Consejos para Disminuir el Ruido Electrico – 3° Parte

capacitor de bypass

En esta tercera entrega de la mini serie de consejos y recomendaciones para disminuir el ruido eléctrico en un pcb vamos a hacer referencia a los capacitores de desacople o bypass.

Cada circuito integrado de nuestra placa debería tener al menos un capacitor de desacople en las cercanías de sus pines (o contactos) de alimentación…

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Papel – Material No Conductor Dielectrico

El papel (impregnado o no) es el material más usado como dielectrico en los capacitores debido a sus buenas cualidades y principalmente su bajo precio…

papel dielectrico

El papel es uno de los materiales mas usados como aislante o dieléctrico, su importancia se deriva de sus notables cualidades intrínsecas y su bajo precio, su principal desventaja reside en que generalmente, debe ser impregnado.
En cables, las ventajas que ofrece son: temperatura de trabajo relativamente elevada (hasta los 70ºC) la que es apreciablemente mas elevada que para la goma; las bajas pérdidas dieléctricas y la alta rigidez dieléctrica.

Se pueden utilizar:

  • Simplemente secados: están aislados así los cables bajo plomo empleados en las líneas telefónicas.
  • Impregnados: con aceite mineral, o con aceite mineral y colofonia, y protegido con vaina de plomo, generalmente usados para la distribución de energía eléctrica en mediana y baja tensión.

Es usado en capacitores (para este uso el papel es secado y tratado con parafina o cera, o bien se impregna al vacío con aceites minerales o sintéticos). También es usado en forma de estratificados (dispuestos en capas superpuestas o estratos) en planchas o tubos fabricados mediante resinas sintéticas o goma laca.

capacitor papel dielectrico
Capacitor con Papel Impregnado como Dielectrico

 

El papel está constituido por fibra de celulosa (C6H10O3)n elemento esencial de la estructura de la celulosa vegetal. En estado puro se presenta como una masa blanca, amorfa (el papel de fibra de lino, sometido a un proceso de blanqueado y no encolado, puede considerarse prácticamente como celulosa pura).

El papel mas fino es usado para elaborar capacitores, se lo hace tan fino como es posible, siempre compatible con las buenas propiedades de aislación eléctrica. Es usual aplicar varias capas de papel y raramente una sola, para que la presencia de pequeñas partículas conductoras no tengan mucha importancia. El papel de capacitores se elabora con espesores desde 7,5mm a 10mm. A los efectos de que no queden espacios vacíos en las estructuras del papel para capacitor éste se elabora con fibras cortas las que a su vez aseguran gran impermeabilidad. Por su parte la resistencia a la tracción es baja pero suficiente para soportar las tareas requeridas, o sea el arrollado sobre formas cilíndricas a alta velocidad.

El papel para cables es resistente y se usa en la aislación de cables de alta y media tensión, de transformadores, bobinas, etc.

Papel no Impregnado

Las propiedades eléctricas del papel no impregnado no son muy importantes. El papel no impregnado tiene una baja rigidez dieléctrica, solamente unas pocas veces mayor que la de una película de aire del mismo espesor. Esto es comprensible dado que en un papel de gran densidad (1,1 a 1,2gr/cm3) por lo menos el 20% del volumen del papel es ocupado por canales de aire, y con un papel de densidad media (0,7gr/cm3) el porcentaje de aire es de alrededor del 50%. Esta rigidez se puede estimar entre 6 y 11kV/mm (valor eficaz).

La constante dieléctrica relativa de la celulosa pura es de alrededor de  εr=6,5 y de la fibra de papel aproximadamente εr=5,5. La constante dieléctrica de un papel aumenta con el aumento del contenido de humedad, aumenta ligeramente con la temperatura y disminuye ligeramente con la frecuencia.Tiene una gran dependencia con la densidad, para densidades entre 0,6 a 1,12gr/cm3la constante dieléctrica varía de εr=1,7 a εr=3,2.

Hay gran divergencia entre los valores señalados por los distintos fabricantes, debido no solamente por el uso de diferentes técnicas de medida, sino también por diferencias en frecuencia, temperatura y principalmente contenido de humedad, la cual en el caso del papel es extremadamente difícil de definir y medir.

Papel Impregnado

No es posible dar detalles completo de las características dieléctricas del papel impregnado sin especificar completamente el tipo de impregnante, construcción de aislante, etc. Con un buen impregnante se obtienen muy altas resistividades (en corriente continua). En el caso del papel parafinado es 10000 TΩ·cm, y en el
caso de papel impregnado para cables se tienen valores de 300 a 500 MΩ-cm. Aunque esto disminuye 1000 veces a 100ºC de temperatura y hay una pequeña
disminución al aumentar el gradiente de potencia.

La rigidez dieléctrica del papel de uso eléctrico impregnado en sus formas comerciales es influenciado por factores tales como presión de electrodos, tipos de electrodos, presencia de cavidades gaseosas, etc. En los buenos papeles para cables se obtienen generalmente valores de rigidez de 200KV/mm.
La constante dieléctrica varía según la sustancia utilizada en la impregnación, valores normales son εr=2,5 a εr=3,5.

Principales Tipos de Papeles Aislantes

  • Papel Kraft: Obtenido de pasta química de madera, en espesores desde 0,05 a 0,15mm. Cuando es muy satinado se denomina Express. Se emplea como aislante en capas y para la fabricación de laminados fenólicos (resinas fenolicas).
  • Papel para capacitores: (papel Tisú). Se obtiene de pulpas de madera y fibras de algodón, en espesores de hasta 0,013mm. Su pureza debe ser máxima.
  • Papel Manila: Hecho con fibra de cáñamo en espesores de 0,05 a 0,1mm. Se denominan papel 100%Manila. También existen papeles con 60%Manila–40%Kraft o 50%Manila–50%Kraft.
  • Cartón Presspan: Se obtiene de pasta química de madera. Es un material muy denso y su rigidez dieléctrica es de 6KV/mm. Barnizado se logra8KV/mm. Se tiene en espesores de hasta 1,5 o 2mm.
  • Cartón Presboard: De pasta de madera y fibra de algodón; su rigidez varía de acuerdo a los espesores, normalmente es del orden de 11KV/mm.Se tiene en espesores de 0,2 a 12mm. Apto para impregnación en aceite.
  • Papel Japonés: Hecho con pulpa de la morera, es un papel finísimo y se emplea principalmente como soporte en la fabricación del papel micro–papel.

Mas información en “Breve Descripción de Materiales No Conductores Electricos, Aislantes y Dieléctricos

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Encapsulados SMD

Vision general de los diferentes encapsulados usados en los componente de montaje superficial (SMD).

Esta introducción sobre la Tecnología y Dispositivos de Montaje Superficial se encuentra dividido en las siguientes paginas:

tipos encapsulados SMD

Los componentes de montaje superficial vienen en una variedad de encapsulados. A medida que mejoro la tecnología los encapsulados han disminuido de tamaño, además, hay una variedad de encapsulados SMT para circuitos integrados que depende de la conectividad necesaria, la tecnología utilizada y una variedad de otros factores.

Para proporcionar un cierto grado de uniformidad, el tamaño de la mayoría de los componentes de SMT se ajustan a estándares industriales, muchos de las cuales son especificaciones pertenecientes a JEDEC. Obviamente se utilizan diferentes encapsulados SMT para distintos tipos de componentes, pero el hecho de que existen valores estandarizados permite simplificar actividades tales como el diseño de un PCB. Además, el uso de encapsulados de tamaños estándar simplifica la fabricación ya que permite el uso de máquinas pick & place lo que simplifica considerablemente el proceso de fabricación y bajo los costos.

ferrita smd encapsulados SMD

Los diferentes encapsulados SMT se pueden clasificar por el tipo de componente, y como se menciono arriba, existen encapsulados estándar para cada uno.

Componentes Rectangulares Pasivos

Estos componentes SMT son principalmente encapsulados para resistencias y capacitores que forman el grueso del número de los componentes utilizados. Existen varios tamaños diferentes que se han ido reduciendo a medida que la tecnología ha permitido fabricado y utilizado componentes más pequeños

encapsulados resistencias y capacitores SMD

Encapsulados de Capacitores de Tantalio

Como resultado de la diferentes tipo de construcción y requisitos para los encapsulados de capacitores SMT de tantalio, se puede encontrar diferentes encapsulados. Estos se ajustan a las especificaciones de la EIA.

encapsulados de capacitores SMD

Encapsulados SMD para Semiconductores

Hay una amplia variedad de encapsulados SMT utilizados para semiconductores como diodos, transistores y circuitos integrados. La razón de la amplia variedad de encapsulados para circuitos integrados se debe a la gran variación en el nivel de interconexión requerida. Algunos de los encapsulados principales son los siguientes:

Encapsulados para Transistores

  • SOT-23- Small Outline Transistor o Transistor de Contorno Pequeño. Este encapsulado cuenta con tres terminales usualmente empleado en transistores pero tambien puede hallarse diodos.  Mide 3 mm x 1,75 mm x 1,3 mm.
  • SOT-223 – Transistor de contorno pequeño. Este encapsulado se utiliza para dispositivos de mayor potencia. Mide 6,7 mm x 3,7 mm x 1,8 mm. En general, existen cuatro terminales, uno de los cuales es una gran plataforma de transferencia de calor.

Encapsulados SMD para Circuitos Integrados

  • SOIC – Small Outline Integrated Circuit. Presenta una configuración dual en linea con pines estilo ala de gaviota y un espaciamiento entre estos de 1,27 mm.
  • TSOP – Thin Small Outline Package. Este encapsulado es más delgado que el SOIC y tiene una separación entre pines de 0,5 mm.
  • SSOP – Shrink Small Outline Package. Este presenta una separación de 0,635 mm.
  • TSSOP -Thin Shrink Small Outline Package.
  • PLCC – Plastic Leaded Chip Carrier. Este tipo de encapsulado es cuadrado y utiliza pines J-leads con una separación de 1,27 mm.
  • QSOP – Quarter-size Small Outline Package. La separacion entre los pines es de 0,635 mm.
  • VSOP – Very Small Outline Package. Este encapsulado es más pequeño que el QSOP y entre los pines la distancia puede ser de 0,4, 0,5 o 0,65 mm.
  • LQFP – Low profile Quad Flat Pack. Este encapsulado tiene pines en los cuatro costados. La separación entre los mismos varía en función del IC, la altura es de 1,4 mm.
  • QFP – Plastic Quad Flat Pack. Un encapsulado cuadrado de plástico con el mismo número de pines estilo ala de gaviota en cada lado. Normalmente presenta un espacio entre pines muy estrecho y con frecuencia tienen 44 o más pines. Generalmente se usa para circuitos VLSI.
  • CQFP – Ceramic Quad Flat Pack. Una versión cerámica del PQFP.
  • TQFP – Thin Quad Flat Pack. Una versión fina del PQFP.
  • BGA – Ball Grid Array. Un encapsulado que utiliza esferas debajo del encapsulado para hacer contacto con la placa de circuito impreso. Al colocar las conexiones debajo del encapsulado hay más lugar para ellas, lo que permite superar el problemas de los pines muy delgados y poco espaciados de los QFP. El espaciamiento entre esferas en un BGA es típicamente 1.27 mm.

Encapsulados para Aplicaciones SMD

Los encapsulados de tecnología de montaje superficial (SMT) se utilizan en la mayoría de los diseños de circuitos impresos que se van a fabricar en cantidad. Aunque pueda parecer que hay un número relativamente amplio de encapsulados diferentes, el nivel de estandarización es aún lo suficientemente buena. En cualquier caso, la cantidad surge principalmente de la enorme variedad en la función de los componentes.

¿Que es SMT? Tecnologia de Montaje Superficial

Tecnología y Dispositivos de Montaje Superficial. SMD y SMT. Porque surgió y que beneficios trajo, resistencias, capacitores y encapsulados superficiales.

tecnologia montaje superficial smt

Esta introducción sobre la Tecnología y Dispositivos de Montaje Superficial se encuentra dividido en las siguientes paginas:

Prácticamente todos los dispositivos electrónicos que se producen actualmente son fabricados con Tecnología de Montaje Superficial, SMT. Los dispositivos de montaje superficial, SMD, proporcionan muchas ventajas sobre sus predecesores (tecnología thruhole) en términos de fabricación y  a menudo en rendimiento.

No fue sino hasta la década del ’80 en que la tecnología de montaje superficial, SMT, se empezo a utilizar ampliamente. Una vez que comenzó a ser utilizada, el cambio de componentes convencionales a los componentes superficiales (SMD) se llevó a cabo rápidamente en vista de las enormes ganancias que se podrían hacer empleando tecnología SMT.

¿Por qué SMT?

Las placas de circuitos electrónicos producidos en masa necesitan ser fabricadas de una manera altamente mecanizada para alcanzar el menor coste de fabricación. Los componentes tradicionales no se prestan a este planteamiento, aunque un grado de mecanización era posible las terminaciones (leads o pines) del componente necesitaban ser pre-formadas. Además, las conexiones mediante cables traen inconvenientes inevitables desde cortes a posicionamiento erróneo, todo esto trae aparejado una merma considerable en las tasas de producción.

Fue razonable que que los cables que habían sido tradicionalmente utilizado para las conexiones no eran necesarios para la construcción de placas de circuito impreso y en lugar de tener componentes con pines colocados a través de agujeros, podian ser soldados directamente sobre pads en el PCB. La disminución de la cantidad de los agujeros, y el ahorro del estaño metalizado usados en los mismos, también tuvo su impacto al momento de disminuir los costos de la producción.

Esta nueva tecnología fue llamada SMT dado que los componentes se montaban en la superficie de la plaqueta, en vez de tener conexiones a travez de los agujeros y los dispositivos (componentes)  utilizados fueron denominados SMD. Esta nueva tecnología fue adoptada  muy rápidamente, ya que permitía utilizar un mayor grado de mecanización, y un ahorro alto en los costes de fabricación.

Para poder emplear la tecnología de montaje superficial, se necesito un conjunto completamente nuevo de componentes electrónicos y un cambio bastante grande en la forma en que se diseñaban los esquemáticos.

pcb con componentes smd

Componentes SMD

Los dispositivos de montaje superficial (DME por sus siglas en español), por su naturaleza son muy diferentes a los componentes tradicionales con pines y pueden dividirse en varias categorías:

SMD Pasivos: Hay una gran variedad de diferentes encapsulados utilizados en los componentes SMD pasivos. Sin embargo, la mayoría son resistores o capacitores, por lo cual el tamaño de los encapsulados están razonablemente bien estandarizado. Otros componentes como bobinas, cristales y otros tienden a tener necesidades individuales y por lo tanto sus propios encapsulados.

Los resistores y capacitores vienen en una variedad de encapsulados de distintos tamaños, se los denomina, por ej: 1812, 1206, 0805, 0603, 0402 y 0201. Las cifras se refieren a las dimensiones en  decimas de pulgadas. En otras palabras, el 1206 mide .12″ (3 mm) por .06″ (1,5 mm) pulgadas. Los tamaños más grandes, tales como 1812 y 1206 fueron los primeros que se usaron, aunque actualmente no son de uso generalizado en grandes producciones. Sin embargo se puede encontrar uso en aplicaciones en las que mayores niveles de energía son necesarias, o cuando otras consideraciones exigen los tamaño más grande.

Las conexiones a la placa de circuito impreso se realizan a través de áreas (pads) metalizadas en los extremos del paquete.

tamaños resistencias smd

Transistores y Diodos: Estos componentes vienen presentados a menudo en un encapsulado pequeño de plástico. Las conexiones se realizan a través pines, que salen del encapsulado y asientan sobre el pad de la placa. En el caso de los transistores al presentar 3 terminaciones (base, colector y emisor) por la forma del encapsulado es imposible colocarlo mal.

diodos transistores SMD

Circuitos Integrados: Hay una variedad de encapsulados diferentes empleados para los circuitos integrados. El encapsulado utilizado depende del nivel de interconexión requerida. Muchos chips de baja escala de integración solo pueden requerir 14 o 16 pines, mientras que otros, como los procesadores y los chips VLSI asociados pueden necesitar hasta 200 o más. En vista de la amplia variación de las necesidades radica la gran cantidad de encapsulados diferentes.

Para los chips más pequeños, encapsulados como el SOIC (Small Outline Integrated Circuit) pueden ser utilizados. Son la versión SMT del clásico DIL  (Dual In Line) también llamados DIP, por ejemplo se los usan en la conocida serie lógica  74XXX. Además, hay versiones más pequeñas incluyendo TSOP (Thin Small Outline Package) y SSOP (Shrink Small Outline Package).

encapsulado SOIC

Los chips VLSI requieren un enfoque diferente. Normalmente, se emplean encapsulados con pines en los cuatro costados (quad flat pack). La separación de los pines depende del número de la cantidad requerida. Para algunos de los chips puede ser una distancia de 20 milésimas de pulgada.

encapsulado quad flat pack

Otros encapsulados también están disponibles. Un conocido como BGA (Ball Grid Array) se utiliza en muchas aplicaciones. En lugar de tener las conexiones en el lado del paquete, que se encuentran debajo. Se sueldan mediante pequeñas esferas de estaño, como la totalidad de la parte inferior del encapsulado puede ser utilizado, se puede colocar mayor cantidad de pines o igual cantidad más grandes y espaciados obteniendo un fijamiento más fiable.

encapsulado BGA