L13: PCBs: Placas de circuito impreso
- Tiempo: 2h
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Objetivos de la sesión:
- Entender el concepto de PCB
- Aprender la terminología básica sobre PCBs
- Saber más sobre el proceso de fabricación de circuitos impresos
- Puesta en marcha de Kicad
- Introducción
- Polímetro y continuidad
- Calculando un circuito para encender un LED
- Proceso de diseño: Del prototipo al PCB
- Puesta en marcha de Kicad
🚧 TODO 🚧
Cuando se construyen circuitos reales la herramienta más indispensable es el Medidor de continuidad: Nos permite conocer si dos puntos están eléctricamente conectados o no. Es una herramienta que nos permite detectar problemas. Si no hay conectividad eléctrica entre dos puntos puede ser que el cable o la pista estén rotos, o que las conexiones entre los elementos no se han realizado bien o tienen algún problema
Para medir la continuidad usamos el Polímetro. La mayoría de polímetros tienen una posición en la que emiten un sonido si hay continuidad
Los elementos que se conectan al polímetro para realizar las mediciones se denominan Sondas. En el extremo de cada sonda hay un extremo metálico que se denomina Punta. Es con el que se realiza la medición
Muchas veces no tenemos Manos suficientes para realizar la medición, por lo que resulta muy útil colocar unas Pinzas metálicas en las puntas, llamadas cocodrilos
Los cocodrilos tienen un muelle que hace que estén cerrados cuando no se aplica fuerza, lo que nos permite conectar cables muy fácilmente para realizar mediciones de cualquier tipo, no sólo de continuidad
En esta imagen vemos cómo se mide la continuidad de un cable dupont, utilizando los cocodrilos para agarrar los extremos. De esta forma no hay que usar las manos
Como ejemplo para practicar con placas reales y PCBs, vamos hacer el circuito más sencillo posible: Encender un LED. Lo primero es dibujar el esquema del circuito, y calcular los valores necesarios
El circuito para encender un LED es el siguiente:
Los esquemas son parecidos a los modelos alámbricos de los sitemas mecánicos: nos enseñan lo esencial del diseño, y nos permiten calcular cosas, pero para construirlos tenemos que añadir más detalles
En el esquema se han incluido los 3 elementos necesarios de nuestro circuito:
-
Conector: Para conectar nuestra Placa base (Arduino, FPGA) a nuestra placa con el LED necesitamos un conector. Usamos el más sencillo: dos pines machos verticales. Por un PIN del conector se introduce el negativo de la alimentación (
GND) y por el otro el valor de tensión a plicar al LED para encenderlo (V) -
Diodo LED. Es el elemento que se enciende. Tiene polaridad. Es decir, que hay que conectarlo con la orientación correcta para que se encienda
-
Resistencia de polarización. Es el elemento que limita la corriente que atraviesa el LED, y que viene determinada por el fabricante. Si el valor de la resistencia es muy bajo, circulará demasiada corriente por el LED y se romperá. Si el valor es muy alto, la corriente será baja y no lucirá correctamente. Será nuestra misión calcular el valor
Rde esta resistencia
Como Ingenieros tenemos que determinar qué LED usar, qué valor tendrá la tensión V de encendido del LED, y calcular el valor de la resistencia R
El valor de V dependerá de la placa base que estemos usando. Es la tensión que saldrá por sus pines, y que usaremos para encender el LED. Típicamente este valor será de 5 voltios. Tal es el caso del Arduino UNO y la Alhambra II. Pero también podría ser de 3.3voltios o incluso de 1.8 voltios
Para el ejemplo de esta sesión, queremos que la placa se conecte bien a un Arduino uno a la Alhambra-II FPGA, por lo que usaremos un valor de 5 Voltios
Lo siguiente es seleccionar el LED: color, tamaño, luminosidad... y lo más imporpante, obtener su Hoja de datos (Datasheet). En ella encontraremos todos los detalles que necesitamos para nuestro proyecto
Como ejemplo del típico LED utilizaremos esta Hoja de datos de un LED de Farnell
Note
Las hojas de datos son documentos técnicos, con muchísima información. Normalmente hay mucha más de la necesaria para realizar el proyecto. Por eso hay que buscar en ellos la información que necesitamos. Y muchas veces NO es fácil encontrarla
Echemos un vistazo a la primera página:
En ella encontramos los planos del LED, y vemos todos sus detalles
Note
Dado que los planos del LED están en la hoja de datos... ¿Serías capaz de modelar el LED en 3D? ¿Podrías sacar tus propios planos a partir de ese diseño 3D? Se deja como RETO
Vamos a fijarnos en dos medidas en concreto, que están marcadas en rojo:
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El diámetro del LED: 3mm. Es importante porque hay LEDs de varios diámetros. Los típicos son de 5mm y 3mm. Este diámetro, además, lo necesitamos si queremos empotrar el LED en un hueco. El LED de 3mm entra por un taladro de métrica 3
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Separación entre las patas del LED: 2.54mm. Recuerda este número: 2.54mm. ¿Por qué este número? Tradicionalmente los diseños electrónicos vienen del mundo sajón, donde emplean el sistema de medida imperial, que para la longitud es la pulgada. En los PCBs se utiliza la unidad mils, que son milésimas de pulgada. Pues bien, la distancia de las patas del LED es de 100 mils, que es igual a 2.54mm
¿Qué valor usamos para la resistencia R? ¿Cómo la calculamos? Para ello tenemos que mirar la hoja de datos del LED, para encontrar la corriente máxima que puede circular por el LED
A mayor corriente, más luce el LED. Pero hay un límite, que si se supera, el LED se rompe. Normalmente el fabricante proporciona el valor típico de la corriente, que es el que conviene utilizar. Vamos a buscarlo en la Hoja de datos
Lo encontramos en la primera página, en la tabla que pone Absolut maximu ratings. Vemos que la corriente máxima (
Aplicando la ley de ohm obtenemos la resistencia mínima
Como los valores de las resistencias están normalizados, no podemos utilizar el que queramos, utilizamos el valor más cercano superior a 167. Lo miramos en esta tabla:
El más cercano es 180. Por tanto tenemos que
Hemos hecho el cálculo para la corriente máxima. Sin embargo no conviene estar cerca del límite. Por ello el fabricante suele recomendar un valor típico. Vamos a buscarlo en la hoja de datos:
Lo encontramos camuflado en la segunda página. Vemos que el fabricante, para realizar las mediciones de otros parámetros, utiliza un valor típico de 20mA para la corriente que atraviesa el LED
Recalculamos el valor de la resistencia de polarización para una corriente de 20mA:
Obtenemos el valor de 220Ω, que es el que solemos ver en la mayoría de los diseños. Ahora ya sabemos de dónde sale ese valor 😉
El circuito nos queda así:
Para facilitar la conexión de LEDs, muchas placas incorporan la propia resistencia de polarización R. El objetivo fundamental es proteger los pines del procesador o la FPGA, de manera que la corriente máxima queda limitada
La ventaja de esto es que podemos conectar los LEDs directamente sin tener que añadir resistencias adicionales. Si se añaden no pasa nada: el LED se sigue encenciendo, aunque con una intensidad ligeramente inferior
Por tanto, el circuito mínimo para encender un LED es el siguiente:
Supongamos que queremos crear una placa periférica para conectar a nuestra FPGA, Arduino o placa controladora que estemos usando para construir nuestro robot. Esta placa puede ser cualquiera, incluida una muy compleja. Sin embargo, para simplificar las cosas utilizaremos como ejemplo un placa con LEDs
Así que nuestro objetivo es hacer una placa con dos o más LEDs, que se pueda conectar a nuestra placa base. El primer paso es diseñar el esquema del circuito. Lo conocemos con el nombre de esquemático
El esquemático lo crearemos con el programa Kicad. Sin embargo, todavía no lo sabemos manejar, y antes hay que introducir algunos conceptos. Así que primero lo dibujamos en una hoja, bien a mano, bien con el Inkscape. El objetivo es describir el circuito eléctricamente, y conocer qué componentes necesitamos, aunque todavía de manera genérica
Este circuito ya lo hemos hecho en el apartado anterior. Lo ampliamos a 2 LEDs:
Llega el momento de implementar el circuito. Una primera opción es montarlo en una Protoboard o placa de prototipado. Esta es la opción más rápida y no requiere soldar ningún componente. Es la opción perfecta para aprender, y montar muchos circuitos rápidamente. Pero por otro lado es una solución poco robusta. Los cables se sueltan con facilidad, y hay que tener mucho cuidado. No es una opción para tener un circuito permanente
Para hacer circuitos en placa de prototipado necesitamos los siguientes elementos
- Componentes del circuito: LEDs, resistencias, chips... esto depende del circuito que estemos realizando. En nuestro ejemplo sencillo necesitamos dos LEDs y un conector macho de 3 pines
- Cables: Para conectar eléctricamente los componentes
- Placa de prototipado: Es donde se Pinchan los componentes y los cables
Las placas de prototipado (Breadboard o protoboards) permite construir circuitos sencillos pinchando los componentes en ellas y uniéndolos mediante cables que también se pinchan en la propia placa, sin necesidad de soldar. Las hay de muchos tamaños. Una que se usa mucho es la versión mini, que tiene 170 agujeros distribuidos en dos bloques de 5 filas y 17 columnas
- Mini breadboard (0.9€): BricoGeek
Los agujeros están separados una distancia de 2.54mm (100mils) tanto horizontalmente como verticalmente. Recordemos que el LED tiene una separación de sus patas de exactamente esa cantidad: 2.54mm. Por ello se puede pinchar directamente en la protoboard sin doblar ni modificar las patas
Desde el punto de vista eléctrico, los agujeros que están agrupados por columnas son el mismo punto eléctrico. Es decir, que todos ellos están unidos. Lo podemos comprobar midiendo la continuidad con el polímetro
Los puntos situados en columnas diferentes están eléctricamente aislados
Son cables que ya están cortados a diferentes longitudes y doblados, listos para conectar nuestros componentes pinchados en la placa de prototipado
- Kit de 140 Cables puente (2.45€): Bricogeek
Son cables que tienen dos pines en sus extremos. Cada pin puede ser macho o hembra. En esta foto se muestran los dos tipos que vamos a usar: Cable Hembra-hembra y cable macho-hembra
En esta foto se ven más detalles
Tiras de conectores hembra, de 1 fila para soldar en placas de PCB. Los utilizaremos para construir placas que se puedan enchufar directamente a los pines machos de la Alhambra-II. Tienen un paso de 2.54mm (10 mils)
Se pueden comprar por separado, pero existen kits que incluyen además conectores macho rectos y acodados
- Kit de 60 Conectores de diferentes tipos: Amazon
🚧 TODO 🚧
Siguiendo el esquemático montamos el circuito prototipo con los 2 LEDs. Así es como queda
Para conectarlo a la placa base usamos 3 cables dupont hembra-hembra. Como estamos usando la protoboard, el conector macho de 3 pines en realidad NO ES NECESARIO. Podríamos usar directamente cables dupont macho-hembra, que pinchamos directamente en la protoboard
Sin embargo, para luego convertirlo en la placa final sí necesitamos definir un conector
(Foto de la placa conecatada a la Alhambra-II)
🚧 TODO 🚧
🚧 TODO 🚧 (DEBUG)
🚧 TODO 🚧 (DEBUG)
🚧 TODO 🚧 (DEBUG)
- Tipos de componentes: pasantes (through-hole) y montaje superficial (SMD)
- Placas: Simple cara, doble cara
- Cara superior (Front), cara inferior (Back)
- Taladros metalizados
- Vías
- Serigrafías
- CT.16: Conexión de LEDs en la Alhambra II. Placa AP‐LED8‐THT
- Arquitectura computadores: Circuitos cableados
KICAD es herramienta EDA que utilizaremos para el diseño de PCBs. Es una herramienta Libre y Multiplataforma, mantenida por la comunidad. Y que como todo este tipo de software, pertenece al Patrimonio tecnológico de la humanidad: Es un software de todos, que todos podemos utilizar, estudiar, modificar y distribuir
La versión que utilizaremos es la última estable: Kicad 8.0.6
Utiliza la web oficial de Kicad para instalarte la versión para tu sistema operativo. Pero para hacer una prueba rápida, y probarlo en los ordenadores del laboratorio descargaremos la Appimage de Kicad
En la web oficial de Kicad no está disponible la appimage, pero se puede descargar desde aquí: Kicad-8.0.6.Appimage
Luego le damos permisos de ejecución
Arrancamos Kicad. Si es la primera vez nos aparecerá la siguiente ventana:
Indicamos que queremos arrancar con la configuración por defecto, y pulsamos en OK
Se abre Kicad 8 y otra ventana para indicar si queremos que nos informe de las actualizaciones. Pulsamos en OK
Se nos abre la Pantalla principal de Kicad. En la parte superior es importante ver que pone Kicad 8
¡Estamos listos para empezar!