Płytka prototypowa PCB – co to jest, zalety, wady i przewagi nad płytką stykową
Płytka prototypowa PCB – co to jest, zalety, wady i przewagi nad płytką stykową
Prototypowanie możemy realizować na różne sposoby początkujący majsterkowicze najczęściej sięgają po płytki stykowe, które umożliwiają tworzenie obwodów bez lutowania. Bardziej zaawansowanym krokiem jest użycie płytek prototypowych PCB, na których komponenty lutuje się na stałe. Oba rozwiązania są przydatne i mają swoje role w procesie tworzenia układów elektronicznych płytka stykowa sprawdza się w szybkim eksperymentowaniu, zaś płytka prototypowa PCB pozwala zbudować trwalszą wersję obwodu. Poniżej wyjaśniamy, czym dokładnie jest płytka prototypowa PCB, jakie są jej główne zalety i wady, a także dlaczego warto z niej korzystać, gdy zwykła płytka stykowa przestaje wystarczać.
Co to jest płytka prototypowa PCB?
Płytka prototypowa PCB to rodzaj płytki drukowanej z gęstą siatką otworów, które są otoczone metalizowanymi padami do lutowania elementów elektronicznych. Standardowy raster otworów to 2,54 mm, dzięki czemu pasują one do typowych elementów przewlekanych oraz układów w obudowach DIP. Płytka taka najczęściej wykonana jest z laminatu FR-4 pokrytego miedzią; występują warianty jednostronne ścieżki tworzymy tylko po jednej stronie oraz dwustronne pady lutownicze po obu stronach płytki – zwiększa to dostępną powierzchnię i ułatwia prowadzenie połączeń w bardziej złożonych układach. W odróżnieniu od płytki stykowej, tutaj połączenia elektryczne wykonujemy samodzielnie poprzez lutowanie komponentów i przewodów. Otwory na płytce prototypowej nie są ze sobą fabrycznie połączone. Projektant decyduje, które punkty zlutować lub zewrzeć cyną, tworząc w ten sposób własny układ ścieżek. Często płytki mają nadrukowane oznaczenia wierszy i kolumn otworów, co ułatwia orientację przy montażu i zmniejsza ryzyko pomyłek
Takie płytki służą do trwałego montażu prototypu układu elektronicznego. Po wstępnym przetestowaniu koncepcji na płytce stykowej lub bezpośrednio, jeśli jesteśmy pewni projektu możemy przenieść obwód na płytkę prototypową, aby uzyskać bardziej solidny i odporny na uszkodzenia montaż. Lutowanie elementów bezpośrednio na płytce zapewnia stabilne i trwałe połączenie, dużo odporniejsze na wibracje czy przypadkowe rozłączenie niż połączenia na płytce stykowej. Płytka prototypowa bywa więc pomostem między etapem prototypowania a gotowym urządzeniem. Pozwala stworzyć w pełni działający układ, który można już bez obaw użytkować w dłuższym czasie lub w bardziej wymagających warunkach. Jeżeli Twój projekt jest dopracowany i chcesz przygotować jego wersję do długotrwałego użytku albo np. przetestować urządzenie w terenie, przeniesienie go z płytki stykowej na lutowaną płytkę PCB będzie dobrym pomysłem. Co więcej, płytki uniwersalne są dostępne w wielu rozmiarach liczbach otworów oraz w różnych kształtach. Łatwo dobrać odpowiednią do skali projektu. Nic nie stoi na przeszkodzie, by płytka prototypowa posłużyła nawet w finalnej konstrukcji jednoegzemplarzowego urządzenia, gdy wykonanie profesjonalnego obwodu drukowanego PCB nie jest opłacalne lub konieczne
Zalety płytki prototypowej PCB
Płytki prototypowe mają szereg cech, dzięki którym są niezastąpione na etapie budowy trwałego prototypu lub jednostkowego urządzenia:
- Trwałe, solidne połączenia – Wszystkie elementy elektroniczne są trwale przylutowane, co zapewnia pewne połączenia elektryczne niewrażliwe na poruszenie przewodów czy wstrząsy. Lutowane punkty trzymają komponenty mocno na swoim miejscu i nie poluzują się samoczynnie, co jest szczególnie ważne przy długotrwałej eksploatacji lub w układach narażonych na drgania mechaniczne. Dzięki temu zmontowany obwód cechuje się wysoką niezawodnością w porównaniu do ulotnych połączeń na płytce stykowej.
- Możliwość utrwalenia projektu – Płytka prototypowa pozwala zamienić „plątaninę kabli” z płytki stykowej w bardziej uporządkowany i trwały układ. Po etapie eksperymentów możemy lutując przygotować ostateczną wersję obwodu na płytce PCB, co utrwala układ i zabezpiecza go przed przypadkowym rozłączeniem. Taki prototyp można następnie zabrać z biurka np. do obudowy lub na prezentację bez obawy, że coś wypadnie lub straci kontakt.
- Elastyczność projektowania połączeń – W przeciwieństwie do płytki stykowej, która narzuca z góry układ połączeń grupy wspólnych rzędów pinów, płytka prototypowa daje swobodę prowadzenia ścieżek według własnego schematu. Możemy łączyć dowolne punkty za pomocą drucików, zwór z cyną, a nawet montować dodatkowe złącza, listwy pinów itp. Taka swoboda ułatwia zaprojektowanie optymalnego rozmieszczenia elementów. Zwłaszcza w bardziej złożonych lub nietypowych obwodach, gdzie płytka stykowa bywa niewystarczająca. W efekcie dobrze rozplanowana płytka uniwersalna pozwala zmieścić skomplikowany układ na małej powierzchni oraz uzyskać krótkie połączenia między elementami.
- Lepsze parametry elektryczne – Lutowane, krótkie połączenia na płytce PCB mają zwykle niższą rezystancję i indukcyjność niż połączenia sprężynowe na płytce stykowej. Oznacza to mniejsze zakłócenia i szumy w czułych układach analogowych oraz pewniejsze działanie szybkich układów cyfrowych. Płytka stykowa posiada wewnętrzną strukturę metalowych klipsów, która dodaje pasożytnicze pojemności i inne niekorzystne zjawiska. Na płytce prototypowej można ich w dużej mierze uniknąć poprzez przemyślany układ elementów i prowadzenie najkrótszych możliwych ścieżek. Dlatego przy prototypowaniu np. wzmacniaczy audio czy układów RF lutowana płytka zapewni lepszą integralność sygnału, a tym samym bardziej miarodajne wyniki testów.
- Obsługa różnych komponentów – Na płytce prototypowej możemy z łatwością montować większość podzespołów przewlekanych, rezystory, kondensatory, układy scalone DIP, złącza goldpin. Możliwe jest także użycie modułów np. Arduino Nano, moduły sensorów. Wystarczy wlutować ich wyprowadzenia w otwory płytki. W przeciwieństwie do płytki stykowej, gdzie elementy jedynie wciska się w otwory, tutaj można zamontować również elementy niestandardowe, takie jak przełączniki, gniazda czy nietypowe złącza, o ile znajdziemy dla nich miejsce do lutowania. Istnieją też specjalne płytki prototypowe dostosowane do montażu układów SMD powierzchniowych lub przeznaczone jako nakładki rozszerzające dla płytek rozwojowych np. tzw. proto shield dla Arduino. Ogólnie rzecz biorąc, płytka uniwersalna jest bardzo wszechstronna – pozwala zbudować zarówno prosty gadżet na kilka elementów, jak i rozbudowany układ z wieloma podzespołami na stałe połączonymi.
Wady i ograniczenia płytki prototypowej PCB
Choć płytki prototypowe PCB są niezwykle przydatne, warto pamiętać o kilku ich ograniczeniach:
- Konieczność lutowania – Aby skorzystać z płytki uniwersalnej, trzeba umieć lutować przynajmniej w podstawowym zakresie oraz posiadać odpowiednie narzędzia, jak lutownica, cyna, ewentualnie odsysacz. Dla początkujących elektroników może to być pewna bariera – lutowanie wymaga praktyki, a nieumiejętne posługiwanie się lutownicą może skutkować słabymi połączeniami lub uszkodzeniem elementów. Jakość wykonanego lutu ma bezpośredni wpływ na działanie obwodu, zatem początkujący muszą poświęcić czas na naukę lutowania, zanim w pełni wykorzystają możliwości takich płytek. Mimo to warto się nauczyć, ta umiejętność szybko zaprocentuje przy ambitniejszych projektach.
- Mniejsza elastyczność przy prototypowaniu – W przeciwieństwie do płytki stykowej, na której zmiana połączeń trwa sekundy wystarczy przełożyć przewód, modyfikacja raz zlutowanego układu jest czasochłonna i utrudniona. Trzeba rozlutować istniejące połączenia lub wylutować komponenty, co bywa żmudne i niesie ryzyko uszkodzeń. Z tego względu płytka prototypowa nie sprzyja bardzo szybkim iteracjom projektu. Lepiej korzystać z niej, gdy mamy już przemyślany schemat. We wczesnej fazie opracowywania układu, gdy często dokonujemy zmian, pozostawanie przy płytce stykowej lub symulacji programowej może być efektywniejsze. Lutowany prototyp jest zatem mniej “wybaczający” błędy. Poprawki zajmują więcej czasu.
- Jednorazowość i ograniczone ponowne użycie – Płytki uniwersalne są stosunkowo tanie, ale trzeba pamiętać, że po zlutowaniu układu płytka staje się w praktyce częścią tego projektu. Oczywiście teoretycznie można wszystko odlutować i odzyskać płytkę do ponownego wykorzystania, jednak jest to pracochłonne, a nadmierne grzanie pól lutowniczych może je uszkodzić lub odkleić od laminatu. Dlatego przy prototypach płytki PCB traktuje się raczej jako zużywalne. Do każdego większego projektu używamy nowej płytki. W porównaniu z płytką stykową, która może służyć setki razy do różnych układów, płytka prototypowa jest projektowana z myślą o jednym konkretnym zastosowaniu. To sprawia, że przy wielu krótkoterminowych, zmiennych eksperymentach lutowanie na płytce może być mniej opłacalne niż używanie płytki stykowej.
- Ryzyko błędów i uszkodzeń przy lutowaniu – Proces lutowania wymaga pewnej ostrożności. Przegrzanie delikatnych komponentów np. diod LED, tranzystorów może je uszkodzić, jeśli zbyt długo trzymamy na nich rozgrzany grot lutownicy. Również kilkukrotne lutowanie i poprawianie tego samego miejsca na płytce grozi uszkodzeniem ścieżek lub pól lutowniczych mogą się odkleić od podłoża. Ponadto łatwiej o pomyłkę przez brak narzuconego układu połączeń można przypadkowo źle zlutować węzeł obwodu. Dlatego przy montażu na płytce prototypowej warto działać z planem na podstawie schematu rozrysować sobie, które punkty połączyć, a podczas lutowania często kontrolować poprawność np. miernikiem ciągłości. Mimo tych wyzwań, większość błędów daje się naprawić. Trzeba je jednak korygować lutownicą, co zajmuje więcej czasu niż prosta korekta na płytce stykowej.
Płytka prototypowa PCB a płytka stykowa – kiedy którą wybrać?
Płytki stykowe od lat są podstawowym narzędziem do szybkiego prototypowania układów elektronicznych. Ich główną zaletą jest szybki montaż. Komponenty i przewody połączeniowe wystarczy wcisnąć w odpowiednie otwory, co czyni tę metodę bardzo prostą i dostępną nawet dla początkujących. Można w ten sposób w parę minut złożyć prosty układ, przetestować go, a następnie bez trudu zmodyfikować lub rozebrać na części, nie tracąc przy tym użytych elementów. Płytki stykowe są wielokrotnego użytku, te same elementy możemy wykorzystać ponownie w kolejnych projektach, co jest ekonomiczne i wygodne. Dzięki czytelnemu układowi rzędów i kolumn dziurek łatwo prześledzić połączenia w takim prototypie, co ma walor edukacyjny. Początkujący mogą uczyć się zasad działania obwodów, bez ryzyka uszkodzenia elementów wskutek błędnego lutowania.
Oczywiście, ta wygoda ma swoją cenę w postaci pewnych ograniczeń płytki stykowej. Połączenia realizowane są poprzez docisk metalowych blaszek, więc z czasem lub przy poruszaniu układem mogą się one poluzować. W efekcie prototyp na płytce stykowej bywa mniej pewny. Zdarzają się niestabilne, przerywające połączenia, które trudno zdiagnozować. Ponadto taka forma montażu generuje plątaninę przewodów i długie ścieżki połączeniowe o sporej pojemności i indukcyjności pasożytniczej, co ogranicza poprawne działanie układu do raczej niższych częstotliwości sygnałów (zwykle <~10 MHz). Bardzo szybkie układy cyfrowe czy analogowe wzmacniacze o dużym wzmocnieniu mogą na płytce stykowej zachowywać się niestabilnie, generować zakłócenia lub wręcz nie działać poprawnie. Kolejnym ograniczeniem jest kompatybilność elementów – płytka stykowa akceptuje niemal wyłącznie elementy przewlekane o standardowym rastrze wyprowadzeń. Współczesne miniaturowe układy scalone nie pasują do płytki stykowej konieczne są specjalne adaptery. Większe moduły i płytki również trudno wpiąć bezpośrednio ze względu na rozmiar. Dlatego do bardziej złożonych projektów i nowszych komponentów płytka stykowa ma ograniczone zastosowanie.
Kiedy zatem używać płytki stykowej, a kiedy sięgnąć po płytkę prototypową PCB? Najlepszym podejściem jest wykorzystanie zalet obu tych rozwiązań w odpowiednich etapach pracy nad projektem. Płytka stykowa świetnie służy na początku, gdy chcemy szybko sprawdzić pomysł na układ, przetestować różne konfiguracje, dobrać wartości elementów itp. Możemy wprowadzać dowolne zmiany w kilka sekund, więc iteracja projektu jest szybka i bezbolesna. Warto pamiętać o podstawowej zasadzie: lepiej przetestować dany układ przed lutowaniem, niż później tracić czas na poprawianie błędów. Płytka stykowa zachęca do eksperymentów. Nawet złożony projekt lepiej najpierw zmontować “na próbę” i upewnić się, że działa zgodnie z założeniami, zanim zostanie trwale zlutowany.
Gdy obwód jest już sprawdzony i dopracowany, albo gdy wiemy, że będzie on użytkowany dłużej lub w trudniejszych warunkach, nadchodzi moment na przeniesienie go na płytkę prototypową PCB. Dzięki temu zyskujemy wszystkie opisane zalety: obwód staje się odporny na rozłączenie, bardziej kompaktowy i uporządkowany, a przez to także często łatwiejszy w obsłudze można go zamontować w obudowie, przylutować złącza do podłączania zasilania itp. Płytka prototypowa pozwoli uniknąć problemów typowych dla luźnych drucików nic samo się nie wysunie, nie zewrze przypadkiem z sąsiednim połączeniem. Taki zlutowany prototyp bez obaw można traktować niemal jak gotowe urządzenie. Wykorzystywać w praktyce, przenosić, dołączać czujniki, moduły i inne elementy.
Podsumowując
płytka stykowa jest niezastąpiona na etapie szybkiego prototypowania i nauki, natomiast płytka prototypowa PCB przejmuje rolę, gdy chcemy prototyp utrwalić i przygotować do rzeczywistego działania. Oba narzędzia się uzupełniają, warto opanować korzystanie z nich, by móc sprawnie rozwijać swoje projekty elektroniczne od pomysłu aż po działający układ.
rodukty powiązane z wpisem:
Prezentowaną w artykule elektronikę znajdziesz oczywiście w naszym sklepie 👉 sklep.msalamon.pl 👈Zapraszamy również na nasze social media, gdzie na bieżąco informujemy o nowych produktach oraz o najciekawszych promocjach 😎👇
