El cableado de PCB es el proceso más laborioso y tedioso de todo el diseño de PCB, lo que afecta directamente su rendimiento. En este artículo, abordaremos algunas reglas básicas que deben seguirse durante el proceso de cableado de PCB.
Algunas reglas que deben seguirse en el diseño del cableado de PCB
- Reglas de biselado
Evite ángulos agudos y rectos en el diseño de PCB, ya que generarán radiación innecesaria y reducirán el rendimiento del proceso.
- Reglas de desacoplamiento de dispositivos
Incorpore los condensadores de desacoplamiento necesarios en la PCB para filtrar las señales de interferencia en la fuente de alimentación y estabilizar su señal. Se recomienda conectar la fuente de alimentación al pin de alimentación después de pasar por el condensador de filtro.
- Reglas del bucle de tierra
La regla del bucle mínimo, es decir, el área del bucle formada por la línea de señal y su bucle debe ser lo más pequeña posible. Cuanto menor sea el área del bucle, menor será la radiación externa y la interferencia recibida del exterior.
- Reglas de protección de apantallamiento
Al igual que la regla del bucle del cable de tierra, se trata de minimizar el área del bucle de la señal tanto como sea posible, lo cual es más común en algunas señales importantes, como las señales de reloj y las señales de sincronización. Para señales particularmente importantes y de alta frecuencia, se debe considerar el diseño de la estructura de blindaje del cable del eje de cobre. Es decir, los cables están aislados de arriba a abajo y de izquierda a derecha con cables de tierra. También se debe considerar cómo combinar eficazmente el blindaje de tierra con el plano de tierra real.
- Regla de 3W
Para reducir la diafonía entre cables, la separación entre ellos debe ser lo suficientemente amplia. Cuando la separación entre los cables no es inferior a tres veces su ancho, se puede evitar que el 70 % de los campos eléctricos interfieran entre sí, lo que se conoce como la regla de 3W. Si el 98 % de los campos eléctricos no interfieren entre sí, se puede utilizar una separación de 10 W.
- Regla de 20H
Dado que el campo eléctrico entre la capa de alimentación y la capa de tierra varía, la interferencia electromagnética se irradiará hacia el exterior en el borde de la placa. Esto se denomina efecto de borde. La solución consiste en contraer la capa de alimentación para que el campo eléctrico solo se conduzca dentro del rango de la capa de tierra. Considerando un H (el espesor del dieléctrico entre la fuente de alimentación y la tierra) como unidad, si la contracción interna es de 20H, el 70 % del campo eléctrico puede limitarse al borde de la capa de tierra; si la contracción interna es de 100H, puede limitarse el 98 % del campo eléctrico.
¿Cuáles son los requisitos para la secuencia de cableado de PCB?
Para lograr el mejor cableado de la PCB, la secuencia de cableado debe determinarse según la sensibilidad de las distintas líneas de señal a la diafonía y los requisitos de retardo de transmisión. Las líneas de señal que se enruten preferentemente deben tener sus líneas de interconexión lo más cortas posible. Generalmente, el cableado debe realizarse en el siguiente orden:
-
Líneas de señal analógicas pequeñas;
-
Líneas de señal y líneas de señal pequeñas particularmente sensibles a la diafonía;
-
Líneas de señal de reloj del sistema;
-
Líneas de señal con altos requisitos de retardo de transmisión:
-
Líneas de señal general;
-
Líneas de potencial estático u otras líneas auxiliares.
¿Cómo calcular el ancho de pista de la PCB?
Calcular el ancho correcto de pista de la PCB es vital para garantizar el funcionamiento seguro del circuito. Las pistas demasiado estrechas pueden sobrecalentarse o fallar con corrientes elevadas. Recuerdo mi primer proyecto de PCB para un pequeño robot. Usé pistas delgadas para las líneas de alimentación del motor y se fundieron en minutos. Ese error me enseñó la importancia de hacerlo bien.
Este es el proceso básico:
-
Determinar la corriente máxima: Esto depende de los componentes. Por ejemplo, un LED podría consumir 20 mA, pero un motor podría consumir varios amperios. Utilizo un multímetro para medir la corriente en circuitos existentes o para consultar las hojas de datos de los componentes en busca de nuevos diseños.
-
Conocer el grosor del cobre: La mayoría de las PCB utilizan cobre de 35 μm (1 oz) o 70 μm (2 oz). Un cobre más grueso maneja más corriente. Una pista de 35 μm puede transportar aproximadamente 1,5 veces más corriente que una de 28 μm con el mismo ancho.
-
Decidir el aumento de temperatura: Un objetivo común es un aumento de 10 °C o 20 °C. Un aumento de temperatura mayor es peligroso para los componentes sensibles. Para un amplificador estéreo de coche que construí, busqué 10 °C para evitar el sobrecalentamiento en un espacio reducido.
Hay dos formas principales de calcular el ancho de pista:
Fórmulas: El estándar IPC-2152 tiene una fórmula que relaciona la corriente, el ancho de la pista, el grosor del cobre y el aumento de temperatura. Por ejemplo, para 1 oz de cobre y 1 A con un aumento de 10 °C, la fórmula podría sugerir ~10 milésimas de pulgada (0,25 mm). Para 5 A, podría ser ~50 milésimas de pulgada (1,27 mm).
- Calculadoras en línea: Herramientas como las de ExpressPCB o ADC son más sencillas. Simplemente introduzca la corriente, el grosor del cobre y el aumento de temperatura. Siempre redondeo el resultado al ancho estándar más cercano (por ejemplo, 12 milésimas de pulgada en lugar de 10 milésimas de pulgada) por seguridad.
No olvide la caída de tensión ni la longitud de la pista. Las pistas largas (de más de 10 cm) para circuitos de baja tensión (como 3,3 V) pueden perder una cantidad significativa de tensión debido a la resistencia. En un proyecto con un sensor WiFi, una pista de 15 cm para 5 V provocó una caída de 0,5 V hasta que la amplié a 20 milésimas de pulgada.
¿Cómo leer PCBs e identificar componentes?
Leer una PCB empieza por comprender sus etiquetas y componentes. Una vez pasé horas reparando un router averiado identificando los componentes uno por uno. Aquí te explico cómo:
- Usa la capa de serigrafía
La serigrafía (normalmente blanca sobre la PCB) etiqueta cada componente con un código:
- R1, R2...: Resistencias
- C1, C2...: Condensadores
- U1, U2...: Circuitos integrados (CI)
- Q1, Q2...: Transistores
- D1, D2...: Diodos
En una PCB vieja de un cargador USB, vi "C5" cerca de un componente cilíndrico con un signo "-", así que supe que era un condensador electrolítico.
- Identificar componentes por su apariencia
-
Resistencias: Las resistencias de orificio pasante tienen bandas de color. Por ejemplo, marrón - negro - rojo - dorado = 1 kΩ ±5 %. Las resistencias de montaje superficial tienen códigos numéricos como "10⁻⁴" = 100 kΩ (10 x 10⁻⁴).
-
Condensadores: Los condensadores cerámicos son pequeños y rectangulares (a menudo con un código "C"). Los condensadores electrolíticos son más grandes, cilíndricos y tienen marcas de polaridad.
-
CI: Tienen muchos pines y un número de pieza (p. ej., "ATmega328" es un microcontrolador Arduino). Busco los números de pieza en Digi-Key o Mouser para encontrar las hojas de datos.
-
Transistores: La mayoría tienen tres terminales. Los transistores NPN (como el 2N2222) son comunes en amplificadores; los PNP (como el 2N3906) en circuitos de conmutación.
- Usar herramientas de ayuda
-
Multímetro: Pruebe la resistencia (para resistencias), la capacitancia (para condensadores) o el modo diodo (para comprobar diodos). Una vez lo usé para encontrar una resistencia defectuosa que parecía estar bien, pero cuyo valor se había desviado.
-
Lupa/microscopio USB: Ayudan a leer etiquetas diminutas en componentes de montaje superficial. Utilizo un microscopio USB de $20 para ver códigos como "225" en un condensador de tamaño 0402 (2,2 μF).
-
Esquema (si está disponible): Compare las etiquetas de la PCB con el esquema. Si no hay esquema, rastree las conexiones con el modo de continuidad del multímetro.
- Comprender los patrones de diseño de PCB
- Componentes de potencia: Los reguladores de voltaje (p. ej., LM7805), los condensadores grandes y los fusibles se encuentran cerca de la entrada de alimentación.
- CI principales: Los microcontroladores o procesadores suelen estar en el centro, con componentes más pequeños (resistencias, condensadores) a su alrededor.
- Conectores: Los puertos USB, los cabezales o los interruptores se encuentran en los bordes. En una PCB HAT de Raspberry Pi, el cabezal GPIO está claramente etiquetado en el borde.
Conclusión
Dominar estas habilidades lleva tiempo, pero cada proyecto te dará confianza. Al calcular el ancho de pista, prioriza siempre la seguridad sobre el ancho mínimo. Al leer PCB, empieza con placas sencillas y ve avanzando gradualmente a las más complejas.
Todavía recuerdo la primera vez que convertí con éxito una PCB en el esquema de una lámpara rota. Ver el circuito en papel hizo evidente la reparación: una resistencia defectuosa se había fundido. Con estas habilidades, puedes solucionar problemas, modificar y crear componentes electrónicos con confianza. Sigue practicando y no dudes en pedir ayuda o buscar recursos cuando te atasques. ¡Feliz soldadura!
