¿Cómo se dibujaban los esquemas antes de CAD?

Contexto histórico

Fui entrenado en Tektronix para ser un dibujante de electrónica.

Tektronix brindó clases para cualquier persona interesada. Es bastante similar al dibujo para la construcción. Tenías los lápices, sacapuntas, borradores y papel especializados habituales, una mesa inclinada, una escuadra en T, un triángulo, etc. Las mismas herramientas básicas del oficio para cualquier dibujante. Se agregaron algunas herramientas adicionales, como algunas plantillas agradables para componentes electrónicos y elementos de imágenes descriptivas (como un tubo de osciloscopio; vea aquí una idea de eso). Pero eso es todo con lo que teníamos que trabajar, entonces.

Había sido un aficionado a la electrónica de algún tipo desde los 10 años, más o menos. Como la mayoría, luché por comprender los circuitos que vi en las revistas Popular Electronics y Radio Electronics. En realidad, eran bastante difíciles de entender, al menos tal como se presentaban, porque estaban hechos para personas que querían conectarlos. No tanto para las personas que querían aprender más y entenderlos mejor. Estos esquemas de cableado abarcarían todos los detalles del cableado de alimentación, la mayoría de los cuales (descubrí con el tiempo) realmente no ayudan a comprender cómo funciona un circuito. Entonces, como aficionado, gradualmente caí en la idea de volver a dibujar los esquemas para poder entenderlos mejor. Literalmente derribaría el diseño de un circuito en sus partes desnudas (casi) y luego las reconstruiría de nuevo, después de que

Me uní a Tektronix como desarrollador de software en 1979. Había estado trabajando en sistemas operativos, como el kernel Unix v6 en 1978, y software en general para grandes sistemas informáticos desde 1972 y MCU desde 1975. Pero también tenía una interés personal en entender y usar los productos que fabrica Tektronix también. Y cuando me uní a Tektronix, ya tenía buenas experiencias redibujando esquemas para mi propia comprensión.

Usé la palabra unir , arriba. A eso me refería. Unirse es exactamente lo que se sentía ser un empleado de Tektronix en ese entonces. Su jefe alentó sus intereses personales, si había alguna forma de recompensas mutuas. Te pagarían para continuar tu educación en universidades de la zona, por ejemplo. Y ellos mismos también ofrecieron clases de alta calidad. Se le proporciona una participación en las ganancias . Y si su puesto ya no fuera necesario, lo alentarían a visitar varios departamentos y ver si había otro trabajo en otro lugar. Te pagarían tu salario mientras conocieras gente y buscaras algún 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 lugar).

Los empleados lo devolvieron de alguna manera. Si decidiera ir a la oficina y trabajar un domingo, por ejemplo, a menudo encontraría muchos otros empleados también en el edificio y trabajando diligentemente en algún proyecto que necesita un esfuerzo adicional para cumplir con un cronograma. Rara vez entré a un edificio el domingo y lo sentí vacío . Casi siempre pasaba algo y muchos empleados estaban dispuestos a brindar su tiempo de fin de semana o de noche a Tektronix cuando era necesario.

Dado que había sido un aficionado durante algún tiempo antes de unirme a Tektronix, por supuesto, mi jefe también me alentó activamente a tomar estas clases cuando estuvieran disponibles.

Aprendiendo a dibujar esquemas

En mi primera clase, el instructor señaló dos conceptos simples de organización. Tan simple, de hecho, que inmediatamente pude reconocer su valor a pesar de que nunca había estado expuesto a ellos de antemano.

Solo estos dos:

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

Con estos, uno podría tomar cualquier esquema aleatorio que viera, rasgarlo completamente y volver a dibujarlo desde cero para que obedeciera estas reglas. El resultado fue algo casi mágico. Un esquema que comunicó conceptos rápidamente a otros ingenieros electrónicos (¡y también a nosotros, los aficionados!)

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

• No distribuyas la energía en bus.

Eso es importante para entender. No fluye ninguna señal en esos cables. Entonces, dibujar cables alrededor de un esquema, cables sin ninguna señal en ellos, solo se interpone en el camino y lo distrae de comprender realmente lo que está mirando. Es mucho mejor deshacerse de esos cables y simplemente anotar el voltaje.

La parte de todo esto que requiere un poco de paciencia (y, para ser honesto, es algo continuo durante toda la vida de uno) es aprender a reconocer las secciones que son comunes a muchos esquemas. Cosas tales como: espejos de corriente, referencias de voltaje, etapas de amplificación analógica, etc. Esto es algo de lo que no se puede hablar. En cambio, debemos verlos, aprender sobre ellos, crecer para entender más de ellos y finalmente adquirirlos . Y esto solo lleva tiempo. No hay una varita mágica o una píldora para tomar aquí.

¿Cómo calculaba la gente el seno y el coseno o los logaritmos o incluso cómo multiplicaba números grandes antes de que existieran las calculadoras? Usaron libros con mesas adentro, junto con el entrenamiento para usar esas mesas apropiadamente. O usaron reglas de cálculo.

La vida se hace. Las herramientas cambian. Pero la vida todavía se hace.

Reglas para volver a dibujar esquemas

Una de las mejores maneras de tratar de comprender un circuito, que al principio parece confuso, es simplemente volver a dibujarlo. Esta simple práctica es más importante de lo que puede parecer al principio. Pero recomiendo una práctica temprana y continua en el rediseño de circuitos. Es una habilidad esencial y se necesita práctica regular para producir algunos de sus mayores poderes.

A continuación hay algunas reglas que puede seguir que le ayudarán a aprender ese proceso. Pero también hay algunas habilidades personales adicionales que también se desarrollan gradualmente con el tiempo.

Como se mencionó anteriormente, aprendí estas reglas por primera vez en 1980, tomando una clase de Tektronix que se ofrecía solo a sus empleados. Esta clase estaba destinada a enseñar dibujo electrónico a personas que no eran ingenieros electrónicos, pero que estarían suficientemente capacitados para ayudar a redactar esquemas para sus manuales.

Lo bueno de las siguientes reglas es que no tienes que ser un experto para seguirlas. Y que si los sigues, aunque sea casi a ciegas, los esquemas resultantes son realmente más fáciles de descifrar.

Las reglas son:

• Organice el esquema de modo que la corriente convencional parezca fluir desde la parte superior hacia la parte inferior de la hoja esquemática. Me gusta imaginar esto como una especie de cortina (si prefiere un concepto más estático) o cascada (si prefiere un concepto más dinámico) de cargas que se mueven desde el borde superior hasta el borde inferior. Este es un tipo de flujo de energía que no hace ningún trabajo útil por sí mismo, sino que proporciona el entorno para que se realice el trabajo útil.
• Organice el esquema de modo que las señales de interés fluyan desde el lado izquierdo del esquema hacia el lado derecho. Las entradas generalmente estarán a la izquierda, las salidas generalmente estarán a la derecha.
• No "autobuse" el poder alrededor. En resumen, si un cable de un componente va a tierra o a algún otro riel de voltaje, no use un cable para conectarlo a otros cables de componentes que también van al mismo riel/tierra. En su lugar, simplemente muestre un nombre de nodo como "Vcc" y deténgase. Casi se garantiza que distribuir energía en un esquema hará que el esquema sea menos comprensible, no más. (Hay momentos en que los profesionales necesitan comunicar algo único sobre un autobús ferroviario de voltaje a otros profesionales. Por lo tanto, a veces hay excepciones a esta regla. Pero cuando se trata de comprender un esquema confuso, la situación no es esa y tal argumento "por profesionales, para profesionales" todavía falla aquí. Así que simplemente no lo hagas.) Esto toma un momento para entenderlo completamente. Existe una fuerte tendencia a querer mostrar todos los cables que intervienen en la soldadura de un circuito. Resiste esa tendencia. La idea aquí es que los cables necesarios parahacer un circuito puede ser una distracción. Y si bien pueden ser necesarios para que el circuito funcione, NO lo ayudan a comprender el circuito. De hecho, hacen exactamente lo contrario. Así que elimine dichos cables y simplemente muestre las conexiones a los rieles y deténgase.
• Trate de organizar el esquema en torno a la cohesión . Casi siempre es posible "separar" un esquema para que haya nudos de componentes que estén estrechamente conectados entre sí, separados luego por solo unos pocos cables que van a otros nudos . Si puede encontrarlos, enfatícelos aislando los nudos .y enfocándose en dibujar cada uno de alguna manera significativa, primero. Ni siquiera pienses en todo el esquema. Solo concéntrese en hacer que cada sección cohesiva "se vea bien" por sí misma. Luego agregue el cableado de repuesto o algunos componentes que separan estas "divisiones naturales" en el esquema. Esto a menudo tenderá a encontrar casi mágicamente 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

Aquí hay un ejemplo de una etapa amplificadora CE menos legible. Es un poco más un diagrama de cableado que un esquema. Vea si puede reconocer que se trata de un amplificador CE de una sola etapa BJT con arranque relativamente estándar:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Aquí hay un ejemplo más legible del mismo circuito. Aquí, a pesar de ser un diseño de arranque (que se ve con un poco menos de frecuencia), puede reconocer la topología básica de CE y comenzar a identificar mejor las similitudes y diferencias:

^{simular este circuito}

Tenga en cuenta que me he deshecho de la fuente de alimentación y los cables del bus de tierra. En cambio, simplemente noté que ciertos puntos finales están conectados a uno u otro del riel (+) o tierra de la fuente de alimentación. Para alguien que conecta esto, no es tan útil porque podría perder una conexión que necesita. Pero para alguien que intenta entender el circuito, esos detalles de conexión simplemente se interponen en el camino.

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

Fluyendo a través de esta cortina de corrientes de arriba hacia abajo, la señal pasa de izquierda a derecha. Esto también es muy útil para otros que intentan entender un circuito.

Combinados, estos detalles ayudan a orientar al lector.

Además, si te imaginas que$C_1$y$C_2$están ausentes del esquema (a la izquierda abierta) y que$R_6$se omite (en cortocircuito), entonces esta es una etapa BJT CE única muy familiar que se encuentra en casi todas partes. Esto proporciona una guía u orientación adicional para comprender el circuito. Te permite ahora darte cuenta de que$C_1$actúa como un bypass de CA a través$R_4$para que la ganancia de CA se pueda configurar de forma independiente, por separado del punto de funcionamiento de CC de la etapa del amplificador. Los únicos detalles restantes son averiguar qué$C_2$y$R_6$están logrando (arranque).

El diseño original anterior (el confuso) dificultaría en gran medida la capacidad de concentrarse en el aspecto de arranque (que puede o no ser ya familiar). Pero al menos esto significa que hay mucho menos en lo que concentrarse y tratar de comprender. , si no está familiarizado. (El primer esquema haría que todo esto fuera casi completamente inútil desde el principio).

Puede que este no sea el mejor ejemplo, pero al menos muestra algo de por qué ayuda 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 fluya la señal. de izquierda a derecha.

Caso de ejemplo más probable

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

^{simular este circuito}

Tenga en cuenta que hay secciones individuales, ahora aisladas como grupos identificables, como espejos de corriente, amplificador diferencial de cola larga (aquí, en realidad, más de un$\pi$arreglo tipo) y una etapa de salida.

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

Trate de imaginar cómo habría sido leer esto si la fuente de alimentación y los rieles de tierra hubieran estado conectados con cableado adicional y/o sin una disposición particular del flujo de corriente en la página.

En mi primer trabajo en 1975 en Bristol Aerospace (ahora Magellan) teníamos buenos dibujantes calificados en aviación y NASA, pero uno seguía haciendo dibujos de tamaño D y E para que las microfichas no crearan puntos falsos debido a la borrosidad óptica, así que tuve que convencerlo de que use el tamaño máximo A, B y C condensando los espacios entre símbolos y reduciendo el tamaño de la fuente. 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 días (como el diagrama de bloques de cada chip en una placa base). Acabó en mi cuarto trabajo también y fue el mejor dibujante que teníamos, tal como se vería en Tektronix, HP e Hitachi.

Sí, usaron plantillas de símbolos.

A mediados de la década de 1970, cuando diseñamos un sistema con alrededor de 40 PCA, no teníamos herramientas de simulación, talleres de PCB rápidos ni herramientas de diseño decentes. Así que lo dibujamos en una cuadrícula de escala 4x Mylar con lápices de colores para el ancho de vía del código G y lo enviamos a Toronto para digitalizaciones ópticas. Los checkplots se devolvieron en una semana para su aprobación y luego los tableros en dos semanas.

Eso fue en 1976. Avance rápido 15 años después; Hice herramientas fotográficas en una imprenta litográfica a partir de los EE de diseño el mismo día y las tablas de dos caras estaban listas al día siguiente. Para tableros Getek y FPC de seis capas, obtuve tres cotizaciones en una hora solo usando una tabla de números sin archivos Gerber y tuve tableros prototipo (10) entregados en 48 horas a una semana dependiendo de la urgencia $xK.

Hice lo mismo para los protectores de latón estañado con líneas de puntos y medio grabado para los protectores de radio de 1 GHz para prototipos y los hice localmente en dos días utilizando las herramientas fotográficas de dos caras entregadas. Luego, el panel tenía lengüetas separables en el borde interior y se podía ensamblar y soldar a la placa en minutos usando herramientas de soldadura de alta potencia o un soplete de micropropano para paredes con una tapa doblada removible (alrededor de mediados de la década de 1990).

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

Cuando pido especificaciones a los OP o a los usuarios, espero que aprendan a tener detalles como este y compartan los relevantes. Pero a menudo no se dan cuenta de la necesidad de buenas especificaciones para hacer un buen diseño.

Avance rápido hasta 1985 con este analizador de espectro TEKTRONIX SA492. Esto puede ser solo el 1% de todo el esquema y se hizo de una manera fácil de entender y el manual se hizo de manera jerárquica como se hicieron los PADS dwg.

Este es uno de los mejores modelos a seguir para los esquemas electrónicos y los diseñadores que eligen REFDES para facilitar la ubicación de la placa al esquema. El símbolo de conexión a 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 32 MB desde mi Dropbox. Los diseñadores experimentados de Lógica de modo actual (ECL) reconocerán aquí la latencia de sub nanosegundos y la lógica del tiempo de subida. Los usuarios de LDO deben tener en cuenta los filtros RLC necesarios en la entrada para aplicaciones de RF.

Además de las plantillas había máquinas de dibujo...

y el sistema de letras Leroy patentado en 1925.

Un aficionado también podría producir un buen PCB utilizando un puñado de paquetes delgados de la tienda local. No se necesita una mesa de dibujo u otros suministros costosos.

Podrías comprar cinta que tenía el ancho (escala) de las huellas, junto con pegatinas que tienen almohadillas y cosas por el estilo. Esto se coloca sobre una base de plástico transparente y se usa directamente como una impresión de contacto para la exposición de la foto del tablero (típico de las caseras), o se reduce primero a través de una cámara si tuviera que trabajar en una escala mayor.

La cinta se corta con cuchillo exacto.

Plantillas de plástico para letras y símbolos, bolígrafos de tinta china, tablero de dibujo con regla. También había reglas flexibles para curvas, o "conjuntos de curvas", reglas de plástico con cualquier forma de curva imaginable. Todavía los conservo, junto con mi regla de cálculo para los cálculos. No los he usado en décadas, por supuesto.

Tanto las plantillas como los bolígrafos venían en diferentes anchos de línea. Después de dibujar cada elemento, tendría que esperar a que la tinta se seque antes de mover la plantilla, de lo contrario, la tinta se mancharía y arruinaría el trabajo de un día.

Los otros encuestados se enfocan en lo que sin duda fue la mejor práctica de la industria.

Pero ninguna discusión sobre los diagramas anteriores a CAD está completa sin una referencia al Bad Diagram de Horowitz y Hill (Art of Electronics, Cambridge University Press, 1980) y la guía que lo acompaña.

Se reproduce, con la aprobación del autor, en http://opencircuitdesign.com/xcircuit/goodschem/goodschem.html

No he visto ninguna edición posterior a CAD del libro, pero los diagramas siguen siendo un apéndice en la edición actual. https://artofelectronics.net/the-book/table-of-contents/

Excelente pregunta.

Herramientas principales: lápiz, papel, regla.

Papel transparente, para "copias azules" y multiplicaciones.

Lápiz para primeros dibujos, "bocetos".

Papel de dibujo preimpreso con cuadrícula milimétrica o de 5 mm. Hoy en día todavía hay papel musical con patrones de 5 líneas. Papel logarítmico para gráficos.

Tinta para dibujos más permanentes. Cuchilla para borrar tinta en transparencias.

Fui capacitado en la universidad en clases de dibujo sobre cómo manejar correctamente lápices de diferente dureza (H, B, etc.). Sobre cómo dibujar bonitas flechas. Ninguna línea puede dibujarse a mano, pero siempre debe dibujarse con una regla u otra guía. Hay incluso guías para líneas curvas, por ejemplo, estrías flexibles sujetas por pesos de plomo, por ejemplo, para curvas de cascos de barcos.

Rotulación con sjablones/plantillas. La primera etapa de CAD que vi en los años 80 fue una máquina Rotring que podía dibujar automáticamente letras en un tablero de dibujo manual.

En la empresa de ingeniería mis dibujos a lápiz fueron entintados por personal especializado (holandés: tekenaars).

Los dibujos entonces eran tan complejos como los esquemas CAD de hoy, a menudo abarcando docenas / cientos de hojas grandes, hasta A0 (alrededor de 1 metro cuadrado).

Los transparentes se almacenaban en cómodas con cajones grandes que tenían una función de seguridad de que solo se podía sacar un cajón a la vez, para evitar que se volcara toda la cómoda.

Las impresiones grandes debían doblarse de una manera especial para que pudieran almacenarse en carpetas de 2 anillas de tamaño A4, pero de modo que los agujeros solo se perforaran en los márgenes laterales y no "por todas partes".

Tenga en cuenta que antes de 1980 no había CAD. Todos los diseños fueron dibujados manualmente. Y muchos diseños eran enormes. Piense en la Torre Eiffel, el Boeing 747, el Empire State Building.

La historia cuenta que toda la documentación en papel del diseño de un avión pesa tanto como el propio avión.

Ahora con CAD, supongo que ya no hay clases de dibujo en la universidad. Eso puede explicar mi observación de que hoy en día el flujo de información en un dibujo ya no es consistente con el de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha.