Circuitos electrónicos
Analizaremos el proceso de construcción de los circuitos electrónicos (CI), sus elementos físicos y las herramientas que podremos utilizar para realizarlos.
Un circuito electrónico es un conjunto de componentes eléctricos o electrónicos, interconectados por medio de hilos conductores, con el objetivo de generar, transportar o procesar una señal eléctrica. Existen diferentes métodos para su construcción, dependiendo de su complejidad, del volumen de producción, y del tipo de componentes utilizados.
Los componentes
Dentro de un circuito, podemos encontrar una gran variedad de componentes, como fuentes de señal (sensores y micrófonos), fuentes de alimentación (baterías o la red domiciliaria), dispositivos eléctricos (bobinas, lámparas, resistores y capacitores), componentes electrónicos (diodos, transistores, circuitos integrados) y dispositivos mecánicos (llaves y conmutadores). Según el modo en que se monta un circuito, un componente puede ser de tecnología through hole (a través de orificio) o de montaje superficial.
El esquemático
Antes de comenzar con la construcción de cualquier circuito, debemos contar con un esquema circuital. El esquemático es una representación gráfica de un circuito electrónico. Muestra los diferentes componentes con su simbología asociada y sus conexiones. Podemos dibujarlo a mano alzada o emplear un software de captura de esquemático, como Eagle u Orcad.
La creación de un esquema circuital es clave, ya que cualquier error en la construcción derivará en el mal funcionamiento del circuito. Por esta razón, es recomendable dibujar el esquemático con un software para tal fin, lo que nos permitirá, en la mayoría de los programas disponibles, realizar una simulación del comportamiento real del circuito, predecir sus características antes de construirlo y generar el circuito impreso.
El PCB
Una vez que tenemos el esquemático, debemos construir físicamente el circuito. Generalmente, se monta mediante un circuito impreso o PCB (Printed Circuit Board). Es una tarjeta plástica que conecta eléctricamente los componentes del circuito a través de pistas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor (fenólico o epoxi). Actúa, también, como soporte de todo el circuito. A partir de un esquemático, el diseño del circuito impreso puede hacerse con un software como los mencionados anteriormente; éstos poseen muchísimas librerías con las formas físicas de los componentes (footprints), para facilitar el diseño. El trazado de las pistas (en el soft) puede realizarse de forma manual o automática.
Un PCB puede estar formado por múltiples capas conductoras (hasta 16). Esta tecnología se encuentra en los motherboards de PC, que son circuitos de alta complejidad, únicamente realizables mediante un equipamiento especializado y muy costoso. La mayoría de sus componentes son de montaje superficial y son colocados por un robot denominado pick and place. Para nosotros, un PCB de una o dos capas será más que suficiente para llevar a cabo nuestros proyectos.
La transferencia del trazado a la placa
Cuando el diseño está terminado, necesitamos pasarlo a la placa. Para ello, existen diversos métodos, pero prácticamente todos se hacen a partir de una lámina de cobre que cubre por completo el sustrato (placa virgen), donde luego se quita el cobre indeseado y se dejan los trazados diseñados. Este proceso se logra si utilizamos, primero, una máscara de trazado, que se obtiene al aplicar tintas (serigrafía), o mediante un proceso de fotograbado sobre la placa.
El Protoboard
Ésta es una excelente herramienta para experimentar por primera vez con circuitos electrónicos. Aquí, veremos su utilidad para montar prototipos de forma rápida y sencilla.
El protoboard es una placa plástica con orificios metalizados y conexiones eléctricas preestablecidas, que se utiliza como banco de pruebas para la realización de circuitos electrónicos sencillos. Es económica y se consigue en casas de electrónica. Su ventaja es que no requiere de soldaduras para interconectar los componentes, los cuales son simplemente insertados en los orificios para tal fin. La disposición de sus conexiones internas hace posible el montaje de cualquier circuito.
Accesorios útiles
Para el armado de los circuitos en el protoboard, recomendamos algunos accesorios que nos facilitarán la tarea.
Podemos llevar a cabo las conexiones entre puntos del circuito mediante un cable unifilar, es decir, alambre constituido por una sola pieza, como lo son el cable UTP (cable de red) y el multipar calibre 20 ó 22. Éstos poseen el diámetro adecuado para su inserción en el protoboard. Podemos usar el alambre sobrante de las patas de resistores y capacitores sólo para conexiones cortas, ya que no es un conductor aislado.
Debemos saber que existen componentes electrónicos que no pueden ser colocados directamente sobre el protoboard, como los potenciómetros e interruptores. En estos casos, soldaremos el cable unifilar a los pines de los componentes, para poder colocarlos en nuestro prototipo.
Para trabajar con los cables, manipular los componentes y montar prolijamente el circuito, es conveniente utilizar pequeñas pinzas, alicate y cúter.
Uso del Protoboard
Si queremos armar un circuito electrónico en el protoboard, debemos proceder ordenadamente para obtener resultados esperados. Para ello, necesitamos contar con ciertos materiales.
Primero, tenemos que disponer de un diagrama esquemático donde se encuentra el diseño del circuito. Debemos tener a mano todos los componentes electrónicos que forman el diseño.
Necesitamos cables unifilares calibre 20 ó 22 para realizar las conexiones. Además, precisamos algunas herramientas, como por ejemplo, una pinza, un alicate y un cúter nos servirán para trabajar los puentes de cable y colocar los componentes. Por último, nos será útil de un multímetro para evaluar el funcionamiento del circuito.
Alimentación del circuito
En los dos bordes de mayor longitud del protoboard se hallan las líneas o buses de alimentación. En rojo, tenemos la línea de tensión de alimentación (Vcc) y, en azul, la de masa de circuito (Gnd). Es bueno hacer un puente entre ambos Vcc y otro puente entre ambos Gnd. En algunos protoboards, estas líneas están divididas a la mitad en un mismo extremo y es conveniente conectarlas también. De esta manera, tendremos energía a ambos lados y a lo largo de la tarjeta cuando conectemos la fuente de alimentación a estas líneas.
Colocación de componentes
Los primeros componentes que tenemos que colocar son los circuitos integrados o chips. Recordemos que el protoboard dispone de un surco o canal central para tal fin.
El chip debe quedar sobre el canal central y paralelo a éste, con sus pines insertados a los orificios que bordean el surco. Así, nos aseguramos de que no exista un cortocircuito entre los pines del circuito integrado. Si observamos el chip desde arriba, vemos que tiene una pequeña muesca. A la izquierda, se encuentra el pin número uno. Debemos consultar la hoja de datos del componente para conocer la función de cada uno de sus pines y no correr el riesgo de dañar el circuito integrado por una conexión incorrecta. Además, para simplificar el circuito, debemos colocar todos los chips en la misma dirección.
Para colocar resistores, capacitores, diodos y transistores fácilmente, podemos usar una pinza con la que doblar sus patas. También podemos acortárselas con un cúter. De esta manera evitaremos que queden demasiado elevados por encima del protoboard.
Debemos tener en cuenta que hay componentes que poseen polaridad. Esto quiere decir que tienen una pata etiquetada como [+] (positiva) y otra como [-] (negativa). Las resistencias no poseen esta característica y tenemos la posibilidad de conectarlas de cualquier manera. No olvidemos considerar los rangos de operación de cada componente, es decir, las especificaciones de potencia, tensión y corriente máxima.
Recomendaciones
Damos a conocer algunos consejos finales para montar un circuito electrónico en el protoboard y no fracasar en el intento.
- Debemos planear la distribución de los componentes en la tarjeta y tratar de que no se produzcan concentraciones de éstos en una zona.
- Tenemos que asegurarnos de interconectar los componentes correctamente. Aunque pueda parecer obvio, con esta indicación, queremos afianzar la idea de utilizar siempre el esquemático como guía para realizar el montaje: es importante que tachemos las conexiones en el diagrama a medida que las vamos dibujando sobre el circuito.
- Es fundamental que utilicemos cables de la menor longitud posible para disminuir los problemas de ruido. Es mejor que estén aislados para evitar cortocircuitos con las patas de los componentes y con otros cables.
- Tratemos de utilizar cables de diferentes colores en zonas donde se concentran muchas conexiones.
- En caso de mal funcionamiento del circuito, revisemos, primero, las conexiones de alimentación y, luego, los falsos contactos en el resto del circuito. Si no podemos solucionar el problema, montemos el circuito en otra zona del protoboard.
