sábado, 11 de abril de 2015

Circuitos sencillos (y IV)



En el artículo anterior, acababa con una opción para construir uno de estos circuitos de señalización de desvíos, hecho con la técnica de la placa perforada. En mi opinión cualquiera con un poco de habilidad puede construir ese circuito, sin necesidad de herramientas ni equipos especiales.

Sin embargo, existe otra posibilidad más avanzada, que consiste en crear una placa de PCB específica para este circuito.

En el artículo PCB DIY expliqué paso a paso la técnica que yo uso para construir circuitos impresos, por lo que no la voy a repetir aquí. Hay una parte de diseño del circuito, que allí se explica mediante un programa de dibujo, pero si disponemos de un programa de diseño de circuitos tal como Eagle o Proteus, esta labor se simplifica (y sobre todo se evitan errores).

Algo importante, es que un circuito impreso puede ser de una sola cara, o de dos. Los de una sola cara tienen sólo pistas de cobre por la parte inferior y los componentes se colocan en la cara superior, pasando los terminales por taladros hasta la cara inferior, donde se sueldan. Los de dos caras tienen además pistas de cobre por la cara superior. Los componentes (en general) se siguen situando solo en la parte superior y soldándose en la inferior, de manera que la parte de circuito que hay en la cara superior debe comunicarse con la inferior.

En mi opinión, la construcción casera de circuitos impresos,  solo resulta abordable para circuitos de una sola cara. En algún caso he intentado hacer circuitos a dos caras (Más difícil todavía) pero me he encontrado con dos problemas: El primero es garantizar que la impresión del circuito en ambas caras está perfectamente alineada, lo cual es delicado pero factible. El segundo problema es que en teoría CADA TALADRO de la placa debe comunicar eléctricamente las pistas de la cara superior con la inferior. Esto es muy difícil de conseguir y es una fuente de problemas. Hay que tener en cuenta que cualquier placa medianamente complicada tiene cientos de taladros.

Así que si se puede hacer un diseño de una sola cara, es fácil construirlo artesanalmente, pero los de dos caras resulta casi imposible. A mi al menos, asi me lo ha parecido cuando lo he intentado.

El problema es que diseñar un circuito de una sola cara es, en la mayoría de los casos sencillamente imposible. Así que ni el mejor programa nos va dar una solución para ello.

Tenemos sin embargo un truco para poder llegar a una solución: Hacer que el programa nos haga un circuito de una sola cara hasta donde pueda, y terminar manualmente el diseño mediante "puentes" de alambre por la cara superior. La siguiente imagen muestra esta solución aplicada al circuito que venimos utilizando:



Como vemos en la imagen, se ha dibujado en azul oscuro todo lo que sería el circuito impreso de la cara inferior de la placa, y luego manualmente he situado una serie de conexiones, representadas en rojo, que serían puentes de alambre a situar en la cara superior. Lo interesante es que ya no hay conexiones entre la cara superior y la inferior, porque los extremos de esos puentes atraviesan la placa y se sueldan a las pistas por la parte inferior, de forma similar a como lo hacíamos con las placas perforadas.

Podemos por lo tanto pedir al programa que nos imprima el fotolito y obtendremos algo como esto:


Usando esta imagen como fotolito podemos construir la placa de circuito impreso a una cara, utilizando las técnicas de  PCB DIY,  y montar el circuito sobre la placa así obtenida utilizando los puentes marcados en rojo en la figura anterior.

Así que esta es otra opción para el que quiera construir este circuito. El fotolito reproducido arriba es perfectamente válido para crear el PCB

Este tipo de construcción presenta una serie de ventajas respecto del sistema de la placa de pistas perforadas. La primera es que una vez obtenido el fotolito pueden reproducirse todas las placas que necesitemos, con facilidad y garantía de que son todas iguales, mientras que con las placas de tiras cada una es ejemplar único, y por lo tanto sujeto a errores.  Hay también otra ventaja: Las placas de tiras obligan a que todas las uniones eléctricas ya sean tiras de cobre o puentes sean horizontales o verticales. Esto desperdicia mucho espacio, y además obliga a "dar muchos rodeos" con lo cual las placas salen grandes. En el ejemplo que vimos la placa, que en definitiva lleva solo nueve componentes más los terminale,s era de un tamaño de 73 x 73 mm.  En cambio el diseño que acabamos de ver, con circuito impreso en una cara y puentes en la superior, ocupa sólo 52 x 57 mm

Existe una última forma de hacer circuitos impresos, y que es la que podríamos llamar "industrial". Lo mejor de este sistema es que los programas de diseño de PCB's están orientados a este procedimiento, de manera que aunque el resultado es mucho más complejo, la forma de llegar a él es mucho más sencilla. En las opciones anteriores, aun contando con la ayuda de un programa como Proteus he tenido que intervenir manualmente para llegar al resultado que quería. Si el circuito fuese más complicado que el que ha servido de ejemplo, esta labor habría resultado muy pesada.

En cambio para un circuito industrial el programa me lo hace todo. Como tengo la garantía de que lo hace bién, es decir que está garantizado que el diseño responde exactamente al esquema eléctrico, y de que tengo la solución en segundos, puedo hacer alternativas y probar opciones para obtener un resultado optimo.

Veamos cuál es el proceso para realizar este mismo "driver de desvíos" con un circuito para fabricación industrial.

En primer lugar, voy a completar el circuito: Ya vimos que el diseño que vengo utilizando tenía el problema de que no puedo usar sensores Hall para activar los desvíos. La causa es que un sensor Hall siempre cierra un circuito a masa, y el ULN2804 se activa con tensión alta.  Una solución elemental sería interponer un circuito de inversores en la entrada de este circuito, de manera que se invierta la señal. Sin embargo he decidido usar otra alternativa, que me resuelve este problema y me da además una opción adicional.

El circuito que voy a construir ahora responde a este esquema:



Como se puede ver, he añadido el circuito U4  (4011) que me proporciona cuatro puertas NAND de dos entradas. Como la salida de estas puertas es inversa de la entrada, ya tengo invertida la señal, de modo que los pulsadores funcionarán ahora por contacto a masa, con lo cual son ya válidos los Hall, y por supuesto los reed y cualquier otra cosa que ponga la entrada a cero voltios. La red de resistencias RP1 es para garantizar que las entradas estarán a valor alto mientras no se activan. Como el 4011 es también un circuito de tecnología CMOS, el consumo es despreciable, de modo que la misma solución de utilizar una pila para mantener la posición sigue siendo válida.

¿Pero, porqué dos puertas para cada entrada? Los lectores de este blog habrán reconocido enseguida que esto obedece a la posibilidad de que un desvío manejado con este "driver" responda a dos mandos distintos e independientes, por ejemplo a un mando manual desde tablero, y a un mando automático por sensores de vía, manteniendo la independencia de ambos sistemas)

Otra cosa que he hecho es poner un Jumper (JP1 en el esquema) que permite alimentar la parte de control o bién desde la pila, o bién desde la alimentación general a través del 7809. He perfeccionado un poco este circuito de alimentación utilizando condensadores de mayor capacidad (680 uF) y diodos para evitar que los condensadores se descarguen "hacia atrás" cuando la alimentación baje de voltaje. Recordemos que la alimentación general puede provenir de una CDU que sufre caídas de tensión muy importantes cuando su condensador se descarga al mover un desvío.

En definitiva, que he dejado el circuito ya muy completo, y sobre todo con más funcionalidades que el inicial. Sobre esto, hay una cuestión: En definitiva, para un usuario el utilizar este circuito, tal como lo hemos venido viendo hasta ahora, no aportaba otra ventaja que la posibilidad de tener señalización por leds en un tablero de mando. Por lo que se ve en los foros, hay muchos aficionados que querían una solución para tener esta señalización, pero salvo el caso de tener desvíos con finales de carrera, esta solución no es fácil. La solución clásica a este problema es poner un relé biestable conectado en paralelo con cada desvío. Sin embargo esa solución es complicada y cara por lo que me parece interesante la solución aportada ya que es más barata, aunque sigue siendo complicada, sobre todo si tenemos en cuenta el tema de la pila para mantener la memoria de la posición de los desvíos.

Asi que yo no se si se justifica plenamente utilizar el circuito tal como lo hemos estado viendo. Al menos tenemos la certeza de que el sistema funciona aún con una CDU manejando los desvíos, así que por ese lado también se da una solución a este caso. Evidentemente hay otra ventaja, y es que la corriente que activa los desvíos ha bajado a niveles ínfimos, por lo que un sensor Reed puede mover sin problemas varios desvíos. Pero esto, claro, es interesante solo para el que pretenda usar ese tipo de sensores.

Sin embargo, en mi opinión, la última vuelta de tuerca, al añadir la posibilidad de manejo por puertas lógicas y admitir la utilización de sensores Hall ya si aporta las suficientes ventajas como para justificar la utilización de este circuito para accionar los desvíos.

Pero por otro lado, el circuito se ha vuelto más complicado, con lo cual usar el método de las placas de tiras perforadas o el del circuito impreso a una cara, resulta cada vez más problemático.  Así que como ejemplo final, he querido mostrar cómo queda este último diseño en un circuito de tipo industrial creado por Proteus. Insisto en que hacer esto es mucho más fácil que todo lo anterior, porque el programa está previsto justamente para hacer esto.


Evidentemente la primera impresión es de no se ve nada. En efecto, en esta imagen se superponen mediante transparencia todas las capas que componen el diseño, que, de abajo a arriba, serán: El plano de masa (en blanco), la capa de cobre inferior (en azul), la capa de cobre superior (en rojo), la máscara de soldadura (en verde), y la serigrafía de componentes (en azul)

En alguna ocasión, cuando he presentado algunos circuitos en este blog, me han dicho algunos lectores que porqué no ponía los fotolitos para poder construir esos circuitos.

De un diseño en Proteus como el anterior, se pueden extraer desde luego las imágenes de lo que serían las caras de cobre superior e inferior. Sale algo asi:


Pero el problema es que estos "fotolitos" están previstos para construcción industrial, es decir, como antes decía para un tipo de construcción en que TODOS los taladros son conductores y garantizan por tanto el contacto eléctrico entre las dos caras en cada punto taladrado. De hecho, cada taladro lleva un minúsculo remache que comunica eléctricamente ambas caras. Naturalmente hacer esto de forma artesanal, resulta inabordable, de manera que, insisto, estos diseños industriales, no son válidos para construir artesanalmente un circuito de doble cara.

Realmente estas imágenes que serían los fotolitos para fotograbado de las dos caras del PCB, se pueden obtener del programa, pero la verdad es que los circuitos no se fabrican industrialmente a partir de imágenes. Lo cierto es que estos programas de diseño, realmente lo que hacen es obtener unos archivos que son puramente de texto con las instrucciones que requieren las máquinas de control numérico que son las que realmente fabrican los circuitos.

Simplemente como ilustración, reproduzco a continuación el principio de uno de estos archivos (denominados archivos Gerber)


Esto es lo que generan los programas de diseño de circuitos y lo que necesita cualquier fabricante de PCB´s para fabricarnos un circuito. Naturalmente esto no tiene utilidad ninguna para alguien que quiera hacer sus propios circuitos de forma manual.

El sistema de definir un PCB mediante los archivos Gerber se ha convertido en un standard industrial. Todos los programas que diseñan circuitos impresos tienen la opción de volcar el resultado en ficheros Gerber y todos los fabricantes industriales exigen recibir la definición de los circuitos a fabricar, en este formato.

La solución evidentemente, para todo el quiera ir a este tipo solución de tipo industrial, es que se haga con alguno de los programas de diseño de PCB (los hay gratuitos) de esta manera podrá generar y encargar la fabricación de sus propios circuitos, y si quiere reproducir alguno de mis diseños, puede utilizar el esquema eléctrico que yo siempre publico para meterlo en su programa de diseño y obtener a partir de él los archivos necesarios para su fabricación.

Bueno, una cosa que si que nos dan estos programas, es una bonita imagen en 3D de cómo va a quedar el circuito, y eso es lo que se ve en la imagen de cabecera de este artículo.

Una cosa interesante de un diseño de tipo industrial como éste es que los componentes se pueden situar en mucho menos espacio. Concretamente el diseño obtenido tiene unas dimensiones de sólamente 67 x 39 mm a pesar de tener un circuito integrado y algunos componentes más que los diseños anteriores.  El ahorro de espacio es importante, no sólo por ocupar menos sitio, sino porque los PCB's se cobran por superficie, de manera que al ser más pequeños son más baratos.


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