Después de leer este artículo no volverás a ver igual a las tarjetas chinas, o de cómo aprender de los errores de otros: Errores de diseño
For english press here.
Todos sabemos lo baratas y fácil de conseguir que son las tarjetas electrónicas chinas, pero ¿alguna vez te has puesto a pensar sobre su calidad y lo peligroso o poco conveniente que podría ser utilizarlas en tu casa o en un proyecto pagado?
A continuación te voy a platicar sobre 3 errores en este tipo de tarjetas. Si después de conocerlos las sigues usando en proyectos pagados, entonces será bajo tu responsabilidad y ya no podrás alegar ni demencia ni ignorancia ante el Gran Jurado.
Por otro lado, analizar los errores de otros podemos aprender mucho, y lo que es más importante, evitaremos repetirlos en nuestros propios diseños.
Tabla de contenidos
Oscilaciones (falsas activaciones)
Muchas tarjetas chinas que compramos se dedican a:
- Leer algún tipo de señal analógica.
- Comparar el valor leído contra una tensión DC de referencia.
- Emitir una señal de salida, normalmente binaria.
Todas las tarjetas que he visto utilizan al comparador LM393. No hay nada malo con el comparador, sino con la forma de utilizarlo.
Es de todos sabido que en el umbral de comparación, cuando ambas señales son casi iguales, la salida tiende a oscilar. Este efecto se multiplica si la señal analógica de interés es lenta. Y existen muchísimas señales lentas en la naturaleza: temperatura, niveles de líquido, detección de obstáculos, etc.
La siguiente imagen es de un sensor detector de obstáculos basado en el comparador LM393:
Y su salida, cuando un objeto está entrando de manera muy lenta en su rango de detección, se ve de la siguiente manera. Observa el zoom al ruido (las oscilaciones):
Y entre más lento se mueva el objeto dentro de la zona de detección, peor serán las oscilaciones.
La salida de otro detector de obstáculos es todavía más impresionante:
Tengo aclarar que el circuito anterior es diferente en el sentido que utiliza un LM555 para generar una señal portadora de 38KHz que luego es detectada por un decodificador IR equivalente al VS1838B (ó TSOP1238) y convertida a pulsos que pueden ser leídos por cualquier microcontrolador… en teoría.
¿Esperabas leer un pulso simple? ¿Qué sucederá cuando el cliente que te pagó por el proyecto reciba 10 o 20 pulsos cuando realmente esperaba uno para su conteo?
¿Cuál es el problema?
El problema es que los comparadores así funcionan y como lo apunté, el efecto oscilatorio es peor entre más lenta sea la señal a comparar. Para señales rápidas el problema no es tan grave, y en la mayoría de casos no existe.
Quizás pienses que este problema puede ser resuelto con un capacitor de filtrado o por software. Podría funcionar. Pero te tengo otra solución más interesante y profesional que trataré a fondo en otro artículo: histéresis.
¿Cuál es la solución?
Histéresis. Aunque este tema lo trataré en un artículo aparte, te adelanto que la histéresis es la incorporación de una zona muerta dentro del umbral de comparación en la que nada sucederá, logrando que la señal de salida salga limpia.
La histéresis es como un flip-flop (o lo que es lo mismo, una memoria de 1 bit):
- Si pones un 1 lógico a su entrada, su salida pasará a, digamos 0;
- Si pones un 0 lógico a su entrada, su salida pasará a 1.
- Y mientras la señal de entrada esté en el limbo 1-0 la señal de salida no cambiará.
(El flip-flop que acabo de describir no es del todo exacto; sin embargo, lo importante es el efecto de memoria.)
¿Cuánto me va a costar semejante tecnología de la era espacial ? ¡Nada! Bueno sí, dos resistencias y lo mejor de todo es que seguirás utilizando al LM393, o LM311, o cualquier otro comparador que te agrade. Así de simple. En lo que escribo el artículo, revisa la siguiente imagen y échale un ojo a las referencias.
Referencias
1 TI Comparator with Hysteresis Reference Design
2 ROHM Hysteresis Setting for Comparator
Relevadores
Este es el punto que más me preocupa y es por éste que te estoy pidiendo que reconsideres el uso de las tarjetas chinas en tus proyectos.
Hasta este momento he encontrado tres tipos de problemas, por lo que utilizaré tres secciones para describirlos.
Relevadores sin ranuras
La mayoría de las tarjetas chinas de bajo costo que incluyen relevadores no incorporan algo que le llamamos ranuras (en inglés, cutouts o slots).
¿Y para qué sirven las ranuras? Insertamos ranuras para evitar o detener la carbonización del PCB, alejar las señales de alta tensión de las de baja tensión, y también para reducir la probabilidad de que aparezcan arcos eléctricos.
- Arcos eléctricos. Cuando una alta tensión (tensiones mayores a 60Vrms) se presenta entre dos terminales pudiera darse el caso que se genere un arco eléctrico. Un ambiente húmedo o suciedad en el PCB podría contribuir a que esto suceda.
- Carbonización. Y aun cuando los arcos eléctricos no se presenten, tenemos el problema de la carbonización del PCB que se da por las altas corrientes que circulan entre sus pistas.
Las ranuras sirven a dos propósitos:
- Evitan que la carbonización se propague incrementando algo que traducido al español es fuga (en inglés, creepage). Creepage es la distancia física que una corriente eléctrica debe de seguir sobre el circuito impreso (ya no en el aire, como en los arcos eléctricos).
- Separan la alta tensión de las señales de baja tensión.
Para evitar, y en su caso detener, la carbonización lo que podemos hacer es incrementar el creepage insertando ranuras en los relevadores. Debo señalar que un fragmento carbonizado de circuito impreso puede conducir las señales de alta tensión hacia las de baja ya que aumenta su conductividad.
Para agravar las cosas, muchos relevadores, por diseño, tienen una terminal de potencial alta tensión entre dos señales de baja tensión, por lo cual, y en caso de un fallo, la alta tensión podría alcanzar a la circuitería de baja tensión:
Con los arcos eléctricos, dado que se producen en el aire, lo único que nos queda por hacer es alejar al relevador del resto del circuito, como lo comentaré en la siguiente subsección.
¿Cuál es la solución?
- Insertar ranuras en cada relevador utilizado en el circuito, y también en todos aquellos lugares donde exista la posibilidad de que señales de alta tensión alcancen la circuitería de baja. (insertar imagen). El ancho de la ranura debe ser al menos de 1.0 mm.
- Si tu PCB es a dos caras, en una de ellas coloca las pistas que van hacia la bobina del relevador, y en la otra cara coloca las pistas de alta tensión.
Usa ambas técnicas siempre que te sea posible .
¿Es caro agregar las ranuras? ¡No! De hecho los fabricantes de PCBs no los cobran ya que desde hace mucho tiempo son consideradas como parte del paquete de fabricación.
Voy a hacer mi tarjeta con técnicas caseras, ¿cómo le hago? Bueno, aquí es más difícil, a menos que tengas una máquina CNC, y pues no, no siempre la tenemos. Sin embargo, en este caso introduce una distancia de separación segura, como lo voy a platicar en la siguiente sección.
Referencias
Clearance and Creepage Rules for PCB Assembly
Excellent definition from Siemens for the term Creepage
Relevadores sin la distancia mínima segura
En la siguiente imagen observarás que una potencial señal de alta tensión está prácticamente pegada a una pista que lleva 0V, y muy cerca de una de 5V:
Dicha imagen proviene de un contador de eventos muy famoso en el mundo de la electrónica. ¿No te ha dado miedo saberlo?
Cuando adquirí la tarjeta y observé este problema me quedé frío. Inmediatamente imaginé un escenario donde un motor se activaría y se contarían vueltas del mismo, y luego se apagaría, y después se volvería a activar, y así sucesivamente.
El encendido del motor implica altas corrientes, mucho mayores a los 10A que los relevadores y sus pistas que la deben conducir (hasta 20 veces la corriente de placa del motor). A la corriente de arranque de un motor se le llama, en inglés, inrush current. Afortunadamente la duración de esta corriente inicial es muy corta, pero al ser intensa podría provocar los ya mencionados arcos eléctricos y carbonizaciones.
¿Cuál es la solución?
Aquí tenemos tres soluciones, dos repetidas, pero igual de válidas:
- Alejar lo más posible al relevador de la circuitería de baja tensión.
- Insertar una ranura, como lo mencioné en la sección anterior. O mejor aún, insertar dos ranuras, aunque lo normal es la primera:
- La ranura que separa la terminal de alta tensión de las terminales de la bobina.
- Una ranura que separe todo el cuerpo del relevador de la zona de baja tensión
- Si tu PCB es a dos caras, en una de ellas coloca las pistas que van hacia la bobina del relevador, y en la otra cara coloca las pistas de alta tensión.
Al espacio o distancia entre pistas, o entre pistas y pads (o vías), le llamamos, en inglés, clearance. Entonces lo que debemos hacer es incrementar lo más que se pueda el clearance entre las pistas de alta tensión y la circuitería de baja.
Esta solución sí podría tener un pequeño costo, y es que una tarjeta más grande nos costará un poco más de dinero. Con algo de imaginación y creatividad podríamos implementar estas soluciones manteniendo al mismo tiempo un tamaño pequeño de PCB.
Sin embargo, los chinos, con tal de ahorrarse unos centavos, han preferido diseñar tarjetas peligrosas. No obstante, ni tú ni yo somos como ellos y nosotros sí anteponemos la seguridad al costo.
En el caso particular del contador con el que inicié esta sección, la solución era tan simple como colocar al relevador de forma horizontal, pero a los chinos no les importa nuestra seguridad.
Ya no podrás decir que no te lo advertí.
Referencias
Wikipedia: Inrush current for motors
Eaton/Cooper Bussmann: Motor protection
Relevadores con pistas delgadas
Casi todas las tarjetas chinas utilizan relevadores marcados para 10A y 127VAC/250VAC, pero el ancho de sus pistas no se corresponde con dicha corriente:
El siguiente relevador es un catálogo de errores de diseño:
- No tiene ranuras.
- Las pistas de potencia son delgadas y no permiten un refuerzo.
- Una terminal de alta tensión del relevador está muy cerca de la terminal de 0V.
- Esta misma terminal de alta tensión empieza en la capa superior y luego desciende a la inferior a través de un pad.
- Cerca de este pad, y de otro de alta tensión, pasa una señal para la bobina.
- Una señal de baja tensión cambia de capa y pasa por debajo de la alta tensión, y luego vuelve a cambiar.
- Las terminales de señal tienen sobrantes de cobre (no se ven pero ahí están).
- Inclusive las perforaciones de montaje mecánico están peligrosamente cerca de la alta tensión.
Volviendo a nuestro tema: existe una fórmula para determinar el ancho de pista que pueda manejar esta corriente, pero de manera intuitiva estamos en el entendido que entre más gruesa la pista, mejor. Bueno, pues los chinos tienen otras ideas, como si el cobre extra se los fueran a cobrar.
Y aunque a ellos no les implica ningún tipo de costo usar pistas gruesas, insisten en cometer garrafales errores de diseño.
La tarjeta del contador (de la sección anterior, Relevadores sin la distancia mínima segura) sí que ha colocado pistas gruesas, pero a costo de estar pegado a la circuitería de baja tensión. ¿Dónde aprendieron los chinos a diseñar así?
En la sección 2.1 hablé de la carbonización por exceso de corriente: entre más delgada la pista, la probabilidad de carbonización es más alta, y eventualmente, se podrían producir arcos eléctricos.
¿Cuál es la solución?
Tenemos 3 soluciones que puedes llevar a cabo aun en tarjetas caseras:
- Pistas muy gruesas, de 7.19 mm para ser exactos (para el caso de 10A), pero como eso no siempre será físicamente posible, aquí viene la segunda parte:
- Pistas más delgadas que 7.19 mm, pero con el estaño expuesto, y
- Que las pistas sean cortas y en línea recta en la medida de lo posible.
- (Hay quien también coloca pistas del mismo ancho que las pistas de potencia en la capa opuesta, y paralelas a ellas, pero sin exponer el estaño.)
El estaño expuesto te permitirá reforzar la pista ya sea con soldadura o, en casos extremos, con alambre y soldadura desde la terminal del relevador hacia la terminal de conexión.
Estas soluciones no tienen ningún costo, pero a los chinos simplemente no les importas.
Mezcla de señales de alta tensión con baja
Vivo quedándome frío cada vez que analizo las tarjetas chinas. Adquirí un termostato muy famoso y me preparaba para realizar las conexiones eléctricas cuando noté algo increíblemente peligroso: una potencial conexión de alta tensión está inmediatamente a la izquierda de los 12VDC de alimentación:
¿Cuál es el problema?
Que quizás quieras conectar el cable de 12VDC de alimentación, pero por ahí olvidaste desconectar la alta tensión, y sin percatarte:
- Pones tu destornillador en la terminal de alta tensión, o
- Tocas con tu dedo la parte inferior de la tarjeta en la terminal de alta tensión.
Aquí podrías argumentar muchas cosas defendiendo a los chinos, que ni te conocen ni les importas, pero en el fondo nadie con un poco de sentido común colocaría alta y baja tensión lado a lado, ¡eso está mal, así no se diseña!
Y por si eso no fuera ya lo suficientemente malo, y en contra de lo que pudieras contra argumentar, tampoco tiene señalizaciones de alta tensión que eventualmente te alerten del peligro.
¿Cuál es la solución?
Una solución en un nuevo diseño es lo que nos dicta el sentido común: colocar lo más alejado que se pueda el o los conectores de alta tensión, en un lugar que al usuario le quede alejado. Tal vez colocarlos en lugares diametralmente opuestos y de difícil acceso.
Y por supuesto que vamos a requerir ayudas visuales en la serigrafía del PCB que nos indiquen que debemos tener cuidado.
Por otro lado, en diseños ya fabricados como el que mencioné, lo que puedes hacer es conectar el neutro de la carga en la tarjeta, y el vivo de la alta tensión dejarlo por separado:
Utilización de trimpots multivuelta
Esta situación no es ni de cerca tan peligrosa como los problemas de la sección anterior, sin embargo, es terrible desde el punto de vista funcional.
Toma como ejemplo al siguiente temporizador basado en el LM555, el cual temporiza entre 0.1 y 11 segundos. ¿Cómo le haces para establecer, de manera simple, 5 segundos? ¿Y 8 segundos? ¿y 2 segundos? Vas a tener que darle muchas vueltas al trimpot, y con ensayo-error, llegar al tiempo deseado. Esta forma de trabajar es poco práctica:
Tú no eres el problema, sino tu cliente, el que te pagó, ¿le vas a decir que se ponga a adivinar cada vez que quiera cambiar el parámetro correspondiente?
Lo mismo sucede con las tarjetas de temperatura o detección de obstáculos, ¿cuántas vueltas necesito para detectar objetos a 8 cm… y a 4 cm… y a 12 cm? ¿cuántas vueltas necesito para detectar 50 grados, 35 grados, 60 grados?
¿Cuál es la solución?
Aquí tenemos dos:
- Utilizar potenciómetros de una sola vuelta, y de estos hay muchos tipos. Los que son de tamaño pequeño incluyen una marca, mientras que a los más grandes les podemos colocar perillas. El que sea que escojas te permitirá poner algún tipo de marca sobre el PCB, o sobre el gabinete, indicando la posición del mismo para ciertos valores.
- Si insistes en utilizar trimpots multivuelta, o tu aplicación te exige una calibración precisa, entonces deberás colocar un test point (punto de prueba) en tu PCB de tal manera que cada vez que necesites realizar la calibración puedas conectar un multímetro o un osciloscopio. (De hecho serían dos test points: uno para la señal a calibrar y uno para fácil acceso a los 0V del circuito). Ten en cuenta, sin embargo, que vas a requerir algún tipo de tabla que te indique que X volts se corresponden con Y centímetros/segundos/grados para el tipo de aplicaciones que estés realizando.
Palabras finales
Las tarjetas chinas deben ser consideradas como juguetes, o como elementos para realizar pruebas de concepto, o simplemente como objetos de entretenimiento.
No estoy diciendo que uno no debería adquirirlas, personalmente lo hago con los fines mencionados. Pero estoy preocupado por todos aquellos aficionados que pretenden jugar a ser ingenieros e incorporan dichas tarjetas en circuitos sensibles o en proyectos pagados.
Jamás debemos abusar de la ignorancia de nuestros clientes (en el campo de la Electrónica); ellos están confiando en nosotros y nunca deberíamos realizar diseños finales basados en estas tarjetas y las horribles conexiones entre ellas (alambrado spaguetti), eso hace que sean aún más peligrosas.
Haz tu prueba de concepto, muéstrasela a tu cliente, y cuando tengas su visto bueno, entonces realiza el o los circuitos impresos integrando todos los componentes electrónicos del diseño utilizando las mejores prácticas ; quizás hasta puedas incluir alguna de las que comenté en este artículo.
Observa la siguiente secuencia de imágenes donde te muestro la evolución desde una idea que tuve hasta un producto final. Antes del primer prototipo utilicé módulos, un clón de Arduino UNO y cableado spaghetti:
Un punto importante que quiero mencionar antes de terminar es que debemos dejar de aceptar como algo “normal” la basura china corrigiendo sus errores, y en su lugar tenemos que ponernos a crear nuestros propios diseños.
Debemos dejar de aceptar como algo “normal” la basura china corrigiendo sus errores.
Espero que este artículo te haya sido de utilidad y que de aquí en adelante consideres los pros y contras de utilizar tarjetas chinas. Y no olvides que también se aprende de los malos diseños.
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