Las reglas no escritas del dibujo electrónico y del diseño de circuitos impresos
- Normas inéditas para el
dibujo de planos electrónicos - Normas inéditas para
el diseño de circuitos impresos - ¿Cómo obtener
las dimensiones físicas de los
dispositivos? - Algunas indicaciones de medidas
físicas típicas - Consideraciones
finales - Procedimiento guía para
hacer una búsqueda en el ECG - Taller práctico de dibujo
electrónico y de diseño de circuitos
impresos - Consulta de
bibliografía
"Si lo imagina, es posible;
si es posible, puede hacerse"
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
- Por razones de estética, distribución de espacio y facilidad
para interconectar los dispositivos, se recomienda trazar
sólo líneas horizontales y
verticales. - Evitar, hasta donde sea posible, hacer
líneas oblicuas. - En el caso de que en diferentes partes de un plano
haya que hacer líneas oblicuas, todas deben tener el
mismo ángulo de inclinación. - Si en los cruces de 2 líneas hay contacto
eléctrico (nodo) se debe colocar un punto
indicándolo, así: - Si en el cruce no hay contacto eléctrico se
debe dibujar así: - 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: - 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. - No olvidar la convención de los símbolos literales para componentes
de circuitos, así:R1, R2, R3, C1, C2, C3, L1,
L2,Q1,Q2,…. - Cuando en un plano hay dos o más componentes
del mismo tipo se debe utilizar índices ó
subíndices así: - 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: - Si el plano es muy complejo, es preferible hacer una
tabla o cuadro aparte con los
valores de los componentes. - En los diagramas de bloques, las líneas con
sus flechas deben ubicarse en la mitad de los costados de
los rectángulos así:Ejemplo:
- 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. - En las conexiones en T es preferible poner el punto
o nodo de conexión. Ejemplo:
2. NORMAS
INÉDITAS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS
IMPRESOS
- 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. - 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. - 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. - 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. - 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.
- La ubicación de los elementos debe hacerse
teniendo en cuenta, además de la ergonomía, lo siguiente:
- Si todos los dispositivos van en el impreso y de
allí van directamente enclavados al
chassís. - Si algunos van en el impreso y otros en el
chassís y estos últimos se conectan al impreso
mediante conectores y/o cables.
- 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. - Los tres tipos de líneas de un circuito
deben tener en cuenta la siguiente convención en el
impreso:
línea delgada
- Línea de interconexión de dispositivos o
conducción de señales o datos:Línea más gruesa
- Línea de alimentación de
voltaje Vcc: - Línea de tierra:
Línea mucho más gruesa
- 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: - Si lo prefiere, por estética, trate de hacer
enmallados más "rellenos" (sombreados) en la tierra
del impreso, así: - 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. - 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.
- 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. - Siempre se deben tener muy en cuenta las
dimensiones físicas, reales de los
dispositivos.
- Las de los pines de conexión al impreso para
la separación entre los huecos u orificios donde van los
pads. - La del encapsulado del dispositivo para que no se
"monte", choque o impida la ubicación de otro
dispositivo. - 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).
ALGUNAS
INDICACIONES DE MEDIDAS FÍSICAS
TIPICASChip 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 smARTWork = 2.54 mm = 1 espacio del
board- 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. - 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. - 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. - 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. - 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:
- 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. - Si una tarjeta va sobre la otra hay que prever la
altura de separación de acuerdo con los dispositivos y
el chasís.
- 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.
3.1 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.
- Tomar la referencia original del elemento que se va
a buscar. - Buscar la referencia respectiva en la guía
de reemplazos, Ejemplo: ECG 5710. Las referencias se
encuentran al final del manual en el siguiente
orden:
- Numéricas y literales. Ejemplo: 2N
2222. - Sólo numéricas. Ejemplo: 46 – 132206 –
6. - Literales y numéricos. Ejemplo: LM
317.
- 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:
- Dispositivos semiconductores
discretos.
- Diodos.
- Transistores.
- Tiristores.
- Dispositivos ópticos, etc.
- Circuitos modulares y circuitos
integrados (IC’s) lineales. - 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.
- 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 (CORTESIA DE
10- Recuerde que es más conveniente tener |
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.
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