Mejores proyectos con PCB: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Si ha pasado tiempo trabajando con proyectos de electrónica, entonces sabe lo divertido y emocionante que puede ser. Nada es más emocionante que ver cómo su circuito cobra vida ante sus ojos. Se vuelve aún más emocionante cuando su proyecto se convierte en un dispositivo útil que desea convertir en un elemento permanente en su hogar u oficina. Pero, ¿cuál es la mejor manera de lograrlo? La placa de pruebas ciertamente no es la respuesta, y construir un circuito complicado en una placa proto puede volverse bastante tedioso. Ambas herramientas tienen su lugar, pero no son ideales para una producción realista.

¿La solución? Realice su proyecto utilizando una PCB (placa de circuito impreso). Con el número de fabricantes y aficionados que crece día a día, los fabricantes están haciendo que los servicios de nivel profesional estén disponibles (y sean asequibles) para todos. Hubo un tiempo en que era increíblemente caro diseñar y fabricar PCB. Con software CAD de alta calidad disponible de forma gratuita en algunos casos, y fábricas que fabrican pequeños prototipos de placas por tan solo $ 5 más gastos de envío. Hay muy pocas razones para no aprovechar estos servicios.

Mi objetivo es llevarlos a través de este proyecto a un alto nivel. Debido a que cada software CAD es ligeramente diferente, necesitará recopilar algunos conocimientos de otras fuentes para que esto suceda. Publicaré enlaces a algunos recursos que encontré útiles. Antes de que se preocupe por el tiempo que lleva aprender estas habilidades, permítame decirle que comencé con cero conocimientos y experiencia, y que estaba haciendo diseños exitosos después de pasar menos de 8 horas aprendiendo de los recursos en línea.

Personalmente, he utilizado los tres paquetes de software CAD, pero le recomiendo que mire estos videos de introducción para tener una idea de cómo está configurado cada uno de ellos.

• Introducción a KICAD
• Seminario web de introducción a Eagle CAD
• Introducción a Altium

El Doctor Peter Dalmaris tiene un excelente curso basado en KICAD que he completado y lo recomiendo mucho si ese es el software que eliges. Sus explicaciones sobre cómo funcionan todas las funciones son fáciles de seguir y muy completas. Aquí hay un enlace a su clase en Tech Explorations.

Otra opción a considerar (aunque esta no es una que yo haya usado) es EasyEDA. He visto a otros fabricantes usar este software en línea para hacer algunos diseños muy sólidos.

¡Vamos a diseñar!

Suministros

• PC con software CAD
• Soldador
• Flujo
• 1 módulo ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (paquete SOIC)
• Regulador de 5 voltios (L7805)
• Regulador de 3,3 voltios (AP2114H)
• conector de barril de CC genérico para un enchufe de 2,1 mm
• Cabezales de clavija macho o hembra (opcional)
• Horno tostador y pasta de soldar (opcional)
• Taladro (opcional)

Paso 1: planificación y diseño

Es muy importante tener una base sólida para cualquier proyecto. Dedicar un poco de tiempo a la planificación puede ahorrarle horas de frustración en el futuro.

Un buen lugar para comenzar es crear una lista de funciones y características que desea que tenga su diseño. La siguiente es la lista que usé cuando creé este proyecto de ejemplo.

• Una placa basada en ESP-32 compatible con los diseños ESP-32 existentes
• Más pines digitales que el kit de desarrollo ESP-32 estándar
• Disponible 5v y 3v3 para alimentar accesorios conectados a la PCB
• Un puerto de programación para poder actualizar la unidad en el futuro
• La capacidad de funcionar con una entrada de 6 a 12 voltios.

El segundo es recopilar una lista de las piezas que desea utilizar y encontrar una fuente disponible. Lo último que desea hacer es hacer una PCB para la que no pueda comprar las piezas. También debe recopilar las hojas de datos del fabricante para cada pieza que planea usar (créame, esto es MUY importante y explicaré por qué más adelante).

Finalmente, recopile las notas y los dibujos que ya haya creado para este diseño. Esto incluiría cualquier restricción física que pueda tener. Por ejemplo, le gustaría que su placa sea compatible con un escudo Arduino o que se ajuste dentro de una carcasa específica. Toda esta información será necesaria en varios pasos del proceso.

Paso 2: Esquema de PCB usando CAD

¡Comencemos a hacer nuestro esquema!

En general, me gusta agregar todas mis partes al esquema y distribuirlas de una manera que tenga sentido para mí. En este punto, donde los coloca no tiene ningún impacto en la ubicación física en la PCB, por lo que puede usar esa flexibilidad a su favor. Si no tiene huellas para todos sus componentes, le recomiendo encarecidamente SnapEDA y Ultralibrarian. Estos recursos tienen una increíble selección de piezas disponibles para casi todos los programas de CAD que esté utilizando. Simplemente busque el número de pieza del componente y descargue los archivos correspondientes. Tienen tutoriales que le enseñan cómo importar estos archivos si aún no sabe cómo hacerlo.

Antes de conectar las piezas, es mejor comprobar la precisión de los pines de cada componente. Es por eso que tener las hojas de datos de las piezas es importante, he tenido lotes completos de PCB arruinados (¿recuerdas esas horas de frustración?) Porque me salté este paso. Si no hizo la pieza usted mismo (y a veces incluso si lo hizo), SIEMPRE verifique dos veces.

Cuando va a cablear su esquema, he encontrado que es beneficioso usar etiquetas de red para hacer las conexiones. Si tiene una gran cantidad de cables en todos los sentidos, entonces se vuelve difícil de seguir y también aumenta las posibilidades de hacer una conexión en un lugar donde no debería (más horas de frustración). Un equilibrio de cables y etiquetas de red suele ser lo mejor, solo asegúrese de utilizar una lista de etiquetas de red que tengan sentido para cualquier otra persona que observe el diseño. Esto le facilitará la vida si vuelve a este diseño en el futuro y desea realizar cambios o solucionar problemas del diseño original.

El esquema también es un buen lugar para dejar notas sobre cómo se supone que funcionan varias partes del circuito. Esta es una buena manera de realizar un seguimiento de todos los detalles necesarios para que la cosa funcione como debería. Un ejemplo en este proyecto es que se requiere un puente entre el pin de habilitación del módulo ESP y el suministro de 3.3v para la programación. Si bien este probablemente no es el único lugar donde debe documentar ese tipo de información, definitivamente es bueno tener el hábito de escribir TODO.

Dale a tu esquema una buena inspección antes de pasar al siguiente paso. Esto debe ser correcto para que el proceso de diseño de PCB se desarrolle sin problemas. Un enfoque lento y metódico siempre le dará el mejor resultado final. Repase las notas que pueda tener y verifique cada una de ellas con el esquema.

Paso 3: diseño de PCB

Antes de comenzar a organizar nuestros componentes, es mejor mirar las huellas y asegurarse de que sean correctas para las piezas que desea utilizar. Por ejemplo, algunas piezas tendrán disponibles variantes de orificio pasante y SMD, asegúrese de utilizar solo piezas que podrá instalar. El módulo EPS-32 tiene una almohadilla debajo que requerirá un manejo especial (más sobre esto más adelante). Solo asegúrese de tener un plan para estas situaciones. Después de seleccionar los paquetes adecuados para nuestros componentes, debe verificar nuevamente los pines de cada parte con la hoja de datos (¿ha notado una tendencia aquí?) Créame cuando digo que estos pueden estar equivocados y que será un largo día. si tiene que rastrear estos problemas más adelante

Al organizar sus componentes, asegúrese de tener en cuenta cualquiera de las limitaciones físicas que mencioné anteriormente. En algunos casos, puede ser necesario que coloque ciertas partes primero porque su ubicación es crítica y que se ajuste a todo lo demás a su alrededor. Recuerde colocar las piezas que estén conectadas juntas, pero también deje suficiente espacio para trabajar durante el ensamblaje. Si tiene un gabinete específico que planea usar, podría tener sentido crear primero el perfil de la placa y los orificios de perforación.

Después de que todos sus componentes estén ubicados donde los desea, es hora de comenzar a enrutar sus pistas. Hay algunos puntos clave que debe recordar al hacer esto.

• El rastro más corto posible es generalmente el mejor
• Por lo general, más grande es mejor (especialmente para líneas de suministro de energía)
• Debe saber cuánta corriente debe manejar una pista determinada y asegurarse de que el tamaño que ha seleccionado pueda manejar esa cantidad de manera segura (este es un problema de seguridad muy importante, la sobrecorriente puede causar calentamiento y potencialmente ser un peligro de incendio)
• Sepa qué tolerancias puede mantener su fabricante y siga esas pautas. Aquí hay un enlace a la página de capacidades de un fabricante (su software CAD puede tener un verificador de reglas de diseño que lo alertará sobre cualquier lugar que no cumpla con un estándar que la fábrica pueda seguir)

Si bien el enrutamiento de pistas puede ser un rompecabezas divertido, a veces nuestros diseños pueden complicarse, lo que lo convierte en un desafío extremo. En esos casos, el uso de un software de enrutamiento automático puede ahorrarle mucho tiempo. Aquí hay un enlace a un enrutador automático que he usado en varios proyectos. El enrutador automático importa su proyecto y utiliza sus reglas de diseño para realizar los seguimientos adecuados para todas sus redes. Por lo general, dejaré que el enrutador automático haga su trabajo y luego cambiaré manualmente algunas cosas que quizás desee que sean diferentes. También puede enrutar los rastros que desea que estén en ubicaciones específicas, y el enrutador automático funcionará alrededor de esos rastros existentes como lo hace en las redes restantes.

Paso 4: Toques finales y preparación para la fabricación

Con las piezas colocadas y las pistas en funcionamiento, su PCB está casi lista para funcionar. Ahora es un buen momento para darle un buen repaso a todo el diseño. Siga los rastros utilizando el esquema como guía y asegúrese de que se hayan realizado todas las conexiones necesarias.

También debe considerar agregar gráficos a su tablero en la capa de serigrafía. Su nombre o la marca de otro fabricante es una buena manera de hacerles saber a los demás que se enorgullece de su trabajo. También creo en marcar la mayoría, si no todos, de mis puntos de conexión con su función. Esto ayuda cuando va a conectar el dispositivo después del ensamblaje y facilita que otros comprendan las funciones de estos puntos de conexión.

Otra cosa a considerar es marcar un identificador de revisión, especialmente si se trata de una placa que pretende hacer más de una vez. De esta manera, puede realizar cambios en el circuito en el futuro y decir de un vistazo con qué versión de la placa está trabajando.

Con todo eso hecho, es hora de trazar / exportar su diseño y enviarlo al fabricante. En general, estos serán archivos Gerber y, por lo general, todos deben almacenarse en una sola carpeta.zip. Esto es lo que cargará cuando realice su pedido de PCB.

Aquí hay un enlace a los archivos Gerber para mi proyecto de ejemplo en GitHub

Paso 5: Solicite sus PCB

Cada vez hay más opciones disponibles para esto que en el pasado. Es tan fácil que cualquiera puede hacer que sus diseños sean hechos profesionalmente por grandes fábricas y a un precio increíblemente razonable.

He diseñado más de 35 PCB y todos han sido producidos por JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Una muy buena empresa con la que nunca he tenido problemas de calidad. Aquí hay un enlace a un video que ofrece un recorrido por sus instalaciones y explica el proceso de fabricación de PCB en detalle. Tour por la fábrica

Vaya a su sitio web y comience una cotización. A continuación, cargue el.zip de sus archivos Gerber. Debería ver una representación de su diseño después de que se complete la carga. Elija su cantidad, color y cualquier otro criterio que le gustaría especificar en este momento. Entonces es una simple cuestión de proceder al pago. Puede cargar fácilmente sus propios archivos Gerber en un visor Gerber en línea gratuito y ver cómo se ven estos archivos cuando se procesan.

Normalmente trato de enviar varios diseños a la vez para combinarlos en el envío. Normalmente, esperaría recibirlos en 1-2 semanas después de realizar el pedido. Por supuesto, esto puede variar dependiendo de una variedad de factores, pero le brindarán actualizaciones sobre el progreso de sus pedidos a través de su sitio web y un número de seguimiento después de que se envíe su pedido.

Paso 6: ¡Construyémoslo

¡Es hora de montar!

¿Recuerda que antes mencioné que hay un truco para soldar el módulo ESP-32? Si observa la huella en la placa de circuito impreso, notará una almohadilla grande debajo del componente. Bueno, eso podría ser un desafío, pero tengo formas en las que puedes hacer el trabajo.

Opción 1: Use pasta de soldadura y un horno tostador pequeño.

Esto es realmente sencillo y definitivamente le dará los mejores resultados en general. Este video explica el proceso. Asegúrese de comprender los requisitos de temperatura de la pasta de soldadura que está utilizando, y obtendrá resultados bastante increíbles sin mucho esfuerzo. Esto se encargará de soldar la mayoría, si no todos, de los componentes SMD. Puntos de bonificación si su horno tostador proviene de una pila de chatarra y necesita ser reparado antes de usarlo.

Opción 2: ¡Fuera el taladro!

Esta opción definitivamente funcionará, pero no es la más ideal. Perforar con cuidado un pequeño orificio a través de la PCB en el centro de esta almohadilla le permitirá soldarlo desde la parte posterior de la placa como un componente de orificio pasante. Las cosas pueden salir mal con bastante facilidad con este enfoque, así que tómate tu tiempo y usa una broca de alta calidad. Si no tiene la intención de utilizar un proceso de horno de reflujo, podría manejar problemas como este en su diseño agregando un orificio pasante plateado en el centro de esta almohadilla. Esto le permitirá soldar con una plancha sin riesgo de dañar su placa.

Suelde las partes restantes del orificio pasante (y SMD si no usó el método de reflujo). Para los encabezados de los pines, soldaré un solo pin para mantenerlo en su lugar mientras doy la vuelta a la placa para asegurarme de que esté recta. También es bueno comprobar la soldadura con mucho cuidado en todas las piezas SMD con una lupa de algún tipo. Si encuentra algo que necesite retocar, use un poco de fundente (créame, esto hace una gran diferencia) y vuelva a calentar la junta de soldadura. En mi diseño de ejemplo, encontré que el módulo ESP-32 tenía varios lugares que necesitaban ser reelaborados. También tenga en cuenta que intencionalmente no agregué ningún encabezado de clavija a esta placa, eso se debe a que tengo la intención de soldar directamente los cables de mis dispositivos periféricos. Este no es siempre el mejor enfoque, pero para mi aplicación no es un problema.

¡Eso es todo! de principio a fin, tomamos un concepto de circuito e hicimos nuestro propio PCB personalizado para este proyecto. Una vez que lo domine, las posibilidades son casi infinitas. Espero que este Instructable le haya dado algunas buenas ideas y le haya señalado algunos recursos útiles para ayudarlo en su viaje de creación de PCB. ¡Gracias por leer!

¡Feliz preparación y no dejes salir el humo! (En serio necesita el humo mágico)