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Alejandro Martínez López

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Issued by:BEng. Alejandro M. Date: 23/01/2014 Phone:

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Bass and Treble Equalizer

Fabricación de un ecualizador de graves y agudos en una PCB

Autor/es: Alejandro Martínez López Estado del documento: Versión 1.0

Ultima modificación: 23/01/2014


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20/05/2013 V1.0 Versión Inicial Alejandro Martínez


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Contenido

FABRICACIÓN DE UN ECUALIZADOR DE GRAVES Y AGUDOS EN UNA PCB .............................................. 1

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 4

1.1 PROPÓSITO ................................................................................................................................... 4

1.2 ALCANCE ....................................................................................................................................... 4

1.3 RESPONSABILIDADES .................................................................................................................... 4

1.4 TÉRMINOS Y ACRÓNIMOS ............................................................................................................ 4

2. PCB ............................................................................................................................................... 5

2.1 FABRICACIÓN ................................................................................................................................ 6

2.2 TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN ..................................................................................................... 6

3. REALIZACIÓN DEL PROYECTO ........................................................................................................ 7

3.1 ELIGIENDO NUESTRO PROYECTO .................................................................................................. 7

3.2 SIMULACIÓN ................................................................................................................................. 8

3.3 BUSCANDO COMPONENTES ......................................................................................................... 8

3.4 REALIZACIÓN DEL ESQUEMÁTICO ............................................................................................... 10

3.5 REALIZACIÓN DE LA PCB ............................................................................................................. 11

3.6 REALIZACIÓN DE LA CAJA PORTADORA DE LA PLACA .................................................................. 14

3.7 IMPRESIÓN DE LA CAJA PORTADORA ......................................................................................... 14

3.8 IMPRESIÓN DE LA PCB ................................................................................................................ 15

3.9 GENERACIÓN DE VÍDEO .............................................................................................................. 15

4. MEJORAS FUTURAS .................................................................................................................... 15

4.1 POTENCIÓMETROS ..................................................................................................................... 15

4.2 SITUACIÓN DE LOS CONECTORES JACK ....................................................................................... 15

5. CONSIDERACIONES GENERALES .................................................................................................. 16

5.1 BOM ........................................................................................................................................... 16

5.2 DATASHEET ................................................................................................................................. 16

5.3 INFORMACIÓN DE PADS, VÍAS, AGUJEROS Y PISTAS ................................................................... 17

5.4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN .................................................................................................... 18


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1. Introducción

1.1 Propósito

Este documento pretende ser un histórico del proceso de diseño y fabricación

de un ecualizador de graves y agudos en una placa de circuito impreso.

1.2 Alcance

Este documento tiene sentido para cualquier persona que desee documentarse

sobre el proceso de diseño y fabricación de una placa de circuito impreso.

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

PCB Siglas en inglés de placa de circuito impreso (Printed Circuit Board)

SMD Surface-Mount Device. Componente electrónico que se suelda a la placa en la misma superficie en la que se encuentra el cuerpo.

THD Through-Hole Device. Componente electrónico cuyas patillas se sueldan a la placa al otro lado de la superficie en la que se encuentra el cuerpo.

BOM Bill Of Material. Lista de todos los componentes necesarios

IC Integrated Circuit (Circuito integrado) Tabla 1. Términos y acrónimos


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2. PCB

Una PCB o placa de circuito impreso es una placa formada por un aislante sobre la cual se encuentran caminos (pistas) de un material conductor cuya función es transportar señales eléctricas. Sobre la placa también se encuentran componentes de un circuito eléctrico.

Es una forma muy compacta y económica de fabricar circuitos. Gracias a

su desarrollo la tecnología ha evolucionado tanto en los últimos años y ha permitido la reducción del tamaño de los equipos electrónicos.

Imagen 1. Una PCB ya fabricada


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2.1 Fabricación

Existen diversos métodos de fabricación de PCB. Principalmente destacan dos:

o Milling: se introduce en una máquina una placa cuyo recubrimiento externo es un conductor (típicamente cobre). Mediante una fresa se va eliminando cobre de la superficie hasta dejar las pistas aisladas del resto de la placa.

o Ataque químico: esta técnica de fabricación se basa en someter una placa cuyo recubrimiento externo es un conductor, a un baño de ácido de tal forma que se elimine cobre de las partes no deseadas. Requiere más procesos que la técnica anterior.

De ambos métodos nosotros utilizaremos para fabricar el primer método.

2.2 Tecnología de fabricación

Una vez que tenemos decidido el método de fabricación debemos analizar qué

tecnología tenemos a nuestro alcance para fabricar ya que todo el proceso de diseño dependerá fuertemente de las herramientas que podamos utilizar.

Así pues, por una parte sabemos que las soldaduras las realizaremos a mano.

Este hecho nos impide hacer los pads demasiado pequeños ya que si no somos suficientemente habilidosos con el soldador podemos crear un cortocircuito entre dos partes del circuito que deberían estar aisladas.

Hemos decidido utilizar componentes SMD siempre que podamos debido a que

son de un tamaño más reducido que los THD y nos van a permitir reducir el tamaño de la placa. La placa nos interesa que sea pequeña por dos motivos:

- El precio de fabricación aumenta conforme lo hace el tamaño de la placa.

- Una placa grande nos fuerza a tener un soporte mecánico grande lo que puede

hacer engorroso su uso. El tamaño elegido para estos componentes es 0805 debido a que un tamaño

más pequeño nos dificultaría enormemente el proceso de soldado.


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3. Realización del proyecto

El presente apartado pretende ser una guía del proceso seguido para fabricar un ecualizador de graves y agudos en una placa de circuito impreso.

3.1 Eligiendo nuestro proyecto

El primer paso será elegir el proyecto que realizaremos. Al no tener experiencia realizando este tipo de proyectos y tener un fin académico se ha buscado un proyecto que cumpla las siguientes características:

- Circuito sencillo

- Ausencia de microcontroladores

- Existencia de esquemático

Tras buscar en varios sitios, algunos de ámbito científico (como las revistas Elektor) y otros no (como Internet), finalmente nos hemos decidido a realizar un ecualizador de graves y agudos. El esquemático lo podemos encontrar en la siguiente página web: http://www.pablin.com.ar

Analizando el circuito observamos que está compuesto por dos conectores jack,

resistencias, condensadores y dos amplificadores operacionales que se comercializan juntos en un mismo integrado: el ne5532 por lo que cumple las características que buscábamos.

Imagen 2. Esquemático obtenido de Internet

http://www.pablin.com.ar/


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3.2 Simulación

Dado que estamos ante un circuito que no hemos trabajado nunca es conveniente hacer una simulación para ver cuál será su comportamiento y comprobar que efectivamente hace la función para la cual fue diseñado.

Como programa de simulación podemos utilizar Altium (que será el programa

que utilicemos para el diseño). No obstante, debido a que ya tenemos un know-how del programa Multisim y por lo tanto el tiempo que tardamos en obtener resultados válidos es menor, utilizaremos éste último únicamente para la simulación.

Imagen 3. Resultados de la simulación

Tras analizar los resultados de simulación comprobamos que efectivamente, el

circuito se comporta tal y como queremos. Aclarar que nuestro circuito está formado por cuatro potenciómetros de los cuales uno se utiliza para el control de agudos, otro para el control de bajos, otro para establecer el volumen de entrada y el otro es un preset utilizado para reducir distorsiones.

3.3 Buscando componentes

Una vez que hemos elegido el proyecto y comprobado que funciona, el siguiente paso será definir los componentes a utilizar. Para ello nos acercaremos a distintos proveedores hasta encontrar todos los componentes.

Nuestros proveedores han sido Expotronic y Sonytel. Una vez que tenemos

seleccionados los componentes (no hace falta que los tengamos físicamente pero sí tenemos que tener certeza sobre los componentes a utilizar) el siguiente paso será comprobar que tenemos las librerías de dichos componentes.


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En este punto tuvimos un problema y es que los potenciómetros de eje de los que disponían nuestros proveedores tenían el eje excesivamente largo y eran poco económicos. Por este motivo se ha sacrificado la comodidad de uso (los potenciómetros adquiridos se regulan con un destornillador) en beneficio del coste. Además, una vez que está realizada la ecualización conviene no moverla y con potenciómetros de este tipo se evita el cambiarla accidentalmente.

Para el diseño de la PCB utilizaremos el programa Altium. Buscando en las

librerías por defecto hemos encontrado algunos componentes aunque no todos. De cada componente debemos tener al menos la siguiente información:

- Símbolo del esquemático

- Footprint

- Modelo 3D

De algunos componentes, como las resistencias, teníamos el símbolo pero no el

footprint ni el modelo 3D aunque afortunadamente en la librería hay otros componentes que traen un footprint que también nos sirve por lo que lo único que tenemos que hacer es añadirlo al componente.

Imagen 4. Footprint de un componente SMD 0805

Para el caso de los amplificadores operaciones hubo que buscar una librería de

un fabricante de este tipo de dispositivos aunque también hubo que buscar un modelo 3D de dicho componente. Con los potenciómetros también hubo que buscar el modelo 3D. Todos los modelos 3D han sido obtenidos a través de: http://www.3dcontentcentral.es

http://www.3dcontentcentral.es/


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Imagen 5. Modelo 3D de un conector jack

No hay que olvidar que cada vez que terminemos de hacer cambios en una

librería debemos compilarla para obtener un archivo librería integrada (extensión .IntLib) que será el que añadamos a nuestro proyecto.

Una vez que tenemos las librerías de todos y cada uno de los componentes es

el momento de empezar a realizar el esquemático.

3.4 Realización del esquemático

Una vez que disponemos de las librerías de los componentes el siguiente paso es realizar el esquemático. Antes de comenzar con el esquemático utilizaremos un template apropiado.

Dado que no disponíamos de ninguno hemos tenido que crear uno nuevo con

nuestra personalización. Para ello hemos aprovechado uno de los existentes (de tamaño A4) y hemos realizado modificaciones sobre él.

Una vez que tenemos terminado el template lo cargamos como un

esquemático nuevo en el proyecto. También debemos añadir al proyecto las librerías que contienen los componentes.

El siguiente paso es colocar los componentes de forma adecuada y

asegurándonos de tener seleccionado el símbolo y footprint deseado y no otro distinto.


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Imagen 6. Resultado del esquemático realizado en Altium

En el esquemático no sólo se incluye la información eléctrica del circuito sino que también incluiremos otra información que pueda ser de utilidad como por ejemplo qué potenciómetro es cada uno (volumen, preset, altos o bajos), qué alimentación llevan los amplificadores operaciones, con qué tornillos vamos a fijar la placa a la caja o algunos datos de simulación como la ganancia que otorga cada potenciómetro en cada frecuencia.

3.5 Realización de la PCB

Una vez que el esquemático está acabado es el momento de diseñar nuestra

PCB. Para ello lo primero es, al igual que hicimos antes, cargar un template que contendrá la PCB (como tampoco teníamos un template propio de este tipo tuvimos que crearlo).

A continuación hay que actualizar nuestro archivo .PcbDoc (el que contendrá la

placa) con los componentes del esquemático de tal forma que se importen los componentes y podamos ver las rat-net (que nos servirán como guía a la hora de realizar el posicionamiento y el ruteo).

Acto seguido, tras eliminar la room, comenzamos con el posicionamiento. Esto

es, iremos colocando cada componente en la placa teniendo en cuenta con qué otros elementos debe conectar de tal forma que elementos que conecten directamente estén próximos entre sí.


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Antes de empezar no hay que olvidar colocar el origen en algún lugar conocido, nosotros hemos elegido la esquina inferior izquierda de la hoja.

Antes de comenzar con el posicionamiento debemos asegurarnos de que

estamos utilizando las reglas de diseño adecuadas: distancia mínima entre pads, no permitir que un componente se solape con otro (ni con su serigrafía),…

A la hora de realizar el posicionamiento es importante tener en cuenta el grid

en el cual estamos trabajando con el objetivo de que los componentes queden bien alineados. Nosotros hemos utilizado un grid de 50 mils aunque en ocasiones ha sido necesario reducirlo para colocar un determinado componente pero una vez puesto, se ha vuelto al tamaño estándar.

Una vez que todo está posicionado adecuadamente es el momento de realizar

el ruteo de la placa. Para ello es necesario no olvidar ciertas normas generales:

- Los componentes SMD se sueldan por arriba y los THD por abajo.

- Si no se dispone de taladro metalizado (como es nuestro caso) no podemos poner vías debajo de ningún componente.

Antes de comenzar el ruteo debemos tener en cuenta las reglas de diseño para

realizar el ruteo. Nosotros hemos establecido un ancho de pista de 50mils. Una vez realizado el ruteo recortaremos la placa para que sea de un tamaño

apropiado (si no lo habíamos hecho antes de empezar porque tuviésemos limitaciones en cuanto al tamaño) y añadiremos el copper pour debido a que para la técnica de milling nos va a reducir en gran medida el tiempo de fabricación al haber menos cobre que quitar.

A la hora de realizar este proceso hemos modificado la regla de diseño que nos

indica la separación mínima entre el copper pour y una pista. Nosotros hemos elegido 30mils con el objetivo de poder realizar las soldaduras de forma cómoda.


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El siguiente paso es colocar la serigrafía de forma adecuada. Para ello debemos seguir estos consejos:

- Toda la serigrafía debe estar orientada en la misma dirección.

- La serigrafía no debe estar situada sobre una pista

- La serigrafía no debe solaparse con ningún elemento del circuito.

Si la sujeción de la placa se va a realizar utilizando tornillos también deberemos

incluir la serigrafía de éstos así como cualquier otra información relevante (como la polaridad de una pila, la tensión que debe generar, …).

Una vez hecho esto, se completará la hoja en la que aparece la PCB con toda

aquella información que consideremos relevante. Nosotros hemos incluido las dimensiones de los pads, vías, agujeros, y pistas. Así como las dimensiones de la placa.

Imagen 7. Imagen 3D del resultado final de la PCB


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3.6 Realización de la caja portadora de la placa

Una vez que tenemos nuestra PCB realizada debemos diseñar la caja que

contendrá dicha placa. Para ello utilizaremos cualquier programa de modelado 3D. Nosotros hemos elegido SolidWorks.

La caja la hemos dividido en varias partes que hemos diseñado por separado:

caja, tapa y tapa de las pilas. La caja se fabricará a través de una impresión 3D en ABS. Una vez que tenemos diseñada la caja generaremos los dibujos con los

esquemas de las distintas partes y del diseño completo. En estos esquemas se incluirán acotaciones con las medidas de la caja.

Imagen 7. Vista frontal de la caja con la PCB ya insertada

3.7 Impresión de la caja portadora

Para terminar, exportamos las piezas de la caja a formato .STL y colocaremos

las piezas de forma adecuada para que se puedan imprimir la mayor cantidad de forma simultánea. Para ello utilizaremos el software Cura y el perfil de la impresora que se nos ha proporcionado.

Según las estimaciones de Cura, el tiempo de impresión de la caja es de 2 horas

y 57 minutos.


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3.8 Impresión de la PCB

Por otro lado, en Altium generaremos los archivos GERBER de fabricación los cuales exportaremos al software CircuitCam con el cual prepararemos la placa para ser fabricada por la máquina de milling.

A la hora de realizar la exportación se le ha hecho un mirroring a la capa

bottom para que la impresión de la PCB sea correcta. El mismo proceso ha sufrido la capa que contiene el logo del autor y otra información.

Una vez hecho esto podemos proceder a la impresión de la placa. Acto seguido

soldaremos los componentes utilizando un soldador de estaño y ya tenemos terminada la placa.

Para terminar el proyecto únicamente queda introducir la PCB en la caja y

cerrarla adecuadamente.

3.9 Generación de vídeo

Una vez terminado el proyecto, debemos mostrarlo. Para ello hemos grabado un vídeo utilizando el Altium en el cual se puede ver la placa que hemos diseñado y producido.

4. Mejoras futuras

4.1 Potenciómetros

Tal y como comentábamos anteriormente, los potenciómetros seleccionados son unos potenciómetros que necesitan de un destornillador para regularse. Esto hace que la ecualización resulte un proceso engorroso.

Así pues, se propone sustituir los potenciómetros planos por unos de eje que

permitan facilitar dicha labor.

4.2 Situación de los conectores jack

Otra mejora sería la recolocación de los conectores jack de tal forma que estén en extremos opuestos de la caja con el objetivo de que la caja tenga por un lado la entrada y por el otro la salida para ir en línea con el cable.


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5. Consideraciones Generales

Para terminar comentaremos algunos aspectos que son interesantes de comentar pero no tienen cabida en otros apartados.

5.1 BOM

Una cosa que no hemos generado y es muy interesante tener es la lista de materiales

(BOM en inglés). El propio Altium incluye una función para obtener directamente esta lista. La BOM nos sirve para hacer un presupuesto de la placa así como para calcular la cantidad de componentes de cada tipo que vamos a necesitar para cada placa.

En la BOM también incluimos el nombre del footprint de cada componente así como la

referencia que tiene en la librería. A continuación mostramos la BOM de nuestro proyecto:

Comment Description Designator Footprint LibRef Quantity

Cap Pol3 Polarized Capacitor (Surface

Mount) C1, C7 EIA7343-43 Cap Pol3 2

Cap Semi Capacitor (Semiconductor SIM

Model) C2, C3, C4, C5, C6 6-0805_N Cap Semi 5

Phonejack Stereo SW

3-Conductor Jack with 2 break contacts (normals) and 2 auxiliary make contacts

J1, J2 SJ1-3515 Phonejack

Stereo SW

2

Res3 Resistor R1, R2, R4, R5, R7, R9, R10, R12, R13,

R14, R15 6-0805_N Res3 11

RPot Potentiometer R3, R6, R11 POTHORIZONTAL RPot 3

RPot Potentiometer R8 PotVertical RPot 1

LM358AP Dual Operational Amplifier U1 P008 LM358AP 1

Tabla 1. BOM de la PCB

5.2 Datasheet

Todos los componentes tienen un datasheet propio en el cual se indican sus características eléctricas, mecánicas y térmicas. Por este motivo es necesario tener los datasheet de cada uno de los componentes que vayamos a utilizar de tal forma que


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podamos asegurarnos que las condiciones de trabajo a las que se va a ver sometido el componente no lo van a dañar.

5.3 Información de pads, vías, agujeros y pistas

A continuación se adjunta una tabla con la información sobre los pads, vías, agujeros y pistas de la PCB:

Elemento Dimensión (mils)

Agujero de los pads estándar 80.8

Diámetro de los pads estándar 120

Agujero de los pads de los conectores 80.8

Ancho de los pads de los conectores 90

Largo de los pads de los conectores 140

Agujero del pad cuadrado del IC 80.8

Largo del pad cuadrado del IC 90

Ancho del pad cuadrado del IC 90

Agujero de los pads redondeados del IC 80.8

Largo de los pads redondeados del IC 140

Ancho de los pads redondeados del IC 90

Agujero de los pads de los tornillos 130

Diámetro de los pads de los tornillos 170

Agujero de las vías 80.8

Diámetro de las vías 120

Ancho estándar de los pads SMD estándar 47.2

Largo estándar de los pads SMD estándar 55.1

Largo de los pads de los componentes C1 y C7 98.4

Ancho de los pads de los componentes C1 y C7 39.3

Ancho de pista 50 Tabla 2. Dimensiones de los pads, vías, agujeros y pistas


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5.4 Resultados de simulación

También hemos creído conveniente incluir los resultados obtenidos mediante simulación. A continuación se muestran los diagramas de Bode en magnitud para una variación de cada potenciómetro:

Imagen 8. Resultados de simulación variando el potenciómetro de 10 kΩ



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