¿Cómo se dibujaban los esquemas antes del CAD?

Question

Estaba mirando el esquema de una vieja fuente de alimentación HP que compré. Se puede encontrar aquí , alrededor de la página 60-61.

Este esquema se dibujó mucho antes de que el CAD fuera una herramienta utilizada por los ingenieros. Las cosas todavía se dibujaban a mano. Me preguntaba cómo se dibujaban los grandes esquemas. Hoy en día, estamos acostumbrados a nuestras elegantes herramientas EDA que tienen un montón de buenas características para hacer buenos esquemas. Por otra parte, los esquemas para la documentación se dibujan a veces en programas de gráficos vectoriales como Inkscape o Illustrator, porque pueden dar resultados más nítidos.

En nuestros paquetes de CAD tenemos una buena anotación automática, que nos construye un buen BoM si lo configuramos bien, y a menudo incluso nos permiten extraer listas de redes SPICE para la simulación, y un montón de otra información sobre el diseño y las reglas eléctricas. Si descubrimos que mover este componente aquí hace que nuestro esquema sea más claro, sólo tenemos que arrastrarlo y soltarlo, ¡sin necesidad de redibujar todo!

Los esquemas antiguos que veo siempre tienen símbolos agradables y consistentes, no lo que se espera de los esquemas dibujados a mano. ¿Utilizaban plantillas para tener siempre exactamente el mismo símbolo de transistor, resistencia, condensador, etc.? ¿O esos símbolos estaban definidos en sus dimensiones y simplemente se dibujaban y medían cada vez? ¿Tenían tal vez pequeños trozos de papel con cada símbolo dibujado en él, y luego simplemente los movían para hacer el esquema sin tener que empezar de cero cada vez (estoy pensando en esos viejos papeles de escritorio de IKEA en los que tenías pequeños recortes de sus escritorios y podías colocarlos para probar diseños en tu oficina)?

Soy consciente de que esta es una pregunta algo abierta, pero tengo curiosidad por saber cómo eran las cosas antes de que tuviéramos OrCAD, Virtuoso, KiCAD y Altium.

Answer 1

Contexto histórico

Me formé en Tektronix como dibujante de electrónica.

Tektronix proporcionó clases para todos los interesados. Es bastante parecido al dibujo para la construcción. Tenías los lápices habituales, sacapuntas, gomas y papel especializados, una mesa inclinada, escuadra en T, triángulo, etc. Las mismas herramientas básicas del oficio para cualquier dibujante. Se añadieron algunas herramientas adicionales, como unas bonitas plantillas para componentes electrónicos y elementos de imagen descriptiva (como un tubo de osciloscopio -- ver aquí para tener una idea de los mismos). Pero eso es todo lo que teníamos para trabajar, entonces.

He sido un aficionado a la electrónica de algún tipo desde los 10 años, más o menos. Como la mayoría, me costaba entender los circuitos que veía en las revistas Popular Electronics y Radio Electronics. En realidad eran bastante difíciles de entender, al menos tal y como se presentaban, porque estaban hechos para personas que querían conectarlos. No tanto para la gente que quería aprender más y entenderlos mejor. Estos esquemas de cableado se ocupaban de todos los detalles del cableado de alimentación, la mayoría de los cuales (descubrí con el tiempo) no ayudan realmente a entender cómo un circuito funciona. Así que, como aficionado, fui cayendo en la idea de redibujar los esquemas para poder entenderlos mejor. Literalmente, desmontaba el esquema de un circuito hasta dejarlo en sus partes más desnudas (casi) y luego lo reconstruía, después de haber ordenado mejor las piezas (en mi mente).

Me incorporé a Tektronix como desarrollador de software en 1979. Llevaba trabajando en sistemas operativos -como el kernel de Unix v6 en 1978- y en software en general para grandes sistemas informáticos desde 1972, y en MCUs desde 1975. Pero también tenía un interés personal en entender y utilizar los productos que Tektronix fabricaba. Y cuando me incorporé a Tektronix, ya tenía una buena experiencia en el rediseño de esquemas para mi propia comprensión.

He utilizado la palabra unirse a arriba. Me refería a eso. Acceder a es exactamente lo que se sentía al ser un empleado de Tektronix en aquel entonces. Tu jefe fomentaba tus intereses personales, si había alguna forma de que fuera una recompensa mutua. Por ejemplo, te pagaban para que continuaras tu formación en las universidades de la zona. Y ellos mismos ofrecían clases de alta calidad, también. Te proporcionaban participación en los beneficios . Y si tu puesto ya no era necesario, te animaban a ir a varios departamentos y ver si había otro trabajo en otro lugar. Te pagaban el sueldo mientras conocías a gente y buscabas otro puesto. (Me dijeron que casi no había límite para esto, aunque estoy seguro de que alguien intervendría si tardabas demasiado en encontrar trabajo en otro sitio).

Los empleados lo devolvieron después de un tiempo. Si decidía ir a la oficina a trabajar un domingo, por ejemplo, solía encontrarme con muchos otros empleados que también estaban en el edificio y que trabajaban diligentemente en algún proyecto que requería un esfuerzo adicional para cumplir un horario. Rara vez entraba en un edificio en domingo y me parecía vacío . Casi siempre había algo en marcha y un montón de empleados dispuestos a ofrecer su tiempo de fin de semana o de noche a Tektronix cuando era necesario.

Como había sido un aficionado durante algún tiempo antes de entrar en Tektronix, mi jefe también me animó activamente a tomar estas clases cuando estaban disponibles.

Aprender a dibujar esquemas

En mi primera clase, el instructor señaló dos sencillos conceptos de organización. Tan sencillos, de hecho, que inmediatamente fui capaz de reconocer su valor a pesar de que nunca había estado expuesta a ellos antes.

Sólo estos dos:

1. La idea del flujo de electrones de abajo a arriba en la página. O, más correctamente, la idea de flujo de corriente convencional de arriba a abajo.
2. La idea de que el flujo de señales va de la izquierda (entradas) a la derecha (salidas).

Con ellos, uno podía tomar cualquier esquema al azar que viera, destrozarlo por completo y volver a dibujarlo desde cero para que obedeciera estas reglas. El resultado era algo casi mágico. Un esquema que comunicaba rápidamente los conceptos a otros ingenieros electrónicos (¡y también a nosotros, los aficionados!)

El instructor también señaló algo que ya había aprendido por mi cuenta:

• No busques energía por ahí.

Eso es importante para la comprensión. No señal fluye en esos cables. Así que dibujar cables alrededor de un esquema, cables sin ninguna señal en ellos, sólo estorba y te distrae de entender realmente lo que estás viendo. Es mucho mejor deshacerse de esos cables y simplemente anotar el voltaje.

La parte de todo esto que requiere un poco de paciencia (y realmente es algo continuo durante toda la vida, para ser sinceros) es aprender a reconocer secciones que son comunes a muchos esquemas. Cosas como: espejos de corriente, referencias de voltaje, etapas de amplificación analógica, etc. Esto es algo que no te pueden contar sin más. Por el contrario, hay que verlos, aprender sobre ellos, crecer para entender más de ellos, y luego finalmente adquirir de ellos. Y esto sólo requiere tiempo. No hay ninguna bala mágica o píldora que tomar aquí.

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¿Cómo calculaba la gente el seno y el coseno o los logaritmos, o incluso cómo multiplicaba números grandes antes de que existieran las calculadoras? Utilizaban libros con tablas en su interior, junto con la formación para utilizar esas tablas correctamente. O utilizaban reglas de cálculo.

La vida se hace. Las herramientas cambian. Pero la vida sigue haciéndose.

Reglas para volver a dibujar los esquemas

Una de las mejores maneras de intentar comprender un circuito, que al principio parece confuso, es simplemente volver a dibujarlo. Esta sencilla práctica es más importante de lo que puede parecer a primera vista. Pero recomiendo la práctica temprana y Pero recomiendo la práctica temprana y continua de redibujar circuitos. Es una habilidad esencial y requiere una práctica regular para obtener algunos de sus mayores poderes.

A continuación se exponen algunas reglas que puede seguir que te ayudarán a tener una ventaja en el aprendizaje de ese proceso. Pero también también algunas habilidades personales añadidas que se desarrollan gradualmente con el tiempo, también.

Como ya se ha mencionado al principio, Aprendí por primera vez estas reglas en 1980, tomando una clase de Tektronix que fue ofrecido sólo a sus empleados. Esta clase estaba destinada a enseñar a personas que no eran ingenieros electrónicos, sino que estaban que no fueran ingenieros electrónicos, sino que estuvieran lo suficientemente formados para ayudar a redactar los esquemas para sus manuales.

Lo bueno de las siguientes reglas es que no hace falta ser un experto para seguirlas. Y que si las sigues, incluso casi a ciegas, que los esquemas resultantes son realmente más fáciles de entender.

Las reglas son:

• Disponga el esquema de manera que la corriente convencional parezca fluir desde la parte superior hacia la inferior de la hoja del esquema. Me gusta imaginar esto como una especie de cortina (si prefiere un concepto más estático concepto) o cascada (si se prefiere un concepto más dinámico) de cargas que se mueven desde el borde superior hacia el borde inferior. Se trata de un tipo de flujo de energía que no hace ningún trabajo útil por sí mismo, pero proporciona el entorno para que se realice un trabajo útil.
• Disponga el esquema de manera que las señales de interés fluyan desde el lado izquierdo del esquema hacia el lado derecho. De este modo, las entradas entradas estarán generalmente a la izquierda, las salidas estarán generalmente a la derecha.
• No "busque" la energía. En resumen, si un cable de un componente va a tierra o a algún otro raíl de tensión, no utilice un cable para conectarlo a los cables de otros componentes que también van al mismo raíl/tierra. En lugar de eso, simplemente muestre un nombre de nodo como "Vcc" y pare. La distribución de la energía en un esquema está casi garantizado que hará que el esquema sea menos menos comprensible, no más. (Hay veces que los profesionales necesitan comunicar algo único sobre un bus de carril de tensión a otros profesionales profesionales. Así que a veces hay excepciones a esta regla. Pero cuando tratar de entender un esquema confuso, la situación no es esa y ese argumento "por profesionales, a profesionales" sigue falla aquí. Así que no lo hagas). Esto requiere un momento para comprenderlo completamente. Hay una fuerte tendencia a querer mostrar todos los cables que intervienen en la soldadura de un circuito. Resiste esa tendencia. La idea de idea es que los cables necesarios para hacer un circuito puede ser una distracción. Y aunque pueden ser necesarios para que el circuito funcione, NO ayudan a entender el circuito. De hecho, hacen exactamente lo contrario. Así que elimine esos cables y limítese a mostrar las conexiones con los carriles y pare.
• Intenta organizar el esquema en torno a cohesión . Casi siempre es posible "separar" un esquema para que haya nudos de componentes que están estrechamente conectados, cada uno con otro, separados entonces por sólo unos pocos cables que van a otros nudos . Si puede puede encontrarlos, enfatícelos aislando el nudos y centrarse en dibujar cada uno de ellos de alguna manera significativa, primero. Ni siquiera pienses en todo el esquema. Sólo céntrate en conseguir que cada sección cohesionada "se vea bien" por sí misma. A continuación, añada el cableado sobrante o los pocos componentes que separan estas "divisiones naturales" en el esquema. componentes que separan estas "divisiones naturales" en el esquema. Este suele tender a encontrar, casi por arte de magia, funciones distintas que son más fáciles de entender, que luego se "comunican" entre sí a través de conexiones relativamente más fáciles de entender entre ellas.

Ejemplo no del todo improbable

Este es un ejemplo de una etapa de amplificación CE menos legible. Es un poco más un diagrama de cableado que un esquema. A ver si consigues reconocer que se trata de un amplificador CE relativamente estándar de una sola etapa de BJT:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Aquí hay un ejemplo más legible del mismo circuito. Aquí, a pesar de ser un diseño bootstrapped (que se ve un poco menos a menudo), se puede reconocer la topología básica de CE y empezar a recoger las similitudes y diferencias mejor:

simular este circuito

Ten en cuenta que lo he librado de los cables de alimentación y del bus de tierra. En su lugar, simplemente he anotado que ciertos puntos finales están conectados a uno u otro carril de la fuente de alimentación (+) o a la tierra. Para alguien que esté cableando esto, no es tan útil porque podrían perder una conexión que necesitan. Pero para alguien que trata de entender el circuito, esos detalles de conexión sólo se interponen en el camino.

También hay que tener en cuenta que he dispuesto cuidadosamente el nuevo circuito para que la corriente convencional fluya desde la parte superior del esquema hacia la parte inferior del mismo. La idea general es imaginar esto como una especie de "cortina" de flujo de electrones (de abajo hacia arriba) o de cargas positivas de arriba hacia abajo (convencional.) De cualquier manera, es como una fuerza de gravedad que hace que la cortina cuelgue de arriba hacia abajo.

Al atravesar esta cortina de corrientes de arriba a abajo, la señal pasa de izquierda a derecha. Esto también es muy útil para otras personas que tratan de entender un circuito.

Combinados, estos detalles ayudan a orientar un lector.

Además, si imagina que \$C_1\$ y \$C_2\$ están ausentes en el esquema (se dejan abiertos) y que \$R_6\$ está en bypass (en cortocircuito), entonces se trata de una etapa BJT CE muy familiar que se encuentra en casi todas partes. Así que esto proporciona una guía u orientación adicional para entender el circuito. Le permite ahora darse cuenta de que \$C_1\$ actúa como un bypass de CA a través de \$R_4\$ para que la ganancia de CA pueda ajustarse independientemente, por separado del punto de funcionamiento de CC de la etapa de amplificación. Los únicos detalles que quedan por resolver son los siguientes \$C_2\$ y \$R_6\$ están logrando (bootstrapping.)

El esquema original de arriba (el confuso) dificultaría enormemente la capacidad de centrarse en el aspecto del arranque (que puede, o no, estar ya familiarizado.) Pero al menos esto significa que hay mucho menos en lo que centrarse y tratar de entender, si no se está familiarizado. (El primer esquema haría que todo esto fuera casi totalmente inútil desde el principio).

Puede que no sea el mejor ejemplo, pero al menos muestra algo de por qué ayuda a evitar los cables que simplemente transportan energía y por qué es importante organizar el esquema con un flujo específico de corriente convencional de arriba a abajo y para que la señal fluya de izquierda a derecha.

Caso de ejemplo más probable

Un mejor ejemplo incluiría un circuito más complejo (que como el del LM380.) Esto ayudaría a ilustrar el nudos de grupos de circuitos que pueden organizarse en secciones separadas (más estrechamente entrelazadas entre sí, pero que se comunican con otras secciones a través de un conjunto más escaso de cables que comunican señales). Así que terminaré esto incluyendo un esquema del LM380 muy bien dividido para ilustrar este punto:

simular este circuito

Obsérvese que hay secciones individuales, ahora aisladas como grupos identificables, como los espejos de corriente, el amplificador diferencial de cola larga (aquí, realmente, más \$\pi\$ tipo de disposición), y una etapa de salida.

Las anotaciones también ayudan. De hecho, si es posible, es una buena idea incluir anotaciones de diseño en el esquema. Esto ayuda a llamar la atención sobre las ideas clave que relacionan las subsecciones del esquema entre sí.

Intenta imaginar cómo habría sido la lectura si la fuente de alimentación y los carriles de tierra estuvieran todos conectados con cableado adicional y/o sin una disposición particular del flujo de corriente en la página.

Answer 2

En mi primer trabajo, en 1975, en Bristol Aerospace (ahora Magellan) teníamos un buen dibujante cualificado en aviación y en la NASA, pero uno de ellos seguía haciendo dibujos de tamaño D y E para que las microfichas no crearan puntos falsos por el desenfoque óptico, así que tuve que convencerle de que utilizara el tamaño A, B y C como máximo, condensando los espacios de los símbolos y reduciendo el tamaño de la letra. Porque a menudo tenía que trabajar con 20 páginas a la vez.

En mi siguiente trabajo, nuestro dibujante era un ilustrador que podía convertir cualquier dibujo desordenado de alta densidad en una servilleta de papel en una hermosa obra de arte legible en horas, no en días (como el diagrama de bloques de cada chip en una placa base). También acabó en mi cuarto trabajo y era el mejor dibujante que teníamos, como el que se puede ver en Tektronix, HP e Hitachi.

Sí, utilizaron plantillas de símbolos.

A mediados de los años 70, cuando diseñamos un sistema con unos 40 PCAs, no teníamos herramientas de simulación ni talleres de PCB de giro rápido ni herramientas de diseño decentes. Así que lo dibujamos en un Mylar cuadriculado a escala 4x con lápices de colores para el ancho de pista del código G y lo enviamos a Toronto para que lo digitalizaran ópticamente. Los planos de control se enviaron de vuelta en una semana para su aprobación y luego las placas en dos semanas.

Eso fue en 1976. Avancemos 15 años más tarde; hice herramientas fotográficas en una imprenta litográfica a partir de los EE de diseño el mismo día y placas de dos caras listas al día siguiente. Para las placas Getek y FPC de seis capas, obtuve tres presupuestos en una sola hora utilizando una tabla de números sin archivos Gerber y tuve placas prototipo (10) entregadas en 48 horas a una semana dependiendo de la urgencia $xK.

Hice lo mismo para los escudos de latón estañado con líneas de puntos a medio grabar para los escudos de radio de 1 GHz para los prototipos y los hice localmente en dos días usando fototubos de dos caras entregados. Entonces el panel tenía pestañas de ruptura en el borde interior y podía ser ensamblado y soldado a la placa en minutos usando herramientas de soldadura de alta potencia o un soplete de micropropano para las paredes con una tapa plegada extraíble (alrededor de mediados de los 90).

Aquí hay un esquema simplificado del contador de 4,5 GHz y un diagrama de bloques de la revista HP para un instrumento que compramos en 1976 con una resolución de 1 Hz:

Cuando pido especificaciones a los operadores o usuarios, espero que aprendan a tener detalles como este y compartan los relevantes. Pero a menudo son ajenos a la necesidad de contar con buenas especificaciones para hacer un buen diseño.

Avance rápido hasta 1985 con este analizador de espectro TEKTRONIX SA492. Esto puede ser sólo el 1% de todo el esquema y se hizo en un fácil de entender y el manual estaba en una forma jerárquica como se hizo dwg PADS.

Este es uno de los mejores modelos para los esquemas electrónicos a seguir y los diseñadores que eligen REFDES para facilitar la localización de la placa al esquema. El símbolo de tierra es importante aquí debido al diseño de blindaje a diferencia de los símbolos triangulares que a menudo ignoran el ruido. Más tarde publicaré el enlace del manual de 32MB desde mi dropbox. Los diseñadores experimentados en lógica de modo de corriente (ECL) reconocerán la latencia de sub nano segundos y la lógica de tiempo de subida aquí. Los usuarios de LDO deben tener en cuenta los filtros RLC necesarios en la entrada para aplicaciones de RF.

Answer 3

Además de las plantillas, había máquinas de dibujo...

y el sistema de letras Leroy, patentado en 1925.

Answer 4

Un aficionado también podría fabricar una buena placa de circuito impreso con un puñado de paquetes finos de la tienda local. No se necesita una mesa de dibujo ni otros suministros caros.

Podrías comprar cinta que era el ancho (a escala) de las trazas, junto con pegatinas que llevan almohadillas y demás. Esto se coloca en una base de plástico transparente, y, o bien se utiliza directamente como una impresión de contacto para la exposición de fotos de la placa (típico para hacer en casa), o reducido a través de una cámara primero si tenía que trabajar en una escala más grande.

La cinta se corta con un cuchillo exacto.

Answer 5

Plantillas de plástico para letras y símbolos, rotuladores de tinta china, tablero de dibujo con regla. También había reglas flexibles para curvas, o "juegos de curvas", reglas de plástico con cualquier forma de curva imaginable. Todavía las conservo, junto con mi regla de cálculo. Hace décadas que no las uso, claro.

Tanto las plantillas como los bolígrafos tienen diferentes anchos de línea. Después de dibujar cada elemento, había que esperar a que la tinta se secara antes de mover la plantilla, pues de lo contrario la tinta se manchaba y arruinaba el trabajo de un día.