Die richtigen Adapter und Kits ermöglichen ein flexibles, effizientes Arbeiten mit Steckplatinen und modernen Komponenten

Dank des weit verbreiteten Einsatzes winziger passiver und aktiver Bauelemente und von Schaltkreisen, die mit Frequenzen bis weit in den Gigahertz-Bereich (GHz) arbeiten, ist die Erstellung und Bewertung eines Schaltungsentwurfs vor der Festlegung auf eine Leiterplatte und der anschließenden Entwicklung eines nahezu fertigen Prototyps eine zunehmend schwierige und oft frustrierende Herausforderung. Die Steckplatinenkits und -techniken, die für bedrahtete Bauteile und DIP-ICs (Dual In-Line Package) geeignet waren, sind mit den heutigen IC-Gehäusen mit hoher Packungsdichte, Anschlussflächen unter dem Gehäuse und fast unsichtbaren SMT-Bauteilen sowie kompletten HF- oder Prozessormodulen nicht kompatibel.

Es gibt jedoch eine gute Nachricht in Form von tischbasierten Entwicklungswerkzeugen, die es ermöglichen, einfache Steckplatinen zu erstellen und diese mit separaten Schaltkreismodulen zu vernetzen. Mit diesen Steckplatinensystemen können Bastler, Maker, Heimwerker und professionelle Ingenieure Teilbereiche des Gesamtprodukts zu einer vollständigen und funktionsfähigen Einheit aufbauen, testen und integrieren.

In diesem Artikel werden die grundlegenden Fragen im Zusammenhang mit der Verwendung von Steckplatinen und modernen elektronischen Bauteilen untersucht. Anschließend wird erläutert, wie Adapter und Steckplatinenkits von Anbietern wie Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties und Phase Dock, Inc. als Grundlage für Prototypen verwendet werden können, die dem Endprodukt näher kommen.

Schließlich wird gezeigt, wie diese die Konstruktion nützlicher, zuverlässiger Steckplatinen erleichtern, die Schaltungstopologien und Schnittstellen validieren, den Anschluss an unabhängige Module und Evaluierungsboards ermöglichen und zu aussagekräftigen Prototypen führen können.

Woher stammt die elektronische Steckplatine?

Die Verwendung des englischen Begriffs „Breadboard“ für eine Schaltung, die grob und primitiv aussieht, mag rätselhaft erscheinen, aber die Ableitung ist klar und gut dokumentiert. In den Anfängen der Elektronik, als es noch selbstversorgte Quarzradios und sogar einfache Röhrenradios gab, bauten Heimwerker und Bastler (bevor dieses Wort im heutigen Kontext verwendet wurde) ihre Schaltungen auf einem echten „Breadboard“, einem Holzbrett, das zum Schneiden von Brot verwendet wird. Sie benutzten Reißzwecken oder Nägel als Verbindungspunkte und wickelten die Drähte um sie herum, wobei sie diese Verbindungen manchmal sogar verlöteten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Begriff „Breadboard“ leitet sich von der Verwendung eines Holzbretts als Basis für elektronische Heimwerkerschaltungen wie dieses dreiröhrige Radio ab. (Bildquelle: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Natürlich sind diese Holzbretter als Plattform für Schaltungen mit modernen Bauteilen nicht mehr zeitgemäß. Trotzdem sind die Begriffe „Breadboard“ und, im deutschen, „Steckplatine“ zu Standardbegriffen für grob aufgebaute Demonstrationsschaltungen oder Teilschaltungen geworden. Der Fortschritt der elektronischen Technologie von Vakuumröhren zu diskreten, bedrahteten Transistoren und passiven Bauteilen, DIP-ICs und jetzt zu fast unsichtbaren oberflächenmontierten Bauteilen hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Techniken und Plattformen für Steckplatinen gehabt.

Was ist der Unterschied zwischen einer Steckplatine und einem Prototyp?

Eine naheliegende Frage betrifft den Unterschied zwischen einer Steckplatine und einem Prototyp. Es gibt keine formale Abgrenzung zwischen diesen beiden Begriffen, und sie werden manchmal synonym verwendet. Die meisten Ingenieure verwenden jedoch den Begriff „Steckplatine“ für ein grobes Layout einer Schaltung oder Teilschaltung, das unter anderem für die ersten Entwurfsphasen benötigt wird:

• Überprüfung der Durchführbarkeit einer grundlegenden Schaltungsidee, Funktion oder eines Entwurfsansatzes.
• Entwicklung und Überprüfung von Software-Treibern.
• Gewährleistung der Kompatibilität von Schnittstellen zwischen Teilschaltungen oder zwischen einer Schaltung und einem Messwertgeber oder einer Last.
• Ausarbeitung von Datenübertragungsprotokollen und -formaten.
• Entwicklung und Verifizierung eines vermuteten Modells.
• Bewertung der Schaltungs- und Funktionsperformance.

Anhand der obigen Liste wird deutlich, welch wichtige Rolle die Steckplatine bei der Produktentwicklung spielt, auch wenn es kein vollständiges System ist und ihm die Verpackung sowie viele der „Extras“ des Endprodukts fehlen. Eine Steckplatine zum Beispiel ist oft auf eine externe Stromversorgung angewiesen und nicht auf die interne Stromversorgung des gelieferten Produkts. Aufgrund seines breiten und offenen Layouts ist die Steckplatine in der Regel gut geeignet, um Bauteile zu testen, anzupassen und sogar auszutauschen. Die physikalischen Gegebenheiten eines solchen verteilten Layouts bedeuten jedoch, dass einige der Leistungsfähigkeiten nicht zur Verfügung stehen, insbesondere diejenigen, die mit dem Betrieb mit höheren Frequenzen verbunden sind, aufgrund von Layout- und Bauteilparasitika und -interaktionen.

Im Gegensatz dazu ist ein Prototyp viel näher am Endprodukt und verwendet dieselben Komponenten, Gehäuse, Formfaktoren und Benutzer-I/O. Ein Prototyp ist nicht nur funktional vollständig, sondern wird häufig auch verwendet, um fertigungstechnische Aspekte zu prüfen, wie z. B. Spielraum und Montageprobleme, thermische Pfade, Benutzerinteraktion sowie visuelle Attraktivität und Aussehen.

Beginnen Sie mit Basisadaptern

Steckplatinen von heute erfordern die Fähigkeit, die winzigen ICs, die in modernen Designs dominieren, anzuschließen und zu verwenden. Es ist zum Beispiel möglich, ein SOT-23-IC mit sechs Anschlüssen auf eine größere Leiterplatte zu löten, aber das Herstellen und vor allem das Ändern von Anschlüssen an das Bauteil wird aufgrund seiner geringen Größe und des engen Anschlussrasters schwierig sein. Schwieriger wird die Situation, wenn der IC nur unter dem Gehäuse liegende Lötperlen aufweist.

Eine Lösung ist die Verwendung eines Sockeladapters wie dem LCQT-SOT23-6 von Aries Electronics. Dadurch wird ein SOT-23 in ein sechspoliges DIP-Gehäuse umgewandelt (Abbildung 2). Sobald der SOT-23-Baustein wie ein DIP mit einem Anschlussabstand von 0,1 Zoll aussieht, kann er mit einer der Steckplatinenlösungen verwendet werden, die für größere DIP-Bausteine entwickelt wurden.

Abbildung 2: Der Sockeladapter LCQT-SOT23-6 verwandelt ein winziges, schwer zu handhabendes SOT-23-Gehäuse mit sechs Anschlüssen in ein viel handlicheres DIP-Bauteil mit Standard-DIP-Anschlussabständen. (Bildquelle: Aries Electronics)

Viele Designs verwenden eine Reihe von SMT-Komponenten mit unterschiedlichen Gehäusegrößen und Pin-Konfigurationen. In solchen Situationen können mehrere Einzel-IC-Sockeladapter unhandlich in der Handhabung und beim Zusammenschalten werden. Die Adapterplatine 202-0042-01-QFN von Schmartboard kann die mögliche Verwechslung minimieren (Abbildung 3). Diese 2 × 2 Zoll große Platine kann bis zu fünf verschiedene ICs mit 16 und 28 Pins im 0,5-Millimeter-Raster, 20 Pins im 0,65-mm-Raster und 12 und 16 Pins im 0,8-mm-Raster (für QFN-Bauteile) aufnehmen.

Abbildung 3: Eine Adapterplatine wie die 202-0042-01-QFN ermöglicht das Verlöten und die Herausführung der Anschlüsse von mehreren SMT-IC-Gehäusen. (Bildquelle: Schmartboard)

Das 202-0042-01-QFN verwendet eine patentierte Technologie, die ein schnelles, einfaches und problemloses manuelles Löten dieser winzigen oberflächenmontierbaren Bauteile ermöglicht. Darüber hinaus erleichtern die mit jedem IC-Pin verbundenen mehrfach durchkontaktierten Löcher die Verbindung der residenten Komponenten untereinander oder mit anderen Geräten und Platinen.

Manchmal besteht die Herausforderung bei Steckplatinen nicht in der Verbindung mit einem IC, sondern im Zugriff auf und der Überwachung von Pins eines Kabels oder eines Peripheriegerätes. Als beispielsweise der 25-polige RS-232-Stecker die vorherrschende Kommunikationsschnittstelle war, war eine Anschlussbox mit Ein-/Aus-Schaltern und Überbrückungsklemmen für die meisten Pins so üblich wie ein Multimeter (Abbildung 4).

Abbildung 4: Diese RS-232-Anschlussbox ist unverzichtbar für die Überwachung und Neuanordnung der Drähte im 25-poligen Kabel dieses früher sehr weit verbreiteten Steckers und Standards. (Bildquelle: Wikipedia)

Während diese RS-232-Boxen heute nur noch selten benötigt werden, besteht ein analoger Bedarf an Ableitungsfunktionen für Peripheriegeräte wie Micro-SD-Karten. Ein nützlicher Adapter für diese Funktion ist das Micro-SD-Card-Breakout-Board 254 von Adafruit Industries, das es Entwicklern ermöglicht, sowohl die Hardware-Schnittstellenverbindungen als auch die Treibersoftware für diese weit verbreiteten Speicherkarten anzuschließen, zu testen und zu überprüfen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Mit dem Micro-SD-Card-Breakout-Board 254 von Adafruit können Entwickler ganz einfach auf Signale zwischen einem Systemprozessor und dieser peripheren Speicherkomponente zugreifen und diese überwachen. (Bildquelle: Adafruit)

Das Board enthält einen Regler mit ultraniedrigem Spannungseinbruch zur Umwandlung von Spannungen zwischen 3,3 Volt und 6 Volt auf 3,3 Volt für die Micro-SD-Karte und einen Pegelwandler zur Umwandlung der Schnittstellenlogik (3,3 Volt bis 5 Volt) auf 3,3 Volt, so dass das Board mit 3,3-Volt- oder 5-Volt-Mikrocontrollern verbunden werden kann. Die separate Stiftleiste kann in den Adapter eingelötet werden, um die Anschlüsse auf Stifte mit einem Abstand von 0,1 Zoll zu bringen.

Jenseits von Adaptern

Adapter können Probleme bei der Verbindung mit einzelnen Komponenten lösen, aber sie sind nur die Bausteine für das endgültige Design. Die nun zugänglichen Komponenten müssen mit anderen aktiven und passiven Komponenten verbunden werden, Eingangs-/Ausgangsschnittstellen (I/O) unterstützen, den Austausch von Komponenten ermöglichen und formale Prüfpunkte und sogar unvorhergesehene Tests vorsehen.

Eine der ersten Steckplatinen, die sowohl Bauelemente in DIP-Gehäusen als auch diskrete bedrahtete Bauteile einfach und direkt aufnehmen konnte, war die lötfreie Steckplatine, die in den 1960er Jahren entwickelt wurde und immer noch weit verbreitet ist. Sie ist bequem, zugänglich, einfach zu benutzen und unterstützt eine angemessene Komponentendichte.

Ein Beispiel ist die PB-104M, eine lötfreie Steckplatine von Global Specialties mit externer Stromversorgung, die sich gut für das Prototyping von Niederfrequenzschaltungen eignet (Abbildung 6). Sie ist in einen 21 × 24 Zentimeter (cm) großen Rahmen (9,45 Zoll × 8,27 Zoll) montiert und umfasst 3220 Verbindungspunkte, vier Klemmen für den Anschluss von Stromversorgungen und unterstützt 28 16-polige ICs; die Steckbrücken werden mit einem abisolierten Draht von 0,4 mm bis 0,7 mm Durchmesser hergestellt. Der Schlüssel zur Vielseitigkeit dieser Steckplatine liegt darin, dass die Löcher im Abstand von 0,1 Zoll angeordnet sind, um sowohl Standard-DIP-Bauteile als auch die Pins von Adaptern und Stiftleisten sowie Drahtleitungen aufzunehmen.

Abbildung 6: Die lötfreie Steckplatine PB-104M von Global Specialties bietet Platz für mehrere DIP-ICs, Adapter mit DIP-Footprint, diskrete Bauteile mit Drahtanschlüssen und individuelle Drahtbrücken. (Bildquelle: Global Specialties)

Bei der Verwendung ist die lötfreie Steckplatine eine anschlussfähige Plattform, auf der DIP-ICs und andere Bauteile mit kurzen, in die Löcher eingeführten Drahtstücken verbunden werden, die auch mit den Bauteilanschlüssen verbunden sind. Die beiden äußeren Schienen auf jeder Seite sind in der Regel für Strom und Masse reserviert und versorgen die aktiven Komponenten über kurze Zuleitungen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Bei einer lötfreien Steckplatine sind die beiden äußeren Schienen auf jeder Seite in der Regel für die Stromversorgung und die Masse reserviert. Kurze Zuleitungsdrähte verbinden die Schienen mit den aktiven Komponenten. (Bildquelle: Analog Devices)

Es ist wichtig, bei der Verwendung einer lötfreien Steckplatine eine gewisse Disziplin zu wahren. Es ist zum Beispiel eine gute Idee, die Drähte farblich zu kennzeichnen, z. B. rot für eine positive Schiene, schwarz für eine negative Schiene und grün für Erde. Außerdem müssen Benutzer darauf achten, die Jumperdrähte flach auf der Platine zu verlegen, um das Durcheinander zu minimieren, und die Verbindungsjumper um die ICs herum und nicht über sie zu verlegen, damit die ICs mit minimaler Unterbrechung geprüft und sogar ausgetauscht werden können. Andernfalls kann die lötfreie Steckplatine - wie so viele andere „temporäre“ Implementierungen - zu einem „Rattennest“ werden und sehr schwierig zu debuggen oder zu verfolgen sein (Abbildung 8).

Abbildung 8: Bei der Installation der Brückendrähte für jedes noch so kleine Projekt auf einer lötfreien Steckplatine sind Sorgfalt und Disziplin gefragt, sonst entsteht ein Labyrinth aus unentzifferbaren Drähten. (Bildquelle: Wikipedia)

Ein Steckplatinenmix für moderne Designs

Die lötfreie Steckplatine ist aufgrund ihrer Bequemlichkeit, Flexibilität und Vielseitigkeit immer noch weit verbreitet, stößt aber bei modernen Designs, die mit hohen Taktraten und Frequenzen arbeiten und oft vormontierte Computerplatinen, HF-Schaltungen und -Module sowie Leistungsmodule kombinieren, an ihre Grenzen. Um diese unterzubringen, wird ein System benötigt, das die Integration mehrerer Steckplatinen, Prototyp-Plattformen und Unterbaugruppen in eine größere Einheit ermöglicht, die dann die vollständige Systemfunktionalität unterstützen kann.

Ein solches System ist das Montage-Prototyping-System Phase Dock 10104 (Abbildung 9). Ein Kernsystem besteht aus einer 10 × 7 Zoll großen Grundmatrix mit 54 Quadratzentimetern Arbeitsfläche, fünf „Clicks“ in zwei Größen zur Montage von Elektronik sowie „Slides“ zur Montage von Arduino-, Raspberry-Pi- oder ähnlichen Modulen; es umfasst auch Kleinteile wie Schrauben, die es dem Ingenieur ermöglichen, die Click/Slide-Kombinationen zusammenzubauen, Elektronik auf den Slides zu montieren, Elektronik direkt an den Clicks (ohne Slides) zu befestigen, Elektronik mit höherem Profil als „Tower“ hinzuzufügen und Drähte und Kabel zu verwalten. Optional ist auch eine durchsichtige Kunststoffabdeckung erhältlich, die Schutz bietet, das Aussehen verbessert und den Transport erleichtert.

Abbildung 9: Das grundlegende Montage-Prototyping-System Phase Dock 10104 umfasst eine Basismatrix (oben), „Clicks“ für die Montage von Elektronik (mittlere Reihe), „Slides“ für die Verwendung von Arduino und ähnlichen Plattformen (untere Reihe) und das wichtige Montagematerial (untere Reihe - links). (Bildquelle: Phase Dock, Inc.)

Dieses Produktentwicklungssystem ermöglicht es, auf einer einzigen Plattform verschiedene Steckplatinen- und Modultechnologien zu kombinieren, z. B. lötfreie Steckplatinen, Spezialplatinen mit Schraubanschlüssen und Steckern, Prozessorplattformen wie die RedBoards von SparkFun und sogar Halterungen für diskrete Schalter und Potentiometer (Abbildung 10). Sie werden alle fest auf der Phase-Dock-Basis montiert und dann je nach Bedarf angeschlossen, um das Systemkonzept zu testen und zu debuggen und den erforderlichen Zugang zu den wichtigsten Signalen und Testpunkten zu erhalten.

Abbildung 10: Das Phase-Dock-System unterstützt die Montage und Verbindung von Systemelementen, einschließlich lötfreier Steckplatinen (weiß), spezieller Leiterplatten (grün) und Prozessorplattformen wie die Redboards von SparkFun (rot) für dieses automatisierte Steuerungssystem. (Bildquelle: Phase Dock, Inc.)

Testplatinen des Herstellers für Steckplatinen

Leistungsstarke ICs - insbesondere solche, die für Kleinsignale, Präzisionsverstärkung oder HF-Signalverarbeitung verwendet werden - werden heute fast zwangsläufig mit Evaluierungsboards oder -kits angeboten. Dies ist notwendig, da die Einrichtung derartiger fortgeschrittener Komponenten zur Überprüfung ihrer Leistung in der Zielanwendung und ihre Integration in das übrige System die Verwendung geeigneter unterstützender Komponenten (meist passiver Komponenten) sowie eine sorgfältige Auslegung und Verbindung erfordert. Die Frage, die sich den Entwicklern stellt, ist, wie sie am besten mit diesen Evaluierungsboards arbeiten können, da ihr Nutzen im Hinblick auf das endgültige Systemdesign von sehr nützlich bis hin zu hinderlich reicht.

Betrachten Sie eine Evaluierungsplatine, die für die vollständige Prüfung eines Bauteils ausgelegt ist. Dazu gehören zusätzliche Komponenten wie Speicher, lokale DC/DC-Regler und vielleicht sogar ein Mikrocontroller. Diese Komponenten können zwar für eine eigenständige Bewertung erforderlich sein, sie können aber auch die tatsächliche Verwendung des betreffenden ICs im Produktdesign des Ingenieurs beeinträchtigen.

Auf der anderen Seite verfügen viele dieser Evaluierungsboards über Komponenten wie den erforderlichen Spezialstecker. Die Verwendung der Evaluierungsplatine entbindet den Entwickler davon, diese Schaltung neu zu entwickeln („das Rad neu zu erfinden“); ein gut ausgeführter und ordnungsgemäß dokumentierter Entwurf auf der Evaluierungsplatine ist in der Regel genauso gut oder besser als eine Schaltung, die von jemandem beim Hersteller erstellt wurde, der mit dem IC vielleicht bestens vertraut ist.

Die Herausforderung für den Entwickler besteht daher darin, die Vorteile der vom Hersteller gelieferten Evaluierungsplatine in der Steckplatinenanordnung zu erkennen und zu nutzen. Nehmen wir einen „kleinen“ IC wie den ADL6012 von Analog Devices, einen Breitband-Hüllkurvendetektor für 2 GHz bis 67 GHz mit einer Bandbreite von 500 Megahertz (MHz). Die grundlegende Verbindung dieses 10-poligen LFCSP sieht auf dem Schaltplan recht einfach aus, aber die tatsächliche Verwendung ist schwieriger, da sie ein sorgfältiges Layout, Bypassing und hochwertige HF-Anschlüsse erfordert (Abbildung 11).

Abbildung 11: Der Anschluss und die Verwendung des Breitband-Hüllkurvendetektors ADL6012 von Analog Devices sieht „auf dem Papier“ einfach aus, aber es gibt viele Feinheiten im Design und Layout. (Bildquelle: Analog Devices)

Für Entwickler, die diesen HF-IC in ihr Design integrieren möchten, ist es sinnvoll, zunächst seine Eigenschaften zu verstehen, seine Schnittstellen zu testen und seine Einpassung in das Gesamtprojekt mit Hilfe des Evaluierungsboards ADL6012-EVALZ in der Steckplatinenphase abzustimmen, bevor ein endgültiger Schaltplan erstellt und das Layout und das Gehäuse ausgearbeitet werden (Abbildung 12).

Abbildung 12: Das Evaluierungsboard ADL6012-EVALZ entlastet den Entwickler von den vielen Feinheiten des Designs dieses einfach aussehenden, aber hochentwickelten ICs; die Integration in eine Steckplatine minimiert die Produktentwicklungszeit und Frustration. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Herausforderung der Steckplatine besteht darin, die Verwendung der Evaluierungsplatine physisch zu ermöglichen, Stromversorgungen hinzuzufügen und den HF-Eingangsverstärker und die spezifizierte Differenzialausgangslast sowie alle Prozessoren und Schnittstellen für die Pre-Prototyp-Phase bereitzustellen, die zur Konfiguration des Prototypprodukts führt. Dazu ist eine Kombination von Steckplatinentechniken, Plattformen und Ansätzen erforderlich.

Fazit

Adapter und Breakout-Boards ermöglichen es Entwicklern, die winzigen, oft leitungslosen Komponenten, die in fast allen modernen Produkten Standard sind, zu integrieren, miteinander zu verbinden, zu testen und zu bewerten. Neuere Versionen gehen über die immer noch weit verbreitete lötfreie Steckplatine hinaus und ermöglichen das Mischen und Anpassen von Komponenten, Modulen und anderen Baugruppen. Diese erhöhen die physische Robustheit und minimieren die unansehnliche, fehleranfällige und unzuverlässige Montage und Verkabelung. Die Verwendung dieser Adapter und Steckplatinen beschleunigt die Test- und Debugging-Phase und führt in kürzerer Zeit zu brauchbaren Prototypen.