Construye tu propio Arduino: parte 1 (LDO).

Arduino

En estas entradas del blog se explica como diseñar y construir una placa compatible con Arduino sencilla, que puede servir como ejemplo para quien quiera diseñar su primer PCB de dos capas con un microcontrolador.

Hoy en día mucha gente que empieza con la electrónica lo hace con una placa Arduino o similar, con Arduino aprenden conceptos básicos de electrónica y aprenden a programar en C (a la vez que hacen un dispositivo o proyecto). Para ello compran placas de Arduino, módulos o shields que interconectan entre si y muchas personas terminan ahí, sin dar el paso de convertir sus diseños compuestos por un Arduino + módulos a un PCB propio que lo integre todo (menos tamaño, menos cables y posiblemente mejor funcionamiento).

En esta entrada del blog vamos a diseñar nuestras versión propia del Arduino Pro Mini de Sparkfun, uno de los Arduinos más sencillos que podemos encontrar a nivel de hardware. Nos va a servir para explicar cómo diseñar, pedir y montar un PCB sencillo de dos capas. A nivel de diseño electrónico explicaremos la necesidad y función de cada componente que se incluye en el PCB.

Arduino Pro Mini 328 de Sparkfun.

Arduino Pro Mini 328 de Sparkfun.

No voy a explicar lo que es un Arduino, partimos de que la persona que lee esta entrada del blog es usuario de Arduino (tiene unas nociones básicas de electrónica) y sabe que las placas de Arduino tienen un componente electrónico principal, el microcontrolador, que ejecuta las instrucciones del programa que grabamos en él de manera secuencial dotando de “inteligencia” a nuestro dispositivo electrónico. Las placas de Arduino por lo general se componen del microcontrolador y de los componentes necesarios que necesita ese microcontrolador para funcionar.

Para diseñar una placa de Arduino necesitamos usar un programa de diseño electrónico. Podemos encontrar programas de diseño electrónico de pago y gratuitos, si no conoces ninguno a día de hoy (2021) diría que la mejor opción con la que empezar es KiCad, pero hay muchos programas de diseño y todo va por gustos, a mi me gusta más Diptrace (sobre 600 euros la versión completa) que KiCad.

KiCad es un programa de diseño electrónico gratuito que nos permite hacer PCBs sencillos como el que vamos a hacer en esta entrada del blog y también nos perminte hacer otros mucho más complejos, se puede usar tanto a nivel de aficionado como para un nivel más profesional y tiene una de las comunidades de usuarios más grandes. Por lo que si nunca has utilizado un programa de diseño electrónico mi recomendación es que empieces por KiCad, buscando vídeos o tutoriales sobre él (en esta entrada del blog no se va a explicar el programa de diseño electrónico).

Lo primero que vamos a hacer en nuestro programa de diseño electrónico es dibujar el esquema del PCB que queremos hacer, esta sería nuestra versión propia del Arduino Pro Mini (click en las siguientes imagenes para mayor tamaño).

esquema

Esquema Arduino Pro Mini versión MakerAlc.

Arduino Pro Mini versión MakerAlc.

Arduino Pro Mini versión MakerAlc.

Como se puede ver en el esquema el diseño de nuestra placa compatible con Arduino se puede dividir en 3 bloques:

  • El regulador disipativo.
  • El microcontrolador y los componentes necesarios para su funcionamiento.
  • Los conectores de entrada y salida.

Paso a describir los componentes de cada uno de los bloques y algunas consideraciones a hacer al colocar dichos componente en el PCB.

El Regulador Disipativo (LDO).

La función del regulador disipativo es proporcionar a su salida la tensión de 3.3V o 5V a la que suelen funcionar los componentes electrónicos de los Arduinos, para proporcionar esa tensión de salida el regulador necesita un valor de tensión superior al de salida en su entrada. Es decir si por ejemplo tenemos una batería de 12V para alimentar a nuestra placa compatible con Arduino, el regulador disipativo se encargará de convertir esos 12V a los 3.3V que necesitan los componentes de nuestra placa para funcionar.

Para buscar que regulador disipativo usar en nuestro circuito (o cualquier otro componente electrónico) o sabemos la referencia exacta del componente que queremos usar (ya lo conocemos o estamos copiando el esquema de otro diseño por ejemplo), o usamos los buscadores de los distribuidores de componentes electrónicos para encontrar las distintas opciones de un tipo de componente que podemos utilizar en nuestro circuito.

Mouser, Digikey o Farnell suelen ser los distribuidores más utilizados donde buscar (y comprar) componentes electrónicos.

Si en Mouser ponemos por ejemplo “voltage regulator” en su buscador pues nos apareceran miles de opciones, seleccionando los distintos tipos de reguladores que nos muestra Mouser y usando los filtros de búsqueda para elegir un regulador: tensión de entrada, tensión de salida, corriente máxima, tipo de encapsulado, etc.., reducimos la lista de los reguladores mostrados a los que nos pueden valer para nuestro circuito.

Haciendo lo anterior y buscando un regulador disipativo de 3.3V de salida y 500 mA de corriente máxima de salida, encontramos por ejemplo el MIC5239.

Regulador disipativo MIC5239.

Regulador disipativo MIC5239.

La imagen superior se corresponde con la página del MIC5239 en Mouser. En el rectángulo azul encontramos la referencia del fabricante para este componente, si nos vamos a otro distribuidor distinto a Mouser y queremos bucar este mismo componente deberemos usar esa referencia del fabricante (MIC5239-3.3YS en este caso) en su buscador.

En el rectángulo en rojo de la imagen anterior encontramos un .pdf con la hoja de características (datasheet) del MIC5239, cualquier componente electrónico que se venda en un distribuidor enlazará su hoja de características. Esta hoja de características suele contener toda la información que necesitamos tener en cuenta para usar correctamente el componente electrónico en nuestro diseño.

No puedo entrar en detalle en las hojas de características de cada componente que vamos a usar (sería muy largo), pero si nombrar las partes más importantes de dichas hojas a tener en cuenta.

En el caso del MIC5239 su datsheet nos dice las características del regulador disipativo, las más interesantes para nuestra placa compatible con Arduino y por las que nos decidimos a usar este regulador son:

  • Da una tensión de salida de 3.3V o 5V (en función de la versión de regulador que seleccionemos) y es capaz de proporcionar hasta 500 mA de corriente a su salida.
  • Tensión máxima de entrada de hasta 30 V, la tensión de entrada tiene que ser como mínimo 0.35 V superior a la de salida (dropout voltage).
  • Para una corriente de salida de 100 uA el regulador consume 23 uA, es decir el regulador no desperdicia mucha energía para funcionar (aunque podemos encontra otros reguladores con consumos bastante inferiores).
  • Overcurrent protection: si a la salida se le pide más de 500 mA (ocurre un cortocircuito en nuestra placa por ejemplo) el regulador limita la corriente de salida (es decir se reducirá su tensión de la salida) evitando destruirse.
  • Thermal shutdown: si la temperatura del regulador alcanza el máximo permitido debido a que la potencia que se disipa en él es muy alta (más sobre esto más adelante), el regulador desconecta su salida dejando de generar calor y evitando destruirse.
  • Reverse-leakage protection: si la tensión a la salida del regulador es mayor que a su entrada (por ejemplo el caso en el que se desconectase la fuente de alimentación de entrada, y a la salida quedasen condensadores cargados) esta protección evita que haya un flujo de corriente desde la salida hacia la entrada.
  • Reverse-battery protection: si momentaneamente por error conectamos la batería al revés ni el regulador ni el microcontrolador conectado a su salida se dañarán. Midiendo el voltaje de salida del regulador es de unos -0.4 V cuando se invierte la alimentación del regulador, voltaje que está dentro de los niveles de alimentación que tolera el microcontrolador.

En el datasheet del MIC5239 también encontramos el circuito mínimo que necesita el regulador para funcionar: este circuito se compone del propio regulador, un condensador a su salida, y otro condensador a su entrada. Por lo que siguiendo las indicaciones del datasheet, dibujamos en el programa de diseño electrónico el siguiente circuito para la parte del regulador disipativo de nuestra placa.

Regulador Disipativo

Regulador Disipativo

C12 y C13 serían el condensador necesario a la entrada del regulador, C14 el condensador necesario a su salida, C11 es un condensador para filtrar ruido de los cables de alimentación conectados al conector J5, y R9 y el diodo LED se ponen en la placa para tener una indicación visual de cuando el regulador está funcionando y dando alimentación al circuito.

Resistencia, capacitancia e inductancia.

Antes de entrar en detalles sobre cada uno de estos componentes hay que nombrar tres conceptos que siempre vamos a tener presentes a la hora de diseñar cualquier circuito electrónico: la resistencia, la capacitancia y la inductancia de los componentes electrónicos. En el mundo real (fuera de los modelos ideales de los libros) todo componente electrónico dentro de un PCB (incluso una pista del PCB) va a tener una resistencia, una inductancia y una capacitancia por estar formado por un cuerpo/encapsulado físico por el que pasa una corriente eléctrica.

En la siguiente imagen podemos ver que un condesador en el mundo real (modelo simplificado) estaría formado por la capacidad “C” del condensador (su característica principal), pero además el condensador entre sus bornes tendría en serie con esa capacidad “C” una pequeña resistencia “ESR”, y una pequeña inductancia “ESL”. Esas resistencia e inductancia denominadas parásitas no están hechas a propósito dentro del condensador, si no que aparecen sin quererlo al fabricar/crear el condensador. De igual forma una pista del PCB no es una conexión de resistencia de 0 Ohmios entre dos puntos, si no que esa pista tiene una pequeña resistencia “R”, capacitancia “C” e inductancia “L”.

Modelos condensador y pista.

Modelo simplificado de un condensador real y de una pista del PCB.

Si en este punto no sabes lo que es una resistencia, un condensador (capacitancia) y una bobina (inductancia), y como funcionan y como se comporta cada uno de ellos según la frecuencia de la señal que pasa por ellos, una buena idea puede ser consultar algún libro donde estén bien explicados para tener estos tres conceptos claros, ya que en todo PCB que hagamos van a estar presentes.

Un libro que en su día (no sé si ha salido alguna opción mejor en los últimos años) me parecía muy bueno para empezar con la electrónica es el Practical Electronics For Inventors. Cubre muchos temas y las matemáticas son sencillas, desde mi punto de vista mejor opción que otros libros de más fama como The Art of Electronics o similares, para la gente que empieza.

Practical Electronics For Inventors.

Practical Electronics For Inventors.

Condensador a la salida del regulador.

C14 en nuestro esquema es el condensador de salida del regulador. Si miramos el datasheet del MIC5239 nos dice que para que el regulador funcione correctamente se ha de poner un condensador a la salida del regulador de por lo menos 10 uF de capacidad, y con una ESR menor de 3.4 Ohmios, también nos da un gráfico de la máxima ESR que puede tener este condensador de salida en función del voltaje de entrada del regulador.

Condensador de salida MIC5239.

Condensador de salida MIC5239.

Por lo que nos iremos al distribuidor de componentes electrónicos como Mouser, Digikey, etc.., y buscaremos un condensador de por lo menos 10 uF, con una ESR menor de 3.4 Ohmios y que soporte los 3.3V o 5V de salida del regulador, toda esta información la encontramos en el datasheet de la página del condensador del distribuidor donde lo compramos.

En estas entradas del blog vamos a hablar solo de dos tipos de condensadores, los condensadores cerámicos y los condensadores electrolíticos (de electrolito liquido). Explicando algunas cosas a tener en cuenta con cada uno de ellos a la hora de incluirlos en un PCB.

Condensadores ceramicos y electroliticos.

Condensadores electrolíticos a la izquierda, y cerámicos a la derecha.

En la imagen superior podemos ver dos condensadores electrolíticos a la izquierda, uno de montaje superficial (SMD) y otro de agujero pasante (THT). A la derecha vemos 5 condensadores cerámicos de distintos tamaños.

Ambos condensadores cerámicos y electrolíticos los podemos encontrar en capacidades del orden de uF, una de las principales diferencias entre ambos condensadores es que la ESR de los condensadores cerámicos es mucho menor que la de los condensadores electrolíticos. En las siguientes imagenes podemos ver la ESR medida para un condensador cerámico y otro electrólitico de 100 uF.

ESR condensador electrolitico.

ESR condensador electrolítico 100 uF.

ESR condensador ceramico.

ESR condensador cerámico 100 uF.

Como se puede ver en las imagenes superiores para una misma capacidad el condensador cerámico tiene una ESR de más de 10 veces menor que el electrolítico, esta ESR principalmente es función del tipo/tecnología de condensador.

Cuanto menor sea la ESR del condensador por lo general va a ser mejor, ya que esa resistencia parásita es menor y por lo tanto cuando el condensador proporciona o absorbe corriente menos potencia/energía se disipa (se desperdicia en forma de calor) en el propio condensador, y también menos voltaje cae dentro del condensador al proporcionar picos de corriente al circuito que los demanda.

Para el condensador de salida C14 podríamos poner un tipo de condensador cerámico o electrolítico, vamos a elegir uno de tipo cerámico debido a que el condensador cerámico ocupa menos espacio que el electrolítico, su vida es más larga y su ESR es menor.

Buscaremos y seleccionaremos un tamaño de condensador cerámico en función de la relación coste, tamaño, voltaje, capacidad y tipo del dieléctrico (cuanto  más pequeños y más capacidad y voltaje más caros). Los condensadores cerámicos los encontramos con varios tipos de dieléctrico, para condensadores del orden de uF elegiremos siempre dieléctricos X5, X7, X-algo, ya que su capacidad cambia menos con la temperatura.

La tensión del condensador que debemos poner es función de la parte del circuito a la que vaya a estar conectado, en este caso es el condensador que está a la salida del regulador, por lo que deberemos elegir un condensador que soporte como mínimo los 3.3V o 5V que el regulador va a tener a su salida. Pero hay un pero con los condensadores cerámicos, y es que cuando la tensión a la que está el condensador crece acercandose a la máxima permitida por el condensador, la capacidad del condensador disminuye como se puede ver en el siguiente imagen sacada del datasheet de un condensador cerámico.

Capacidad vs Voltaje.

Relación de la capacidad del condensador y el voltaje aplicado a este.

Por lo que si podemos tener 5V a la salida del regulador mejor poner un condensador de 10 uF y 10V que un condensador de 10 uF y 6.3V.

Para terminar con la parte del condensador de salida solo apuntar que no todos los reguladores disipativos soportan condensadores cerámicos a su salida, algunos reguladores necesitan un mínimo de ESR en el condensador para funcionar de manera estable. Siempre que añadimos un componente a nuestro diseño hay que echar un vistado al datasheet.

En la siguiente imagen vemos este caso, lo que pasa cuando a un regulador disipativo (LM1117 creo recordar) que necesita un condensador con una ESR mínima a su salida se le pone un condensador cerámico que no llega a la ESR mínima.

salida regulador inestable

Tensión de salida con rizado en el regulador disipativo debido a no usar el condensador adecuado en su la salida.

Condensador a la entrada del regulador.

C12 y C13 son dos condensadores que ponemos a la entrada del regulador disipativo, en el datasheet del regulador nos recomienda que pongamos un condensador a la entrada cuando la fuente de alimentación esta lejos del regulador. Entiendase lejos cuando por ejemplo la fuente de alimentación no está en el mismo PCB que el regulador, como es el caso ya que conectamos la fuente de alimentación o batería al conector azul del PCB mediante cables.

pcb regulador

A la entrada del regulador podemos montar C13, C12, o ambos.

C13 es un condensador cerámico y C12 electrolítico, estos condensadores a la entrada del PCB sirven como una pequeña reserva de energía en la propia placa.

El condensador se opone a los cambios de tensión entre sus bornes, cuando la tensión cambia en bornes del condensador este absorbe o proporciona intensidad (se carga o se descarga) para oponerse a ese cambio de tensión. Es decir un valor de tensión no puede cambiar entre los terminales del condensador ideal de manera instantanea, requiere un tiempo (por muy pequeño que sea) de carga o de descarga del condensador.

De igual forma cuando circula corriente por una inductancia (una bobina) esta se opone a los cambios de la corriente que pasa por ella, cuando la corriente que pasa por la bobina aumenta o disminuye la bobina crea una tensión entre sus terminales para contrarrestar ese cambio de corriente. Es decir una corriente cuando pasa por una bobina no puede cambiar su valor instantaneamente, se requiere un tiempo en el que la bobina se carga o se descarga (se crea un campo magnético alrededor de la bobina) para que se produzca el cambio en el valor de la corriente que pasa por una bobina.

Por lo que cuando tenemos cables entre la fuente de alimentación y nuestro PCB, los cambios en la demanda de corriente del PCB debido a los cambios en su consumo (por ejemplo se encienden varios LEDs o una carga conectada al PCB) tardarán un poco de tiempo en llegar desde la fuente de alimentación al PCB, debido al efecto de la inductancia de los cables. Si no tuvieramos una reserva  de energía en la entrada del PCB en forma de condensadores, esos cambios de corriente producirían una caída o subida (pequeños picos u oscilaciones denominadas ruido) en la tensión constante que ve el PCB a su entrada de alimentación. Poniendo condensadores en la entrada de alimentación del PCB reducimos el valor de esas pequeñas oscilaciones en la tensión de alimentación constante debido a los cambios momentáneos en el consumo de corriente del PCB.

A la hora de elegir el condensador debemos fijarnos en la capacidad de este (la energía que puede almacenar), esta capacidad ha de ser lo suficientemente grande para poder proporcionar picos de corriente al PCB cuando se producen un cambio en la demanda de corriente por el PCB, durante el tiempo que tarda en estabilizarse ese cambio de corriente a través de la inductancia del cable. En casi todos los diseños en la entrada de alimentación vamos a ver un condensador del orden de uF.

Otra cosa que tenemos que tener en cuenta a la hora de elegir el  tipo de este condensador (cerámico o electrolítico) es su ESR, podríamos pensar que cuanto más pequeña la ESR  del condensador mejor, menos potencia se disipa (se pierde  en forma de calor) en la resistencia interna del condensador cuando este proporciona o absorbe corriente. Pero aquí tenemos que tener en cuenta el efecto de combinar una bobina (la  inductancia del cable) con una capacidad (el condensador de entrada), como se muestra en la siguiente imagen.

Fuente, c able condensador

Circuito que forma la fuente, el cable y el condensador de entrada.

En la imagen superior vemos el circuito que formarían la fuente de tensión Vf, el cable con  su resistencia R e inductancia L, y los condensadores C12 y C13 (que internamente los modelamos como una capacidad con una resistencia en serie (ESR) con esa capacidad).

Voy a “explicarlo” de una forma muy sencilla, googlear “LC voltage spikes” (nota de aplicación) o consultar algún libro para entenderlo en detalle. Cuando el condensador termina o esta terminando de cargarse su consumo de corriente disminuye, pero la bobina no se puede adaptar instantaneamente a esos cambios del consumo de corriente del condensador, por lo que cuando el condensador le dice a la inductancia “no quiero más corriente” la inductancia le dice al condensador, “si no quieres más intensidad (corriente) pues toma más tensión”, y entonces el condensador ve entre sus bornes la siguiente tensión:  Vcondensador =  Vfuente + Vinductancia.

Cuanto menor sea la ESR del condensador mayor es la corriente con la que el condensador  empieza a cargarse, y por lo tanto mayor es el campo magnético que se crea en la inductancia, y mayor es la tensión (Vinductancia) que la inductancia le dará al condensador cuando este le diga que no quiere más corriente. El consumo de corriente del condensador durante su carga es función de su ESR, de la tensión en bornes del condensador, y del nivel de carga del condensador.

Vamos a mostrar lo anterior con un ejemplo práctico, conectamos nuesta placa compatible con Arduino a una fuente de alimentación de 12V mediante un cable (60-80 cm de longitud), y ponemos un interruptor entre el cable de la fuente y nuestra placa para darle la alimentación a la placa, como se puede ver en la siguiente imagen.

fuente con interuptor

Conectamos nuestra placa a una fuente de alimentación mediante un interruptor.

Conectamos el osciloscopio en la entrada de alimentación del regulador, y medimos la tensión en este punto cuando cerramos el interruptor para darle alimentación a la placa en 3 casos:  con solo C13 (cerámico) montado en el PCB, con solo C12 (electrolítico) montado en el PCB y con ambos condensadores C12 y  C13 montados en el PCB.

LC peak

El nivel máximo de tensión cuando se cierra el interruptor depende del tipo de condensador montado. Pico LC.

La salida de la fuente de alimentación es 12 V, al cerrar el interruptor cuando solo tenemos montado el condensador cerámico C13 (menor ESR) en el PCB el pico LC anteriormente explicado alcanza un valor máximo de tensión de 27V. Si montamos solo el condensador electrolítico (mayor ESR) C12, al cerrar el interruptor desaparece totalmente el pico LC y la tensión no alcanza un valor mayor al de la fuente en ningún momento. Si montamos ambos condensadores el pico de tensión LC se reduce a un valor máximo de 16V, aunque la ESR sigue siendo pequeña debido al  condensador cerámico, el cambio de corriente que ve la inductancia del cable no es tan brusco, ya que cuando el cerámico termina de cargarse el electrolítco con una mayor capacidad y ESR aún sigue cargandose y demandando corriente.

El condensador electrolítico al tener una mayor ESR se carga a una corriente más baja que el cerámico, minimizando el pico LC.

Si debido al cableado podemos tener un pico de tensión LC al alimentar el PCB debemos tenerlo en cuenta a la hora de elegir los condensadores de entrada, ya que aunque solo sea un pico de tensión de unos pocos microsegundos hay componentens muy sensibles a la tensión, como puede ser el típico Mosfet que se pone a la entrada de la alimentación para proteger contra inversión de polaridad, que se pueden destruir nada más que se excede el nivel de tensión máximo que soporta alguno de sus terminales.

Por lo que para este diseño y por defecto, podríamos elegir montar solo un condensador electrolítico (mayor ESR) con una capacidad de varias decenas de uF, y que soporte una tensión superior a la máxima admisible por el regulador disipativo (30V).

El ruido.

Aprovechanco que he puesto un condensador C11 voy a comentar brevemente un ejemplo de ruido en las líneas de alimentación y el sentido de dicho condensador.

Llamamos ruido en una línea de alimentación a todo valor de tensión que oscila sobre el valor de tensión continua que debe tener la línea de alimentación. Un ejemplo de ruido sería si nuestra línea de alimentación debe tener un valor de 5V en continua, y al poner el osciloscopio en la línea de alimentación vemos la siguiente imagen:

Ruido

Ruido continuo en una línea de alimentación de 5V.

Al poner el osciloscopio entre la línea de alimentación y la tierra del PCB en lugar de ver un trazo fino en la pantalla del osciloscopio sobre los 5V, vemos un trazo grueso que ocupa entre 4.2V y 5.9V. Si hacemos zoom en la base de tiempos del osciloscopio vemos pequeñas oscilaciones a una frecuencia de MHz entre los valores anteriores de tensión, todas esas oscilaciones por debajo y por encima de 5V lo podemos llamar ruido en modo diferencial (respecto a tierra), en este caso el ruido es continuo en el tiempo pero no siempre tiene que ser así.

Ruido periodico.

Ruido periódico en la línea de alimentación.

En la imagen superior podemos ver un ruido en la línea de alimentación que no ocurre de forma continua, si no que es periódico. Cada vez que tiene lugar cierto evento peiródico o aperiódico (se enciende por ejemplo una carga conectada al PCB, o conmuta una señal) podríamos ver ruido en la alimentación (si no se previene), ya que la energía no se transmite instantaneamente de la fuente de alimentación al punto en concreto del PCB donde se demanda (las pistas del PCB al igual que los cables presentan una pequeña inductancia). Si el ruido es lo suficientemente grande puede provocar un mal funcionamiento del circuito en circuitos digitales, y casi siempre suele ser un problema en circuitos analógicos.

Las fuentes de ruido pueden ser muchas, puede ser generado en el propio PCB o venir de fuera a través de los cables de alimentación, o mediante emisiones electromagnéticas que recogerá nuestro PCB y que no minimizará si no está bien diseñado. Una de las funciones principales de muchos condensadores que vemos en los PCBs, como los condensadores anteriores a la entrada del regulador, es minimizar el ruido de las líneas de alimentación.

Como decíamos la tensión no puede cambiar de manera instantanea entre los bornes de un condensador (ideal). Si ponemos condensadores entre la línea de alimentación y tierra, toda esa energía que tienen esas oscilaciones de ruido en la línea de alimentación respecto a tierra las intentará neutralizar el condensador, minimizando la amplitud de las variaciones de tensión que producen en la línea de alimentación.

El condensador C11 se pone al lado del conector de alimentación, y junto a los condensadores anteriores (C12 y C3) en la entrada del regulador sirve para filtrar ruido (toda oscilación sobre el valor de tensión continua) que pueda tener el PCB en su entrada de alimentación.

C11 es un condensador de valor pequeño que intenta filtrar ruido de una frecuencia más elevada de la que podríamos filtrar con los condensadores anteriores (C12 y C13). Lo importante de este condensador C11 es que tenga una baja ESL (inductancia serie) ya que un condensador se comporta como condensador hasta una frecuencia determinada, y a partir de esa frecuencia el condensador se comporta como una inductancia o bobina. Los condensadores de menor ESL son los condensadores cerámicos, y cuanto más pequeño sea el encapsulado del condensador cerámico más baja será su ESL. Veremos todo esto con más detalle en la parte 2 de esta entrada cuando hablemos de los condensadores de desacoplo.

Siempre que tenemos conectores en el PCB con cables que van al mundo exterior, es bueno intentar filtrar las interferencias que puedan entrar (o salir) por esos cables. Para ello se usan condensadores, inductancias, ferritas, apantallamientos o elementos a medida compuestos por los elementos anteriores. Un condensador como C11 sería de lo más sencillo que podemos poner para intentar quitar parte del ruido (hasta determinada frecuencia) que pueda entrar por los cables.

Diodo LED.

Los únicos componentes del esquema que nos quedan por ver de la parte del regulador son la resistencia R9 y el diodo LED, solo sirven para indicarnos que el regulador está funcionando y alimentando al circuito.

Para calcular el valor de la resistencia en serie que poner con el LED tenemos que tener en cuenta el voltaje de polarización directa del diodo LED, la tensión a la que están conectados la resistencia y el LED, y la intensidad que queremos que pase por el LED (cuanto más intensidad pasa por el LED más brilla).

Aplicando la ley de Ohm calculamos el valor de la resistencia, una vez calculado el valor comprobamos que la potencia que disipa la resistencia está dentro de sus límites. Cuanto más grande sea el encapsulado de la resistencia mayor será la potencia que puede disipar esta.

De cómo calcular la resistencia del LED salen muchos ejemplos buscando en google.

Ruteado del PCB y ubicación de los componentes.

Para ir terminando esta entrada vamos a hablar de cómo ubicar los componentes de la parte del esquema del regulador dentro del PCB. También hablaremos de algunas consideraciones que debemos hacer a la hora de rutear las pistas del PCB que conectan dichos componentes.

Si miramos la siguiente imagen vemos que todos los componentes de la parte del regulador están ubicados en la misma zona del PCB, minimizando así la longitud de las conexiones que hay entre ellos (por lo general es así siempre con los distintos grupos de componentes que forman el esquema a la hora de ubicarlos en el PCB).

pcb regulador

Componentes de la parte del regulador del esquema.

Podemos ver que la mayoría de condensadores se colocan lo más cerca posible de la zona del circuito o pin del componente que los requiere, y esto es así para minimizar el efecto resistivo e inductivo que tienen las pistas del PCB.

Cuanto mayor sea la longitud de la pista que conecta al condensador con la parte del circuito que lo requiere, mayor será la resistencia y la inductancia que hay entre el condensador y esa parte del circuito. Resistencia que va a hacer que se pierda tensión (V = I*R) cuando el condensador proporcione un pico de corriente a la parte del circuito que lo demanda, e inductancia que intentará oponerse y retrasar ese pico de corriente que da o absorbe el condensador, ambos efectos intentan contrarrestar el propósito del condensador.

Cuanto más ancha sea una pista del PCB menor será su resistencia e inductancia, por lo que cuanto más anchas (exceptuando los casos de integridad de señal) y cortas sean nuestras pistas por lo general va a ser mejor. A partir de determinadas frecuencias minimizar la inductancia de las pistas que conectan los condensadores es muy importante.

Si las pistas son muy finas y llevan una corriente alta se calentarán mucho, pudiendo llegar incluso a romperse. En nuestra placa para una corriente de 500 mA que es la máxima que puede proporcionar y coger el regulador disipativo, unas pistas de 0.5 mm de ancho son suficientes. Si no sabemos calcular estas cosas podemos bajarnos una calculadora como la de Saturn PCB, o usar la propia calculadora que trae Kicad para calcular el mínimo ancho de pista que debemos poner en función de los parámetros deseados (caída de voltaje e incremento de temperatura en la pista).

Calculadora Kicad

Calculadora Kicad.

Por lo que atendiendo a lo anterior colocaremos los condensadores C12, C13 y C14 lo más cerca posible del regulador disipativo (que es quien los demanda). El condensador C11 al lado del conector por donde entra la alimentación minizando la ESL de las pistas (hablaremos con detalle de este tipo de condensadores en la próxima parte de esta entrada del blog, cuando veamos como elegir los condensadores de desacoplo del microcontrolador). Y el diodo LED y su resistencia lo podemos colocar o como están junto a la entrada, o en otra parte del PCB atendiendo a que es una indicación visual para el usuario (a lo mejor podríamos querer tener todos los diodos LEDs de las distintas partes del PCB en la misma zona).

Consideraciones térmicas.

Además de unir mediante pistas los distintos componentes de nuestro esquema el PCB tiene otra función principal, y es la de funcionar como disipador de calor ayudando a sacar el calor que generan algunos componentes electrónicos en su interior al exterior. Es decir el PCB ayuda a que los componentes electrónicos que lo requieran alcancen una menor temperatura durante su funcionamiento.

El calor siempre suele ser malo para los componentes electrónicos, cuando este es alto provocará que la vida de los componentes electrónicos sea más corta, y que se rompan si el calor es excesivo.

En nuestro caso tenemos un regulador disipativo que suele requir del uso de un disipador para su funcionamiento. Por ejemplo si a la salida de nuestro regulador disipativo tenemos 3.3V y 100 mA (suministra 0.33 W de potencia) y a la entrada tenemos 12 V y esos 100 mA (consume 1.2 W), la diferencia de 1.2W – 0.33W (0.87W) se pierden en forma de calor. Calor que se genera dentro del regulador disipativo y que aumentará su temperatura interna.

Si miramos el datasheet de nuestro regulador disipativo nos dice que la temperatura interna máxima que puede alcanzar durante su funcionamiento es de 125 ºC. Y aunque el regulador lleva una protección térmica que desconecta la salida cuando alcanza dicha temperatura máxima, es posible que si lo hacemos trabajar cercano a esta temperatura máxima se acabe dañando.

Para ayudar a sacar el calor desde el interior del regulador al exterior, el propio regulador incluye un pin para dicho propósito en su encapsulado. Pin que se usará para conectarlo a un plano de cobre del PCB que haga la funcion de disipador y ayude a sacar el calor del interior del regulador al exterior, reduciendo así su temperatura durante su funcionamiento.

En la siguiente imagen podemos ver dicho pin del regulador conectado a un plano de cobre (con una X en rojo) del PCB, plano que hace la función de disipador (click en la imagen para mayor tamaño).

Plano de tierra como disipador.

Plano de tierra se usa como disipador para el LDO. Cara superior e inferior del PCB.

El pin del regulador disipativo junto a la serigrafía U2 de la imagen superior es un pin de tierra (o 0V), está pensando para conectarlo al plano de tierra (o 0V) del PCB, sacando así el calor que se genera en el interior del regulador por dicho plano.

Como se puede ver en la imagen superior, en lugar de usar una pista para conectar este pin en el PCB usamos un plano que lo rodea completamente (conduce mejor el calor), ese plano se conecta al mismo plano (a nivel de señal eléctrica) de cobre en la otra cara del PCB mediante vías térmicas (todos esos agujeritos que se ven sobre el plano).

Las vías térmicas son conexiones de cobre que unen ambas caras del PCB, y cuya función además de transmitir la señal eléctrica es transmitir el calor al mismo plano de la señal eléctrica, pero situado en la cara opuesta del PCB.

Si miramos una imagen térmica del PCB podemos ver como el calor que genera el regulador se distribuye por este plano de cobre que ponemos en el PCB, transmitiendose al mismo plano en la otra cara del PCB mediante las vías térmicas (y el dieléctrico).

Imagen termica

El calor se transmite desde el regulador disipativo al plano de tierra del PCB. Vista de la cara superior e inferior del PCB.

En el datasheet del regulador encontramos en unas gráficas el tamaño del plano de cobre que necesitamos añadir como disipador en el pin del regulador, tamaño en función de la potencia que el regulador vaya a disipar y la temperatura ambiente a la que vaya a trabajar el PCB.

planos grafias

Estas gráficas nos dicen el tamaño del plano disipador necesario en función de la potencia a disipar y la temperatura ambiente.

Mirando estas gráficas podemos saber el tamaño mínimo del plano que necesitamos como disipador, cuanto más grande sea el plano y mayor su grosor de cobre mejor. No paso a explicar las gráficas ya que están explicadas en el datasheet, y sobre cálculo de disipadores hay mucho contenido en internet. Para quien no sepa nada del tema enlazo una nota sencilla de aplicación: AN761 LDO Thermal Considerations.

Da igual que nos digan que nuestro regulador puede dar 3.3V y 500 mA constantes en el tiempo a su salida, si para una corriente inferior a esos 500 mA el regulador alcanza su temperatura límite, porque el PCB no es capaz de sacar el calor, el límite de corriente está ahí.

Como muestra de lo anterior conectamos una carga electrónica a nuestra placa para sacar un valor de corriente constante del regulador, y tomamos las siguientes medidas de temperatura en el encapsulado del regulador (la interna será un poco más alta).

20 V 100 mA

Alimentamos a 20 V y sacamos 3.3V y 100 mA del regulador, temperatura del encapsulado 105 ºC.

Si alimentamos nuestra placa con 20V, cuando queremos sacar 100 mA continuos de la salida del regulador vemos como su encapsulado alcanza una temperatura de 105 ºC (su temperatura interna será 5-10 ºC más alta) al disipar este cerca de 1.7 W.

Por lo que si alimentamos nuestra placa desde 20V, el máximo de corriente constante en el tiempo que podemos pedir al regulador (acercandonos al límite de temperatura interna máxima del regulador de 125 ºC) en este PCB son 100 mA, lejos de los 500 mA del límite de corriente de salida del regulador.

12V 200 mA

Entrada 12 V y sacamos 3.3V y 200 mA del regulador, temperatura del encapsulado 105 ºC.

Si bajamos por ejemplo la alimentación de la placa a 12V, vemos que para 200 mA de corriente constante de salida estamos en los 105 ºC anteriores al disipar el regulador sobre 1.7 W. Es decir si usamos una alimentación de 12V en lugar de una de 20V, podremos sacar el doble de corriente del regulador en este PCB.

6V 500 mA

Alimentamos a 6 V y sacamos 500 mA del regulador, temperatura del encapsulado 85 ºC.

Si ahora alimentamos la placa con 6V podemos sacar los 500 mA (límite de corriente), midiendo 85 ºC y estando lejos de la temperatura interna máxima de funcionamiento del regulador al disipar este sobre 1.3W.

Es decir la corriente máxima que podemos sacar de un regulador disipativo la establece su límite de corriente máxima de salida o su temperatura interna máxima, lo que ocurra antes.

En los casos anteriores de las imagenes de 20 V y 12 V de alimentación, si podemos sacar pulsos cortos en tiempo de corriente superiores a 100 y 200 mA respectivamente del regulador, siempre que esos pulsos no nos acerquen a su temperatura máxima de funcionamiento.

A la hora de incluir un regulador disipativo en nuestro diseño es importante tener en cuenta la potencia máxima que va a disipar y añadir el disipador correspondiente. Si no lo hacemos pues puede que no nos de la corriente esperada.

Los reguladores disipativos tienen una eficiencia muy baja, pero son baratos, necesitan pocos componentes para funcionar y tienen un ruido de salida muy bajo.

En las imagenes anteriores se ve que el regulador es una fuente de calor, y por tanto lo que esté colocado cerca del regulador en el PCB pues se va a calentar más que si estuviera en otra zona del PCB alejada del regulador. Si tenemos componentes sensibles a la temperatura, que esta pueda afectar a su funcionamiento o acortar su vida, es bueno ubicarlos lejos de las fuentes de calor del PCB. Un componente sensible a la temperatura por ejemplo son los condensadores electrolíticos (su vida se acorta).

Resumen y conclusiones.

En esta entrada del blog se ha hablado de:

  • Las características del regulador disipativo.
  • La importancia de la ESR del condensador de salida.
  • El efecto LC en el condensador de entrada.
  • Se ha mostrado un ejemplo de ruido en la línea de alimentación.
  • La ubicación de los componentes del regulador en el PCB.
  • Las consideraciones térmicas a la hora de añadir un regulador disipativo.

Anotar que aunque el regulador tiene protección de polaridad inversa, si se suelda el condensador electrolítico y conectamos la alimentación al revés pues este se dañará (no está protegido por nada).

Si la fuente de alimentación da corriente suficiente este condensador puede llegar a explotar si se conecta al revés. Podríamos haber añadido un diodo en serie con la entrada para proteger este condensador, pero cuando rompamos este condensador por conectarlo al revés aprenderemos dos de las cosas más importantes a tener en cuenta cuando trabajemos con electrónica:

  • Revisar varias veces las conexiones antes de dar alimentación a un circuito.
  • Y no pegar la cara (ni ninguna parte del cuerpo a la que tengamos estima) a un PCB cuando lo probemos y conectemos por primera vez.

He intentado contar lo básico de lo utilizado en la parte del regulador disipativo, se me ha podido olvidar algo ya que no sigo ningún guión cuando me pongo a escribir y lo hago de memoria, esta entrada iba a ser una sola parte y creo que se me va a ir a 3 por lo menos.

Si has leído hasta aquí espero que algo de lo escrito te haya sido útil 🙂 .

En la próximas partes de esta entrada del blog se hablará del circuito y los componentes del microcontrolador, de los conectores de salida y ruteado del PCB de dos capas, y de como pedir y fabricar las placas.