¿Cómo puedo diagnosticar los posibles problemas de mis prototipos?

Question

Soy profesor de EE, y en mi laboratorio digital mis alumnos tuvieron problemas con las placas de panificación esta semana (algo así como esta pregunta ). Los componentes parecían funcionar cuando se movían a una zona diferente del tablero, y yo ayudé a solucionar el problema, así que no creo que sea un caso de error de los estudiantes.

¿Cuáles son los problemas que puede tener una protoboard y cómo puedo diagnosticarlos? ¿Es tan sencillo como desenroscar cada placa de la plataforma y comprobar las tiras de terminales? ¿Tengo que quitar las tiras? ¿Existe alguna herramienta que pueda utilizar para comprobar pin a pin?

Answer 1

Utilización adecuada de las placas de circuito impreso

Las breadboards de estilo plug-in con filas de cinco enchufes de 0,1 pulgadas de las que pareces estar hablando pueden ser realmente útiles, pero también se puede abusar de ellas. Saber cómo usar y cuidar estas placas es una habilidad de EE lo suficientemente útil como para que merezca la pena repasarla durante unos minutos.

Lo principal para no abusar de las breadboards es no enchufar cables demasiado grandes. Eso puede atascar los contactos, haciéndolos crujir hacia abajo en lugar de dejarlos saltar hacia los lados como se pretende. Los cables demasiado grandes también suelen requerir que se rompa ligeramente el plástico por encima del contacto ampliando el agujero. Eso permite que los cables del tamaño adecuado entren un poco hacia los lados, lo que permite que incluso estos cables hagan crujir una de las pinzas de resorte.

Tenga cuidado de empujar los cables hacia abajo. De nuevo, eso evita que empujen uno de los resortes de una manera no prevista.

Desgraciadamente, los estudiantes serán estudiantes y no tendrán un interés a largo plazo en las tablas de pan. Sólo necesitan terminar su proyecto. Que la protoboard sea una mierda después de haberla terminado es problema de otros.

Tableros de control como libros de texto

La solución es que consideres las tablas de pan como libros. Todos los electricistas deberían tener una o dos protoboard para experimentar. Saber cómo utilizarla correctamente, cómo cuidarla y los problemas especiales de los circuitos debidos a las protoboards son cosas útiles que los EE profesionales deben conocer. Cada estudiante debe comprar sus propias protoboards. De esta forma se les motiva a no abusar de ellas. Si lo hacen, aprenden una lección antes de que el jefe o el compañero de trabajo piense que son unos imbéciles.

No todas las placas de panificación son iguales. No te guíes sólo por el precio, sobre todo si proceden del lejano oriente, de dudosa procedencia. Una vez que encuentres un buen proveedor, podrás organizar una compra por volumen para que tus alumnos puedan conseguirlas a un precio decente.

Cuestiones de circuito

Mucha gente achaca inmediatamente cualquier cosa que no funcione en una protoboard al hecho de que está en una protoboard. Busque "breadboard" en este sitio y verá muchos comentarios de santidad. Estos comentarios son en gran medida erróneos.

Los tableros de pruebas pueden ser muy útiles para probar y comprobar los circuitos básicos. Son exactamente el tipo de cosas que los estudiantes de EE deberían hacer. Sin embargo, hay algunos problemas:

3. No hay plano de tierra. A veces eso no importa mucho. Puede ser útil montar la protoboard en una placa metálica con un poste de unión para que puedas conectar la placa a la protoboard con un solo cable. O bien, puedes elegir una de las tiras de bus horizontales para atar permanentemente la placa también. En ese caso, tienes que etiquetarla cuidadosamente.

   Otra posibilidad es colocar un plano de tierra bajo tu área de trabajo. Puede ser tan sencillo como trabajar sobre un trozo de cartón, con papel de aluminio debajo, atado a la red de tierra de la protoboard.

   Ten en cuenta que algunas placas de circuito impreso, sobre todo las más baratas, tienen la parte inferior de las pinzas de resorte expuesta por debajo. Se cortocircuitarán con cualquier cosa conductora sobre la que se asienten. Diga a sus alumnos que pongan siempre cinta aislante sobre los contactos desnudos de la parte inferior de estas placas.

4. Cada uno de los contactos tiene cierta resistencia. La mayoría de las veces esto no importa mucho. Piensa que los contactos de la protoboard son sólo para las señales y la pequeña potencia (como para alimentar un chip lógico). No hagas cosas como pasar la energía del motor a través de la protoboard. Eso puede sobrecalentar el contacto, causando oxidación y problemas a largo plazo.

5. Hay cierta capacitancia entre las columnas adyacentes. Este problema está sobrevalorado, pero puede ser importante para circuitos analógicos especialmente sensibles.

6. No son para alta frecuencia. Esto se debe a que no tienen plano de tierra y a que las capacitancias parásitas son mayores de lo habitual. Sin embargo, parece que la gente lo olvida con demasiada facilidad.

   Ten en cuenta también que esto importa más para las señales analógicas que para las digitales. Un cristal de 8 MHz a un microcontrolador es poco probable que sea un problema, pero incluso un receptor de radio de 1 MHz va a actuar de manera diferente en una placa de pan.

7. Son sólo para componentes con agujeros pasantes y CI en paquetes DIP. Ambas cosas han desaparecido. Sin embargo, la utilidad de las placas de circuito impreso, sobre todo para el aprendizaje, justifica la necesidad de abordar esta cuestión. Ya que te dedicas a aprender, ten una reserva de resistencias de ¼ W con agujero pasante y otras piezas. Todavía se pueden conseguir muchos condensadores con orificios pasantes.

   También hay placas de soporte disponibles en lugares de aficionados que toman paquetes comunes de montaje en superficie, y los llevan a una línea de pines destinados específicamente para conectar a las placas de pan. Tiene sentido tener un suministro de estos en su laboratorio. Ciertamente deberías tenerlas para los paquetes SOT-23-3, SOT-23-6 y SOIC-14.

Solución de problemas

Lo que suelo hacer para depurar los circuitos de la protoboard es enganchar un cable de calibre 24 de una sola hebra en cada sonda del osciloscopio. Las pinzas de tierra de la sonda van a un cable corto que sale de la protoboard con un extremo pelado de ¾ de pulgada más o menos. Esto permite conectar dos pinzas de tierra de la sonda.

Ahora sólo tienes que enchufar los otros extremos de los cables de calibre 24 en cualquier almohadilla de la protoboard de la que quieras ver la señal.

No te desanimes quitando el clip de la sonda del osciloscopio y enchufando el extremo afilado de la sonda directamente en un agujero de la protoboard. En primer lugar, estas piezas puntiagudas suelen ser demasiado gruesas para una protoboard. Pero la verdadera razón es que, tarde o temprano, pasarás accidentalmente la mano por las sondas que sobresalen de la protoboard. Esto romperá los extremos puntiagudos de las puntas de las sondas, dañará el pin de la protoboard, o ambas cosas.

Resumen

Los tableros de pruebas pueden ser útiles, incluso en un entorno profesional. Son herramientas que sus alumnos deberían tener, aprender a cuidarlas adecuadamente y aprender a utilizarlas cuando se den las circunstancias adecuadas. También son estupendas para aprender sobre circuitos y obtener esa importantísima intuición sobre los circuitos que no se obtiene en los libros.

Tus alumnos deben entender la teoría y las matemáticas que hay detrás de la electrónica, pero eso es sólo una parte de ser un EE. Cuando entrevisto a candidatos a EE, por supuesto que necesito ver que conocen la teoría. Sin embargo, la mayor parte de la entrevista busca esa intuición electrónica que sólo la experimentación puede dar.

Los buenos EE miran un esquema y ven los voltajes que empujan y las corrientes que fluyen. Ven un transistor o un opamp o un condensador o casi cualquier parte por lo que "significa" en un circuito, no sólo como unas ecuaciones para resolver la corriente con cuatro decimales. La diferencia entre un verdadero ingeniero electrónico y alguien que se limita a introducir valores en las ecuaciones es que es capaz de "conocer" los bloques de construcción y de tener una intuición sobre la electrónica que le permite idear topologías de circuitos que nunca ha visto antes, guiándose únicamente por lo que el circuito necesita hacer. Para ello hay que experimentar, ver cómo difieren la teoría y la práctica, pasar horas preguntándose por qué el sencillo amplificador que parece estupendo en teoría, en realidad oscila cuando lo construyes, etc. Los tableros de circuitos son el mejor vehículo que tenemos hoy en día para este tipo de aprendizaje.

Probablemente han pasado unos 10 años desde la última vez que necesité experimentar con un circuito hasta el punto de que tuviera sentido utilizar una protoboard, pero estas cosas surgen de vez en cuando. Soy ingeniero eléctrico profesional desde 1980, y al principio de mi carrera solía utilizar más las protoboard. Creo que esto se debía a que por aquel entonces la mayoría de las piezas eran de orificio pasante con un paso de 0,1", el coste y el tiempo de fabricación de las placas de PC era mayor, y los circuitos eran más analógicos.

Recordando, la última vez que utilicé una protoboard de verdad fue para desarrollar un circuito que pudiera recibir una señal de ultrasonidos utilizando muy poca energía en espera. Para ello se utilizaron transistores a corrientes tan bajas que la hoja de datos no daba mucha orientación sobre lo que había que esperar. Necesitaba unos 2000 de ganancia a 40 kHz. Al final conseguí que bajara a 35 µA de corriente de reposo, pero no sin experimentar un poco. Supongo que la razón por la que esto era apropiado para una protoboard era que era un circuito analógico que no tenía frecuencias de varios MHz.

Answer 2

¿Existe alguna herramienta que pueda utilizar para comprobar clavija por clavija?

Sé que los asistentes de investigación pueden ser mano de obra barata, pero teniendo en cuenta el precio de las tablas de pan: Si esto es necesario, puede que simplemente quieras invertir en placas de pan de mayor calidad o simplemente nuevas.

Incluso cuando era un alumno de 13 años, simplemente tiré un par de prototipos que compré de mis pequeñas ganancias después de descubrir que simplemente no estaban fabricados con la suficiente precisión para asegurar un contacto fiable con los componentes DIP. Tus placas son probablemente mucho mejores que las mías, en su día -parece que al menos tienen una base-, pero puede que hayan visto un par de ocasiones de uso rudo debido a que se utilizaron en un centro educativo.

¿Cuáles son los problemas que puede tener una protoboard y cómo puedo diagnosticarlos?

Usa tu imaginación.

• contacto débil debido a la fatiga mecánica
• suciedad
• efectos como la capacitancia parásita, la inductancia, la resistencia
• conexiones inseguras debido a un mal contacto mecánico, ya que los componentes no están hechos para las placas de circuito impreso, sino para la fabricación de PCB
• muchas otras cosas que pueden salir mal

Es imposible decir lo que está mal en tu caso particular - utiliza tu experiencia en EE para descartar cosas, si ese es el camino que quieres tomar.

Ahora, el laboratorio digital puede o no significar que estás haciendo cosas de alta velocidad - y las placas de pan son, debido a la forma de todas las partes conductoras, especialmente propensas a producir una interesante interferencia o atenuación.

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como un comentario personal:

Hice y sigo haciendo algunos prototipos, incluso en protoboard. Sin embargo, me he frustrado mucho en el pasado, así que ahora tengo básicamente un placa de soporte (no modelo , a un solo espécimen ) en el que confío, y básicamente sólo lo utilizo para conectar placas de circuito impreso que he encargado o hecho yo mismo con cabezales de pines de 2,54 mm de paso, y unos cuantos cables de puente para alimentar las placas, y quizá tapones de desacoplamiento para la fuente de alimentación. Puedo confiar en el contacto de estos pocos componentes seleccionados, por experiencia.

Me han picado los contactos poco fiables, especialmente de las resistencias cableadas, tan a menudo, que en un momento dado me di cuenta de que puedo o bien depurar un prototipo que podría o no estar fallando ya sea por un problema de mi diseño o por un problema de los contactos de mi protoboard, a simplemente no hacer algo remotamente complejo en la protoboard. Si se hace algo en PCB, se puede, siempre que se sepa soldar, descartar los malos contactos como fuente de error. Y eso es un gran alivio.

Diseñar mi propia placa de circuito impreso es, de hecho, más rápido que averiguar cómo construir un complejo dispositivo de, por ejemplo, cuatro transistores con un par de diodos de polarización y resistencias como un diseño rectangular de protoboard. Y, si tengo suficiente trabajo en cola para hacer mientras espero las PCBs, puedo pedir cosas baratas en algún lugar de China. Para cosas privadas, y pequeñas PCBs, un triplete de PCBs es definitivamente más barato que el coste de una breadboard de alta calidad dividido por las generaciones de estudiantes que la usarán.

Por supuesto, es absolutamente cierto que enseñar a los estudiantes a diseñar un esquema y maquetar una placa podría estar fuera del alcance del laboratorio que diriges, pero podría ser algo interesante de aprender, no obstante.

Como se ha dicho, no sé qué tipo de componentes utiliza. Pero asumiendo que son más cosas como transistores discretos, y puertas lógicas DIP (tipo de cosas de la familia 7400), y tal vez una tarjeta de interfaz DSP/FPGA/microcontrolador/PC para conectarse a ellos, tal vez un término medio sería interesante:

Soldar un transistor TO-92 o un circuito integrado DIP14 y los cabezales de las clavijas en una placa de circuito impreso o en una placa de circuito impreso no es muy difícil de hacer. Los estudiantes pueden experimentar de forma interactiva con los circuitos si han soldado ellos mismos sus circuitos elementales y utilizan cables de puente externos de buena calidad (no me hagas hablar de la calidad de los cables de puente) para conectarlos, si la frecuencia de la señal lo permite.

Answer 3

Para los circuitos digitales, esta herramienta ayuda:

La ventaja de esto es que si se lee la mitad de la tensión de alimentación en el medidor, el problema es un circuito abierto en el pin. Sólo tienes que ir a través de cada pin en el dispositivo, y comprobar contra el valor esperado del esquema. Va rápido. Esta misma técnica funciona en placas de circuito ordinarias para encontrar circuitos abiertos y niveles inesperados tanto en piezas con agujeros pasantes como en piezas SMT. Este truco se sigue utilizando en los laboratorios que tienen muchos equipos de prueba. Es bueno enseñar un enfoque sistemático.

Otra herramienta de la época de los 80 es un clip DIP con LEDs incorporados para hacer un analizador lógico estático. Los DIP-clips sin los leds son geniales como lugar para fijar las sondas.

Answer 4

¿Para qué las usas?

Si es un problema generalizado entre tu clase es improbable que sea un problema de conectores (a no ser que todas las placas sean realmente viejas).

La segunda razón más frecuente que se me ocurre son las frecuencias demasiado altas. Comprueba las frecuencias máximas recomendadas para tu protoboard, pero generalmente no son demasiado altas.

Espero que sea de ayuda.