De juiste adapters en kits maken flexibel, efficiënt breadboards met moderne componenten mogelijk

Dankzij het wijdverbreide gebruik van minuscule passieve en actieve apparaten en werkfrequenties van schakelingen tot ver in het gigahertz-bereik (GHz), wordt het steeds moeilijker en vaak frustrerend om een schakelingontwerp te maken en te evalueren alvorens het op een printplaat vast te leggen en vervolgens door te gaan naar een bijna-definitief prototype. De breadboardkits en -technieken die werkten voor IC's met loodjes en dual in-line package (DIP) IC's zijn niet compatibel met de IC-pakketten met hoge dichtheid van vandaag, de loodjes onder de verpakking en de bijna onzichtbare SMT-apparaten (surface mount technology), alsook complete RF- of processormodules.

Er is echter goed nieuws in de vorm van bench-gebaseerde ontwikkelingshulpmiddelen waarmee basis-breadboards kunnen worden gemaakt, terwijl ook afzonderlijke subcircuitmodules kunnen worden gebruikt. Met behulp van deze broodplanksystemen kunnen hobbyisten, bouwers, doe-het-zelvers (DIY) en technische professionals subsecties van het totale product bouwen, testen en integreren tot een complete en functionele eenheid.

Dit artikel gaat in op de basisaspecten van het breadboards van de moderne elektronicacomponent. Vervolgens wordt bekeken hoe adapters en breadboardkits van verkopers als Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties en Phase Dock, Inc. kunnen worden gebruikt als basis voor prototypes die meer op het eindproduct lijken.

Tenslotte wordt getoond hoe deze de constructie vergemakkelijken van nuttige, betrouwbare breadboards die schakeltopologieën en interfaces kunnen valideren, verbinding met onafhankelijke modules en evaluatieborden mogelijk maken en tot zinvolle prototypes leiden.

Waar komt het elektronische breadboard vandaan?

Het gebruik van de term "breadboard" voor een schakeling die er ruw uitziet, kan mystificerend lijken, maar de afleiding is duidelijk en goed gedocumenteerd. In de begindagen van de elektronica, met zelfgebouwde kristalradio's en zelfs eenvoudige vacuümbuisradio's, bouwden doe-het-zelvers en makers (voordat dat woord in de huidige context in gebruik was) schakelingen op een echte broodplank, de houten plank die wordt gebruikt voor het snijden van brood. Zij gebruikten spijkers of nagels als verbindingspunten en wikkelden de draden eromheen, soms zelfs door deze verbindingen te solderen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De term "breadboard" is afgeleid van het gebruik van een houten snijplank als basis voor doe-het-zelf elektronische schakelingen zoals deze radio met drie buizen. (Bron afbeelding: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Natuurlijk zijn deze houten breadboards verouderd als platform voor schakelingen met moderne componenten. Desondanks zijn de termen "breadboard" en "breadboarding" standaardtermen geworden die worden geassocieerd met ruw gebouwde demonstratiecircuits of subcircuits. De vooruitgang van de elektronische technologie van vacuümbuizen naar discrete geleide transistors en passieve componenten, DIP IC's, en nu naar bijna onzichtbare oppervlakte gemonteerde apparaten, heeft echter een aanzienlijke invloed gehad op de breadboardtechnieken en platforms.

Wat is het verschil tussen een breadboard en een prototype

Een voor de hand liggende vraag betreft het verschil tussen een breadboard en een prototype. Er is geen formele afbakening tussen de twee, en de termen worden soms door elkaar gebruikt. De meeste ingenieurs gebruiken de term "breadboard" echter om een ruwe lay-out van een circuit of subcircuit aan te duiden dat de voorbereidende ontwerpfasen moet ondersteunen, met inbegrip van:

• Controleren van de levensvatbaarheid van een basisidee voor een schakeling, een functie of een ontwerpbenadering.
• Ontwikkelen en verifiëren van software drivers.
• Zorgen voor compatibiliteit van interfaces tussen subschakelingen of tussen een schakeling en transductor of belasting.
• Uitwerken van data-link protocollen en formaten.
• Het ontwikkelen en verifiëren van een verondersteld model.
• Evalueren van circuit en functionele prestaties.

Uit de bovenstaande lijst blijkt duidelijk dat het breadboard een belangrijke rol speelt bij het ontwerpen van een product, ook al is het geen compleet systeem en ontbreken de verpakking en veel van de "toeters en bellen" van het eindproduct. Zo is een breadboard vaak afhankelijk van een externe stroomvoorziening in plaats van de interne voeding van het geleverde product. Door zijn brede en open opzet is het breadboard meestal geschikt voor aftasten, aanpassen en zelfs vervangen van componenten. De fysieke realiteit van een dergelijke uitwaaierende layout betekent echter dat sommige prestatiemogelijkheden niet beschikbaar zijn, vooral die welke verband houden met de werking bij hogere frequenties, ten gevolge van parasieten en interacties in de layout en de componenten.

Een prototype daarentegen staat veel dichter bij het eindproduct en maakt gebruik van dezelfde componenten, verpakking, vormfactor en gebruikers-I/O. Een prototype is niet alleen functioneel compleet, maar wordt ook vaak gebruikt om fabricageproblemen te controleren, zoals fysieke speling en assemblageproblemen, thermische paden, gebruikersinteractie, en visuele aantrekkelijkheid en uiterlijk.

Begin met basisadapters

Het breadboarding van vandaag vereist de mogelijkheid om verbinding te maken met en gebruik te maken van de kleine IC's die moderne ontwerpen domineren. Het is bijvoorbeeld mogelijk om een SOT-23 IC met zes aansluitingen op een grotere printplaat te solderen, maar het zal moeilijk zijn om aansluitingen te maken - en vooral om deze te wijzigen - vanwege de kleine afmetingen en de smalle steek van de aansluitdraden. De situatie is moeilijker wanneer de IC alleen stootkussens aan de onderkant heeft.

Een oplossing is het gebruik van een apparaat zoals de LCQT-SOT23-6 contactdoosadapter van Aries Electronics. Hierdoor wordt een SOT-23 omgevormd tot een zes-ledige DIP-behuizing (Afbeelding 2). Zodra het SOT-23 apparaat eruit ziet als een DIP met 0,1 inch (in.) afstand tussen de aansluitdraden, kan het worden gebruikt met een van de breadboardoplossingen die zijn ontworpen voor grotere DIP-apparaten.

Afbeelding 2: De LCQT-SOT23-6-socketadapter verandert een klein, moeilijk hanteerbaar SOT-23 pakket met zes aansluitdraden in een veel handelbaarder DIP-apparaat met standaard DIP-afstand tussen de aansluitdraden. (Bron afbeelding: Ram Electronics)

Veel ontwerpen maken gebruik van een reeks SMT-componenten met verschillende pakketgroottes en penconfiguraties. In deze situaties kunnen meerdere adapters met enkelvoudige IC-bussen onpraktisch worden om te hanteren en met elkaar te verbinden. Schmartboard's 202-0042-01 QFN-adapterbord kan de mogelijke verwarring tot een minimum beperken (Afbeelding 3). Deze printplaat van 2 × 2 inch is geschikt voor maximaal vijf verschillende IC's met 16 en 28 pennen met een steek van 0,5 millimeter (mm), 20 pennen met een steek van 0,65 mm, en 12 en 16 pennen met een steek van 0,8 mm (voor QFN-apparaten).

Afbeelding 3: Een adapterboard zoals de 202-0042-01-QFN maakt het mogelijk om meerdere SMT IC-pakketten te solderen en de aansluitingen uit te breken. (Bron afbeelding: Schmartboard)

De 202-0042-01-QFN maakt gebruik van gepatenteerde technologie om snel, eenvoudig en probleemloos handmatig solderen van deze kleine oppervlaktebevestigingscomponenten mogelijk te maken. Bovendien maken de meervoudig geplateerde doorgangsgaten die bij elke IC-pen horen het gemakkelijk om de ingezeten componenten met elkaar te verbinden, indien gewenst, of met andere apparaten en printplaten.

Soms ligt de uitdaging van het breadboarden niet in het verbinden met een IC, maar in het bereiken en controleren van de pennen van een kabel of connector van een randapparaat. Toen bijvoorbeeld de 25-pins RS-232 connector de dominante communicatie-interface was, was een "breakout box" met aan/uit schakelaars en jumperterminals voor de meeste pinnen even gewoon als een multimeter (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Deze RS-232-breakoutbox is essentieel voor het controleren en herschikken van de draden in de 25-pins kabel van die vroeger zeer algemeen gebruikte connector en standaard. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Hoewel deze RS-232-boxes nu zelden nodig zijn, is er een analoge behoefte aan breakout functionaliteit voor randapparatuur zoals Micro SD-kaarten. Een nuttige adapter voor deze functie is de Adafruit Industries 254 Micro SD Card Breakout Board die ontwerpers in staat stelt om zowel de hardware interface verbindingen als de driver software voor deze veelgebruikte geheugenkaarten aan te sluiten, te testen en te verifiëren (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Met behulp van de Adafruit 254 Micro SD Card Breakout Board, kunnen ontwerpers gemakkelijk interfacen met, toegang krijgen tot, en toezicht houden op signalen tussen een systeemprocessor en dit perifere geheugenapparaat. (Bron afbeelding: Adafruit)

Het bord bevat een ultra-low dropout regulator om spanningen tussen 3,3 volt en 6 volt om te zetten naar 3,3 volt voor de Micro SD-kaart, en een level shifter om de interface logica (3,3 volt naar 5 volt) om te zetten naar 3,3 volt zodat het bord kan worden aangesloten op 3,3 volt of 5 volt microcontrollers. De aparte header kan in de adapter worden gesoldeerd om de aansluitingen uit te brengen op pinnen met een pitch van 0,1 inch.

Verder dan adapters

Adapters kunnen problemen met de aansluiting op afzonderlijke componenten oplossen, maar dit zijn slechts de bouwstenen van het uiteindelijke ontwerp. De nu toegankelijke componenten moeten worden verbonden met andere actieve en passieve componenten, input/output (I/O) interfaces ondersteunen, vervanging van componenten mogelijk maken en voorzien in formele testpunten en zelfs onvoorziene sonderingen.

Een van de eerste breadboards die gemakkelijk en direct plaats boden aan apparaten in dual in-line packages (DIP) en aan discrete componenten met een loodje, was het soldeervrije breadboard, dat in de jaren zestig werd ontwikkeld en nog steeds op grote schaal wordt gebruikt. Het is handig, toegankelijk, gemakkelijk te gebruiken, en ondersteunt een redelijke componentendichtheid.

Een voorbeeld hiervan is de PB-104M extern gevoede soldeervrije broodplank van Global Specialties, die zeer geschikt is voor het maken van prototypes van laagfrequente schakelingen (figuur 6). Het is gemonteerd in een frame van 21 × 24 centimeter (cm) (9,45 in. × 8,27 in.) en omvat 3220 verbindingspunten, vier bindingspolen voor het aansluiten van voedingen, en ondersteunt 28 16-pins IC's; jumpers worden gemaakt met draad met een diameter van 0,4 mm tot 0,7 mm dat aan het uiteinde is gestript. De sleutel tot de veelzijdigheid van dit breadboard is dat de gaten 0,1 in. uit elkaar zijn geplaatst om plaats te bieden aan standaard DIP-componenten en aan de pinnen van adapters en headers, naast draden.

Figuur 6: De PB-104M soldeervrije breadboardassemblage van Global Specialties biedt plaats aan meerdere DIP-IC's, DIP-footprintadapters, discrete componenten met draadkabels, en individuele draadbruggen. (Bron afbeelding: Global Specialties)

In het gebruik is het soldeervrije breadboard een aansluitbaar platform waarop DIP IC's en andere componenten worden aangesloten met behulp van korte stukjes massieve draad die in de gaatjes worden gestoken, en die ook aansluiten op de aansluitdraden van de componenten. De twee buitenste rails langs elke zijde zijn gewoonlijk gereserveerd voor voeding en aarde, en zij voeden de actieve componenten via korte voedingsdraden (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Op een soldeerloos breadboard zijn de twee buitenste rails langs elke kant gewoonlijk gereserveerd voor voeding en aarde. Korte voedingsdraden verbinden de rails met de actieve componenten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het is belangrijk om enige discipline aan de dag te leggen bij het gebruik van een soldeerloos breadbord. Het is bijvoorbeeld een goed idee om kleurcodering te gebruiken om de draden te identificeren, zoals rood voor een positieve rail, zwart voor een negatieve rail en groen voor aarde. Gebruikers moeten er ook op letten de jumperdraden plat op de printplaat te leggen om zo min mogelijk rommel te maken, en de interconnect jumpers rond de IC's te plaatsen in plaats van er overheen, zodat de IC's kunnen worden gesondeerd en zelfs verwisseld met zo min mogelijk verstoring. Anders kan het soldeerloze breadboard, zoals zoveel andere "tijdelijke" implementaties, een "rattennest" worden en zeer moeilijk te debuggen of te traceren zijn (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Zorgvuldigheid en discipline zijn geboden bij het installeren van de jumpers voor alles behalve het kleinste project in een soldeerloos breadboard; anders is een doolhof van onleesbare draden het resultaat. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Een breadboardmix voor hedendaagse ontwerpen

Het soldeervrije breadboard wordt nog steeds veel gebruikt wegens zijn gemak, flexibiliteit en veelzijdigheid, maar heeft ernstige beperkingen bij moderne ontwerpen die met hoge kloksnelheden en frequenties werken en vaak voorgemonteerde computerborden, RF-schakelingen en -modules, en voedingsmodules combineren. Om hieraan tegemoet te komen is een systeem nodig dat de integratie mogelijk maakt van meerdere breadboards, prototype-platforms, en subassemblages tot een grotere eenheid die vervolgens de volledige systeemfunctionaliteit kan ondersteunen.

Eén zo'n breadboard is het Phase Dock 10104 montage-prototypesysteem (Afbeelding 9). Een basissysteem bestaat uit een basismatrix van 10 × 7 inch met een werkoppervlak van 54 cm2 , vijf "Clicks" in twee maten voor de montage van elektronica, en "Slides" voor de montage van Arduino, Raspberry Pi of soortgelijke modules; het omvat ook de kleine hardware-onderdelen zoals schroeven waarmee de ingenieur de Click/Slide-combinaties in elkaar kan zetten, elektronica op de Slides kan monteren, elektronica rechtstreeks op de Clicks kan monteren (zonder Slides), hoger geprofileerde "tower"-elektronica kan toevoegen, en draden en kabels kan beheren. Er is ook een optionele doorzichtige plastic hoes die bescherming biedt, het uiterlijk verbetert en het vervoer vergemakkelijkt.

Figuur 9: Het basis Phase Dock 10104 montage-prototypesysteem bestaat uit een basismatrix (boven); Clicks voor het monteren van elektronica (middelste rij); Slides voor het gebruik van Arduino en soortgelijke platforms (onderste rij); en de allerbelangrijkste montagehardware (onderste rij - links). (Bron afbeelding: Phase Dock, Inc.)

Dit productontwikkelingssysteem maakt het mogelijk om verschillende breadboard- en moduletechnologieën, zoals soldeerloze breadboards, speciale boards met schroefklemmen en connectors, processorplatforms zoals SparkFun's RedBoards, en zelfs brackets met discrete schakelaars en potentiometers, op één platform te combineren (Afbeelding 10). Ze worden allemaal stevig op de Phase Dock basis gemonteerd en vervolgens aangesloten zoals nodig om het systeemconcept te testen en te debuggen met de nodige toegang tot belangrijke signalen en testpunten.

Afbeelding 10: Het Phase Dock systeem ondersteunt "mix and match" montage en onderlinge verbinding van systeemelementen, waaronder soldeerloze breadboards (in het wit), speciale pc-boards (groen), en processor platforms zoals SparkFun's Redboards (rood) voor dit geautomatiseerde controller systeem. (Bron afbeelding: Phase Dock, Inc.)

Evaluatieborden van leveranciers maken gebruik van breadboards

IC's met hoge prestaties - vooral die welke worden gebruikt voor signalen van een laag niveau, precisieversterking of RF-signaalverwerking - worden nu bijna onvermijdelijk aangeboden met evaluatieborden of -kits. Dit is nodig omdat voor het opzetten van dergelijke geavanceerde componenten om hun prestaties in de doeltoepassing te controleren en ze met de rest van het systeem te integreren, gebruik moet worden gemaakt van passende ondersteunende componenten (meestal passieven), plus een zorgvuldige lay-out en verbindingen. De ontwerpers moeten zich afvragen hoe zij het best met deze evaluatiekaarten kunnen werken, aangezien hun nut voor het uiteindelijke systeemontwerp varieert van zeer nuttig tot een belemmering.

Denk aan een evaluatiebord dat is ontworpen om een component volledig te oefenen. Als zodanig bevat het extra ondersteunende componenten zoals geheugen, lokale DC-DC regelaars, en misschien zelfs een microcontroller. Hoewel deze onderdelen nodig kunnen zijn voor een op zichzelf staande evaluatie, kunnen zij ook het feitelijke gebruik van het betrokken IC in het produktontwerp van de ingenieur belemmeren.

Aan de andere kant hebben veel van deze evaluatieborden componenten zoals de noodzakelijke speciale connector. Door gebruik te maken van het evaluatiebord hoeft de ontwerper die schakeling niet opnieuw uit te vinden ("het wiel opnieuw uitvinden"); een goed uitgevoerd en naar behoren gedocumenteerd ontwerp van het evaluatiebord is gewoonlijk even goed of beter dan een schakeling die is gemaakt door iemand bij de leverancier die misschien intiem vertrouwd is met het IC.

De uitdaging voor de ontwerper bestaat er dus in de voordelen van het door de leverancier geleverde evaluatiebord te onderkennen en te benutten bij het breadboarden. Neem een "klein" IC zoals de Analog Devices ADL6012, een 2 GHz tot 67 GHz, 500 megahertz (MHz) bandbreedte breedband envelopedetector. De basisinterconnectie van deze 10-leads LFCSP ziet er op de schematische tekening vrij eenvoudig uit, maar het eigenlijke gebruik is moeilijker, omdat een zorgvuldige layout, bypassing en RF-connectoren van hoge kwaliteit vereist zijn (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: Aansluiten en gebruiken van de Analog Devices ADL6012 breedband envelopedetector ziet er "op papier" eenvoudig genoeg uit, maar er zijn vele ontwerp- en lay-out subtiliteiten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voor ontwerpers die dit RF-IC in hun ontwerp willen opnemen, is het zinvol om eerst de karakteristieken te begrijpen, de interfaces te testen en de geschiktheid voor het totale project te "fine-tunen" door gebruik te maken van de ADL6012-EVALZ-evaluatiekaart in de breadboardfase, voordat een definitief schema wordt gemaakt en de lay-out en verpakking worden uitgewerkt (Afbeelding 12).

Afbeelding 12: Het evaluatiebord ADL6012-EVALZ ontlast de ontwerper van de vele subtiele details van het ontwerpen met dit eenvoudig ogende, maar toch gesofisticeerde IC; door het op een breadboard te plaatsen, worden de productontwikkelingstijd en -frustratie tot een minimum beperkt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De uitdaging van het breadboard bestaat erin het gebruik van het evaluatiebord fysiek mogelijk te maken, voedingen toe te voegen, en de RF-ingangsversterker en de gespecificeerde differentiële uitgangsbelasting te leveren, samen met een eventuele processor en interfaces voor de pre-prototype fase die leidt tot de prototype configuratie van het product. Dit vereist een combinatie van breadboardtechnieken, platforms en benaderingen.

Conclusie

Adapters en breakoutboards stellen ontwerpers in staat de kleine, vaak draadloze componenten die standaard zijn in bijna alle moderne producten, te integreren, met elkaar te verbinden, te oefenen en te evalueren. Nieuwere iteraties gaan verder dan het nog steeds veel gebruikte soldeerloze breadboard en maken het mogelijk componenten, modules en andere assemblages te mixen en te matchen. Deze verhogen de fysieke robuustheid en minimaliseren lelijke, foutgevoelige en onbetrouwbare montage en bedrading. Het gebruik van deze adapters en breadboards versnelt de test- en debugfase en leidt tot levensvatbare prototypes in minder tijd.