Как НЕ паять электронные схемы. Макетные платы, не требующие пайки

Статья написана с использованием материалов с сайта instructables.com

Это описание поможет начинающим радиолюбителям освоить работу с макетными платами, не требующими пайки на примере сборки несложной схемы, для которой потребуются некоторые электронные компоненты:

• Светодиоды - белые, красные, синие, зеленые маломощные 
  
• Резисторы сопротивлением 220 Ом
• Источник тока с выходным напряжением 5 В
  
• Батарея
• Плата Arduino
• Макетная плата, не требующая пайки
• Набор одножильных проводов, зачищенные концы которых легко вставляются в разъемы платы и в гнезда разъемов джамперов. Лучше всего использовать провода разного цвета, что сделает схему на макетной плате более понятной и упорядоченной (например для подключения источников питания правильно использовать красные и черные проводники).

Шаг 1. Основы

Макетные платы применяются для быстрой сборки электрических схем, надежно соединяя между собой резисторы, светодиоды, конденсаторы, микросхемы и т.д. При этом Вы можете проверить правильность работы Вашего устройства перед его окончательной сборкой и пайкой.

Состоят макетные платы из множества гнезд (розеток), отдельные группы которых электрически соединены между собой. В нижней части макетной платы (внутри пластикового корпуса)  расположены полоски с металлическими контактами, соединяющими между собой группы гнезд, образуя токопроводящие цепи. Эти полоски не видны снаружи, а на рисунке 3 показано, как они соединены между собой.

Как правило макет разделен на четыре секции - две внешние и две внутренние. Во внутренних секциях розетки соединены между собой рядами по пять штук, как показано зелеными линиями на рисунке. Два внешних участка платы используется как правило для подключения питания. На большинстве плат такие соединения обозначены цветами: красным - плюс источника питания, черным или синим - минус источника (Общий повод).

Важно отметить, что на многих макетных платах линии питания работают только на половину длины платы (как показано на рисунке 3) или разбиты на еще более мелкие участки.  В этом случае Вам придется проложить провода между этими участками чтобы подать питание на всю длину платы.
Конечно, на разные отрезки питающих линий можно подавать разные напряжения или сигналы, используя их как Вам захочется, но в этом случае Вы можете запутать как себя, так и других людей, которые могут пользоваться собранной Вами схемой на этой плате, поэтому хорошим тоном будет использовать эти линии только для питания схемы.

Шаг 2. Начинаем.

Первое, что нужно сделать  - подключить питание к макетной плате (лучше всего - сначала только подключить источник питания, не включая его чтобы не испортить компоненты схемы при их неправильном подключении).
Как правило макетные платы не имеют собственного источника питания, некоторые из них поставляются с внешним сетевым адаптером, но он электрически к плате не присоединен.
Блоки питания существуют самые разные, некоторые из них допускают регулировку выходного напряжения, остальные имеют только фиксированное значение выходного напряжения. В данном описании (как и во многих Ваших будущих проектах) будет использован источник питания с выходным напряжением 5 В постоянного тока. Это потребует от Вас сделать два электрических соединения платы с источником тока: +5 В и 0 В (Землю или Общий).

Альтернативные источники питания:

• Вместо внешнего блока питания Вы можете использовать выходы платы Arduino: +5 В и GND (Общий), подключив плату Arduino к USB порту компьютера
• Также можно подключить внешнюю батарею (типа Кроны) напряжением 9 В через специальный батарейный соединитель
  

Подключите землю и + V, (плюсовой выход источника питания) к одной стороне шины питания макетной платы как на рисунке 2. Помните при этом что на многих макетных платах линии питания на одной из сторон могут быть разделены электрически на отдельные части, между которыми электричество не может проходить, в этом случае необходимо соединить проводами все отрезки линий питания на плате (как на рисунках 5 и 6).
 На рисунке 6 показано соединение всех линий питания макетной платы с обеих сторон.

Теперь макетная плата запитана и готова к работе. Проверьте это с помощью мультиметра, подключая его щупы ко всем отрезкам линий питания (для этого надо включить питающий плату адаптер).

Шаг 3. Первые шаги.

Итак, в нашем первом проекте мы будем включать светодиод.
Схема включения показана на рисунке и представляет собой светодиод и резистор, включенные последовательно и подключенные к источнику питания. Две схемы выше показывают что для правильной работы нашего устройства взаимное расположение светодиода и резистора не важны .

Резистор в нашей цепи нужен для того, чтобы ток, протекающий через светодиод от источника питания был не слишком обльшим. Он называется токоограничивающим резистором. Если светодиод подключить к источнику питания 5 В без этого резистора, то он сгорит и выйдет из строя, поэтому будьте внимательны! В нашей схеме применяется резистор сопротивлением 220 Ом, мощностью 0,25 Вт. При использовании светодиодов разной мощности с разными токами потребления Вам понадобятся токоограничивающие резисторы разных номиналов, рассчитать которые Вы сможете, например с помощью онлайн калькулятора  параметров цепей светодиодов. Применение резистора с большим сопротивлением, чем полученное в расчетах не повредит работе светодиода - он просто будет светиться чуть меньше. Лучший вариант сопротивления для маломощных светодиодов - в диапазоне между 200 и 1000 Ом.

Электрический ток протекает по цепи от плюса источника питания к минусу (Земле). Некоторые электронные компоненты работают только тогда, когда ток через них проходит в одном направлении и не работают при обратном направлении тока, и даже могут выйти из строя из-за этого. Как показано на первом снимке, ток через светодиод должен идти от анода (длинный вывод) к катоду (короткий вывод).  Для резистора направление тока не имеет значения, поэтому не важно как Вы его подключите в цепь. Если Вы поменяете местами выводы резистора в цепи, то в ее работе ничего не изменится.
Еще раз повторимся, что во время установки компонентов на макетную плату питание от источника подавать не нужно чтобы избежать короткого замыкания или выхода компонентов из строя.

Сборка:

• Подключите анод светодиода к +5 В, а катод к ряду контактов (гнезд) в средней части макетной платы
• Подключите один вывод резистора к минусовой линии питания (Земле) макетной платы, а другой к свободному гнезду той же линии, в которую вставлен катод светодиода
• Включите питание - светодиод должен загореться

При подключении к одному и тому же ряду гнезд на макетной плате катода светодиода и одного из выводов резистора создается их электрическое соединение друг с другом, как это видно на работающей схеме.

Шаг 4. Начинаем собирать 7-сегментный индикатор на макетной плате

Следующий проект немного сложнее, но технология его сборки точно такая же.

Нам потребуются:

• 7 сегментный индикатор (с общим катодом) или аналогичный
• 7 резисторов сопротивление по 150 Ом
• 4 резистора по 10 кОм
• микросхема декодера для 7-сегментного индикатора 4511

7-сегментный индикатор - это модуль, состоящий из семи светодиодов прямоугольной формы, размещенных так, что они могут показывать цифры от 0 до 9 (также на нем есть светодиод, изображающий точку, разделяющую целые и дробные части чисел, но мы ее не будем использовать).  Катоды всех светодиодов модуля соединены между собой и общий катод выведен наружу модуля индикатора. На чертеже индикатора (на схеме расположения выводов) видно, что каждый из выводов индикатора 1, 2, 4, 6, 7, 9 и 10 подключен к отдельному аноду , а выводы 3 и 8 подключены к общему катоду светодиодов.

Как и в предыдущей схеме нам нужно использовать токоограничивающие резисторы чтобы не вывести из строя светодиоды индикатора.
Давайте рассчитаем каким должно быть сопротивление токоограничивающих резисторов, подключаемых к нашему индикатору.
Из документации на индикатор следует, что рабочее напряжение на каждом светодиоде 2.2 В при токе 25 мА. При этом на резисторе должно быть напряжение:

Ur = 5 В - 2.2 В = 2.8 В

Используя Закон Ома (U = IR)

 мы можем вычислить сопротивление нашего токоограничивающего резистора:


(5 В - 2.2 В) = 0.025 A * R
R = 112 Ом

Для безопасной работы светодиодов мы не будем подавать на них максимально возможный ток и выберем резисторы с немного большим сопротивление, равным 150 Ом.

Этапы сборки:

• Снова отключаем питание источника чтобы не повредить компоненты
  
• Кладем корпус индикатора на центральную часть макетной платы и нажимаем на него так, чтобы его выводы плотно вошли в гнезда макетной платы, как это показано на рисунке 1
• Подключаем один из выводов общего катода (3 или 8 выводы) к общему выводу источника питания (рисунок 3)
  
• Подсоединяем питание на другую сторону линий питания макетной платы (рисунок 4)
• Вставляем токоограничивающие резисторы так, чтобы они соединялись с выводами 1, 2, 4, 6, 7, 9, 10 и 5 (рис. 5) и плюсом источника питания
  
• Включаем напряжение на источнике питания (рис. 6)

На 7-сегментном индикаторе появится цифра "8" . Поэкспериментируйте с индикатором, отключая перемычки от токоограничивающих резисторов. При этом будут гаснуть разные сегменты индикатора, отображая разные цифры/буквы. К примеру если отключить перемычки от выводов 4 и 6, то будет гореть буква "Е".

Шаг 5. Совершенствуем схему 7-счегментного индикатора на макетной плате

На этом этапе мы подключим к схеме микросхему двоичного декодера 7-сегментного индикатора 4511, которая упрощает процесс отображения цифр на этом индикаторе. После подключения этой микросхемы ко входам 7-сегментного индикатора мы просто подаем на ее вход двоичные числа (0000 - 1001) и видим на индикаторе цифры 0-9 соответственно.

Таблица соответствия сигналов на входах микросхемы отображаемым цифрам индикатора скопирована из технической документации микросхемы 4511. Обратите внимание что нумерация выводов микросхемы начинается с левого верхнего вывода (см. чертеж микросхемы) и идет вниз по кругу до последнего вывода 16.

D0(pin 7)	D1(pin 1)	D2(pin 2)	D3(pin 6)	Цифра
0	0	0	0	0
1	0	0	0	1
0	1	0	0	2
1	1	0	0	3
0	0	1	0	4
1	0	1	0	5
0	1	1	0	6
1	1	1	0	7
0	0	0	1	8
1	0	0	1	9

Последовательность соединения:

• Отключить питание
• Установить микросхему 4511 на макетную плату так, чтобы она разместилась по обе стороны средней части платы (рис. 4)
• Отсоединить резисторы 150 Ом от линий +5 В и присоединить их к выводам 4511 Qa-Qg. Возможно понадобятся дополнительные перемычки чтобы удлинить эти связи (зеленый провода на рисунках 5, 6 и 7). Обозначение выводов микросхемы показано на ее чертеже (рис. 2)
• Подключить четыре резистора сопротивлением 10 кОм к выводам 1,2,6 и 7 микросхемы и свободным линейкам макетной платы (рис. 8)
• Подключить +5 В к выводам 3, 4 и 16 микросхемы 4511 (красные провода на рисунке 9)
• Подключить "-" питания (Общий) к выводам 5 и 8 микросхемы 4511 (черные провода на рисунке 10)
• к свободным выводам резисторов 10 кОм подключить - (Общий) (красные провода на рисунке 11)

Включив напряжение питания Вы должны увидеть цифру "0" на индикаторе (рис. 12 и 13)

Пробуйте подключать входные контакты микросхемы 4511 (красные провода, присоединенные к резисторам 10 кОм) к напряжению +5 В в разной последовательности чтобы наблюдать разные цифры на индикаторе. Для справки используйте приведенную выше таблицу.

Макетные платы не так дороги, как это может показаться, если учесть что они могут сэкономить массу времени и "спасти" много компонентов от неправильного подключения при монтаже устройств сразу на печатные платы, содержащие ошибки.

Вот примеры предлагаемых нами макетных плат:


BX-4112 Макетная плата

 

BX-4135 Макетная плата с круглыми отверстиями



BX-4123 Макетная плата с круглыми отверстиями