Hace un par de meses, escribí el primero de una serie de posts sobre una introducción al diseño y fabricación de PCB: En ese post, di una visión general de muy alto nivel del proceso y empecé a introducir algunos conceptos clave para el diseño CAD de PCB. En este post, dedicaré más tiempo a dar detalles sobre la primera parte del proceso: El diseño esquemático.
Suelo describir el diseño esquemático como la parte del proceso en la que definimos las conexiones lógicas de un circuito: Los esquemas especificarán cómo se conectan entre sí los distintos terminales de los componentes. Es importante tener en cuenta que cada componente mostrado en un esquema tiene una contrapartida física pero que, por lo general, la representación esquemática del componente hace hincapié en su función más que en sus atributos físicos. Los atributos físicos de los componentes serán más relevantes en la próxima entrada del blog, cuando trate el tema de la disposición de las placas de circuito impreso.
Para orientar nuestro debate sobre el diseño esquemático, he creado el "Hola Mundo" de la electrónica: Un circuito LED.
Figura 1: Esquema de un circuito LED
Esto es lo más simple que puede ser un circuito: Tiene un conector, un interruptor, un LED y una resistencia. En general, cuatro componentes no nos llevarán muy lejos en el mundo del diseño electrónico, pero serán suficientes para demostrar los fundamentos del diseño esquemático.
Lo primero que hay que señalar son los designadores. En nuestro circuito LED, los designadores son P1, S1, D1 y R1. Es imperativo que a cada componente se le asigne un designador único, de lo contrario, se corre el riesgo de instalar un componente donde no corresponde.
Lo siguiente que hay que señalar son los valores de los componentes. Excepto S1, todos los componentes del esquema tienen un valor indicado en el mismo. El componente más fácil de explicar en nuestro circuito es R1: Por la entrada anterior del blog, sabemos que el símbolo de R1 es para una resistencia y, por el valor que vemos en el esquema, sabemos que R1 es una resistencia de 1,4 kOhmios.
D1 es nuestro LED. El valor tiene dos partes: En primer lugar, los 2,2V indican que la caída de tensión directa a través del diodo es de 2,2V y, en segundo lugar, los (20mA) indican que la corriente de prueba a través del LED es de 20mA; la corriente máxima admisible del LED no suele ser mucho mayor que la corriente de prueba indicada, pero este detalle es algo que debería confirmarse en la hoja de datos del componente.
P1 es un caso interesante: Normalmente P1 sería un conector de 4 pines (como el que se muestra en la Figura 2). Sin embargo, fíjese en el valor de P1: "DNP". Esas letras significan "Do Not Populate," (algunas personas usan "DNI" - "Do Not Install" - en lugar de DNP) e indica que, aunque la PCB debe tener un lugar donde el componente podría ser instalado, el componente debe ser omitido.
Figura 2: Cabezal de 4 patillas
Hay varias razones para DNP un componente. Por ejemplo, algunos circuitos permiten que ciertas funciones sean configuradas en hardware, pero el diseñador puede no saber con seguridad si esas funciones son necesariamente necesarias; una solución sería colocar un componente DNP que permitiera la opción de configurar el circuito de una manera particular si se determinara que la funcionalidad es necesaria. Otra razón para DNP un componente sería para ilustrar lo que significa DNP, similar a lo que he hecho aquí.
Lo siguiente son los raíles de alimentación, +5V y GND. El observador astuto notará que hay dos símbolos en el esquema etiquetados +5V y dos etiquetados GND. Cuando se trata de símbolos de alimentación como los que se muestran en el esquema, se entiende que esas líneas están conectadas eléctricamente, aunque no haya una línea que las conecte en el esquema. En otras palabras, podría haber dibujado una línea desde el Pin 1 y el Pin 2 de P1 hasta S1 y habría sido lo mismo que lo que se muestra en el esquema - pero he optado por utilizar los símbolos de potencia para ilustrar cómo se utilizan en los esquemas. Para un circuito tan simple como nuestro circuito LED, podría haber evitado fácilmente el uso de los símbolos de potencia, pero para circuitos más complejos, el uso de los símbolos de potencia se hace necesario.
Está fuera del alcance de esta entrada del blog profundizar mucho en el diseño de circuitos, pero, en aras de la exhaustividad, vamos a ir a través del diseño de mi ejemplo esquemático.
El primer componente que seleccioné fue el conector, P1. No pensé demasiado en el conector para este ejemplo - sólo necesitaba una manera de aplicar energía para este circuito. Elegí un cabezal DNP de 4 pines por la sencilla razón de que es una de las primeras cosas que apareció en nuestra biblioteca de base de datos de componentes y hace el trabajo. Pero podría haber sido fácilmente un cabezal de 2 pines para este circuito o incluso sólo dos chapado a través de los agujeros donde los cables podrían ser soldados.
Conecté +5V y GND a P1 - como este es un circuito de ejemplo, mi decisión de usar +5V fue arbitraria. Puesto que +5V es un valor común, fui con eso.
A continuación, no quería que este circuito simplemente encender el LED cuando se aplica energía a P1 - Yo quería que hubiera algún nivel de control de usuario. Así que añadí un interruptor deslizante, S1, que permitiría al usuario encender y apagar el LED sin tener que quitar la alimentación del conector.
Por último, añadí el LED, D1, y la resistencia limitadora de corriente, R1. El diseño de un circuito LED requiere que 1) la fuente de tensión sea lo suficientemente alta como para polarizar el LED y que 2) la corriente que atraviesa el LED esté limitada a algo que no mate al LED.
El voltaje a través del LED es de 2.2V y su corriente de prueba es de 20mA; decidí diseñar este circuito para 2mA, porque es suficiente para encender el LED y no estoy tratando de cegar a nadie. Con todo esto en consideración, pude diseñar el valor para R1:
- De la ley de voltaje de Kirchhoff, la caída de voltaje a través de la resistencia es .
- Como sé que quiero que fluyan 2mA en mi circuito, puedo usar la ley de Ohm para calcular el valor que debe tener mi resistencia limitadora de corriente, .
Normalmente, lo que ocurre en este punto del proceso es una revisión del diseño. El diseñador se sienta con al menos otro ingeniero y revisan los esquemas.
En el caso de nuestro ejemplo del LED, la revisión puede empezar por P1. Como es un componente DNP, no hay mucho que revisar. Sin embargo, me llama la atención el raíl de +5V. Aunque +5V es un valor de voltaje bastante común, podría ser mejor asumir un sistema de +9V, de modo que una batería de +9V posiblemente más accesible podría utilizarse con nuestro circuito. Si realmente quisiera, incluso podría cambiar P1 para que fuera específicamente un conector de batería de +9V. Sin embargo, ya que podríamos soldar cables en los agujeros pasantes del cabezal DNP, renunciaré al cambio para P1.
A continuación, S1 podría ser revisado. El componente que había seleccionado para S1 es el número de pieza AS11CP. Revisando la hoja de datos del S1 se revela que el interruptor está tarado para 28V y para 0.4VA máximo a 28V. En el peor caso absoluto de +9V a través del interruptor, esto corresponde a una corriente nominal de 44mA, muy por encima de nuestra corriente de circuito de 2mA. Tenga en cuenta que la única condición en la que el interruptor vería +9V es cuando la alimentación está conectada a la placa de circuito impreso y el interruptor está en OFF; sin embargo, en este escenario, habría un flujo de corriente cercano a cero. Además, con el interruptor en ON, la caída de tensión a través del interruptor sería insignificante debido a la minúscula resistencia del interruptor. En todos los casos de uso normal, la potencia nominal del interruptor está muy por encima de lo que cabría esperar.
Por último, podemos seguir utilizando el mismo LED, pero nuestra resistencia limitadora de corriente tendrá que cambiar ahora que estamos asumiendo una fuente de +9V. Repasando los cálculos de nuevo, nuestra resistencia, R1, necesita ser actualizada a 3.4 kOhms para mantener 2mA en nuestro circuito. Además, puesto que la caída de tensión a través del LED será de 9-2,2 = 6,8V, y puesto que habrá 2mA fluyendo a través de la resistencia, la potencia disipada en la resistencia será de 6,8 x 0,002 = 13,6mW. La nueva resistencia para nuestro circuito LED es la número de pieza ERJ-6ENF3401V, que tiene una potencia nominal de 125mW, mucho margen.
Si no actualizamos nuestra resistencia limitadora de corriente y la dejamos en 1,4 kOhms, podríamos seguir aplicando +9V al circuito - la corriente de nuestro circuito sería sólo de 4,9mA en lugar de 2mA y nuestra resistencia disiparía 33mW, todavía dentro de un rango aceptable para no volar nada. Por lo tanto, podríamos haber dejado R1 solo y todo lo que habría cambiado es que nuestro LED sería más brillante y estaríamos usando más del doble de la cantidad de energía.
Nuestro esquema LED actualizado se muestra a continuación:
Figura 3: Esquema revisado del LED
Una vez revisado el diseño esquemático, el siguiente paso es el diseño de la PCB. Personalmente, para mí, el diseño de PCB es mi parte favorita - ¡es como un rompecabezas! Sin embargo, ese será el tema de la próxima entrada del blog. Así que, hasta entonces, en palabras de mi profesor polaco de matemáticas de la universidad, "¡Todo por hoy!" en acento polaco.
