Parte 1: Introducción
Érase una vez, no hace tanto tiempo, que no sabía nada de lo que ocurre cuando se diseña y monta una placa de circuito impreso (PCB). Todavía hay muchas cosas que desconozco, pero al menos ahora sé lo básico.
Cuando empecé a sumergirme en el caldero de queso que es el diseño y la fabricación de placas de circuito impreso, recuerdo sobre todo mi frustración por los problemas que tenía para encontrar respuestas a mis preguntas de principiante. Inspirado por mis experiencias, decidí escribir una breve serie de artículos en el blog que ofrecieran una visión general del mundo del diseño y la fabricación de placas de circuito impreso personalizadas. Estas entradas no pretenden ser tutoriales exhaustivos, sino más bien una introducción informal: Mi esperanza es que ayuden a los principiantes a conducir por el aparcamiento, pero no tanto por un circuito de carreras.
El contenido de estas entradas se basará en gran medida en mis experiencias personales y en pruebasanecdóticas, y probablemente no debería tomarse como la norma de facto, pero intentaré proporcionar referencias más científicas siempre que sea posible.
En futuras entregas de esta serie, trataré temas como los esquemas, el diseño de la placa y la fabricación. Antes de eso, sin embargo, pasaré esta entrada del blog, en primer lugar, dando una visión general de alto nivel del proceso de diseño / fabricación de PCB y, en segundo lugar, dando detalles sobre la herramienta más importante del diseñador de PCB: El software CAD para PCB.
Visión general del diseño y la fabricación de PCB
La Figura 1 muestra una visión general simplificada del diseño y la fabricación de PCB.
Figura 1: Proceso de diseño y fabricación de PCB
Una imagen más completa de este proceso mostraría un paso antes del DISEÑO ESQUEMÁTICOy ese paso sería algo parecido a las SIMULACIONES; sin embargo, como esta serie de blogs tiene más que ver con los fundamentos del diseño de PCB que con los detalles del diseño de circuitos, he decidido ignorar el trabajo que se realiza antes de los esquemas.
Esta serie de blogs dará detalles sobre los siguientes temas:
DISEÑO ESQUEMÁTICO El esquema de una placa de circuito impreso muestra las conexiones lógicas entre cada componente. En otras palabras, especifica qué patillas de cada componente deben conectarse entre sí. Una vez especificadas todas las conexiones necesarias, el siguiente paso del proceso de diseño es especificar cómo deben realizarse físicamente las conexiones en una placa de circuito impreso.
DISEÑO DE LAPLACA Una vez completado el diseño esquemático, hay que especificar la forma de la placa de circuito impreso, colocar cada componente en la placa y realizar cada conexión definida en los esquemas dibujando trazas de cobre entre cada patilla: Todo esto se realiza durante el diseño de la placa.
FABRICACIÓN / MONTAJE Una vez se ha completado el diseño de la placa (y todo se ha revisado y vuelto a revisar), se generan los archivos de fabricación. Además, si el montaje de la placa (soldar los componentes a la placa de circuito impreso) se subcontrata a una empresa de montaje, puede que sea necesario proporcionar especificaciones adicionales para garantizar que la placa se monta correctamente.
PRUEBA Una vez fabricada la placa y rellenada con los componentes, hay que probar el montaje final para comprobar que funciona correctamente. Desgraciadamente, la mayoría de las veces las pruebas revelan descuidos de diseño que no se detectaron en las revisiones de diseño. Los descubrimientos realizados en las pruebas suelen obligar a revisar los esquemas, el diseño o ambos.
Con la excepción de las posibles pruebas, cada paso del proceso de diseño/fabricación requiere el uso del software PCB CAD. La siguiente sección ofrece una breve visión general del software CAD y de cómo se utiliza.
Diseño asistido por ordenador (CAD )
Una rápida búsqueda en Internet revelará que la palabra "cad" es anticuada e informal y que su definición es "hombre que se comporta de forma deshonrosa, especialmente con una mujer". Esto es algo distinto de lo que estamos hablando.
En el mundo de la ingeniería, CAD significa diseño asistido por ordenador. Dependiendo de la aplicación, hay diferentes tipos de programas CAD; por ejemplo, algunos programas CAD son estrictamente para diseñar piezas mecánicas y otros pueden ser para diseñar placas de circuitos.
Nos interesan los programas CAD orientados a las placas de circuitos. Algunos ejemplos serían EAGLE, PADS, Altium y otros. No es raro que un CAD en particular tenga una versión gratuita disponible para aficionados; no sin sus limitaciones, las versiones gratuitas son generalmente suficientes para proyectos sencillos. En los ejemplos que se mostrarán en esta serie de blogs, se utilizará Altium; sin embargo, en lugar de centrarse en sus características, Altium se utilizará principalmente para ilustrar diferentes conceptos. Y también para mostrar algunas características.
Mi experiencia es principalmente con Altium, por lo que gran parte de lo que describo será con respecto a cómo se hacen las cosas en Altium; otros programas de CAD pueden realizar ciertas cosas de manera diferente, pero la idea general debe seguir existiendo de alguna forma.
En esta entrada del blog, voy a dar breves descripciones de algunos de los conceptos más importantes en el diseño CAD de PCB.
El primer concepto es la idea de un símbolo esquemático. El símbolo esquemático es una representación de un componente e incluye todos los pines del componente, así como otra información relevante, como el valor del componente (por ejemplo, una resistencia puede tener un valor de 100 ohmios o un condensador puede tener un valor de 100 nF). En la figura 2 se muestra un ejemplo de esquema de una resistencia .
Figura 2: Símbolo esquemático de una resistencia
El 300 debajo del símbolo indica que la resistencia es de 300 Ohmios; el R2 es el designador y es un identificador único de la pieza - no hay dos componentes en un proyecto que puedan tener el mismo designador.
El segundo concepto es la idea de una huella de PC B. La huella de PCB existe en la vista de diseño de PCB y, dentro de la vista de diseño, hay una representación 2D y una representación 3D; la representación 2D se utiliza principalmente para colocar los componentes en la placa y, a continuación, enrutar las conexiones. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de una huella de resistencia en la vista 2D .
Figura 3: Vista 2D de la huella de una resistencia
Los dos cuadrados rojos se llaman almohadillas y representan las áreas de cobre expuesto en la placa de circuito donde los terminales de la resistencia se conectan a la placa. El "1" y el "2" de las almohadillas indican los números de las patillas.
La figura 4 muestra la vista en 3D de la resistencia. La zona azul es la superficie de la placa de circuito impreso y los dos cuadrados dorados son las almohadillas.
Figura 4: Vista en 3D de la huella de una resistencia
No es crítico para el diseño de una PCB, pero cada vez más CAD incorporan el modelado 3D en la vista de diseño. Al crear una huella para una pieza determinada, el diseñador tiene la opción de añadir el modelo 3D del componente; el modelo 3D de muchos componentes se puede encontrar en línea, ya sea directamente del fabricante o de un sitio web de terceros que permite a los usuarios cargar sus propios modelos. Como he dicho, no es una función crítica para el diseño de placas de circuito impreso, pero, a medida que el diseño se vuelve más y más complejo, el modelado en 3D puede ser extremadamente útil para asegurarse de que los componentes no chocan con otros elementos del diseño, como una caja si el diseño tiene una.
Una de las principales funciones del CAD de PCB es vincular el símbolo esquemático con suhuella. Cada programa de CAD tiene su propia manera de lograr esto - una de las maneras en que Altium puede lograr la vinculación es con un archivo debiblioteca de base de datos en conjunto con una hoja de cálculo que incluye toda la información pertinente para un componente determinado: La entrada de la hoja de cálculo para un componente especifica el símbolo esquemático, así como la referencia de lahuella;la Biblioteca de Base de Datos toma esa información y vincula los dos dibujos juntos, vinculando el pin 1 del símbolo esquemático al pin 1 de la huella, el pin 2 al pin 2, etc.
Además, el diseñador puede especificar cualquier otra información relevante para un componente determinado en su entrada dela hoja de cálculo de la base de datos. Normalmente, durante el proceso de diseño, se seleccionan componentes con parámetros específicos y se hace necesario incluir esos detalles en la base de datos - estos parámetros pueden incluir números de pieza, valores, clasificaciones eléctricas, tolerancias, etc. La selección de piezas para un diseño es, en sí misma, un arte, y ofreceré una breve introducción al respecto en mi próxima entrada del blog sobre diseño esquemático.
La información que he dado en esta entrada apenas araña la superficie de todo lo que implica el CAD de PCB (recuerda: aparcamiento, no circuito de carreras); sin embargo, es información suficiente para servir de trampolín para mis próximas entradas. En mis próximas entradas, utilizaré un circuito muy simple para recorrer el diseño esquemático, luego el diseño de la placa y, por último, el proceso de fabricación y pruebas.
