Consejos y trucos para PCB

Dependiendo de su perspectiva, estilo de trabajo y experiencia previa, podría pensar que se debe solicitar una PCB personalizada para un proyecto desde el inicio del proceso de desarrollo. Tienes una idea, dibujas un esquema, diseñas el tablero, lo pides (o lo grabas tú mismo) y luego lo ensamblas. A menudo ocurre que, aunque la PCB esté perfecta, se ha pasado por alto un problema de un nivel completamente diferente. Ahora necesitas pedir otro seguido de un tercero o incluso un cuarto. Cada iteración reduce el presupuesto del proyecto e invade los plazos. Para evitar esto, normalmente pospongo el compromiso con la primera PCB el mayor tiempo posible.

El circuito en sí necesita ser revisado y probado de alguna manera. No importa cuánto parezca su primera configuración de prueba un nido de ratas, seguirá proporcionando información vital sobre si todo está funcionando como debería. Los componentes conectados a una placa de enchufe de prototipo estándar a menudo harán el trabajo aquí. Alternativamente, puedes usar tableros de listones, pero a veces prefiero la estructura de "erizo" construida sobre una tapa de hojalata (Figura 1 ). Esto le brinda un plano de tierra decente y las conexiones soldadas significan que no sufrirá fallas intermitentes debido a contactos de conectores defectuosos. Los valores de los componentes se pueden cambiar fácilmente hasta que todo funcione de manera óptima. Si el circuito resulta inestable, puede encontrar el mejor lugar para colocar los condensadores de desacoplamiento y los condensadores de pequeño valor a tierra en puntos a lo largo de la ruta de la señal.

Cuando se trata de un proyecto basado en un microcontrolador, normalmente se comienza con una placa de desarrollo disponible en el mercado. En este caso, puede conectar componentes externos para probar provisionalmente el funcionamiento general y desarrollar el firmware. A menudo es fácil ver si será necesario incluir precauciones para la inmunidad a las interferencias. Los problemas de EMC se revelan generando señales de interferencia que se pueden escuchar en una radio. Quizás ya hayas notado que el circuito reacciona mal a fuentes de interferencia cercanas. Esto indicará que se requerirá atención especial a la inmunidad a las interferencias en el diseño de la placa. En muchos casos, conecto los componentes en una placa para tener una mejor idea del tamaño de la placa terminada y la posible ubicación de los componentes y los controles. así como tomas de corriente y señales. Esto puede convertirse entonces en un prototipo útil (Figura 2 ). Un cliente podría incluso utilizarlo para realizar pruebas iniciales y sugerir cambios que luego puedan probarse fácilmente. Una vez que se haya finalizado el circuito, puede centrar su atención en la PCB. Hasta ahora probablemente se utilizaban componentes cableados para construir el circuito, pero lo más probable es que la PCB final utilice SMD. Es probable que el diseño de la placa de pruebas no haya sido optimizado para EMC porque no hay un plano de tierra, pero ahora sabemos lo que aún necesita mejorarse.

Probablemente ya tenga diagramas de circuitos en forma de bocetos. Pero todas las herramientas de software de diseño de PCB requieren primero la entrada del diagrama del circuito. Cada componente debe especificarse con mucha precisión. “Resistencia de 10 kΩ” no es suficiente; hay que detallar el paquete, por ejemplo, una resistencia SMD de tamaño 0805. Elegir los componentes correctos suele llevar mucho tiempo porque hay muchos componentes similares. Esto se aplica sobre todo a conectores, interruptores, potenciómetros y similares. También es necesario determinar que el componente elegido esté realmente disponible y asegurarse de que su contorno en el diseño de la PCB sea correcto. Es muy frustrante descubrir que su hermosa y prístina PCB tiene un espacio incorrecto entre los orificios y el conector USB no encaja en la placa. Tenga mucho cuidado al seleccionar los componentes. Una cosa que he descubierto al trabajar con resistencias y condensadores SMD es que parecen tan grandes y manejables en la pantalla que es fácil juzgar mal su tamaño real. Esto puede ser un problema si tiene la intención de llenar el tablero a mano. Los componentes más pequeños son problemáticos, al menos cuando se sueldan a mano. Debería tener algunos ejemplos de las piezas en su escritorio para realizar una rápida verificación de la realidad. Personalmente, encuentro que el esquema 0805 es el más fácil de soldar. Recuerdo un proyecto diseñado con componentes de tamaño 0402 para ahorrar espacio. Resultó extremadamente difícil soldar los componentes para construir el prototipo, pero esta situación, por supuesto, se puede evitar si la PCB se entrega ensamblada. Una vez seleccionados todos los componentes, se puede dibujar el diagrama del circuito con todas las conexiones. Por cierto, si se produce un error más adelante al dibujar la placa de circuito, siempre tendrás que volver al diagrama del circuito y hacer los cambios allí primero. El software de diseño de la placa siempre garantiza que el diseño de las pistas de la PCB coincida con el diagrama del circuito.

Ahora a la placa de circuito. En primer lugar, es necesario comprobar el espacio físico en el que debe caber para determinar las dimensiones y si será necesaria una placa de circuito de doble cara. Ahora puede definir características como esquinas redondeadas y formas de contorno especiales. Puedes cambiarlos más tarde, pero es más fácil si tomas las medidas correctamente desde el principio. Los tableros de doble cara suelen ser estándar. Una placa de circuito de una sola cara apenas tiene ventajas económicas, pero puede simplificar el proceso si desea grabarla usted mismo. En la mayoría de los casos, en la primera etapa, simplemente pediré cinco o diez muestras a un proveedor de servicios de PCB para ahorrarme la molestia. Algunos proveedores de PCB también ofrecen ensamblar prototipos. En este caso, asegúrese de antemano qué componentes se instalarán y téngalo en cuenta al crear el diagrama del circuito. Una vez definido el esquema, puede importar todos los componentes del diagrama del circuito e inicialmente colocarlos en la pantalla junto al esquema de la PCB. . Luego puede moverlos uno por uno sobre la placa de circuito y buscar la ubicación correcta, lo que dará como resultado la pista de PCB más corta y directa. Aquí es una ventaja si ya ha construido todo en una placa de pruebas de antemano. Entonces ya tendrá una idea de cómo colocar los componentes con un número mínimo de pistas cruzadas para evitar vías hacia el otro lado. Cuando todos los componentes estén colocados, puede iniciar el enrutador automático. A continuación, el software intenta conectar todos los componentes como se muestra en el diagrama del circuito. Sin embargo, puede ocurrir fácilmente que el trazado de la línea no sea óptimo desde otros puntos de vista. Podría haber líneas de tierra demasiado largas y enredadas, o el camino “más corto” entre VCC y GND a través de un capacitor de derivación se vuelve demasiado largo y forma una antena de bucle efectiva. Los problemas de EMC son entonces inevitables. Al menos debería preparar la tierra y suministrar las líneas usted mismo con antelación, y solo entonces encender el enrutador automático. Voy un paso más allá y prefiero enrutar todas las líneas a mano. Sobre todo, los circuitos muy simples suelen tener una estructura clara (figura 3) y se puede implementar fácilmente.

Los planos de tierra continuos son de gran ayuda. Para ello, puede crear una superficie de cobre continua en la parte inferior de la placa de circuito conectada a GND. Todas las pistas que transportan señales permanecen en la cima tanto como sea posible. Cuando es inevitable que se crucen dos vías, una de ellas termina en una plataforma con un orificio pasante chapado (vía) que encamina la señal hacia abajo hasta una pequeña vía en el plano inferior y luego hacia arriba nuevamente en otro punto. Tiene sentido establecer un sistema con el trazado de las vías, tal vez haciendo que todas las vías de suministro sean horizontales y las vías de transporte de señales, en la medida de lo posible, verticalmente. Cualquier interrupción en el plano de tierra debe ser lo más breve posible para minimizar las caídas de tensión. En última instancia, un plano de cobre continuo ayuda a lograr la ruta más corta posible a tierra en toda el área del tablero; una conexión pasante es todo lo que necesita cuando un componente necesita una conexión a tierra. Los planos de tierra pueden hacer maravillas, como se vio con el Elektor SDR-Shield (Figura 4 ) proyecto. Este circuito es un receptor sensible de onda corta, por lo que es importante evitar cualquier interferencia que pueda comprometer su rendimiento. El escudo se conecta directamente sobre un Arduino Uno. Al principio, me preocupaba que montarlo tan cerca de un microcontrolador pudiera causar problemas, pero todo salió bien y la recepción fue sin problemas. Un plano de tierra en la parte inferior actúa como escudo para las señales de abajo, y los campos de interferencia de arriba tienen menos efecto porque la mayoría de las líneas de campo terminan directamente en el suelo y muy pocas en las delgadas pistas conductoras.

La mayoría de las placas de circuito necesitan alguna conexión con el mundo exterior. Los enchufes o tomas de corriente se utilizan a menudo en el borde de la placa de circuito, como ocurre con Arduino u otros sistemas enchufables estandarizados. Cuando se trata de proyectos experimentales o placas de circuitos para educación, los puntos de conexión más grandes suelen ser más prácticos. Los orificios redondos de 4 mm con revestimiento pasante aceptan conectores tipo banana directamente, así como pinzas de cocodrilo (Figura 5).

Me gusta especificar almohadillas rectangulares de doble cara con orificios pasantes espaciados a 5,08 mm. Estos puntos de conexión no suponen ningún coste adicional y pueden utilizarse de forma muy flexible; puede soldar cables, utilizar cables de cocodrilo o colocar un bloque de terminales de tornillo. Para experimentos muy sencillos, los componentes pueden incluso enchufarse directamente en los orificios de contacto (Figura 6).

También hay PCB que sólo constan de puntos de conexión. Entonces no necesitará ningún diagrama de circuito y podrá comenzar inmediatamente con la placa de circuito. Para una placa de pruebas compatible con HF, creé un plano de tierra continuo en ambos lados. La mayoría de los puntos de contacto se encuentran en islas aisladas. Pero los puntos en el borde del campo y varias filas continuas están conectados a tierra (Figura 7 ). De este modo se puede acceder fácilmente a la Tierra desde cualquier lugar mediante un recorrido corto y se dispone de una superficie de protección relativamente buena.

El software utilizado para fabricar PCB ejecutará pruebas automatizadas para encontrar circuitos abiertos, cortocircuitos y pistas paralelas cerradas. Sin embargo, existen otros errores que pueden ocurrir en un nivel completamente diferente y que sólo podrás descubrir por ti mismo. El objetivo es que la primera placa de circuito impreso que usted pida esté libre de errores, pero como usted sabe, la ley de Murphy también se aplica aquí. Mirando hacia atrás, calculo que cada segundo PCB que recibí tuvo al menos un error. Los cambios de última hora suelen ser los culpables porque pueden generar un nuevo error imprevisto. También se han cometido errores desde el inicio del proyecto que de alguna manera han pasado desapercibidos. Para solicitar una PCB, debe convertir la información en archivos Gerber. El software crea archivos individuales para las diferentes capas de la placa de circuito y para los agujeros perforados. Puede encontrar varios visores Gerber en la web, que puede utilizar para ver el resultado. Luego puedes cambiar entre capas y obtener una vista completamente diferente. Esta es otra etapa importante en el proceso de verificación y ha descubierto muchos errores que se habían pasado por alto; incluso en esta etapa todavía existe cierta incertidumbre sobre si todo funcionará correctamente al final. Otro consejo que puede ayudar a detectar errores es imprimir el diseño y coloque los componentes sobre su contorno. En un proyecto en el que estaba trabajando, pensé que podía omitirlo porque la PCB era muy simple y estaba claramente estructurada. Con la PCB recién desenvuelta en el banco y el soldador a temperatura, de repente me di cuenta: ¡Paquete de contorno SO incorrecto para la carcasa del microcontrolador! Este componente en particular está disponible en un contorno estrecho o ancho. En este caso, seguí adelante y ensamblé la PCB extendiendo todos los pines del controlador en un lado usando pequeños trozos de cables (Figura 8).

Eso es muy frustrante; Sin embargo, normalmente puedo consolarme encontrando otros ajustes que beneficiarían el diseño (en este caso, un mejor etiquetado) para que una nueva iteración de PCB no sea una pérdida total (Figura 9).

Cuando se trata de placas muy simples con componentes cableados, por ejemplo, para proyectos de capacitación, puede ir un paso más allá y construir una versión de la placa con anticipación: pegue una copia en papel del diseño de la PCB en una pequeña hoja de cartón y haga agujeros. para los cables de los componentes. A continuación, los componentes se pueden enchufar a través del cartón y soldar por debajo. Luego se utilizan tramos cortos de cable en lugar de las pistas de PCB. Esto le brinda una buena posibilidad de detectar posibles errores. Además, le deja con un prototipo utilizable para probar antes de comprometerse con el diseño final de la PCB (Figura 10).

Muchas de estas estrategias para diseñar placas de circuitos simples funcionan muy bien con proyectos experimentales pequeños y manejables, pero obviamente no tan bien con diseños más grandes. El director de una gran empresa puede carecer de comprensión y despreciar los diseños de cartón, pensando que son de aficionado, una pérdida de tiempo y que cualquier ingeniero profesional competente debería poder hacerlo bien a la primera. Bueno, en principio eso es cierto, pero créanme: inevitablemente ocurren descuidos y errores, y a menudo se requieren múltiples borradores, cada vez aumentando los costos y amenazando los plazos del proyecto. Sólo puedo decir que la técnica descrita aquí me ha funcionado bien; se debe hacer hincapié en las pruebas y ensayos preliminares para que sea necesario pedir menos versiones de la placa.

Burkhard Kainka trabajó durante muchos años como profesor de física antes de convertirse en autónomo como desarrollador y autor en el campo de la electrónica y los microcontroladores en 1996. Dirige los sitios web www.elektronik-labor.de y www.b-kainka.de, donde Encontrará muchos proyectos interesantes, pequeños y grandes, junto con información sobre los conceptos básicos de la electrónica. Burkhard es un ávido radioaficionado con el distintivo de llamada DK7JD.

Si tiene alguna pregunta técnica o comentario sobre este artículo o los PCB, comuníquese con el autor en [email protected] o con el equipo de Elektor en [email protected].