Správné adaptéry a soupravy umožňují flexibilní a efektivní nepájivá pole s moderními komponentami

Díky rozšířenému používání malých pasivních a aktivních zařízení a provozních frekvencí obvodů až do gigahertzového rozsahu je vytváření a vyhodnocování návrhu obvodu před připojením k desce plošných spojů a pak postupováním až k téměř finálnímu prototypu stále obtížnější a často také plné nesnází. Sady a techniky pro nepájivé pole, které fungovaly pro olověná zařízení a pouzdra DIP (Dual In-line Package), nejsou kompatibilní s dnešními pouzdry s vysokou hustotou integrovaných obvodů, olověnými podložkami pod pouzdro a téměř neviditelnými zařízeními s technologií povrchové montáže („Surface Mount Technology“, SMT) stejně jako s kompletními RF nebo procesorovými moduly.

Je tady však dobrá zpráva v podobě dílenských vývojových nástrojů, které umožňují vytvářet základní nepájivá pole a současně zapojovat samostatné moduly podobvodů. Pomocí těchto systémů nepájivých polí mohou amatéři, tvůrci, kutilové i profesionální technici sestavovat, testovat a integrovat dílčí části celkového produktu do uceleného a funkčního celku.

V tomto článku se zabýváme základními problémy spojenými s nepájivými poli komponent moderní elektroniky. Poté se podíváme na to, jak adaptéry a sady nepájivých polí od dodavatelů, jako jsou společnosti Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties a Phase Dock, Inc., mohou být použity jako základ pro prototypy, které se více podobají konečnému produktu.

Nakonec si ukážeme, jak tyto součástky usnadňují konstrukci užitečných a spolehlivých nepájivých polí, která mohou ověřit topologie obvodů a rozhraní, umožňují připojení k nezávislým modulům a vyhodnocovacím deskám podle potřeby a vedou ke smysluplným prototypům.

Kde se vzalo nepájivé pole pro elektroniku?

Použití výrazu „nepájivé pole“ (anglicky „breadboard“, tedy „prkénko na chleba“) pro obvod, který vypadá hrubě a dokonce nezpracovaně, se může zdát zavádějící, ale odvození je jasné a dobře zdokumentované. V počátcích elektroniky v době rozhlasových přijímačů – krystalek s vlastním napájením a dokonce základních elektronkových rádií – sestavovali domácí kutilové a tvůrci (v jiném významu, než mu dává současný kontext) obvody na skutečné desce, dřevěném prkénku používaném ke krájení chleba. Jako připojovací body používali cvočky nebo hřebíky a omotali kolem nich dráty. Někdy tato spojení dokonce pájeli (obrázek 1).

Obrázek 1: Anglický termín „breadboard“ pochází z používání dřevěného prkénka jako platformy pro amatérské elektronické obvody pro kutily, jako je toto rádio se třemi elektronkami. (Zdroj obrázku: Warren Young / Tangentsoft.net)

Tato dřevěné prkénka jsou jako platformy pro obvody využívající moderní komponenty samozřejmě zastaralá. Navzdory tomu se termíny „breadboard“ a „breadboarding“ staly běžnými termíny spojenými s nahrubo vybudovanými demonstračními obvody nebo podobvody. Pokrok elektronické technologie od elektronek k tranzistorům s diskrétními vývody a pasivním součástkám, integrovaným obvodům DIP a nyní k téměř neviditelným zařízením pro povrchovou montáž má však značný dopad na techniky a platformy nepájivých polí.

Rozdíl mezi nepájivým polem a prototypem

Nabízí se zjevně otázka, jaký je rozdíl mezi nepájivým polem a prototypem. Mezi těmito dvěma termíny není žádná pevně daná hranice a oba termíny se někdy vzájemně zaměňují. Většina techniků však používá termín nepájivé pole k označení hrubého rozvržení obvodu nebo podobvodu, které musí podporovat předběžné fáze návrhu, včetně následujících:

• Kontrola životaschopnosti myšlenky, funkce nebo koncepce základního obvodu
• Vývoj a ověřování softwarových ovladačů
• Zajištění kompatibility rozhraní mezi podobvody nebo mezi obvodem a převodníkem nebo zátěží
• Zpracování protokolů a formátů datového spojení
• Vývoj a ověřování předpokládaného modelu
• Vyhodnocení obvodu a funkčního výkonu

Z výše uvedeného seznamu lze snadno vyčíst mnoho důležitých rolí, které nepájivé pole hraje v návrhu produktu, dokonce i když to není kompletní systém a chybí mu obal, stejně jako mnoho dalších vlastností konečného produktu. Například nepájivé pole často spoléhá spíše na externí napájení než na interní napájení dodaného produktu. Díky svému širokému a otevřenému uspořádání umožňuje nepájivé pole obvykle snímání sondami, nastavování a dokonce i výměnu součástek. Fyzická realita takového rozloženého rozvržení však znamená, že některé výkonnostní funkce nejsou k dispozici, zejména ty, které jsou spojeny s provozem s vyšší frekvencí, kvůli parazitním prvkům a interakcím rozložení a komponent.

Naproti tomu prototyp je mnohem blíže konečnému produktu a používá stejné komponenty, pouzdro, tvarový faktor a uživatelský I/O. Kromě toho, že je prototyp funkčně kompletní, používá se často ke kontrole výrobních problémů, jako jsou potíže s fyzickou vůlí a sestavením, tepelnými cestami, uživatelskou interakcí a vizuální přitažlivostí a vzhledem.

Základní adaptéry jako začátek

Současné nepájivé pole vyžaduje schopnost připojení malých integrovaných obvodů, které dominují modernímu návrhu, a jejich používání. Je například možné připájet integrovaný obvod SOT-23 se šesti přívody k větší desce plošných spojů, ale vytváření a zejména změna připojení k zařízení bude obtížné kvůli jeho malým rozměrům a úzké rozteči přívodů. Situace je náročnější, když má podložky proti nárazům pod spodní částí pouze integrovaný obvod.

Jedním z řešení je použít zařízení, jako je zásuvkový adaptér LCQT-SOT23-6 společnosti Aries Electronics. Tím se obvod SOT-23 transformuje na DIP pouzdro se šesti přívody (obrázek 2). Jakmile zařízení SOT-23 vypadá jako DIP s roztečí 0,1 palce (2,5 mm), lze jej použít s jedním z řešení napájecího pole určených pro větší zařízení DIP.

Obrázek 2: Zásuvkový adaptér LCQT-SOT23-6 transformuje malé šestivývodové pouzdro SOT-23 s obtížnou manipulací na zařízení DIP se standardní roztečí přívodů DIP, se kterým se mnohem lépe pracuje. (Zdroj obrázku: společnost Aries Electronics)

Mnoho návrhů používá řadu komponent SMT s různými velikostmi pouzdra a konfiguracemi pinů. V těchto situacích se může stát, že více adaptérů zásuvky pro IO může být na manipulaci a propojení nepraktických. Adaptérová deska 202-0042-01 QFN společnosti Schmartboard může minimalizovat potenciální záměnu (obrázek 3). Tato deska 2 × 2 palce (5 × 5 mm) přijímá až pět různých integrovaných obvodů se 16 a 28 piny s roztečí 0,5 mm, se 20 piny s roztečí 0,65 mm a se 12 a 16 piny s roztečí 0,8 mm (pro zařízení QFN).

Obrázek 3: Adaptérová deska, jako je 202-0042-01-QFN, umožňuje pájení na desku a rozdělení přívodů pro více pouzder integrovaných obvodů SMT. (Zdroj obrázku: společnost Schmartboard)

Deska 202-0042-01-QFN využívá patentovanou technologii, která umožňuje rychlé, snadné a bezproblémové ruční pájení těchto drobných komponent pro povrchovou montáž. Kromě toho vícenásobné pokovené průchozí otvory spojené s jednotlivými piny integrovaného obvodu usnadňují připojení rezidentních komponent k sobě navzájem, je-li to žádoucí, nebo k jiným zařízením a deskám.

Někdy není výzvou spojenou s nepájivým polem připojení k integrovanému obvodu, ale přístup a monitorování pinů kabelu nebo konektoru periferního zařízení. Například když byl 25pinový konektor RS-232 dominantním komunikačním rozhraním, „oddělovací box“ s vypínači a propojovacími terminály byl pro většinu pinů stejně běžný jako multimetr (obrázek 4).

Obrázek 4: Tento rozvodný box RS-232 je nezbytný pro monitorování a přeuspořádání vodičů v 25pinovém kabelu dříve velmi široce používaného konektoru a standardu. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

I když jsou tyto boxy RS-232 v současné době potřeba zřídka, existuje analogická potřeba rozvodných funkcí pro periferní zařízení, jako jsou karty Micro SD. Užitečným adaptérem pro tuto funkci je rozvodná deska pro kartu Micro SD 254 společnosti Adafruit Industries, která umožňuje konstruktérům připojit se k těmto široce používaným paměťovým kartám, testovat je a ověřit jak připojení hardwarového rozhraní, tak softwaru ovladače (obrázek 5).

Obrázek 5: Pomocí rozvodné desky 254 společnosti Adafruit pro kartu Micro SD mohou konstruktéři snadno komunikovat se signály procesoru systému a tímto periferním paměťovým zařízením, přistupovat k nim a sledovat je. (Zdroj obrázku: společnost Adafruit)

Deska obsahuje regulátor s velmi nízkým úbytkem pro převod napětí mezi 3,3 V a 6 V na 3,3 V pro kartu Micro SD a posouvač úrovní pro převod logiky rozhraní (3,3 V na 5 V) na 3,3 V, takže desku lze připojit k 3,3V nebo 5V mikrokontrolérům. Samostatnou patici lze připájet k adaptéru a přivést spoje na piny s roztečí 0,1 palce (2 mm).

Pohyb mimo rozsah adaptérů

Adaptéry mohou vyřešit problémy s připojením k jednotlivým komponentám, ale jsou to pouze stavební kameny konečného návrhu. Nyní přístupné komponenty se musí připojit k dalším aktivním a pasivním komponentám, podporovat vstupní/výstupní (I/O) rozhraní, povolit výměnu komponent a zajistit formální testovací body a dokonce i neočekávané testování sondami.

Jednou z prvních desek, které si snadno a přímo poradily se zařízeními v pouzdrech DIP (Dual In-line Packages) stejně jako s diskrétními olověnými součástmi, bylo nepájivé pole, které bylo vyvinuto v šedesátých letech minulého století a stále se široce používá. Je pohodlné, dostupné, snadno použitelné a podporuje rozumnou hustotu komponent.

Příkladem je sestava nepájivého pole PB-104M s externím napájením od společnosti Global Specialties, která je vhodná pro prototypování nízkofrekvenčních obvodů (obrázek 6). Je namontováno v rámečku 21 × 24 cm (9,45 × 8,27 palce) a obsahuje 3 220 spojovacích bodů a čtyři zdířky pro připojení napájecích zdrojů a podporuje 28 16kolíkových integrovaných obvodů. Propojky jsou vyrobeny s použitím vodičů o průměru 0,4 mm až 0,7 mm odizolovaných na konci. Klíčem k univerzálnosti tohoto nepájivého pole je to, že otvory jsou od sebe vzdáleny 0,1 palce (2 mm), aby se do nich vešly kromě vodičů i standardní DIP komponenty a piny adaptérů a patice.

Obrázek 6: Sestava nepájivého pole PB-104M od společnosti Global Specialties obsahuje více integrovaných obvodů DIP, adaptéry s půdorysem DIP, diskrétní komponenty s vodiči a jednotlivé propojky. (Zdroj obrázku: společnost Global Specialties)

Při používání je nepájivé pole připojitelnou platformou, kde jsou integrované obvody DIP a další komponenty připojeny pomocí krátkých kusů pevného vodiče vloženého do otvorů, které se také připojují k vodičům součástek. Dvě vnější vedení podél každé strany jsou obvykle vyhrazeny pro napájení a uzemnění a napájejí aktivní součásti pomocí krátkých napájecích vodičů (obrázek 7).

Obrázek 7: V nepájivé desce jsou dvě vnější vedení podél každé strany obvykle vyhrazeny pro napájení a zem. Krátké napájecí vodiče spojují vedení s aktivními komponentami. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Při používání nepájivého pole je důležité dodržovat určitá pravidla. Například je dobré použít k identifikaci vodičů barevné kódování, například červenou pro kladné vedení, černou pro záporné vedení a zelenou pro zem. Uživatelé se také musí postarat o to, aby spojovací kabely položili na desku naplocho, aby se minimalizovalo neuspořádání, a aby spojovací propojky byly vedeny spíše přes integrované obvody než přes ně, aby bylo možné obvody zkoumat a dokonce měnit jen s minimálním narušením. V opačném případě se nepájivé pole – stejně jako mnoho jiných „dočasných“ implementací – může stát „krysím doupětem“ a je velmi obtížné ho ladit nebo sledovat (obrázek 8).

Obrázek 8: Při instalaci propojek na cokoli kromě nejmenšího projektu v nepájivém poli je nutná opatrnost a disciplína. V opačném případě je výsledkem bludiště spleti drátů. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

Mix nepájivých polí pro současné návrhy

Nepájivé pole je stále široce používané díky své praktičnosti, flexibilitě a univerzálnosti, ale má vážná omezení v moderních návrzích, které pracují s vysokými taktovacími frekvencemi a frekvencemi, často kombinují předem sestavené desky plošných spojů, RF obvody a moduly a napájecí moduly. Abychom je mohli přizpůsobit, je zapotřebí systém, který umožňuje integraci více nepájivých polí, prototypových platforem a podsestav do větší jednotky, která pak může podporovat dokončenou funkčnost systému.

Jedním z takových nepájivých polí je i montážní prototypový systém Phase Dock 10104 (obrázek 9). Základní systém se skládá ze základní matice 10 × 7 palců (25 × 18 mm) s pracovní plochou 54 čtverečních palců, pěti „cvaknutí“ ve dvou velikostech používaných k montáži elektroniky a „násuvných prvků“ používaných k montáži modulů Arduino, Raspberry Pi nebo podobných modulů. Obsahuje také drobné hardwarové položky, jako jsou šrouby, které umožňují technikovi sestavit kombinace zacvaknutí/nasunutí, namontovat elektroniku na násuvné prvky, namontovat elektroniku přímo na zacvaknutí (bez nasunutí), přidat elektroniku „tower“ s vyšším profilem a spravovat vodiče a kabely. K dispozici je také volitelný průhledný plastový kryt, který poskytuje ochranu, vylepšuje vzhled a usnadňuje přepravu.

Obrázek 9: Základní montážní prototypový systém Phase Dock 10104 obsahuje základní matici (nahoře), zacvaknutí pro montáž elektroniky (střední řada), násuvné prvky pro použití modulu Arduino a podobné platformy (spodní řada) a nejdůležitější montážní hardware (spodní řada vlevo). (Zdroj obrázku: společnost Phase Dock, Inc.)

Tento systém vývoje produktu umožňuje kombinovat na jedné platformě různé technologie desek a modulů, jako jsou nepájivá pole, speciální desky se šroubovými svorkami a konektory, procesorové platformy, jako jsou desky RedBoards společnosti SparkFun, a dokonce i držáky držící diskrétní spínače a potenciometry (obrázek 10). Všechny jsou pevně připevněny k základně Phase Dock a poté podle potřeby připojeny k otestování konceptu systému a jeho ladění s potřebným přístupem ke klíčovým signálům a testovacím bodům.

Obrázek 10: Systém Phase Dock podporuje montáž a propojování systémových prvků typu „kombinace a shoda“, včetně nepájivých polí (v bílé barvě), speciálních desek plošných spojů (zelená) a procesorových platforem, jako je Redboards společnosti SparkFun (červená) pro tento automatizovaný řídicí systém. (Zdroj obrázku: společnost Phase Dock, Inc.)

Vyhodnocovací desky dodavatelů zahrnují nepájivá pole

Vysoce výkonné integrované obvody – zejména ty, které se používají pro signály nízké úrovně, přesné zesílení nebo zpracování signálu RF – jsou nyní téměř nevyhnutelně nabízeny s vyhodnocovacími deskami nebo sadami. To je nutné, protože nastavení takovýchto pokročilých komponent ke kontrole jejich výkonu v cílové aplikaci a jejich integrace se zbytkem systému vyžaduje použití příslušných podpůrných komponent (většinou pasivních) plus pečlivé rozvržení a připojení. Otázkou pro konstruktéry je, jak nejlépe s těmito vyhodnocovacími deskami pracovat, protože jejich užitečnost s ohledem na konečný návrh systému se pohybuje od velmi užitečných po pouhé překážky.

Zvažte vyhodnocovací desku určenou k tomu, aby komponentu plně vyzkoušela. Jako taková obsahuje další podpůrné komponenty, jako je paměť, místní regulátory DC-DC a možná i mikrokontrolér. I když tyto součásti mohou být potřebné pro samostatné hodnocení, mohou také narušovat skutečné použití dotyčného integrovaného obvodu v návrhu produktu technika.

Na druhém konci má mnoho z těchto vyhodnocovacích desek komponenty, jako je nezbytný speciální konektor. Použití vyhodnocovací desky zbavuje konstruktéra nutnosti tento obvod znovu vytvářet („objevovat Ameriku“). Dobře provedený a řádně zdokumentovaný návrh vyhodnocovací desky je obvykle stejně dobrý nebo lepší než obvod vytvořený někým u dodavatele, kdo může být s integrovaným obvodem důkladně obeznámen.

Úkolem konstruktéra je proto rozpoznat a využít výhody vyhodnocovací desky poskytované dodavatelem v uspořádání nepájivého pole. Zvažte „malý“ integrovaný obvod, jako je širokopásmový detektor obálky pásma 2 GHz až 67 GHz, 500 MHz ADL6012 společnosti Analog Devices. Základní propojení tohoto 10vodičového LFCSP vypadá na schematickém diagramu poměrně jednoduše, ale skutečné použití je obtížnější, protože vyžaduje pečlivé rozložení, přemostění a špičkové RF konektory (obrázek 11).

Obrázek 11: Připojení a používání širokopásmového detektoru obálky ADL6012 společnosti Analog Devices vypadá „na papíře“ dostatečně jednoduše, ale ve skutečnosti existuje mnoho jemných rozdílů návrhu a rozvržení. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Pro konstruktéry, kteří chtějí začlenit tento RF integrovaný obvod do svého návrhu, stojí za to před vytvořením konečného schématu a zpracováním rozvržení a pouzdra nejprve porozumět jeho vlastnostem, otestovat jeho rozhraní a „doladit“ jeho přizpůsobení celkovému projektu využitím vyhodnocovací desky ADL6012-EVALZ ve fázi nepájivého pole (obrázek 12).

Obrázek 12: Vyhodnocovací deska ADL6012-EVALZ odlehčuje konstruktérovi od řešení mnoha jemných složitostí navrhování v tomto jednoduše vyhlížejícím, ale sofistikovaném integrovaném obvodu. Začlenění do nepájivého pole minimalizuje dobu vývoje produktu a nesnáze s tím spojené. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Úkolem souvisejícím s nepájivým polem je fyzicky umožnit použití vyhodnocovací desky, přidat napájecí zdroje a poskytnout vstupní zesilovač RF a specifikované rozdílové výstupní zatížení spolu s jakýmkoli procesorem a rozhraními pro fázi před prototypem vedoucí ke konfiguraci prototypu produktu. Bude to vyžadovat kombinaci technik nepájivého pole, platforem a přístupů.

Závěr

Adaptéry a rozvodné desky umožňují konstruktérům integrovat, propojovat, zkoušet a hodnotit drobné, často bezolovnaté komponenty, které jsou standardem téměř všech moderních produktů. Novější iterace přesahují stále široce používané nepájivé pole a umožňují kombinaci a párování komponent, modulů a dalších sestav. Ty zvyšují fyzickou odolnost, minimalizují nevzhlednost, náchylnost k chybám a nespolehlivost montáže a zapojení. Použití těchto adaptérů a nepájivých polí zrychluje fázi testování a ladění a vede k životaschopným prototypům za kratší dobu.