Circuitos abiertos E-Book

Eric Schlaepfer

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 158

Beschreibung

Experimente la electrónica desde otro punto de vista Circuitos abiertos le propone adentrarse en una exploración fotográfica que le revelará la belleza insospechada -y, a menudo, ignorada- del interior de los dispositivos electrónicos de uso cotidiano. En este libro iniciará un viaje a través de secciones transversales minuciosamente elaboradas y primeros planos de un realismo sorprendente, que desvelan un mundo repleto de elegancia, sorpresas y una complejidad delicada. Desde componentes básicos, como resistencias y condensadores, hasta placas de circuito de última generación y nostálgicos tubos Nixie, las impactantes fotografías presentadas transforman más de 130 elementos electrónicos en fascinantes obras de arte. Circuitos abiertos promete ser una fuente de asombro y deleite no solo para ingenieros y artistas, sino también para diseñadores y aficionados a la fotografía, ya que muestra la intersección única entre tecnología y arte.

Leseprobe

Circuitos abiertos

Circuitos abiertos

La belleza interior de los componentes electrónicos

Eric Schlaepfery Windell H. Oskay

Copyright © 2022 by Windell Oskay and Eric Schlaepfer. Title of English-language original: Open Circuits: The Inner Beauty of Electronic Components, ISBN 9781718502345, published by No Starch Press Inc. 245 8th Street, San Francisco, California United States 94103. The Spanish-Language 1st edition Copyright © 2024 by Marcombo, S.L. under license by No Starch Press Inc. All rights reserved.

Primera edición original publicada en inglés por No Starch Press Inc. con el título Open circuits, ISBN 9781718502345 © Windell Oskay y Eric Schlaepfer, 2022.

Título de la edición en español:

Circuitos abiertos

Primera edición en español, 2024

© 2024 MARCOMBO, S.L.

    www.marcombo.com

Diseño de portada: Monica Kamsvaag y Susan Brown

Diseño de interior y maquetación: Maureen Forys, Happenstance Type-O-Rama

Revisor técnico: Ken Shirriff

Traducción: Alberto Escudero y Sonia Llena

Corrección: Mónica Muñoz

Directora de producción: M.a Rosa Castillo

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. La presente publicación contiene la opinión del autor y tiene el objetivo de informar de forma precisa y concisa. La elaboración del contenido, aunque se ha trabajado de forma escrupulosa, no puede comportar una responsabilidad específica para el autor ni el editor de los posibles errores o imprecisiones que pudiera contener la presente obra.

ISBN del libro en papel: 978-84-267-3744-1

ISBN del libro electrónico: 978-84-267-3819-6

Producción del ePub: booqlab

Los autores

Eric Schlaepfer dirige la popular cuenta de ingeniería en X (antes Twitter) @TubetimeUS, donde publica fotografías de cortes transversales, comparte sus proyectos de retroinformática e ingeniería inversa, investiga procesos casuales de ingeniería e incluso, de vez en cuando, comparte válvulas termoiónicas. Algunos de sus proyectos más conocidos incluyen el MOnSter 6502 (el microprocesador 6502 más grande del mundo construido con transistores individuales), la Snark Barker (una recreación retro de la famosa tarjeta de sonido Sound Blaster) y las réplicas de kits de chips Three Fives y XL741 tamaño transistor (disponibles en los laboratorios Evil Mad Scientist). Obtuvo el título en Ingeniería Eléctrica por la California Polytechnic State University, en San Luis Obispo, título firmado por Arnold Schwarzenegger.

Windell H. Oskay es el autor de The Annotated Build-It-Yourself Science Laboratory y cofundador de los laboratorios Evil Mad Scientist, donde se dedica a diseñar robots. Posee una licenciatura en Física y Matemáticas por el Lake Forest College y un doctorado en Física por la University of Texas at Austin. Se ha dedicado a la fotografía desde la escuela secundaria y le gustan los gatos, salvo cuando, al observar muy de cerca algún componente electrónico, encuentra pelos en él.

El revisor técnico

Ken Shirriff restaura ordenadores y otros aparatos electrónicos antiguos y escribe sobre la historia de los ordenadores. En su blog (righto.com), lo mira todo por dentro, desde cargadores hasta circuitos integrados. Ken trabajó como programador para Google y ostenta un doctorado en Ciencias de la Computación por la University of California, Berkeley. Ha recibido 20 patentes y ha añadido 7 caracteres al estándar de codificación Unicode. Se encuentra en X como @kenshirriff.

Contenidos

Agradecimientos

Introducción

1 Componentes pasivos

Cristal de cuarzo de 32 kHz

Resistencia de película de carbono

Resistencia de película de alta estabilidad

Resistencia bobinada de potencia

Matriz de resistencias de película gruesa

Resistencia de chip de montaje superficial

Matriz de resistencias de película fina

Potenciómetro bobinado

Potenciómetro trimmer

Potenciómetro trimmer de 15 vueltas

Potenciómetro de 10 vueltas

Condensador de disco cerámico

Condensador de vidrio

Condensador cerámico multicapa

Condensador electrolítico de aluminio

Condensador de película

Condensador de tantalio sumergido

Condensador de polímero de tantalio

Condensador de polímero de aluminio

Inductor axial

Inductor de montaje superficial

Inductor de ferrita sinterizado

Núcleo de ferrita

Condensador de filtro de tres terminales

Transformador toroidal

Transformador de fuente de alimentación

Fusibles de cartucho de baja potencia

Fusible de cable axial

Fusible líquido

Fusible compacto

Fusible térmico

2 Semiconductores

Diodo 1N4002

Diodos encapsulados en vidrio

Puente rectificador

Transistor 2N2222

Transistor 2N3904

Regulador de tensión LM309K

Circuitos integrados en empaquetados de doble hilera (DIP)

Microcontrolador ATmega328

Circuito integrado de contorno pequeño

Paquete plano cuádruple delgado

Matriz de rejilla de bolas

Microprocesador SoC

Led rojo de orificio pasante

Led de montaje superficial

LED bicolor rojo y verde

Led blanco

Diodo láser

Optoacoplador

Sensor óptico de inclinación

Codificadores ópticos

Sensor de luz ambiental

Sensor de imagen CMOS

3 Electromecánica

Interruptor de palanca

Interruptor deslizante

Interruptor pulsador

Interruptor DIP

Interruptor táctil

Microinterruptor

Relé electromagnético

Interruptor térmico

Motor de CC con escobillas

Motor paso a paso

Zumbador magnético

Altavoz

Cámara de smartphone

Dentro del módulo de la cámara

Motor de bobina de voz giratorio

Motores de enfoque de unidad óptica

Micrófono de electreto

4 Cables y conectores

Cable sólido y cable trenzado

Cable eléctrico de corriente alterna

Cable de cinta IDC

Cable modular para teléfonos

Zócalos DIP

Enchufes y jacks de barril

Enchufe y jack de audio (¼ de pulgada)

Conector de audio de 3,5 milímetros

Cable coaxial LMR-195

Cable de corriente de un portátil

Cable coaxial RG-6

Cable de televisión RG-59

Conector F

Enchufe y jack BNC

Conector SMA

Conector DE-9

Cable Ethernet de categoría 6

Cable SATA

Cable HDMI

Cable VGA

Cable USB básico

Jack USB

Cable USB de carga rápida

5 Retrotecnología

Lámpara de neón

Tubo Nixie

Dentro de un tubo Nixie

Tubo de vacío 12AX7

Pantalla fluorescente de vacío

Tubo de rayos catódicos

Dentro del CRT

Interruptor de inclinación de mercurio

Resistencias bobinadas clásicas

Resistencia de composición de carbono

Condensador Cornell Dubilier 9LS

Condensador de mica de plata sumergida

Condensador cerámico multicapa axial

Transformador FI

Bombilla de luz incandescente

Flash de bombilla

Fotorresistencia

Diodo de punta de contacto

Diodo de germanio

Circuito integrado µA702

EPROM con ventana

Memoria central

Módulo SLT de IBM

Medidor de panel analógico

Cabezal de cinta magnética

Cabezal de disco duro de película fina

Cabezal de disco duro GMR

6 Dispositivos compuestos

Bombilla led de filamento

Placa de circuito impreso de una cara

Placa de circuito impreso de doble cara

Placas de circuito multicapa

Placas flexibles y rígido-flexibles

Conector elastomérico

Tarjeta MicroSD

Encapsulado Glob Top

Chip de tarjeta de crédito EMV

Tarjeta de acceso NFC

Tarjeta lógica de un smartphone

Dentro de la placa lógica

Transformador Ethernet

Convertidor CC-CC

Pantalla led de siete segmentos

Pantalla numérica led de película gruesa

Pantalla de matriz de puntos led de 5 × 7

Pantalla led de burbujas clásica

Pantalla led alfanumérica

Reloj compensado por temperatura

Oscilador de cristal

Fotodiodo de avalancha

Amplificador de aislamiento 3656HG

Dentro del amplificador de aislamiento

Epílogo

Corte y pulido

Limpieza

Encapsulado

Montaje

Equipo fotográfico

Retoque

Sobre la fotografía macro

Apilamiento de enfoque

Glosario

Agradecimientos

Muchas gracias a todos aquellos que me han ayudado en la elaboración de este libro.

Gracias a John McMaster, por abrir algunos de los chips que hemos fotografiado. A Ben Wojtowicz, por su generosidad al prestarnos su antiguo teléfono Nexus para que lo hiciéramos pedazos. También a Ken Sumrall, por dejarnos curiosear por su extensa colección de calculadoras HP con el fin de encontrar pantallas led particularmente fotogénicas. A Greg Schlaepfer, por prestarnos su amplificador clásico para guitarras. A Ken Shirriff por, además de inspirarnos con sus detalladas explicaciones técnicas, ayudarnos a revisar el libro en pos de la precisión técnica. También a Jesse Vincent, por traer algunos interruptores de teclado que, finalmente, no incluimos en el libro, pero que le agradecemos igualmente por ello. Gracias también a Brian Benchoff, por esa placa de circuito tan fotogénica. Gracias a Philip Freidin, por sus fructíferos debates. Y a Lenore Edman, por servir de trampolín de ideas y de modelo ocasional, y por permitir que Windell se tomara un año sabático para este trabajo.

Gracias al personal de No Starch Press, por hacer realidad este libro.

Por último, gracias a todos los usuarios de X por sus entusiastas respuestas a las fotos originales de cortes transversales que han inspirado este libro.

Introducción

«La forma siempre sigue a la función»

—LOUIS SULLIVAN, CITANDO A VITRUVIO

Sostenemos nuestros impecables teléfonos como si fueran reliquias. Nos encanta tocarlos. Un tipo de teléfono concreto puede parecer mejor que otro ya no por sus méritos tecnológicos, sino por su apariencia y su tacto; es decir, por su diseño. Esto es el diseño. Los diseñadores industriales, ingenieros y artistas dedican incontables horas a ajustar cada una de las curvas, colores y texturas. Un buen diseño apela a nuestros sentidos y, especialmente, a nuestro sentido de la elegancia.

Resulta menos obvio el hecho de que cada parte que compone nuestros dispositivos (cada COMPONENTE ELECTRÓNICO) es también un objeto que ha sido diseñado. Muchos componentes son, por sí solos, dispositivos compuestos de partes incluso más pequeñas, y cada una de las cuales representa incontables horas de diseño e ingeniería.

En este libro, observaremos con detalle una serie de componentes electrónicos interesantes. A medida que los vayamos viendo, aprenderemos un poquito más acerca de tres aspectos: cómo funciona, cómo fue fabricado y cómo se usa. Pero lo que principalmente hace interesantes estos componentes es que no siempre se ajustan a ninguna de estas tres categorías. A menudo, simplemente basta con que les echemos un vistazo.

A veces, los componentes más mundanos revelan una inesperada complejidad y valor artístico. Una roca cualquiera abierta por el martillo de un geólogo puede revelar una geoda de brillantez mineral. Un martillo resulta una metáfora particularmente apropiada, ya que este libro es en realidad un viaje descaradamente destructivo a través de la electrónica. Para mostrar lo que hay en el interior, utilizamos sierras, papel de lija, disolventes, discos para pulir, fresas de extremo y sí, alguna vez, un martillo de carpintero..

Para un ingeniero, un componente electrónico tiene tres partes: la INTERFAZ, el ÁREA ACTIVA y el ENCAPSULADO. La «interfaz» conecta los componentes de forma eléctrica y mecánica a un circuito, como cuando se conectan cables y orificios pasantes. El «área activa» da utilidad al componente; por ejemplo, un transistor dispone de áreas cubiertas de silicona que permiten la amplificación de señales. El «encapsulado» proporciona un soporte estructural, protección ambiental y la forma externa del componente.

Ver un componente como la suma de estas tres partes proporciona una perspectiva útil para entender su diseño técnico. A menudo, el área activa queda completamente eclipsada por la interfaz y el encapsulado, cosa totalmente razonable en muchos casos, como cuando uno quiere poder manipular con las manos un diminuto diodo emisor de luz, del tamaño de un grano de arena.

Otra cosa muy distinta es contemplar la estética de los componentes. Mientras que equipos de diseñadores y artistas colaboran en la apariencia exterior de la electrónica de consumo, no se puede decir lo mismo acerca de la apariencia exterior de cada uno de los componentes interiores. El propietario normal de un smartphone jamás verá qué aspecto tienen las partes internas de su teléfono.

Este libro no trata sobre diseño casual. Cada uno de los cables, resistores, condensadores y chips que estudiaremos ha sido intencionadamente diseñado para cumplir con unas necesidades técnicas específicas en cuanto a precisión, usabilidad y coste. Este libro trata sobre la belleza casual: la estética emergente de aquellas cosas que se supone que no deberíamos ver.

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Componentes pasivos

Los resistores, los condensadores y los inductores son componentes básicos que podemos encontrar en casi todos los dispositivos electrónicos. Los tres son ejemplos comunes de componentes pasivos, una amplia categoría de componentes que no aportan energía a un circuito. En vez de eso, disipan, almacenan o transforman de alguna manera la energía. Estos son algunos de los componentes más variopintos y visualmente llamativos, decorados con rayas, puntos, revestimientos brillantes y etiquetas crípticas. Echemos un vistazo.

Cristal de cuarzo de 32 kHz

En las profundidades de un reloj de pulsera de cuarzo, yace un minúsculo diapasón, tallado a partir de un reluciente cuarzo cristalizado y que hace que el reloj funcione con precisión. El diapasón está revestido con electrodos espejados y protegido dentro de un tubo metálico.

El diapasón de un músico se puede cortar para hacer sonar un «la 440», la nota musical «la» a 440 hercios (Hz), es decir, 440 oscilaciones por segundo. Sin embargo, la frecuencia de resonancia de este diapasón de cuarzo está fuera del alcance del oído humano, el cual está sintonizado a 32 768 Hz (si dividimos reiteradamente 32 768 Hz entre 2, acabaremos obteniendo 1 Hz.)

El cuarzo es PIEZOELÉCTRICO; es decir, se dobla levemente cuando se le aplica tensión, además de producir tensión al doblarse. El circuito del reloj aplica una pequeña cantidad de tensión a los electrodos, provocando que el cuarzo se doble y suene en su frecuencia de resonancia. Al hacerlo, produce una tensión oscilante. Cada segundo, un circuito digital cuenta 32 768 oscilaciones y, después, hace avanzar el segundero un solo tic.

Lo que parecen ser arañazos en las puntas del diapasón son, en realidad, marcas de corte láser obtenidas por un proceso que afina la frecuencia.

Resistencia de película de carbono

Las RESISTENCIAS son dispositivos que restringen o limitan el flujo de electricidad. Se utilizan cuando un circuito necesita una cantidad de corriente controlada. Este tipo de RESISTENCIAS DE PELÍCULA DE CARBONO se utilizan a diario en aparatos electrónicos como electrodomésticos y juguetes, en los cuales el coste es más importante que la precisión o el tamaño.

Una resistencia de película de carbono se compone de una varilla de cerámica cubierta de una fina capa de película de carbono que conduce la electricidad con cierta resistencia. Se corta una ranura helicoidal a través de la película, dejando un surco de carbono estrecho y alargado que va en forma de tirabuzón de un extremo de la varilla al otro. Unas tapas de metal se engarzan a los dos extremos y, posteriormente, se les añaden los cables. Después, la resistencia se sumerge en un revestimiento protector y se le pintan unas rayas codificadas por colores que indican su valor de resistencia..

Las resistencias con esta forma se denominan RESISTENCIAS AXIALES DE ORIFICIO PASANTE, que significa que tienen cables (los cuales están pensados para pasar a través de los orificios pasantes en un circuito) dispuestos a lo largo del eje de simetría de la resistencia.

La película de carbono es relativamente fina. En esta sección transversal, las ranuras solo son visibles como hendiduras en la varilla de cerámica.

La ranura en espiral se ve claramente al retirar el revestimiento de protección.

Resistencia de película de alta estabilidad

Esta RESISTENCIA DE PELÍCULA DE ALTA ESTABILIDAD, de unos 4 milímetros de diámetro, se fabrica de forma muy parecida a su pariente, la económica película de carbono, pero con una precisión exacta. Una fina capa de película resistiva (metal fino, óxido metálico o carbono) recubre una varilla cerámica y, a continuación, se mecaniza en la película una ranura helicoidal perfectamente uniforme.

En vez de revestir la resistencia con una resina epoxi, esta queda herméticamente sellada en un pequeño y lustroso envoltorio de vidrio. Esto la hace más robusta, ideal para casos especiales, como la instrumentación de referencia de precisión, donde la estabilidad a largo plazo de la resistencia es muy importante. El envoltorio de vidrio proporciona un mejor aislamiento contra la humedad y otros cambios ambientales que un revestimiento estándar como la resina epoxi.

Resistencia bobinada de potencia

A medida que la corriente fluye a través de una resistencia, esta convierte una cierta cantidad de energía eléctrica en calor. La mayoría de las resistencias convencionales poseen una escasa capacidad para disipar el calor, ya que no pueden soportar temperaturas elevadas, lo que limita la cantidad de energía que pueden soportar.

Las RESISTENCIAS DE POTENCIA, como esta, están hechas sin usar materiales que limiten la temperatura, como soldadura o epoxi, lo que les permite soportar más energía. Algunas fuentes de energía las usan para limitar las ráfagas de corriente que se producen al conectarlas. El elemento activo es un cable de metal resistivo enrollado alrededor de un núcleo aislante. El montaje resistivo se sitúa en una cápsula de cerámica tolerante al calor y se rellena con lechada de cemento.

El cable resistivo se enrolla alrededor de un núcleo de cristal de fibra, pero, dado que esta resistencia está partida por la mitad, todo lo que se puede ver son los extremos de los cables..

Matriz de resistencias de película gruesa

Muchos circuitos requieren múltiples resistencias idénticas; por ejemplo, un bus de datos digitales puede necesitar una RESISTENCIA DE TERMINACIÓN conectada en serie con cada una de las líneas de datos, o puede que cada uno de los pines genéricos de un microcontrolador pueda necesitar una RESISTENCIA PULL DOWN entre el pin y la tierra. Una matriz de resistencias elimina la necesidad de tener múltiples resistencias separadas, pues consta de varias resistencias fabricadas como un único componente.

Aquí mostramos varias MATRICES DE PELÍCULA GRUESA, nombradas así por la tecnología usada en su fabricación, la cual emplea películas conductivas y resistivas serigrafiadas, que se cuecen como un esmalte de alfarería sobre un sustrato cerámico. Después de colocar y soldar los terminales de metal, un láser quema parte del material resistivo para ajustar cada resistencia individual a su especificación correcta. Finalmente, la matriz se sumerge en una capa de epoxi para su protección..

Esta es una matriz de resistencias en serie o SIL, donde todos los terminales están dispuestos en línea recta. Posee cuatro resistencias independientes que no están conectadas entre ellas..

Los cortes rectos en el material resistivo de color verdoso marcan la trayectoria del láser de recorte.

Resistencia de chip de montaje superficial

Actualmente, la más común de las resistencias individuales es la RESISTENCIA DE MONTAJE SUPERFICIAL DE PELÍCULA GRUESA, también conocida como RESISTENCIA DE CHIP por sus ordenados paquetes rectangulares, los cuales carecen de cables. Anualmente se producen miles de millones de resistencias, y podemos encontrarlas en cualquier tipo de dispositivo electrónico de consumo producido a gran escala.

Se trata de resistencias de MONTAJESUPERFICIAL, diseñadas para ser soldadas directamente sobre la superficie de una placa de circuito, en lugar de soldar cables que atraviesan orificios en la placa de circuito. Están fabricadas de manera similar a las matrices de resistencias de película gruesa, incluyendo el recorte por láser.

Varias resistencias de montaje superficial, con el revestimiento de epoxi pelado para mostrar el elemento de película gruesa que hay debajo.

Matriz de resistencias de película fina

Las RESISTENCIAS DE PELÍCULA FINA, como las ocho que se muestran en esta matriz, son dispositivos de precisión fabricados mediante el grabado de un patrón en una capa ultrafina de óxido metálico PULVERIZADO (depositado al vacío) o CERMET (un compuesto de cerámica y metal). Las matrices de película fina se utilizan cuando un circuito necesita resistencias ajustadas o calibradas con precisión, como en el caso de equipamientos médicos o científicos.

Cada una de las marcas serpenteantes de material resistivo posee áreas que pueden ser recortadas a láser para afinar el valor de resistencia con mayor precisión.

Los terminales para soldar situados en el extremo de cada resistencia permiten soldar esta matriz directamente sobre una placa de circuito impreso.

Potenciómetro bobinado

Un POTENCIÓMETRO