Comprensión de Esquemas de Conexiones y PCB

Esquemas de conexiones y PCB

Cuando estudiamos o trabajamos en electrónica, es común encontrar distintos tipos de representaciones gráficas de los circuitos. Dos de las más importantes son el diagrama esquemático y el diagrama de conexiones. Aunque ambas representan un mismo circuito, cumplen funciones diferentes.

1. Diagrama esquemático

Definición

Es una representación abstracta y simbólica del circuito eléctrico o electrónico. Se utilizan símbolos normalizados (resistencias, condensadores, diodos, transistores, etc.) en lugar de dibujos realistas de los componentes.

Características principales

• Muestra la función lógica y eléctrica del circuito.
• No refleja la posición real de los componentes en la placa.
• Los componentes se representan con símbolos estandarizados (según IEC, ANSI o DIN).
• Permite comprender cómo fluye la corriente y cómo interactúan los elementos.

Ejemplo práctico

Un cargador de celular representado en esquema mostraría:

• Una resistencia para limitar corriente.
• Un diodo rectificador para convertir AC en DC.
• Un condensador para filtrar la señal.
• Un regulador IC para estabilizar la salida en 5V.

En este esquema, lo importante es la relación eléctrica entre los componentes, no su ubicación física.

2. Diagrama de conexiones (o layout)

Definición

Es la representación que indica cómo se deben conectar físicamente los componentes en una placa de pruebas, protoboard o en una PCB (placa de circuito impreso).

Características principales

• Refleja la ubicación real de los componentes y el recorrido de las pistas o cables.
• Se representa gráficamente la forma en que los elementos se van a soldar o conectar.
• Ayuda en la fase de montaje para evitar errores de conexión.
• En una PCB, este diagrama se conoce como layout, que incluye las pistas de cobre, pads y taladros.

Ejemplo práctico

Si diseñamos el mismo cargador de celular:

• El diagrama de conexiones mostrará dónde va cada resistencia, diodo, condensador y el regulador IC.
• Dibujará las pistas de cobre que sustituyen los cables.
• Reflejará la disposición física de los elementos para que puedan ser soldados en la placa.

3. Diferencia principal entre ambos

Aspecto	Diagrama esquemático	Diagrama de conexiones (layout/PCB)
Propósito	Mostrar la lógica y función del circuito	Mostrar cómo montar y conectar físicamente los componentes
Representación	Símbolos normalizados	Disposición real de pines, pistas y pads
Comprensión	Enfocado al análisis eléctrico	Enfocado al montaje y fabricación
Ejemplo	Una resistencia es solo un rectángulo con dos terminales	Una resistencia aparece en el lugar exacto donde se suelda en la placa

Ejemplo comparativo

1. Esquema eléctrico: Un LED conectado a una resistencia y luego a una batería se dibuja con el símbolo de batería, resistencia y LED, unidos con líneas.
2. Diagrama de conexiones: Ese mismo circuito mostrará dónde colocar la resistencia y el LED en la protoboard o cómo se sueldan en una PCB, con sus pistas y posiciones reales.

En resumen:

• El esquema eléctrico es como el mapa conceptual del circuito.
• El diagrama de conexiones es como el manual de montaje físico para llevarlo a la realidad.

Representación de pistas, pads y vías en un PCB

En una PCB (Placa de Circuito Impreso) los componentes electrónicos se montan y se conectan entre sí mediante pistas de cobre, pads y vías. Estos tres elementos son esenciales porque permiten que la energía y las señales circulen por la placa de forma ordenada y segura.

1. Pistas (Traces)

Definición

Las pistas son líneas de cobre que reemplazan los cables en un circuito tradicional. Son las encargadas de unir eléctricamente los componentes sobre la placa.

Características

• Están diseñadas con un grosor específico según la corriente que deben conducir.
• Se colocan sobre una o varias capas de la PCB.
• Se dibujan como caminos continuos y pueden ser rectos o curvos.

Ejemplo práctico

En un PCB de un cargador, una pista conecta el pin positivo de la entrada USB con el regulador de voltaje, y otra pista lleva la salida regulada hacia el pin de salida de 5V.

2. Pads (Almohadillas de soldadura)

Definición

Son las áreas metálicas circulares, cuadradas o rectangulares donde se insertan y sueldan los pines de los componentes electrónicos.

Características

• Existen dos tipos principales:
  1. Pads para componentes THT (Through Hole Technology): con un agujero para insertar las patas de los componentes.
  2. Pads para componentes SMD (Surface Mount Device): sin agujeros, sirven para soldar componentes en superficie.
• Están recubiertos con una capa protectora (solder mask) que deja expuesta solo la zona de soldadura.

Ejemplo práctico

Un microcontrolador en encapsulado DIP usa pads con agujeros, mientras que un chip en encapsulado SMD usa pads planos donde sus terminales se sueldan directamente.

3. Vías (Vias)

Definición

Son pequeños orificios metalizados que permiten la conexión eléctrica entre las diferentes capas de una PCB.

Características

• Son esenciales en placas multicapa (2, 4, 6 o más capas).
• Están recubiertas de cobre para garantizar continuidad eléctrica.
• Se clasifican en:
  • Vía pasante (Through-hole via): conecta todas las capas.
  • Vía ciega (Blind via): conecta una capa externa con una o más internas.
  • Vía enterrada (Buried via): conecta capas internas sin salir a la superficie.

Ejemplo práctico

En una computadora portátil, los procesadores usan PCBs de varias capas, donde las vías permiten conectar señales desde los pines del chip en la parte superior hasta los circuitos internos sin ocupar demasiado espacio.

4. Resumen comparativo

Elemento	Función	Ejemplo en un PCB
Pista	Conducir corriente y señales entre componentes	Línea de cobre que conecta un diodo a una resistencia
Pad	Punto de soldadura para fijar componentes	Agujero o superficie metálica donde va un pin del IC
Vía	Conectar diferentes capas de la PCB	Orificio que conecta una pista de la cara superior con una de la cara inferior

Analogía para comprenderlo mejor

• Las pistas son como carreteras que llevan la electricidad de un lugar a otro.
• Los pads son como puertos o estaciones donde los componentes “se conectan” al circuito.
• Las vías son como túneles o puentes que permiten pasar de una carretera en un nivel a otra en diferente nivel.

Lectura de planos de PCB

Un plano de PCB (Placa de Circuito Impreso) es un documento gráfico que muestra cómo se organizarán los componentes y las conexiones eléctricas en la placa, para luego fabricarla o montarla. Aprender a leer estos planos es fundamental para técnicos y diseñadores, ya que permite entender cómo está estructurado el circuito y cómo deben colocarse los componentes.

1. Capas en un PCB

Una PCB puede ser de una capa, doble capa o multicapa, dependiendo de la complejidad del circuito.

• Capa superior (Top Layer): suele contener pistas, pads y componentes (especialmente SMD).
• Capa inferior (Bottom Layer): incluye más pistas y, en algunos casos, componentes.
• Capas internas: en PCBs multicapa, transportan señales de alta velocidad, alimentación o planos de tierra.
• Solder Mask: capa protectora que cubre las pistas de cobre y deja libres únicamente los pads de soldadura.
• Serigrafía (Silkscreen): capa de tinta blanca (u otro color) que muestra referencias de componentes, etiquetas y marcas de orientación.

Ejemplo práctico

En una placa de computadora (como la de un router Wi-Fi), las capas internas transportan alimentación y señales de alta velocidad, mientras que las capas superior e inferior contienen pistas visibles y los pads de conexión de chips y conectores.

2. Componentes SMD (Surface Mount Device)

Definición

Son componentes diseñados para ser soldados directamente sobre la superficie del PCB, sin necesidad de agujeros.

Características

• Son más pequeños y ligeros que los de agujero pasante.
• Permiten alta densidad de integración en placas modernas.
• Requieren precisión en el montaje, generalmente con máquinas de soldadura por reflujo.

Cómo se representan en el plano

• Se ven como rectángulos o pads planos en el layout.
• La serigrafía indica la posición y orientación (ejemplo: la marca de un diodo o el pin 1 de un chip).

Ejemplo práctico

Un teléfono móvil utiliza casi exclusivamente componentes SMD: resistencias diminutas, condensadores cerámicos, chips IC y transistores MOSFET.

3. Componentes de Agujero Pasante (THT – Through Hole Technology)

Definición

Son componentes con pines que se insertan en agujeros del PCB y se sueldan en la cara opuesta.

Características

• Son más resistentes mecánicamente que los SMD.
• Ocupan más espacio en la placa.
• Se usan en conectores, transformadores, potenciómetros y componentes que soportan más potencia.

Cómo se representan en el plano

• Se ven como pads circulares con agujeros en el layout.
• La serigrafía alrededor del pad ayuda a identificar el componente.

Ejemplo práctico

En una fuente de alimentación industrial, los transformadores, conectores y fusibles suelen ser de agujero pasante.

4. Cómo interpretar un plano de PCB paso a paso

1. Identificar las capas: revisar las pistas de la cara superior, inferior y, si aplica, las internas.
2. Ubicar la serigrafía: reconocer dónde va cada componente (R1, C3, U2, etc.).
3. Diferenciar SMD y THT:
   • SMD → pads planos sin agujeros.
   • THT → pads circulares con agujeros.
4. Seguir las pistas: verificar cómo los pads se conectan entre sí.
5. Observar las vías: pequeños orificios que conectan diferentes capas.

5. Analogía sencilla

Un plano de PCB es como un mapa de una ciudad:

• Las pistas son las calles.
• Los pads son las intersecciones o paradas donde se colocan los componentes.
• Las vías son túneles que comunican calles de distintos niveles.
• Los SMD son casas pequeñas sobre la calle.
• Los THT son edificios con cimientos que atraviesan al subsuelo.

En resumen:

• Las capas muestran cómo se distribuye la energía y las señales.
• Los SMD permiten circuitos compactos y modernos.
• Los THT aportan robustez en conexiones mecánicas o de alta potencia.

Relación entre el esquema y el circuito físico

Un esquema eléctrico es la representación simbólica de un circuito, mientras que el circuito físico es su implementación real, ya sea en una protoboard, una PCB o con cables y componentes sueltos. La relación entre ambos es directa, pero cada uno cumple un papel distinto en el diseño y montaje.

1. Esquema eléctrico

• Usa símbolos normalizados para representar componentes (resistencias, condensadores, transistores, etc.).
• Muestra la conexión lógica entre los elementos.
• No se preocupa por la posición física de los componentes, solo por cómo están conectados.
• Permite analizar el comportamiento eléctrico del circuito (corrientes, voltajes, funciones).

Ejemplo:
Un LED conectado a una resistencia y una batería se dibuja con los símbolos correspondientes unidos por líneas.

2. Circuito físico

• Es la materialización real del esquema.
• Cada componente se coloca físicamente en una placa (protoboard o PCB).
• Las pistas de cobre, cables o conexiones sustituyen a las líneas del esquema.
• La orientación y posición física de los componentes importa para que todo funcione correctamente.

Ejemplo:
El mismo LED con resistencia y batería en físico implica:

• Un LED montado en la protoboard,
• Una resistencia en serie,
• Un cable que une ambos con la batería.

3. Relación entre ambos

Aspecto	Esquema	Circuito físico
Representación	Simbólica	Real, con componentes físicos
Objetivo	Mostrar funcionamiento lógico	Permitir el montaje y operación
Conexiones	Líneas entre símbolos	Pistas, cables o soldaduras
Uso	Análisis y diseño	Construcción y pruebas

4. Ejemplo completo: cargador simple de celular

1. En el esquema aparecen:
   • Un diodo rectificador (símbolo de diodo).
   • Un condensador (símbolo capacitor).
   • Un regulador de voltaje (símbolo IC).
   • Resistencias (símbolos rectangulares).
2. En el circuito físico (PCB o protoboard):
   • El diodo es un componente cilíndrico con una banda que indica el cátodo.
   • El condensador electrolítico tiene dos patas (una más larga para positivo).
   • El regulador es un chip con tres pines que se sueldan en pads.
   • Las resistencias son cilindros con franjas de colores.
3. Las líneas del esquema se convierten en pistas de cobre o cables reales que conectan cada componente.

5. Analogía sencilla

• El esquema es como un mapa de metro, con estaciones y líneas que muestran cómo se conectan.
• El circuito físico es el metro real, con rieles, vagones y estaciones construidas para que funcione en la práctica.

En resumen:
El esquema es la idea y diseño lógico; el circuito físico es la realidad tangible. Sin el esquema no se puede analizar ni diseñar, y sin el circuito físico no se puede usar en la vida real.