XiuaElectronics: Ruido eléctrico y los transitorios parte #03.

Buenos días, en el día de hoy vamos a ver la parte #03 de un tema que hemos venido tratando desde el año pasado, y es acerca de las diferentes fuentes que nos pueden generar ruido en un circuito eléctrico. Vamos a ver el ruido eléctrico generado por conducción. 

Acoplamiento Conductivo.

El ruido por acoplamiento conductivo se genera por que los conductores que utilizamos en los circuitos, o en general el cableado de estos poseen una impedancia finita. Un error muy común que los diseñadores de circuitos es que no tienen en cuenta la resistencia de los conductores. Se debe tener en cuenta el efecto de estas impedancias de cableado al diseñar un esquema de cableado. El acoplamiento conductivo puede eliminarse, minimizarse y/o reducirse eliminando los ciclos a tierra o GND (si los hay) y proporcionando retornos a tierra o GND separados para señales de alta potencia de bajo y alto nivel. En la siguiente imagen a se ilustra un esquema de conexión a tierra en serie que resulta en un acoplamiento conductivo.

Si la resistencia del cable de retorno común de A a B es 0.1 Ω, el voltaje medido del sensor de temperatura variaría en 0.1 Ω * 1 A = 100 mV, dependiendo de si el interruptor está cerrado o abierto. Esto se traduce en 10 ° de error en la medida de la temperatura. El circuito de la imagen b proporciona retornos a tierra separados; por lo tanto, la salida del sensor de temperatura medida no varía conforme se activa y desactiva la corriente en el circuito de carga pesada.

Mientras que todos los ruidos acoplados finalmente se refieren a la conducción del ruido, se utiliza generalmente este término al ruido acoplado por una conexión directa y galvanizada(metálica). Se incluye en esta categoría, los circuitos que han compartido los conductores (tales como neutrales o de tierra compartidos). La conducción del ruido puede ser alta frecuencia, pero también puede ser 60Hz. 

Ejemplos comunes de las conexiones que presentan ruido de corrientes directamente en la conexión a tierra:

• Sub-paneles con uniones extras G-N.
• Tomacorrientes mal cableadas con N y G conectadas.
• Equipo con dispositivos de protección internos en estado sólido que se han recortado desde la línea o desde el neutral a la conexión a tierra, ó que no han fallado pero que presentan derrame normal de corriente. Este derrame de corriente está limitado por la norma UL a 3.5 mA para equipos conectados a un enchufe, pero no existe limitante para los equipos cableados permanentemente con derrame de corrientes potencialmente más altos. (Se puede identificar fácilmente el derrame de corrientes porque desaparecerá cuando el dispositivo se encienda).
• Otro ejemplo común es la tan nombrada barra aislada de conexión atierra. Cuando se encuentra en un punto a tierra potencialmente diferente al electrodo de conexión a tierra de origen, entonces se origina una curva cerrada de corriente a tierra. Esto todavía se conoce como conducción del ruido, aunque la conexión directa sea a través de la tierra.
• Las conexiones Datacom que proporcionan una línea metálica desde una terminal a otra pueden también ser conductores del ruido. En el caso de conexiones no balanceadas con terminales sencillas (RS-232), la conexión a la terminal a tierra se hace al final de cada cable. Esto forma una línea de corrientes a tierra si el equipo,en cada terminal, tiene un origen de energía diferente con una conexión atierra diferente.

Bien estimados lectores, y esto seria todo por el día de hoy. Espero que les haya gustado. En la siguiente entrada trataremos el ruido generado por las frecuencias de radio o ruido radiativo.

Para ver las otras partes de este tema tan interesante ingresa al siguiente link: Fuentes de ruido eléctrico

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

Fuentes:

• https://dam-assets.fluke.com/s3fs-public/2815086_6120_ENG_A_W.PDF
• https://instrumentacionycontrol.net/efecto-de-ruido-en-los-circuitos-de-instrumentacion-criterios-para-minimizar-los-efectos/
• http://www.trainingconsultinggroup.com/tips/detail/-como-se-acopla-el-ruido-electrico-a-dispositivos-de-medicion-y-control-acoplamiento-galvanico
• http://www.smar.com/newsletter/marketing/index152.html
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• http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter-measures
• EMI - Interferência Eletromagnética, César Cassiolato
• Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação, César Cassiolato
• O uso de Canaletas Metálicas Minimizando as Correntes de Foucault em Instalações PROFIBUS, César Cassiolato
• Ruídos e Interferências em instalações Profibus, César Cassiolato
• Pesquisas en internet
• http://www.ni.com/product-documentation/3344/es/

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XiuaElectronics: Ruido eléctrico y los transitorios Parte #02

Buenas noches estimados lectores, en el día de hoy vamos a ver la segunda parte del tema que trabajamos en la entrada pasada, y es el ruido que se presenta en las diferentes etapas de nuestros proyectos. En la anterior entrada vimos lo concerniente a algunos conceptos básico para entender este tema, y tratamos sobre el acoplamiento capacitivo. Para esta entrada trabajaremos con el acoplamiento inductivo. Para el que es nuevo en mi blog le recomiendo que lo mire y estudie la anterior entrada correspondiente a el tema que trataremos el día de hoy. Pueden iniciar desde cero dando clic aquí: Ruido eléctrico. No siendo más, comencemos. 

Acoplamiento Inductivo.

este tipo de ruido tiene como fuente excitatriz fuentes electromagnéticas y/o también la corriente de un circuito y el campo magnético producido en este. Resulta que dentro de un circuito, cuando se produce un cambio de corriente, este cambio tiene como efecto la inducción de una corriente en otro circuito. Algunos  ejemplos comunes de las conexiones que presentan ruido de corrientes directamente en la conexión a tierra:

• Sub-paneles con uniones extras Tierra-Neutro
• Tomacorrientes mal cableadas con neutro y tierra conectadas
• Equipo con dispositivos de protección internos en estado sólido que se han recortado desde la línea o desde el neutro a la conexión a tierra, ó que no han fallado pero que presentan derrame normal de corriente. Este derrame de corriente está limitado por la norma UL a 3.5 mA para equipos conectados a un enchufe, pero no existe limitante para los equipos cableados permanentemente con derrame de corrientes potencialmente más altos. (Se puede identificar fácilmente el derrame de corrientes porque desaparecerá cuando el dispositivo se encienda)
• Otro ejemplo común es la tan nombrada barra aislada de conexión a tierra. Cuando se encuentra en un punto a tierra potencialmente diferente al electrodo de conexión a tierra de origen, entonces se origina una curva cerrada de corriente a tierra. Esto todavía se conoce como conducción del ruido, aunque la conexión directa sea a través de la tierra.
•  Las conexiones Datacom que proporcionan una línea metálica desde una terminal a otra pueden también ser conductores del ruido. En el caso de conexiones no balanceadas con terminales sencillas (RS-232), la conexión a la terminal a tierra se hace al final de cada cable. Esto forma una línea de corrientes a tierra si el equipo,en cada terminal, tiene un origen de energía diferente con una conexión atierra diferente.

El principio básico de inducción de corriente se da cuando el “cable perturbador” y el “cable victima”, son acompañados por un campo magnético. El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di/dt) y de la inductancia de acoplamiento mutuo.
El acoplamiento inductivo aumenta con:

• La frecuencia: la reactancia inductiva es directamente proporcional a la frecuencia (XL = 2pfL).
• La distancia entre los cables perturbador y víctima y la longitud de los cables que corren en paralelo.
• La altura de los cables con relación al plano de referencia (en relación al suelo).
• La impedancia de carga del cable o circuito perturbador.

Algunas medidas básicas para reducir el efecto de acoplamiento inductivo entre cables.

• Limite la longitud de los cables corriendo en paralelo.
• Aumente la distancia entre el cable perturbador y el cable victima.
• Conecte a tierra una de las extremidades de los “shields” de los dos cables.
• Reduzca el dv/dt del perturbador aumentando el tiempo de subida de la señal, siempre que sea posible (Resistores conectados en serie o resistores PTC en el cable perturbador, anillos de ferrita en los perturbadores y/o cable víctima).

Algunas medidas básicas para reducir el efecto de acoplamiento inductivo entre cable y campo.

• Limite la altura h del cable al plano de tierra.
• Siempre que sea posible coloque el cable junto a la superficie metálica.
• Use cables trenzados.Use ferritas y filtros de EMI.

Algunas medidas básicas para reducir el efecto de acoplamiento inductivo entre cable y loop a tierra.

• Reduzca la altura (h) y el largo del cabo.Siempre que sea posible ponga el cable junto a la superficie metálica.
• Use cables trenzados.
• En altas frecuencias, conexione a tierra el “shield” en dos puntos (cuidado!) y en bajas frecuencia en un solo punto solamente.

A continuación veremos una tabla en la cual podremos apreciar las distancias requeridas para garantizar la protección EMI:

Las interferencias Electromagnéticas pueden ser reducidas:

• Cable trenzado 
• Insolación Óptica
• Por el uso de canaletas y bandejas metálicas de conexión a tierra.

Espero que les haya gusta el tema del día de hoy. Estén pendientes que dentro de poco estaré publicado la parte #03 de este tema a través de este link donde hablaremos de acoplamiento conductivo. Para estudiar la primera parte de este tema, por favor ingresa al siguiente link: Parte #01

Para saber más acerca de este tema, en los enlaces de fuentes se encuentra toda esta información, ya que en muchos casos literalmente tome la información y la pegue acá sin editar ya que me no me pareció prudente algún cambio -pereza de resumir o reescribir-. Sin embargo respeto los derechos de autor anunciando las fuentes y diciendo que esta entrada así como otras contienen recopilación de diferentes autores sin hacer alusión a ellos solo al momento de incluir los recursos del presente.

Para ver las otras partes de este tema tan interesante ingresa al siguiente link: Fuentes de ruido eléctrico

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

Fuentes:

• https://dam-assets.fluke.com/s3fs-public/2815086_6120_ENG_A_W.PDF
• https://instrumentacionycontrol.net/efecto-de-ruido-en-los-circuitos-de-instrumentacion-criterios-para-minimizar-los-efectos/
• http://www.trainingconsultinggroup.com/tips/detail/-como-se-acopla-el-ruido-electrico-a-dispositivos-de-medicion-y-control-acoplamiento-galvanico
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XiuaElectronics: Ruido eléctrico y los transitorios Parte #01

Buenas noches estimados lectores, en el día de hoy vamos a ver un tema de gran importancia tanto para el sector eléctrico, como para el sector electrónico y de telecomunicaciones. Es el ruido que se presenta en las diferentes etapas de nuestros proyectos. En esta entrada veremos los conceptos claves para entender estos fenómenos que tanto dolor de cabeza nos produce, -- incluido -- y veremos las posibles causas; además de esto veremos los efectos del ruido eléctrico en las mediciones y algunas técnicas para evitarlos. Este tema estará dividido en varias partes, por consiguiente en la parte inferior de esta estrada estará el link de la siguiente parte y en las posteriores de la siguiente y de la anterior. No siendo más comencemos.

Ruido eléctrico y los transitorios

El ruido eléctrico son señales eléctricas no deseadas que se presentan en un circuito. Estas son aleatorias, es decir, se presentan de diferentes formas dependiendo del origen de estas. El ruido eléctrico se convierte en un problema ya que puede ocasionar perdidas o distorsión de la información en diferentes tipos de circuitos. Además de esto nos produce falsa información lo cual  nos puede provocar un accidente. un ejemplo de lo anterior es por ejemplo el manejo de un motor trifásico, el cual estará sujetando una cortina eléctrica, en el caso que se presente en la etapa de control una señal falsa, podría caerse esta cortina y si somos muy desafortunados caerá sobre alguien o sobre nosotros.

Lo anterior es solo uno de una gota en un mar de ejemplos el los cuales el ruido es un  factor a considerar para prevenir diferentes accidentes y/o desastres. Anteriormente nombramos la etapa de control, y esto por que para todo buen electrónico, su proyecto deberá tener una etapa de control, ya sea análoga o digital. Esta etapa es la más vulnerable, ya que trabaja con niveles bajos de tensión, y muchas veces el ruido se presenta en niveles bajos de tensión, pudiendo producir información errónea. Claro!, no siempre es baja, también puede ser alta, como los famosos picos de tensión. El radio de ruido-a-señal describe cuánto ruido puede tolerar un circuito antes que corrompa la señal y la información válidas. 

El ruido lo podemos definir en función a como se produce y como se acopla al circuito. En general, existen 5 tipos básico de acoplamientos de ruido los cuales son:

1. Capacitivo.
2. Inductivo.
3. Conductivo.
4. Frecuencia de radio.
5. Impedancia común.

Acoplamiento Capacitivo.

Nos referimos al ruido electrostático y es un efecto basado en el voltaje. La descarga del rayo es solamente un ejemplo extremo, esta descarga puede provocar daño en los transformadores y demás circuitos eléctricos cercanos. Cualquiera de los conductores separados por un material aislante (incluyendo el aire), constituye un capacitor, en otras palabras, la capacitancia es una parte inseparable de cualquier circuito. El potencial para el acoplamiento capacitivo se incrementa cuando la frecuencia aumenta (reactancia capacitiva, la cual puede ser la resistencia al acoplamiento capacitivo, disminuye con la frecuencia,como puede verse en la fórmula: Xc =1/2πƒC

De lo anterior, vemos que el acoplamiento capacitivo  es representado por la interacción de campos eléctricos entre conductores.  Un conductor pasa cerca a una fuente de ruido (fuente perturbadora), capta el ruido y lo transporta para otra parte del circuito (víctima o fuente perturbada).  Es el efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas eléctricas, separadas por un dieléctrico, o que llamamos efecto de la capacitancia mutua.

El efecto de campo eléctrico es proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la distancia.

El nivel de perturbación depende de las variaciones de la tensión (dv/dt) y el valor de capacitancia de acoplamiento entre el “cable perturbador” y el “cable víctima”.

La capacitancia de acoplamiento aumenta con:

• El inverso de la frecuencia:  La potencia para acoplamiento capacitivo aumenta de acuerdo con el aumento de la frecuencia (la reactancia capacitiva, que puede ser considerada como la resistencia del acoplamiento capacitivo, disminuye de acuerdo con la frecuencia y puede ser vista en la fórmula XC = 1/2pfC)
• La distancia entre los cables perturbadores y víctima y la longitud de los cables que corren en paralelo.
• La altura de los cables en relación al plan de referencia (en relación al suelo).
• La impedancia de entrada del circuito victima (circuito de alta impedancia de entrada son más vulnerables).
• El aislamiento del cable victima principalmente para paredes de cables fuertemente acoplados.

Técnicas para la reducción del ruido asociado con el acoplamiento capacitivo.

• Limite de la extensión de cables corriendo en paralelo.
• Aumente la distancia de los cables corriendo en paralelo.
• Conecte a tierra una de las extremidades de los shields en los dos cables.
• Reduzca el dv/dt de la señal perturbadora, aumentando el tiempo de subida de la señal, siempre que sea posible (bajando la frecuencia de la señal).
• Envuelva siempre que sea posible el conductor o equipo con material metálico (blindaje de Faraday). 
• Lo ideal es que cubra 100%  la parte a ser protegida y que se conecte a tierra este blindaje para que la capacitancia parásita entre el conductor y el blindaje no actué como elemento de realimentación o de crosstalk. Algunos cables poseen ya un blindaje interno para esto, como el cable UTP con blindaje. Un error habitual es que el cableador corte el blindaje restante de este cable y no lo lleve a tierra, por tal motivo no estaría protegiendo el control del acoplamiento capacitivo.

Espero que les haya gusta el tema del día de hoy. Estén pendientes que dentro de poco estaré publicado la parte #02 de este tema a través de este link donde hablaremos de acoplamiento inductivo

Para saber más acerca de este tema, en los enlaces de fuentes se encuentra toda esta información, ya que en muchos casos literalmente tome la información y la pegue acá sin editar ya que me no me pareció prudente algún cambio -pereza de resumir o reescribir-. Sin embargo respeto los derechos de autor anunciando las fuentes y diciendo que esta entrada así como otras contienen recopilación de diferentes autores sin hacer alusión a ellos solo al momento de incluir los recursos del presente.

Para ver las otras partes de este tema tan interesante ingresa al siguiente link: Fuentes de ruido eléctrico

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Fuentes:

• https://dam-assets.fluke.com/s3fs-public/2815086_6120_ENG_A_W.PDF
• https://instrumentacionycontrol.net/efecto-de-ruido-en-los-circuitos-de-instrumentacion-criterios-para-minimizar-los-efectos/
• http://www.trainingconsultinggroup.com/tips/detail/-como-se-acopla-el-ruido-electrico-a-dispositivos-de-medicion-y-control-acoplamiento-galvanico
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XiuaElectronics: Errores más comunes al momento de crear una PCB

Errores más comunes al momento de crear una PCB

Buenos días estimados lectores. En el día de hoy vamos a ver un tema de suma importancia, y es acerca de los errores más comunes que hay al momento de diseñar y quemar una PCB o un circuito electrónico. Comencemos.

Al momento de crear una PCB lo que hacemos es utilizar con software de diseño electrónico, lo cual si no se tiene un conocimiento adecuado del funcionamiento de este, podría generar errores en cuanto al trazado de rutas y/o distribución de los componentes.

Figura 1: Tarjeta electrónica con bloque de potencia
 y componentes correctamente disipados y espaciados

Distribución de los componentes

La distribución de los componentes se da dependiendo de la estética del circuito que se este manejando, así como el tamaño y tipos de componentes. Por ejemplo, si estamos diseñando un circuito el cual va a trabajar o va a circular bastante tensión y por tal razón la disipación de corriente tendrá un efecto térmico, deberemos asegurarnos que los componentes tengan un correcto flujo de aire y que estén disipados, (Figura 1). Muchas veces las personas por el afán de dejar una tarjeta electrónica lo más diminuta posible, lo que hace es diseñarla de tal forma que los componentes queden pegados un con el otro.Esto es un error muy frecuente, por que al calentarse los componentes lo que se esta haciendo es generar más calor del que se puede dispar y por tal motivo dañaran sus componentes o acortaran la vida útil de estos.

Figura 2: Separación del bloque digital y el bloque análogo

Separación de señales análogas y digitales

Se tiende a pensar que los componentes análogos y digitales se separan, con una tierra ranurada o separada, pero la realidad es que es más importante la ubicación adecuada, en especial no contaminar las pistas digitales, cuando pasan cerca de la parte análoga, se acoplan vertical u horizontalmente a una pista análoga (o viceversa), o cuando pasa una pista digital sobre una tierra o alimentación análoga (o viceversa), (Figura 2). Recordemos que acá hay un factor importante, y es el diferenciamiento de lo que son las pistas pertenecientes a la tierra, al retorno de linea y al VCC, por consiguiente también al momento de ubicar la parte analógica y la parte digital, deberemos tener en cuenta que cerca de estas partes o hayan retornos para así evitar tensiones parásitas que nos provoquen datos inexactos, por ejemplo en un ADC.

Figura 3: Pistas no ortogonales

Ángulo de ruteo de las pistas 

Figura 4: Pistas ortogonales

Los ángulos de las pistas casi siempre las diseñan de manera ortogonal, (Figura 4), y esto es algo incorrecto. El ángulo de ruteo deberá evitar a toda costa la ortogonalidad de las pistas de cobre, (Figura 3), para así evitar que se esto generaba un efecto antena de radiación o emisión electromagnética, debido al cambio de impedancia de la pista en el ángulo de 90º. Con el tiempo y estudios, se comprobó que esto es crítico para frecuencias mas allá de 50Mhz, por tanto es suficiente con trazar ángulos de 45º, para evitar, para ángulos mayores de 45º y menores de 90º se pueden presentar perdidas entre el 5 y el 9% de la señal. Sin embargo en frecuencias de 500Mhz o más, es recomendable que los trazos empiecen a ser redondeados o curvos.

Figura 5: Etiquetado de pistas VCC y GND

Diferenciar el GND, el VCC, y retornos de señales

Usualmente se rutean las pistas pensando en conectar simplemente puntos, nodos, pads o conexiones electrónicas, sin tener en cuenta, desde donde se distribuye y hacia adonde la alimentación, o por donde viaja y como retorna la señal. Se debe tener en cuenta como se traza la alimentación y las señales, y por donde está el retorno, tierra o GND de estas. (Texas Designer, 2005). Es necesario identificar por lo menos las pistas más importantes, como lo son la de alimentación, la tierra y las de adquisición de datos, (Figura 5). En el momento de verificar el correcto funcionamiento de un circuito esto será muy importante ya que en alguna posible falla, optaremos por ver el esquemático y analizar las pistas ya identificadas, para sí encontrar con brevedad el error del diseño.

Figura 6: Zona de cobre etiquetada como GND, y
 los pads correspondientes a los tornillos que travesearán la tarjeta

Zonas de cobre o planos a tierra

Esas zonas de cobre en circuitos de una o dos capas, o planos para circuitos multicapa, tienen las ventajas de reducir la impedancia parásita de la tierra, lo que reduce ampliamente las emisiones electromagnéticas no intencionales (EMI), así como mejorar el desempeño de los circuitos. Por lo general, estas zonas son las que más olvidan al momento de diseñar una PCB, y muchas veces al momento de quemar la baquela y montar y ensamblar el circuito, y posteriormente comprobar su funcionamiento, no trabajará como deseamos.
Además de lo anterior es de tener en cuenta el diseño mecánico al momento de crear las zona de tierra de nuestra tarjeta electrónica. Cuando diseñamos las cajas, o carcasas, deberemos por lo general optar por ajustar nuestra PCB a la base de la caja con tornillos, esto con el fin de aprovechar la tierra externa que nos esta dando la estructura de la caja y poder interconectarla con la tierra de nuestra tarjeta electrónica, (Figura 6). Esto para cuando la carcasa  la caja de nuestra tarjeta es de metal, o que en algún punto de su diseño haya alguna referencia de tierra. Entonces al momento de sujetar esta tarjeta a la base de la caja, tendrá que pasar por un agujero previamente planeado y diseñado de tal forma que nos proporcione una paca o zona de cobre un poco más ancho que el diámetro del tornillo, y asegurándonos que esta interconectado con la tierra del circuito. (No para todos los circuitos es necesario esto.).

Figura 7: Ancho de pistas con respecto a la intensidad soportada

Ancho de las pistas

Las pistas son como cables, en el cableado de una casa. En electrónica, la casa son los PCB, y las pistas sus cables. La capacidad de conducir la corriente en una pista está determinada por la temperatura, el espesor del cobre (altura de la pista) y el grosor o ancho de la pista, estos dos últimos se llaman sección cruzada o área de la pista (Área=grueso x ancho).
Si la pista no tiene el área cruzada adecuada, la pista se quema o no conduce la corriente. Usualmente se consigue en internet la siguiente tabla (Figura 7), donde explica que de acuerdo a la corriente que circulara por la pista, y el cambio de la temperatura que va a sufrir la pista, se elige un área cruzada, que corresponde a un ancho de la pista si la misma pista tiene un espesor definido. Para el ejemplo 1, para 1 amperio de corriente, con 1/2 onza de cobre (17 micrómetros, 0.0007”, le corresponde una pista de alrededor de 40 mils, 0.040” – 1mm) (Electronics Exchange, 2017). Según nuestra experiencia, es muy optimista esta tabla y se da en condiciones ideales o de laboratorio. En la vida diaria, y teniendo en cuenta el peor caso, que siempre ocurre, es mejor utilizar esta tabla (para 1 onza de cobre, 35 micrómetros).






Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz


Fuentes:

• Al Delta Innovación y tecnología. Curso virtual diseño de circuitos impresos PCB con normas Internacionales. www.aldelta.com.co 2015. Bogotá, Colombia. 
• Altera, resource center. https://www.altera.com/support/support-resources/support- centers/board-design-guidelines.html 2017. 
• Electronics Exchange. Julio 2017. https://electronics.stackexchange.com/questions/5403/standard-pcb-trace-widths 
• IPC Association Connecting Electronics Industries. (2003). IPC 2221 Generic Standar of printed board Design. Bannockburn, IL: IPC. 
• Mitzner, Krai . Complete PCB Design Using Orcad Capture and Layout. 2010. 
• Topology Planning and Routing, Dean Wiltshire, SDD product architect - Mentor Graphics Corporation 
• Qualiy Eco Circuits Py Ltda. (3 de 3 de 2015). PCB Design Guidelines. Recuperado el 1 de 1 de 2016, de http://www.qualiecocircuits.com.au/pcb-design-guidelines.htm 
• Texas Designer. (2005). Experiences in PCB Design. Texas: Self.

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XiuaElectronics: Consejos para tener en cuenta al momento de crear PCB profesional

Consejos para tener en cuenta al momento de crear PCB profesional

Buenos días estimados lectores. En el día de hoy vamos a ver un tema de suma importancia, y es acerca de algunos concejos básicos al momento de diseñar sus PCBs  sin importar el tipo que sea ni el software a utilizar. Comencemos.

Hoy en día con la proliferación de la tecnología, ha habido un aumento significativo de personas que adquieren conocimientos acerca de la electrónica. Por lo general, la gran mayoría aprende de una forma empírica, ya que por necesidad y tiempo se ven obligadas a buscar información en la red de como crear dispositivos electrónicos para poder así suplir sus necesidades. Por tal razón me veo obligado a orientar un poco en este tema, ya que al momento de crear dispositivos, las personas diseñan PCB sin seguir unas normas básicas y que esto último es muy esencial para que los dispositivos funcionen correctamente así que sin más preámbulos comencemos con el listado de normas básicas para poder crear una PCB de manera profesional.

Normas no reglamentadas para poder diseñar correctamente una PCB:

Figura 1: implementación de grid en diseño de pcb con el software Eagle 

1. En muchos softwares electrónicos implementas una funcionalidad que es el de la rejilla (grid); esta lo que hace es proporcionarnos una guiá para que podamos alinear y configurar a nuestro gusto los componentes que van a ir en ella, (Figura 1). En todos o la gran mayoría de softwares de diseño electrónico podemos configurar el tamaño de las rejillas tanto en pulgadas como en milímetros. Esta herramienta es demasiado útil para cuando estemos trabajando con componentes superficiales o muy pequeños.
2. El largo de las pistas y el distanciamiento que hay entre componentes debe ser lo más corto posible. Esto obedece a varias razones, una de esas son el consumo de materiales al momento de crear nuestra pcb. por ejemplo, se requiere más tiempo el crear o fabricar 1000 pcb de 10x10 cm a 100 pcb de 5x5 cm. Además que el coste energético, así como el de materiales utilizados. Además hay una razón más de tipo eléctrico, y esta es que se pueden generar corrientes parásitas en la pista de cobre, las cuales podrían afectar el funcionamiento del circuito. Esto es muy esencial para cuando estamos trabajando con circuitos ADC, DAC o cualquier circuito de altas frecuencias. Además hay que ver el cuidado del medio ambiente. Para generar una PCB estamos utilizando ácido férrico, o nítrico en su efecto. Dependiendo su elección. Esto puede generar problemas ambientales graves, y más cuando son vertidos a las aguas residuales o a un río. Mi consejo para el medio ambiente y su cuidado es que siempre traten de utilizar métodos como la extrusión del cobre inservible a través de una ruteadora CNC y por lo general intenten aprovechar correctamente los químicos (Antisolder, ácidos, estaño liquido, etc) que se utilizan para no afectar nuestro medios ambientales.
3. Un error común que todos cometemos, y en ese error me incluyo, es que en el momento de crear nuestra pcb no tenemos en cuenta la tierra del circuito. Es indispensable poner una mascara contra tierra de tal forma que las corrientes parasitarias aterricen en ella. Además que ayuda al flujo de tensión por el circuito, llevando a que las impedancias sean mínimas.  
4. Como mencionamos anteriormente, lo adecuado es dejar las pistas lo más cortas posibles. También en ciertos circuitos es necesario implementar un arreglo de condensadores, cristales, resistencias y demás para su correcto funcionamiento, un ejemplo de ellos son los típicos circuitos  de microcontroladores. En este caso, los microcontroladores dependen de una frecuencia que es generada por un cristal y un arreglo de condensadores. Esto cuando se trabaja con reloj externo. Podemos ver en la figura 2 como la placa de Arduino uno implementa lo mencionado en este punto. Tratan de dejarlo más cerca posible los arreglos del microcontrolador para optimizar espacio y recursos.

   

   Figura 2: circuito básico del Atmega 328p de una placa de Arduino uno. Configuración con reloj externo.

5. Una recomendación en cuanto a los componentes utilizados en el diseño y creación de la pcb es que deben tener en cuenta que los componentes estén disponibles en el mercado. Esto evitará perdidas innecesarias de tiempo.
6. Siempre es necesario tener en cuenta las reglas DRC (Design rules check) para el diseño de PCB. Por lo general los software de diseño electrónico poseen una función que nos permite evaluar el diseño que estamos creando y así verificar el DRC de nuestra PCB. En Eagle es (Figura 3).

Figura 3: función DRC de Eagle Autodesk 9.2

1. 7. Utilizar serigrafia preferentemente de una forma inteligente. Hacer las anotaciones pertinentes sin importan que  posteriormente los componentes tapen o cubran las anotaciones. esto sirve para el fácil ensamble de los componentes en la pcb.
2. 8. Verifique su diseño pcb en algún software 3D para poder así observar los detalles de como quedará su tarjeta y probablemente evitar errores en ella.
3. 9. Es recomendable crear una pcb de tipo modular, siempre o casi siempre. Esto con el fin de que sus tarjetas se les pueda añadir nueva hardware, algo muy parecido a las board de los computadores. Esto tiene muchos beneficios, entre ellos, reutilización de materiales, y componentes. Cuidado con el medio ambiente al evitar botar una tarjeta desactualizada. Continuidad de soporte para un producto y dependencia de un cliente.
4. 10. Evitar a toda costa la ortogonalidad de las pistas de cobre para así evitar que se  esto generaba un efecto antena de radiación o emisión electromagnética, debido al cambio de impedancia de la pista en el ángulo de 90º. Con el tiempo y estudios, se comprobó que esto es crítico para frecuencias mas allá de 50Mhz, por tanto es suficiente con trazar ángulos de 45º, para evitar, para ángulos mayores de 45º y menores de 90º se pueden presentar perdidas entre el 5 y el 9% de la señal. Sin embargo en frecuencias de 500Mhz o más, es recomendable que los trazos empiecen a ser redondeados o curvos

En general estos son algunos consejos muy útiles al momento de crear una PCB de manera profesional. Espero que los tomen en cuenta amigos. Esperen una proxima entrada de los errores más comunes al momento de diseñar una PCB. Esto es muy esencial para evitar futuros dolores de cabeza 😉.

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

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XiuaElectronics: Como eliminar el rebote generado por los pulsadores.

Como eliminar el rebote generado por los pulsadores.

Buenos días estimados lectores.

En el día de hoy vamos a tocar un tema muy importante y que muchos desconocemos  al momento de implementar un nuevo proyecto electrónico y/o eléctrico, y se trata del rebote que genera internamente los pulsadores de los circuitos electrónicos..

Figura 1

Rebote en interruptores mecánicos

Un problema que presentan los interruptores mecánicos es el del rebote de los interruptores. Cuando un interruptor mecánico se mueve para cerrar contactos, ya sea de tipo pulsadores u otro que supla esta función de conmutación manual, lo que sucede internamente es que un contacto se acerca a otro para poder así dar paso al flujo de corriente por el conductor tocándose el uno al otro. muchas veces este tipo de contactos conductores son de una lamina metálica elástica y al poseer esta propiedad hace que se produzca un rebote; entonces el contacto puede rebotar varias veces como se puede observar en la figura 1.

Figura 2

Interruptor normalmente cerrado y normalmente abierto

En la figura 2 podemos observar internamente los contactos metálicos elásticos que dan paso a la corriente a través de él. Existen 2 tipos de pulsadores, el normalmente cerrado y el normalmente abierto; en este caso el que tiene mayor probabilidad de generar un rebote es el normalmente abierto. 

Por lo general una vez hayamos obturado el pulsador o interruptor en un lapso de 20 milisegundos se produce un rebote, (figura 1). En el momento que se genera el rebote, cada rebote se puede considerar un contacto del pulsador; por ejemplo supongamos que estamos viendo la televisión, y los botones del control remoto fueran de tipo pulsador, entonces por ejemplo al momento de subir el volumen del televisor, nos subirá mucho más de lo deseado al momento de obturar, ya que si obturamos una vez, seguidamente el rebote generará varias obturaciones internas y por consiguiente nos repetirá la pulsación haciendo que se suba demasiado el volumen, y esto es algo que no hicimos intencionalmente.

Para poder evitar este tipo de circunstancias, por lo general podemos recurrir a arreglos de tipo software o también a través del hardware. Por ejemplo si usamos un software, por ejemplo en un microcontrolador podemos programarlo para que en el momento de pulsar el interruptor tenga que haber un lapso de 20 milisegundos de flujo de corriente por entre los contactos para así internamente el microcontrolador lo pueda tomar como una pulsación. Las pulsaciones que duren menos serán descartadas por este.  Un ejemplo de código sería:

• A través de software...

int i= 0;
LED= LATBbits.RB1= 0;

if (PORTBbits.RB0 == 1)
{
   i= i++;
}

if (i == '20')
{
  LED == 1; 
}

• A través de hardware...

Figura 3

Aunque en el anterior código hipotéticamente dijimos que el conteo se produce en milisegundos, en un microcontrolador no lo hará a no ser que que tengamos en cuenta el tiempo según la frecuencia en la que esta trabajando el microcontrolador y el tiempo que tienen de procesamiento las instrucciones. Lo anterior es un programa muy sencillo de implementar, aunque hay varios microcontroladores que tienen en cuenta esto. Además los pulsadores que se diseñan actualmente los hacen pensado en eliminar este efeto no deseado.

Figura 4

En el caso que no requeramos utilizar un microcontrolador y aún así necesitemos utilizar un pulsador de este tipo es necesario evitar el rebote a través de un flip-flop (circuito astable). (Figura 3).

La figura 3 muestra un circuito que elimina el rebote producido por un interruptor de tipo UPDT, el cual se basa en el empleo de un flip flop de SR (set-reset). Por ejemplo cuando S esta en 0 y R en 1 con salida de 0. Cuando el interruptor pasa a su posición inferior, al principio S se convierte en 1 y R en 0, lo que produce una salida 1. Un rebote que cambia S de su valor 1 a 0 a 1 a 0, etc, no se altera la salida. véase tabla de funcionamientos flip-flop de SR. Para eliminar el rebote de un interruptor UPDT se puede utilizar el flip flop tipo D. (Figura 4).

En la figura 4 se muestra que la salida del flip flop cambia solo cuando la señal del reloj también cambia. Es decir, si se elije un periodo de reloj mayor que el tiempo de duración del rebote, digamos 20 milisegundos, la señal de rebote serán ignoradas.

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz
Fuente: 

• Mecatronica,Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica., W. Bolton. Segunda edición. Alfaomega.

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