DIBUJO ELÉCTRICO
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 BohrIngeniería 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. 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:
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:
a. Si todos los
dispositivos van en el impreso y de allí van directamente enclavados al
chassís.
b. 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:
a. línea delgada
c. Línea de alimentación de
voltaje Vcc:
d. 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.
a. Las de los pines de
conexión al impreso para la separación entre los huecos u orificios donde van
los pads.
b. La del encapsulado del
dispositivo para que no se "monte", choque o impida la ubicación de
otro dispositivo.
c. 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.
·
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. 
|
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:
a.
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.
b.
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.
3.1 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.
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:
a.
Numéricas y literales. Ejemplo: 2N 2222.
b.
Sólo numéricas. Ejemplo: 46 - 132206 - 6.
c.
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:
a.
b.
Dispositivos semiconductores discretos.
·
Diodos.
·
Transistores.
·
Tiristores.
·
Dispositivos ópticos, etc.
a. Circuitos modulares y
circuitos integrados (IC’s) lineales.
b. 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:
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)
1.
Use el máximo grosor y espacio posible entre líneas.
2.
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.
3.
La dona (o pad) de cobre deberá ser como mínimo 0.02" mayor que el
diámetro del agujero.
4.
Programe la menor cantidad posible de diámetros de agujeros.
5.
Tenga muy en cuenta la localización de los componentes, de tal forma que
no se generen interferencias mecánicas, ej: conectores, puntos de prueba,
etc.
6.
Defina muy bien su arte de componentes; mínimo grosor de línea del carácter 0.020" y altura de 1/32
"
7.
El solder mask deberá ser por lo menos 0.015" más grande que la dona
de cobre.
8.
Supla una buena información de corte, perforación y tipo de conector.
9.
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.
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.
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