Diseño de PCB

El diseño de circuitos impresos, es una actividad muy curiosa. Se trata de hacer el diseño de las pistas de cobre de un circuito impreso de forma que queden conectados todos los terminales de los componentes que va a llevar el circuito. Por un lado hay que tener en cuenta las dimensiones exactas de cada componente para situarlos sin que interfieran unos con otros, y por otro lado establecer el diseño de pistas de cobre para unir sus terminales.

El problema es que las pistas de cobre no pueden cruzarse, con lo cual el problema es complejo y puede llegar a ser irresoluble. Una forma de facilitar el diseño es permitir la existencia de "puentes", es decir de alambres conductores situados por el lado de los componentes para unir pistas que de otro modo no se pueden conectar.

El problema es que no hay un método determinista para resolver este tipo de diseños. O sea que no se puede aplicar un método o algoritmo para llegar a una solución, así que funciona mejor una cierta dosis de intuición. Por supuesto, como es un problema muy general y conocido, existen bastantes programas de ordenador para el diseño de placas de circuito impreso (Printed Circuit Board o PCB), pero al no existir un algoritmo para hallar la solución, estos programas son complejos de manejar (necesitan la ayuda del humano para optimizar el diseño). Mi experiencia con este tipos de programas es muy limitada, y las pocas pruebas que he hecho no me han convencido en absoluto, seguramente por culpa mía que no sabía manejarlos, pero antes de lanzarme a gastar mi tiempo en aprenderlos, prefiero dedicarlo a solucionar manualmente los pocos circuitos con los que me enfrento.

Así que utilizo un programa de dibujo general, en este caso Paint Shop Pro, que me hace el oficio de regla y compás y diseño los circuitos de forma totalmente manual. La verdad es que si alguien me tuviese que pagar por hacer esto, mi rendimiento sería ruinoso, pero bueno, puedo diseñar un circuito de pequeño tamaño en unas pocas horas de trabajo.

Esta tarde he estado diseñando la placa para lo que será el demultiplexor, concretamente la parte que decodifica los bites bajos. Como ya he comentado, cada módulo lleva un microchip 74HC4514 y dos ULN2803. y es capaz de decodificar 16 señales.convirtiéndolas en salidas de 12 V capaces de actuar tanto sobre las bobinas de un desvío como sobre las bobinas de un relé.

Algo que no he comentado antes, es que las posibles 16 placas demultiplexoras que puede llegar a haber, no pueden ser precisamente idénticas, porque entonces todas actuarían igual y se trata de de que cada una actúe solo cuando se active un determinado bit de la primera etapa del demultiplexor. Hay muchas formas de hacer esto, pero me ha parecido que una forma "elegante" de hacerlo, es situar en cada placa un "pianillo", con el cual, en cada caso, ponemos en contacto el gatillo del demultiplexor con una de las 16 posibles vías de salida de la primera etapa. Dicho de una forma más técnica, ese pianillo establece la dirección de cada una de las placas para que cada una de ellas solo reconozca los datos que le corresponde procesar.

Bueno, pues los tres circuitos integrados, esos pianillos, y los conectores de entrada y salida son los elementos fundamentales de la placa. En la fotografía de cabecera vemos esos elementos situados sobre un esbozo en papel de lo que llegará a ser el diseño del circuito.

Unas pocas horas después, tenía listo el diseño del circuito, tal como se puede ver en la imagen anterior (para verla a su tamaño haga click en ella) La verdad es que esa imagen contiene dos placas, ya que puedo sacar dos placas de una sola placa virgen para PCB de 10 x 16 cm, que son las que suelo usar. En realidad cada placa individual será de 80 x 73 mm.

Bueno, pues después de esto, lo demás es el conocido proceso de imprimir el fotolito y hacer todo el procesado de las placas de PCB que ya expliqué en su momento.

Tengo que ver si tengo todos los elementos para fabricar las placas, ya que hace bastante tiempo que no me meto en "el laboratorio"

En todo caso parece que ahora he cogido un buen camino.

Quincalla electrónica

Quincalla: Conjunto de objetos de metal, generalmente de escaso valor.
 Del diccionariuo de la RAE

Bueno, precisamente de escaso valor... pero realmente siempre me asombra cómo es posible que uno de estos circuitos integrados, como los de la fotografía de cabecera, tenga un precio de alrededor de un euro, y en muchos todavía menos, teniendo en cuenta la increíble tecnología que es necesaria para su diseño y fabricación. Y otra cosa me asombra todavía más: ¿como es posible que a menos de media hora de mi casa tenga una tienda, donde me puedan vender sin problemas "un 74HC154, dos 74HC4514, cuatro ULN28003 y dos diodos Zenner de 15 Voltios, 1 Watio" y tengan existencias de todos ellos y de miles de elementos tanto o más extraños. ¿Tanta gente hay que se dedica a hacer chapuzas electrónicas caseras? ¿Y qué demonios es lo que hacen?

En todo caso, una vez superado del asombro que siempre me produce la facilidad con que se pueden comprar estos componentes, resulta que he comprado, en efecto, material para hacer dos módulos del demultiplexor, por lo tanto he comprado dos 74HC4514 y cuatro matrices de transistores ULN2803
y también el material para el módulo que decodifica los bytes altos. La tienda me ha resuelto la duda entre los dos posibles microchips, ya que solo tenían el 74HC154. Este material, incluyendo los dos diodos que llevará como protección, se ven claramente en la fotografía de cabecera.

¿Y eso es todo?, Pues no. Como comentaba el otro día, hay una serie de elementos adicionales, que no tienen ninguna función electrónica, pero que condicionan el diseño de todas las placas, ý que hacen que el resultado final sea práctico y no una maraña de elementos medio sueltos.

Me refiero a elementos como zócalos y conectores. Lo malo de estos elementos, es que hay muchos tipos y formas distintas, y es difícil decidirse por una "línea" Yo hasta ahora he empleado en los elementos electrónicos que he realizado para esta maqueta, tres sistemas: El llamado de "tira de pines" el método del cable plano, y el método de las clemas o bornas con tornillos. Ninguno de los tres sistemas me convence plenamente. Las tiras de pines son demasiado frágiles y no hay nada que impida enchufarlas al revés. Además requieren un trabajo artesano para que queden bien, como soldar al aire y colocar un termoretráctil en cada pin, y además hay que cortarlas al tamaño deseado con la Dremmel. En la fotografía de la izquierda se ven varias conexiones hechas con tiras de pines

Otra alternativa que también he usado, sobre todo cuando hay que conectar un número elevado de cables, es el cable plano. Este sistema tiene la ventaja de que es muy compacto, y se hace un conector con un montón de hilos en un momento, sin necesidad de soldar y ni siquiera de pelar los cables.

Sin embargo yo le veo dos inconvenientes: sus conectores son de doble fila de contactos, y están endemoniadamente juntos, de modo que el diseño de las placas de circuito impreso de complica mucho, al no poder pasar pistas de conexión entre los puntos de contacto. El otro inconveniente es que, al menos para mi cabeza, resulta siempre muy confuso saber a que pin va cada cable, y por menos de nada se hace un cable que cruza los hilos entre los dos enchufes terminales.

El tercer sistema es el de las clemas o bornas de tornillos. Es un sistema claro y robusto, pero quizá ocupa demasiado espacio, ya que de un contacto a otro hay 5 mm. Por otra parte poner bien los cablecillos requiere cuidado para que queden bien aprisionados por el tornillo, sin que queden fibras de cable sueltas que pueden hacer cortocircuitos. Yo normalmente sueldo los cablecillos, lo cual es un trabajo adicional. Y por supuesto para soltar o conectar los cables hay que aflojar o soltar un tornillo para cada cable, y si los soltamos, los cables se desordenan y hay que identificarlos nuevamente para volver a conectarlos. En la fotografía de la derecha vemos conectores de cable plano y conectores de clemas. Está claro que las clemas son apropiadas para cables más gruesos que los conectores de cable plano.

Por eso el otro día decía que, si de un módulo del demultiplexor salen cables hacia los desvíos, parece apropiado utilizar clemas, pero si hay que conectar una placa de relés, parece más apropiado utilizar cable plano, ya que estamos conectando una placa con otra placa contigua.

De hecho en la placa que he comprado a MicroPic, todos los conectores son para cable plano, así que ahí me veo forzado a utilizar cable plano, y por lo tanto usar a ese tipo de conexión en las placas del demultiplexor que reciban estas conexiones.

Pero como ya he dicho, el cable plano me resulta antipático, y las clemas demasiado voluminosas, así que aprovechando mi viaje a la tienda de electrónica he investigado algún otro tipo de conexión. Como resultado, de ésta investigación he traído unos conectores que me dicen que son conocidos como conectores Molex.

En realidad son un poco más que una tira de pines, y de hecho tienen el mismo paso que éstas (2,54 mm), pero tienen un sistema que evita conectarlas al revés y además al enchufarlas hay un cierre de click que asegura la unión.

Se fabrican con cualquier numero de contactos entre 2 y 20 en una sola fila, así que para probar he comprado unos cuantos de 10 contactos y también unos pocos de 4. Por otra parte las carcasas mantienen los hilos ordenados y separados sin posibilidad de cortocircuitos y no son necesarios los termoretráctiles. Son los conectores de color marfil, machos y hembras que se ven en la fotografía anterior. (los de color gris, claro y oscuro, son conectores de cable plano que he comprado para la conectar la placa de MicroPic.)

Nueva placa de comunicación

Hace como un año, escribí aquí un artículo titulado "Qué pena" en el cual me lamentaba de no haber llegado a tiempo para utilizar en mi sistema de control , la nueva placa de comunicaciones que la empresa MicroPik había sacado al mercado. La referencia de este producto es USB1188 y se puede ver en su página web.

Como el otro día decidí volver a retomar el tema de la electrónica, pensé que si decidía pasarme a esta alternativa, éste era el momento de hacerlo, así que me rasqué el bolsillo e hice el encargo a MicroPik. La verdad es que esta empresa siempre me han funcionado muy bien, y son serios y rápidos, así que ya tengo en mi poder la nueva placa, y lo atestigua la fotografía que aparece en la cabecera. (por cierto, las fotografías de su catálogo son bastante nefastas. así que uno tiene una agradable sorpresa al ver en la mano el buen aspecto y acabado de esta placa.)

Las ventajas de esta placa, respecto de la que utilicé inicialmente, son evidentes. La primera y más importante es que se conecta al ordenador por USB en lugar de utilizar el puerto serie. Esto es muy importante porque el puerto serie está desapareciendo de los nuevos ordenadores mientras que el standard de conexión por USB está cada vez más extendido. Otra ventaja relacionada con esto es que un ordenador, si tiene puerto serie, tiene uno solo, mientras que cada vez es más habitual encontrar al menos cuatro puertos USB hasta en los ordenadores más modestos. No quiere decir que no se pueda poner más de un puerto serie a un ordenador, pero esto siempre es complicado.

Por otra parte, el puerto USB proporciona la corriente de alimentación a la placa, de manera que nos podemos ahorrar la fuente de alimentación de 12 V que necesitaba la placa antigua. En mi caso mantendré la fuente de alimentación de 12 V para alimentar los desvíos y relés, pero ahora esa fuente será sólo para eso, y la placa tendrá su propia alimentación desde el ordenador. Esto puede evitar algún tipo de problema que podía haber surgido del hecho de utilizar la misma alimentación para aparatos digitales, como la placa y para aparatos analógicos como los desvíos y relés.

Sólo esto ya justifica más que de sobra la decisión de cambiar de placa de comunicaciones. Sin embargo hay todavía algunas ventajas más, que aunque todavía no he explorado, puede proporcionarme alguna característica útil en el futuro.

El número de entradas digitales pasa de 6 a 8 lo cual da un número de 256 posibles sensores. En la placa antigua tenía seis entradas, lo que me proporcionaba 64 posibilidades de detección. Si pensamos en utilizar esos sensores para detectar el paso de trenes con interruptores reed, parece que 64 son más que suficientes para cualquier maqueta, por grande que sea. Sin embargo se puede pensar también en otro uso para esos sensores. En seguida lo vemos.

Esta placa tiene también una entrada analógica. Es decir que se puede detectar, por ejemplo la posición de un potenciómetro. Con esto puedo hacer un mando manual, que permita manejar el programa con algo parecido al mando de una central digital, que maneja la velocidad de las locomotoras con un botón giratorio Además puedo añadir botoneras o teclados para manejar otras funciones, y para esto me vendrían muy bien el aumento de sensores digitales de 64 a 256.

Esto abre una posibilidad, todavía muy imprecisa de llegar a construir algún tipo de consola con mandos "mecánicos" tales como botones palancas y volantes para manejar al menos un tren de forma manual, con mandos que recuerden los de una locomotora real.

Y por último hay otra cosa que de momento no se qué alcance puede tener: El manual habla de una salida PWM . Como mis lectores saben, el sistema PWM (Modulación por ancho de pulso) es lo que yo uso para manejar las locomotoras, de manera que si esta placa produce directamente una salida PWM en función de las señales recibidas desde el ordenador, llevando esta señal a la base de un transistor adecuado tendría una salida de corriente pulsada, perfecta para alimentar las locomotoras. Evidentemente yo necesito al menos ocho salidas con estas características, pero habrá que estudiar el tema, porque puede ser un sistema mucho más sencillo para el manejo de las locomotoras.

..........Y además es mucho más pequeña que la anterior placa!!