[Intro] Circuitos Impresos (PCB)

Hola,

Estos días ando reaprendiendo a diseñar PCBs (Printed Board Circuit) o placas de circuito impreso, así que os voy a hablar un poco de eso.

Una placa de circuito impreso es una placa que, como si fuera un sandwitch, intercala capas de material conductor y aislante con el objetivo de crear conexiones eléctricas. Esto se consigue haciendo que las capas de conductor no cubran totalmente la placa, si no que marcan caminos, llamados “pistas” (en inglés “track”), para construir las conexiones del circuito. Las capas de conductores pueden interconectarse en ciertos puntos con unos caminos llamados “vías” (en inglés “via”).

Aquí tenéis una foto tomada de la wikipedia, aparece una placa a la derecha y su diseño por ordenador la izquierda. A la izquierda se ven en color azul y rojo diferentes capas de conductores, y en amarillo encima se ve una serigrafía (en inglés “silkscreen”) que se añade como ayuda para el montaje.

Veis también que hay puntitos grises al final de algunas pistas, estos puntos son las vías, orificios pasantes bañados en material conductor que sirven para interconectar las capas distintas. De esta forma puede hacerse que un camino eléctrico cambie de capa. Existen vías de diferentes tipos, pero no voy a entrar en eso.

Normalmente los PCB tienen un número par de capas, los simples son de 2, los un poco complejos son de 4 pero también se pueden encontrar de 16 o más en aparatos muy complicados.

Voy a intentar contaros un poco como se llega del diseño de un circuito en papel a un PCB para producción, pero tampoco soy un experto así que lo haremos con cuidadito. Me voy a basar en los programas que he usado últimamente, gEDA y KiCad, porque, a parte de ser libres, hacen las cosas paso a paso y se hace más hincapié en lo que quiero representar, en otras soluciones comerciales no se diferencian tan bien las etapas.

En primer lugar tenemos que tener el esquema del circuito. Podemos diseñarlo nosotros mismos o copiárselo a alguien, me da igual. Pero necesitamos tener el esquema y dibujarlo en nuestra herramienta, en el módulo adecuado. No es necesario que añadamos los valores de los componentes ya que sólo estamos diseñando las conexiones pero lo suyo es hacerlo bien ya que luego el esquemático nos servirá a la hora de añadir los componentes.

Una vez con el esquema hecho tendremos que poner un nombre a cada uno de los componentes, esto es necesario para que el programa pueda identificar cada uno de los componentes. Si tuviésemos dos condensadores de nombre C, el programa no sabría cómo identificarlos, así que hay que llamarlos C1 y C2, por ejemplo, así el programa sabe cuál es cuál. Casi todos los programas hacen esto de forma automática así que no hay problema.

Esto es necesario para que el programa genere un “netlist” que es un archivo que identifica las conexiones de los componentes. En él se identifica cada uno de los terminales de cada elemento y se describe a donde van conectados. Ese “netlist” será cargado en el diseño del PCB y para que el programa nos indique las conexiones que tenemos que realizar con las pistas.

A parte de esto, antes de ir a dibujar el PCB, tenemos que asignar un “footprint” a cada componente del circuito. El “footprint” es lo que se imprimirá en el PCB, es la representación física del dispositivo electrónico que queremos añadir. Esta parte es una de las más importantes así que me alargaré un poco.

En un circuito en papel no tenemos ninguna limitación física, y los componentes son meros modelos matemáticos. Cuando queremos llevar esto a la realidad tenemos que buscar modelos reales que nos sirvan. Por ejemplo, un diodo en papel es ideal, pero a la hora de la verdad tendremos que seleccionar un modelo físico: no es lo mismo usar el 1N4148 que el 1N4007 porque sus características eléctricas no son del todo idénticas pero, en el caso del diseño del PCB, tenemos que fijarnos en sus características físicas, porque necesitamos saber cuanto van a ocupar en la placa.

Tenemos que tener claro que hay muchos tipos de encapsulados diferentes. Por ejemplo, no será lo mismo que compremos componentes de orificio pasante o de montaje superficial, cada uno tendrá un “footprint” distinto. Los componentes de orificio pasante (“through hole” en inglés) son más grandes generalmente y sus pines atravesarán la placa de lado a lado (de ahí su nombre). Los componentes de montaje superficial, sin embargo, simplemente se colocan sobre la placa y no molestarán al resto de capas del circuito.

En la siguiente foto os muestro un modelo 3D de cómo quedaría un transistor con el encapsulado TO-92 montado en la placa (a la izquierda) y su respectivo footprint (a la derecha).

FootprintSabiendo esto tendremos que asignarle un “footprint” o huella a cada uno de los elementos sabiendo qué características físicas tienen los componentes que hemos comprado o vamos a comprar. Muchos “footprints” vendrán en las librerías del programa que estemos usando pero es posible que tengamos que crear los nuestros propios.

Como este mundillo viene mucho de los Estados Unidos, hay que saber que en la electrónica casi todo se mide en Pulgadas (bieeeen). Así que casi todos los componentes vienen estandarizados con esos tamaños. Por ejemplo, la distancia entre los pines (se llama “pitch” este concepto) de los circuitos integrados con encapsulado “through hole” es de 100 mils o milipulgadas, que son 2.54mm. Lo mismo ocurre con la distancia entre los orificios de las placas de prototipos, etc. Así que tendremos que saber jugar con eso.

Lo bueno es que al estar todo tan estandarizado, nuestro programa de diseño de PCBs será sencillo de usar, asignando un tamaño de rejilla adecuado podremos hacer un diseño perfecto sin preocuparnos.

Una vez creadas todas las huellas y asociadas a los componentes, podremos ir a nuestro programa de diseño de PCBs y ponernos a dibujar. Sí, dibujar. Cargaremos el netlist que he mencionado antes y el programa sabrá como tienen que estar conectados nuestros componentes y la forma que tendrán porque ya se lo hemos dicho. Ahora nosotros tendremos que marcar por donde queremos que vayan las pistas y cómo queremos que se distribuya todo. Por supuesto, el programa nos ayudará, diciéndonos qué pata va conectada con cuál y si tenemos todo conectado o no, etc.

Los programas de diseño de PCBs se estructuran, como el propio PCB, en capas. Podremos elegir cuantas tendrá nuestro diseño, y tendremos que ir cambiando de una a otra hasta dibujarlas todas. Hay que tener presente también que los componentes sólo podrán ir en las capas externas (“top” y “bottom” se suelen llamar). A parte de las capas de cobre, como ya he mencionado un poco antes, tendremos alguna más: “Top” y “bottom” “silkscreen” que sería la serigrafía de la placa, “top” y “bottom” “solder mask” que sería una capa aislante y antisoldadura que se aplica por encima del circuito para protegerlo y “top” y “bottom” “solder paste” que serían las zonas donde se quiere añadir pasta de soldadura, que es el producto que se utiliza para soldar componentes de montaje superficial. No siempre tendremos todas, por ejemplo, si sólo tenemos componentes de orificio pasante no tendremos el “solder paste”, etc.

Una vez tengamos definidas todas las capas y conexiones (no voy a entrar en como se hace), tendremos que exportar los archivos a un formato estándar. Muchos fabricantes también aceptan formatos de los programas más famosos como Eagle u OrCad pero existe un estándar (de-facto en realidad) formado por los archivos Gerber y Excellon. Los archivos Gerber definen cada una de las capas de los circuitos, una capa por archivo. Los Excellon, también llamados “drill” sirven para marcar dónde van los taladros, esto también se puede hacer en los Gerber, pero por razones históricas se hace en los Excellon. Para los frikazos: ambos tipos de archivo son de texto plano, por si queréis hurgar y eso.

Normalmente estos archivos se comprimen en una carpeta y se envían todos juntos.

Una vez producidas las placas tendremos añadirles los componentes. No siempre se pueden hacer las dos cosas en la misma empresa, a veces hay que mandarlos a otra, o lo puedes hacer tú mismo en tu casa. Depende de la tirada que hagas o de lo rápido que seas soldando.

Otro día entramos en esos temas.

Espero que os haya parecido interesante.

Os resumo los pasos:

  1. Esquemático.
  2. Netlist y asociación de footprints.
  3. Diseño del PCB.
  4. Exportar a Gerber.

Un saludo.

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Un pensamiento en “[Intro] Circuitos Impresos (PCB)

  1. OSH Park – Free Hacks!

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