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sábado, abril 01, 2017

Raspberry Pi Trasplante de Regulador de Voltaje (Hard Mod)


Si bien es cierto que para una gran cantidad de aplicaciones alimentamos nuestra placa Raspberry Pi con un adaptador de pared, otros usos podrían requerir de una fuente de alimentación portátil a baterías, como por ejemplo: Construyendo Nuestro Propio Pi(rate)Box Desde Cero.
Lamentablemente el circuito de la fuente de alimentación de la placa Raspberry Pi utiliza un regulador de tensión lineal para la línea de alimentación principal de 3.3V. El regulador de tensión en cuestión es un SE8117T33 fabricado por Seaward Electronics Inc., el cual, si bien es de alto rendimiento, por sus características lineales desperdicia aproximadamente un 30% de energía la cual disipa en forma de calor. Este porcentaje puede parecer despreciable si la placa Raspberry Pi es alimentada utilizando un adaptador de pared, pero cuando se trata de baterías, este porcentaje no es para nada insignificante. Para incrementar la autonomía utilizando baterías, sustituiremos el regulador de tensión lineal por un regulador de tensión switching.
Sin más preámbulos procederemos a analizar las características eléctricas del regulador de tensión original de la placa Raspberry Pi encontradas en la hoja de datos provista por el fabricante.
Características principales del regulador de voltaje SE8117T33:
  • Voltaje de Entrada: 9V (Máx.)
  • Voltaje de Salida: 3.3V
  • Corriente Máxima: 1A
Conociendo estos datos, buscaremos un módulo regulador switching de características iguales o superiores para alimentar correctamente nuestra placa. En el mercado existe una gran cantidad de módulos switching de diversos fabricantes que pueden satisfacer nuestros requerimientos, como por ejemplo, el módulo D24V6ALV de la Casa Pololu, que si bien provee una corriente de salida máxima de 600mA, es suficiente para nuestro propósito. En particular, no me fué posible encontrar dicho módulo dada la actual escasez de componentes electrónicos importados en mi país. Sin desistir de la búsqueda, conseguí mediante un importador local un módulo genérico de procedencia China, rotulado “DSN-MINI-360”, cuyas características eléctricas se detallan a continuación:
Características principales del módulo regulador switching DSN-MINI-360:
  • Voltaje de Entrada: 4.75V – 23V
  • Voltaje de Salida: 1.0V – 17V (Ajustable)
  • Corriente Máxima: 1.8A
  • Eficiencia: 96%
Como podemos observar, las características satisfacen perfectamente nuestros requerimientos, y con una eficiencia del 96% sólo tenemos una pérdida del 4% en contraste con el 30% del regulador de tensión lineal original, obteniendo así una mejora del 26%.
El módulo regulador switching DSN-MINI-360 se observa en las siguientes imágenes:
A continuación debemos soldar al módulo switching los 3 cables de conexión en los lugares correspondientes:
  • IN+ –> Entrada (+) [5V]
  • IN- –> GND (-) [Común a Entrada/Salida]
  • OUT+ –> Salida (+) [3.3V]
En la siguiente imagen se observa el resultado de este proceso:
Habiendo realizado exitosamente el paso anterior, ahora debemos ajustar la tensión de salida del módulo a un voltaje de 3.3V, la misma tensión de salida del regulador de voltaje original de la placa. Conectaremos el módulo switching a una fuente de alimentación cuyo voltaje de salida sea 5V, respetando el esquema de conexiones detallado anteriormente. Con el multímetro ajustado en la escala apropiada, comenzaremos a ajustar el trimpot ayudándonos con un destornillador de precisión hasta obtener el voltaje deseado en la salida. NO DEBE EXCEDER 3.3V!!!
IMPORTANTE: el ajuste de la tensión de salida del módulo switching debe realizarse ANTES de ser conectado a la placa Raspberry Pi. Una tensión de alimentación mayor a 3.3V causará daños irreparables en la placa.
Llegados a este punto, ya tenemos el módulo switching listo para ser instalado como reemplazo del regulador de voltaje original. La etapa siguiente probablemente sea las más crítica (y emocionante) de todo el proceso, que consiste en remover el regulador de voltaje original e instalar el módulo switching como reemplazo del mismo.
Antes de remover el regulador de voltaje SE8117T33, debemos verificar el pinout del mismo para identificar los puntos de conexión de nuestro módulo switching. El pinout se observa en la siguiente imagen:
Luego, buscamos el regulador de voltaje original en la placa Raspberry Pi y en su correspondiente diagrama esquemático para identificar correctamente los puntos de conexión:
Para remover el regulador de tensión original, emplearemos una estación de soldado SMD con aire caliente, en particular he utilizado la estación HONY 908 con excelentes resultados.
Con extremo cuidado calentaremos el componente hasta que sea posible extraerlo de la placa con la ayuda de una brusela antiestática. Debemos asegurarnos de calentar lo suficiente el componente ya que de lo contrario existe el riesgo de dañar los pads del PCB. La placa con el regulador de voltaje removido se observa a continuación:
Si logramos remover el regulador de tensión sin inconvenientes, podemos volver a respirar y la modificación estará casi completa. En caso de tener algún contratiempo, a no perder la calma y revisar el diagrama esquemático en busca de alguna solución.
Con el componente original removido, solamente nos queda soldar los 3 cables de conexión de nuestro módulo switching a los pads correspondientes en nuestra placa Raspberry Pi. También es conveniente fijar el módulo al PCB, para esta tarea utilizaremos un pegamento no abrasivo a base de silicona, por ejemplo “Fastix®”. El único inconveniente será que la frambuesa (logo) quedará oculta. Triste
En particular, he sometido a todo el proceso descripto anteriormente a dos placas Raspberry Pi con excelentes resultados. En las siguientes imágenes se observan ambas placas:

lunes, marzo 20, 2017

TÉCNICAS Y TRUCOS PARA SOLDAR Y DESOLDAR COMPONENTES ELECTRÓNICOS



Como ya se comentó, una de las herramientas básicas de todo taller de electrónica es el soldador de componentes electrónicos. La función de la soldadura electrónica es fijar los componentes entre si o sobre placas de circuito impreso, y sobre todo, asegurar su perfecto contacto eléctrico.

Soldadores
Distintos modelos de soldadores básicos tipo lápiz.

El modelo de soldador (también llamada cautín en el continente americano) será de más o menos potencia y con un determinado modelo de punta, pendiendo del tipo de componentes a soldar. No obstante, y de manera genérica se puede recomendar un soldador tipo lápiz de en torno a 50 Watios, y si estamos tratando de soldar componentes electrónicos de uso normal, una punta mediana o fina. De cualquier modo, y aunque se pueden encontrar muchas recomendaciones y soldadores con todo tipo de características, debe ser uno mismo el que vaya probando, en principio, con soldadores básicos con una sola condición muy importante, que sea de una calidad media-alta y después, si se cree necesario, ir probando con otros modelos o características hasta encontrar el tipo de soldador o punta que mejor se adapte a nuestra técnica de soldadura o necesidades.
Y porqué no un soldador de los baratos. Pues básicamente por tres motivos:
  1. La escasa calidad de la punta de este tipo de soldadores que se desgasta inmediatamente y hace muy imprecisa la soldadura.
  2. La escasa estabilidad de temperatura de estos soldadores, lo que hace que varíen las condiciones en que funde el estaño de una soldadura a la siguiente.
  3. La imposibilidad de sustituir la punta del soldador, ya no como repuesto, sino para adaptarla al tipo de soldadura que deseamos realizar (punta extrafina para componentes SMD, gruesa para conectores de potencia, etc.)
El fabricante JBC es un clásico en todo tipo de soldadura electrónica, y en su catálogo de productos podemos encontrar desde soldadores básicos, muy económicos y recomendables para aficionados o todo tipo de usos, hasta estaciones de soldadura profesionales.
Pero tampoco hay que descartar a algunos fabricantes asiáticos como Yihua o Hakko, con estaciones de soldadura que incluyen soldadores tipo lápiz y por aire caliente, ambos de potencia regulable, con una relación calidad-precio que personalmente puedo asegurar que me ha sorprendido, además de contar con componentes de repuesto y accesorios que prácticamente se han estandarizado entre distintos fabricantes. Sólo es necesario buscar el término “Station 878” en Bay para encontrarnos, a un precio muy asequible, incluso con “marchas blancas” compatibles.
Estacion Soldadura fabricante Asiático
De todos modos, si no tienes intención de gastar mucho dinero para empezar a practicar y experimentar por tu cuenta, se pueden encontrar kits de soldadura/desoldadura con todo lo necesario a precios muy económicos, como ese soldador Pictek 60W 220V de temperatura ajustable 200°C-450°C que incluye los accesorios y puntas más comunes.
kitsoldadura
Además del soldador, necesitaremos el estaño para fundir y soldar. Como ocurre con el soldador, debemos huir de los pequeños rollos de no más de 10 vueltas de estaño de mala calidad que se pueden encontrar en almacenes de bricolaje, o incluso en tiendas de chinos. Igual, o tal vez más importante que usar un soldador de calidad media, es utilizar un estaño apropiado para soldadura electrónica, con alma de resina y de no más de 1 mm. de diámetro.
El estaño que usemos debe tener un color plateado brillante, en ningún caso mate. Pudiera parecer caro gastar unos 6 euros por un rollo de 100 gr. de estaño de calidad. Sin embargo, a la larga se agradece el resultado, y con 100 gr. hay cantidad suficiente para realizar muchas soldaduras. Este tipo de estaño para soldadura electrónica en realidad es una aleación de en torno al 60% estaño y el 40% plomo. Si os fijáis con detalle, su interior es hueco y contiene una resina que actuará como decapante que al calentarse prepara las superficies a soldar y hace que la aleación de estaño y plomo fluya correctamente al fundirse, rellenando todos los huecos y haciendo que una vez solidificado quede perfectamente unido a las superficies metálicas.
ResinaHiloSodadura
El estaño que usemos debe tener un color plateado brillante, en ningún caso mate. Para soldar componentes electrónicos no vale cualquier estaño.
Para saber si una soldadura es correcta sólo es necesario mirar su aspecto. Si ha quedado de color plateado brillante (el mismo color del estaño con el que soldamos) y en forma cónica en caso de soldaduras en placas de circuito impreso o alargada en caso de soldadura entre componentes, la soldadura es correcta.

Soldadura en PCB
Aspecto de soldaduras correctamente realizadas.

Si su color es opaco (sin brillo) y con forma redondeada y con exceso de estaño, la soldadura no es correcta. Este tipo de soldaduras se suelen llamar soldadura “frías” y aunque el componente parece fijado, no asegura el correcto contacto eléctrico, por lo que será fuente de problemas y errores de funcionamiento del circuito electrónico.

Ejemplos soldaduras fallidas
Ejemplos de soldaduras fallidas.

La técnica para realizar una correcta soldadura se resume en tres pasos:
  1. Calentar con el soldador los elementos a soldar.
  2. Aplicar estaño en su justa medida.
  3. No retirar el soldador hasta que el estaño se extienda.

Técnica de Soldadura
Técnica de Soldadura en Electrónica.

Aunque en un principio pueda parecer complicado o uno piense que nunca será capaz de dominar esta técnica, con algunos metros de cable de estaño, placas viejas, un soldador de mediana calidad y paciencia para probar una y otra vez, cualquiera puede soldar componentes electrónicos sin ningún problema, y con el tiempo y la práctica, dominar la técnica perfectamente.
Pero como siempre, ver el modo en que lo hacen otros, sobre todo si llevan años soldando y desoldando componentes, y sobre todo, escuchar sus comentarios y consejos vale más que cualquier libro o manual escrito.
En primer lugar, veamos un video sobre la técnica de soldadura de componentes en placas de circuito impreso:
A continuación, una serie de tres videos en los que Eugenio Nieto nos enseña técnicas más avanzadas de soldadura y desoldadura de componentes electrónicos, incluso de componentes SMD sin usar ningún tipo de herramienta especial, sólo un soldador básico y estaño:
Ahora un video con tres sencillas técnicas para desoldar componentes electrónicos que deseemos reutilizar.
Y por último, un método sencillo y gratuito de mantener siempre limpia la punta de nuestro soldador, detalle muy importante para realizar soldaduras duraderas y brillantes.