Макетная плата , беспаечная макетная плата или протоплата — это конструкционная основа, используемая для создания полупостоянных прототипов электронных схем . В отличие от перфорированной платы или полосовой платы , макетные платы не требуют пайки или разрушения дорожек и, следовательно, могут использоваться повторно. По этой причине макетные платы также популярны среди студентов и в технологическом образовании.
С помощью макетных плат можно создавать прототипы самых разных электронных систем: от небольших аналоговых и цифровых схем до полноценных центральных процессоров (ЦП).
По сравнению с более постоянными методами соединения цепей, современные макетные платы имеют высокую паразитную емкость , относительно высокое сопротивление и менее надежные соединения, которые подвержены толчкам и физической деградации. Сигнализация ограничена примерно 10 МГц, и не все работает должным образом даже значительно ниже этой частоты.
На заре радиолюбительства любители прибивали оголенные медные провода или клеммные колодки к деревянной доске (часто буквально к разделочной доске для хлеба ) и припаивали к ним электронные компоненты. [1] Иногда сначала на плату приклеивали бумажную принципиальную схему в качестве руководства по размещению клемм, затем компоненты и провода устанавливали поверх их символов на схеме. Также было распространено использование кнопок или маленьких гвоздей в качестве монтажных стоек.
Макетные платы со временем эволюционировали, и теперь этот термин используется для всех видов прототипов электронных устройств. Например, патент США 3,145,483, [2] был подан в 1961 году и описывает деревянную пластинчатую макетную плату с установленными пружинами и другими приспособлениями. Патент США 3,496,419, [3] был подан в 1967 году и ссылается на конкретную схему печатной платы как на печатную макетную плату . Оба примера ссылаются и описывают другие типы макетных плат как предшествующий уровень техники .
В 1960 году Орвилл Томпсон из Технического института ДеВри запатентовал беспаечную макетную плату, соединяющую ряды отверстий вместе с помощью пружинного металла. [4] В 1971 году Рональд Португал из E&L Instruments запатентовал похожую концепцию с отверстиями на расстоянии 0,1 дюйма (2,54 мм), такими же, как у корпусов DIP IC, которые стали основой современной беспаечной макетной платы, которая широко используется сегодня. [5]
Современная беспаечная макетная панель состоит из перфорированного блока пластика с многочисленными лужеными фосфорно-бронзовыми или никелево-серебряными пружинными зажимами под перфорацией. Зажимы часто называют точками связи или контактными точками . Количество точек связи часто указывается в спецификации макетной платы.
Расстояние между зажимами (шаг выводов) обычно составляет 0,1 дюйма (2,54 мм). Интегральные схемы (ИС) в корпусах с двухрядным расположением выводов (DIP) можно вставить так, чтобы они охватывали центральную линию блока. Соединительные провода и выводы дискретных компонентов (таких как конденсаторы , резисторы и индукторы ) можно вставить в оставшиеся свободные отверстия, чтобы завершить схему. Если ИС не используются, дискретные компоненты и соединительные провода могут использовать любые из отверстий. Обычно пружинные зажимы рассчитаны на 1 ампер при 5 вольтах и 0,333 ампера при 15 вольтах (5 Вт ).
Макетные платы без пайки соединяют штырьки с штырьками с помощью металлических полосок внутри макетной платы. Типичная макетная плата без пайки состоит из двух типов областей, называемых полосками. Полоски состоят из соединенных между собой электрических клемм. Часто макетные платы или блоки одной марки имеют пазы типа «ласточкин хвост» для мужчин и женщин , поэтому платы можно скрепить вместе, чтобы сформировать большую макетную плату.
Основные области, в которых размещается большинство электронных компонентов, называются клеммными колодками . В середине клеммной колодки макетной платы обычно находится выемка, идущая параллельно длинной стороне. Выемка должна отмечать осевую линию клеммной колодки и обеспечивать ограниченный поток воздуха (охлаждение) для DIP-ИС, охватывающих осевую линию [ требуется ссылка ] . Зажимы справа и слева от выемки соединены радиально; обычно пять зажимов (т. е. под пятью отверстиями) в ряд с каждой стороны выемки электрически соединены. Пять столбцов слева от выемки часто обозначаются как A, B, C, D и E, в то время как справа обозначаются как F, G, H, I и J. Когда «тонкая» двухрядная микросхема с выводами (DIP) (например, типичный DIP-14 или DIP-16, который имеет 0,3-дюймовое (7,6 мм) разделение между рядами выводов) вставляется в макетную плату, выводы одной стороны микросхемы должны входить в столбец E, а выводы другой стороны — в столбец F с другой стороны выемки. Ряды обозначаются номерами от 1 до того числа, которое предусмотрено конструкцией макетной платы. Полноразмерная клеммная колодка макетной платы обычно состоит примерно из 56–65 рядов разъемов. Вместе с шинными полосами с каждой стороны это составляет типичную беспаечную макетную плату с точками связи от 784 до 910. Большинство макетных плат рассчитаны на размещение 17, 30 или 64 рядов в мини-, половинной и полной конфигурациях соответственно.
Для подачи питания на электронные компоненты используются шины . Шина обычно содержит два столбца: один для заземления и один для напряжения питания. Однако некоторые макетные платы оснащены только одностолбцовой шиной распределения питания на каждой длинной стороне. Обычно ряд, предназначенный для напряжения питания, отмечен красным цветом, а ряд для заземления отмечен синим или черным цветом. Некоторые производители соединяют все клеммы в столбец. Другие просто соединяют группы, например, из 25 последовательных клемм в столбец. Последняя конструкция предоставляет разработчику схем больше контроля над перекрестными помехами (индуктивно связанным шумом) на шине питания. Часто группы в шине обозначены пробелами в цветовой маркировке. Шинные полосы обычно проходят по одной или обеим сторонам клеммной колодки или между клеммными колодками. На больших макетных платах дополнительные шинные полосы часто можно найти сверху и снизу клеммных колодок.
.jpg/1280px-Insidebreadboard_(2).jpg)
Некоторые производители выпускают отдельные шины и клеммные колодки. Другие просто выпускают макетные платы, которые содержат и то, и другое в одном блоке.
Провода-перемычки (также называемые перемычками) для макетирования без пайки можно приобрести в готовых наборах проводов-перемычек или изготовить вручную. Последнее может стать утомительной работой для больших схем. Готовые провода-перемычки бывают разного качества, некоторые даже с крошечными штекерами, прикрепленными к концам проводов. Материалом провода-перемычки для готовых или самодельных проводов обычно должен быть сплошной медный луженый провод 22 AWG (0,33 мм2 ) — при условии, что к концам проводов не будут прикреплены крошечные штекеры. Концы проводов должны быть зачищены на 3 ⁄ 16 до 5 ⁄ 16 дюйма (от 4,8 до 7,9 мм). Более короткие зачищенные провода могут привести к плохому контакту с пружинными зажимами платы (изоляция будет зажата пружинами). Более длинные зачищенные провода увеличивают вероятность коротких замыканий на плате. Плоскогубцы с тонкими губками и пинцеты полезны при вставке и извлечении проводов, особенно на переполненных платах.
Для согласованности часто соблюдаются разноцветные провода и цветовая кодировка . Однако количество доступных цветов обычно намного меньше, чем количество типов сигналов или путей. Обычно несколько цветов проводов зарезервированы для напряжений питания и заземления (например, красный, синий, черный), некоторые зарезервированы для основных сигналов, а остальные просто используются там, где это удобно. Некоторые готовые к использованию наборы соединительных проводов используют цвет для обозначения длины проводов, но эти наборы не позволяют использовать осмысленную схему цветовой кодировки.
В более прочном варианте одна или несколько полосок макетной платы монтируются на листе металла. Обычно этот подложечный лист также удерживает несколько зажимных клемм . Эти клеммы обеспечивают чистый способ подключения внешнего источника питания. Этот тип макетной платы может быть немного проще в обращении.
Некоторые производители предлагают высококачественные версии макетных плат без пайки. Обычно это высококачественные макетные модули, установленные на плоском корпусе. Корпус содержит дополнительное оборудование для макетирования, такое как источник питания , один или несколько генераторов сигналов , последовательные интерфейсы , светодиодные дисплеи или ЖК-модули и логические пробники . [21]
Для высокочастотной разработки металлическая макетная плата обеспечивает желаемую паяемую заземляющую плоскость, часто не протравленную часть печатной платы; интегральные схемы иногда приклеиваются к макетной плате вверх ногами и припаиваются напрямую, метод иногда называют конструкцией « мертвого жука » из-за ее внешнего вида. Примеры конструкции мертвого жука с заземляющей плоскостью проиллюстрированы в заметке по применению Linear Technologies. [22]
Распространенным применением в эпоху систем на кристалле (SoC) является получение микроконтроллера (MCU) на предварительно собранной печатной плате (PCB), которая представляет собой массив входных/выходных (IO) контактов в разъеме, подходящем для подключения к макетной плате, а затем прототипирование схемы, которая использует одно или несколько периферийных устройств MCU, таких как универсальный вход/выход (GPIO), последовательные приемопередатчики UART / USART , аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), широтно-импульсная модуляция (ШИМ; используется в управлении двигателем ), последовательный периферийный интерфейс (SPI) или I²C .
Затем разрабатывается прошивка для MCU для тестирования, отладки и взаимодействия с прототипом схемы. Высокочастотная работа затем в значительной степени ограничивается печатной платой SoC. В случае высокоскоростных соединений, таких как SPI и I²C, их можно отлаживать на более низкой скорости, а затем перемонтировать с использованием другой методологии сборки схемы для использования работы на полной скорости. Одна небольшая SoC часто предоставляет большинство этих вариантов электрического интерфейса в форм-факторе, едва превышающем большую почтовую марку, доступном на американском рынке хобби (и в других местах) за несколько долларов, что позволяет создавать довольно сложные проекты макетных плат при скромных затратах.
Из-за относительно большой паразитной емкости по сравнению с правильно разложенной печатной платой (приблизительно 2 пФ между соседними контактными столбцами [23] ), высокой индуктивности некоторых соединений и относительно высокого и не очень воспроизводимого контактного сопротивления , беспаечные макетные платы ограничены работой на относительно низких частотах, обычно менее 10 МГц , в зависимости от характера схемы. Относительно высокое контактное сопротивление уже может быть проблемой для некоторых схем постоянного тока и очень низкой частоты. Беспаечные макетные платы дополнительно ограничены своими номинальными значениями напряжения и тока.
Макетные платы без пайки обычно не могут вмещать устройства с технологией поверхностного монтажа (SMD) или компоненты с шагом сетки, отличным от 0,1 дюйма (2,54 мм). Кроме того, они не могут вмещать компоненты с несколькими рядами разъемов, если эти разъемы не соответствуют двухрядной компоновке — невозможно обеспечить правильное электрическое соединение. Иногда для установки компонента на плату можно использовать небольшие адаптеры печатных плат, называемые «адаптерами breakout». Такие адаптеры несут один или несколько компонентов и имеют штыревые контакты разъема с интервалом 0,1 дюйма (2,54 мм) в однорядной или двухрядной компоновке для вставки в макетную плату без пайки. Более крупные компоненты обычно вставляются в гнездо на адаптере, в то время как более мелкие компоненты (например, резисторы SMD) обычно припаиваются непосредственно к адаптеру. Затем адаптер вставляется в макетную плату через разъемы 0,1 дюйма (2,54 мм). Однако необходимость припаивать компоненты к адаптеру сводит на нет некоторые преимущества использования макетной платы без пайки.
Очень сложные схемы могут стать неуправляемыми на беспаечной макетной плате из-за большого количества требуемых проводов. Само удобство легкого подключения и отключения соединений также делает слишком легким случайное нарушение соединения, и система становится ненадежной. Можно прототипировать системы с тысячами точек соединения, но необходимо проявлять большую осторожность при тщательной сборке, и такая система становится ненадежной, поскольку со временем сопротивление контакта увеличивается. В какой-то момент очень сложные системы должны быть реализованы в более надежной технологии межсоединений, чтобы иметь вероятность работы в течение пригодного для использования периода времени.
Альтернативные методы создания прототипов — это построение «точка-точка» (напоминающее оригинальные деревянные макетные платы), накрутка проводов , монтажный карандаш и платы типа stripboard. Сложные системы, такие как современные компьютеры, состоящие из миллионов транзисторов , диодов и резисторов , не поддаются прототипированию с использованием макетных плат, поскольку их сложные конструкции может быть трудно разметить и отладить на макетной плате.
Современные схемы обычно разрабатываются с использованием системы схемотехнического захвата и моделирования и тестируются в программном моделировании до того, как первые прототипные схемы будут построены на печатной плате . Интегральные схемы представляют собой более экстремальную версию того же процесса: поскольку производство прототипного кремния является дорогостоящим, перед изготовлением первых прототипов выполняются обширные программные моделирования. Тем не менее, методы прототипирования все еще используются для некоторых приложений, таких как радиочастотные схемы, или там, где программные модели компонентов неточны или неполны.
Также возможно использовать квадратную сетку пар отверстий, где одно отверстие в паре соединяется со своим рядом, а другое соединяется со своим столбцом. Эта же форма может быть в круге с рядами и столбцами, каждый из которых закручивается по спирали по часовой стрелке/против часовой стрелки.
