Hubor - Proteus

Este truco pretende ayudar al lector a realizar el cálculo del ancho que debe tener una determinada pista de una placa de circuito impreso. El cálculo se basa en la aplicación del estándar general para el diseño de circuitos impresos ANSI-IPC 2221 desarrollado por la IPC (Association connecting electronics industries). Para obtener mayor información del estándar se puede consultar su página web en la dirección http://www.ipc.org.

Datos de entrada necesarios para realizar el cálculo.

Para calcular el ancho de una determinada pista necesitamos conocer tres datos: La corriente máxima que puede circular por la pista, el incremento máximo permitido de temperatura que puede soportar esa pista y el grosor de la pista. La corriente máxima que puede circular por la pista se expresa en amperios. El incremento máximo de temperatura permitido se expresa en grados centígrados. El incremento de temperatura se refiere siempre en referencia a la temperatura ambiente. Así, si diseñamos nuestro circuito para que funcione a una temperatura ambiente de 50ºC y queremos que la temperatura de la pista nunca sobrepase de los 60ºC, el incremento máximo de temperatura permitido debe ser de 10ºC. Respecto al tercer y último dato, tenemos que tener presente que no debemos confundir los términos grosor y ancho de pista. En un circuito impreso normalmente tenemos pistas de diferentes anchos, pero todas ellas del mismo grosor. El grosor se refiere a “la altura” de la pista referente al material que sirve de base en la placa de circuito impreso. En la siguiente figura se muestra el ancho de una pista.

El grosor se suele expresar en una medida poco convencional: onzas por píe cuadrado. Salta a la vista el influjo de las medidas anglosajonas. Una pista con un grosor de 1 onza por píe cuadrado se corresponde con una pista de 35 micras de grosor. Normalmente las empresas que construyen circuitos impresos los hacen utilizando medidas estándar para el grosor de pista de 1, 2 y 3 onzas por píe cuadrado, es decir 35, 70 y 105 micras.

Fórmulas para realizar los cálculos.

Una vez que ya tenemos nuestras especificaciones referentes a la corriente, incremento de temperatura y grosor, ya estamos en condiciones de aplicar las fórmulas para calcular el ancho de nuestra pista. El ancho de una pista se calcula con la siguiente fórmula:

Ancho = Área / (L * 1,378) [Fórmula 1]

Donde L representa el grosor de la pista.

El ancho resultante se expresa en mils al cuadrado. Un mils es la milésima parte de una pulgada (nuevamente las medidas imperiales hacen su aparición), que es la unidad estandarizada en el diseño de placas de circuitos impreso. El área debe expresarse en mils al cuadrado y el grosor en onzas por píe cuadrado. Entre los datos necesarios para realizar el cálculo no figuraba el área puesto que la podemos calcular utilizando la siguiente fórmula:

Área = [I / (k1 * ΔTk2)]1/k3 [Fórmula 2]

Donde I simboliza la corriente máxima. K1 es una constante definida por el estándar que estamos aplicando y que vale 0,0150 cuando nuestra pista es interna (placas con más de dos capas) y 0,0647 cuando es externa. K2 es otra constante que vale 0,5453 cuando la pista es interna y 0,4281 cuando la pista es externa. Y, finalmente, K3 es una constante más, que vale 0,7349 cuando la pista es interna y 0,6732 cuando es externa.

Si sustituimos la fórmula 2 en la fórmula 1, tenemos:

Ancho = {[I / (k1 * ΔTk2)]1/k3} / (L * 1,378)

Ejemplo del cálculo de ancho de una pista.

Problema: Calculemos el ancho de nuestra pista cuando queremos que por ella pueda atravesarla sin dañarla una corriente de 2A, sin que se genere un incremento de temperatura superior a 10ºC y utilizando grosores de pista de 1 onza por píe cuadrado.

Solución: El área resultante para una pista externa es de 37,8 mils al cuadrado y para una pista interna de 141 mils al cuadrado. El ancho de la pista deberá ser de 27,4 mils para una pista externa y 102 mils para una pista interna.

Herramientas de ayuda.

En internet existen diversas páginas donde podemos encontrar “calculadoras” para ayudarnos a automatizar esta tarea de cálculo. Desgraciadamente, internet es un “animal vivo” y enlaces que hoy funcionan perfectamente, mañana pueden dejar de hacerlo. A la hora de redactar este tutorial se puede encontrar una de estas calculadoras en el siguiente enlace: http://circuitcalculator.com/wordpress/2006/01/31/pcb-trace-width-calculator/

En ocasiones la electrónica que utilizamos es tan rápida que podemos tener problemas con los "rebotes" que se generan en los pulsadores o interruptores que utilizamos conectados a una entrada digital de nuestro microprocesador o con los espúreos que se producen cuando utilizamos sistemas multiplexadores de entrada. En estos casos, la solución es utilizar un circutio de retardo anti-rebote utilizando un circuito resistencia-condensador.

La siguiente imagen muestra un circuito típico de una entrada digital optoaislada (pulsando sobre ella se ve ampliada).

El diodo zener D3 protege contra sobretensiones en la entrada. El diodo D1 nos protege contra conexiones de polaridad invertidas. Finalmente el circuito R1 + C1 es el encargado del retardo para evitar los rebotes en la entrada.

El retardo producido en la entrada dependerá de los valores de R1 y C1. Para calcularlos hamos seguido los siguientes pasos.

Primero tenemos que obtender el valor de tensión que excitará nuestro optoaislador. En nuestro caso la suma de la caida de tensión en D1 más la que se produce en la entrada del optoaislador CNY74. Los cálculos para los componentes que hemos usado nos han proporcionado que un valor de tensión de 2,25V excitará nuestro optoacoplador y, por lo tanto, la entrada de nuestro microprocesador.

A continuación calculamos el tiempo que tardaremos en obtener ese valor de tensión de excitación en función de los valores de R1 y C1 que utilizamos. La fórmula que usamos es:

Vinopto = V ( 1 - e ^ ( - t / RC ) )

Donde Vinopto es la tensión de excitación que hemos calculado antes y V la tensión a la que funciona la entrada.

Si nuestra entrada funciona a 12V, la tensión de excitación es 2,25 y el valor de la resistencia R1 es 5k6, el tiempo de retardo que obtenemos es:

t = 1.162,56 * C1

Es fácil comprobar que si utilizamos un condensador de 10nF obtenendremos un retardo anti-rebote de 11,6useg. Para un condensador de 100nF obtenemos un retardo de 116useg. Y, por útlimo, para un condensador de 220uF tendremos un retardo de 256useg.

Así tendremos filtrados los espúreos de menos de 11 useg, 116 useg o 256 useg. Con los valores adecuados de R1 y C1 podemos filtrar los espúreos que sea necesario en cada uno de nuestros proyectos.

En ocasiones, necesitamos dejar un determinada área de nuestro circuito impreso sin pistas ni sin superficie de disipación. Cuando el área que queremos dejar libre es circular, por ejemplo porque queremos hacer un corte en esa zona, podemos hacerlo de la siguiente manera.

Imaginémos que tenemos el siguiente circuito impreso:

El primer paso es crear una huella del tipo circular. Para ello usamos el botón 'modo huella redonda de agujero pasante' de la barra de herramientas lateral y creamos una nueva con el botón rotulado con la letra 'C'

En la ventana de diálogo que aparece le asignamos un nombre y seleccionamos la opción 'normal circular'

Damos al botón 'aceptar' para saltar a la siguiente ventana de diálogo. Seleccionamos el valor para diámetro de acuerdo con la distancia que queremos dejar libre. Ponemos a cero los valores para marca agujero, taladro agujero y salvaguardia.

Damos al botón 'Aceptar' y ya tenemos que encontrar entre la lista de huellas, la que acabamos de crear.

La seleccionamos, nos colocamos con el ratón en el lugar donde queremos dejar espacio dentro de nuestro circuito impreso.

Aceptamos para colocar la huella en esa posición. Y ya tenemos un espacio libre de cobre de forma circular en la zona de nuestra placa.

Labcenter ha anunciado que la versión 8.5 incluirá como novedad la posibilidad de trazar pistas con esquinas curvadas. Esta opción puede resultar útil cuando necesitamos ser cuidadosos con la intergridad de alguna señal que se utiliza en nuestro circuito, para afinar el uso de redes o, simplemente, por razones estéticas.

El método que se implementa en la nueva versión para curvar una esquina de una pista es el siguiente. Trazamos un segmento de la pista y pulsamos el botón izquierdo del ratón donde deseamos empezar la esquina curvada.

Mantenemos pulsada la tecla Ctrl y trazamos el segemento de la esquina curvada.

A continuacióin podemos seguir trazando la pista. Cada vez que deseemos utilizar una nueva esquina curvada, podemos volver a usar la tecla Ctrl para lograrlo. Finalmente terminamos de trazar la pista y la enlazamos con el punto de destino.

Esperamos que esta nueva funcionalidad os resulte interesante.

Una de las herramientas de productividad más útiles que incorpora Proteus es la lista de materiales.

En nuestra guía titulada Las novedades de Proteus 8.2 ( http://www.hubor-proteus.com/recursos/guias-primeros-pasos.html ) dedicamos todo un capítulo a esta herramienta.

Proteus nos permite en cada uno de los elementos que componen nuestro diseño, seleccionar dentro de sus propiedades que no aparezcan en la lista de materiales. Pero cuando pasa el tiempo es difícil recordar qué elementos de nuestro diseño hemos excluido de la lista de materiales.

En la versión 8.4 (en este momento todavía en su versión beta) se incluye una nueva funcionalidad que nos ayuda a realizar este trabajo.

En la pestaña de diseño electónico (ISIS), en el menú Herramientas -> Buscar y seleccionar, podemos seleccionar la propiedad BOMSKIP y la cadena TRUE, dar al botón 'buscar' y nos aparece la lista de todos los componentes excluidos de la lista de materiales.

Esperamos que esta nueva funcionalidad os resulte útil.