la perforación adecuada según el terminal del componente, ésta deberá ser mínimo 0.006" y máximo .0.020" mas grande que el grosor del terminal. La dona (o pad) de cobre deberá ser como mínimo 0.02" mayor que el diámetro del agujero. Programe la menor cantidad posible de diámetros de agujeros. Tenga muy en cuenta la localización de los componentes, de tal forma que no se generen interferencias mecánicas, ej: conectores, puntos de prueba, etc. Defina muy bien su arte de componentes; mínimo grosor de línea del carácter 0.020" y altura de 1/32 " El solder mask deberá ser por lo menos 0.015" más grande que la dona de cobre. Supla una buena información de corte, perforación y tipo de conector. Recuerde dejar un espacio para la identificación del circuito, logo de la empresa, revisiones, etc. 10- Recuerde que es más conveniente tener el arte final a doble escala impreso en papel adecuado.

AGRADECIMIENTOS:

El autor expresa sus agradecimientos a los ingenieros electrónicos Luis Fernando Morales, asesor del programa de Tecnología en Mantenimiento de Equipo Biomédico, y Mauricio Giraldo, docente de los programas de Telecomunicaciones y de Electrónica, del Instituto Tecnológico Metropolitano por sus aportes para el desarrollo de este material.

CONSULTA DE BIBLIOGRAFÍA

Para las reglas del dibujo de diagramas electrónicos y, sobre todo, del diseño de circuitos impresos, prácticamente no hay literatura y la que hay es muy poco abundante o muy poco explícita y por lo regular no obedece a la experiencia práctica.

Para los comandos o instrucciones de dibujo de esquemáticos o de diseño de impresos hay que remitirse a los programas originales o a las versiones libres, que se pueden bajar de Internet, de los diferentes fabricantes: Eagle, SmArtwork, Tango, OrCAD, Circuit Maker, entre otros.

Para la consulta exacta de dimensiones, encapsulados, formas y otros datos técnicos de los componentes a utilizar en un impreso, es necesario remitirse a los manuales originales de fabricante o, en su defecto, a la Guía de Reemplazos ECG u otra similar.

Para la entrega de los artes finales, se debe consultar los requerimientos de los fabricantes existentes en el país. Los hay en Medellín (David García), Bogotá, Pereira (Magom) y Cali Microcircuitos). Algunos exigen la entrega del arte sólo en diskete o por e-mail; otros exigen una impresión en plotter o en impresora a escala natural o doble escala.

 

 

Por:

Nelson Alberto Rúa Ceballos (© 2001)

Ingeniero Electrónico de la Universidad de Antioquia,

Decano de los programas de Tecnología en Electrónica y en Mantenimiento de Equipo Biomédico en el ITM