prototipado de circuitos integrados a partir de esquemas

Proyectos de INNOVACIÓN Y MEJORA DOCENTE

2018/2019

sol-201800112619-tra PatriciaRuiz

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PrototipadodeCircuitosIntegradosaPartirdeEsquemasElectrónicosPatriciaRuizDepartamentodeIngenieríaMecánicayDiseñoIndustrial,EscuelaSuperiordeIngeniería,UniversidadCádiz.

patricia.ruiz@uca.es

RESUMEN:Elalumnadode losgradosen IngenieríaElectrónica Industrialyen IngenieríaEléctrica llegana tercerosinhaberrealizadouncircuitointegrado.Esteproyectohapermitidoalosestudiantesaprobardistintastécnicasdeimpresión,reveladoyatacado.Además,leshapermitidoanalizarelcircuitoyverdóndeestánlosfalloscuandoelfuncionamientonoeseladecuadoyagudizarel ingenioparaconseguirloquequierenconcosascotidianasquetienenasualcance. Comoresultado,apartedeconsolidarlosconceptosteóricosdemanerapráctica,hanpodidocomprobarqueaunquepareceunprocesomuycomplejo,enrealidadesfactibleylopuedenrealizarensuscasas.Esolesanimaráacrearcircuitosdemaneraautónoma.PALABRASCLAVE:Diseñoindustrial,esquemaselectrónicos,diseñodecircuitos,circuitosintegrados,PCB.

INTRODUCCIÓN

EsteproyectosedesarrolladentrodelaasignaturadeDibujoIndustrial(DI)queseimparteenelprimersemestredel tercer curso, en varias titulaciones de la EscuelaSuperior de Ingeniería. Está compuesta por una parteteórica,yotrapráctica.Lacargadehorasdedicadasalasprácticasesmuchomayorqueladeteoría,siendoestade3,5hsemanalesfrentealas1,5hdeteoría.Ademásestádividida en distintos bloques, siendo uno de ellos larealizacióndecroquisdeesquemaselectrónicosquedaránlugaralacreacióndecircuitosintegrados(CI).

Aunque sea una asignatura común a los distintosgrados de ingeniería, los contenidos específicos difierenadecuándosea cadauna las titulaciones. Enel casoquenos ocupa, nos vamos a dirigir al alumnado que estácursandodibujoindustrialendosgradosconcretos:gradoen Ingeniería Electrónica Industrial y en el grado deIngenieríaEléctrica.

Habitualmente cuando se llega al bloque de losesquemaselectrónicos,seexplicaentreotrascosascuáleselprocesoparalarealizacióndeuncircuitoimpreso,perode manera teórica. Hasta ahora, además, en las clasesprácticasserealizabanlosesquemaselectrónicosamanoalzada, y esto suponía una gran apatía por parte delalumnado. Esto se debe a varias cosas, en primer lugar,porquenocreenqueseanecesariorealizarlosesquemasa mano alzada, ya que hoy en día existen programasinformáticos que lo realizan demanera automática. Porotrolado,aúnsiendoalumnosdetercercurso,nuncahanrealizadouncircuitointegradoreal,porloquecuandoselesexplicanlasdistintastécnicasparacrearlosnisiquieralasconocen,nihanoídohablardeellasyademás,alsóloverlo de manera teórica, les resulta algo lejano ycomplicadodehacer.

En realidad, existen técnicasmuy sencillas y caserasque permiten de una manera muy práctica que losalumnoscomprendanalaperfeccióncomoserealizanlosCI. Hay que aprovechar que son estudiantes de tercercurso del grado en Ingeniería Electrónica Industrial y enElectricidad, que aún no han creado nunca un CI (ytampocolovanacrearenesecurso)yquetienenmuchasganasdehacerlo.Porlotanto,debemosfomentarenlas

clases prácticas que son sesiones más largas, que losestudiantesdisfrutenalavezqueaprenden,consiguiendoasíquelosconceptossequedenyrealmenteloaprendan.

En este proyecto de innovación docente se hamodificadolaformaenlaqueseveníandesarrollandolasprácticasdelapartedeelectrónica,yenlugarderealizardistintosesquemasamanoalzadaquerealmenteaelloslesinteresamenos,hanrealizadosólounpar.Elprimeroconsisteenunesquemaelectrónicobásico,paraexplicarlametodología.Unavezqueyaconocenlametodología,se procede a realizar el esquema de aquel que luegoprototiparán. Es fundamental, por tanto, que el circuitoescogidopararealizarelprototiponoseamuycomplejo,nicontengademasiadoscomponentes.

Este artículo se organiza de la siguiente manera. Acontinuación,seexplicaelcircuitoescogidoylarazóndelcambioconrespectoalapropuestaoriginal.Lasiguientesección explica las distintas fases para la creación de laplaca impresa, así como los componentes utilizados.Finalmente, mostramos como han integrado el circuitocreado en un modelo funcional. Por último, la últimasecciónpresentanuestrasprincipalesconclusionesylíneasdetrabajofuturo.

ELECCIÓN DEL CIRCUITO A REALIZAR

Inicialmente en la solicitud presentada en laconvocatoria de proyectos de innovación docente de laUniversidad de Cádiz, se propuso la realización de uncontadordigital quemostrabaenundisplayuna cuenta(del 0 al 9). El principalmotivo era que consistía en uncircuito sencillo, fácil de comprender y que con pocoselementos. Sin embargo, tras analizar distintasposibilidades, se pensó que ese tipo de prácticas podíaquedarunpococorta,yaqueerasóloelcircuitointegradopor lo que se buscó financiación adicional para poderrealizarunproducto,nosólouncircuito.ElDepartamentode Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial compró lainsoladorayesosirvióparapodermodificarlapráctica.

Finalmentelaprácticaarealizarconsistióenunrobotseguidordeluz.Elcircuitoconsisteenunrobot,equipadocondosruedasymotoresrelacionadosdemaneracruzadacon dos resistencias fotosensiles. De manera que, al

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detectarluzunaresistencia,elmotoropuestoseponeenfuncionamientoyhacegirarelrobotenesadirección.EnlaFigura1podemosverelesquemadelrobotseguidor.

En la Figura 1 podemos ver que el circuito estácompuestopor2motores(M);6resistenciasdedistintasmagnitudes (R1, R2, R3, R5, R6 y R7); 2 resistenciasfotosensibles(R4yR8);4transistoresnpn(Q1,Q2,Q3yQ4);2diodosled(D1yD2)y1fuentedealimentación(pilade3,5v).Ademásdeesto,elrobotseguidordeluztambiénnecesita cableado y ruedas para realizar eldesplazamiento.

PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN

DEL CIRCUITO INTEGRADO.

Se dividió a los alumnos en grupos de máximo 5personas, ya que si el grupo era muy elevado noparticiparíantodosporigualylaprácticanotendríatantoimpacto en los estudiantes. Los grupos tampoco podíanserdemenosde3personas, yaquenodisponíamosdetantomaterial.Es importanteresaltarquegraciasaesteproyectoylaayudaeconómicarecibida,todoelmaterialnecesarioseleproporcionóalalumnadoynotuvieronquerealizar ningún desembolso. La práctica tuvo lugar en laúltimasemanadeclase,esdecir,amediadosdeeneroyelaulautilizadaparaeldesarrollodelaprácticafueelTallerdeDiseñoquepertenecealáreadeconocimientoalquepertenece la profesora coordinadora. Dicho Taller estádotadodeungrannúmerodemáquinasyherramientaspara la creación de productos, así como de una granvariedad de material. Esto fue fundamental para elcorrectodesarrollodelapráctica.

Antes de poder imprimir el circuito en las placasfotorresistentes, los alumnos tuvieron que cortar lasplacasconlasmedidasadecuadas.Además,se les indicóque cortaran algunos trozos más para realizar distintaspruebas(verFigura2).

I. Técnicas de impresión

Una vez decidido el circuito a realizar, como ningúngrupo quiso hacer un diseño propio, la profesoraencargada se ocupó de realizar el trazado de pistas delcircuitomostradoenlaFigura1.DichocircuitosemuestraenlaFigura3.

Para imprimir el circuito en la placa hay distintastécnicas.Losestudiantesutilizarondosdeellas.Enunodelostrozosdepruebasedibujóuncircuitoconrotuladorespermanentes comprados para tal fin. Dicha placa seintrodujoen la insoladorade rayosultravioletas. Laotratécnicautilizadaparalaimpresióndelcircuitoenlaplacafue utilizar el trazadode pistas de la Figura 3 utilizandotambiénlainsoladora(requisitonecesarioaltenerplacasfotorresistentes).Seleshaexplicadoqueexisteotraformaque es dejarlo al sol durante muchas horas (ya que lainsoladora es una caja de luz ultravioleta), pero dada lalocalizaciónde lapráctica (enel interiordeunaula)yeltiempotanprolongadoqueesnecesarioparahacerloconluz solar no era viable en este caso, pero sí para otrascircunstancias.Enamboscasos,trasusarlainsoladoraesnecesarioprotegerlaplacadelsolydelaluz,porloquelasdejamosdentrodeunostrapos.

Figura 3. Trazado de pistas correspondiente al

circuito mostrado en la Figura 1, el robot seguidor de luz.

II. Técnica de revelado.

Pararevelarelcircuitoutilizamosunamezcladeaguadelgrifoconsosacaústica,2cucharadasporcada250mlde agua aproximadamente. Hicimos distintas solucionescon distintas concentraciones para que vieran queaquellas que tiene mucha sosa hacían imposible elrevelado.

RobotSeguidorPistas27Dicv3.pcb page 1 of 1

RobotSeguidor.pcb page 1 of 1

9,0V

R11K

R2100K

R31K

Q1

D1

R4

MT1

Q2

R51K

R6100K

R71K

Q3

D2

R8

MT2

Q4

Figura 2 Grupo de estudiante cortando las placas.

Figura 1. Esquema electrónico del robot seguidor de luz.

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Los resultados dejaron patente que la segundatécnica,esdecir laquehaceusode la transparenciaeramuchomásefectivaqueladelrotuladorpermanente.

III. Técnicas de corrosion de la placa

Unavezquetenemosreveladoelcircuitoenlaplaca,esnecesariopasarlaporácidoscorrosivosdemaneraquetodo el cobre sobrante de la placa desaparezca y nosquedemossóloconaquellaspartequenos interesan,esdecirlaspistas.Paraellosutilizamosdistintastécnicas(verFigura4).

i) ClorurodeHierro

ii) Peróxido de hidrógeno 110 volúmenes +salfuman

iii) Aguaoxigenada+salfuman

iv) Oxigenadadelacasadelpeluqueroal40%+salfuman

Losdistintostrozosquehabíamoscortadoeinsoladopara realizar pruebas las utilizamos aquí. El atacado ácido secomeelcobrede laplacapor lapartequenoestáprotegida(quedandofinalmentelaspistas).

Tras utilizar las distintas técnicas los estudiantes sedancuentadecuálesmásefectivayporqué.Trasesto,yatenemoslaplacadecircuito,ahorafaltaañadirloscomponentes. Para ello, es necesario taladrar la placa parapoderintroducirloscomponentesysoldarlosdespués.Utilizanladremelconbrocasespecialesparataladrostanfinos,yaqueutilizar las brocas que vienen por defecto habría producidotaladrosexcesivamentegrandesyhabríanhecho inservibleelcircuito.

Elsiguientepasoeselsoldeo.Hayquesoldartodoslos componentes en sus posiciones correspondientes y concuidadodenoquemarlos.Elexcesodetiemposobrecalentandolosdispositivospodríadañarlos.EnlaFigura5sepuedeveraungrupodeestudiantessoldandoloscomponentesalaplaca.

Unavezquetenemoselcircuitosoldadoyapodemosdecir que tenemos nuestro circuito impreso. La imagenresultanteseríalaqueseobservaenlaFigura6.

Antes de continuar con la realización del robor esnecesario comprobar su correcto funcionamiento. Para elloconectamos la batería (pila de 3.5 v) y comprobamos quefunciona como debería. En caso contrario es necesariocomprobartodaslasconexionesylaspistashastaencontrarelfallo.

Una vez que el circuito funciona, los estudianteshaciendousodetodoelmaterialdisponibleenel taller, hanfabricadosupropiorobot.Aquíhanagudizadoelingenioyaquenoseleshadadoningúntipodeguíayteníanquebalancearlospesosparaponerlabateríaygestionarcómoacoplarlasruedasy los motores El resultado ha sido sorprendente y muysatisfactorio.EnlaFigura7sepuedenverimágenesdealgunosde losmodelos resultantes. Existen también vídeos de todosellosfuncionando.

Tras finalizar lapráctica, se realizóunaencuestadesatisfacciónalosestudiantes.Enellaselespreguntabaquéleshabíaparecido lapráctica,quéhabíanaprendidoconella,enquécreíanquesepodíamejorarysiconsiderabanquedebíarepetirse. Los resultados fueron abrumadores. El 100% delalumnadocontestóque leshabíaencantadoyquehabíaquerepetirla todos los años. En qué habían aprendido, las

Figura 4. Grupo de estudiantes probando distintas técnicas de atacado

Figura 5. Grupo de estudiante soldando los componentes a la placa de circuito impreso.

Figura 6. Circuito impreso del robot seguidor de luz

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respuestasfueronmásvariadasperotodoscoincidíanenquelaprácticaleshabíahechoentendercómofuncionabaelprocesode impresión fotosensible, yque sepueden fabricar circuitosimpresos de manera sencilla y casera. La gran mayoría dealumnostambiéndijeronqueeraimportantecambiarlafechade realización de la práctica ya que era justo antes de losexámenesyhubieranpreferidohacerlaaprincipiodecurso.

CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

En este proyecto de innovación docente se harealizado el prototipado de un robot seguidor de luz. Losalumnos de los grados en Ingeniería Electrónica Industrial eIngenieríaEléctricahan realizadoporprimeravez,desdequehan comenzado sus estudios, un circuito impreso. Se les hamostrado distintas técnicas caseras para la impresión, elreveladoyelatacadodeuncircuito,yhanvividoconcadaunadeellasytantosusvirtudescomosuscarencias.

Además,unavezqueteníanelcircuitofuncionando,hanutilizadoelingenio,parasercapacesdemontarunrobotconelmaterialqueteníanasualcance,perosintenerningunaguía.Noerasencillo,yaqueteníanquesercapacesdecolocarunabatería cuyopeso influye en la estabilidaddel robot, asícomocolocarlosmotoresylasruedascorrectmenteparaquelamarchalahagarecta.

Laexperienciahasidomuysatisfactoria,elalumnadoha disfrutado mucho durante la práctica y ha aprendidotécnicasquetardaranmuchomásenolvidarquesimplementeexplicadosenunaclaseteórica.

Envistasamejorar,habríaquemodificareltemarioparapoderadelantarlafechadelapráctica,asícómoinvolucrarmásalalumnadoparaqueelaborencadaunosupropiocircuitoyportantolarealizacióndeltrazadodepistas.

AGRADECIMIENTOS

Estetrabajohasidosubvencionadopor laUniversidaddeCádiz, mediante el proyecto de innovación docente sol-201800112619-tra.

Figura 7. Imágenes de algunos robot seguidor de luz