Tablero de circuitos

400 puntos de mesa de pan sin soldadura con 0,1 pulgadas (2,54 mm) de orificio a agujero, vista superior y vista inferior

La placa de circuito impreso de 400 puntos (PCB) es eléctricamente equivalente a la tabla de pan sin soldadura por encima

Una placa de pruebas, placa de pruebas sin soldadura o placa de pruebas es una base de construcción utilizada para construir prototipos semipermanentes de circuitos electrónicos. A diferencia de un perfboard o stripboard, los protoboards no requieren soldadura ni destrucción de pistas y, por lo tanto, son reutilizables. Por esta razón, las protoboards también son populares entre los estudiantes y en la educación tecnológica.

Se pueden crear prototipos de una variedad de sistemas electrónicos mediante el uso de tableros, desde pequeños circuitos analógicos y digitales hasta unidades de procesamiento central (CPU) completas.

En comparación con los métodos de conexión de circuitos más permanentes, las placas de prueba modernas tienen una alta capacitancia parásita, una resistencia relativamente alta y conexiones menos confiables, que están sujetas a empujones y degradación física. La señalización está limitada a unos 10 MHz, y no todo funciona correctamente, incluso muy por debajo de esa frecuencia.

Historia

Circuitos educativos en bloques de madera

En los primeros días de la radio, los aficionados clavaban cables de cobre desnudos o regletas de terminales a una tabla de madera (a menudo, literalmente, una tabla para cortar pan) y les soldaban componentes electrónicos. A veces, primero se pegaba un diagrama esquemático en papel a la placa como guía para colocar los terminales, luego se instalaban los componentes y los cables sobre sus símbolos en el esquema. El uso de tachuelas o clavos pequeños como postes de montaje también era común.

Las placas de prueba han evolucionado con el tiempo y ahora el término se utiliza para todo tipo de prototipos de dispositivos electrónicos. Por ejemplo, la patente estadounidense 3.145.483 se presentó en 1961 y describe una placa de madera con resortes montados y otras instalaciones. La patente estadounidense 3.496.419 se presentó en 1967 y se refiere a un diseño de placa de circuito impreso particular como placa de prueba de circuito impreso. Ambos ejemplos se refieren y describen otros tipos de tableros como técnica anterior.

En 1960, Orville Thompson del Instituto Técnico DeVry patentó una placa de pruebas sin soldadura que conectaba filas de orificios con resortes metálicos. En 1971, Ronald Portugal de E&L Instruments patentó un concepto similar con orificios en espacios de 0,1 pulgadas (2,54 mm), lo mismo que los paquetes DIP IC, que se convirtió en la base de la moderna placa de prueba sin soldadura que se usa comúnmente en la actualidad.

Arte previo

Diseño

Breadboard consta de sólo tiras terminales pero sin tiras de autobús

Un zócalo de placa de prueba sin soldadura moderno consiste en un bloque perforado de plástico con numerosos clips de resorte de aleación de níquel plata o bronce fosforado estañado debajo de las perforaciones. Los clips a menudo se denominan puntos de enlace o puntos de contacto. El número de puntos de enlace a menudo se indica en las especificaciones de la placa de pruebas.

El espacio entre los clips (paso de plomo) suele ser de 0,1 pulgadas (2,54 mm). Se pueden insertar circuitos integrados (IC) en paquetes duales en línea (DIP) para montar a ambos lados de la línea central del bloque. Los cables de interconexión y los conductores de componentes discretos (como condensadores, resistencias e inductores) se pueden insertar en los orificios libres restantes para completar el circuito. Cuando no se utilicen circuitos integrados, los componentes discretos y los cables de conexión pueden utilizar cualquiera de los orificios. Por lo general, los clips de resorte están clasificados para 1 amperio a 5 voltios y 0,333 amperios a 15 voltios (5 vatios).

Bus y regletas de terminales

Pantalones sin soldadura con dobles tiras de autobús en ambos lados

Las placas de pruebas sin soldadura se conectan pin a pin mediante tiras de metal dentro de la placa de pruebas. El diseño de una placa de prueba típica sin soldadura se compone de dos tipos de áreas, llamadas tiras. Las tiras consisten en terminales eléctricos interconectados. A menudo, las tiras o bloques de placas de prueba de una marca tienen muescas de cola de milano macho y hembra para que las placas se puedan unir para formar una placa de prueba grande.

Las áreas principales, para albergar la mayoría de los componentes electrónicos, se denominan regletas de terminales. En el medio de una regleta de terminales de una placa de prueba, normalmente se encuentra una muesca paralela al lado largo. La muesca es para marcar la línea central de la tira de terminales y proporciona un flujo de aire limitado (enfriamiento) a los circuitos integrados DIP que se extienden a ambos lados de la línea central. Los clips a la derecha e izquierda de la muesca están conectados cada uno de forma radial; típicamente, cinco clips (es decir, debajo de cinco orificios) en una fila a cada lado de la muesca están conectados eléctricamente. Las cinco columnas a la izquierda de la muesca a menudo se marcan como A, B, C, D y E, mientras que las de la derecha se marcan como F, G, H, I y J. Cuando un "flaco&# 34; El circuito integrado de paquete de pines en línea dual (DIP) (como un DIP-14 o DIP-16 típico, que tiene una separación de 0,3 pulgadas (7,6 mm) entre las filas de pines) se conecta a una placa de prueba, los pines de uno Se supone que el lado del chip va a la columna E mientras que los pines del otro lado van a la columna F en el otro lado de la muesca. Las filas se identifican con números del 1 al número que corresponda según el diseño de la placa de prueba. Una tira de tablero de terminales de tamaño completo generalmente consta de alrededor de 56 a 65 filas de conectores. Junto con las tiras de bus en cada lado, esto forma una placa de prueba típica sin soldadura de 784 a 910 puntos de unión. La mayoría de las placas de prueba están diseñadas para albergar 17, 30 o 64 filas en las configuraciones mini, media y completa, respectivamente.

Para proporcionar energía a los componentes electrónicos, se utilizan regletas de bus. Una tira de bus generalmente contiene dos columnas: una para tierra y otra para voltaje de suministro. Sin embargo, algunas placas de prueba solo proporcionan una tira de bus de distribución de energía de una sola columna en cada lado largo. Por lo general, la fila destinada a un voltaje de suministro está marcada en rojo, mientras que la fila de tierra está marcada en azul o negro. Algunos fabricantes conectan todos los terminales en una columna. Otros simplemente conectan grupos de, por ejemplo, 25 terminales consecutivos en una columna. El último diseño proporciona al diseñador de circuitos algo más de control sobre la diafonía (ruido acoplado inductivamente) en el bus de la fuente de alimentación. A menudo, los grupos en una franja de autobús se indican mediante espacios en la marca de color. Las tiras de bus generalmente corren por uno o ambos lados de una tira de terminales o entre tiras de terminales. En placas de prueba grandes, a menudo se pueden encontrar tiras de bus adicionales en la parte superior e inferior de las tiras de terminales.

Dentro de una tira de pan sin soldadura

Algunos fabricantes proporcionan tiras de bus y terminales separadas. Otros simplemente proporcionan bloques de tablero que contienen ambos en un bloque.

Cables de salto

Cables de salto de 22AWG con puntas sólidas

Los cables de salto (también llamados cables de puente) para la placa de pruebas sin soldadura se pueden obtener en juegos de cables de salto listos para usar o se pueden fabricar manualmente. Este último puede convertirse en un trabajo tedioso para circuitos más grandes. Los cables de salto listos para usar vienen en diferentes calidades, algunos incluso con pequeños enchufes conectados a los extremos del cable. El material del cable de salto para cables prefabricados o caseros debe ser normalmente de cobre macizo de 22 AWG (0,33 mm²), estañado, suponiendo que no se conecten enchufes pequeños a los extremos del cable. Los extremos del cable se deben pelar 3⁄16 a 5⁄16 in (4,8 a 7,9 mm). Los cables pelados más cortos pueden provocar un mal contacto con los clips de resorte de la placa (el aislamiento queda atrapado en los resortes). Los cables pelados más largos aumentan la probabilidad de cortocircuitos en la placa. Los alicates de punta fina y las pinzas son útiles para insertar o quitar cables, especialmente en tableros llenos de gente.

Los cables de diferentes colores y la disciplina de codificación por colores a menudo se adhieren a la coherencia. Sin embargo, la cantidad de colores disponibles suele ser mucho menor que la cantidad de tipos de señales o rutas. Por lo general, algunos colores de cables se reservan para los voltajes de suministro y la conexión a tierra (p. ej., rojo, azul, negro), algunos se reservan para las señales principales y el resto simplemente se usa cuando es conveniente. Algunos juegos de cables de salto listos para usar usan el color para indicar la longitud de los cables, pero estos juegos no permiten un esquema de codificación de colores significativo.

Diseños avanzados

En una variante más robusta, una o más tiras de placa de pruebas se montan en una lámina de metal. Por lo general, esa hoja de respaldo también contiene varios postes de encuadernación. Estas publicaciones proporcionan una forma limpia de conectar una fuente de alimentación externa. Este tipo de protoboard puede ser un poco más fácil de manejar.

Algunos fabricantes ofrecen versiones de gama alta de placas de prueba sin soldadura. Suelen ser módulos de placa de prueba de alta calidad montados en una carcasa plana. La carcasa contiene equipo adicional para el protoboarding, como una fuente de alimentación, uno o más generadores de señales, interfaces seriales, pantallas LED o módulos LCD y sondas lógicas.

Para el desarrollo de alta frecuencia, una placa de prueba de metal proporciona un plano de tierra soldable deseable, a menudo una pieza de placa de circuito impreso sin grabar; los circuitos integrados a veces se pegan boca abajo a la placa de prueba y se sueldan directamente, una técnica que a veces se denomina "error muerto" construcción debido a su apariencia. En una nota de aplicación de Linear Technologies se ilustran ejemplos de error muerto con construcción de plano de tierra.

Usos

Un uso común en la era del sistema en un chip (SoC) es obtener un microcontrolador (MCU) en una placa de circuito impreso (PCB) preensamblada que expone una matriz de pines de entrada/salida (IO) en un encabezado. adecuado para enchufar en una placa de prueba y luego crear un prototipo de circuito que aproveche uno o más de los periféricos de MCU, como entrada/salida de uso general (GPIO), transceptores seriales UART/USART, analógico a digital (ADC), convertidor de digital a analógico (DAC), modulación de ancho de pulso (PWM; utilizado en el control de motores), interfaz periférica en serie (SPI) o I²C.

Luego, se desarrolla el firmware para que la MCU pruebe, depure e interactúe con el prototipo del circuito. La operación de alta frecuencia se limita en gran medida a la PCB del SoC. En el caso de las interconexiones de alta velocidad, como SPI e I²C, se pueden depurar a una velocidad más baja y luego volver a cablear utilizando una metodología de ensamblaje de circuitos diferente para explotar la operación a máxima velocidad. Un solo SoC pequeño a menudo proporciona la mayoría de estas opciones de interfaz eléctrica en un factor de forma apenas más grande que un sello postal grande, disponible en el mercado de pasatiempos estadounidense (y en otros lugares) por unos pocos dólares, lo que permite crear proyectos de placa de prueba bastante sofisticados a un costo modesto.

Limitaciones

Circuito complejo construido alrededor de un microprocesador

Prematuro de micrófono de tipo Prototipo construido con componentes SMD vendidos a tableros de adaptadores SIP- o DIL

Debido a la capacitancia parásita relativamente grande en comparación con una placa de circuito impreso correctamente diseñada (aproximadamente 2 pF entre columnas de contacto adyacentes), la alta inductancia de algunas conexiones y una resistencia de contacto relativamente alta y no muy reproducible, las placas de pruebas sin soldadura se limitan a funcionar a velocidades relativamente bajas. frecuencias bajas, generalmente menos de 10 MHz, dependiendo de la naturaleza del circuito. La resistencia de contacto relativamente alta ya puede ser un problema para algunos circuitos de CC y de muy baja frecuencia. Las placas de prueba sin soldadura están aún más limitadas por sus clasificaciones de voltaje y corriente.

Por lo general, las placas de prueba sin soldadura no pueden admitir dispositivos de tecnología de montaje en superficie (SMD) o componentes con un espaciado de cuadrícula distinto de 0,1 pulgadas (2,54 mm). Además, no pueden acomodar componentes con varias filas de conectores si estos conectores no coinciden con el diseño en línea dual; es imposible proporcionar la conectividad eléctrica correcta. A veces, los pequeños adaptadores de PCB llamados "adaptadores de ruptura" se puede utilizar para ajustar el componente a la placa. Dichos adaptadores llevan uno o más componentes y tienen pines de conector macho espaciados de 0,1 pulgadas (2,54 mm) en un diseño en línea simple o en línea doble, para insertarlos en una placa de prueba sin soldadura. Los componentes más grandes generalmente se conectan a un enchufe en el adaptador, mientras que los componentes más pequeños (por ejemplo, resistencias SMD) generalmente se sueldan directamente al adaptador. A continuación, el adaptador se conecta a la placa de prueba a través de los conectores de 2,54 mm (0,1 pulgadas). Sin embargo, la necesidad de soldar los componentes en el adaptador anula algunas de las ventajas de usar una placa de prueba sin soldadura.

Los circuitos muy complejos pueden volverse inmanejables en una placa de pruebas sin soldadura debido a la gran cantidad de cableado necesario. La misma conveniencia de enchufar y desenchufar fácilmente las conexiones también hace que sea muy fácil alterar accidentalmente una conexión y que el sistema se vuelva poco confiable. Es posible crear prototipos de sistemas con miles de puntos de conexión, pero se debe tener mucho cuidado en el ensamblaje cuidadoso, y dicho sistema se vuelve poco confiable a medida que se desarrolla la resistencia de contacto con el tiempo. En algún momento, los sistemas muy complejos deben implementarse en una tecnología de interconexión más confiable, para tener la probabilidad de funcionar durante un período de tiempo utilizable.

Alternativas

Los métodos alternativos para crear prototipos son la construcción punto a punto (que recuerda a las placas de pruebas de madera originales), la envoltura de alambre, el lápiz de cableado y tableros como el stripboard. Los sistemas complicados, como las computadoras modernas que comprenden millones de transistores, diodos y resistencias, no se prestan para la creación de prototipos con placas de pruebas, ya que sus diseños complejos pueden ser difíciles de diseñar y depurar en una placa de pruebas.

Los diseños de circuitos modernos generalmente se desarrollan utilizando un sistema de simulación y captura esquemática, y se prueban en simulación de software antes de construir los primeros prototipos de circuitos en una placa de circuito impreso. Los diseños de circuitos integrados son una versión más extrema del mismo proceso: dado que producir prototipos de silicio es costoso, se realizan extensas simulaciones de software antes de fabricar los primeros prototipos. Sin embargo, las técnicas de creación de prototipos todavía se utilizan para algunas aplicaciones, como circuitos de RF, o cuando los modelos de software de los componentes son inexactos o incompletos.

También es posible usar una cuadrícula cuadrada de pares de agujeros donde un agujero por par se conecta a su fila y el otro se conecta a su columna. Esta misma forma puede estar en un círculo con filas y columnas, cada una en espiral opuesta en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj.