Adaptoarele și kiturile corecte permit crearea unor plăci de tip breadboard flexibile și eficiente, cu componente moderne

Datorită utilizării pe scară largă a dispozitivelor pasive și active minuscule și a frecvențelor de funcționare a circuitelor în gama de gigahertzi (GHz), crearea și evaluarea unui proiect de circuit înainte de aplicarea pe placa de circuite imprimate și apoi trecerea la un prototip aproape de forma finală reprezintă o provocare din ce în ce mai dificilă și, adesea, frustrantă. Kiturile și tehnicile breadboard care au funcționat pentru circuitele integrate ale dispozitivelor cu derivații și pachetele cu pin dublu în linie (DIP) nu sunt compatibile cu pachetele de circuite integrate de înaltă densitate ale zilelor noastre, cu plăcuțele cu derivații sub pachet și dispozitivele cu tehnologii de montare pe suprafață (SMT) aproape invizibile și nici cu modulele complete de RF sau de procesoare.

Cu toate acestea, există vești bune sub forma unor instrumente de dezvoltare bazate pe testarea de pe bancul de lucru, care permit crearea de plăci de tip breadboard de bază, în timp ce se realizează o dispunere în rețea cu module de subcircuit separate. Cu ajutorul acestor sisteme breadboard, amatorii, creatorii, pasionații de bricolaj (DIY) și profesioniștii din domeniul ingineriei pot construi, testa și integra subsecțiuni ale produsului global într-o unitate completă și funcțională.

Acest articol examinează problemele de bază asociate cu crearea de plăci tip breadboard pentru componentele electronice moderne. Apoi se analizează modul în care adaptoarele și kiturile de tip breadboard de la furnizori precum Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties și Phase Dock, Inc. pot fi folosite ca bază pentru prototipuri care să semene mai mult cu produsul final.

În cele din urmă, se arată modul în care acestea facilitează construcția de plăci de tip breadboard utile și fiabile care pot valida topologiile și interfețele de circuite, care permit conectarea la module independente și plăci de evaluare, după cum este necesar, și conduc la crearea de prototipuri semnificative.

De unde provine termenul de „breadboard” în montajele electronice?

Folosirea termenului „breadboard” pentru un circuit care pare nefinisat și chiar rudimentar poate părea mistificatoare, dar derivația cuvântului este clară și bine documentată. În perioada timpurie a electronicii, cu radiourile cu cristale cu autoalimentare și chiar cu radiourile de bază cu tuburi electronice cu vid, experimentatorii și producătorii DIY (înainte ca acest cuvânt să fie folosit în contextul zilelor noastre) construiau circuitele pe o placă de tip breadboard reală, adică un tocător din lemn folosit pentru tăierea pâinii. Aceștia foloseau pioneze sau cuie ca puncte de conectare și înfășurau firele în jurul lor, câteodată chiar lipind aceste conexiuni (Figura 1).

Figura 1: Termenul „breadboard” provine de la utilizarea unui tocător din lemn ca bază pentru circuitele electronice DIY, cum ar fi acest radio cu trei tuburi. (Sursă imagine: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Bineînțeles, utilizarea acestor plăci din lemn ca platforme pentru circuite care utilizează componente moderne este depășită. În ciuda acestui fapt, termenii „breadboard” și „breadboarding” au devenit termeni standard asociați cu circuitele sau subcircuitele demonstrative construite rudimentar. Cu toate acestea, avansul tehnologiei electronice, de la tuburi electronice cu vid la tranzistori discreți cu derivații și componente pasive, circuite integrate DIP, iar acum la dispozitive de montare pe suprafață aproape invizibile, a avut un impact semnificativ asupra tehnicilor și platformelor de tip breadboarding.

Care este diferența dintre o placă de tip breadboard și un prototip?

Întrebarea evidentă se referă la diferența dintre o placă de tip breadboard și un prototip. Nu există o demarcație formală între cele două, iar termenii sunt uneori utilizați în mod interschimbabil. Cu toate acestea, majoritatea inginerilor folosesc termenul breadboard pentru a desemna o schemă aproximativă a unui circuit sau a unui subcircuit care trebuie să susțină fazele preliminare de proiectare, inclusiv pentru:

• Verificarea viabilității unei idei, funcții sau abordări de proiectare a unui circuit de bază.
• Dezvoltarea și verificarea driverelor software.
• Asigurarea compatibilității interfețelor între subcircuite sau între un circuit și traductor sau sarcină.
• Elaborarea de formate și protocoale pentru legăturile de date.
• Dezvoltarea și verificarea unui model prezumat.
• Evaluarea circuitului și a performanțelor funcționale.

Din lista de mai sus, se observă ușor care sunt numeroasele roluri importante pe care placa de tip breadboard le joacă în proiectarea produselor, chiar dacă aceasta nu este și nu are ambalajul unui sistem complet și multe dintre „dotările” produsului final. De exemplu, o placă de tip breadboard se bazează adesea pe o sursă de alimentare externă, mai degrabă decât pe alimentarea internă a produsului expediat. Datorită dispunerii sale largi și deschise, placa de tip breadboard se pretează de obicei la sondare, ajustare și chiar la înlocuirea componentelor. Cu toate acestea, realitățile fizice ale unei astfel de dispuneri extinse înseamnă că unele dintre capacitățile de performanță nu sunt disponibile, în special cele asociate cu funcționarea la frecvențe mai ridicate, din cauza elementelor parazite și interacțiunilor dintre dispunere și componente.

În schimb, un prototip este mult mai apropiat de produsul final și utilizează aceleași componente, ambalaj, factor de formă și I/O pentru utilizator. Pe lângă faptul că este complet din punct de vedere funcțional, un prototip este adesea utilizat pentru a verifica problemele de fabricație, cum ar fi spațiul liber fizic și problemele de asamblare, traseele termice, interacțiunea cu utilizatorul, precum și aspectul și atractivitatea vizuală.

Începeți cu adaptoare de bază

Breadboarding-ul zilelor noastre necesită abilitatea de a se conecta și de a utiliza circuitele integrate minuscule care domină proiectele moderne. De exemplu, este posibil să lipiți un circuit integrat SOT-23 cu șase derivații pe o placă PC mai mare, dar realizarea și, mai ales, înlocuirea conexiunilor de pe dispozitiv vor fi dificile din cauza dimensiunilor sale mici și a pasului îngust între terminale. Situația este mai dificilă atunci când circuitul integrat are doar tampoane de protecție sub carcasă.

O soluție este utilizarea unui dispozitiv precum adaptorul de soclu LCQT-SOT23-6 de la Aries Electronics. Aceasta transformă un SOT-23 într-o carcasă DIP cu șase derivații (Figura 2). Când dispozitivul SOT-23 arată ca un DIP cu spațiere de 0,1 inch (in.), acesta poate fi utilizat cu una dintre soluțiile de tip breadboarding concepute pentru dispozitive DIP mai mari.

Figura 2: Adaptorul de soclu LCQT-SOT23-6 transformă un pachet SOT-23 cu șase derivații, minuscul și greu de manevrat, într-un dispozitiv DIP mult mai ușor de gestionat, cu spațiere standard între derivațiile DIP. (Sursă imagine: Aries Electronics)

Multe proiecte utilizează o serie de componente SMT cu diferite dimensiuni ale pachetelor și configurații ale pinilor. În aceste situații, mai multe adaptoare de soclu cu un singur circuit integrat pot deveni greu de manevrat și de interconectat. Placa adaptoare 202-0042-01 QFN de la Schmartboard poate reduce la minimum potențiala confuzie (Figura 3). Această placă de 2 × 2 in. acceptă până la cinci circuite integrate diferite cu 16 și 28 de pini cu pas de 0,5 milimetri (mm), cu 20 de pini cu pas de 0,65 mm și cu 12 și 16 pini cu pas de 0,8 mm (pentru dispozitivele QFN).

Figura 3: O placă adaptoare, cum ar fi 202-0042-01-QFN, permite lipirea componentelor integrate și întreruperea conexiunilor pentru mai multe pachete de circuite SMT. (Sursă imagine: Schmartboard)

202-0042-01-QFN utilizează o tehnologie patentată pentru a permite lipirea manuală rapidă, ușoară și fără probleme a acestor componente minuscule pentru montare pe suprafață. În plus, multiplele orificii pătrunse placate asociate cu fiecare pin al circuitului integrat facilitează interconectarea componentelor rezidente, dacă se dorește acest lucru, sau conectarea la alte dispozitive și plăci.

Uneori, provocarea breadboarding nu constă în conectarea la un circuit integrat, ci în accesarea și monitorizarea pinilor unui cablu sau ale unui conector de dispozitiv periferic. De exemplu, atunci când conectorul RS-232 cu 25 de pini era interfața de comunicații dominantă, o „casetă breakout” cu comutatoare de pornire/oprire și terminale de conductori de șuntare pentru majoritatea pinilor era la fel de obișnuită ca un multimetru (Figura 4).

Figura 4: Această casetă breakout RS-232 este esențială pentru monitorizarea și rearanjarea firelor din cablul cu 25 de pini al acestui conector care a fost utilizat pe scară largă și standard. (Sursă imagine: Wikipedia)

Deși aceste casete RS-232 sunt rareori necesare acum, există o nevoie analogă pentru funcționalitatea breakout în cazul dispozitivelor periferice, cum ar fi cardurile Micro SD. Un adaptor util pentru această funcție este placa breakout cu card Micro SD 254 de la Adafruit Industries, care le permite proiectanților să se conecteze la, să testeze și să verifice atât conexiunile interfeței hardware, cât și software-ul driverului pentru aceste carduri de memorie utilizate pe scară largă (Figura 5).

Figura 5: Utilizând placa breakout cu card Micro SD 254 de la Adafruit, proiectanții pot asigura cu ușurință interfața, pot accesa și monitoriza semnalele dintre un procesor de sistem și acest dispozitiv periferic de memorie. (Sursă imagine: Adafruit)

Placa include un regulator cu cădere foarte redusă de tensiune pentru a realiza conversia tensiunilor între 3,3 volți și 6 volți la 3,3 volți pentru cardul Micro SD și un convertizor de nivel pentru a realiza conversia logicii de interfață (între 3,3 volți și 5 volți) la 3,3 volți, astfel încât placa să se poată conecta cu microcontrolere de 3,3 sau 5 volți. Regleta separată poate fi lipită în adaptor pentru a aduce conexiunile la pinii între care există un pas de 0,1 inch.

Dincolo de adaptoare

Adaptoarele pot rezolva problemele legate de conectarea la componentele individuale, dar acestea sunt doar elementele de bază ale proiectului final. Componentele care acum au devenit accesibile trebuie să se conecteze la alte componente active și pasive, să accepte interfețe de intrare/ieșire (I/O), să permită înlocuirea componentelor și să ofere puncte de testare formale și chiar sondare neanticipată.

Una dintre primele plăci de tip breadboard pentru găzduirea ușoară și directă a dispozitivelor în pachete cu pin dublu în linie (DIP), precum și componente discrete cu derivații a fost placa de tip breadboard fără lipire, dezvoltată în anii 1960 și încă utilizată pe scară largă. Este convenabilă, accesibilă, ușor de utilizat și acceptă o densitate rezonabilă a componentelor.

Un exemplu este ansamblul PB-104M cu alimentare externă pentru placa de tip breadboard fără lipire de la Global Specialties, care este foarte potrivită pentru prototiparea circuitelor de joasă frecvență (Figura 6). Este montată într-un cadru de 21 × 24 centimetri (cm) (9.45 in. × 8.27 in.) și include 3220 de puncte de legătură, patru borne de conectare pentru conectarea surselor de alimentare și acceptă 28 de circuite integrate cu 16 pini; firele de șuntare sunt realizate din sârmă cu diametrul de 0,4 mm până la 0,7 mm, dezizolată la capăt. Cheia versatilității acestei plăci tip breadboard este faptul că orificiile sunt distanțate la 0,1 in. pentru a acomoda componentele DIP standard, precum și pinii adaptoarelor și regletelor, în plus față de conectorii de sârmă.

Figura 6: Ansamblul plăcii de tip breadboard PB-104M fără lipire de la Global Specialties găzduiește mai multe circuite integrate DIP, adaptoare de amprentă DIP, componente discrete cu conectori de sârmă și fire de șuntare individuale. (Sursă imagine: Global Specialties)

În timpul utilizării, placa de tip breadboard fără lipire este o platformă conectabilă unde circuitele integrate DIP și alte componente sunt conectate cu ajutorul unor bucăți scurte de sârmă plină introduse în orificii, care se conectează și la derivațiile componentelor. Cele două șine exterioare de-a lungul fiecărei laturi sunt, de obicei, rezervate pentru alimentare și masă și alimentează componentele active prin intermediul unor fire de alimentare scurte (Figura 7).

Figura 7: Pe o placă de tip breadboard fără lipire, cele două șine exterioare de-a lungul fiecărei laturi sunt, de obicei, rezervate pentru alimentare și masă. Cablurile scurte de alimentare conectează șinele la componentele active. (Sursă imagine: Analog Devices)

Este important să mențineți o anumită disciplină atunci când utilizați o placă de tip breadboard fără lipire. De exemplu, este o idee bună să folosiți un cod de culori pentru a identifica firele, cum ar fi roșu pentru o șină pozitivă, negru pentru o șină negativă și verde pentru masă. De asemenea, utilizatorii trebuie să aibă grijă să așeze firele de șuntare orizontal pe placă pentru a obține un grad mai mare de ordine și să direcționeze firele de șuntare de interconectare în jurul circuitelor integrate, mai degrabă decât peste acestea, astfel încât circuitele integrate să poată fi sondate și chiar înlocuite cu întreruperi minime. În caz contrar, placa de tip breadboard fără lipire – ca multe alte implementări „temporare” – poate deveni extrem de „dezordonată” și poate fi foarte dificil de depanat sau de urmărit (Figura 8).

Figura 8: Este nevoie de atenție și disciplină la montarea firelor de șuntare pentru orice, cu excepția celui mai mic proiect pe o placă de tip breadboard fără lipire; în caz contrar, rezultatul este un labirint de fire indescifrabile. (Sursă imagine: Wikipedia)

Un amestec de plăci de tip breadboard pentru proiectele zilelor noastre

Plăcile de tip breadboard fără lipire se utilizează încă pe scară largă datorită confortului, flexibilității și versatilității pe care le oferă, dar prezintă limitări severe în cazul proiectelor moderne care funcționează la frecvențe și viteze de ceas ridicate, combinând adesea plăci de calculator preasamblate, circuite și module RF și module de alimentare. Pentru a se adapta la acestea, este nevoie de un sistem care să permită integrarea mai multor plăci, platforme de prototipuri și subansamble într-o unitate mai mare, care să poată susține apoi funcționalitatea sistemului complet.

O astfel de placă este sistemul de prototipare pentru montare Phase Dock 10104 (Figura 9). Un sistem de bază constă dintr-o matrice de bază de 10 × 7 in. cu o suprafață de lucru de 54 de inchi pătrați, cinci „Click-uri” de două dimensiuni folosite pentru montarea componentelor electronice, precum și „Glisoare” folosite pentru montarea Arduino, Raspberry Pi sau a modulelor similare; include, de asemenea, elemente hardware mici, cum ar fi șuruburi care permit inginerului să asambleze combinațiile Click/Glisare, să monteze componente electronice pe Glisoare, să monteze componente electronice direct pe Click-uri (fără Glisoare), să adauge componente electronice de profil mai înalt tip „turn” și să gestioneze firele și cablurile. De asemenea, există un capac opțional din plastic transparent care oferă protecție, îmbunătățește aspectul și facilitează transportul.

Figura 9: Sistemul de prototipare pentru montare Phase Dock 10104 de bază include o matrice de bază (sus); Click-uri pentru montarea componentelor electronice (rândul din mijloc); Glisoare pentru utilizarea Arduino și a platformelor similare (rândul de jos); și toate elementele importante pentru montare (rândul de jos – stânga). (Sursă imagine: Phase Dock, Inc.)

Acest sistem de dezvoltare de produse permite combinarea, pe o singură platformă, a diferitelor tehnologii ale păcii de tip breadboard și ale modulelor, cum ar fi plăcile de tip breadboard fără lipire, plăcile speciale cu terminale și conectori cu șuruburi, platformele de procesoare, cum ar fi RedBoards de la SparkFun, și chiar suporturi pentru comutatoare și potențiometre discrete (Figura 10). Toate acestea sunt montate ferm pe baza Phase Dock și apoi conectate după cum este necesar pentru a testa conceptul sistemului și pentru a-l depana cu accesul necesar la semnalele-cheie și la punctele de testare.

Figura 10: Sistemul Phase Dock acceptă montarea și interconectarea de tip „combinare liberă” a elementelor sistemului, inclusiv a plăcilor de tip breadboard fără lipire (în alb), a plăcilor PC speciale (verde) și a platformelor de procesare, cum ar fi Redboards de la SparkFun (roșu) pentru acest sistem de controler automat. (Sursă imagine: Phase Dock, Inc.)

Plăcile de evaluare ale furnizorului angajează plăcile de tip breadboard

Circuitele integrate de înaltă performanță – în special cele utilizate pentru semnale de nivel scăzut, amplificare de precizie sau procesare a semnalelor de radiofrecvență – sunt aproape inevitabil oferite acum cu plăci sau kituri de evaluare. Acest lucru este necesar deoarece configurarea unor astfel de componente avansate pentru a le verifica performanța în aplicația țintă și integrarea lor în restul sistemului necesită utilizarea unor componente de suport adecvate (în principal pasive), precum și o dispunere și conexiuni realizate cu atenție. Problema cu care se confruntă proiectanții este legată de modul cel mai adecvat de a utiliza aceste plăci de evaluare, deoarece utilitatea lor în ceea ce privește proiectarea finală a sistemului variază de la una foarte utilă la un obstacol.

Luați în considerare o placă de evaluare concepută pentru a exercita pe deplin funcțiile unei componente. Ca atare, aceasta include componente de suport suplimentare, cum ar fi memoria, regulatoare c.c.-c.c. locale și, poate, chiar un microcontroler. În timp ce aceste componente pot fi necesare pentru o evaluare independentă, ele pot, de asemenea, să interfereze cu utilizarea efectivă a circuitului integrat în cauză în proiectarea produsului inginerului.

La capătul opus, multe dintre aceste plăci de evaluare au componente cum ar fi conectorul specializat necesar. Utilizarea plăcii de evaluare scutește proiectantul de refacerea acelui circuit (de „reinventarea roții”); un proiect al unei plăci de evaluare bine realizat și documentat în mod corespunzător este, de obicei, la fel de bun sau mai bun decât un circuit creat de altcineva la furnizor care poate fi foarte familiarizat cu circuitul integrat.

Prin urmare, provocarea proiectantului este de a recunoaște și de a valorifica avantajele plăcii de evaluare furnizate de furnizor în aranjamentul de tip breadboarding. Luați în considerare un circuit integrat „mic”, cum ar fi ADL6012 de la Analog Devices, un detector de tip „envelope” în bandă largă de la 2 GHz la 67 GHz, cu o lățime de bandă de 500 megahertzi (MHz). Interconectarea de bază a acestui LFCSP cu 10 derivații pare destul de simplă pe diagrama schematică, dar utilizarea efectivă este mai dificilă, deoarece necesită o dispunere atentă, ocolire și conectori RF de înaltă calitate (Figura 11).

Figura 11: Conectarea și utilizarea detectorului de tip „envelope” în bandă largă ADL6012 de la Analog Devices par destul de simple „pe hârtie”, dar există multe subtilități de proiectare și de dispunere. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru proiectanții care doresc să încorporeze acest circuit integrat RF în proiectul lor, este logic să îi înțeleagă mai întâi caracteristicile, să îi testeze interfețele și să „regleze fin” potrivirea acestuia în proiectul general, utilizând placa de evaluare ADL6012-EVALZ în etapa de breadboard, înainte de a crea o schemă finală și de a elabora dispunerea și pachetul (Figura 12).

Figura 12: Placa de evaluare ADL6012-EVALZ scutește proiectantul de numeroasele subtilități ale proiectării în acest circuit integrat simplu, dar sofisticat; încorporarea acesteia într-o placă de testare reduce la minimum timpul de dezvoltare a produsului și frustrările. (Sursă imagine: Analog Devices)

Provocarea breadboard este de a permite fizic utilizarea plăcii de evaluare, de a adăuga surse de alimentare și de a furniza amplificatorul de intrare RF și sarcina de ieșire diferențială specificată, împreună cu orice procesor și interfețe pentru faza de pre-prototip care duce la configurarea produsului prototip. Acest lucru va necesita o combinație de tehnici, platforme și abordări de tip breadboarding.

Concluzie

Adaptoarele și plăcile breakout permit proiectanților să integreze, să interconecteze, să exerseze și să evalueze componentele minuscule, adesea fără derivații, care sunt standard în aproape toate produsele moderne. Iterațiile mai noi depășesc placă de tip breadboard fără lipire, încă utilizată pe scară largă, și permit combinarea liberă a componentelor, modulelor și a altor ansambluri. Acestea sporesc robustețea fizică, reduc la minimum montajul și cablajul inestetice, predispuse la erori și care nu prezintă siguranță. Utilizarea acestor adaptoare și plăci de conexiuni accelerează faza de testare și de depanare și conduce la obținerea de prototipuri viabile într-un timp mai scurt.