CURSO DE ELECTRONICA LECCION 22º Circuitos impresos

22/ Circuitos impresos

Existen muchos dibujadores de circuitos impresos. Quizás tantos como simuladores. Yo elegí el PCB Wizard que es el dibujador del Live Wire por su sencillez.
Hay que hacer dos circuitos; uno bien claro para el técnico donde pueda seguir las señales con facilidad y otro que este bien claro para el dibujador para que sepa por donde pasar las pistas sin que se produzcan cruces. Doble trabajo dirá Ud. No lo creo, sígame hasta el final y va a ver que fácil es dibujar un circuito impreso cuando todo comienza bien aunque al principio parece que se demora más.
¿Y cuál es el criterio para evaluar un buen circuito impreso? ¿la prolijidad? No, si bien la prolijidad es importante, es mucho más importante

• un buen diseño de las conexiones de masa y de fuente
  
• separar bien las entradas y las salidas
  
• darle a la plaqueta el tamaño y la forma justas
  

El circuito dibujado en Live Wire

En su momento le enseñamos a utilizar el LW y realizamos algunos ejercicios con él. Es tan simple de usar que creo que no vale la pena repasar su utilización. Directamente vamos a tomar el último circuito de nuestro amplificador en puente y vamos a redibujarlo teniendo en cuenta que no se deben usar símbolos de masa o de fuente sino unir las masas con una pista y las fuentes con otra. Por simple convención elegimos pasar las masas por la parte inferior del circuito y las fuentes por la parte superior mirando el circuito por el lado del cobre y teniendo (también por convención) las entradas a la izquierda y las salidas a la derecha.
Mirando el circuito observamos una evidente repetición. En efecto se trata de dos amplificadores exactamente iguales conectados en puente, que solo comparten el transistor inversor y el control de volumen. Desde todo punto de vista conviene dividir el proyecto en un canal amplificador simple con inversor y luego utilizando dos plaquetas armar la disposición en puente. De este modo tenemos un amplificador de 2W con parlante de 8 Ohms y otro de 4W con parlante de 4 Ohms usando una sola plaqueta. Un amplificador de 8W con parlante de 8 Ohms y otro de 16W con parlante de 4 Ohms usando dos plaquetas en puente. Con la misma plaqueta podemos armar 4 dispositivos y lo podemos hacer gradualmente para no realizar toda la inversión de golpe.
En la figura 1 se puede observar el circuito en WB del amplificador simple.
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Fig.1 Amplificador de múltiple uso
Como se puede observar el circuito esta preparado para ser usado solitariamente ya que se le agregó el capacitor de salida para parlante C6 (con posibilidad de puentearlo) y se le dio la posibilidad de armar el inversor y el control de volumen, o entrar directamente a C3. en la figura 2se puede observar el circuito en LW listo para diseñar el circuito impreso en PCB Wizard.
Observe que el potenciómetro de control de volumen se reemplazó por un conector ya que el mismo debe ser accesible al usuario y no puede estar sobre la plaqueta.
Para armar una salida en puente la idea es armar una plaqueta con el transistor inversor y la otra sin el transistor inversor. Luego, de la bornera de entrada, sacar una señal invertida para enviarla a la entrada de la plaqueta que no tiene transistor inversor. En esta plaqueta se debe realizar el puente de entrada sobre el potenciómetro. En la sección de salida solo hay que dejar sin colocar el capacitor electrolítico C6, reemplazarlo con un puente de alambre y conectar el parlante entre las dos salidas de parlantes.
Para armar un amplificador de salida simple solo hay que armar una plaqueta con el capacitor C6 y no poner el puente de entrada.
Cuando tengamos el impreso terminado vamos a realizar un layout que va aclarar mas el tema. Antes de realizar el circuito impreso es conveniente realizar una prueba ligera de la plaqueta múltiple para estar seguro de no haber cometido ningún error.
Nota: el LW no tiene regulador de 9V por lo tanto se colocó un transistor que tuviera el mismo encapsulado en su reemplazo.
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Fig.2 Circuito para diseñar el impreso

Pasando al dibujador PCB Wizard

Abra el PCB Wizard y luego vuelva al LW. Ingrese en la solapa tools (herramientas) como lo indica la figura 3.
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Fig.3 Comienzo de la migración al PCB Wizard
Si Ud. pulsa en “Design to Printed Circuit Board” aparece una pantalla como la indicada en la figura 3 que está preguntando si desea que el PCB Wizard resuelva el circuito preseteado por defecto o si desea modificar los parámetros de diseño. Probemos lo que nos propone el programa sin que debamos realizar ningún trabajo. Antes de entrar al PCB Wizard el programa nos vuelve a preguntar si deseamos ingresar. Conteste que si y observe:

1. El programa genera un rectángulo
   
2. Luego coloca todos los componentes en un borde unidos por líneas verdes que representan la red de pistas y se llaman “tiras de goma”.
   
3. Luego comienza a montar las borneras guiándose por circuito y coloca los transistores en lugares similares al circuito.
   
4. Por último cuando todos los materiales están montados comienza a probar el trazado de las pistas e intenta una solución con la menor cantidad posible de puentes de alambre. Observe que el programa no gira los componentes porque eso requiere una inteligencia que no tiene.
   

La solución propuesta mostrada en la figura  no es una maravilla pero debemos reconocer que nos llevó muy poco trabajo y el programa solo demoró 35 segundos en resolver el circuito impreso. Cuando Ud. quita el aviso de que se pudieron unir exitosamente el 100% de los componentes se llena con cobre la superficie de la plaqueta que no fue usada. Ingrese en Edit >Undo cooper area para que desaparezca ese cobre. Observamos que el programa utilizó dos puentes de cobre para resolver el impreso; nosotros intentaremos resolverlo sin puentes.
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Fig.4 Layout propuesto
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Fig.5 Layout propuesto
Existen dos modos de trabajo:

• Uno consiste en tratar de corregir el trabajo automático volviendo al punto en que todos los materiales están montados con tiras de goma haciendo tools>autorute>unroute all nets y comenzando a girar los materiales para evitar los cruces.
  
• Yo prefiero realizar el circuito impreso bajo un control directo poniendo los componentes uno por uno en la posición deseada y dándole a la plaqueta el tamaño mas adecuado ya que este puede cambiarse en cualquier momento. Además de ese modo podemos darle diferente ancho a las pistas de acuerdo con su función. Vamos a trabajar mas pero tendremos un trabajo mas profesional.
  

Cuando queremos pasar del LW al PCBW el programa nos preguntaba si queríamos el diseño automático.

1. Antes le respondimos afirmativamente, ahora le vamos a responder negativamente, para poder influenciar el desarrollo del trabajo.
   
2. La siguiente ventana nos pregunta si queremos decidir el tamaño de la plaqueta y que dimensiones deseamos. Yo le voy a poner un formato rectangular de 100 x 60 mm. y pulsar next.
   
3. Aparece un listado de materiales con las dimensiones físicas de los componentes y con la posibilidad de eliminar alguno que no se necesite.
   
4. Esta tabla es de fundamental utilización para realizar un diseño realista. Por ejemplo: todos los resistores que usamos en nuestro amplificador son de 1/8 de W así que de todos los tamaños propuesto en la lista (picando dos veces) elegimos el segundo que es de 7,6 mm de largo entre terminales (nota: en el primer renglo aparece el mismo resistor pero en montaje vertical).
   
5. Luego usamos cuatro electrolíticos de 10uF x 16V que realmente tienen 5mm de diámetro así que elegimos ese valor y así con todos los componentes picando luego en next.
   
6. La siguiente pantalla nos pregunta si nuestro circuito tiene alguna fuente o masa oculta (cuando se trabaja con compuertas las fuentes y las masas no salen en el circuito) contestamos que no y pulsamos next.
   
7. La siguiente pantalla nos pregunta varias cosas como por ejemplo si queremos que los componentes se sitúen automáticamente; al contestarle que no, desaparecen las otras preguntas relacionadas con el automatismo; otro next mas y aparece la pantalla final que pregunta si realmente se quiere hacer la conversión al PCB W.
   
8. Conteste “converter” y aparecerá en el PCB W observando el contorno elegido de la plaqueta y todos los materiales unidos por bandas de goma en la parte inferior de la misma.
   

El programa se queda esperando que Ud. tome, arrastre y suelte un componente en el lugar mas adecuado. Es decir que vamos a hacer lo mismo que hizo el PCB W en forma automática con la diferencia de que nosotros vamos a rotar los componentes para que no se produzcan cruces. Créame que no es algo difícil si Ud. ya tiene un circuito donde todo eso fue pensado con anterioridad.

1. Vamos a comenzar montando las borneras de entrada (gírela hasta que la pata marcada esté hacia abajo) y salida y luego los transistores, el regulador y el conector para el potenciómetro. Observe que sobre la pantalla existe una retícula de 2,5 mm que es la clásica de los fabricantes de circuito impresos para programar la perforación automática.
   
2. Monte todas las patas de los componentes sobre la retícula.
   
3. No se preocupe por tratar de ver si las bandas de goma se cruzan. Ud. trate de colocar los componentes de un modo similar al del circuito eléctrico preparado con anterioridad. Si en ese circuito no se cruzan cuando posteriormente le pida al PCB W que trace las pistas definitivas, el va a encontrar el camino adecuado. Recuerde que la vista que presenta el programa es desde el lado de componentes; esto implica que la masa esta en la parte superior del dibujo y la fuente en la parte inferior.
   
4. Cuando tenga la plaqueta armada y la mire desde el lado del cobre la masa va a estar del modo típico es decir abajo y las pistas de fuente arriba.
   
5. Cuando tenga todos los componentes colocados y orientados puede hacer una prueba de dibujo de las pistas.
   

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Fig.6 Indicaciones para generar el autoruteo
Va a observar que en unos segundos se produce un dibujo sin cruces de pistas que por supuesto debe mejorarse hasta lograr una versión definitiva.
No vamos a mostrarle todo el proceso, pero vamos a contarle como se llega a la versión definitiva. El primer impreso demostró que el tamaño de la plaqueta era demasiado grande así que la reducimos juntando los componentes. Ud. va a observar que cuando pica en un componente se desarma las pistas de circuito impreso y se vuelve a las bandas de gomas de la sección relacionada con el componente movido. En nuestro caso poco a poco volvimos al dibujo completo con bandas de gomas con los componentes mas concentrados. En realidad se puede pedir el redibujo de las pistas cada ves que se mueve un componente o moverlos todos y luego pedir el redibujo completo.
Para medir las dimensiones de la plaqueta se debe entrar en las solapas tal como lo indica la figura 7.
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Fig.7 Medición de las dimensiones de la plaqueta
Con esto se genera una cruz que ubicada en el ángulo inferior izquierdo permite realizar las mediciones con el cursor de los bordes derecho e inferior o de cualquier otro punto de la plaqueta. En nuestro caso llegamos a una dimensiones de 90 x 72 mm tal como puede observarse en la figura 8 en el modo normal o en la figura 9 en el modo “real world”.
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Fig.8 Circuito normal con la pistas corregidas a mano
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Fig.9 Layout de armado o "mundo real"
El alumno puede observar dos extrañas pistas en zigzag en la salida del amplificador. Normalmente en este lugar los amplificadores utilizan dos resistores de muy bajo valor. Nosotros los integramos al diseño del circuito impreso para abaratar costos.

Los disipadores

Los transistores Q1 y Q2 deben estar provistos de disipadores de aluminio que pueden comprarse en el comercio ya doblados o debe fabricarlos Ud. con chapa de aluminio de 2 mm de espesor. El tamaño del disipador depende de la potencia disipada en cada transistor. Y esta potencia puede ser estimada de acuerdo a la potencia de salida de nuestro amplificador. Recuerde que tenemos 4 posibles diseños de 2, 4, 8 y 16W. Piense que el rendimiento de estos amplificadores es de aproximadamente el 65% es decir que el 35% de la potencia de salida se transforma en calor y que cada transistor maneja el 17% de la potencia de salida. El amplificador de 2W no requiere disipador porque los transistores tienen una resistencia térmica de 62,5 ºC/W y si disipan el 17% de 2W. Por lo tanto están disipando 0,34W y producen una sobreelevación de
62,5 x 0,34 = 21,5 ºC
con su disipador incluido de fábrica.
El amplificador de 4W va a sobreelevar exactamente al doble, es decir 42ºC y tampoco necesita disipadores externos porque a una temperatura ambiente de 40ºC el chip va a llegar a
40ºC + 42ºC = 82 ºC
Los amplificadores de 8W y de 16W si requieren un disipador del tipo en U que se estima de una altura de 4 cm en el primer caso y de 8 cm en el segundo. Si no los puede comprar ya construidos deberá construirlos con chapa de alumnio de 2 mm en lo posible anodizada negra.
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Fig.10 Amplificador con disipadores
Nota: recuerde que los amplificadores para usar en puente son de dos modelos diferentes. En la figura mostramos el que posee el inversor y el control de volumen. El otro modelo posee disipadores similares.

Fabricación de las plaquetas de circuito impreso

Todos los materiales de nuestro amplificador se pueden conseguir en cualquier negocio de electrónica ya que son los componentes mas comunes de plaza. Quizás pueda tener alguna dificultad en conseguir el disipador pero tiene la alternativa de construirlo Ud. mismo.
Pero la plaqueta de circuito impreso es un componente especial que deberá fabricar a medida. Nosotros le vamos a dar el dibujo del circuito impreso y las dimensiones del mismo con este artículo. Ud. deberá asegurarse que la impresión de su maquina tenga las dimensiones adecuadas o deberá corregirlas hasta lograr la medida exacta.
De cualquier modo le aclaramos que una impresora de chorro de tinta no sirve para transferir el dibujo directamente a la plaqueta virgen de material fenólico cobreado. Se necesita una impresión láser de buena calidad sobre papel “ilustración” que es el utilizado para arte (no sirve el papel brillante con gelatina, del tipo fotográfico para maquinas de chorro de tinta).
Suponemos que la mayoría de los lectores van a sacar una copia en una impresora de chorro de tinta y luego la llevaran a un centro de copiado para que le hagan una copia en papel ilustración en una máquina láser con las dimensiones exactas de 90 mm de ancho por 72,4 de altura.
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Fig.11 Arte para la fabricación del circuito impreso
Recuerde que si va a armar el amplificador en puente necesita por lo menos dos plaquetas y por lo tanto dos copias. Nuestro consejo es que imprima por lo menos 10 dibujos ya que en el proceso que sigue puede tener dificultades cuando se lo realiza por primera vez.

1. Compre plaqueta virgen de material fenólico cobreado (es el material mas común) corte un trozo dos centímetros mas grande que las dimensiones de la copia
   
2. Hágale un fino pulido con lana de acero (en la Argentina se conoce como Virulana) agua y jabón en polvo.
   
3. Seque bien y apoye la cara activa de la copia (la que tiene el tonner) sobre el cobre brillante pegándola con cinta de papel.
   
4. Tome una plancha para ropa bien caliente y apóyela sobre la copia interponiendo un trapo húmedo.
   
5. Observará que el papel se pegará a la plaqueta y con un poco de práctica transferirá el dibujo.
   
6. Ahora debe sacar el papel utilizando agua jabón y un cepillo, sin sacar el dibujo transferido sobre el cobre. Si en el primer intento no obtiene buenos resultados insista que todo es cuestión de práctica.
   
7. Ahora se debe realizar el ataque del cobre expuesto sin afectar el cobre de la zona impresa. Para esto se debe colocar la plaqueta en un baño de cloruro férrico tibio que se compra en las casas de electrónica (pregunte si ya está diluido, o se lo debe diluir en agua) y mantener la solución reductora en continuo movimiento mientras se observa como desaparece el cobre.
   
8. Cuando el cobre está totalmente comido, se retira la plaqueta y se lava enérgicamente con agua y jabón.
   
9. Posteriormente se vuelve a pasar la viruta de acero para pulir las pistas.
   
10. Si deja la plaqueta sin protegerla con flux, en pocos días el cobre está atacado por el medio ambiente y no será soldable. Compre flux para plaquetas de circuito impreso o fabríquelo con polvo de piedras de resina colofónica (se compra en las buenas ferreterías) y alcohol isopropílico, comprado en una droguería.
    
11. Pinte la plaqueta con un pincel para arte y las pistas de cobre quedarán perfectamente protegidas y con muy buena soldabilidad.
    
12. Por último deberá agujerear la plaqueta con una mecha de 1 mm. Si no tiene un taladro de pequeñas dimensiones puede utilizar un motor giradiscos de CD o DVD. El eje es de 1,5 mm y su mecha es de 1 mm. Debe conseguir alambre de cobre desnudo (no esmaltado) de 0,8 a 1 mm aproximadamente y enroscarlo en la parte lisa de la mecha.
    
13. Luego debe retirar el tubito de alambre hacia atrás y agrandarle el diámetro hasta que entre en el eje del motor.
    
14. Cuando la mecha esté bien centrada tome el soldador y estañe el adaptador de diámetro que acaba de fabricar. Una fuente regulada y ajustable con la polaridad adecuada es lo único que necesita ahora para comenzar a perforar su plaqueta.
    

Conclusiones

Con todo lo indicado seguramente estará entretenido hasta el próximo mes. Creemos que ya puede ir armando las plaquetas aunque aun debemos explicar el detalle de cómo conectarlas en puente.
Pero puede armar un amplificador de 2W o de 4W e ir probándolo por su cuenta. Este curso se diferencia de otros en que no solo le enseñamos a armar equipos sino que le enseñamos a pensar y entender lo que está armando. Por eso lo animamos a seguir solo.
El único consejo que le damos es que deje el colector de uno de los transistores de salida desconectado y conecte un tester como mA para conectarlo. Conecte la fuente de 12V y ajuste la corriente a unos 10 mA aproximadamente con el preset VR3 sin ninguna señal de entrada. Ahora puede trabajar tranquilo que los transistores de salida no se van a recalentar.
Como fuente de señales puede usar la salida de audífono de una radio y como carga un parlante de 4 o de 8 Ohms; recordando que el amplificador simple necesita el capacitor electrolítico C6.
En la próxima lección vamos a completar nuestro proyecto del amplificador en puente y le vamos a enseñar a repararlo en caso de que se dañe. Su bajo costo es ideal como para que Ud. pueda practicar sin preocuparse de quemar algún costoso integrado o algún transistor especial. Recuerde que yo aseguro que nuestro amplificador es el mas barato del mundo, pero aun así nos va a brindar excelentes enseñanzas y el orgullo de decir a todo el que sube a su auto: “Este sistema de audio lo hice yo mismo con lo que aprendí gratis en Internet, en ElectronicaCompleta.com donde escribe el Ing. Picerno que es toda una autoridad en la materia”.