Tento článek se bude věnovat nepájivými poli neboli „breadboards“, mezi které můžeme zařadit i adaptéry a kity od Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties a Phase Dock, Inc. Tyto desky lze použít jako základ pro prototypy, které svými vlastnostmi se více podobají konečnému produktu.

Kde se vzalo nepájivé pole neboli breadbord?

Odvození výrazu „breadbord“ je jasně zdokumentované. V počátcích elektroniky se stavěli obvody na skutečném dřevěném prkénku používaném k řezání chleba (breadbord). Jako spojovací body se použili cvočky nebo hřebíky a omotali se kolem nich dráty, někdy se tato spojení dokonce pájeli (obrázek 1).

Obrázek 1: Termín „prkénko“ (breadbord) pochází z použití dřevěného prkénka jako základny pro elektronické obvody pro kutily, jako je toto rádio. (Zdroj obrázku: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Termíny „breadboard“ a „breadboarding“ se staly standardními pojmy. Pokrok elektronické technologie od elektronek k diskrétním tranzistorům a pasivním součástkám, integrovaným obvodům a nyní k téměř neviditelným smd součástkám má však značný dopad na techniky a platformy typu breadboarding.

Jaký je rozdíl mezi „breadbordem“ a prototypem

Mezi těmito dvěma neexistuje formální ohraničení a termíny se někdy používají zaměnitelně. Většina inženýrů však používá termín breadboard k označení hrubého rozvržení obvodu, který musí nabídnout následující funkce:

• Ověření životaschopnosti myšlenky, funkce nebo koncepce základního obvodu.
• Vývoj a ověřování softwarových ovladačů.
• Zajištění kompatibility rozhraní mezi subobvody nebo mezi obvodem a převodníkem nebo zátěží.
• Zpracování protokolů a formátů datových linek.
• Vývoj a ověřování předpokládaného modelu.
• Vyhodnocení obvodu a funkčního výkonu.

Breadbord se často spoléhá na externí napájení než na vnitřní napájecí obvod. Díky svému širokému a otevřenému uspořádání je breadborad obvykle přístupný pro snímání, seřizování a dokonce i výměnu komponent. Fyzické rozložení na bradbordu však neumožňuje použít některé výkonnostní funkce, které jsou spojeny s provozem s vyšší frekvencí, kvůli parazitickému vlivu okolních komponent.

Naproti tomu prototyp je mnohem blíže konečnému produktu a používají se stejné komponenty (pouzdra, tvarový faktor či uživatelské I/O). Kromě toho, že prototyp je funkčně kompletní, často se používá ke kontrole potencionálních problémů při výrobě, jako jsou problémy s fyzickou vůlí a montáží, tepelné cesty, interakce uživatele a vizuální přitažlivost a vzhled.

Základní adaptéry pro integrované obvody

Dnešní breadboarding vyžaduje schopnost připojit se k malým integrovaným obvodům, které dominují modernímu designu. Například připojení šesti pinového SOT-23 IC. Jedná se o velmi malou součástku a jeho připájení není jednoduché. Situace je ještě náročnější, když má integrovaný obvod pouze piny přímo pod pouzdrem. Jedním z řešení je použít adaptér LCQT-SOT23-6 od Aries Electronics. Tím se transformuje SOT-23 na šesti pinové pouzdro DIP (obrázek 2). SOT-23 pak vypadá jako DIP s roztečí 0,1 palce a lze jej použít s breadboardem určeného pro komponenty DIP.

Obrázek 2: Adaptér LCQT-SOT23-6 transformuje malý, těžko připojitelný šesti pinový komponent SOT-23 na mnohem lépe připojitelný komponent DIP se standardní roztečí 0,1 palce. (Zdroj obrázku: Aries Electronics)

Mnoho návrhů používá řadu komponent s technologií SMT s různými velikostmi pouzdra a konfiguracemi pinů. V těchto situacích je vhodné použít jeden adaptér s více možnostmi pro SMT. Adaptér 202-0042-01 QFN od Schmartboard eliminuje potenciální záměnu jednotlivých miniaturních SMT součástek (obrázek 3). Desku o rozměru 2 × 2 palce můžeme osadit až pěti různými integrovanými obvody se 16 a 28 piny s roztečí 0,5 mm,  20 piny s roztečí 0,65 mm a 12 a 16 piny s roztečí 0,8 mm (pro zařízení QFN).

Obrázek 3: Adaptér 202-0042-01-QFN umožňuje integrované pájení a přerušení připojení pro více integrovaných obvodů s pouzdry SMT. (Zdroj obrázku: Schmartboard)

202-0042-01-QFN využívá patentovanou technologii, která umožňuje rychlé, snadné a bezproblémové ruční pájení těchto drobných součástí určené pro povrchovou montáž. Navíc vícenásobné pokovené otvory spojené s každým pinem IC usnadňují připojení komponent k sobě navzájem, je-li to žádoucí, nebo k jiným zařízením či deskám.

Někdy není požadováno samotné připojení k integrovanému obvodu, ale přístup a monitorování pinů nebo konektoru periferie. V historii se pro monitorování komunikačního rozhraní RS-232 s 25-pinový konektorem používala „oddělovací skříňka“, která byla velká jako multimetr (obrázek 4).

Obrázek 4: Tento rozpojovací box RS-232 byl nezbytný pro monitorování a přeuspořádání vodičů v 25pinovém kabelu. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

Potřeba monitorování je i dnes, například u karet Micro SD. Užitečným adaptérem pro tuto funkci je 254 Micro SD Card Breakout Board od Adafruit Industries  který umožňuje konstruktérům připojit se, otestovat a ověřit jak připojení hardwarového rozhraní, tak softwarového ovladače pro tyto široce používané paměťové karty (obrázek 5).

Obrázek 5: Pomocí karty 254 Breakout Board Card Micro SD od Adafruit lze snadno propojovat signály mezi systémovým procesorem a periferním paměťovým zařízením, přistupovat k nim a sledovat je. (Zdroj obrázku: Adafruit)

Deska obsahuje dropout regulátor pro převod vstupního napětí 3,3 V až 6 V na 3,3 voltů pro kartu Micro SD. Dále obsahuje převodník logických úrovních, takže desku lze připojit k 3,3 V nebo 5 V mikrokontrolerům. Jednořadý konektor lze připájet přímo do adaptéru a přivést spoje na kolíky s roztečí 0,1 palce.

Připojení jednotlivých adaptérů

Adaptéry mohou vyřešit problémy s připojením k jednotlivým komponentám, ale to jsou pouze stavební kameny konečného návrhu. Nyní se adaptéry musí připojit k dalším aktivním či pasivním komponentám. Příkladem je externě napájená nepájivá deska PB-104M od Global Specialties, která je vhodná pro prototypování nízkofrekvenčních obvodů (obrázek 6).

Je namontována v rámu 21 × 24 cm a obsahuje 3220 spojovacích bodů, čtyři sloupky pro připojení napájecích zdrojů. Propojky se realizují pomocí drátu o průměru 0,4 mm až 0,7 mm odizolovaného na konci. Klíčem k univerzálnosti tohoto breadbordu je to, že otvory jsou od sebe vzdáleny 0,1 palce, aby kromě drátových vodičů mohly být umístěny přímo standardní DIP komponenty, kolíky adaptérů či „hřebínkové konektory“.

Obrázek 6: Sestava nepájivé desky PB-104M od společnosti Global Specialties lze osadit mnoha integrovanými obvody DIP, adaptéry DIP, diskrétními vodičovými součástkami a jednotlivými propojkami. (Zdroj obrázku: Global Specialties)

Jednotlivé komponenty jsou propojeny drátky s různými barvami pro přehlednost. Dvě vnější kolejnice podél každé strany jsou obvykle vyhrazeny pro napájení a uzemnění (obrázek 7).

Obrázek 7: V nepájivém poli jsou dvě vnější kolejnice podél každé strany obvykle vyhrazeny pro napájení a zem. Krátké napájecí vodiče spojují kolejnice s aktivními součástmi. (Zdroj obrázku: Analog Devices )

Při používání nepájivého pole je důležité dodržovat několik pravidel. Například je dobré použít k identifikaci vodičů barevné kódování, například červenou pro kladnou kolejnici, černou pro zápornou kolejnici a zelenou pro zem. Propojovací vodiče by měli být položeny naplocho na desku, aby se minimalizovala nepřehlednost.

Propojky by měly být vedeny spíše okolo integrovaného obvodu než přes něj, aby byl zachován přístup k obvodu, pokud bychom chtěli připnout sondu k nějakému pinu nebo pokud bychom potřebovali obvod vyměnit. V opačném případě se nepájivá deska - stejně jako mnoho jiných „dočasných“ implementací - může stát „vrabčím hnízdem“ a je velmi obtížné ji ladit (obrázek 8).

Obrázek 8: Při instalaci propojek v nepájivém poli je nutná opatrnost a disciplína, jinak je výsledkem bludiště nerozluštitelných drátů. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

Kombinované řešení pro dnešní designy

Propojování bez pájení je stále široce používána díky své praktičnosti, flexibilitě a univerzálnosti, ale má vážná omezení u moderních designů, které pracují s vysokými hodinovými frekvencemi a často kombinují předem sestavené desky a RF a napájecí moduly. Je vhodné použít systém, který umožňuje integraci více breadboardů, prototypových platforem do větší jednotky, která pak může podporovat končenou funkčnost.

Jedním takovým systémem je Phase Dock 10104 (obrázek 9). Skládá se ze základní matice 10 × 7 palců s pracovní plochou 54 čtverečních palců, pěti částí ve dvou velikostech pro montáž elektroniky a „slidů“ používaných pro montáž modulů Arduino , Raspberry Pi a podobných.

Obsahuje také drobné hardwarové položky, jako jsou šrouby, které umožňují sestavit kombinace Click/Slide, namontovat elektroniku na části typu Slide, namontovat elektroniku přímo na části typu Clicks, přidat elektroniku „tower“ s vyšším profilem a spravovat dráty a kabely. K dispozici je také volitelný čirý plastový kryt, který poskytuje ochranu, vylepšuje vzhled a usnadňuje přepravu.

Obrázek 9: Základní montážní prototypový systém Phase Dock 10104 obsahuje základní matici (nahoře). Části Clicks pro montáž elektroniky (střední řada). Části pro použití Arduina a podobných platforem (spodní řada) a montážní hardware (spodní řada - vlevo). (Zdroj obrázku: Phase Dock, Inc.)

Tento systém umožňuje kombinaci několika různých modulů v podobě breadbords a moduly od SparkFun je RedBoards  Lze připojit také jednotlivé spínače a potenciometry (obrázek 10). Všechno je pevně připojeno k základně Phase Dock a vše je přizpůsobeno tak, aby byl zaručen přístup ke klíčovým signálům a testovacím bodům.

Obrázek 10: Systém Phase Dock podporuje „mix and match“ montáž a propojení systémových prvků včetně nepájivých polí (v bílé barvě), speciálních desek pro počítače (zelená) a procesorových platforem, jako jsou Redboardy SparkFun (červené). (Zdroj obrázku: Phase Dock, Inc.)

Hotové vývojové desky

Výkonné integrované obvody pro signály nízké úrovně, přesné zesílení nebo zpracování signálu RF jsou nabízeny s vývojovými deskami nebo sadami. Nastavení takovýchto pokročilých komponent vyžaduje použití příslušných podpůrných komponent (většinou pasivních) plus pečlivé rozvržení a připojení.

Úkolem designéra je rozpoznat a využít výhody vývojové desky. Například integrovaný obvod ADL6012 od Analog Devices. Jedná se o širokopásmový detektor šířky pásma 2 GHz až 67 GHz, 500 MHz. Základní propojení tohoto 10 pinového pouzdra LFCSP vypadá na schematickém diagramu poměrně jednoduše, ale ve skutečnosti je to značně obtížné, protože vyžaduje pečlivé rozložení, přemostění a špičkové RF konektory (obrázek 11).

Obrázek 11: Připojení a používání širokopásmového detektoru ADL6012 od Analog Devices vypadá jednoduše „na papíře“, ale existuje mnoho detailu při skutečném rozvržení. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro designéry, kteří chtějí začlenit tento RF integrovaný obvod do svého designu, má smysl nejprve porozumět jeho charakteristikám, otestovat jeho rozhraní a „doladit“ jeho přizpůsobení celkovému projektu. Pro tyto účely je vhodné využít vývojová deska ADL6012-EVALZ (obrázek 12).

Obrázek 12: Vývojová deska ADL6012-EVALZ. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Adaptéry umožňují integrovat, propojovat a ladit drobné komponenty, které jsou standardem téměř všech moderních produktů. Novější verze umožňují kombinovat různé typy technologií, modulů a dalších sestav. Tím zvyšují fyzickou odolnost, minimalizují se nevzhledné spoje, které jsou náchylné k chybám. Použití těchto adaptérů a breadboardů zrychluje fázi testování a ladění a vede k životaschopným prototypům za mnohem kratší dobu.

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.