HAMSatTracker: Parte 2 (Electrónica)

La placa de circuito impreso (PCB) se encarga de comunicar los drivers de los motores y la placa Raspberry Pi Zero W. Donde se realizan los cálculos de la órbita de los satélites.

El programa utilizado ha sido KiCad, software libre para el diseños de circuitos electrónicos.

PCB de HamSatTracker v1.0

Las principales características de la placa son las siguientes:

• Entrada de 9V-36V DC por conector XT60 o terminal atornillado.
• Protección por polaridad inversa.
• Protección con diodo TVS para la salida de 5V.
• Fusible rearmable de 4A para la entrada del conversor DC/DC.
• Fusible rearmable de 10A para alimentación de los drivers de los motores.
• Conversor ADC para voltaje de batería con dos entradas adicionales.
• Conectores opcionales para poder conectar el puerto serie, bus I2C, bus SPI, 2 entradas sobrantes al ADC, pines no utilizados en la Raspberry Pi y salida de 5V para otros dispositivos.

Esquema del circuito impreso

Diseño de PCB (4 capas)

PCB en 3D (KiCad)

Vista desde arriba

PCB importada en FreeCAD y caja diseñada a su alrededor

 

Diseño térmico

El único componente que necesita disipar calor en la PCB es el mosfet para la protección de polaridad inversa. Esta vez he optado por utilizar la propia placa como disipador de calor, ya que disponía de capas extra de cobre y no era muy elevada la potencia a dispar.

Para ello me he basado en una nota de aplicación titulada "Thermal Desing By Insight, Not Hindsight". Esta nota está también disponible en el repositorio.

Nota sobre disipación térmica en PCBs

La disipación térmica usando la propia PCB es mucho más complicada que usar un disipador aéreo, y tiene en cuenta muchos parámetros y componentes que aumentan el calor generado en la placa. El enfoque utilizado es mucho más pragmático, utilizo los valores de la tabla anterior para generar una simulación simplificada en LTspice y calcular de forma aproximada la superficie a utilizar, después realizo una prueba en la placa midiendo la temperatura del componente.

Circuito para simular la disipación térmica.

En el archivo de simulación se encuentran tres circuitos diferentes:

• El de la izquierda se utiliza cuando se usan vías para conducir el calor del componente en una cara a un disipador situado en la otra cara de la placa.
• El central (que es el caso) se usa cuando se utiliza el cobre de la placa como disipador y las vías conducen el calor de debajo del componente a la otra cara.
• El de la derecha es cuando se utiliza un disipador situado encima del componente a enfriar. 

La resistencia eléctrica del circuito es la resistencia térmica de los diferentes componentes que intervienen: vías, pads térmicos, pasta térmica, el cobre de la placa o el del propio componente. Y el voltaje representa la temperatura en grados centígrados que alcanza cada uno de los elementos hasta llegar a la Tjunction, que es la temperatura interna del componente, asegurándose de no sobrepasar y dejar un margen a la máxima especificada en la hoja de datos. También es importante comprobar la temperatura que alcanzaría un disipador en caso de utilizarlo. Personalmente utilizo 70 grados como máximo en los diseños.

Para saber más sobre estos términos, mirar el artículo sobre disipación térmica de mi otro proyecto (carga electrónica), donde los explico en más detalle.  

Cálculos usados en la PCB

Cálculos del proyecto de carga electrónica

En el repositorio se encuentra una lista con los componentes utilizados.

Así como otra lista interactiva que resalta el componente seleccionado en una vista de la placa, haciendo el montaje más fácil.

Lista interactiva de componentes

Fotos de la PCB

A continuación una serie de fotografías de la placa ya realizada:

Frontal

Trasera

Frontal (componentes soldados)

Trasera (componentes soldados)

El conversor debería ir en la parte frontal, debido a un error de interpretación de la hoja de especificaciones. La versión 1.1, que es la que se encuentra en el repositorio tiene subsanado este error, y la falta de silkscreen entre los pines del componente U2.

Detalle del conversor ADC (U2)

Comprobando la temperatura con una sonda y pasta térmica para hacer buen contacto térmico

Usando la carga electrónica a 6 amperios, casi 140W

Temperatura ambiente

Temperatura estabilizada

PCB montada con la Raspberry Pi y el driver en la parte inferior, a falta de poner la tapa superior de la caja impresa en 3D

 

Todos los archivos, como siempre, se encuentran disponibles en el repositorio.

En el caso del repositorio de la PCB, la estructura es la siguiente:

• Directorio HAMSatTracker: los archivos de KiCad.
• Directorio HAMSatTracker.pretty: se encuentran todos los componentes utilizados, por lo que no hay que instalar nada de forma externa.
• Directorio Ouput_files: se encuentra un pdf con el esquemático y las lista de componentes (BOM), la normal y la interactiva.
• Directorio Gerbers: se encuentran los archivos listos para enviar a una empresa de fabricación de PCBs.