Desarrollo de conceptos

En los albores de la electrónica, para realizar un circuito, todo se debía conectar con cables. Y por electrónica me refiero a componentes activos (aquellos que funcionan a electricidad) que comenzaban con tubos. Pero estos no eran trazas sobre una placa de circuito impreso (PCB). Estos eran verdaderos alambres que se soldaban a las terminales de los dispositivos, tanto en componentes activos como pasivos. Las PCB llegaron mucho tiempo después.

Por lo tanto, y dadas las circunstancias, era fácil ensamblar un circuito electrónico. Casi cualquier persona podía hacerlo. Los circuitos eran más simples al principio. Después de todo, las primeras radios solo necesitaban un tubo. La principal habilidad que se necesitaba era la de soldar.

La ventaja de esta metodología de ensamblaje simple era que los principiantes, los profesionales y los estudiantes de electrónica podían experimentar con facilidad. Lo único que se necesitaba eran las herramientas para soldar y los componentes electrónicos. Las revistas para aficionados florecieron en aquellos días gracias a los encantos de esta nueva tecnología que fascinaba a los curiosos y era posible adquirir.

Luego de la Segunda Guerra Mundial surgió otro fenómeno: la disponibilidad de kits de electrónica. Muchas empresas vendían los componentes e incluían manuales de instrucciones que explicaban cómo ensamblar los componentes para conseguir el producto terminado. Estos manuales incluían una “teoría de funcionamiento” que explicaba cómo funcionaban los componentes ensamblados y las funciones que cumplían. Algunas de las empresas que fabricaban estos kits eran Heathkit, Eico y Precision, entre otras. Uno podía construir su propia radio, osciloscopio, televisión y muchos otros productos. Era la época ideal para interesarse en la electrónica y aprender sobre ella.

De los tubos pasamos a los transistores, pero el cableado seguía siendo simple. Al usar transistores, los circuitos ocupaban menos espacio y podían ser ensamblados con regletas de terminales que consistían en hileras de terminales soldados, añadidos a una tira no conductora como el fenólico. En esta época, los circuitos se volvieron cada vez más complejos debido a la reducción de costos de los dispositivos electrónicos, por lo que se pudo implementar una funcionalidad más sofisticada. Pero a medida que esta complejidad aumentaba, se volvió cada vez más necesario simplificar el cableado; fue entonces cuando se crearon las PCB.

Las PCB eran buenas ya que los profesionales no necesitaban herramientas nuevas y ya tenían el conocimiento que necesitaban: saber cómo soldar. A lo sumo necesitaban una punta más pequeña para su soldador. Un método popular para fabricar esas primeras PCB era colocar cinta opaca sobre un trozo de mylar en todos los lugares en los que se deseara colocar material conductor. Por medio de procedimientos fotográficos, se podía “grabar” el patrón de la cinta sobre una placa con recubrimiento de cobre. El procedimiento para fabricar una PCB eliminó a muchos competidores de la competencia. Pocas personas estaban dispuestas a hacer su propia PCB o sabían cómo hacerla. Por otra parte, se podía pagar a alguien para que fabricara la PCB, pero el gasto adicional que esto implicaba de seguro motivó a las personas a “abandonar” el campo.

Sin embargo, había tantos productos nuevos y emocionantes en fabricación que para muchos seguía siendo un campo tentador. La electrónica ha avanzado tanto que el rango de lo que uno puede implementar desde la propia imaginación es prácticamente ilimitado. Esto es excelente para la disciplina, ya sea que la implementen ingenieros electrónicos, físicos, estudiantes, aficionados o cualquiera con suficiente interés y constancia.

Desde los inicios de las PCB hasta el día de hoy, en donde las PCB se han convertido en el medio extendido para conectar componentes, la electrónica misma ha experimentado una revolución. Hemos pasado de los transistores discretos a los circuitos integrados (CI). Los CI son la esencia de las PCB pre-ensambladas que contienen sistemas electrónicos. Debido a que los CI redujeron de forma significativa el tamaño de los circuitos electrónicos complejos, y a que el costo de un CI es directamente proporcional a su tamaño medido por el área utilizada sobre un sustrato de silicio, también fue necesario que fueran más pequeños. Por lo tanto, se volvió poco factible utilizar otra cosa que no fuera una PCB para conectar circuitos electrónicos. Existen excepciones a este caso, pero por lo general esta es la regla.

Durante este primer tiempo de los CI, se podía desarrollar un concepto y depurar sus sistemas electrónicos por medio de instrumentos normales de laboratorio, como multímetros y osciloscopios. Se podía acceder a pines de dispositivos o examinar conexiones de circuitos con relativa facilidad, pero a los clientes les atraían más los productos electrónicos pequeños que los grandes. Las personas buscaban portabilidad. También querían más funcionalidad y costos más bajos.

Una mayor funcionalidad y costos más bajos junto con un tamaño pequeño probablemente sea la razón más popular para desarrollar un producto electrónico o para rediseñar uno ya existente; y existe una manera de lograr esto: por medio de altos niveles de integración representados en forma de CI más capaces. La esencia de esta industria es potenciar la tecnología de los semiconductores. Esto se puede ver en nuestros smartphones, donde los modelos de hoy tienen mayor funcionalidad a un menor costo en comparación con modelos anteriores. Ahora bien, puede objetar mi afirmación sobre menores costos... Me gustaría saber si se refiere al precio de un producto o a su costo. Le aseguro que el precio por un nivel de funcionalidad dado es bajo y, en igualdad de condiciones, su precio es prácticamente plano. Básicamente, estamos dispuestos a pagarle a un fabricante mayores ganancias para que aumente la funcionalidad de sus productos. El resultado final es que los precios de nuestros smartphones, por ejemplo, prácticamente no han sufrido cambios.

Para disminuir el costo de los sistemas electrónicos y así también su tamaño, la industria se enfocó en el empaquetado de los CI. Esto comenzó de forma acelerada en la década de los 80 y trajo consigo una mayor dependencia de las PCB. La tecnología de empaquetado que se utilizaba era conocida como montaje en superficie. Resultaba poco factible soldar a mano los pines (es decir, las terminales) uno por uno al realizar el montaje en superficie: era posible, pero no era práctico. En cambio, se conectaban las partes a la PCB a través de un método llamado soldadura por onda; gracias a esto era crucial crear una PCB para desarrollar proyectos propios. Ya no era posible examinar todos los pines de los CI cuyos paquetes cubrieran sus pines.

Los estudiantes y los aficionados de la electrónica tuvieron que afrontar un problema prácticamente insuperable cuando se creó el montaje en superficie. Recuerdo cuando ensamblé mi último Heathkit: era un multímetro, fue a finales de los 90 y poco tiempo después la empresa dejó de vender sus aclamados kits. Nunca volvió a existir una empresa que vendiera kits como esos; fue como “El último Mohicano”.

Como dije anteriormente, los costos de los sistemas electrónicos han tendido a disminuir, y esto permitió que sucediera algo increíble y novedoso en la industria de la electrónica. Se hizo posible comprar la funcionalidad de los circuitos en forma de placas de circuito. Si bien los CI tienen funcionalidades, la mayoría de las veces requieren complementarse con otros componentes para funcionar. Estos consisten en chips para fuentes de alimentación, relojes, controladores de host, entre otros. Se podría obtener un subsistema que funcione por completo en forma de una PCB y a un costo para nada prohibitivo. A algunas de estas PCB se las conoce como módulos y a otras, como Sistema en paquete (SiP).

A estos productores de CI que proveían estas nuevas PCB para que los clientes potenciales evaluaran su tecnología se les sumó un nuevo tipo de proveedores de electrónica. Estas eran empresas de “manufactura profesional” como Mikroe (más conocido como Mikroelektronika), Adafruit, Seeed, SparkFun, entre otras. Hoy en día, vuelve a ser posible desarrollar un concepto de forma simple y utilizar los sistemas electrónicos más sofisticados del mundo.

Existen miles de subsistemas electrónicos disponibles que pueden utilizarse para crear un sistema integrado personalizado. Estos productos comerciales en serie (COTS) pueden ser utilizados tanto por organizaciones profesionales como por aficionados. Al trabajar para DigiKey, cierta vez me di cuenta de que vendíamos los mismos CI que se encontraban en algunos de los módulos que también vendíamos. Además noté que muchas compañías grandes no solo compraban los CI, sino también los módulos que los contenían. Pensé: “¿Por qué una empresa con los recursos para construir un producto de forma más rentable y económica lo compraría con un factor de forma un poco más caro, como una PCB?”. Entonces descubrí algunos motivos por los que lo haría.

Primero, un módulo ofrece más valor de esta forma: en el caso de un módulo RF, puede recibir una certificación previa de parte de organismos gubernamentales como la Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Commission, FCC). Realizar pruebas de cumplimiento es costoso y requiere mucho tiempo y dinero. Segundo, el lanzamiento al mercado. Si no hay certezas sobre el tamaño del mercado, es mejor probarlo lo antes posible. Si el mercado es lo suficientemente grande, se puede llevar a cabo un proceso de rediseño para reducir los costos del producto por medio de metodologías de diseño de niveles más bajos. Tercero, para acomodar las variaciones del producto. Con los subsistemas modulares, el conjunto de características y precios indicativos de un producto pueden variar con mayor facilidad. Un punto que quisiera mencionar es que si los subsistemas electrónicos son rentables para aquellas empresas que tienen los recursos para diseñar a los costos más bajos de la electrónica, de seguro son lo suficientemente buenos para los estudiantes y los aficionados; pero esto no termina aquí.

En el universo de subsistemas modulares existe una gran variedad de interfaces. Las más populares son la Interfaz periférica serial (SPI) el Circuito interno integrado (I²C), la Modulación por ancho de pulsos (PWM) analógica y cuasi-analógica, el Transmisor receptor asíncrono universal (UART) y la Paralela. De todas ellas, solo la última tiene un rango amplio y variado de pines. Probablemente el 95% o más de los subsistemas modulares no requiere una interfaz paralela. Esto significa que los subsistemas tienen un pequeño número de pines que mantienen sus costos y precios en niveles bajos.

Debido a la popularidad de las interfaces anteriores, Mikroe creó el estándarMikroBUS standard e hizo que esté disponible de forma gratuita para que cualquiera pueda usarlo (Figura 1). Los fabricantes de CI están adoptando esta interfaz de subsistema cada vez más. Creo que Microchip fue el primero en adoptar el estándar MikroBUS en sus placas de desarrollo y evaluación. Lo hizo porque hay más de mil módulos disponibles basados en MikroBUS. Según la cantidad de espacios MikroBUS que tenga una placa, se puede desarrollar o evaluar una cantidad prácticamente ilimitada de conceptos sin tener que cablear, volver a cablear o ensamblar ninguna PCB. Ya que MikroBUS es un estándar ampliamente aceptado que especifica tanto la interfaz eléctrica como los atributos físicos de una placa, vuelve a ser simple la implementación de conceptos a casi cualquier nivel de funcionalidad y la sofisticación flexible de forma económica. Pero eso no es todo.

Figura 1. Estándar MikroBUS. (Fuente de la imagen: Mikroelektronika)

Mikroe es una empresa que fabrica herramientas de desarrollo. Aparte de fabricar placas con su estándar MikroBUS a las que llaman placas “Click”, también fabrican herramientas de desarrollo. Entre estas herramientas se encuentra una llamada “CodeGrip”. CodeGrip tiene una interfaz Wi-Fi además de una interfaz USB. Con cualquiera de estas conexiones, se puede escribir y depurar el software que integra cualquier subsistema existente en un diseño. Tener una conexión Wi-Fi significa tener una interfaz que se puentea fácilmente a Internet. Lo han logrado mediante un sistema al que llaman Planet Debug.

Planet Debug permite que cualquiera con un Entorno completo de desarrollo integrado (IDE) de Mikroe instalado en su computadora personal y una conexión a Internet acceda a un hardware remoto en cualquier lugar del mundo. De hecho, Mikroe puede configurar su hardware con cualquier placa Click que usted desee. Esto significa que el progreso tecnológico ahora ha llegado a un punto en el que no se necesita desarrollar o cablear ningún hardware para desarrollar un concepto o aprender sobre cualquier tecnología que desee comprender más a fondo.

Es un buen momento para interesarse en la electrónica o aprender sobre esta. Por ahora, aquí termina mi contribución a esta historia, pero usted puede escribir el resto al desarrollar sus propios conceptos.