Jak działa płytka stykowa (prototypowa)?

Płytka stykowa to przyrząd pomocny każdemu elektronikowi, który samodzielnie eksperymentuje i testuje prototypy. Pozwala na sprawdzenie działania układu w praktyce bez konieczności sięgania po lutownicę!

Skąd ta nazwa?

Jej nazwa jest skrzyżowaniem nazw dwóch różnych przedmiotów: płytki drukowanej, na której montuje się układy elektroniczne, oraz styków, czyli mechanicznych elementów przewodzących prąd. Płytka stykowa jest skrzyżowaniem obu tych koncepcji: pozwala na montaż układu jak na płytce drukowanej, ale z użyciem styków, które przewodzą prąd między elementami.

Zaszłości z przeszłości

Jej anglojęzyczne określenie – breadboard – wskazuje na metody, jakie stosowali elektronicy dawno temu, aby ułatwić sobie budowę prototypów. Na drewnianej desce, niekiedy służącej do krojenia chleba (stąd nazwa), podzespoły były mocowane przy użyciu gwoździ, wkrętów i pinezek. Przebudowa układu wymagała wyjęcia improwizowanych uchwytów i wbicia lub wkręcenia ich w innym miejscu. Deska zapewniała izolację elektryczną oraz stabilny montaż mechaniczny.

Nowoczesna płytka stykowa - budowa

W dzisiejszej, nowoczesnej płytce stykowej znajdują się otworki, w które można wkładać wyprowadzenia elementów elektronicznych oraz końcówki przewodów. Pod podziurkowaną powierzchnią z tworzywa sztucznego znajdują się metalowe listewki, odpowiednio ponacinane i pozaginane, aby tworzyły styki. Wyprowadzenia, które zostaną wetknięte do tej samej listewki, będą połączone elektrycznie. Między listewkami są przerwy, niekiedy nawet przekładki z tworzywa sztucznego, aby nie stykały się między sobą i pozostały odizolowane.

Płytki stykowe są dostarczane w formie już zmontowanej i dokładnie zamkniętej. Jej otworzenie, aby móc samodzielnie zobaczyć jak wygląda w środku, skończy się najprawdopodobniej bezpowrotnym zniszczeniem tego przyrządu. Dlatego nie warto tego robić, szkoda psuć działające wyposażenie pracowni. Można kupić płytkę stykową wykonaną z przezroczystego tworzywa sztucznego

Jak są ułożone styki?

Metalowe listewki stykowe są poukładane w ściśle określony sposób. Różni producenci produkują płytki zróżnicowane pod względem wielkości, gabarytów i koloru, ale generalna zasada prowadzenia połączeń pozostaje niezmieniona. Od rowka, prowadzącego przez środek płytki, blaszki rozchodzą się prostopadle do niego oraz równolegle do siebie. Z kolei rządki otworków nieco oddalonych od tego obszaru są połączone ze sobą tak, aby tworzyły ścieżki równoległe do wspomnianego rowka. Można to zobrazować poglądowym rysunkiem:

Specjalnie dla układów scalonych

Taki sposób ułożenia listewek stanie się jasny, kiedy przyjrzymy się odległości, na jaką rowek dzielący płytkę odsuwa od siebie dwa rzędy listewek. Tworzy on idealny obszar do włożenia w to miejsce układu scalonego w standardowej obudowie do montażu przewlekanego, czyli DIP. Ten rodzaj obudowy ma standaryzowane wymiary. Poszczególne wykonania dla rozmaitych układów scalonych różnią się jedynie liczbą nóżek, ale ich układ pozostaje niezmieniony.

Po włożeniu układu scalonego miejsce nad rowkiem znajdującym się na środku płytki stykowej, mamy dostęp do każdej jego nóżki, ponieważ każda znajdująca się pod nim listewka „złapie” dokładnie jedno z jego wyprowadzeń. W ten sposób uzyskujemy kilka pól (zazwyczaj 4), do których jest podłączona każda nóżka – piąte pole zajmuje ona sama.

Takie rozwiązanie bardzo ułatwia pracę z układami scalonymi, do których trzeba niekiedy podłączyć kilka elementów prowadzących do jednej nóżki. Zwłaszcza w układach analogowych, gdzie układy scalone obudowujemy mnóstwem elementów biernych, głównie rezystorów i kondensatorów, ma to duże znaczenie.

Jak pracować z płytką stykową?

Płytka stykowa jest tak zaprojektowana, aby w każde z istniejące na niej pól wkładać dokładnie jedną nóżkę elementu. Próba wciśnięcia dwóch lub więcej nóżek, albo bardzo grubego przewodu, może skończyć się trwałym rozepchnięciem styków. To pole stanie się wówczas bezużyteczne, ponieważ nie będzie zapewniało kontaktu elektrycznego z cieńszymi wyprowadzeniami mniejszych podzespołów. Można spróbować taką płytkę rozebrać, wyjąć uszkodzoną listewkę, dogiąć styki i włożyć ją z powrotem – lecz nie zawsze udaje się dobrze złożyć całą płytkę do stanu pierwotnego.

Różne wzory i kolory

Płytki stykowe mają różne kolory i rozmiary, aby można było dobrać odpowiednią do swoich zastosowań. Na ich odwrocie z reguły znajduje się warstwa samoprzylepna zabezpieczona papierem, dzięki której można trwale przymocować płytkę do podłoża. Na ich krawędziach można znaleźć wypustki, które ułatwiają połączenie płytek ze sobą. Budując większy układ, nie trzeba kupować większej płytki – wystarczy połączyć już posiadane!

Łączenie styków

Do łączenia poszczególnych listewek między sobą, co jest równoznaczne z połączeniem znajdujących się w nich nóżkach elementów, służą przewody. Można kupić specjalne przewody męsko-męskie do płytek stykowych, które mają różne długości i kolory. Na ich końcach znajdują się fabrycznie zarobione złącza męskie, mające najczęściej formę metalowego szpikulca. Aby nie zwierały się między sobą, zostały otoczone niewielką otuliną z tworzywa sztucznego.

W zależności od wykonania, można znaleźć przewody zakończone wypustką o przekroju okrągłym lub kwadratowym. Te drugie są zazwyczaj sprzedawane w taśmach, które należy po prostu rozedrzeć, chcąc uzyskać pojedyncze przewody.

Jednak nie tylko przewody męsko-męskie są użyteczne. Na tej samej zasadzie są produkowane również przewody zakończone obustronnie złączami żeńskimi oraz mieszane: męsko-żeńskie, które z jednej strony mają złącza męskie, a drugiej żeńskie. Te ostatnie są bardzo przydatne do łączenia modułów z płytką stykową, na przykład podczas prototypowania układu współpracującego z Arduino.

Druciane łączówki

Jednak nie zawsze takie przewody będą wygodne. Na płytce z gęsto upakowanym układem, liczba plączących się przewodów będzie znaczna. Dlatego można kupić również przewody sztywne, odpowiednio zagięte, wykonane z litego drutu – niekiedy są określane mianem łączówek.

Mają różne długości, ale rozstaw ich zagięć jest zawsze tak dobrany, aby pasowały w obowiązujący na płytce rozstaw otworów, który najczęściej wynosi 2,54mm. Zatem odległości między zagięciami są całkowitymi wielokrotnościami tej wartości, aby dało się połączyć pola leżące tuż obok siebie (2,54mm), znajdujące się o jeden rządek dalej (5,08mm), o dwa rządki dalej (7,62mm) itp. Są oznaczone kolorowymi koszulkami, aby łatwo dało się rozróżnić ich długość.

Dodatkowe przyrządy

Wkładanie i wyjmowanie zwykłych, elastycznych przewodów nie nastręcza żadnych trudności – można to zrobić gołymi palcami. Jednak w przypadku łączówek, które praktycznie nie wystają nad płytkę, ich wyjęcie przy użyciu paznokci może być trudne. Dlatego warto zaopatrzyć się w pęsetę, która to ułatwi. Ze swojego doświadczenia polecam, aby ta pęseta miała zaokrąglone, obłe krawędzie (nie ostre), żeby nie kaleczyła izolacji łączówek. Do manipulowania przy drobnych elementach również może się przydać.

Własne pomysły

Niektórzy wolą tworzyć łączówki z tego, co mają pod ręką – końcówek rezystorów, odcinków srebrzanki, żył z rozdzielonej skrętki kabla UTP. Tak również można działać, chociaż łatwiej o zwarcia w przypadku długich, nieizolowanych połączeń.

Inne przewody

Rynek płytek stykowych i oprzyrządowania ułatwiającego budowę prototypów jest naprawdę pomysłowy. W handlu można znaleźć przewody umożliwiające podłączenie grubych drutów lub elementów, które nie zmieszczą się na płytce. Są zakończone z jednej strony wtykami męskimi, a z drugiej haczykami. Nie trzeba kombinować z budową połączeń z krokodylków!

Tworzenie układów

Jak budować układy na płytkach stykowych? Po pierwsze, należy mieć przed sobą kompletny schemat ideowy urządzenia, który chcemy zbudować. Od liczby elementów oraz ich gabarytów (np. długości obudów układów scalonych) zależy rozmiar płytki, jaki będzie potrzebny. Trzeba przy tym uwzględnić połączenia między elementami – na przykład wstawienie rezystora w szereg z diodą LED sterowaną z wyjścia układu scalonego, zajmie cały rządek pól. Nic innego do danej listewki już nie będzie można wetknąć, ponieważ zewrze się z rezystorem i diodą.

Zaplanowanie zasilania

Listewki leżące na skraju płytki, równolegle do jej dłuższych krawędzi, warto wykorzystać na linie prowadzące zasilanie. Dzięki takiemu podejściu, podłączenie wyprowadzenia do masy lub zasilania będzie bardzo proste, ponieważ wystarczy „dotrzeć” do dowolnego punktu na długiej listewce znajdującej się nieopodal. Zazwyczaj, dla ułatwienia, są nawet oznaczone kolorami: czerwonym i niebieskim, aby trudniej było je pomylić. Listewki leżące na jednym skraju płytki nie są połączone z tymi, które są po drugiej stronie – połączenie, jeżeli ma istnieć, trzeba wykonać samodzielnie.

Uwaga praktyczna: linie zasilania na długich płytkach stykowych są zazwyczaj przedzielone w połowie. Chcąc wykorzystać je w całości, należy wstawić krótkie zwory z łączówki lub drutu.

Element po elemencie

Po rozplanowaniu zasilania, można przejść do włożenia dużych elementów, którymi zazwyczaj są układy scalone. To ich położenie będzie determinowało lokalizację pozostałej części podzespołów, które je otaczają: rezonator kwarcowy, kondensatory filtrujące zasilanie, rezystory, tranzystory wykonawcze i tak dalej. Długie nóżki elementów można przyciąć, aby nie sterczały wysoko nad powierzchnią płytki, ułatwiając tym samym powstanie przypadkowego zwarcia.

Uwaga na cienkie nóżki

Niektóre elementy mają bardzo cienkie wyprowadzenia. Należą do nich, w szczególności, kondensatory ceramiczne. Są produkowane w brązowych, okrągłych obudowach o średnicy kilku milimetrów.

Jeżeli płytka stykowa nie jest już nowa, tak cienkie wyprowadzenie może czasami nie kontaktować prawidłowo w złączu płytki stykowej. Można wtedy zagiąć nóżki takiego elementu w połowie ich długości, a miejsce zgięcia dobrze ścisnąć kombinerkami, aby uległy pogrubieniu. To prosta metoda, ale szybka w zastosowaniu i – z reguły – skuteczna.

Komputerowe wspomagacze

W internecie są dostępne narzędzia ułatwiające pracę z płytkami stykowymi. Jednym z nich jest darmowy Fritzing. Można w nim układać elementy na wybranej płytce stykowej zupełnie w ten sam sposób, jak gdyby powstawały naprawdę. Ułatwi to optymalizację rozmieszczenia podzespołów. Jest to cenne zwłaszcza przy bardziej rozbudowanych układach, kiedy może się zdarzyć, że zabraknie miejsca na wykonanie ostatnich kilku połączeń...

Płytki stykowe - kilka uwag

Płytki stykowe ułatwiają pracę, ale mają też kilka wad. Po pierwsze, nie nadają się do przewodzenia prądów o wysokim natężeniu. Powodem jest relatywnie wysoka rezystancja styku nóżki elementu z metalową listewką. O ile w przypadku diod LED czy prostych układów cyfrowych to nie ma wielkiego znaczenia, o tyle przy prądach rzędu pojedynczych amperów może spowodować przegrzanie pola i stopienie znajdującego się nad nim tworzywa sztucznego. Dlatego wysokoprądowe układy należy testować w inny sposób, na przykład na lutowanych płytkach uniwersalnych, gdzie połączenia byłyby dodatkowo pogrubione spoiwem lutowniczym lub drucikiem.

Długie połączenia między elementami powoduje, że mają one sporą indukcyjność. I znowu: dla prostych układów, które działają na niskich częstotliwościach (do kilku megaherców) to nie ma wielkiego znaczenia. Jednak w przypadku, kiedy częstotliwości są już wyższe, a czasy narastania i opadania zboczy sygnału stają się bardzo krótkie, mogą one dać znać o sobie. Układ będzie się zawieszał, reagował nieprzewidywalnie lub w ogóle przestanie działać. Prawidłowe umieszczenie kondensatorów filtrujących zasilanie układów scalonych, czyli tuż przy obudowie, jest bardzo trudne lub wręcz niewykonalne.

Przenoszenie układu zmontowanego na płytce stykowej również nie jest proste, zaś o wysłaniu go w paczce można zapomnieć. Połączenia nie są na trwałe i elementy mogą z nich powypadać. Jeszcze gorzej, kiedy podzespół tylko lekko wysunie się ze styków – będzie wyglądał, jak włożony poprawnie, ale jego działanie pozostawi wiele do życzenia.

Podsumowanie

Pomimo tych wad, nie należy się zrażać do płytek stykowych. Stanowią tanią i, co najważniejsze, szybką alternatywę dla mozolnego lutowania. Co jest równie istotne, elementów można używać wielokrotnie, ponieważ ich nóżki nie są pobrudzone spoiwem lutowniczym. Nie ma też ryzyka przegrzania układów scalonych lub innych podzespołów, co niekiedy zdarza się początkującym elektronikom podczas ich lutowania. Zaś eksperymenty, polegające na wymianie elementu na inny, o innej wartości, są bardzo proste i zajmują zaledwie chwilę.