Consejos y trucos de PCB

Dependiendo de su perspectiva, estilo de trabajo y experiencia previa, puede pensar que se debe pedir una PCB personalizada para un proyecto justo al comienzo del proceso de desarrollo. Tienes una idea, dibujas un esquema, diseñas el tablero, lo ordenas (o lo grabas tú mismo) y luego lo ensamblas. A menudo sucede que, a pesar de que la placa de circuito impreso es perfecta, ha pasado por alto un problema en un nivel completamente diferente. Ahora necesita pedir otro seguido de un tercero o incluso un cuarto. Cada iteración toma un bocado del presupuesto del proyecto e invade los plazos. Para evitar esto, generalmente pospongo el compromiso con el primer PCB durante el mayor tiempo posible.

El circuito en sí necesita ser revisado y probado de alguna manera. No importa cuánto se parezca su primera configuración de prueba a un nido de ratas, aún proporcionará información vital sobre si todo funciona como debería. Los componentes cableados en una placa de enchufe de creación de prototipos estándar a menudo harán el trabajo aquí. Alternativamente, podría usar un tablero de tiras, 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 sufre fallas intermitentes debido a los contactos del conector escamosos. Los valores de los componentes se pueden cambiar fácilmente hasta que todo funcione de manera óptima. Si el circuito resulta ser inestable, puede encontrar el mejor lugar para suministrar capacitores de desacoplamiento y capacitores 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 comenzaría con una placa de desarrollo lista para usar. En este caso, puede conectar componentes externos para probar provisionalmente la función general y desarrollar el firmware. A menudo es fácil ver si necesitará incluir precauciones para la inmunidad a interferencias. Los problemas de EMC se revelan al generar señales de interferencia que puede escuchar en una radio. Es posible que ya haya notado que el circuito reacciona mal a las fuentes cercanas de interferencia. Esto indicará que se requerirá una atención especial a la inmunidad a las interferencias en el diseño de la placa. En muchos casos, cableo los componentes en una placa para tener una mejor idea del tamaño de la placa final y la posible ubicación de los componentes y cualquier control. así como tomas de corriente y señales. Esto puede convertirse en un prototipo útil (Figura 2 ). Un cliente podría incluso usarlo para realizar pruebas iniciales y sugerir cambios que luego pueden probarse fácilmente. Una vez que se haya finalizado el circuito, puede centrar su atención en la PCB. Hasta ahora, probablemente se usaron componentes cableados para construir el circuito, pero lo más probable es que la PCB final use SMD. Es probable que el diseño de la placa de prueba no se haya optimizado para EMC porque no hay un plano de tierra, pero ahora sabemos lo que aún se debe mejorar.

Probablemente ya tenga diagramas de circuitos en forma de bocetos. Pero todas las herramientas de software de diseño de PCB requieren la entrada del diagrama del circuito primero. Cada componente debe especificarse con mucha precisión. "Resistencia 10 kΩ" no es suficiente, debe 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 PCB sea correcto. Es muy frustrante descubrir que su PCB hermosa y prístina tiene un espacio de orificios incorrecto y que la toma USB no encaja en la placa. Tenga mucho cuidado al seleccionar los componentes. Una cosa que he encontrado al trabajar con resistencias y condensadores SMD es que se ven 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. Debe tener algunos ejemplos de las partes en su escritorio para realizar una verificación rápida de la realidad. Personalmente, encuentro que el contorno 0805 es 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 tarde al dibujar la placa de circuito, siempre debe volver al diagrama de circuito y hacer los cambios allí primero. El software de diseño de la placa siempre garantiza que el diseño de la pista de la placa de circuito impreso coincida con el diagrama del circuito.

Ahora a la placa de circuito. Primero, debe verificar el espacio físico en el que debe encajar 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. Puede cambiarlos más tarde, pero es más fácil si obtiene las medidas correctas desde el principio. Los tableros de dos caras suelen ser estándar. Una placa de circuito de un solo lado apenas tiene ventajas de costo, pero puede simplificar el proceso si tiene la intención de grabarla usted mismo. En la mayoría de los casos, en la primera etapa, solo 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 tenga esto en cuenta al crear el diagrama del circuito. Una vez que se define el esquema, puede importar todos los componentes del diagrama del circuito y colocarlos inicialmente en la pantalla junto al esquema de la placa de circuito impreso. . Luego puede moverlos uno por uno en la placa de circuito y buscar la ubicación correcta, lo que da como resultado la pista de PCB más corta y directa. Aquí es una ventaja si ya ha construido todo en una placa de prueba de antemano. Entonces ya tiene una idea de cómo colocar los componentes con un número mínimo de pistas cruzadas para evitar las vías hacia el otro lado. Cuando todos los componentes estén colocados, puede iniciar el enrutador automático. Luego, el software intenta conectar todos los componentes como en el diagrama del circuito. Sin embargo, puede suceder fácilmente que el enrutamiento de la línea sea subóptimo desde otros puntos de vista. Podría haber líneas de tierra demasiado largas y enredadas, o la ruta "más corta" entre VCC y GND a través de un capacitor de derivación se vuelve demasiado larga y forma una antena de cuadro efectiva. Entonces los problemas de EMC son inevitables. Al menos debe preparar el terreno y suministrar las líneas usted mismo con anticipación, y solo luego iniciar 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 continua de cobre en la parte inferior de la placa de circuito conectada a GND. Todas las pistas portadoras de señales permanecen en la parte superior tanto como sea posible. Donde es inevitable que dos pistas se crucen, una pista termina en una almohadilla con un orificio pasante chapado (vía) que enruta la señal hacia abajo a una pequeña pista en el plano inferior y luego hacia arriba nuevamente en otro punto. Tiene sentido establecer un sistema con el diseño de las vías, tal vez colocando todas las vías de suministro horizontalmente y las vías portadoras de señales verticalmente tanto como sea posible. Cualquier ruptura en el plano de tierra debe ser lo más corta posible para minimizar las caídas de tensión. En última instancia, un plano de cobre continuo ayuda a lograr la ruta a tierra más corta posible en toda el área de la placa; una conexión de orificio 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 Elektor SDR-Shield (Figura 4 ) proyecto. Este circuito es un receptor de onda corta sensible, 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 con una recepción sin problemas. Un plano de tierra en la parte inferior actúa como un escudo para las señales de abajo, y los campos de interferencia de arriba tienen un efecto menor porque la mayoría de las líneas de campo terminan directamente en el suelo y muy pocas en las pistas conductoras delgadas.

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

Me gusta especificar almohadillas rectangulares de doble cara con orificios chapados espaciados a 5,08 mm. Estos puntos de conexión no agregan ningún costo adicional y se pueden usar de manera muy flexible; puede soldar cables, usar cables de cocodrilo o colocar un bloque de terminales con tornillos. Para experimentos muy simples, los componentes pueden incluso conectarse directamente en los orificios de contacto (Figura 6).

También hay PCB que solo consisten en puntos de conexión. Entonces no necesita un diagrama de circuito y puede comenzar de inmediato con la placa de circuito. Para una protoboard 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 esta manera, se puede acceder fácilmente a la tierra en todas partes por una ruta corta, y tiene una superficie de protección relativamente buena.

El software utilizado para fabricar PCB ejecutará pruebas automatizadas para encontrar circuitos abiertos, cortocircuitos y cerrar pistas paralelas. Sin embargo, hay otros errores que pueden ocurrir en un nivel completamente diferente, que solo podrá descubrir por sí mismo. El objetivo es que la primera placa de circuito impreso que pida esté libre de errores, pero como sabe, la ley de Murphy también se aplica aquí. Mirando hacia atrás, estimo que cada segundo PCB que recibí ha tenido al menos un error. Los cambios de última hora suelen ser los culpables aquí porque pueden generar un nuevo error imprevisto. También se han cometido errores al comienzo del proyecto que de alguna manera han pasado desapercibidos. Para pedir 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 de perforación. Puede encontrar varios visores de Gerber en la web, que puede usar para ver el resultado. Luego puede cambiar entre capas y obtener una vista completamente diferente. Esta es otra etapa importante en el proceso de verificación y ha descubierto muchos errores perdidos, incluso en esta etapa todavía hay 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 placa de circuito impreso era maravillosamente simple y claramente estructurada. Con la PCB recién desenvuelta en el banco y el soldador a la 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 tramos de cables (Figura 8).

Eso es tan frustrante; Sin embargo, generalmente 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 sencillas con componentes cableados, por ejemplo, para proyectos de formación, puede ir un paso más allá y construir una versión de la placa por adelantado: pegue una copia en papel del diseño de la PCB en una pequeña hoja de cartón y haga agujeros para los conductores del componente. Luego, 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 da una buena oportunidad de detectar posibles errores. Además, lo deja con un prototipo utilizable para probar antes de comprometerse con el diseño final de PCB (Figura 10).

Muchas de estas estrategias para diseñar placas de circuito simples funcionan muy bien con proyectos experimentales pequeños y manejables, pero obviamente no tan bien con diseños más grandes. El jefe de una gran empresa bien puede carecer de comprensión y despreciar los diseños de cartón, pensando que son aficionados, una pérdida de tiempo y que cualquier ingeniero profesional competente debería ser capaz de hacerlo bien a la primera. Bueno, en principio eso es cierto, pero créanme: los descuidos y los errores inevitablemente ocurren, y a menudo se requieren múltiples borradores, cada vez que aumentan los costos y amenazan los plazos del proyecto. Solo puedo decir que la técnica descrita aquí me ha funcionado bien; el énfasis debe estar en los ensayos y pruebas preliminares para que se necesiten ordenar menos versiones de la placa.

Burkhard Kainka trabajó como profesor de física durante muchos años antes de trabajar por cuenta propia 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 pequeños y grandes interesantes 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].