Manual para la realizacion de PCBs

Laboratorio MecatronicaDepartamento de Ingenierıa Electrica

Universidad de Chile.

Version 2.01

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Carlos Espinosa L. Bcespinos@ing.uchile.clPablo Gonzalez O. Bpabgonza@ing.uchile.cl

Derechos«Laboratorio Mecatronica, Universidad de Chile13 de mayo de 2005

Introduccion

El metodo propuesto en esta guıa es una alternativa a la elaboracion profesional de PCBs,mas economica e ideal para personas que esten aprendiendo electronica o la tomen comohobbie. Si se siguen las instrucciones con rigurosidad, se pueden lograr excelentes resultados.

Materiales

Placa de cobre:Puede ser cualquiera dePertinax o Fibra de vidrio.La de fibra de vidrio esmas cara, pero tiene propiedades mecanicasmejores que el pertinax y ademas es mas bonita,normalmente de un color blanco frente alcafe opaco del pertinax, como se observa en laimagen. Lo que recomiendo es el pertinax paraversiones de prueba y para aprender, y la fibra devidrio para las versiones definitivas de loscircuitos. Las placas las encuentran en Casa Royalpor alrededor de 1300 pesos (las de fibra de 10x20)y en San Diego a precios variables.

Acido para placas (Cloruro Ferrico): Lo venden en distintas cantidades, desde mediolitro hasta cinco litros o mas. Medio litro debiera ser mas que suficiente para hacer unas 20placas (de tamano pequeno, no una placa madre), sobretodo sabiendo que una dosis de acidopuede usarse dos o tres veces tranquilamente, aunque se va demorando cada vez mas eneliminar el cobre de la placa. Para comprar el acido, los mismos lugares en donde vendenplacas. Su precio no debiera ser mas de 1000 pesos el medio litro.

Plancha: Pregunta en tu casa por una.

Recipiente de Plastico: Idem. lo anterior. Como el acido es irritante de la piel (sinasustarse, la irrita no la derrite) ojala no sea uno que se use para comer o lavar la ropa.Ideal que sea de tamano reducido (lo mas ajustado posible a tu placa) y plano de manera deahorrar acido.

Diseno de circuito: Es un tanto obvio, pero no esta de mas decirlo. Puede ser algunoobtenido de internet o algun libro o manual (como este), o bien disenado en un softwaread-hoc. Para este fin yo recomiendo EAGLE de cadsoft, el cual es bastante intuitivo y poseeuna version de prueba gratis que solo limita el tamano de la placa.

Papel para Transferencia: Depende del metodo a usar, el de las transparencias o el delpapel fotografico. En transparencias, una marca que me ha dado excelentes resultados es elTransparency Film para Inkjet de Canson, y lo pueden encontrar en cualquier librerıa decente(ojala para comprarlo por hojas, si no, sale salado). Se pueden usar otras marcas, pero sedebe tener cuidado en que se imprima bien el circuito y que el toner se pueda desprenderal rasparlo con la una. En cuanto a papel fotografico, el EPSON PHOTO PAPER SO41141

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es muy bueno (y caro, como 8000 las 20 hojas). He visto tambien buenos resultados con elpapel poliester, el cual se puede comprar en ferreterıas por pliego.

Impresora laser o fotocopiadora.

Lija Fina: Cualquier lija muy fina (de alto grano) como las que se utilizan para met-ales. En su defecto se puede utilizar una escobilla metalica.

Agente Limpiador: Lo que se utiliza normalmente en circuitos es el alcohol Isopropılico(disponible en Droguerıas Michelson) ya que posee la cualidad de ser un buen limpiador yno conducir la electricidad. Tambien se puede usar algun tipo de abrasivo como por ejemplola acetona.

Lapiz Permanente: Bastante util a la hora de reparar errores, en general cualquierlapiz que sea permanente sirve. Deben preocuparse eso sı de que sea de punta fina, es muydifıcil dibujar lıneas delgadas y rectas con un plumon.

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Instrucciones:

1) Para comenzar, se debe traspasar el diseno de nuestro circuito (PCB) a nuestro papelpara transferencia. Lo mejor es hacerlo con una impresora laser, si es que se posee el disenode forma electronica (y se dispone de una impresora laser). Se debe imprimir con la maximaresolucion posible de manera que quede la mayor cantidad de toner sobre las pistas. Inclusose puede imprimir dos veces, una encima de otra, si se tiene un buen sistema para alinear lashojas.

En caso de no tener una impresora laser a mano o no tener un diseno en el PC, se puedeimprimir el diseno en un papel cualquiera (con maxima resolucion y contraste). Luego, sedebe ir a sacar una fotocopia a este papel, asegurandose que la copia se haga en nuestro papelpara transferencia.

Cualquiera sea el metodo utilizado, se debe tener cuidado de la impresion del circuitose haga a escala real en el lado imprimible del papel para transferencia (el rugoso de lastransparencias o el brillante del papel fotografico) y que el circuito este ”mirado”por el ladocorrecto, ya que en algunos software se debe imprimir el espejo de la placa disenada (esto nopasa en EAGLE, se imprime el circuito tal cual sale en pantalla). No recomiendo demasiadoimprimir la PCB en fotocopiadora ya que estas suelen ser muy sucias (llenas de puntitosindeseados) y salir manchada.

2) Con el diseno ya impreso en nuestro papel especial, es hora de preparar la pla-ca de cobre. Para la mejor transferencia del toner, conviene lijar un poco la placa de cobrecon la lija fina de manera de limpiarla y dejarla rayada, como se aprecia en la figura siguiente:

Se debe recordar eso sı de limpiar prolijamente la placa despues de lijarla ya que elpolvillo de cobre es un temible enemigo para nuestro sistema de fabricacion de placas, ya queimpide la transferencia del toner. Tambien lo son las huellas digitales, ası que manejen con

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cuidado la placa limpia y usen el alcohol o acetona o incluso agua con jabon para liberar a laplaca de cobre de cualquier impureza. Para la etapa siguiente, la placa de cobre limpia debequedar bien seca.

3) Ahora viene la parte mas importante del sistema: La transferencia del circuito ala placa de cobre. En primer lugar se debe calentar la plancha con la opcion de ropa de al-godon”(lo mas caliente) y sin vapor. Recuerden de sacarle el agua a la plancha si corresponde.

Luego, se coloca la transparencia con el circuitoimpreso sobre la placa de cobre, asegurandola con unpoco de cinta adhesiva. Ojala la placa la coloquen sobrealguna superficie que aguante el calor como puede serun pedazo de baldosa o similar, si no quieren estropearlos muebles de su casa (yo me heche una mesa de vidrio,y no era mi casa).

A continuacion, se coloca una hoja blanca sobreel reverso de la transparencia adherida a la placa, demanera de no aplicar la plancha directamente sobre elplastico de la transparencia. Deben chequear tambienasegurandose que la parte con toner quede tocando lasuperficie de la placa (mas de una vez me paso de quela puse al reves y quede con el circuito impreso en lahoja blanca de proteccion).

Listo lo anterior, ya solo queda planchar el papel sobre la placa de cobre. Se debe tenercuidado de abarcar toda la parte con el circuito impreso, tanto el centro como los bordes,presionando bien la plancha sobre la placa y pasando el centro de la plancha por todos ladosya que es el sector mas caliente.

Si la plancha es buena, el toner deberıa empezara pegarse a la placa en un par de minutos. De todosmodos, es posible ir chequeando de tanto en tanto comova la transferencia levantando un poco la transparenciade la placa, como se aprecia en la imagen.

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Si se siguieron los pasos anteriores correctamente, el toner del papel de transferenciaquedara pegado ahora en la placa, formando las lıneas y pistas de nuestro circuito final.Normalmente en esta etapa quedan algunas lıneas borrosas (sobretodo en alguna esquina),lo cual puede ser corregido usando un lapiz permanente -preferentemente de punta fina- yuna mano con buen pulso.

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4) Ya con el circuito traspasado a la placa de cobre, lo que queda es sencillo:

En primer lugar se debe poner la placa en un recipientede plastico con las caracterısticas descritas anteriormente, ycomenzar a echar el acido con cuidado (mancha feo la ropa)hasta tapar la placa. Luego se debe esperar que el acidohaga su trabajo y se coma todo el cobre excepto el cubiertopor el toner. El proceso es relativamente lento (como 20minutos) pero se puede acelerar agitando el recipiente oponiendolo a bano marıa.

Cuando se observe que no quedan restos de acido en lossectores libres de toner, se puede extraer la placa del recipiente. Sedebe lavar con abundante agua para eliminar los restos del acido.En la figura se aprecian los resultados de esta etapa.

5) Lo ultimo que queda es limpiar la placa resultado de la etapa anterior con la ayudade la lija fina y un poco de alcohol. Se debe tener cuidado de no raspar mucho la placa, parano disminuir demasiado el grosor de las pistas.

Si se tiene a mano un taladro pequeno (como un dremell osimilar) es posible hacer los hoyos a la placa antes de rasparla, ya quees mas facil ver las pistas negras que el color brillante del cobre parapoder hacer los hoyos con precision. En cuanto a la broca a usar, unade 0.8mm es ideal para la mayorıa de los componentes (resistencias,bases, condensadores pequenos), y una de 1.0mm basta para el resto(pines, TIPs, etc.).

Este es el resultado del proceso completo. Como se ve sepueden lograr muy buenos resultados incluso con pistas delgadas,aunque en general es bueno mantener las pistas de un espesor nomenor que 0.6mm. Para que se mantenga el cobre y no se oxide,despues de soldar los componentes (y probar la placa por errores)conviene pintar la placa con algun esmalte que no conduzca laelectricidad. Yo uso uno para artesanıas llamado Barni Press deMarson, disponible en cualquier librerıa grande (Nacional osimilares).

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ANEXO I: Consejos en la soldadura

Cuando entre como auxiliar de mecatronica, yo creıa que cualquiera en el mundo puedesoldar de forma decente. Cual fue mi sorpresa y consternacion al ver que hermosas y muybien logradas PCBs de mis alumnos fueron horriblemente estropeadas al momento de soldarlos componentes, con terminaciones y conexiones dignas de un neardental joven. Para queesta catastrofe no ocurra nuevamente, aquı les pongo algunos tips utiles al momento de soldar:

Las herramientas:

Cautın: No es necesario comprarse uno carısimo de puntade platino o alguna extravagancia parecida. En general bastacon uno delgado que sea facil de maniobrar, que tenga ojalauna goma para protegerse del calor y, muy importante, unapunta fina. Cuando esten soldando NO RASPEN LA PUNTAPARA LIMPIARLA DE SOLDADURA!!. Esto la limpia, sı,pero tambien dana irreparablemente la punta de tu cautın,que en general tiene algun tipo de revestimiento (de plata osimilar) para el mejor manejo del estano. Se puede limpiar conalgun papel suave (llamesele papel confort) o con una esponjamojada (incluso venden esponjas especiales para esto).

Estano: No compren un estano gordo como para soldarcanerıas. Para la soldadura de piezas pequenas viene deperillas un estano delgado. En casa royal lo venden por rolloso por trozos pequenos. El rollo parece chiquito pero dura unaeternidad, a mı todavıa no se me acaba el primero que hecomprado. No compren pasta para soldar, eso es - de nuevo-para soldar canerıas. Usar pasta para soldar componenteselectronicos esta out out out ya que el estano ahora la traeincorporada. Se puede comprar algun fluido especial (como elflux) que ayuda a escurrir el estano, pero son carısimos y engeneral no necesarios en este nivel.

Succionador de estano: No indispensable pero sı muyutil al momento de dessoldar componentes o corregir algunerror. En Casa Royal venden uno buenısimo por 1000 pesos,que me ha dado excelentes resultados a la fecha.

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Y finalmente algunos puntos a considerar:

Echen un poco de estano en la punta del cautın antes de calentar la pata de la pieza asoldar. Esto ayuda a la transferencia de calor y facilita la soldadura.

Apoyen el cautın en la pieza y apliquen el estano en la pieza misma, no sobre el cautın.El calor de la pieza calentada deberıa ser suficiente para fundir el estano y soldar lapieza a la placa.

No sean tacanos con el estano, como dije antes dura millones de anos. Preocupense deque las patas de los componentes queden bien cubiertas y adheridas a la placa, queno sean visibles los hoyos por donde pasan los componentes. Muevan un poco la piezadespues de soldarla si no quedan seguros de que esta bien firme.

Dejen las piezas con patas cortas y los mas pegadas a la placa posible, de manera deevitar cortocircuitos indeseados por la manipulacion del circuito.

A continuacion se puede apreciar la placa usada como ejemplo para este tutorial (ungrabador de PICs) terminada, con todos sus componentes soldados. En el anexo 2 se encuen-tra el circuito usado para la transferencia, junto con muchos otros utiles.

Espero que estos humildes consejos les sean de utilidad, y que logren un buen trabajohaciendo sus placas.

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ANEXO II: Circuitos.

En este apartado, se entregan algunos circuitos comunes y no tanto de las placas usadas enel curso, para que puedan hacerse versiones propias a utilizar en sus robots personales. Estasplacas son resultado de un trabajo arduo de los autores de este tutorial, y su funcionamien-to esta probado, mostrandose ejemplos de las placas hechas para cada uno de los circuitosmostrados, ası como sus instrucciones de uso. Es muy importante que mantengan la escalade los circuitos que aquı se exponen, para su posterior impresion y traspaso a PCB.

Puente H

Uno de los circuitos mas usados y demandados en los proyectos, indispensables para con-trolar motores.

Circuito para un motor Circuito para dos motores

Ubicacion de componentes

Lista de componentes (para dos motores):

4 transistores NPN TIP120 (o TIP121 o TIP122).

4 transistores PNP TIP125 (o TIP126 o TIP127).

8 transistores PN2222.

4 resistencias de 47 ohm, 1/4 watt.

4 resistencias de 470 ohm, 1/8 watt.

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4 resistencias de 3k ohm, 1/8 watt.

4 resistencias de 10k ohm, 1/8 watt.

1 condensador de 470uF, 25v (o mas).

pines macho (venden regletas de hasta 40 pines que se pueden cortar).

3 conectores PTR AK500/2 (para el poder y los motores).

Instrucciones de uso:

Estos circuitos son muy solicitados tanto por su utilidad como por la tendencia a des-truirlos por parte de los alumnos, mas que nada por su mal uso, ası que lean con detencionestas instrucciones:

(1) Conector de poder: Depende del voltaje delmotor a controlar. NO CONECTAR AL REVES, si nose quiere que el condensador actue como bomba dehumo. Fijarse bien en la polaridad antes de energizar.

(2) Conector de motor: Aquı se conectan losterminales del motor. No importa para que lado, sonintercambiables.

(3) Pines de control: Estos pines son los que van al controlador. Las tierras del circuitoy las del controlador deben unirse por medio del pin GND disponible. IN1 e IN2 son las patasde control del motor:

Si una esta a +5V y la otra en 0V, el motor se mueve en esa direccion.

Si las dos estan en 0V el motor se detiene.

Si las dos estan a +5V es muy probable que los TIPs empiecen a calentarse y explotende una manera bastante teatral. Esto es casi tan malo como conectar el circuito conpolaridad inversa, ası que debe ser evitado a toda costa preocupandose en los programasmismos que esta situacion no ocurra nunca (por ejemplo para cambiar de direccion unmotor, conviene bajar primero las dos entradas a 0V y luego levantar una).

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Puente H: Variante para control de velocidad

En algunas aplicaciones nos interesara no solo controlar el sentido de giro del motor,sino que tambien su velocidad. Como la mayorıa de controladores de proposito general (PICen nuestro caso) posee solo 2 PWM para este fin, con el siguiente circuito es posible dirigirestas senales hacia el puente H y repartirlas de manera de poder controlar 2 motores tantoen direccion como en velocidad.

Circuito puente H con control de velocidad

Ubicacion de componentes

Lista de componentes adicionales:

1 Integrado 7404 (NOT).

1 Integrado 7408 (AND).

1 Conector molex macho de 6 pines.

4 Jumpers.

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Instrucciones de Uso:

Para poder usar el control de velocidad, se deben poner jumpers conectando los pinesIN A1, IN A2, IN B1 e IN B2 con el pin arriba de ellos en el diagrama. Luego, se usa elconector mollex ubicado entre los integrados logicos para el control de los motores. Este tienelos siguientes pines:

p1 y p2 son los pines en donde se ponen los PWM para los motores 1 y 2 respectiva-mente.

d1 y d2 son los pines de direccion de los motores 1 y 2 respectivamente. Son indepen-dientes, a diferencia del puente H original. Por ejemplo, si d1 esta en +5V el motor 1se mueve en una direccion, y si esta en 0V el motor 1 se mueve en la direccion opuesta.Para detener el motor se debe poner el PWM con un Duty Cicle de 0%. Mientras tanto,d2 puede tener cualquier valor, independiente de d1.

VCC y GND son +5V y tierra del controlador respectivamente. VCC debe ser +5V osimilar, no el mismo voltaje con el que se estan alimentando los motores sino con elque se esta alimentando el controlador (PIC).

Si ya manejan el metodo de hacer PCBs, su Puente H deberıa verse mas o menos ası:

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Emisor Infrarrojo:

Este circuito es basicamente la realizacion en placa del circuito presentado en el Ma-nual del curso. Posee cuatro salidas para conectar los LEDS infrarrojos, aprovechando los 4AND que el circuito 7408 provee.

Circuito Emisor IR Ubicacion de componentes

Lista de componentes:

4 transistores PN2222.

4 resistencias de 47 ohm, 1/8 watt.

4 resistencias de 330 ohm, 1/8 watt.

2 resistencias de 220 ohm, 1/8 watt.

1 resistencias de 1k ohm, 1/8 watt.

1 condensador de 47nF, ceramico.

1 condensador de 100nF, ceramico.

1 potenciometro de 50kohm, 25 vueltas (aunque puede ser de menos vueltas).

1 potenciometro de 00kohm, 25 vueltas (aunque puede ser de menos vueltas).

pines macho (venden regletas de hasta 40 pines que se pueden cortar).

1 LED rojo de 3mm.

4 LED infrarrojo de 5mm.

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Instrucciones de Uso:

Usando los potenciometros de 10k y 50k deben ajustarse las senales moduladora y modu-lada para la emision infrarroja. Estas senales se pueden observar en las patas 3 (out) de losintegrados 555 para su ajuste. Los LEDs infrarrojos van colocados en los pines al lado de lostransistores. La posicion correcta de los LEDs (polaridad) puede ser chequeada poniendo unLED normal en los pines y viendo si enciende.

Ejemplo de realizacion Emisor infrarrojo

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