Макетная плата без пайки для электроники

Введение

Доска с встроенными пружинными зажимами, позволяющая подключать электронные компоненты без пайки.

Макетная плата, беспаечная макетная плата или протомакет – это основа для сборки полупостоянных прототипов электронных схем. В отличие от перфоплаты или монтажной платы, макетные платы не требуют пайки или повреждения дорожек и, следовательно, могут использоваться повторно. По этой причине макетные платы популярны среди студентов и в техническом образовании. На макетных платах можно создавать прототипы различных электронных систем, от простых аналоговых и цифровых схем до полноценных центральных процессоров (CPU). По сравнению с более надежными способами соединения, современные макетные платы имеют высокую паразитную емкость, относительно высокое сопротивление и менее стабильные соединения, чувствительные к вибрации и физическому износу. Частота передаваемых сигналов ограничена примерно 10 МГц, и даже при частотах ниже этого значения не все схемы могут работать корректно.

История

В первые дни радиолюбительства энтузиасты прибивали голые медные провода или клеммные колодки к деревянной доске (часто буквально к разделочной доске для хлеба) и припаивали к ним электронные компоненты. Иногда бумажную схему сначала приклеивали к доске в качестве ориентира для размещения клемм, а затем компоненты и провода устанавливались над их символами на схеме. Также часто использовали канцелярские кнопки или небольшие гвозди в качестве монтажных стоек. Макетные платы (breadboards) эволюционировали со временем, и этот термин теперь используется для обозначения всех видов прототипов электронных устройств. Например, патент США 3,145,483, патент США 2477653, поданный в 1943 году, "Аппарат для первичного обучения электротехнике". Патент США 2592552, поданный в 1944 году, "Электрическая учебная панель". Патент США 2568535, поданный в 1945 году, "Панель для демонстрации электрических цепей". Патент США 2885602, поданный в 1955 году, "Модульное производство схем", National Cash Register (NCR). Патент США 3062991, поданный в 1958 году, "Система быстрой установки и отсоединения схем". Патент США 2983892, поданный в 1958 году, "Монтажная конструкция для электрических цепей". Патент США 3085177, поданный в 1960 году, "Устройство для упрощения сборки электрических аппаратов", DeVry Technical Institute. Патент США 3078596, поданный в 1960 году, "Плата для сборки схем". Патент США 3145483, поданный в 1961 году, "Тестовая плата для электронных схем". Патент США 3277589, поданный в 1964 году, "Набор для электрических экспериментов". Патент США 3447249, поданный в 1966 году, "Электронный конструктор". См. блоки Lectron / домино. Патент США 3496419, поданный в 1967 году, "Макетная плата с печатными схемами". Патент США 3540135, поданный в 1968 году, "Учебные пособия". Патент США 3733574, поданный в 1971 году, "Миниатюрные двойные пружинные зажимы", Vector Electronics. Патент США D228136, поданный в 1971 году, "Макетная плата для электронных компонентов и т.п.", E&L Instruments. Это современная беспаечная макетная плата.

Дизайн

Современная бессварная макетная плата состоит из перфорированного блока пластика с многочисленными пружинными контактами из луженой фосфорной бронзы или сплава никель-серебро, расположенными под перфорациями. Эти контакты часто называют точками подключения или контактными точками. Количество точек подключения часто указывается в спецификации макетной платы. Расстояние между контактами (шаг выводов) обычно составляет 0,1 дюйма (2,54 мм). Интегральные схемы (ИС) в корпусах с двойным встроенным выводом (DIP) могут быть вставлены так, чтобы охватывать центральную линию блока. Соединительные провода и выводы дискретных компонентов (таких как конденсаторы, резисторы и индуктивности) могут быть вставлены в оставшиеся свободные отверстия для завершения схемы. Если ИС не используются, дискретные компоненты и соединительные провода могут использовать любые из отверстий. Обычно пружинные контакты рассчитаны на ток 1 ампер при 5 вольтах и 0,333 ампера при 15 вольтах (5 ватт).

Автобусные и терминальные полосы

Безсварные макетные платы соединяют контакты между собой металлическими полосками внутри платы. Типичная макетная плата состоит из двух типов областей, называемых полосами. Полосы состоят из взаимосвязанных электрических контактов. Часто полосы или блоки одного производителя имеют пазовые соединения (штырьковые и гнездовые), чтобы платы можно было соединять вместе для формирования большой платы. Основные области, предназначенные для размещения большинства электронных компонентов, называются контактными полосами. В середине контактной полосы макетной платы обычно находится прорезь, идущая параллельно длинной стороне. Прорезь предназначена для обозначения центральной линии контактной полосы и обеспечивает ограниченный приток воздуха (охлаждение) для DIP-микросхем, расположенных по обе стороны от центральной линии. Клипсы справа и слева от прорези соединены радиально; обычно пять клипс (то есть под пятью отверстиями) в ряд с каждой стороны прорези электрически соединены. Пять столбцов слева от прорези часто обозначаются буквами A, B, C, D и E, а справа – F, G, H, I и J. Когда "узкая" микросхема с двойным встроенным выводом (DIP) (например, типичные DIP 14 или DIP 16, имеющие расстояние между рядами выводов) устанавливается в макетную плату, выводы одной стороны чипа должны входить в столбец E, а выводы другой стороны – в столбец F на другой стороне прорези. Ряды нумеруются от 1 до максимального количества, предусмотренного конструкцией макетной платы. Полноразмерная контактная полоса обычно состоит из 56–65 рядов контактов. Вместе с шинными полосами по обеим сторонам это составляет типичную безсварную макетную плату с 784–910 точками подключения. Большинство макетных плат предназначены для размещения 17, 30 или 64 рядов в мини, полу- и полноразмерных конфигурациях соответственно. Для подачи питания на электронные компоненты используются шинные полосы. Шинная полоса обычно содержит два столбца: один для земли и один для напряжения питания. Однако некоторые макетные платы предоставляют только одну колонку для распределения питания на каждой длинной стороне. Обычно ряд, предназначенный для напряжения питания, отмечен красным цветом, а ряд для земли – синим или черным. Некоторые производители соединяют все контакты в столбце. Другие соединяют только группы, например, 25 последовательных контактов в столбце. Последняя конструкция обеспечивает разработчику схемы больший контроль над перекрестными помехами (шумом, вызванным индуктивной связью) на шине питания. Часто группы на шинной полосе обозначаются разрывами в цветовой маркировке. Шинные полосы обычно проходят вдоль одной или обеих сторон контактной полосы или между контактными полосами. На больших макетных платах дополнительные шинные полосы часто можно найти в верхней и нижней части контактных полос. Некоторые производители предоставляют отдельные шинные и контактные полосы. Другие предоставляют макетные блоки, которые содержат оба типа полос в одном блоке.

Solderless breadboards connect pin to pin by metal strips inside the breadboard. The layout of a typical solderless breadboard is made up from two types of areas, called strips. Strips consist of interconnected electrical terminals. Often breadboard strips or blocks of one brand have male and female dovetail notches so boards can be clipped together to form a large breadboard. The main areas, to hold most of the electronic components, are called terminal strips. In the middle of a terminal strip of a breadboard, one typically finds a notch running in parallel to the long side. The notch is to mark the centerline of the terminal strip and provides limited airflow (cooling) to DIP ICs straddling the centerline. The clips on the right and left of the notch are each connected in a radial way; typically five clips (i. e., beneath five holes) in a row on each side of the notch are electrically connected. The five columns on the left of the notch are often marked as A, B, C, D, and E, while the ones on the right are marked F, G, H, I and J. When a "skinny" dual in line pin package (DIP) integrated circuit (such as a typical DIP 14 or DIP 16, which have a separation between the pin rows) is plugged into a breadboard, the pins of one side of the chip are supposed to go into column E while the pins of the other side go into column F on the other side of the notch. The rows are identified by numbers from 1 to as many the breadboard design goes. A full size terminal breadboard strip typically consists of around 56 to 65 rows of connectors. Together with bus strips on each side this makes up a typical 784 to 910 tie point solderless breadboard. Most breadboards are designed to accommodate 17, 30 or 64 rows in the mini, half, and full configurations respectively. To provide power to the electronic components, bus strips are used. A bus strip usually contains two columns: one for ground and one for a supply voltage. However, some breadboards only provide a single column power distribution bus strip on each long side. Typically the row intended for a supply voltage is marked in red, while the row for ground is marked in blue or black. Some manufacturers connect all terminals in a column. Others just connect groups of, for example, 25 consecutive terminals in a column. The latter design provides a circuit designer with some more control over crosstalk (inductively coupled noise) on the power supply bus. Often the groups in a bus strip are indicated by gaps in the color marking. Bus strips typically run down one or both sides of a terminal strip or between terminal strips. On large breadboards additional bus strips can often be found on the top and bottom of terminal strips. Some manufacturers provide separate bus and terminal strips. Others just provide breadboard blocks which contain both in one block.

Стрелочные провода

Перемычки (также называемые соединительными проводами) для макетных плат без пайки можно приобрести в готовых наборах или изготовить самостоятельно. Последний способ может быть трудоемким для больших схем. Готовые перемычки различаются по качеству, некоторые даже снабжены небольшими штекерами на концах проводов. Материал для готовых или самодельных перемычек обычно представляет собой одножильный медный провод 22 AWG (0,33 мм²) с луженым покрытием, если к концам проводов не планируется прикреплять штекеры. Концы проводов должны быть зачищены. Слишком короткие зачищенные участки могут привести к плохому контакту с пружинными контактами макетной платы (изоляция может застрять в пружинах). Слишком длинные зачищенные участки увеличивают риск коротких замыканий на плате. Для вставки или извлечения проводов, особенно на перегруженных платах, полезны пинцеты и плоскогубцы с тонкими губками. Для обеспечения согласованности часто используют провода разных цветов и систему цветовой кодировки. Однако количество доступных цветов обычно значительно меньше, чем количество типов сигналов или соединений. Как правило, несколько цветов проводов резервируются для напряжения питания и земли (например, красный, синий, черный), некоторые – для основных сигналов, а остальные используются по мере необходимости. В некоторых готовых наборах цвет используется для обозначения длины проводов, но такие наборы не позволяют использовать осмысленную схему цветовой кодировки.

Развитые конструкции

В более прочном варианте одна или несколько полос макетной платы крепятся к листу металла. Обычно на этом листе также размещается несколько клеммных соединителей. Эти соединители обеспечивают удобный способ подключения внешнего источника питания. Такая макетная плата может быть немного удобнее в использовании. Некоторые производители предлагают высококачественные версии беспаечных макетных плат. Как правило, это высококачественные модули макетной платы, установленные в плоский корпус. Корпус содержит дополнительное оборудование для прототипирования, такое как источник питания, один или несколько генераторов сигналов, последовательные интерфейсы, светодиодные или ЖК-дисплеи, а также логические пробники. Для разработки высокочастотных устройств металлическая макетная плата обеспечивает желаемую припаянную плоскость заземления, часто представляющую собой нетравленую часть печатной платы; интегральные схемы иногда приклеиваются перевернутыми к макетной плате и припаиваются непосредственно к ней – техника, иногда называемая "мертвым жуком" из-за ее внешнего вида. Примеры конструкции "мертвый жук" с плоскостью заземления иллюстрированы в приложении Linear Technologies.

Применение

В эпоху систем на чипе (SoC) распространено использование микроконтроллера (MCU) на предварительно собранной печатной плате (PCB), с набором входных/выходных (IO) контактов, выведенных на разъём, подходящий для подключения к макетной плате. Затем создаётся прототип схемы, использующий одно или несколько периферийных устройств MCU, таких как порты ввода/вывода общего назначения (GPIO), последовательные приемопередатчики UART/USART, аналого-цифровой преобразователь (ADC), цифро-аналоговый преобразователь (DAC), широтно-импульсная модуляция (PWM; применяемая в управлении двигателями), последовательный периферийный интерфейс (SPI) или I²C. Для тестирования, отладки и взаимодействия с прототипом схемы разрабатывается прошивка для MCU. Высокочастотная работа в основном ограничивается печатной платой SoC. В случае высокоскоростных интерфейсов, таких как SPI и I²C, их можно отлаживать на пониженной скорости, а затем переконфигурировать, используя другую методологию сборки схемы, для достижения максимальной производительности. Один небольшой SoC часто предоставляет большинство этих электрических интерфейсов в форм-факторе, лишь немного превышающем размер большой почтовой марки, доступном на американском рынке для любителей электроники (и в других странах) по цене в несколько долларов, что позволяет создавать довольно сложные проекты при умеренных затратах.

Ограничения

Из-за относительно большой паразитной ёмкости по сравнению с правильно спроектированной печатной платой (приблизительно 2 пФ между соседними контактными столбцами), высокой индуктивности некоторых соединений и относительно высокого и недостаточно воспроизводимого контактного сопротивления, макетные платы без пайки ограничены работой на относительно низких частотах, обычно менее 10 МГц, в зависимости от характера схемы. Относительно высокое контактное сопротивление уже может создавать проблемы для некоторых схем постоянного тока и очень низкой частоты. Макетные платы без пайки также ограничены по допустимому напряжению и току. Обычно на макетных платах без пайки нельзя разместить компоненты поверхностного монтажа (SMD) или компоненты с шагом выводов, отличным от стандартного. Кроме того, они не подходят для компонентов с несколькими рядами выводов, если эти выводы не соответствуют двухрядной компоновке – обеспечить правильное электрическое соединение в этом случае невозможно. Иногда для подключения компонента к плате используют небольшие адаптеры для печатных плат, называемые “адаптерами-переходниками”. Такие адаптеры содержат один или несколько компонентов и имеют штыревые разъёмы с расставленными контактами в однорядной или двухрядной конфигурации для вставки в макетную плату. Более крупные компоненты обычно подключаются к разъёму на адаптере, а более мелкие (например, SMD-резисторы) обычно припаиваются непосредственно к адаптеру. Затем адаптер подключается к макетной плате через разъёмы. Однако необходимость пайки компонентов на адаптер нивелирует часть преимуществ использования макетной платы без пайки. Очень сложные схемы могут стать неуправляемыми на макетной плате из-за большого количества необходимой проводки. Простота подключения и отключения соединений также делает слишком лёгким случайное нарушение контакта, что приводит к ненадежности системы. Можно прототипировать системы с тысячами точек соединения, но требуется большая аккуратность при сборке, и такая система становится ненадежной из-за увеличения контактного сопротивления со временем. В какой-то момент очень сложные системы необходимо реализовывать с использованием более надёжной технологии соединения, чтобы обеспечить работоспособность в течение полезного срока службы.

Due to relatively large parasitic capacitance compared to a properly laid out PCB (approx 2 pF between adjacent contact columns), high inductance of some connections and a relatively high and not very reproducible contact resistance, solderless breadboards are limited to operation at relatively low frequencies, usually less than 10 MHz, depending on the nature of the circuit. The relatively high contact resistance can already be a problem for some DC and very low frequency circuits. Solderless breadboards are further limited by their voltage and current ratings. Solderless breadboards usually cannot accommodate surface mount technology devices (SMD) or components with grid spacing other than Further, they cannot accommodate components with multiple rows of connectors if these connectors do not match the dual in line layout—it is impossible to provide the correct electrical connectivity. Sometimes small PCB adapters called "breakout adapters" can be used to fit the component to the board. Such adapters carry one or more components and have spaced male connector pins in a single in line or dual in line layout, for insertion into a solderless breadboard. Larger components are usually plugged into a socket on the adapter, while smaller components (e. g., SMD resistors) are usually soldered directly onto the adapter. The adapter is then plugged into the breadboard via the connectors. However, the need to solder the components onto the adapter negates some of the advantage of using a solderless breadboard. Very complex circuits can become unmanageable on a solderless breadboard due to the large amount of wiring required. The very convenience of easy plugging and unplugging of connections also makes it too easy to accidentally disturb a connection, and the system becomes unreliable. It is possible to prototype systems with thousands of connecting points, but great care must be taken in careful assembly, and such a system becomes unreliable as contact resistance develops over time. At some point, very complex systems must be implemented in a more reliable interconnection technology, to have a likelihood of working over a usable time period.

Альтернативы

Альтернативные методы создания прототипов включают построение соединение за соединением (напоминающее оригинальные деревянные макетные платы), обмотку проволокой, использование проводного карандаша и платы, такие как стрипборд. Сложные системы, такие как современные компьютеры, состоящие из миллионов транзисторов, диодов и резисторов, не подходят для прототипирования на макетных платах, поскольку их сложные схемы трудно компоновать и отлаживать на них. Современные схемы обычно разрабатываются с помощью систем схемотехнического захвата и моделирования, а затем тестируются в программных симуляторах перед созданием первых прототипов на печатных платах. Проектирование интегральных схем – это более сложный вариант того же процесса: поскольку изготовление прототипов на кремнии дорогостоящее, перед созданием первых образцов проводятся обширные программные симуляции. Однако методы прототипирования все еще используются в некоторых областях, таких как радиочастотные схемы, или когда программные модели компонентов неточны или неполны. Также можно использовать квадратную сетку пар отверстий, где одно отверстие в паре соединено со строкой, а другое – со столбцом. Такую же форму можно реализовать в виде круга с рядами и столбцами, каждый из которых спирально закручен по часовой стрелке и против часовой стрелки.