Fase 5: Diseño Industrial y Hardware

📖 Teoría a Estudiar

El Estándar IPC-2221 y la Densidad de Corriente

El instituto IPC (Association Connecting Electronics Industries) dicta las reglas globales de diseño de PCBs. Su estándar IPC-2221 establece matemáticamente cuánto cobre necesitas para transportar una corriente específica sin incendiar la placa.

El ancho de la pista depende de tres factores físicos:

1. La Corriente Máxima (I): Amperios que atravesarán la pista (Ej. 3A para la válvula).
2. El Grosor del Cobre (Copper Weight): Se mide curiosamente en onzas por pie cuadrado (oz/ft²). El estándar de fábrica es 1 oz, lo que equivale a un grosor de 35 micrómetros (µm) de cobre. Para placas de alta potencia, puedes pagar extra por cobre de 2 oz (70 µm).
3. El Aumento de Temperatura Permitido (ΔT): ¿Cuánto quieres que se caliente la pista por encima de la temperatura ambiente? En diseño industrial, aceptamos un calentamiento máximo de 10°C para no estresar los componentes vecinos.

Capas Externas vs Capas Internas

Una pista en la capa superior (Top) o inferior (Bottom) está en contacto con el aire, por lo que el calor se disipa por convección. Si emparedas una pista en las capas internas de una placa de 4 capas, el aire no la toca. Por lo tanto, una pista interna debe ser casi el triple de ancha que una externa para transportar la misma corriente sin sobrecalentarse.

⚙️ Pasos Prácticos en KiCad 8

Paso 1: Usar la Calculadora Integrada.

1. En el menú principal de KiCad, abre el Calculator Tools (Icono de la calculadora).
2. Ve a la pestaña Track Width (Ancho de Pista).
3. Ingresa los parámetros de tu válvula: Corriente = 2.0 A, Temperature rise = 10 °C.
4. La calculadora te revelará el veredicto: Necesitas un ancho de 0.76 mm en pistas externas (Top/Bottom) y 1.98 mm en pistas internas. Por margen de seguridad industrial (y para bajar la resistencia), redondeamos hacia arriba a 1.0 mm o 1.2 mm para las pistas externas de potencia.

Paso 2: Crear Clases de Red (Net Classes) en el Esquemático.
No vas a ajustar el ancho a mano cada vez que dibujas una línea. Le diremos a KiCad que identifique automáticamente las redes de poder.

1. Abre el PCB Editor de KiCad, ve a File -> Board Setup, y selecciona Net Classes.
2. Crea una nueva clase llamada Power_High.
3. Asígnale un ancho (Track Width) de 1.2 mm.
4. En la sección inferior, busca los cables (Nets) llamados +24V, +5V_SYS, VALVE_OUT, y la tierra PGND, y asígnalos a la clase Power_High.

A partir de este momento, cuando intentes rutear el cable de la válvula, KiCad forzará un trazo grueso y vigoroso. Si intentas rutearlo más delgado, el DRC (Design Rule Checker) rechazará tu placa.

💻 CI/CD de Hardware: Reglas Personalizadas (Custom DRC)

Para asegurar que nadie en tu equipo ignore las Net Classes y rutee poder de forma insegura, KiCad incluye un lenguaje de scripts basado en Lisp (S-Expressions) para dictar leyes físicas absolutas en el archivo custom_rules.rule.

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# ARCHIVO: rules.kicad_dru (Ubicado junto al archivo de PCB)
# @brief Leyes Físicas Inmutables para el Despachador de Gas LP
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(version 1)

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# REGLA 1: ANCHO DE PISTA PARA POTENCIA (IPC-2221 Compliance)
# Obligamos a que cualquier señal de la clase "Potencia" tenga al menos 1.2mm.
# Si un novato la rutea a 0.25mm, el Design Rule Check (DRC) abortará el CI/CD.
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(rule "Ancho mínimo para redes de Alta Potencia (24V y Válvulas)"
    (constraint track_width (min 1.2mm))
    (condition "A.NetClass == 'Power_High'"))

# -------------------------------------------------------------------------
# REGLA 2: AISLAMIENTO GALVÁNICO (Clearance / Creepage)
# Para proteger al STM32, forzamos un vacío de cobre (Clearance) de al menos
# 2.5mm entre la Tierra Digital (GND) y la Tierra de Potencia (PGND).
# Si un polígono de cobre intenta cruzar esta barrera de luz, se generará un error.
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(rule "Barrera de Aislamiento Optoacopladores (Creepage > 2.5mm)"
    (constraint clearance (min 2.5mm))
    (condition "A.Net == 'GND' && B.Net == 'PGND'"))

# -------------------------------------------------------------------------
# REGLA 3: PROTECCIÓN MECÁNICA DE PERFORACIÓN (Vias)
# En placas sometidas a vibración constante de bombas, las Vías térmicas
# o de conexión no pueden tener un taladro microscópico, o se fracturarán.
# -------------------------------------------------------------------------
(rule "Taladro mínimo de Vía para resistencia sísmica"
    (constraint hole_size (min 0.35mm))
    (condition "A.Type == 'Via'"))
        

📝 Resumen del Día

• Las pistas de cobre de una PCB (Traces) poseen resistencia interna. Si una corriente elevada atraviesa una pista delgada, la pista disipará el exceso de energía como Calor (Efecto Joule), lo que puede derretir la placa o causar caídas de voltaje inaceptables.
• La norma global IPC-2221 establece ecuaciones para determinar el ancho mínimo de la pista de cobre según la Corriente (Amperios), el Grosor del Cobre (oz/ft²), y el límite de incremento de temperatura (ΔT) aceptable.
• La regla de oro de manufactura dictamina que 1 oz de cobre (35 µm) es el grosor estándar para PCBs económicas. Si el diseño exige pistas más estrechas por limitaciones de espacio, se debe pagar a la fábrica por laminados de 2 oz (70 µm).
• Las pistas ruteadas en las capas externas (Top/Bottom) irradian calor al ambiente por convección. Las pistas emparedadas en capas internas de la placa (Inner Layers) carecen de aire fresco, requiriendo ser casi tres veces más anchas que sus equivalentes externas para disipar la misma carga térmica.
• En KiCad, en lugar de calcular y dibujar manualmente el ancho, se definen Net Classes (Clases de Red). Se asignan reglas predeterminadas (ej. 1.2 mm para Potencia, 0.25 mm para Lógica), y el Design Rule Checker (DRC) audita la placa para impedir violaciones, asegurando un diseño a prueba de incendios eléctricos.