El momento más engañoso del desarrollo electrónico es la primera vez que la placa se enciende y hace lo que se suponía que tenía que hacer.
Una placa que funciona no demuestra casi nada
Demuestra que el concepto es sólido. No demuestra que el diseño sea fabricable, y en la distancia entre esas dos cosas vive la mayor parte de la ingeniería.
El primer ejemplar se montó con cuidado, a menudo por el propio diseñador, con piezas sacadas de un único carrete, probado a temperatura ambiente en un banco con una alimentación limpia, con instrumentos que cargan el circuito de forma distinta a aquello a lo que acabará conectándose.
La producción no tiene ninguna de esas condiciones. La placa número diez mil la monta alguien que nunca ha visto el esquemático, con piezas de varios lotes de fabricación y posiblemente de varios fabricantes, en una carcasa sin ventilación, alimentada por una fuente que cae, junto a un motor.
Un prototipo responde a si el diseño puede funcionar. La producción pregunta si funciona siempre, una pregunta mucho más difícil.
Los ingenieros que solo han construido prototipos suelen sorprenderse de cuánta parte de la profesión es esa segunda pregunta.
Qué abarca esta dirección
El alcance: diseño de circuitos analógicos y digitales, diseño de placas de circuito impreso, electrónica de potencia, integridad de señal, prueba y medida, y diseño para fabricación.
Cuatro áreas que merece la pena separar.
Diseño de circuitos. Analógico, digital y de señal mixta, incluida la parte que la mayoría entiende por «electrónica».
Layout e integridad de señal. Donde la placa física deja de ser un dibujo y pasa a formar parte del circuito.
Potencia. Conversión, regulación, eficiencia y gestión térmica, que es una disciplina en sí misma y está crónicamente infradotada de personal.
Verificación. Prueba, medida, cumplimiento normativo y cualificación, que es donde los diseños se encuentran con la realidad.
Tolerancia, o por qué el segundo lote se comporta distinto
Todos los componentes tienen una tolerancia, y todas las tolerancias se acumulan.
Una resistencia marcada al cinco por ciento puede estar en cualquier punto de esa banda. Un condensador cerámico pierde una fracción considerable de su capacidad nominal bajo polarización de continua, y pierde más con la temperatura, y el valor de la hoja de datos se mide en condiciones que tu circuito nunca verá. La ganancia de un transistor varía por un factor de tres dentro de la misma referencia. Un cristal deriva con la temperatura y envejece.
Tres consecuencias.
Los diseños que dependen de valores nominales fallan de forma intermitente. Funcionan con las piezas con las que se construyeron y fallan con las que el departamento de compras adquiere el trimestre siguiente, que es la clase de fallo más difícil de diagnosticar porque nada cambió en el diseño.
El análisis de peor caso es una disciplina, no un trámite. Pregunta si el circuito sigue cumpliendo la especificación cuando todos los componentes están a la vez en el extremo menos favorable de su banda de tolerancia, en los extremos de temperatura, al final de su vida útil.
La solución suele estar en la topología, no en piezas más ajustadas. Especificar componentes al uno por ciento cuando el circuito necesita una razón y no un valor absoluto es caro y no ayuda. Rediseñar para que el resultado dependa de una razón entre componentes emparejados sí lo hace.
El calor, donde acaba casi todo
La vida útil de un semiconductor cae de forma pronunciada con la temperatura de unión. Los condensadores electrolíticos tienen una vida nominal a una temperatura nominal, y pierden buena parte de ella por cada diez grados por encima de esa. La mayoría de los fallos en campo de productos electrónicos tienen un componente térmico en algún punto de su historia.
El error recurrente es tratar el diseño térmico como algo que ocurre después de terminar el circuito, momento en el que las opciones son un disipador, un ventilador, o rebajar las prestaciones del producto.
La placa es el disipador en la mayoría de los diseños. El área de cobre, el número de capas, las vías térmicas y la colocación de componentes deciden el resultado, y las tres son decisiones de layout.
La eficiencia es una especificación térmica. Un convertidor conmutado con un 85 % de eficiencia dentro de una carcasa sellada es un calefactor con un efecto secundario útil.
El ambiente no es la temperatura de la habitación. Dentro de una carcasa sellada, dentro de un armario, en una fábrica en verano, junto a otra cosa que disipa calor.
Dónde encaja dentro del dominio
Ingeniería electrónica es la primera de las nueve direcciones del dominio de semiconductores, electrónica y cuántica de Astra Trainer. Conecta directamente con sistemas embebidos y hardware de computación, porque casi toda placa lleva firmware, y con RF, comunicaciones inalámbricas y telecomunicaciones, donde las mismas decisiones de layout tienen consecuencias mucho mayores.
También conecta hacia fuera con manufactura avanzada para diseño para fabricación y pruebas, y con energía para conversión de potencia. Los partners suelen trabajar electrónica junto con sistemas embebidos, porque los dos perfiles discuten constantemente entre sí y rara vez se entienden. Aquí puedes ver las nueve direcciones.
Compatibilidad electromagnética, la sorpresa tardía y cara
Los productos que se venden en la mayoría de los mercados tienen que cumplir límites legales sobre la interferencia que emiten, y tienen que seguir funcionando en presencia de interferencia de otras fuentes. El cumplimiento se demuestra con una prueba, y esa prueba llega casi al final.
Esto produce un patrón de fallo característico. Un diseño pasa todas las pruebas funcionales, va a un laboratorio acreditado, falla un límite de emisiones por unos pocos decibelios, y el equipo descubre que las causas están en el layout: un camino de retorno que tuvo que rodear un corte en el plano de masa, un reloj enrutado cruzando ese corte, un cable actuando de antena porque el conector se colocó en el borde equivocado de la placa, un nodo de conmutación con más cobre del necesario.
Ninguna de esas cosas se arregla cambiando un componente. Todas son baratas de evitar y caras de reparar, porque repararlas significa una nueva placa y una nueva cita de prueba.
El enfoque útil para quien está aprendiendo esto: la corriente vuelve a su fuente, y vuelve por el camino de menor impedancia, no por el camino del esquemático, y cada bucle que forma la corriente es una antena cuya eficiencia decidiste tú en el layout.
La pieza que deja de fabricarse
La obsolescencia de componentes se trata como un tema de cadena de suministro, y en el fondo es sobre todo un tema de ingeniería.
Un diseño que especifica una pieza disponible de un solo fabricante, en un solo encapsulado, sin equivalente funcional, ha adoptado la hoja de ruta de producto de ese fabricante como propia. Cuando la pieza se descontinúa, algo que en semiconductores ocurre en plazos mucho más cortos que la vida de los productos industriales, médicos y aeroespaciales, las opciones son una compra final que inmoviliza caja, un rediseño, o un ejercicio de cualificación para una alternativa.
Tres hábitos que reducen la exposición, y los tres se deciden durante el diseño.
Preferir piezas con una segunda fuente real, comprobada y no asumida, porque la compatibilidad de pines no es equivalencia funcional.
Aislar las piezas para las que no hay segunda fuente. Ponerlas en un módulo o en una sección claramente acotada para que sustituirlas sea un cambio contenido y no rehacer toda la placa.
Diseñar la huella para más de una pieza cuando la variación de encapsulado lo permite, algo que no cuesta nada en el diseño y ahorra rehacer la placa más adelante.
Los puestos, uno a uno
Ingenieros de diseño analógico. Escasos de forma crónica, porque la habilidad tarda años y no se reduce a una herramienta.
Ingenieros de diseño digital y de señal mixta.
Ingenieros de layout de placa de circuito impreso. A menudo tratado como un rol de delineación, y en realidad determina la integridad de señal, el comportamiento térmico y el resultado del cumplimiento normativo.
Ingenieros de electrónica de potencia. Convertidores, variadores de motor, conversión de energía.
Especialistas en integridad de señal y de potencia, para diseños de alta velocidad.
Ingenieros de pruebas. Pruebas de producción, pruebas funcionales, pruebas en circuito, y los utillajes que las hacen posibles.
Ingenieros de cumplimiento normativo y cualificación. Compatibilidad electromagnética, seguridad, medioambiente.
Ingenieros de aplicaciones en fabricantes de componentes, que ven más topologías de circuito en un año que la mayoría de los diseñadores en toda una carrera.
A quién se puede reconvertir hacia aquí
Técnicos de electrónica. La reconversión más sólida de esta dirección. Alguien que lleva años buscando averías en hardware tiene un instinto de diagnóstico que no se puede enseñar deprisa, y normalmente solo le falta la capa analítica: análisis de tolerancias, razonamiento en el dominio de la frecuencia, estabilidad de lazos de control.
Diseñadores de layout de PCB. Hacia integridad de señal, donde su comprensión espacial de la placa ya existente es exactamente el requisito previo.
Personal de pruebas y reparación. Hacia ingeniería de pruebas y diseño para pruebas, porque ya saben qué no se puede probar y por qué.
Ingenieros de servicio de campo. Hacia fiabilidad y aplicaciones, porque tienen los datos de fallo que nadie en diseño llega a ver.
Electricistas y técnicos de instrumentación. Hacia electrónica de potencia e industrial, con una base real en seguridad y cableado práctico.
Ingenieros de software que trabajan cerca del hardware. Hacia trabajo embebido y de señal mixta; les falta la física, no la lógica.
Obligaciones de seguridad y cumplimiento normativo. Los productos eléctricos que se comercializan están sujetos a requisitos legalmente vinculantes de seguridad, compatibilidad electromagnética y medio ambiente que varían según la jurisdicción, y el trabajo con alta tensión conlleva riesgo de lesión y muerte. El cumplimiento se demuestra mediante pruebas y documentación definidas, y las aprobaciones formales las emiten organismos acreditados. La formación desarrolla capacidad de ingeniería y la conciencia de dónde se aplican estas obligaciones. No sustituye a la evaluación de una persona competente, a una prueba acreditada, ni a los requisitos de certificación y cualificación que se aplican al trabajo.
Qué llevarte de todo esto
Un prototipo que funciona te dice que el concepto es sólido, y casi nada sobre si el producto lo será.
Tolerancia, temperatura y tiempo son las tres variables que separan una cosa de la otra, y las tres son baratas de gestionar en el diseño y caras de gestionar después.
El comportamiento térmico y la compatibilidad electromagnética se deciden en el layout, no en la prueba. Cuando la prueba falla, la decisión ya se tomó meses antes.
La disponibilidad de componentes es una restricción de ingeniería que la mayoría de los equipos solo encuentran cuando ya es un problema.
Y las personas con más papeletas para convertirse en buenos ingenieros de electrónica a menudo ya están en el edificio, con un multímetro en la mano.
¿Por qué un diseño que funcionaba deja de hacerlo en producción?
Porque la producción usa piezas de toda la banda de tolerancia, a temperaturas distintas de las del banco, con alimentaciones que varían. Un diseño que depende de valores nominales de componente funciona con las piezas con las que se construyó y falla con el siguiente lote.
¿Por qué el diseño térmico es un problema de layout?
Porque en la mayoría de los diseños la placa es el disipador. El área de cobre, el número de capas, las vías térmicas y la colocación de componentes deciden la temperatura de unión, y todo eso queda fijado en cuanto se termina el layout.
¿Por qué los productos fallan la prueba de compatibilidad electromagnética tan tarde?
Porque el cumplimiento se demuestra con una prueba cerca del final del desarrollo, mientras que las causas son decisiones de layout tomadas meses antes: discontinuidades en el camino de retorno, relojes que cruzan cortes, colocación del conector y geometría del nodo de conmutación.
¿La obsolescencia de componentes es un problema de ingeniería?
En gran medida, sí. Especificar una pieza de proveedor único adopta la hoja de ruta de ese fabricante. Comprobar segundas fuentes, aislar las piezas de proveedor único inevitables y diseñar huellas flexibles son cosas que ocurren en el diseño y ahí no cuestan nada.
¿Quién se reconvierte bien hacia la ingeniería electrónica?
Primero los técnicos de electrónica, porque el instinto de diagnóstico tarda años y la capa analítica se puede enseñar. Después los diseñadores de layout hacia integridad de señal, el personal de pruebas hacia ingeniería de pruebas, y los ingenieros de servicio de campo hacia fiabilidad.