Steckbrett - Breadboard
Ein Steckbrett oder Protoboard, ist eine Konstruktionsgrundlage für Prototyping von Elektronik . Ursprünglich bezog sich das Wort auf ein buchstäbliches Brotbrett, ein poliertes Holzstück, das zum Schneiden von Brot verwendet wird. In den 1970er Jahren wurde das lötfreie Steckbrett (auch bekannt als Steckbrett , ein Terminal-Array-Board) verfügbar und heute wird der Begriff "Steckbrett" häufig verwendet, um sich auf diese zu beziehen.
Da das lötfreie Steckbrett nicht erforderlich Löten ist es wiederverwendbar. Dies macht es einfach, temporäre Prototypen zu erstellen und mit dem Schaltungsdesign zu experimentieren. Aus diesem Grund sind lötfreie Steckbretter auch bei Studenten und in der technischen Ausbildung beliebt. Ältere Steckbretttypen hatten diese Eigenschaft nicht. Ein Stripboard ( Veroboard ) und ähnliche Prototyping -Leiterplatten , die zum Bau von semipermanenten gelöteten Prototypen oder Einzelstücken verwendet werden, können nicht ohne weiteres wiederverwendet werden. Eine Vielzahl elektronischer Systeme kann unter Verwendung von Steckbrettern als Prototyp erstellt werden, von kleinen analogen und digitalen Schaltungen bis hin zu kompletten Zentraleinheiten (CPUs).
Im Vergleich zu dauerhafteren Schaltungsverbindungsmethoden haben moderne Steckplatinen eine hohe parasitäre Kapazität, einen relativ hohen Widerstand und weniger zuverlässige Verbindungen, die einem Ruck und einer physikalischen Verschlechterung unterliegen. Die Signalisierung ist auf etwa 10 MHz begrenzt, und auch unterhalb dieser Frequenz funktioniert nicht alles richtig.
Eine gängige Verwendung in der System-on-a-Chip- (SoC)-Ära besteht darin, einen Mikrocontroller (MCU) auf einer vormontierten Leiterplatte (PCB) zu erhalten, der eine Reihe von Eingangs-/Ausgangs- (IO)-Pins in einem zum Einstecken geeigneten Stift freilegt in ein Steckbrett und dann eine Schaltung zum Prototyp , der einen oder mehrere der MCU - Peripheriegeräte, wie beispielsweise nutzt Allzweck- Eingabe / Ausgabe (GPIO), UART / USART serielle Transceivern, Analog-Digital - Wandler (ADC), digital- zu-Analog-Wandler (DAC), Pulsweitenmodulation (PWM; verwendet in der Motorsteuerung ), Serial Peripheral Interface (SPI) oder I²C .
Anschließend wird Firmware für die MCU entwickelt, um den Schaltungsprototyp zu testen, zu debuggen und mit ihm zu interagieren. Der Hochfrequenzbetrieb ist dann weitgehend auf die Leiterplatte des SoC beschränkt. Im Fall von Hochgeschwindigkeitsverbindungen wie SPI und I²C können diese mit geringerer Geschwindigkeit debuggt und später mit einer anderen Schaltungsanordnungsmethodik neu verdrahtet werden, um den Betrieb mit voller Geschwindigkeit zu nutzen. Ein einzelner kleiner SoC bietet oft die meisten dieser elektrischen Schnittstellenoptionen in einem Formfaktor, der kaum größer ist als eine große Briefmarke, der auf dem amerikanischen Hobbymarkt (und anderswo) für ein paar Dollar erhältlich ist, sodass ziemlich anspruchsvolle Steckbrettprojekte mit bescheidenen Kosten erstellt werden können .
Evolution
In den Anfängen des Funks nagelten Amateure blanke Kupferdrähte oder Klemmenleisten auf ein Holzbrett (oft buchstäblich ein Brett zum Brotschneiden) und löteten elektronische Bauteile darauf. Manchmal ist ein Papierschematisches Diagramm , wurde zuerst auf der Leiterplatte als Führung verleimt Terminals platzieren, dann Komponenten und Drähte über ihre Symbole auf dem Schaltplan installiert wurden. Auch die Verwendung von Reißnägeln oder kleinen Nägeln als Montagepfosten war üblich.
Breadboards haben sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, wobei der Begriff heute für alle Arten von Prototypen elektronischer Geräte verwendet wird. Zum Beispiel wurde das US-Patent 3,145,483 im Jahr 1961 eingereicht und beschreibt ein Holzplatten-Steckbrett mit montierten Federn und anderen Einrichtungen. Das US-Patent 3,496,419 wurde 1967 eingereicht und bezieht sich auf ein bestimmtes Leiterplattenlayout als Printed Circuit Breadboard . Beide Beispiele beziehen sich auf andere Arten von Steckbrettern und beschreiben diese als Stand der Technik .
Das heute am häufigsten verwendete Steckbrett besteht in der Regel aus weißem Kunststoff und ist ein steckbares (lötloses) Steckbrett. Es wurde 1971 von Ronald J. Portugal entworfen.
Alternativen
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Alternative Methoden zum Erstellen von Prototypen sind Punkt-zu-Punkt-Konstruktion (erinnert an die ursprünglichen Holzbretter), Wire Wrap , Verdrahtungsstift und Boards wie das Stripboard. Komplizierte Systeme, wie moderne Computer mit Millionen von Transistoren , Dioden und Widerständen , eignen sich nicht für das Prototyping mit Steckbrettern, da ihre komplexen Designs auf einem Steckbrett schwierig zu entwerfen und zu debuggen sein können.
Moderne Schaltungsdesigns werden in der Regel mit einem Schaltplanerfassungs- und Simulationssystem entwickelt und in Softwaresimulationen getestet , bevor die ersten Prototypenschaltungen auf einer Leiterplatte aufgebaut werden . Integrierte Schaltungsdesigns sind eine extremere Version des gleichen Prozesses: Da die Herstellung von Prototyp-Silizium kostspielig ist, werden umfangreiche Softwaresimulationen durchgeführt, bevor die ersten Prototypen hergestellt werden. Prototyping-Techniken werden jedoch immer noch für einige Anwendungen wie HF- Schaltungen verwendet, oder wenn Softwaremodelle von Komponenten ungenau oder unvollständig sind.
Es ist auch möglich, ein quadratisches Raster von Lochpaaren zu verwenden, wobei ein Loch pro Paar mit seiner Reihe und das andere mit seiner Spalte verbunden ist. Dieselbe Form kann ein Kreis mit Reihen und Spalten sein, die sich jeweils gegen den Uhrzeigersinn/gegen den Uhrzeigersinn drehen.
Lötfreies Steckbrett
Typische Spezifikationen
Ein moderner lötfreier Steckbrettsockel (erfunden von Ronald J. Portugal für E&L Instruments, Derby CT) besteht aus einem perforierten Kunststoffblock mit zahlreichen verzinnten Federklemmen aus Phosphorbronze oder Neusilberlegierung unter den Perforationen. Die Clips werden oft als Verbindungspunkte oder Kontaktpunkte bezeichnet . Die Anzahl der Verbindungspunkte wird oft in der Spezifikation des Steckbretts angegeben.
Der Abstand zwischen den Clips (Leitungsabstand) beträgt typischerweise 0,1 Zoll (2,54 mm). Integrierte Schaltungen (ICs) in Dual-In-Line-Packages (DIPs) können eingefügt werden, um die Mittellinie des Blocks zu überspannen. In die verbleibenden freien Löcher können Verbindungsdrähte und die Leitungen diskreter Komponenten (wie Kondensatoren , Widerstände , und Induktivitäten ) eingeführt werden, um den Stromkreis zu vervollständigen. Wenn keine ICs verwendet werden, können diskrete Komponenten und Verbindungsdrähte jedes der Löcher verwenden. Normalerweise sind die Federklemmen für 1 Ampere bei 5 Volt und 0,333 Ampere bei 15 Volt (5 Watt ) ausgelegt. Die Kante des Bretts hat männliche und weibliche Schwalbenschwanzkerben, so dass Bretter zusammengeclipst werden können, um ein großes Steckbrett zu bilden.
Bus- und Klemmleisten
Lötfreie Steckbretter verbinden Stift mit Stift durch Metallstreifen im Steckbrett. Das Layout eines typischen lötfreien Steckbretts besteht aus zwei Arten von Bereichen, die als Streifen bezeichnet werden. Streifen bestehen aus miteinander verbundenen elektrischen Anschlüssen.
- Klemmenleisten
- Die Hauptbereiche, um die meisten elektronischen Komponenten zu halten.
- In der Mitte einer Klemmleiste eines Steckbretts findet man typischerweise eine parallel zur Längsseite verlaufende Kerbe. Die Kerbe dient zur Markierung der Mittellinie der Klemmleiste und bietet begrenzten Luftstrom (Kühlung) für DIP-ICs, die die Mittellinie überspannen. Die Clips rechts und links der Kerbe sind jeweils radial verbunden; typischerweise sind fünf Clips (dh unter fünf Löchern) in einer Reihe auf jeder Seite der Kerbe elektrisch verbunden. Die fünf Spalten auf der linken Seite der Kerbe sind oft mit A, B, C, D und E gekennzeichnet, während die auf der rechten Seite mit F, G, H, I und J gekennzeichnet sind. Line Pin Package (DIP) integrierter Schaltkreis (wie ein typischer DIP-14 oder DIP-16, die einen Abstand von 0,3 Zoll (7,6 mm) zwischen den Pinreihen aufweisen) wird in ein Steckbrett eingesteckt, die Pins einer Seite des Chip sollen in Spalte E gehen, während die Pins der anderen Seite in Spalte F auf der anderen Seite der Kerbe gehen. Die Reihen werden durch Zahlen von 1 bis zu so vielen identifiziert, wie das Steckbrett-Design geht. Die meisten Steckbretter sind für 17, 30 oder 64 Reihen in der Mini-, Halb- und Vollkonfiguration ausgelegt.
- Busstreifen
- Um die elektronischen Komponenten mit Strom zu versorgen.
- Eine Sammelschiene enthält normalerweise zwei Spalten: eine für Masse und eine für eine Versorgungsspannung. Einige Steckbretter bieten jedoch nur an jeder Längsseite eine einspaltige Stromverteilerleiste. Typischerweise ist die für eine Versorgungsspannung vorgesehene Zeile rot markiert, während die Zeile für Masse blau oder schwarz markiert ist. Einige Hersteller verbinden alle Klemmen in einer Spalte. Andere verbinden einfach Gruppen von beispielsweise 25 aufeinanderfolgenden Terminals in einer Spalte. Letzteres Design bietet einem Schaltungsdesigner etwas mehr Kontrolle über das Übersprechen (induktiv gekoppeltes Rauschen) auf dem Stromversorgungsbus. Häufig werden die Gruppen in einer Busleiste durch Lücken in der Farbmarkierung gekennzeichnet.
- Busleisten verlaufen typischerweise an einer oder beiden Seiten einer Klemmleiste oder zwischen Klemmleisten. Auf großen Steckbrettern befinden sich oft zusätzliche Busleisten oben und unten auf den Klemmleisten.
- Beachten Sie, dass es zwei verschiedene gemeinsame Ausrichtungen für die Stromschienenleisten gibt. Bei kleinen Platinen mit etwa 30 Reihen sind die Löcher für den Strombus oft zwischen den Signallöchern ausgerichtet. Auf größeren Platinen, etwa 63 Reihen, fluchten die Löcher der Strombusleiste oft mit den Signallöchern. Dadurch sind einige Zubehörteile, die für einen Kartentyp entwickelt wurden, mit dem anderen nicht kompatibel. Zum Beispiel verwenden einige Raspberry Pi GPIO-zu-Steckplatinen-Adapter versetzt ausgerichtete Stromstifte, sodass sie nicht auf Steckplatinen mit ausgerichteten Strombusreihen passen. Es gibt keine offiziellen Standards, daher müssen die Benutzer besonders auf die Kompatibilität zwischen einem bestimmten Steckbrettmodell und einem bestimmten Zubehör achten. Anbieter von Zubehör und Steckbrettern sind in ihren Spezifikationen nicht immer klar, welche Ausrichtung sie verwenden. Eine Nahaufnahme der Stift/Loch-Anordnung kann helfen, die Kompatibilität zu bestimmen.
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Einige Hersteller bieten separate Bus- und Klemmleisten an. Andere bieten nur Steckbrettblöcke an, die beide in einem Block enthalten. Oft können Steckbrettstreifen oder -blöcke einer Marke zusammengeclipst werden, um ein größeres Steckbrett zu erhalten.
In einer robusteren Variante werden ein oder mehrere Steckbrettstreifen auf einem Blech montiert. Typischerweise enthält dieses Trägerblatt auch eine Reihe von Bindungspunkten . Diese Pfosten bieten eine saubere Möglichkeit, eine externe Stromversorgung anzuschließen. Diese Art von Steckbrett ist möglicherweise etwas einfacher zu handhaben. Mehrere Bilder in diesem Artikel zeigen solche lötfreien Steckbretter.
Diagramm
Ein Steckbrettstreifen "voller Größe" besteht typischerweise aus etwa 56 bis 65 Reihen von Verbindern, wobei jede Reihe die oben erwähnten zwei Sätze verbundener Klemmen (A bis E und F bis J) enthält. Zusammen mit den Busstreifen auf jeder Seite bildet dies ein typisches lötfreies Steckbrett von 784 bis 910 Verbindungspunkten. "Small Size"-Streifen haben normalerweise etwa 30 Reihen. Es gibt lötfreie Miniatur-Breadboards mit einer Größe von nur 17 Reihen (keine Busleisten, 170 Verbindungspunkte), die jedoch nur für kleine und einfache Designs geeignet sind.
Überbrückungsdrähte
Überbrückungsdrähte (auch Überbrückungsdrähte genannt) für das lötfreie Breadboarding sind in gebrauchsfertigen Überbrückungsdrahtsätzen erhältlich oder können manuell hergestellt werden. Letzteres kann bei größeren Schaltungen zur mühsamen Arbeit werden. Gebrauchsfertige Starthilfekabel gibt es in verschiedenen Qualitäten, teilweise sogar mit winzigen Steckern an den Drahtenden. Das Überbrückungsdrahtmaterial für konfektionierte oder selbstgemachte Drähte sollte normalerweise aus massivem Kupferdraht von 22 AWG (0,33 mm 2 ) bestehen, verzinnt - vorausgesetzt, dass keine winzigen Stecker an den Drahtenden angebracht werden. Die Drahtenden abisoliert werden soll 3 / 16 zu 5 / 16 in (4,8 bis 7,9 mm). Kürzere abisolierte Drähte können zu einem schlechten Kontakt mit den Federklemmen der Platine führen (Isolierung wird in den Federn eingeklemmt). Längere abisolierte Drähte erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen auf der Platine. Spitzzange und Pinzette sind hilfreich beim Einführen oder Entfernen von Drähten, insbesondere bei überfüllten Platinen.
Aus Konsistenzgründen werden oft verschiedenfarbige Drähte und Farbcodierungsdisziplinen eingehalten. Die Anzahl der verfügbaren Farben ist jedoch typischerweise weitaus geringer als die Anzahl der Signaltypen oder -pfade. Typischerweise sind einige Kabelfarben für die Versorgungsspannungen und Masse reserviert (zB rot, blau, schwarz), einige sind für Hauptsignale reserviert und der Rest wird einfach verwendet, wo es sinnvoll ist. Einige gebrauchsfertige Starthilfekabelsets verwenden die Farbe, um die Länge der Kabel anzuzeigen, aber diese Sets ermöglichen kein aussagekräftiges Farbcodierungsschema.
Fortschrittliche lötfreie Steckplatinen
Einige Hersteller bieten High-End-Versionen von lötfreien Steckplatinen an. Dies sind typischerweise hochwertige Steckbrettmodule, die auf einem flachen Gehäuse montiert sind. Das Gehäuse enthält zusätzliche Ausrüstung für das Breadboarding, wie z. B. ein Netzteil , einen oder mehrere Signalgeneratoren , serielle Schnittstellen , LED-Anzeige- oder LCD-Module und Logiktastköpfe .
Lötfreie Steckplatinenmodule können auch auf Geräten wie Mikrocontroller- Evaluierungsplatinen montiert gefunden werden. Sie bieten eine einfache Möglichkeit, dem Evaluierungsboard zusätzliche Peripherieschaltungen hinzuzufügen.
Hohe Frequenzen und tote Käfer
Für die Hochfrequenzentwicklung bietet ein Metall-Steckbrett eine wünschenswerte lötbare Masseebene, oft ein ungeätztes Stück gedruckter Leiterplatte; integrierte Schaltungen werden manchmal verkehrt herum auf das Steckbrett geklebt und direkt angelötet, eine Technik, die wegen ihres Aussehens manchmal als " Dead Bug "-Konstruktion bezeichnet wird. Beispiele für tote Fehler mit Groundplane-Konstruktion sind in einer Anwendungsnotiz von Linear Technologies dargestellt.
Einschränkungen
Aufgrund relativ große parasitäre Kapazität im Vergleich zu einem ordnungsgemäß PCB gelegt (ca. 2 pF zwischen benachbarten Kontaktsäulen), hohe Induktivität von einigen Verbindungen und einem relativ hohen und nicht sehr reproduzierbare Kontaktwiderstand , sind bei relativ niedrigen Frequenzen für den Betrieb lötfreien Experimentiersyst begrenzt, normalerweise weniger als 10 MHz , abhängig von der Art der Schaltung. Der relativ hohe Übergangswiderstand kann bereits für einige Gleichstrom- und sehr niederfrequente Stromkreise ein Problem darstellen. Lötfreie Steckbretter werden weiter durch ihre Spannungs- und Stromwerte eingeschränkt.
Lötfreien Experimentiersyst Regel nicht aufnehmen oberflächenmontierbaren Technik Vorrichtungen (SMD) oder Komponenten mit Rasterabstand anders als 0,1 Zoll (2,54 mm). Darüber hinaus können sie keine Komponenten mit mehreren Reihen von Steckverbindern aufnehmen, wenn diese Steckverbinder nicht dem dualen Inline- Layout entsprechen – es ist unmöglich, die richtige elektrische Konnektivität bereitzustellen. Manchmal können kleine PCB- Adapter, sogenannte "Breakout-Adapter", verwendet werden, um das Bauteil an die Platine anzupassen. Solche Adapter tragen eine oder mehrere Komponenten und haben einen Abstand von 0,1 Zoll (2,54 mm) männlichen Steckerstiften in einem einzelnen Inline- oder Dual-Inline-Layout zum Einsetzen in ein lötfreies Steckbrett. Größere Bauteile werden meist in eine Buchse am Adapter gesteckt, kleinere Bauteile (zB SMD-Widerstände) meist direkt auf den Adapter gelötet. Der Adapter wird dann über die 0,1 Zoll (2,54 mm) Anschlüsse in das Steckbrett eingesteckt. Die Notwendigkeit, die Komponenten auf den Adapter zu löten, macht jedoch einige der Vorteile der Verwendung eines lötfreien Steckbretts zunichte.
Sehr komplexe Schaltungen können auf einem lötfreien Steckbrett aufgrund des hohen Verdrahtungsaufwands unhandlich werden. Das einfache Ein- und Ausstecken von Verbindungen macht es auch zu leicht, eine Verbindung versehentlich zu stören, und das System wird unzuverlässig. Es ist möglich, Systeme mit Tausenden von Verbindungspunkten zu prototypisieren, aber bei der sorgfältigen Montage ist große Sorgfalt erforderlich, und ein solches System wird unzuverlässig, da sich der Übergangswiderstand im Laufe der Zeit entwickelt. Irgendwann müssen sehr komplexe Systeme in eine zuverlässigere Verbindungstechnologie implementiert werden, um eine Wahrscheinlichkeit zu haben, über einen nutzbaren Zeitraum zu funktionieren.
Weiterlesen
- Patente
- US-Patent 231708, eingereicht 1880, " Elektrische Schalttafel ".
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- US-Patent 2885602, eingereicht 1955, " Modular Circuit Fabrication ".
- US-Patent 3062991, eingereicht 1958, " Schnellbefestigungs- und -trennsystem ".
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- US-Patent 3085177, eingereicht 1960, " Vorrichtung zur Erleichterung des Aufbaus von elektrischen Geräten ".
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- US-Patent 3145483, eingereicht 1961, "Testboard für elektronische Schaltungen ".
- US-Patent 3277589, eingereicht 1964, " Elektrisches Experimentierset ".
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- US-Patent 3540135, eingereicht 1968, " Educational training aids ".
- US-Patent 3733574, eingereicht 1971, " Miniatur-Tandem- Federklammern ".
- US-Patent D228136, eingereicht 1971, " Breadboard for electronic components or dgl. ". Modernes Steckbrett.
Siehe auch
- Messingplatte
- DIN-Schiene , ein modulares System zum Aufbau und Verbinden komplexer Elektrokonstruktionen
- Dehnungsfeder
- Fahnestock-Clip
- Iteratives Design
- Optisches Steckbrett , eine ähnliche Prototyping-Anlage für optische Montagearbeiten
- Perfboard
- Stripboard
