Sistema de Alarma Simple -...

30-12-2013

Sistema de Alarma Simple

V2.3

José María González Medina Grado en Ingeniería de Tecnologías de

Telecomunicación [email protected]

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DOCUMENT: Script Proyect

PROJECT: Simple Alarm System Page 1 of 45

Issued by: J.M. González Date: 22/01/2014 Phone: 634878288

Dpto. Electrónica y Tecnología de los computadores 2013.

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Revisión Histórica del Documento

Fecha Versión Control de cambios Autor/es

10/01/2014 V1.0 Versión Inicial José María González Medina

13/01/2014 V1.1 Primera revisión

Añadido final diseño de la caja

José María González Medina

14/01/2014 V2.0 Añadido parte PCB José María González Medina

15/01/2014 V2.1 Modificaciones PCB José María González Medina

21/01/2014 V2.2 Modificaciones PCB

Añadido BOM José María González Medina

22/01/2014 V2.3

Añadida parte simulación

Añadido parte CCAM y BoardMaster

Perfilado y acabado

José María González Medina







Contenido

Revisión Histórica del Documento ..................................................... 1

1. Introducción ......................................................................... 3

1.1 Propósito ....................................................................... 3

1.2 Alcance ......................................................................... 3

1.3 Responsabilidades ............................................................. 3

1.4 Términos y Acrónimos ........................................................ 3

1.5 Nota ............................................................................. 3

2. Fases del proceso ................................................................... 4

3. Diseño del circuito .................................................................. 6

3.1 Circuito inicial ................................................................. 6

3.2 Funcionamiento del sistema ................................................. 6

3.3 Modificaciones y circuito final propuesto .................................. 7

3.4 Simulación ...................................................................... 9

3.5 Componentes del circuito ................................................... 10

3.6 Funcionamiento mecánico .................................................. 10

4. Diseño de la caja................................................................... 12

4.1 Diseño inicial .................................................................. 13

4.2 Diseño con dos compartimentos............................................ 14

4.3 Conectores .................................................................... 15

4.4 Diseño comercial en un solo bloque ....................................... 16

4.5 Diseño final para impresión ................................................. 18

5. Diseño de la PCB ................................................................... 22

5.1 Librería de esquemáticos ................................................... 22

5.2 Librería de footprints ........................................................ 23

5.3 Imágenes....................................................................... 23

5.4 Diseño de la placa ............................................................ 35

5.5 CCAM y BoardMaster ......................................................... 39

6. Bill Of Materials (BOM) ............................................................ 41

7. Conclusiones y valoración final .................................................. 44







1. Introducción

1.1 Propósito

Este documento pretende detallar las prácticas realizadas en la asignatura de Tecnología

de Circuitos Impresos (TCI) para llevar a cabo un proyecto integrado de un producto completo.

1.2 Alcance

Este documento va dirigido específicamente a personas con conocimiento en

electrónica y diseño de placas de circuito impreso, pero en la medida de lo posible se ha

explicado para que personas de casi cualquier ámbito entiendan en lo posible el trabajo

realizado

1.3 Responsabilidades

La responsabilidad de efectuar cualquier tipo de cambio corresponde a toda persona

involucrada en el proyecto y particularmente al autor.

1.4 Términos y Acrónimos

Término/Acrónimo Significado

TCI Tecnología de Circuitos Impresos

SAS Simple Alarm System

SMD Surface Mount Device

THT Though-Hole Technology

PCB Printed Circuit Board

1.5 Nota

Los documentos con cartela tienen su correspondiente documento PDF aparte.







2. Fases del proceso

Este proyecto ha intentado asemejarse a una situación real de diseño de un

producto final. El siguiente diagrama de flujo pretende describir cómo se ha organizado

este proyecto a lo largo del tiempo.

En cualquier momento, ideas, consejos y recomendaciones pueden hacer que

se salte al segundo paso del diagrama, para empezar de nuevo.

La situación real final es que se ha ido haciendo todas las fases del proyecto

más o menos al mismo tiempo. Por ejemplo, la elaboración de la práctica en sí no se

hizo hasta casi el final, sin embargo se fueron tomando notas conforme se iba

avanzando el proyecto. El diseño de la PCB ha llevado mucho tiempo, y ha tenido

mucha más realimentación de la que pueda sugerir el diagrama, dado que muchas

veces había que reelegir el componente o editar el footprint de algún otro, teniendo

que retroceder al paso anterior, y alguna vez incluso a la fase de simulación.







3. Diseño del circuito

3.1 Circuito inicial

El diseño original proviene de la revista Elektor, en la página 58 de octubre de

2003. En ella se muestra el circuito de la Figura 1

Figura 1: circuito inicial presentado por la revista Elektor

Este circuito permite regular una alarma que se activa cuando el conmutador

S2 se abre, dejando unos tiempos configurables por el usuario antes de que se active

y antes de que se arme. En los siguientes puntos se detallarán sus componentes,

funcionamiento y modificaciones realizadas para el diseño final.

3.2 Funcionamiento del sistema

El funcionamiento de este dispositivo es sencillo si se sigue el circuito de

izquierda a derecha:

el usuario activa la alarma con el conmutador S1

Se tiene un tiempo para cerrar el conmutador S2 antes de que se arme







Una vez armada, la apertura del conmutador S2 activa la alarma, dejando

un tiempo para desactivarla antes de que el transistor T3 entre en

funcionamiento

Si no se desactiva en ese tiempo, la alarma activa el zumbador que tiene

conectado al transistor T3

Pasado un tiempo, el transistor T3 se desactiva y el zumbador deja de

funcionar durante el mismo tiempo que tarda en armarse, tiempo tras el

cual vuelve a funcionar el zumbador

Los dos últimos pasos se repiten indefinidamente hasta que el sistema se

apague, aunque se vuelva a cerrar el conmutador S2

3.3 Modificaciones y circuito final propuesto

Primeramente, el circuito inicial tenía un problema, el diodo zéner de

regulación D1 tenía una tensión inversa demasiado grande que impedía al circuito

conmutar correctamente, la alarma se activaba siempre en cuanto quedaba armada,

porque el transistor T1 no se cortaba, así que se tuvo que cambiar por uno de valor

menor a 5.6V, se ha elegido uno de 5.1V.

El transistor utilizado para proporcionar potencia al zumbador estaba planteado

como un Darlington, tecnología algo anticuada ya. En su lugar, se puso un transistor

MOSFET de potencia, un 2N7002. Para liberar carga de la puerta se puso una resistencia

de pull-down, R9.

El conmutador S2 se ha sustituido por un circuito optoacoplador CNY70. La

intención es hacer que la detección del objeto sea por el rebote o no de un haz

infrarrojo contra una pared. Más adelante se explicará la parte mecánica del sistema.

Para el led del optoacoplador se ha colocado una resistencia, R13.

El conmutador S1 se ha sustituido por un switch, por motivos de disponibilidad.

Se han añadido dos leds para informar del estado de la alarma. Cuando la

alarma se arma, el led verde D7 se enciende. Cuando la alarma se activa por apartar

el objeto, se enciende el led rojo D8, sin esperar el tiempo que se da antes de activarse

el zumbador. Van acompañados por las resistencias R10 y R11, respectivamente.

La alimentación de 12V se obtiene a partir de un transformador. La conexión se

hace con un Jack de DC.

El zumbador elegido es de 5V.







Figura 2: circuito final modificado







3.4 Simulación

Las simulaciones se han realizado con Multisim. Aquí fue donde se detectó que

el diseño inicial propuesto no podía funcionar correctamente, al menos no con los

transistores bipolares de los que se disponía. Al abrir el conmutador S2, el sistema

comenzaba a funcionar, pero luego, cuando se tenía que apagar la alarma al ponerse

a cero la cuarta salida, el transistor T2 de la figura 1 no se apagaba, dejando todo el

tiempo la salida activa. Una vez encontrado este fallo, la solución fue sencilla, bajarle

la tensión al diodo zéner. El siguiente valor comercial que funcionaba, por encima de

los 5V para que las puertas puedan detectar el nivel alto, era de 5V1.

Resuelto esto, y tras cambiar el valor de una resistencia, el sistema funcionaba

correctamente. A partir de aquí se empezaron a idear mejoras en el circuito.

Añadir el MOSFET de potencia fue sencillo, pero requirió incluir una resistencia

de pull-down para sacarle carga a la puerta cuando se le conmutaba a cero (el bipolar

original, al conducir la corriente de la base, no necesitaba un camino aparte para sacar

carga). Se observó que, cuando el sistema quedaba armado, la salida 1 del circuito

integrado 4011 se quedaba a cero siempre, así que se le conectó un diodo

directamente. Por el otro lado se conectó al diodo zéner, aunque también se podría

haber conectado directamente a la alimentación. Para regular la corriente que le

pasaba se le añadió una resistencia. La máxima corriente capaz de suministrar el

integrado es de 10mA por salida, así que esa será la máxima corriente que pueda pasar

por los LEDs. Si se quisiera mayor cantidad de luz se podrían controlar con un transistor,

y que los diodos estuvieran conectados a la alimentación de 12V.

Un segundo LED, éste rojo, se conectó para detectar cuándo se activaba la

alarma, antes de que el segundo temporizador active el zumbador. De esta manera se

puede saber el momento exacto en que se activó la alarma, sirviéndole al usuario para

que sepa si la ha activado para que le dé tiempo a desarmarla antes de que el zumbador

funcione. Su corriente también debe suministrarla el integrado.

Para cambiar el conmutador S2 por el optoacoplador, fue un poco más

complicado. Multisim no tiene un modelo adecuado para el optoacoplador, así que se

optó por una simulación de la situación del elemento “en vivo”. Se obtuvo la corriente

que pasaba por el conmutador S2 cuando estaba cerrado y se revisó si con esa corriente

el optoacoplador era capaz de mantener la tensión de salida a alrededor de 5V.

La corriente necesaria para que el circuito funcionase que pasaba por el

conmutador era de 80microA. Dicha corriente equivalía a una resistencia de unos

63kohm. Al conectarle esta resistencia a la salida del optoacoplador y colocarle una

pantalla para obtener máxima conducción, se obtenía una tensión de 4.35V (el ensayo

se hizo con una alimentación de 4.5V). Con la alimentación de 5.1V de que dispondría,

sería suficiente para una conmutación como la del interruptor ideal, luego era

transparente su uso en el circuito. Para el LED del optoacoplador se añadió una

resistencia.

La regulación de la cantidad de corriente que suministra el zéner y la que

proporciona la alimentación directa la podemos controlar con la resistencia R1. Con la







resistencia que se recomienda en el circuito inicial se tiene unos 14.5mA. Reduciendo

esa resistencia se puede obtener la corriente suficiente para los LEDs.

Para hacer funcionar la simulación solo hay que arrancar el archivo, cerrar los

conmutadores S1 y S2 e iniciar la simulación. Cuando se encienda la luz verde, al abrir

el conmutador S2 se activará la alarma (se puede abrir antes de que se encienda, pero

hasta que no se encienda no empezará a contar el tiempo del primer temporizador).

Se encenderá de inmediato la luz roja, y pasado el tiempo del segundo temporizador

el zumbador se activará. Hasta que no pase el tiempo fijo del tercer temporizador, el

zumbador no dejará de sonar. Pasado otro rato se activará, y así cíclicamente, aunque

se cierre el conmutador S2. Esto es un sistema de seguridad, solo se puede desactivar

la alarma apagándola.

Importante: los condensadores, a falta de otros con voltaje máximo mayor,

pueden verse seriamente dañados si se enciende el sistema antes de cerrar el

conmutador S2.

3.5 Componentes del circuito

Los componentes elegidos se ha intentado que sean todos los posibles de

montaje superficial (SMD). Los componentes se pueden encontrar sus homólogos para

montaje tradicional (THT).

Circuito integrado HEF4011B

Diodos 1N4148W

Diodo Zéner 5.1V

Leds rojo y verde de 3mm

Transistor MOSFET de canal N 2N7002

Transistores bipolares BC847 y BC857

Resistencias de varios valores de tamaño 0805

Potenciómetros de 1MΩ

Condensador de tamaño 0805

Condensadores de tántalo de tamaños C y D

Zumbador de 5V

Switch de palanca

Jack de DC

Transformador 230 AC – 12 DC

Optoacoplador CNY70

3.6 Funcionamiento mecánico

Para la implementación física del aparato, se ha planteado como un sistema de

seguridad de un objeto. Para ello, se deposita el objeto sobre una báscula regulada

para el peso de ese objeto. Al apoyar el objeto, la báscula se hunde, haciendo girar la

rueda indicativa de peso. La aguja tiene una superficie reflectora (una cartulina

blanca) que gira al unísono con la rueda. Al quedar a la altura del optoacoplador, su

transistor permitirá el paso de corriente, manteniendo la alarma desactivada. Si se

quitase el objeto o su peso cambiara (por intentar poner otro objeto en su lugar), la







superficie reflectora se movería y el transistor se abriría, activando la alarma. La

balanza tiene un tornillo para calibrarla, que se puede aprovechar para calibrar el

sistema según el peso del objeto que queramos vigilar.

Figura 3: balanza utilizada para el sistema de seguridad







Figura 4: balanza utilizada para el sistema de seguridad abierta

4. Diseño de la caja

El diseño de la caja ha sido una de las partes más complicadas, debido a

contingencias del diseño y externas. Para poder imprimirla, no puede superar unas

dimensiones máximas, una de las caras debe ser lo más plana posible, no puede tener

ángulos demasiado bruscos, y debe hacerse lo más fina posible para que tarde el menor

tiempo posible.

El problema está en que la caja debe ser lo suficientemente grande para que

quepa la balanza. Las dimensiones de impresión máximas son de 20x20x20cm, y la caja

finalmente planteada necesita unas dimensiones de 10x10x16cm, que aunque esté

dentro de los márgenes, llevará bastante tiempo hacerla.

Tornillo de calibrado







4.1 Diseño inicial

El diseño inicial propuesto tenía la placa del circuito en el suelo de la caja, y

encima, la balanza. Quedaba por encima gracias a unas extensiones de plástico que

salían de los laterales de la caja, sobre los que se apoyaría. Ver Figura 5.

Figura 5: diseño inicial de la caja

El diseño tenía varios problemas que no tardaron en aparecer. Para empezar,

no sería fácil el control de la posición de la aguja de la balanza estando la placa

debajo, el papel reflector tendría que estar doblado, y haría falta un agujero en la

superficie sobre la que apoyase la balanza para que pudiera cruzar el haz. Esto

llevaría problemas mecánicos, sería muy fácil que por un movimiento de la caja se

desajustase la aguja y el papel ya no se colocase perfectamente sobre el agujero.

La placa además quedaría demasiado aislada, no sería fácil poder acceder

otra vez a ella sin quitar primero la balanza. Los interruptores y luces del sistema no

podrían estar unidos directamente a la placa, para acceder a ellos tendrían que

colocarse en una de las caras laterales y conectarlos con cables a la placa. Ese

cableado sería farragoso, el montaje llevaría más pasos de fabricación por tener que

poner componentes en la placa y fuera de ella y sería más fácil que se estropease. La

caja además tendría que ser más alta para que entrasen placa y balanza.

PCB

Superficie sobre la

que se apoya la

balanza

Balanza

Caja







4.2 Diseño con dos compartimentos

Dado que este diseño no era práctico, se pensó en otro donde no quedasen

apilados placa y balanza. Los siguientes diseños se han pensado poniendo la placa al

lado de la balanza. En el primero de estos diseños se puso la placa en vertical al lado

de la balanza, creando un segundo compartimento en la caja exclusivo para la placa.

Ver Figura 6.

Figura 6: primera versión de la caja con dos compartimentos

El compartimento mayor contendría a la balanza, el menor a la placa. Este

diseño no estaba mal, pero tenía un problema bastante grave de espacio. En cualquier

caso, las versiones finales son muy parecidas a este diseño.

Para darle más estética al diseño, se planteó colocar la placa a 45º, en paralelo

con una de las caras superiores de su compartimento. Ver Figura 7.







Figura 7: segunda versión de la caja con dos compartimentos

La caja mejoraba su estética, pero añadía aún más espacio necesario, y suponía

un problema para colocar el optoacoplador orientado a la balanza.

4.3 Conectores

Al mismo tiempo que se estudiaba la forma de la caja, se pensó cómo se podían

unir las posibles diferentes piezas. Una solución muy viable podría ser la conexión de

los RJ45. Dicho sistema aprovecha la posibilidad de poder doblar una lengüeta de

plástico con el dedo, que al soltarla vuelve a su posición original. De esta forma, al

introducir el conector, la lengüeta vuelve a su posición, un poco más arriba del

conector, quedando sus dientes detrás de otros dos del conector hembra, que son fijos.

Al intentar tirar, si no se baja la lengüeta, no sale el conector. En clase se enseñó una

tira de plástico que hacía la impresora. Al doblarla y luego soltarla, el plástico

recuperaba bastante bien su forma original. Esta posibilidad llevó a pensar en hacer

unos conectores como esos. Ver figura 8.







Figura 8: conectores para unir piezas de la caja

De esta forma, se podría dividir la caja en 5 partes y luego unirlas con este

sistema. A la pieza hembra se le podría abrir un hueco por donde entrase un dedo para

presionar la pieza macho del conector y dar la posibilidad de desmontar la caja.

4.4 Diseño comercial en un solo bloque

Volviendo a la caja, dado que hacer dos compartimentos aumentaba demasiado

el tamaño, se planteó meter en uno solo placa y balanza. La placa va en vertical, y la

balanza quedaría justo detrás. El principal elemento que ocupa espacio de la placa es

el zumbador, la separación debía ser la suficiente para que entrase.

En esta versión se ha tenido un poco en cuenta la estética de la caja. Este

diseño no es factible de hacer en la impresora, pero sería una versión comercial

bastante agradable. Lo suyo sería que se hiciese de una sola pieza, ya que es un sistema

de seguridad y no conviene que se pueda desmontar. En cualquier caso, se ha

practicado una abertura en la cara frontal para que pueda colocarse la placa en el

interior de una forma cómoda, utilizando tornillos, 4 agujeros para colocar la placa,

otros 4 para la tapa de la caja. Se pusieron por separado para que al quitar la tapa no

se cayese con ella la placa, así, desmontas primero la tapa y luego quitas la placa

viéndola.

Los dientes que se han puesto en el resto de caras pretendían dar una apariencia

de robustez. Dado que es un sistema de seguridad, una caja con curvas habría quitado

esa sensación de solidez, así que se dejaron ángulos rectos. Los dientes dan una

apariencia de una muralla, algo infranqueable y seguro.

El problema de los dientes es que nuestra impresora 3D necesitaría crear una

rejilla entre ellos para poder realizar la impresión. Dicha rejilla se puede quitar luego

con un destornillador, por ejemplo, pero afea mucho la caja.







Figura 9: primer diseño en un solo bloque, parte delantera

Figura 10: primer diseño en un solo bloque, parte trasera

Otro problema que va a tener son las dos piezas que hay dentro para atornillar

la placa, están colgando sin ningún apoyo. Esto le costaría mucho a la impresora

hacerlo.







4.5 Diseño final para impresión

La versión para impresión final es más sencilla para que se pueda fabricar. Se

han suprimido los dientes y se ha dividido en dos piezas el cuerpo principal. Para que

pudieran entrar los componentes de la placa, se ha hecho un biselado del perímetro

sobre el que se apoyaría la tapa. Se han añadido textos con el autor, producto, fecha

del proyecto, y textos explicativos del conmutador, los potenciómetros y los dos LEDs.

En las siguientes figuras se puede observar ya la integración de la placa en la

caja. Su diseño se explica en el siguiente apartado.

Figura 11: diseño final para impresión de la caja, tapa y cubierta superior







Figura 12: caja desmontada

Figura 13: vista frontal de la caja







Figura 14: detalle de las uniones de las dos piezas de la caja

SolidWorks tiene opciones para fundir piezas en una sola. Para colocar los

conectores en las dos piezas, se abrieron unos agujeros en ambas donde se

acomodarían luego los conectores. Se crea un documento de ensamblaje, y utilizando

las relaciones de posición se colocan los conectores en las aberturas practicadas para

ellos. Una vez terminado el ensamblaje, se le dice “crear una nueva pieza”, salimos

del croquis en el que nos mete el programa y se le inserta la operación “unión”.

Seleccionamos todo, lo unimos, y listo, nuestra pieza está unida. De esta forma, el

programa utilizado por la impresora 3D no las considera piezas separadas, y las

imprime correctamente.

Se ha añadido también el logo de SolTroubs, que significa “Solving Troubles”.

Figura 15: logo SolTroubs







Para insertar la imagen del logo en SolidWorks, hay que tener en cuenta una

cuestión, y es que hay que pasársela con la máxima resolución posible. Al pasarle la

imagen podemos hacer un croquis con ella, hay que elegir el color que queramos que

sea el croquis. Si la imagen tiene poca resolución, no hace bien el “recortado”.







5. Diseño de la PCB

Como hemos visto antes, la placa debe encajar perfectamente en la caja. La

caja nos da las restricciones de la forma y tamaño de la placa. En nuestro caso, dado

que las dimensiones de la caja son forzosamente bastante grandes, no hay excesivos

problemas de espacio, permitiendo además un diseño del borde de la placa sencillo y

clásico: un rectángulo.

El diseño se ha realizado con el programa Altium. A continuación se va a

proceder a hablar del diseño y creación de las librerías empleadas para la PCB.

Básicamente se necesitan dos librerías, una de esquemáticos y otra de

footprints. Se puede crear una tercera librería de componentes 3D, pero no era

necesaria, ya que los cuerpos 3D de los componentes se agregaban directamente sobre

el footprint.

Antes de empezar a colocar componentes sobre la placa necesitamos dos cosas:

El esquemático de la Figura 2, para conocer las conexiones entre los

componentes.

El border outline de la placa, para saber los límites espaciales que

tenemos.

Tras las librerías hay un apartado con las imágenes de esquemáticos, footprints

y 3D utilizados.

5.1 Librería de esquemáticos

Los esquemáticos son los elementos más importantes del diseño, ya que

contienen toda la información del componente. En ellos se da información sobre el

creador del componente en el programa, fecha de revisión, precio del componente,

entidad a la que se compró, características específicas de ese componente

(resistencia, rango de temperatura, tensión máxima soportable), entre otras. También

se asigna aquí el footprint que se verá luego en el diseño de la placa, tanto 2D como

3D, y un archivo de simulación, si se va a realizar la misma con este programa.

Algunos se han podido conseguir de librerías, como la Miscellaneous de Altium,

pero otros han sido creados a mano, bien desde cero, bien aprovechando alguno ya

existente. Por ejemplo, para los condensadores de tántalo se reutilizó el diseño creado

para las resistencias SMD, cambiando los tamaños de pads y zona de keep-out.

El componente buzzer de la librería Miscellaneous traía un error, las patitas

conectoras estaban duplicadas, esto hacía que el componente, al conectarlo con

cualquier cosa, le saliera un nodo de conexión, aunque la unión fuese individual.

Aparte, el componente era como si tuviera 4 conexiones, en vez de dos. Se solucionó

el problema eliminando las dos patitas sobrantes.

Para el Jack de DC se ha utilizado un header de tres entradas, en vez de una

batería o similar, dado que la alimentación no va por baterías.







El esquemático del optoacoplador no existía, al menos no uno que se entendiese

como el funcionamiento del CNY70. Al existente se añadió una línea separando el

transistor del LED, indicando que se encuentran en cavidades separadas.

Se ha incluido también el esquemático de los tornillos empleados.

5.2 Librería de footprints

Esta es la librería que más se ha trabajado. En esta librería se incluyen los

footprints en dos y tres dimensiones de los componentes. Para la parte 3D se ha

utilizado la página 3dcontentcentral, de donde se han obtenido gran parte de ellos. El

resto se han creado con SolidWorks.

Para los SMD de tamaño 0805 se ha procurado que tengan un tamaño de 60mil

(1.5mm). Los condensadores de tántalo tienen un tamaño mayor, mientras que el de

los transistores y el integrado en SMD es menor. El 3D del buzzer es propio, y el LED

rojo es una modificación del verde, al que se le cambió el color. Todos los componentes

THT han sido modificados para “depilar” sus patillas y que éstas no sobresalgan por el

otro lado de la placa.

Casi todos los footprints 2D son propios o modificaciones de algunos ya

existentes.

Algunos componentes tienen varias versiones, como el Jack de DC, que se tiene

una versión en horizontal y otra en vertical. Además, se tiene todos los componentes

THT con y sin depilar. De los transistores se tienen las versiones L, N y M del

encapsulado, la utilizada es la L.

5.3 Imágenes

A continuación se presentan esquemáticos, footprints y cuerpos 3D empleados:

Condensador 0805:

http://www.3dcontentcentral.es/default.aspx







Condensador de tántalo encapsulados C y D







CNY70:







Jack DC vertical:







Diodos 1N4148W y Zéner:







Circuito integrado 4011:

Interruptor:







LEDs rojo y verde:







Potenciómetro:







Resistencias 0805:







Tornillos métrica 3:







Transistores:







Zumbador:







Una vez que tenemos en orden las librerías, podemos pasar a la fase de diseño.

5.4 Diseño de la placa

La placa se ha ido realizando a lo largo de todo el desarrollo del proyecto. Es

el centro de giro del mismo. A medida que se perfilaba mejor, había que rediseñar

otros elementos como la caja e incluso el funcionamiento básico del sistema. Por

ejemplo, una de las primeras decisiones que se tomó fue colocar el optoacoplador en

la cara opuesta al resto del circuito, de manera que la capa top quedase de frente al

usuario y la bottom, donde se encontrase el optoacoplador, quedase mirando al

interior de la caja. De esta manera, se podía aprovechar la posición de la aguja de la

balanza para ser detectada por el optoacoplador. Colocar este elemento en la otra

cara habría supuesto que los interruptores, luces y conector de alimentación quedasen

en la cara opuesta al circuito, con lo que no se podrían ver todos sus componentes sin

sacar la placa de la caja.

Otro punto importante fue la posición del zumbador. La idea inicial era ponerlo

en la cara delantera, y dejar huecos en la caja para que saliera el sonido mejor, pero







por espacio se prefirió dejarlo en la otra cara, al igual que el optoacoplador. El sonido

de por sí del zumbador es muy penetrante, y no es necesario orientarlo ni facilitarle

el camino al sonido.

La colocación de los componentes que se verían desde fuera hizo también que

variara la forma de la tapa. La intención original de colocarlos ordenados dificultaba

mucho el conexionado de los distintos componentes. La solución final no ha sido la

mejor estéticamente, pero se ha intentado que sí lo sea circuitalmente.

Un elemento crítico fue la desacertada colocación de las entradas y salidas en

el circuito integrado 4011. Dado que está pensado para tomar las salidas y conectarlas

directamente a otro circuito, el orden de las patillas, a cada lado, era:

V+ E E E E S S S S E E E E V-

El mejor orden para este sistema habría sido con las entradas y las salidas

rotando alrededor del integrado:

V+ S E E E E S S E E E E S V-

De esta manera, la salida podría conectarse directamente a la entrada de la

siguiente etapa, que es la filosofía de este circuito.

Al no tener esta forma, el conexionado se ha complicado mucho, requiriendo el

uso de vías para saltar de una capa a otra.

Otra contingencia ha sido la tecnología de fabricación utilizada. Los

componentes se van a soldar a mano, y la placa se va a fabricar con una fresadora.

Esto impone varias restricciones:

Los pads deben ser lo suficientemente grandes como para que se puedan

soldar sin que se suelten por el calor.

También deben ser lo suficientemente grandes como para poder soldar

los componentes con un soldador de tamaño estándar.

Debe dejarse la mayor cantidad de placa posible con cobre, dado que

por las zonas sin cobre debe pasarse la broca de la máquina. Si hay







muchas zonas donde no es necesario quitar cobre donde se obliga a

trabajar a la máquina se pierde eficiencia en la producción.

Los taladros además no van a ser metalizados. Esto implica que en las vías

tendremos que colocar un trozo de metal nosotros mismos (una patilla de una

resistencia, por ejemplo). Los pads perforados, si no se pueden conectar por una de

las capas porque el componente THT las tapa, no se pueden conectar a ella (no hay

contacto físico entre la patilla y la pista). Por tanto, los componentes THT solo pueden

conectarse por la cara opuesta. Esta restricción también fue bastante problemática.

A todas las pistas que se han podido se les ha dado un tamaño de 20mils, a unas

pocas se les ha tenido que dejar un tamaño de 10mils. Las vías tienen un diámetro de

50mils (la perforación).

Figura 16: vista 3D de la placa, capa top







Figura 17: vista 3D de la placa, detalle de los componentes de la capa top







Figura 18: vista 3D de la placa, cara trasera

5.5 CCAM y BoardMaster

Altium permite exportar ficheros gerber, con información sobre cada una de las

capas. También crea ficheros de texto con coordenadas y características de los

agujeros que hay que practicar en la placa.

CCAM es un programa que toma esos datos para determinar el movimiento que

debe hacer la broca para fresar la placa. También se le puede indicar dónde debe

practicar las perforaciones. Agregando cada una de las capas, se obtiene como

resultado final un fichero .cam con toda la información del movimiento y

características de las brocas. Dicho fichero lo puede recoger al exportarlo a .job el

programa BoardMaster. Ambos programas están muy relacionados, con este segundo

podemos utilizar la información de las brocas para configurar una fresadora y que nos

fabrique la placa.

Con el botón de contour routing se obtiene el reborde de la placa que va a hacer

la máquina. Se le han dejado unas pestañas para que la placa se quede unida al panel

pero que sea fácil luego separarla.







Figura 19: capas top y bottom aisladas con CCAM







Figura 20: resultado obtenido con BoardMaster (no se ve con la máxima resolución)

6. Bill Of Materials (BOM)

Para conocer el precio final que podría tener producir a pequeña escala este

producto, se ha hecho una lista de materiales con sus cantidades y precios. Además se

ha buscado un presupuesto para hacer una placa con la empresa Gallega de Circuitos

(http://www.gacem.com/), y se ha estimado el coste de mano de obra de montar la

placa en la caja, básicamente atornillarla. No se ha tenido en cuenta el empaquetado

del producto, coste de manuales y etiquetado ni costes de diseño.

La mayoría de los precios han sido buscados a través de Ebay

(http://www.ebay.com/). Otros elementos, como los transistores y los circuitos

integrados, se compraron en la tienda Sonytel, de Granada. La báscula se compró en

una tienda de todo a 100.

Estos precios se reducirían drásticamente si se tuviera acceso a los fabricantes

directos (siendo una empresa).

http://www.gacem.com/

http://www.ebay.com/







Componente Valor Tamaño Cantidad Precio/unidad (céntimos €)

Precio total

(céntimos €)

Observaciones

Resistencia 470 0805 2 1.49 2.98 Precio al comprar tiras de 100

Resistencia 4k7 0805 1 1.49 1.49 Precio al comprar tiras de 100




Resistencia 56k 0805 2 1.49 2.98 Precio al comprar tiras de 100


Resistencia 1k 0805 1 1.49 1.49 Precio al comprar tiras de 100

Resistencia 1M 0805 1 1.49 1.49 Precio al comprar tiras de 100


Potenciómetro 1M cuadrado 2 100.00 200.00

Diodo 1N4148 SOD - 123 5 23.80 119.00 Precio al comprar tiras de 10

Diodo zéner 5V1 SOD - 123 1 53.00 53.00

LED verde 3 mm 1 5.00 5.00 Precio al comprar conjuntos de 100

LED rojo 3 mm 1 5.00 5.00 Precio al comprar conjuntos de 100

Condensador 100n 0805 1 2.38 2.38 Precio al comprar tiras de 100

Condensador 47u Tántalo Clase C

2 23.6 47.20 Precio al comprar tiras de 10

Condensador 150u Tántalo Clase D


Condensador 68u Tántalo Clase C


Bipolar BC847 SOT23 - L 1 12 12.00

Bipolar BC858 SOT23 - L 1 9 9.00

MOSFET 2N7002 SOT23 - L 1 13 13.00

integrado HEF4011SMD SOIC14-N 1 25 25.00

optoacoplador CNY70 7x7mm 1 144 144.00

Báscula 5kg 7x6.2x15cm 1 400 400.00

Tornillos M3 3mm 12 3.70 44.40 Precio al comprar tiras de 50

Hilo de Plástico ABS

100gr 3mm 1 230 230.00 Precio al comprar 1kg de hilo

Precio total de materiales: 13.74 €







Estimaciones:

coste/hora (€) Tiempo estimado (minutos) coste total (€)

Mano de obra 40 3 1

coste (€) Observaciones

PCB 1.2 Precio estimado para: 100 unidades

Realizado con Gallega de Circuitos doble capa

gastos de documentación

200 una capa de serigrafía

material fr4

doble máscara de

soldadura

acabado en plata química

Precio final 100 unidades (€) 1794.06

Precio final por unidad (€) 17.9406







7. Conclusiones y valoración final

Este proyecto nos ha introducido en el mundo del diseño de productos, factor

de vital importancia y crítico en cualquier negocio afectado. Esto sirve para

comprender la importancia de hacer perfectamente un diseño del producto que sea,

dado que las repercusiones que tendría un error en una fase posterior como la

fabricación en serie o la distribución serían catastróficas.

A lo largo del proyecto se ha aprendido a manejar herramientas software

relativas a la electrónica, como Altium, aparte de otros programas de simulación ya

conocidos como Multisim o Pspice. Otros programas son más concretos, para la

creación de la placa, como CCAM o BoardMaster. Pero se han utilizado programas de

diseño gráfico y mecánico, como SolidWorks o AutoCAD. La cantidad de herramientas

empleadas para el proyecto, donde debe incluirse por supuesto el papel, es ingente, y

es solo la punta del iceberg de un territorio enorme y peligroso.

No obstante, la satisfacción posterior tras crear un buen diseño (¡y que funcione

correctamente!) es sin duda un aliciente a seguir trabajando para realizar cada vez

mejores proyectos.

Respecto a esta asignatura, se recomienda comenzar cuanto antes con la

elaboración de la lista de componentes que se van a utilizar, no cambiarla una vez se

ha tomado la decisión de dejarla como definitiva, y crear las librerías para Altium,

también definitivas. Esos puntos deben tener la menor realimentación posible, nula

incluso. Para ello deben tenerse en cuenta desde el principio las reglas de diseño que

facilite el profesor, como tamaños de pad, ancho de pistas, consejos sobre

componentes y posicionamiento en la caja, etcétera.

A partir de este punto de apoyo es mucho más fácil abordar los puntos

principales de este proyecto: simulación, diseño mecánico y diseño de la placa.

Una buena organización llevaría a tener prácticamente terminado el proyecto

antes de Navidad, dando tiempo a la fabricación del prototipo. Para la caja, se

recomienda nuevamente saber perfectamente desde el principio las limitaciones de la

impresora 3D para saber qué se puede hacer y qué se puede hacer pero con

limitaciones.

En el proyecto se han combinado conocimientos de gran parte de la carrera

relativos a electrónica, pero es muy práctico tener manejo de programas de diseño

gráfico. En cualquier caso, hay tiempo suficiente como para hacer un diseño

medianamente decente sin saber nada de ese tema.

También se recomienda encarecidamente no estresarse y hacer cuantas

preguntas sean necesarias al profesor, dado que muchos de los temas pueden ser

desconocidos y es normal que inicialmente haya lagunas. Estaría bien tener algún

documento físico con lo esencial para poder empezar sobre todos esos temas que no

se contemplan en la carrera.







Personalmente, me ha gustado bastante el proyecto, pero no ha habido una

organización eficiente desde el principio. Un calendario desde el principio del curso

con información orientativa del avance en el proyecto, dado que nunca antes se había

hecho uno de tal envergadura ayudaría bastante.

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