Tablero de circuitos

Una placa de pruebas , placa de pruebas sin soldadura o protoboard es una base de construcción que se utiliza para construir prototipos semipermanentes de circuitos electrónicos . A diferencia de una placa perforada o de una placa de pruebas , las placas de pruebas no requieren soldadura ni destrucción de pistas y, por lo tanto, son reutilizables. Por este motivo, las placas de pruebas 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 placas de pruebas, desde pequeños circuitos analógicos y digitales hasta unidades centrales de procesamiento (CPU) completas.

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

En los primeros días de la radio, los aficionados clavaban cables de cobre desnudos o tiras de terminales a una tabla de madera (a menudo, literalmente, una tabla para cortar pan ) y soldaban componentes electrónicos a ellas. ^[1] A veces, primero se pegaba un diagrama esquemático de papel a la placa como guía para colocar terminales, luego se instalaban los componentes y cables sobre sus símbolos en el esquema. También era común usar chinchetas o clavos pequeños como postes de montaje.

Las placas de pruebas 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, ^[2] se presentó en 1961 y describe una placa de pruebas de placa de madera con resortes montados y otras funciones. La patente estadounidense 3.496.419, ^[3] se presentó en 1967 y se refiere a un diseño particular de placa de circuito impreso como placa de pruebas de circuito impreso . Ambos ejemplos se refieren y describen otros tipos de placas de pruebas como técnica anterior .

En 1960, Orville Thompson, del Instituto Técnico DeVry, patentó una placa de pruebas sin soldadura que conectaba filas de agujeros entre sí con un resorte metálico. ^[4] En 1971, Ronald Portugal, de E&L Instruments, patentó un concepto similar con agujeros con espacios de 0,1 pulgadas (2,54 mm), lo mismo que los paquetes de circuitos integrados DIP , que se convirtieron en la base de la moderna placa de pruebas sin soldadura que se utiliza comúnmente en la actualidad. ^[5]

Un zócalo de placa de pruebas moderno sin soldadura consta de un bloque perforado de plástico con numerosos clips de resorte de aleación de níquel-plata o bronce fosforoso estañado debajo de las perforaciones. Los clips a menudo se denominan puntos de unión o puntos de contacto . El número de puntos de unión suele indicarse en la especificación de la placa de pruebas.

El espaciado entre los clips (paso de los cables) es típicamente de 0,1 pulgadas (2,54 mm). Los circuitos integrados (CI) en paquetes en línea duales (DIP) se pueden insertar para que se extiendan a lo largo de la línea central del bloque. Los cables de interconexión y los cables de los componentes discretos (como condensadores , resistencias e inductores ) se pueden insertar en los orificios libres restantes para completar el circuito. Cuando no se utilizan CI, los componentes discretos y los cables de conexión pueden utilizar cualquiera de los orificios. Normalmente, los clips de resorte están clasificados para 1 amperio a 5 voltios y 0,333 amperios a 15 voltios (5 vatios ).

Las placas de pruebas sin soldadura conectan los pines entre sí mediante tiras de metal dentro de la placa. El diseño de una placa de pruebas sin soldadura típica 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 pruebas de una marca tienen muescas de cola de milano macho y hembra para que las placas se puedan unir para formar una placa de pruebas grande.

Las áreas principales, para sostener la mayoría de los componentes electrónicos, se llaman regletas de terminales . En el medio de una regleta de terminales de una placa de pruebas, uno normalmente encuentra una muesca que corre paralela al lado largo. La muesca es para marcar la línea central de la regleta de terminales y proporciona un flujo de aire limitado (enfriamiento) a los circuitos integrados DIP que se extienden a lo largo de la línea central ^{[ cita requerida ]} . Los clips a la derecha y a la izquierda de la muesca están conectados cada uno de manera radial; normalmente cinco clips (es decir, debajo de cinco orificios) en una fila a cada lado de la muesca están conectados eléctricamente. Las cinco columnas de la izquierda de la muesca suelen estar marcadas como A, B, C, D y E, mientras que las de la derecha están marcadas como F, G, H, I y J. Cuando se conecta un circuito integrado de paquete de pines en línea dual (DIP) "delgado" (como un DIP-14 o DIP-16 típico, que tienen una separación de 0,3 pulgadas (7,6 mm) entre las filas de pines) a una placa de pruebas, se supone que los pines de un lado del chip van en la columna E, mientras que los pines del otro lado van en la columna F del otro lado de la muesca. Las filas se identifican con números del 1 al número que admita el diseño de la placa de pruebas. Una tira de placa de pruebas de tamaño completo consta normalmente de alrededor de 56 a 65 filas de conectores. Junto con las tiras de bus de cada lado, esto conforma una placa de pruebas sin soldadura de puntos de unión típica de 784 a 910. La mayoría de las placas de pruebas están diseñadas para admitir 17, 30 o 64 filas en las configuraciones mini, media y completa respectivamente.

Para suministrar energía a los componentes electrónicos, se utilizan barras de bus . Una barra de bus generalmente contiene dos columnas: una para la conexión a tierra y otra para la tensión de alimentación. Sin embargo, algunas placas de pruebas solo proporcionan una barra de bus de distribución de energía de una sola columna en cada lado largo. Normalmente, la fila destinada a la tensión de alimentación está marcada en rojo, mientras que la fila destinada a la conexión a tierra está marcada en azul o negro. Algunos fabricantes conectan todos los terminales en una columna. Otros solo conectan grupos de, por ejemplo, 25 terminales consecutivos en una columna. Este último diseño proporciona al diseñador de circuitos un poco más de control sobre la diafonía (ruido acoplado inductivamente) en el bus de la fuente de alimentación. A menudo, los grupos de una barra de bus se indican mediante espacios en la marca de color. Las barras de bus generalmente recorren uno o ambos lados de una barra de terminales o entre las barras de terminales. En las placas de pruebas grandes, a menudo se pueden encontrar barras de bus adicionales en la parte superior e inferior de las barras de terminales.

Algunos fabricantes proporcionan regletas de bus y terminales independientes, mientras que otros solo proporcionan bloques de placa de pruebas que contienen ambos en un solo bloque.

Los cables puente (también llamados cables puente) para la creación de prototipos sin soldadura se pueden obtener en conjuntos de cables puente listos para usar o se pueden fabricar manualmente. Esto último puede convertirse en un trabajo tedioso para circuitos más grandes. Los cables puente listos para usar vienen en diferentes calidades, algunos incluso con pequeños enchufes conectados a los extremos del cable. El material del cable puente para cables prefabricados o caseros generalmente debe ser un cable de cobre sólido estañado de 22  AWG (0,33 mm2 ⁾ , suponiendo que no se conectarán pequeños enchufes a los extremos del cable. Los extremos del cable deben pelarse de 3 ⁄ 16 a 5 ⁄ 16  pulgadas (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 placas abarrotadas.

Por lo general, se utilizan cables de distintos colores y se sigue una disciplina de codificación por colores para mantener la coherencia. Sin embargo, la cantidad de colores disponibles suele ser mucho menor que la cantidad de tipos o rutas de señal. Por lo general, algunos colores de cable se reservan para las tensiones de alimentación y la conexión a tierra (por ejemplo, rojo, azul, negro), algunos se reservan para las señales principales y el resto se utiliza simplemente cuando resulta conveniente. Algunos conjuntos de cables puente listos para usar utilizan el color para indicar la longitud de los cables, pero estos conjuntos no permiten un esquema de codificación por colores significativo.

En una variante más robusta, una o más tiras de placa de pruebas se montan sobre una lámina de metal. Normalmente, esa lámina de soporte también contiene una serie de postes de conexión . Estos postes proporcionan una forma limpia de conectar una fuente de alimentación externa. Este tipo de placa de pruebas puede ser un poco más fácil de manejar.

Algunos fabricantes ofrecen versiones de gama alta de placas de pruebas sin soldadura. Por lo general, se trata de módulos de placa de pruebas de alta calidad montados en una carcasa plana. La carcasa contiene equipos adicionales para la placa de pruebas, como una fuente de alimentación , uno o más generadores de señales , interfaces seriales , módulos de pantalla LED o LCD y sondas lógicas . ^[21]

Para el desarrollo de alta frecuencia, una placa de pruebas de metal proporciona un plano de tierra soldable deseable, a menudo una pieza sin grabar de placa de circuito impreso; los circuitos integrados a veces se pegan al revés a la placa de pruebas y se sueldan directamente, una técnica a veces llamada construcción de " insecto muerto " debido a su apariencia. Ejemplos de construcción de insecto muerto con plano de tierra se ilustran en una nota de aplicación de Linear Technologies. ^[22]

Un uso común en la era del sistema en 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 pruebas, y luego crear un prototipo de un circuito que explota uno o más de los periféricos del MCU, como entrada/salida de propósito general (GPIO), transceptores seriales UART / USART , convertidor de analógico a digital (ADC), convertidor de digital a analógico (DAC), modulación de ancho de pulso (PWM; usado en control de motores ), Interfaz Periférica Serial (SPI) o I²C .

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

Debido a la capacitancia parásita relativamente grande en comparación con una PCB correctamente diseñada (aproximadamente 2 pF entre columnas de contacto adyacentes ^[23] ), la alta inductancia de algunas conexiones y una resistencia de contacto relativamente alta y no muy reproducible , las placas de pruebas sin soldadura están limitadas a la operación a frecuencias relativamente 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 frecuencia muy baja. Las placas de pruebas sin soldadura están limitadas aún más por sus clasificaciones de voltaje y corriente.

Las placas de pruebas sin soldadura no suelen admitir dispositivos de tecnología de montaje superficial (SMD) ni componentes con un espaciado de rejilla distinto de 0,1 pulgadas (2,54 mm). Además, no pueden admitir 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, se pueden utilizar pequeños adaptadores de PCB llamados "adaptadores de conexión" para ajustar el componente a la placa. Dichos adaptadores llevan uno o más componentes y tienen pines de conector macho espaciados a 0,1 pulgadas (2,54 mm) en un diseño en línea simple o doble, para su inserción en una placa de pruebas sin soldadura. Los componentes más grandes suelen enchufarse en un zócalo del adaptador, mientras que los componentes más pequeños (por ejemplo, resistencias SMD) suelen soldarse directamente al adaptador. A continuación, el adaptador se enchufa a la placa de pruebas a través de los conectores de 0,1 pulgadas (2,54 mm). Sin embargo, la necesidad de soldar los componentes al adaptador anula algunas de las ventajas de utilizar una placa de pruebas 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 comodidad de enchufar y desenchufar las conexiones también hace que sea muy fácil alterar accidentalmente una conexión, y el sistema se vuelve 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 un sistema de este tipo se vuelve poco confiable a medida que la resistencia de contacto se desarrolla con el tiempo. En algún momento, los sistemas muy complejos deben implementarse en una tecnología de interconexión más confiable, para tener la posibilidad de funcionar durante un período de tiempo utilizable.

Los métodos alternativos para crear prototipos son la construcción punto a punto (que recuerda a las placas de pruebas de madera originales), el envoltorio de cables , el lápiz de cableado y placas como la placa de pruebas. Los sistemas complicados, como las computadoras modernas que comprenden millones de transistores , diodos y resistencias , no se prestan a la creación de prototipos mediante 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 se desarrollan generalmente utilizando un sistema de captura y simulación de esquemas , y se prueban en simulación de software antes de construir los primeros circuitos prototipo 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 simulaciones de software exhaustivas antes de fabricar los primeros prototipos. Sin embargo, las técnicas de creación de prototipos aún se utilizan para algunas aplicaciones, como los circuitos de RF , o cuando los modelos de software de los componentes son inexactos o incompletos.

También es posible utilizar una cuadrícula de pares de agujeros, en la que un agujero de cada par se conecta a su fila y el otro a su columna. Esta misma forma puede ser un círculo con filas y columnas que giran en espiral en sentido horario o antihorario.

• Tablero de latón
• Riel DIN
• Resorte de expansión
• Clip de Fahnestock
• Diseño iterativo
• Mesa óptica

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• Diseño de procesamiento paralelo de gran tamaño prototipado en 50 placas de pruebas conectadas