Los adaptadores y kits adecuados permiten un Breadboarding flexible y eficiente con componentes modernos

Gracias al uso generalizado de diminutos dispositivos pasivos y activos y a las frecuencias de funcionamiento de los circuitos, que se sitúan en el rango de los gigahercios (GHz), la creación y evaluación de un diseño de circuito antes de su implantación en la placa de circuito impreso, y su posterior paso a un prototipo casi final, es un reto cada vez más difícil y a menudo frustrante. Los kits y técnicas de prototipos que funcionaban con dispositivos con plomo y circuitos integrados de doble paquete en línea (DIP) no son compatibles con los actuales paquetes de circuitos integrados de alta densidad, las almohadillas de plomo bajo el paquete y los dispositivos de tecnología de montaje superficial (SMT) casi invisibles, así como los módulos completos de RF o de procesador.

Sin embargo, hay buenas noticias en forma de herramientas de desarrollo basadas en el banco que permiten crear prototipos básicos, a la vez que se engranan con módulos de subcircuitos independientes. Con estos sistemas de prototipos, los aficionados, los fabricantes, los entusiastas del bricolaje y los profesionales de la ingeniería pueden construir, probar e integrar subsecciones del producto global en una unidad completa y funcional.

En este artículo se examinan las cuestiones básicas relacionadas con el breadboarding del componente electrónico moderno. A continuación, se examina cómo los adaptadores y los kits de prototipos de proveedores como Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties y Phase Dock, Inc. pueden utilizarse como base para crear prototipos que se asemejen más al producto final.

Por último, muestra cómo éstas facilitan la construcción de prototipos útiles y fiables que pueden validar las topologías e interfaces de los circuitos, permitir la conexión a módulos independientes y placas de evaluación según sea necesario, y dar lugar a prototipos significativos.

¿De dónde viene la placa electrónica?

El uso del término "breadboard" (placa de prueba) para un circuito de aspecto tosco e incluso burdo puede parecer desconcertante, pero la derivación es clara y está bien documentada. En los primeros tiempos de la electrónica, con las radios de cristal autoalimentadas e incluso con las radios básicas de tubo de vacío, los experimentadores y fabricantes de bricolaje (antes de que esa palabra se utilizara en el contexto actual) construían los circuitos en una verdadera protoboard, la tabla de madera que se utiliza para cortar el pan. Utilizaban tachuelas o clavos como puntos de conexión y envolvían los cables alrededor de ellos, a veces incluso soldando estas conexiones (Figura 1).

Figura 1: El término "protoboard" deriva del uso de una tabla de cortar de madera como base para circuitos electrónicos de bricolaje, como esta radio de tres tubos. (Fuente de la imagen: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Por supuesto, estas placas de madera están obsoletas como plataformas para circuitos que utilizan componentes modernos. A pesar de ello, los términos "breadboard" y "breadboarding" se han convertido en términos estándar asociados a los circuitos o subcircuitos de demostración construidos a grandes rasgos. Sin embargo, el avance de la tecnología electrónica desde los tubos de vacío hasta los transistores discretos con plomo y los componentes pasivos, los circuitos integrados DIP y, ahora, los dispositivos de montaje superficial casi invisibles, ha tenido un impacto significativo en las técnicas y plataformas de breadboarding.

¿Cuál es la diferencia entre una protoboard y un prototipo?

Una pregunta obvia se refiere a la diferencia entre una protoboard y un prototipo. No existe una demarcación formal entre ambos, y a veces los términos se utilizan indistintamente. Sin embargo, la mayoría de los ingenieros utiliza el término "protoboard" para referirse a un trazado aproximado de un circuito o subcircuito que debe servir de apoyo a las fases preliminares de diseño, entre ellas:

• Comprobar la viabilidad de una idea de circuito básico, función o enfoque de diseño.
• Desarrollo y verificación de controladores de software.
• Garantizar la compatibilidad de las interfaces entre subcircuitos o entre un circuito y un transductor o una carga.
• Elaboración de protocolos y formatos de enlace de datos.
• Desarrollo y comprobación de un supuesto modelo.
• Evaluar el rendimiento de los circuitos y las funciones.

A partir de la lista anterior, es fácil ver las muchas funciones importantes que desempeña la protoboard en el diseño del producto, aunque no sea un sistema completo y carezca del embalaje y de muchas de las "campanas y silbatos" del producto final. Por ejemplo, una protoboard suele depender de una fuente de alimentación externa en lugar de la interna del producto enviado. Debido a su disposición amplia y abierta, la protoboard suele ser susceptible de ser sondeada, ajustada e incluso de sustituir componentes. Sin embargo, la realidad física de un diseño tan disperso significa que algunas de las capacidades de rendimiento no están disponibles, especialmente las asociadas con la operación de alta frecuencia, debido a la disposición y a las parásitos e interacciones de los componentes.

En cambio, un prototipo es mucho más parecido al producto final y utiliza los mismos componentes, el mismo embalaje, el mismo factor de forma y la misma entrada y salida del usuario. Además de ser funcionalmente completo, un prototipo se utiliza a menudo para comprobar aspectos de fabricación como la holgura física y los problemas de montaje, las trayectorias térmicas, la interacción con el usuario y el atractivo visual y la apariencia.

Comience con los adaptadores básicos

El breadboarding actual requiere la capacidad de conectar y utilizar los diminutos circuitos integrados que dominan los diseños modernos. Por ejemplo, es posible soldar un CI SOT-23 de seis terminales a una placa de circuito impreso más grande, pero hacer -y sobre todo cambiar- las conexiones al dispositivo será difícil debido a su pequeño tamaño y al estrecho paso de los terminales. La situación es más complicada cuando el CI solo tiene parachoques en los bajos de la carrocería.

Una solución es utilizar un dispositivo como el adaptador de zócalo LCQT-SOT23-6 de Aries Electronics. Esto transforma un SOT-23 en una carcasa DIP de seis terminales (Figura 2). Una vez que el dispositivo SOT-23 tiene el aspecto de un DIP con una separación de cables de 0.1 pulgadas (in), puede utilizarse con una de las soluciones de breadboarding diseñadas para dispositivos DIP más grandes.

Figura 2: El adaptador de zócalo LCQT-SOT23-6 transforma un minúsculo y difícil de manejar encapsulado SOT-23 en un dispositivo DIP mucho más manejable con una separación de cables DIP estándar. (Fuente de la imagen: Aries Electronics)

Muchos diseños utilizan una serie de componentes SMT con diferentes tamaños de paquetes y configuraciones de pines. En estas situaciones, los adaptadores de un solo zócalo pueden resultar difíciles de manejar e interconectar. La placa adaptadora 202-0042-01 QFN de Schmartboard puede minimizar la posible confusión (Figura 3). Esta placa de 2 × 2 pulgadas acepta hasta cinco CI diferentes con 16 y 28 pines con un paso de 0.5 milímetros (mm), 20 pines con un paso de 0.65 mm y 12 y 16 pines con un paso de 0.8 mm (para dispositivos QFN).

Figura 3: Una placa adaptadora como la 202-0042-01-QFN permite soldar y conectar múltiples paquetes de CI SMT. (Fuente de la imagen: Schmartboard)

El 202-0042-01-QFN utiliza una tecnología patentada que permite una soldadura manual rápida, fácil y sin problemas de estos pequeños componentes de montaje superficial. Además, los múltiples agujeros pasantes asociados a cada pin del CI facilitan la conexión de los componentes residentes entre sí, si se desea, o con otros dispositivos y placas.

A veces, el reto del prototipo no consiste en conectarse a un circuito integrado, sino en acceder a los pines de un cable o un conector de un dispositivo periférico y controlarlos. Por ejemplo, cuando el conector RS-232 de 25 pines era la interfaz de comunicaciones dominante, una "caja de conexiones" con interruptores de encendido/apagado y terminales de puente para la mayoría de los pines era tan común como un multímetro (Figura 4).

Figura 4: Esta caja de conexiones RS-232 es esencial para controlar y reordenar los hilos del cable de 25 pines de ese conector y estándar tan utilizado en el pasado. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Aunque estas cajas RS-232 rara vez se necesitan ahora, hay una necesidad análoga de funcionalidad de ruptura para dispositivos periféricos como las tarjetas Micro SD. Un adaptador útil para esta función es el Adafruit Industries 254 Micro SD Card Breakout Board que permite a los diseñadores conectarse, probar y verificar tanto las conexiones de la interfaz de hardware como el software del controlador para estas tarjetas de memoria ampliamente utilizadas (Figura 5).

Figura 5: Utilizando la placa de interconexión de la tarjeta Micro SD Adafruit 254, los diseñadores pueden interconectar, acceder y supervisar fácilmente las señales entre un procesador de sistema y este dispositivo de memoria periférica. (Fuente de la imagen: Adafruit)

La placa incluye un regulador de caída ultrabaja para convertir los voltajes entre 3.3 voltios y 6 voltios a 3.3 voltios para la tarjeta Micro SD, y un cambiador de nivel para convertir la lógica de la interfaz (3.3 voltios a 5 voltios) a 3.3 voltios para que la placa pueda conectarse con microcontroladores de 3.3 voltios o 5 voltios. El cabezal separado se puede soldar en el adaptador para llevar las conexiones a pines espaciados con un paso de 0.1 pulgadas.

Más allá de los adaptadores

Los adaptadores pueden resolver los problemas de conexión con los componentes individuales, pero éstos son sólo los bloques de construcción del diseño final. Los componentes, ahora accesibles, deben conectarse a otros componentes activos y pasivos, admitir interfaces de entrada/salida (E/S), permitir la sustitución de componentes y ofrecer puntos de prueba formales e incluso sondeos imprevistos.

Una de las primeras placas de panificación que permitía alojar de forma fácil y directa dispositivos en paquetes dobles en línea (DIP), así como componentes discretos con plomo, fue la placa de panificación sin soldadura, desarrollada en la década de 1960 y que sigue siendo muy utilizada. Es cómodo, accesible, fácil de usar y admite una densidad de componentes razonable.

Un ejemplo es el conjunto de prototipos sin soldadura PB-104M de Global Specialties, muy adecuado para la creación de prototipos de circuitos de baja frecuencia (Figura 6). Está montada en un marco de 21 × 24 centímetros (9.45 pulgadas). × 8.27 in) e incluye 3220 puntos de conexión, cuatro postes de unión para conectar fuentes de alimentación y admite 28 circuitos integrados de 16 pines; los puentes se realizan con cable de 0.4 mm a 0.7 mm de diámetro pelado en el extremo. La clave de la versatilidad de esta protoboard es que los agujeros están separados 0.1 pulgadas para acomodar los componentes DIP estándar, así como los pines de los adaptadores y las cabeceras, además de los cables.

Figura 6: El ensamblaje de la protoboard sin soldadura PB-104M de Global Specialties admite múltiples circuitos integrados DIP, adaptadores de huella DIP, componentes discretos con cables y puentes individuales. (Fuente de la imagen: Global Specialties)

En su uso, la protoboard sin soldadura es una plataforma conectable en la que los circuitos integrados DIP y otros componentes se conectan mediante trozos cortos de cable sólido insertados en los orificios, que también se conectan a los cables de los componentes. Los dos carriles exteriores de cada lado suelen reservarse para la alimentación y la tierra, y alimentan los componentes activos a través de cables cortos de alimentación (Figura 7).

Figura 7: En una protoboard sin soldadura, los dos carriles exteriores de cada lado suelen reservarse para la alimentación y la tierra. Los cables de alimentación cortos conectan los carriles a los componentes activos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Es importante mantener cierta disciplina cuando se utiliza una protoboard sin soldadura. Por ejemplo, es una buena idea utilizar un código de colores para ayudar a identificar los cables, como el rojo para un carril positivo, el negro para un carril negativo y el verde para la tierra. Además, los usuarios deben tener cuidado de colocar los cables de los puentes de forma plana en la placa para minimizar el desorden, y colocar los puentes de interconexión alrededor de los circuitos integrados en lugar de sobre ellos, de modo que se puedan sondear e incluso cambiar los circuitos integrados con la mínima interrupción. De lo contrario, la placa sin soldaduras -como tantas otras implementaciones "temporales"- puede convertirse en un "nido de ratas" y ser muy difícil de depurar o rastrear (Figura 8).

Figura 8: Es necesario tener cuidado y disciplina a la hora de instalar los puentes para cualquier cosa que no sea el proyecto más pequeño en una protoboard sin soldaduras; de lo contrario, el resultado será un laberinto de cables indescifrables. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Una mezcla de prototipos para los diseños actuales

La protoboard sin soldadura se sigue utilizando ampliamente debido a su comodidad, flexibilidad y versatilidad, pero tiene graves limitaciones con los diseños modernos que operan a altas velocidades y frecuencias de reloj, a menudo combinando placas de ordenador premontadas, circuitos y módulos de RF y módulos de potencia. Para ello, se necesita un sistema que permita la integración de múltiples prototipos, plataformas y subconjuntos en una unidad mayor que pueda soportar la funcionalidad del sistema completo.

Una de estas protoboard es el sistema de montaje de prototipos Phase Dock 10104 (Figura 9). Un sistema básico consiste en una matriz de base de 10 × 7 pulgadas con 54 pulgadas cuadradas de superficie de trabajo, cinco "Clics" de dos tamaños utilizados para montar la electrónica, así como "Slides" utilizados para montar Arduino, Raspberry Pi, o módulos similares; también incluye los pequeños elementos de hardware como los tornillos que permiten al ingeniero montar los combos de Click/Slide, montar la electrónica en los Slides, montar la electrónica directamente en los Clics (sin Slides), añadir la electrónica de la "torre" de perfil más alto, y gestionar los cables. También hay una cubierta de plástico transparente opcional que proporciona protección, mejora la apariencia y facilita el transporte.

Figura 9: El sistema básico de montaje de prototipos Phase Dock 10104 incluye una matriz base (arriba); clics para el montaje de la electrónica (fila central); correderas para utilizar Arduino y plataformas similares (fila inferior); y el importantísimo hardware de montaje (fila inferior - izquierda). (Fuente de la imagen: Phase Dock, Inc.)

Este sistema de desarrollo de productos permite mezclar, en una sola plataforma, diferentes tecnologías de placas y módulos, como placas sin soldadura, placas especiales con terminales de tornillo y conectores, plataformas de procesadores como las RedBoards de SparkFun, e incluso soportes que sostienen interruptores y potenciómetros discretos (Figura 10). Todos ellos se montan firmemente en la base de Phase Dock y luego se conectan según sea necesario para probar el concepto del sistema y depurarlo con el acceso necesario a las señales clave y los puntos de prueba.

Figura 10: El sistema Phase Dock admite el montaje y la interconexión de elementos del sistema "mix and match", incluidas las placas de pan sin soldadura (en blanco), las placas de PC especializadas (en verde) y las plataformas de procesadores como las Redboards de SparkFun (en rojo) para este sistema de controlador automatizado. (Fuente de la imagen: Phase Dock, Inc.)

Las placas de evaluación de los vendedores se encargan de las placas de pruebas (breadboards).

Los circuitos integrados de alto rendimiento -especialmente los utilizados para señales de bajo nivel, amplificación de precisión o procesamiento de señales de RF- se ofrecen ahora casi inevitablemente con placas o kits de evaluación. Esto es necesario, ya que la configuración de estos componentes avanzados para comprobar su rendimiento en la aplicación de destino y su integración con el resto del sistema requiere el uso de componentes de apoyo adecuados (principalmente pasivos), además de una cuidadosa disposición y conexiones. La cuestión para los diseñadores es cómo trabajar mejor con estas tarjetas de evaluación, ya que su utilidad con respecto al diseño final del sistema oscila entre ser muy útil y un obstáculo.

Piensa en una placa de evaluación diseñada para ejercitar completamente un componente. Como tal, incluye componentes de apoyo adicionales como la memoria, los reguladores CC-CC locales y quizás incluso un microcontrolador. Aunque estos componentes pueden ser necesarios para una evaluación independiente, también pueden interferir con el uso real del CI en cuestión en el diseño del producto del ingeniero.

En el otro extremo, muchas de estas placas de evaluación tienen componentes como el conector especial necesario. El uso de la placa de evaluación libera al diseñador de tener que rehacer ese circuito ("reinventar la rueda"); un diseño de placa de evaluación bien hecho y adecuadamente documentado suele ser tan bueno o mejor que un circuito creado por alguien del proveedor que puede estar íntimamente familiarizado con el CI.

El reto del diseñador, por lo tanto, es reconocer y aprovechar las ventajas de la placa de evaluación suministrada por el proveedor en la disposición de prototipos. Considere un CI "pequeño" como el ADL6012 de Analog Devices, un detector de envolvente de banda ancha de 2 GHz a 67 GHz y 500 megahercios (MHz). La interconexión básica de este LFCSP de 10 terminales parece bastante sencilla en su diagrama esquemático, pero su uso real es más difícil, ya que requiere un diseño cuidadoso, una derivación y conectores de RF de alta gama (Figura 11).

Figura 11: Conexión y uso del detector de envolvente de banda ancha ADL6012 de Analog Devices parece bastante simple "sobre el papel", pero, hay muchas sutilezas de diseño y disposición. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para los diseñadores que deseen incorporar este circuito integrado de RF a su diseño, tiene sentido entender primero sus características, probar sus interfaces y "afinar" su ajuste en el proyecto general aprovechando la placa de evaluación ADL6012-EVALZ en la fase de prototipo, antes de crear un esquema final y elaborar el diseño y el embalaje (Figura 12).

Figura 12: La placa de evaluación ADL6012-EVALZ libera al diseñador de tener que lidiar con las muchas y sutiles complejidades del diseño de este CI de aspecto sencillo, pero sofisticado; su incorporación en una protoboard minimiza el tiempo de desarrollo del producto y la frustración. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El reto de la protoboard es permitir físicamente el uso de la placa de evaluación, añadir fuentes de alimentación y proporcionar el amplificador de entrada de RF y la carga de salida diferencial especificada, junto con cualquier procesador e interfaces para la fase de pre-prototipo que conduce a la configuración del producto prototipo. Para ello será necesario combinar técnicas, plataformas y enfoques de breadboarding.

Conclusión:

Los adaptadores y las placas de conexión permiten a los diseñadores integrar, interconectar, ejercitar y evaluar los diminutos componentes, a menudo sin plomo, que son estándar en casi todos los productos modernos. Las nuevas iteraciones van más allá de la todavía muy utilizada protoboard sin soldaduras y permiten mezclar y combinar componentes, módulos y otros conjuntos. Estos mejoran la resistencia física, minimizan el montaje y el cableado antiestético, propenso a errores y poco fiable. El uso de estos adaptadores y protoboards acelera la fase de prueba y depuración y permite obtener prototipos viables en menos tiempo.