PROTOTIPADO DE CIRCUITOS ELECTRICOS
2) Módulos de enlace. Estos módulos no incluyen componentes electrónicos y pueden
ubicarse en distintas posiciones, dependiendo de la conectividad eléctrica que se desee realizar.
Su clasificación es la siguiente:
¸ Módulos de enlace 2D. Permiten acceder a los contactos de los módulos de componentes
de forma sencilla, unen los distintos módulos de componentes entre sí, y suministran
rigidez mecánica al conjunto. Los que disponen de un lateral recto tienen por objeto formar
el contorno exterior del montaje. Estos módulos se podrán utilizar para construir hasta
ocho anillos concéntricos de señales en el perímetro exterior del montaje, que podrán ser
utilizados por el usuario para distribuir señales globales.
¸ Módulos de enlace 3D. Los módulos tridimensionales están formados por dos piezas de
circuito impreso con uno o dos conectores de contorno que se encajan perpendicularmente
entre sí (Fig. 5.a). Únicamente se requieren cuatro tipos de piezas para poder formar los
distintos módulos que se necesiten. Con las distintas combinaciones de piezas se pueden
obtener módulos con dos, tres o cuatro conectores de contorno. Los módulos “L”
dispondrán de dos conectores, los módulos “T” de tres y los módulos “X” de cuatro. Una
vez realizadas las soldaduras de unión centrales los módulos podrán ser utilizados para
realizar montajes tridimensiones simples o complejos (Fig. 5.b y 5.c).
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¸ Módulos terminadores. Se utilizan para finalizar los módulos de forma que éstos
presenten bordes rectos. Se aprovechan además para formar un anillo exterior de masa.
Los podemos encontrar rectos o de esquina
4. MÉTODO DE MONTAJE Y SOLDADURA
El montaje mecánico de los módulos Proto3D se realiza mediante desplazamiento vertical de
los sustratos, asegurándose que quedan engarzadas todas las lengüetas del conector. La
exactitud con que se fabrican los conectores de contorno permite la inserción y extracción de
los módulos sin esfuerzo mecánico y sin que sufran los contactos.
En la Fig. 8.a se aprecia en detalle la zona de contacto entre lengüetas. Para conseguir la
continuidad eléctrica entre contactos hay que realizar una soldadura superficial, con cualquier
soldador convencional, procurando que se cubra con estaño toda la superficie rectangular que
se forma entre cada pareja de contactos (Fig. 8.b). Los módulos pueden ser desoldados y
reutilizados nuevamente; esta operación podrá ser realizada con un desoldador con aspiración
de estaño o mediante la utilización de una malla de cobre y un soldador convencional.
En Fig. 9.a se observa la realización de un montaje alrededor de un módulo de aplicación
específica y en Fig. 9.b se aprecia un módulo de componentes genérico alrededor del cual se
han montado módulos de enlace para tener acceso a todos los contactos mediante pines.
6. COMPATIVA CON LAS TÉCNICAS DE PROTOTIPADO TRADICIONALES
En el sistema educativo universitario se requiere el montaje de prototipos electrónicos por
distintas causas; por un lado, como complemento de la formación teórica del alumno, y por
otro, como necesidad en la realización de prácticas de laboratorio. Además, no podemos
olvidar el papel importante que suele jugar la realización de prototipos en los proyectos fin de
carrera, y en las actividades de investigación y desarrollo.
La Tabla 1 presenta de forma resumida un análisis comparativo entre Proto3D y las distintas
técnicas utilizadas en los laboratorios para el diseño de prototipos basándose en: el tipo de
diseño, componentes empleados, material para realizar las interconexiones, capacidad de
reutilizar los componentes, tiempo de montaje necesario y coste del material empleado [5-8].
De forma muy resumida, podemos indicar que las técnicas utilizadas tradicionalmente se basan
en la utilización de:
¸ Tarjetas perforadas en las cuales se montan componentes de inserción y se realizan las
conexiones mediante la soldadura de cableado trasero.
¸ Protoboard en las cuales se insertan componentes y circuitos integrados que se
interconectan mediante cableado aéreo sin necesidad de utilizar zócalos especiales.
¸ Montajes de placas con Wire Wrapping en las cuales los componentes y circuitos de
inserción se montan sobre zócalos especiales con pines largos. La conexión se realiza sobre
los pines de los zócalos, enrollando el cable de cobre a su alrededor. Para ello se utiliza una
herramienta, que dispone de dos agujeros, uno en el centro y otro a un lado.
¸ Diseño de circuitos impresos a medida. No es siempre el camino más rápido en el caso
de pequeños montajes, debido al tiempo necesario en el diseño y fabricación del PCB.
Podemos concluir que Proto3D es una alternativa a las técnicas de prototipado electrónico
utilizadas hasta la fecha y ha demostrado ser válida en muchos casos no cubiertos por técnicas
tradicionales. En las pruebas y ensayos realizados en el laboratorio, ha demostrado ser
eficiente, sobre todo, en permitir el montaje y test de componente de montaje superficial,
difícilmente utilizables en laboratorio si no se realiza el diseño a medida de un circuito impreso.
en su periferia de un número par de conectores de contorno de 22 contactos. De esta forma
1) Módulos de componentes. Son módulos cuadrangulares de distintos tamaños que disponen
un módulo de 1x1 dispone de 4 conectores con un total de 88 contactos, de los cuales 16 serán
para GND y el resto podrá ser utilizado para VCC y señales de E/S. De igual forma podremos
encontrar módulos de componentes de 2x1, 2x2, etc. En función de su aplicación estos
módulos pueden ser clasificados en:
¸ Módulos genéricos. Son aquellos que únicamente incluyen geometrías (footprint) que
permiten la soldadura de componentes electrónicos que utilicen dicha geometría u otra
parecida que posibilite su soldadura (Fig. 3.a).
¸ Módulos de aplicación específica. Están diseñados de forma que incluyen toda la
electrónica necesaria para la aplicación para la que están concebidos, de esta forma, podrán
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ser utilizados directamente por el usuario. Dentro de este tipo de módulos podríamos
encontrar módulos desarrollados sobre µC, µP y DSP’s (Fig. 3.b).
¸ Módulos de interconexión. Estos módulos incorporan lógica programable de forma que
mediante programación es posible realizar interconexiones entre señales de todos los
conectores. Son de utilidad para interconectar módulos de aplicación específica.
3) Módulos especiales. Son aquellos desarrollados para aplicaciones especiales. Entre ellos
podemos señalar los módulos perforados pensados para poder realizar montajes con técnicas
tipo wire-wrapping (Fig. 7.a) y los módulos que incorporan protoboards lo que permite la
utilización de técnicas mixtas de prototipado
5. EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Se han fabricado un número significativo de módulos con objeto de poder validar el sistema y
tener experiencia de diseño. Se han abordado distintas estrategias; por un lado la fabricación de
los módulos de enlace 2D y 3D, y por otro, el diseño de sistemas de evaluación a medida con
objeto de analizar prestaciones. En concreto sobre los sistemas específicos probados a través
de la realización de proyectos fin de carrera se han desarrollado los siguientes:
· Sistema básico de 8 bits basado en el microcontrolador MC68HC11 de Motorola (Fig.
10.a). Se ha desarrollado y probado el módulo principal, módulo de memoria y
módulos de comunicaciones RS232.
· Sistema genérico de 16 bits basado en el microprocesador MC68306 de Motorola (Fig.
10.b). Se han desarrollado y probado el módulo principal del microprocesador, módulo
de memoria EPROM/FLASH, módulos de memoria SRAM, módulo de programación
JTAG y módulo de comunicaciones RS232.
· Sistema de 16 bits basado en el DSP TMS320LF2407 de Texas Instrument para
aplicaciones de control de motores [3,4]. El sistema está compuesto por un conjunto de
18 módulos que pueden ser montados con distintas configuraciones de forma que se
podrá obtener una amplia variedad de montajes finales en función de la aplicación
requerida. Los módulos desarrollados inicialmente son: módulo DSP, módulos de
alimentación de motor, módulo de alimentación principal, módulo de memoria RAM,
módulo de extensión de líneas de control, módulo de comunicaciones CAN, módulo de
comunicaciones seriales, módulos de expansión del bus y módulos de control de motor
y encoger.
10. BIBLIOGRAFÍA
[1] A. Vega, J.M. Cerezo, M. Chaves, A.M. Escuela y J. Monagas , “Técnicas de Prototipado Electrónico
Modular en el Ámbito de la Docencia”, SAAEI, 2003
[2] A. Vega, J. Monagas, J.M. Cerezo, A.M. Escuela, “Edge Connector for Mechanical and Electrical
Interconnection of PCBs”, IECON International Conference on Industrial Electronics, Control and
Instrumentation, 2002.
[3] A. Vega, C. Dominguez, J.M. Cerezo, S. León, “Sistema Modular de Control de Motores DC con
Comunicaciones CAN, desarrollado sobre Proto3D”, SAAEI, 2003
[4] “Digital Signal Processing Solutions for Motor Control Using the TMS320F240 DSP-Controller”
(SPRA345) (PDF Texas Instruments)
[5] “Printed circuit Handbook” Mc Graw Hill, fourth edition, 1995. Clyde F. Coombs, Jr
[6] R. J. K. Wassink and M. M. F. Verguld. “Manufacturing Techniques for Surface Mounted Assemblies”.
Electrochemical Publications, 1995.
[7] J. Caterina, L. Marks, “Printed Circuit Assembly Design”, McGraw-Hill, 2000.
[8] C. Coombs, “Coombs' Printed Circuits Handbook”, 5th edition, McGraw-Hill, 2001.
9. AGRADECIMIENTOS
El trabajo presentado, es parte de los resultados obtenidos en el proyecto “Sistema Modular de
Prototipado Electrónico en Tres Dimensiones”. Este proyecto está financiado por la Dirección
General de Investigación del Ministerio de Ciencia y Tecnología, dentro del Programa
Nacional de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones con el código TIC2001-
3576. El mecanismo básico de interconexión está protegido bajo solicitud de patente PCT a
nombre de la ULPGC. Proto3D es Marca Comunitaria solicitada por la ULPGC