Como os esquemas foram desenhados antes do CAD?

Eu estava olhando o esquema de uma fonte de alimentação HP antiga que comprei. Pode ser encontrado aqui , na página 60-61.

Esse esquema foi desenhado muito antes do CAD ser uma ferramenta usada pelos engenheiros. As coisas ainda estavam desenhadas à mão. Eu queria saber como ocorreu o desenho de grandes esquemas. Hoje, estamos acostumados às nossas sofisticadas ferramentas de EDA que terão muitos recursos interessantes para criar bons esquemas. Como alternativa, às vezes os esquemas da documentação são desenhados em programas de gráficos vetoriais como o Inkscape ou o Illustrator, pois podem fornecer resultados mais claros.

Nos nossos pacotes de CAD, temos uma boa anotação automática; ele cria um BoM agradável, se a configuramos corretamente, e muitas vezes eles até nos permitem extrair listas de redes SPICE para simulação, e um monte de outras informações sobre regras elétricas e de design. Se descobrirmos que mover esse componente aqui torna nosso esquema mais claro, basta arrastar e soltar - não é necessário redesenhar a coisa toda!

Os antigos esquemas que eu vejo sempre têm bons símbolos consistentes - não o que você esperaria de esquemas desenhados à mão. Eles usaram estênceis para ter sempre exatamente o mesmo símbolo de transistor, resistor, capacitor etc.? Ou esses símbolos foram definidos em suas dimensões e apenas desenhados e medidos novamente? Talvez eles tenham pequenos pedaços de papel com cada símbolo desenhado e, em seguida, basta movê-los para fazer o esquema sem ter que começar do zero todas as vezes (estou pensando nos velhos papéis de mesa da IKEA em que você tinha pouco recortes de suas mesas e você pode organizá-los para experimentar layouts em seu escritório)?

Estou ciente de que essa é uma pergunta em aberto, mas estou curioso para saber como eram as coisas antes de termos o OrCAD, Virtuoso, KiCAD e Altium.

Fui treinado na Tektronix para ser desenhista de eletrônica. Eles tiveram aulas para isso. É bastante semelhante ao desenho para construção. Você tinha os lápis, apontadores, borrachas e papéis de sempre, uma mesa inclinada, quadrado em T, triângulo etc. As mesmas ferramentas básicas do comércio para qualquer desenhista. Foram adicionadas algumas ferramentas adicionais, como alguns estênceis legais para componentes eletrônicos e itens de imagem descritivos (como um tubo de osciloscópio - veja aqui para ter uma idéia). Mas é isso.

A diferença é que eles procuraram pessoas que tivessem um entendimento inato da eletrônica e que "entendessem" a idéia de fluxo de elétrons de baixo para cima na página e sinal de fluxo da esquerda para a direita. E quem poderia, então, pegar qualquer esquema aleatório que visse, derrubá-lo completamente no chão e desenhá-lo do zero para obedecer a essas regras e também comunicar conceitos rapidamente a outros engenheiros eletrônicos. Isso também significava ser capaz de reconhecer seções comuns a muitos esquemas (como espelhos de corrente e referências de tensão, estágios de amplificadores analógicos, etc.)

Passei anos crescendo, tentando entender os circuitos que vi nas revistas Popular Electronics e Radio Electronics. Para fazer isso, eu já precisava desmontar todos esses layouts de circuito, porque eles foram impressos para pessoas que queriam conectá-los sem entendê-los. Então eles incluíram todos os detalhes da fiação do barramento de força. Nada disso realmente ajuda muito a entender como um circuito funciona. Então isso me ajudou no papel de desenhar eletrônicos.

Como as pessoas calculavam seno e cosseno ou logaritmos ou até multiplicavam grandes números antes que houvesse calculadoras? Eles usaram livros com mesas dentro, juntamente com o treinamento para usá-las adequadamente. Ou eles usaram regras de slide.

A vida é feita. As ferramentas mudam. Mas a vida ainda é feita.

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Pensei em adicionar um breve resumo de alguns dos princípios orientadores para melhorar a compreensão de um circuito.

Uma das melhores maneiras de tentar entender um circuito que a princípio parece confuso é redesenha-lo. Existem algumas regras que você pode seguir que ajudarão a obter uma vantagem sobre o aprendizado desse processo. Mas há também algumas habilidades pessoais adicionais que gradualmente se desenvolvem ao longo do tempo.

Como mencionado acima, eu aprendi essas regras pela primeira vez em 1980, fazendo uma aula de Tektronix que era oferecida apenas a seus funcionários. Esta aula foi feita para ensinar desenho de eletrônicos a pessoas que não eram engenheiros de eletrônica, mas seria treinada o suficiente para ajudar a esboçar esquemas de seus manuais.

O bom das regras é que você não precisa ser um especialista para segui-las. E que, se você os seguir, mesmo quase cegamente, é mais fácil descobrir os esquemas resultantes.

As regras são:

• Organize o esquema para que a corrente convencional pareça fluir do topo para a parte inferior da folha do esquema. Eu gosto de imaginar isso como uma espécie de cortina (se você preferir um conceito mais estático) ou cascata (se você preferir um conceito mais dinâmico) de cargas que se deslocam da borda superior para a borda inferior. Esse é um tipo de fluxo de energia que não realiza nenhum trabalho útil por si só, mas fornece ao ambiente o trabalho útil a ser realizado.
• Organize o esquema para que os sinais de interesse fluam do lado esquerdo do esquema para o lado direito. As entradas geralmente ficam à esquerda, as saídas geralmente à direita.
• Não "ligue" a energia. Em resumo, se um fio de um componente for aterrado ou algum outro trilho de tensão, não use um fio para conectá-lo a outros fios que também vão ao mesmo trilho / terra. Em vez disso, basta mostrar um nome de nó como "Vcc" e parar. É quase garantido que o consumo de energia em torno de um esquema torna o esquema menos compreensível, e não mais. (Há momentos em que os profissionais precisam comunicar algo exclusivo sobre um barramento de tensão a outros profissionais. Portanto, às vezes há exceções a essa regra. Mas, ao tentar entender um esquema confuso, a situação não é essa. "por profissionais, para profissionais" ainda falha aqui. Portanto, não faça isso.) Este leva um momento para entender completamente. Existe uma forte tendência a querer mostrar todos os fios envolvidos na soldagem de um circuito. Resista a essa tendência. A idéia aqui é que os fios necessários parafazer um circuito pode ser uma distração. E embora possam ser necessários para fazer o circuito funcionar, eles NÃO ajudam a entender o circuito. De fato, eles fazem exatamente o oposto. Portanto, remova esses fios e apenas mostre as conexões com os trilhos e pare.
• Tente organizar o esquema em torno da coesão . É quase sempre possível "separar" um esquema, para que haja um nó de componentes firmemente conectados, um ao outro, separados então apenas por alguns fios que vão para outros nós . Se você puder encontrá-los, enfatize-os isolando os nóse focando em desenhar cada um de uma maneira significativa, primeiro. Nem pense em todo o esquema. Apenas se concentre em fazer com que cada seção coesa pareça certa por si só. Em seguida, adicione a fiação sobressalente ou alguns componentes que separam essas "divisões naturais" no esquema. Isso geralmente tenderá a encontrar quase magicamente funções distintas que são mais fáceis de entender, as quais "se comunicam" entre si por meio de conexões relativamente mais fáceis de entender entre elas.

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Aqui está um exemplo de um estágio de amplificador CE menos legível. É um pouco mais de um diagrama de fiação do que de um esquema. Veja se você consegue reconhecer que este é um amplificador CE BJT único e relativamente padrão, com bootstrap:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Aqui está um exemplo mais legível do mesmo circuito. Aqui, apesar de ser um design de inicialização (que é visto com menos frequência), você pode reconhecer a topologia básica do CE e começar a selecionar melhor as semelhanças e diferenças:

^{simule este circuito}

Observe que eu o eliminei dos fios da fonte de alimentação e do barramento de terra. Em vez disso, observei simplesmente que determinados pontos finais estão anexados a um ou outro trilho ou terra de alimentação elétrica (+). Para alguém que está conectando isso, não é tão útil porque pode perder a conexão necessária. Mas para alguém que tenta entender o circuito, esses detalhes da conexão apenas atrapalham.

Observe também que eu organizei cuidadosamente o novo circuito para que a corrente convencional flua da parte superior do esquema para baixo em direção à parte inferior. A idéia geral é imaginar isso como uma espécie de "cortina" de fluxo de elétrons (de baixo para cima) ou cargas positivas de cima para baixo (convencional.) De qualquer maneira, é como uma força de gravidade que faz com que a cortina fique pendurada de cima para baixo.

Passando por essa cortina de correntes de cima para baixo, o sinal passa da esquerda para a direita. Isso também é muito útil para outras pessoas que tentam entender um circuito.

Combinados, esses detalhes ajudam a orientar o leitor.

$C_1$$C_2$$R_6$$C_1$$R_4$$C_2$$R_6$

O layout original acima (o confuso) dificultaria bastante a capacidade de se concentrar no aspecto da inicialização (o que pode ou não ser familiar). Mas, pelo menos, isso significa que há muito menos para focar e tentar entender , se não estiver familiarizado. (O primeiro esquema tornaria tudo isso quase totalmente impossível desde o início.)

Este pode não ser o melhor exemplo, mas pelo menos mostra algumas das razões pelas quais ajuda a evitar fios que simplesmente conectam a energia e porque é importante organizar o esquema com um fluxo específico de corrente convencional de cima para baixo e para o sinal fluir da esquerda para a direita.

Um exemplo melhor (ainda não fornecido) incluiria um circuito mais complexo (como o do LM380.) Isso ajudaria a ilustrar os nós dos grupos de circuitos que podem ser organizados em seções separadas (mais entrelaçadas entre si, mas comunicando-se a outras seções por meio de um conjunto mais escasso de fios que comunicam sinais.) Então, terminarei isso incluindo um esquema LM380 bem dividido para ilustrar esse ponto:

^{simule este circuito}

$\pi$

Tente imaginar como isso seria ler se a fonte de alimentação e os trilhos de aterramento estivessem todos conectados com fiação adicional e / ou sem nenhum arranjo específico do fluxo de corrente na página.

Em meu primeiro trabalho em 1975 na Bristol Aerospace (hoje Magellan), tínhamos bons desenhistas de aviação e qualificados pela NASA, mas um continuava fazendo desenhos em tamanho D e E, de modo que a microficha não criava pontos falsos por causa do embaçamento óptico, então tive que convencê-lo a use os tamanhos A, B e C no máximo, condensando as lacunas dos símbolos e reduzindo o tamanho da fonte. Porque muitas vezes tive que trabalhar com 20 páginas por vez.

No meu próximo trabalho, nosso desenhista era um ilustrador capaz de converter qualquer desenho bagunçado de alta densidade em um guardanapo de papel em uma bela obra de arte legível em horas, não em dias (como o diagrama de blocos de cada chip na placa-mãe). Ele também terminou no meu quarto emprego e foi o melhor desenhista que tínhamos, exatamente como o que veríamos da Tektronix, HP e Hitachi.

Sim, eles usaram modelos de símbolo.

Em meados da década de 1970, quando projetamos um sistema com cerca de 40 PCAs, não tínhamos ferramentas de simulação, lojas de PCBs rápidas e ferramentas de layout decentes. Então, desenhámo-lo em uma grade Mylar em escala 4x com lápis de cor para a largura da faixa do código G e o enviamos a Toronto para digitalizações ópticas. Os checkplots foram enviados de volta em uma semana para aprovação e depois em duas semanas.

Isso foi em 1976. Avanço rápido 15 anos depois; Fiz ferramentas de fotografia em uma gráfica litográfica dos EEs de design no mesmo dia e quadros frente e verso prontos no dia seguinte. Para placas Getek e FPC de seis camadas, recebi três cotações em uma hora usando apenas uma tabela de números sem arquivos Gerber e recebi as placas protótipo (10) entregues em 48 horas a uma semana, dependendo da urgência $ xK.

Fiz o mesmo com os escudos de latão estanhado de linhas pontilhadas semi-gravadas para os escudos de rádio de 1 GHz para protótipos e os fiz fabricados localmente em dois dias, usando fototools entregues nos dois lados. Em seguida, o painel tinha abas separáveis ​​na borda e podia ser montado e soldado para embarcar em minutos usando ferramentas de solda de alta potência ou maçarico de micropropano para paredes com uma tampa dobrável removível (por volta de meados dos anos 90).

Aqui está um esquema simplificado de contador de 4,5 GHz e diagrama de blocos do diário HP para um instrumento que compramos em 1976 com resolução de 1 Hz:

Quando pergunto aos OPs ou usuários especificações, espero que eles aprendam a ter detalhes como esse e a compartilhar os relevantes. Mas, muitas vezes, ignoram a necessidade de boas especificações para criar um bom design.

Avance rapidamente para 1985 com este analisador de espectro TEKTRONIX SA492. Isso pode ser apenas 1% de todo o esquema e foi feito de uma maneira fácil de entender e o manual de maneira hierárquica, como foram feitos os PADS dwg's.

Este é um dos melhores modelos para os esquemas eletrônicos a seguir e os designers que escolhem o REFDES para facilitar a localização do quadro ao esquema. O símbolo de aterramento é importante aqui, devido ao design da blindagem, diferentemente dos símbolos de triângulo que geralmente ignoram o ruído. Posteriormente, postarei o link manual de 32 MB na minha caixa de depósito. Os designers experientes de lógica de modo atual (ECL) reconhecerão a latência sub nano segundos e a lógica do tempo de subida aqui. Os usuários de LDO devem observar os filtros RLC necessários na entrada para aplicativos de RF.

Além dos modelos, havia máquinas de desenho ...

e o sistema de letras Leroy patenteado em 1925.

Um amador também pode produzir um bom PCB usando um punhado de pacotes finos da loja local. Nenhuma mesa de desenho ou outros suprimentos caros são necessários.

Você poderia comprar fita com a largura (escala) dos traços, além de adesivos que ostentam almofadas e coisas do tipo. Ele é colocado em uma base de plástico transparente e usado diretamente como impressão de contato para a exposição de fotos do quadro (típica para fabricação caseira) ou reduzido pela câmera primeiro se você tiver que trabalhar em uma escala maior.

A fita é cortada com uma faca exacta.

Estênceis plásticos para letras e símbolos, canetas de desenho de tinta da Índia, prancheta com régua. Também havia réguas flexíveis para curvas, ou "conjuntos de curvas", réguas plásticas com qualquer formato de curva imaginável. Ainda os mantenho, juntamente com minha régua de cálculo para cálculos. Não os utilizamos há décadas, é claro.

Os estênceis e canetas tinham diferentes larguras de linha. Depois de desenhar cada item, você terá que esperar a tinta secar antes de mover o estêncil, caso contrário, a tinta borrará e arruinará o trabalho de um dia.

Os outros respondentes se concentram no que foi sem dúvida a melhor prática do setor.

Mas nenhuma discussão sobre diagramas pré-CAD está completa sem referência ao diagrama ruim de Horowitz e Hill (Art of Electronics, Cambridge University Press, 1980), e as orientações que os acompanham.

É reproduzido, com aprovação do autor, em http://opencircuitdesign.com/xcircuit/goodschem/goodschem.html

Não vi nenhuma edição pós-CAD do livro, mas os diagramas ainda são um apêndice na edição atual. https://artofelectronics.net/the-book/table-of-contents/