GUÍA DIDÁCTICA Ángel Bueno Martín Ana I. de Soto Gorroño Pag. 1
PRESENTACIÓN: Módulo profesional: Ciclo Formativo: Grado: Familia Profesional: DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE Curso PROTOTIPOS ELECTRÓNICOS 2º DESARROLLO DE PRODUCTOS ELECTRÓNICOS SUPERIOR ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA Duración básica: 160 Duración fija: 195 Duración centro: 210 Esta guía tiene el objetivo de proporcionar al profesor que imparte la asignatura un material didáctico de apoyo que facilite su labor docente. El módulo/crédito tiene una componente procedimental muy fuerte, pues se trata tanto de diseñar como de construir pequeños prototipos electrónicos, por lo que se aconseja la realización física del circuito-guía tutorizado, así como los ejercicios y prácticas propuestas en el libro. Además, es conveniente la realización de pequeños proyectos (analógicos, digitales, microprogramables ) que afiancen los conocimientos técnicos adquiridos en el primer curso y que respondan también a las directrices y recursos presentados en el módulo Desarrollo de Proyectos de Productos Electrónicos. En este sentido, una buena idea sería realizar un proyecto final compartido por ambos módulos. CAPACIDADES TERMINALES Al finalizar este módulo profesional, el alumno/a deberá ser capaz de: 1. Realizar la edición de los esquemas eléctricos correspondientes a circuitos de aplicaciones electrónicas, utilizando con destreza y precisión las herramientas informáticas (equipos y programas de diseño asistido) adecuadas. 2. Diseñar circuitos impresos para aplicaciones electrónicas utilizando herramientas informáticas de diseño asistido por ordenador específicas y aplicando los procedimientos adecuados. 3. Elaborar documentación técnica necesaria para la construcción de placas de circuito impreso y el montaje de prototipos electrónicos, utilizando las herramientas informáticas de diseño asistido por ordenador y en el formato normalizado establecido. 4. Construir placas de circuito impreso para prototipos, utilizando los medios y procedimientos adecuados. 5. Realizar el montaje de los componentes electrónicos en las placas de circuito impreso para prototipos, utilizando los medios y procedimientos adecuados. 6. Realizar las pruebas funcionales y ajustes correspondientes de los prototipos electrónicos, utilizando los medios adecuados y siguiendo el procedimiento establecido en la documentación técnica de los mismos. En la figura siguiente se puede apreciar la organización de los contenidos principales del módulo/crédito, tal y como se contempla en el libro. Pag. 2
Diseño, cálculos CAD Captura del esquemático ------------------------ OrCAD CAPTURE Diseño de pistas ------------------------ OrCAD LAYOUT CAM Cálculo de canales de aislamiento ------------------------ CircuitCAM Control Máquina ----------------------- BoardMaster Insolado Revelado Grabado Microfresado y taladrado CNC ----------------------- Protomat Taladrado PCB Metalizado taladros Posicionado de componentes SMD ------------------------- Puesto Pick&Place Inserción de componentes THD ------------------------- Manual/Automático Inserción y soldadura de componentes ---------------------------- Placa de topos Soldadura ----------------------- Horno Refusión Soldadura ------------------------- Estación soldadora Wrapinado Ajustes. Verificación. Control de Calidad Prototipo Pag. 3
PROGRAMACIÓN DE LAS UNIDADES DIDÁCTICAS Unidad didáctica 1: Presentación. Introducción. Generalidades. 5 horas Unidad didáctica 2: Edición y captura de esquemáticos. 40 horas Unidad didáctica 3: Diseño de circuitos impresos. 35 horas Unidad didáctica 4: Construcción de placas de circuito impreso. 20 horas Unidad didáctica 5: Montaje de componentes electrónicos en placa. 10 horas Unidad didáctica 6: Pruebas funcionales, ajustes, control de calidad y fiabilidad en prototipos electrónicos. 10 horas Unidad didáctica 7: Elaboración de la documentación técnica del proyecto. 10 horas Unidad didáctica 8: Construcción de prototipos electrónicos. Proyectos. 80 horas Las unidades didácticas están referenciadas a continuación según los distintos capítulos del libro de texto, objeto de esta guía didáctica. CONTENIDOS CONCEPTUALES, PROCEDIMENTALES Y ACTITUDINALES Los contenidos de este módulo han sido divididos en 5 bloques, según los conocimientos implicados en él: Bloque 1 Bloque 2 Bloque 3 Bloque 4 Bloque 5 : Diseño de circuitos impresos. : Construcción de placas de circuito impreso. : Montaje de componentes en placa : Pruebas funcionales, ajustes y verificaciones. : Documentación Técnica. En cada uno de estos bloques se presentan tres tipos de contenidos: los relativos a hechos, conceptos y principios o conceptuales; los relativos a los procedimientos o procedimentales y los relativos a normas, valores y actitudes o actitudinales. Bloque 1: DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS Este bloque de contenidos aborda la parte de diseño de las placas de circuito impreso bajo soporte informático (fase CAD), parte básica en el desarrollo del módulo. Hechos, conceptos y principios: Entorno de diseño. Componentes de librería que no existen. Diseño y creación. Técnicas de interconexión en el esquema de los diferentes componentes. Diferentes encapsulados en el área de tarjeta definida. Trazado manual y/o automático de las pistas. Chequeo de errores. Informes. Archivos necesarios para la fabricación de la tarjeta. Técnicas de obtención de copias impresas de las diferentes capas de la tarjeta. Características y tipología de la tarjeta de circuito impreso. Pag. 4
Procedimentales: Selección de parámetros de configuración del software de diseño. Selección de los componentes de librería necesarios. Definición de los archivos correspondientes, con el esquema realizado, que contengan las anotaciones y listas de componentes. Establecimiento de las estrategias de ubicación de encapsulados. Establecimiento de las estrategias de trazado de las pistas. Creación de las diferentes capas de la tarjeta en los formatos estándar. Obtención, a través de los dispositivos de salida, de copias en papel de toda la documentación. Actitudinales: Valoración de la importancia de disponer de la correcta documentación. Atención en el manejo de archivos y soportes informáticos Valoración de la importancia de optimizar los recursos materiales. Las Unidades Didácticas asociadas a este Bloque son las siguientes: Unidad didáctica 1: Presentación. Introducción. Generalidades. Capítulo 1.- Generalidades sobre el diseño electrónico por ordenador. Capítulo 2.- Introducción. Unidad didáctica 2: Edición y captura de esquemáticos. Capítulo 3.- Editor de páginas de esquemas de OrCAD CAPTURE Capítulo 4.- Editor de componentes y símbolos de OrCAD CAPTURE Unidad didáctica 3: Diseño de circuitos impresos. Capítulo 5.- Editor de tarjetas de circuito impreso de OrCAD LAYOUT PLUS Capítulo 6.- Administrador de librerías y editor de encapsulados de OrCAD LAYOUT Bloque 2: CONSTRUCCIÓN DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Este bloque siempre va a estar definido como paso previo al montaje de componentes sobre circuito impreso. Su correcto planteamiento repercutirá directamente en la calidad del producto final, tanto en la estética como en su funcionamiento. Se contempla la fabricación química y en seco (CAM). Hechos, conceptos y principios: Software de fabricación asistida por ordenador. Documentación técnica necesaria para la realización de la placa. Ficheros de producción CNC. Materiales y herramientas. Equipos de comprobación. Procedimentales: Selección de los útiles y productos adecuados para la realización de las placas. Implantación de las precauciones necesarias en la elaboración de las placas. Enumeración de los posibles problemas técnicos que pueden surgir. Preparación del lugar y soportes adecuados para la fabricación de las placas. Selección los materiales a emplear en la realización de la placa. Realización con meticulosidad de todos y cada uno de los procesos químicos (sensibilizado, insolado, revelado, grabado,...). Observaciones de manejo de la microfresadora. Mantenimiento y selección de fresas y brocas. Pag. 5
Actitudinales: Mantenimiento siempre de una correcta limpieza y orden del lugar de fabricación. Seguimiento de la normativa de reciclado de productos químicos corrosivos. Valoración del orden y la meticulosidad en la realización de las placas, tanto en lo referente al sensibilizado, insolado y revelado como al microfresado y taladrado. Las Unidades Didácticas asociadas a este Bloque son las siguientes: Unidad didáctica 4: Construcción de placas de circuitos impresos. Capítulo 7.- Tutorial de manejo de CircuitCAM Capítulo 8.- Tutorial de manejo de BoardMaster Apéndice A.- Fabricación química de la PCB Bloque 3: MONTAJE DE COMPONENTES EN PLACA Este bloque aborda los contenidos referentes a la realización efectiva final de la placa de circuito impreso, con la inserción de sus componentes reales. Hechos, conceptos y principios: Componentes empleados en el montaje de las tarjetas. Tecnologías de fabricación de tarjetas. Técnicas de montaje de tarjetas. Convencionales, mixtas y SMD. Técnicas de soldadura. Convencional y SMD. Aleaciones sin plomo. Técnicas de limpieza. Procedimentales: Selección de las herramientas y métodos adecuados para el montaje de tarjetas electrónicas. Implantación de las precauciones que se consideren necesarias en la elaboración de tarjetas electrónicas. Análisis de los posibles problemas técnicos que pueden surgir. Preparación del lugar y soportes adecuados para el montaje de las tarjetas. Distribución en el puesto de trabajo de los componentes empleados en el montaje. Actitudinales: Mantener siempre una correcta limpieza y orden del lugar de montaje. Necesidad de tener las herramientas ordenadas y en perfecto estado. Valoración del orden y la meticulosidad en el montaje de las tarjetas, sobre todo en lo referente a la orientación de los componentes. Las Unidades Didácticas asociadas a este Bloque son las siguientes: Unidad didáctica 5: Montaje de componentes electrónicos en placa. Capítulo 9.- Montaje final de la tarjeta. Apéndice C.- Tecnología de Montaje superficial (SMT) Unidad didáctica 8: Construcción de prototipos electrónicos. Proyectos. Apéndice B.- Técnica de wrapping. Capítulo 10.- Proyecto propuesto. Pag. 6
Bloque 4: PRUEBAS FUNCIONALES, AJUSTES Y VERIFICACIONES Este bloque se puede considerar transversal a todo el módulo y parte del ciclo, ya que el alumno o la alumna deberán mantener una constante en lo que a ajuste y verificación se refiere. Hechos, conceptos y principios: Los aparatos de medida. Ajustes establecidos para la puesta a punto de la tarjeta. Mediciones establecidas en los puntos propios del circuito. Controles de calidad (Ensayos térmicos, de durabilidad,...). Procedimentales: Selección de los instrumentos de medida adecuados. Establecimiento de los ajustes necesarios para la puesta a punto de la tarjeta. Conexión de los aparatos de medida. Realización de los ajustes establecidos para la puesta a punto de la tarjeta. Realización de las mediciones en los puntos propios del circuito. Interpretación de las medidas realizadas. Actitudinales: Cuidado de los equipos. Respeto de las normas de seguridad. Mantenimiento de la instrumentación siempre en perfecto estado. Definición de las mediciones a realizar, de forma ordenada y coherente. Las Unidades Didácticas asociadas a este Bloque son las siguientes: Unidad didáctica 6: Pruebas funcionales, ajustes, control de calidad y fiabilidad en prototipos electrónicos. Capítulo 9.- Montaje final de la tarjeta. Bloque 5: DOCUMENTACIÓN TÉCNICA Este último bloque se puede considerar como transversal a todo el módulo y parte del ciclo, ya que el alumnado deberá mantener un estrecho contacto con la documentación técnica de los productos electrónicos, ya sea en el análisis, diseño, construcción o verificación de las tarjetas de circuito impreso. Hechos, conceptos y principios: Formato estándar de los ficheros a generar. Ficheros Gerber y Excellon. Información a obtener en papel y/o fotolitos. Formatos de salida estándar para la confección de las placas. Procesos para la elaboración de maquetas (herramientas, materiales, mecanizado, conexión,...). Procedimentales: Interpretación de esquemas de circuitos electrónicos. Identificación de los componentes y bloques funcionales del circuito. Procesos de diseño. Realización de listas de componentes y documentación del circuito. Obtención en papel de toda la información generada en soporte digital. Pag. 7
Actitudinales: Valoración de la importancia de disponer de una correcta documentación. Rigor en la elaboración y clasificación de toda la documentación necesaria. Las Unidades Didácticas asociadas a este Bloque son las siguientes: Unidad didáctica 7: Elaboración de la documentación técnica del proyecto. Capítulo 3.- Editor de páginas de esquemas de OrCAD CAPTURE Capítulo 5.- Editor de tarjetas de circuito impreso de OrCAD LAYOUT PLUS Apéndice D.- Glosario de términos. METODOLOGIA Es recomendable contemplar las siguientes directrices: Como norma general, para la concreción de actividades de enseñanza-aprendizaje y de evaluación que conformen las unidades didácticas, éstas se deben estructurar estableciendo un eje procedimental. En consecuencia, los distintos contenidos de tipo conceptual y actitudinal se incorporaran en las unidades didácticas conforme lo requiera la ejecución de los procedimientos que contemplan. En la medida que los supuestos impliquen mayor complejidad y autonomía por parte del alumnado, se ampliarán e integrarán los contenidos conceptuales (hechos, conceptos y principios) y actitudinales que se necesiten. Si se establece alguna unidad didáctica con estructura conceptual, se recomienda proceder trasladando los contenidos de menor a mayor complejidad de comprensión y, en la medida de lo posible, utilizando métodos que provoquen la intervención del alumnado. Es decir, se recomienda que no sea excesiva la utilización de métodos expositivos, evitando la pasividad del alumnado. Se considera conveniente realizar siempre una presentación de la unidad didáctica, principalmente con objetivos motivadores. Es aconsejable tomar como base un caso práctico o una situación determinada, casos que deberán ser sencillos, e intentar realizar un pequeño debate. De esta manera, además de poder suscitar su curiosidad y motivación, se puede utilizar para determinar los conocimientos previos que tienen sobre el tema y posibilitar una adaptación de los contenidos. En la unidad didáctica inicial del módulo, además de presentarlo e informar de las cuestiones didácticas, de tiempos, formales, etc. que cada profesor/a quiera transmitir, se recomienda que a través de la presentación de casos y situaciones determinadas se propicie un intercambio de opiniones e informaciones entre los alumnos/as. El profesor/a puede intervenir para "guiar" al alumnado en el descubrimiento de la necesidad de una serie de saberes que conforman el módulo. Además, puede servir para conocer la idea que tienen los alumnos/as de sus expectativas e interpretación de los posibles puestos de trabajo asociados al Ciclo, sus obligaciones y derechos, etc. Información, en principio, que puede posibilitar respuestas a la posible diversidad que exista. Como ejemplo, el convenio colectivo del sector puede ser la base del debate. En los procesos de enseñanza-aprendizaje la adaptación al entorno y a las actividades profesionales que referencia el título, es fundamental. En concreto, los datos y características de los supuestos, los procesos a desarrollar, el mayor número de documentos a utilizar, las situaciones simuladas, etc. tienen que generar y obtener en el alumnado significación y cierta "familiaridad". Pag. 8
Como tarea habitual, al inicio del módulo, el alumno deberá conocer los contenidos que serán desarrollados a lo largo del mismo, en cada etapa, fase y en cada unidad didáctica. Así mismo se le informará de los objetivos a alcanzar, así como del sistema de control y evaluación. Se ve muy adecuado que el alumno realice visitas a la industria, ferias de muestra, exposiciones, seminarios, y otro tipo de actividades afines a los contenidos del módulo, con el objeto de centrarle en el mundo productivo real, sobre todo para familiarizarse con las nuevas tecnologías y maquinaria. El profesor debe tomar un papel orientador, evitando en todo momento imponer sus criterios, dando paso a las posibles soluciones e imaginación personal del alumno, pues la componente creativa cobra aquí especial relevancia. RECURSOS MATERIALES RECOMENDADOS El libro objeto de esta guía es el material didáctico base con el que profesor y alumno afrontan el proceso de enseñanza-aprendizaje. Por otra parte, el laboratorio contará con el siguiente equipamiento: Software para el diseño electrónico: Captura de esquemas, layout, etc., (Paquete OrCAD). Ordenador Pentium IV con 1 Gb de RAM y monitor plano de 17 o 19 por cada alumno. Impresora Láser A3. Microfresadora-taladro con control numérico (Protomat LPKF). Sistema de metalizado. Horno Reflow para SMD. Microscopio. Puesto de trabajo pick&place para SMD. Insoladora doble cara con bomba de vacío. Pupitre luminoso y lupa. Estación soldadora-desoldadora termorregulada. Estación de reparación multifunción con aire caliente. Máquina de grabar. Taladro para circuitos impresos. Instrumentación electrónica (polímetros, osciloscopios, generadores de funciones, fuentes de alimentación, analizador lógico, programador, etc.). Set de herramientas eléctricas y mecánicas (alicates, destornilladores, calibre, pinzas, soldadores tipo lápiz, utillaje para wrapinar, soporte para PCBs, etc.). Así mismo, es conveniente disponer de los siguientes recursos multimedia en el aula-taller: Cañón electrónico. Proyector de transparencias. Pizarra electrónica digital. Acceso a Internet desde todos los puestos. Ordenadores conectados en red. Vídeo. EVALUACIÓN La evaluación del aprendizaje de los alumnos será continua y sumativa, lo que requiere la asistencia regular a clase y a las actividades programadas para el módulo. Los conceptos se evaluarán mediante diversas pruebas escritas (a modo de examen o tipo test, en papel o en ordenador, mínimo 1 por evaluación), que se realizarán a lo largo del curso y en cuyo enunciado se especificará el valor que tendrán las preguntas que lo integren. Pag. 9
Los procedimientos tienen un peso destacado en este módulo y se evaluarán mediante la realización de ejercicios, trabajos, montaje-puesta en marcha de circuitos en el laboratorio y/o actividades varias complementarias. Dada la distinta tipología de las unidades didácticas, en todo momento se elegirá como elemento evaluador aquel que mejor se adapte a sus peculiaridades y que permita hacer un seguimiento cotidiano del proceso de aprendizaje del alumno. Se incluirá en dicha valoración el correcto manejo y uso del software, equipamiento y material vario que se ponga a su disposición. Se proponen distintos tipos de prácticas a realizar: Trabajo individual con ordenador para la obtención de la documentación necesaria de un proyecto, incluyendo planos, informes, ficheros para fabricación, fotolitos, etc. Se valorará en función de la correcta simbología, establecimiento de conexiones, ausencia de errores eléctricos, respeto de normas, presentación de resultados y respuestas a las cuestiones planteadas. Trabajo(s) individual(es) o en grupo de dos alumnos destinado a la construcción física, por el procedimiento a convenir (wrapping, químico o CNC), de pequeñas maquetas electrónicas. Incluye diseño, montaje, soldadura, ajustes y verificación. Se valorará en función de la calidad del acabado final (tamaño de la PCB, nº de vías, longitud de pistas, posicionado, trazado, etc.). Las actitudes se valorarán teniendo en cuenta la asistencia regular a las sesiones de clase, el interés mostrado, el trabajo en equipo y el cuidado y respeto a las normas de seguridad e higiene. Descontará nota cada hora faltada. OBSERVACIONES ACERCA DEL LIBRO Este manual es una guía rápida que proporciona instrucciones completas y detalladas para el uso de los programas OrCAD 10 (Capture + Layout plus) y LPKF 5 (CircuitCAM + BoardMaster) de diseño y construcción de prototipos electrónicos respectivamente. Pretendemos familiarizar al lector con el entorno de trabajo CAD/CAM electrónico a través del software propuesto. Se han seleccionado estos programas por ser muy populares y los habitualmente empleados en multitud de empresas, laboratorios, universidades y escuelas técnicas. El planteamiento de esta obra es doble: por un lado, como guía de usuario de tales programas y, por otro, como referencia de trabajo y consulta. Todo ello a través de sencillas explicaciones que aportan la información necesaria para lograr un aprendizaje eficaz con un aprovechamiento óptimo del tiempo. El texto está dirigido a los profesionales del sector electrónico técnicos y profesores que deseen adquirir, de una forma clara y precisa, los mecanismos necesarios para abordar el diseño electrónico asistido por ordenador desde la perspectiva de los programas citados. Es particularmente útil para los estudiantes de Ciclos Formativos de la familia Electricidad-Electrónica, en especial aquellos que cursan el Ciclo de Grado Superior Desarrollo de Productos Electrónicos y más en concreto como libro de texto para el módulo Desarrollo y Construcción de Prototipos Electrónicos. También para el alumnado universitario de Ingenierías Electrónicas, de Telecomunicaciones y de Informática, como ayuda en las asignaturas implicadas y en la elaboración de proyectos. Finalmente, para todos aquellos aficionados y autodidactas que deseen realizar sus propios montajes. Junto a las indicaciones que ayudan a adquirir la destreza en el manejo de las herramientas informáticas orientadas al diseño electrónico, en este libro se dan una serie de consejos y observaciones de interés que facilitan el trabajo y aclaran las dudas que con frecuencia le surgen al principiante, haciendo hincapié en la correcta obtención y presentación de resultados (informes, planos, fotolitos, etc.). Pag. 10
Respecto a la metodología cabe destacar su carácter de tutorial, es decir, se propone un ejemplo que servirá de hilo conductor para ir completando las fases que conformarán la base de datos del diseño. Cada tema está desarrollado gradualmente, explicando los comandos e instrucciones allí donde aparecen por vez primera. Se acompañan numerosas ventanas, pantallas aclaratorias, aportaciones prácticas y explicaciones adicionales en aras a facilitar la comprensión de lo expuesto. Se trata, en definitiva, de un método que ayuda en la realización de un trabajo organizado y eficaz, que facilita la labor del profesor y el aprendizaje del alumno. Se recomienda simultanear la lectura de cada tema con la práctica sobre el ordenador para afianzar paso a paso las novedades que ahí se explican. Al final de cada tutorial, se han incluido abundantes anexos con objeto de complementar la información dada y tratar supuestos o aspectos colaterales que no han aparecido en el ejemplo-guía. Se pretende que el tratamiento sea completo y se plantean el mayor número de posibilidades de cada programa. FE DE ERRATAS Página / Figura Dice Debe Decir Pag. 28 / Figura 3-16 La flechas de los iconos están desplazadas verticalmente Plano sin anotar. En la Figura 4-34 puede Pag. 67 / Figura 3-89 observarse correctamente anotado La línea de puntos del BLOQUE VI se superpone y oculta la Pag. 76 / Figura 3-98 conexión del terminal inferior del conmutador doble S2. Pag. 82 / Figura 3-107 U3B (mal anotado) U1A Pag. 83 / Figura 3-108 DISPLAY AC DISPLAY CC (debe ser de cátodo común) Pag. 241 a 260 / Figuras 6-41 a 6-60 Imágenes ligeramente ampliadas Pag. 373 / Figura 13-8 Serie E96 % (1%) Serie E96 (1%) Pag. 393 / Figura 13-52 Aceptable (por ola) Crítico (por ola) Crítico (por ola) Aceptable (por ola) Pag. 353 En la celda inferior izquierda de la tabla sobra el texto después del punto y seguido. Pag. 387 (4º párrafo) En la figura 13-39 apreciamos un pequeño horno de infrarrojos En la figura 13-39 apreciamos un pequeño horno de calor por convección Pag. 11