آموزش کار با برد بورد

برد بورد ها یکی از ابزارهای پایه‌ای در طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی هستند. در این آموزش در میکرودیزاینرالکترونیک قصد داریم قدری بیشتر با چیستی این وسیله، فلسفه نام آن و نحوه‌ی استفاده از آن آشنا شویم. در پایان، شما قادر خواهید بود یک مدار ساده روی برد بورد ببندید. با ما همراه باشید.

مونتاژ مدارها در طول تاریخ

تا قبل از 1960، مدارها را به کمک تکنیکی به نام وایر-رپ (wire-wrap) پیاده سازی می‌کردند. به این ترتیب که تمام نقاط اتصال موجود بر روی برد سوراخ‌دار، سیم کشی می‌شدند و توسط سیم به هم وصل می‌شدند. احتمالا می‌توانید تصور کنید این روش در مدارهایی که قدری پیچیده تر می‌‌شدند به چه وضعیتی منجر می‌شد! هر چند که هنوز هم گاهی از این روش استفاده هایی می‌شود، اما پیدایش برد بورد ها تحول بزرگی در ساخت مدارهای نمونه و آزمایشی بود.

(تصویری از یک مدار که با تکنیک وایر رپ پیاده سازی شده است)

فلسفه نام برد بورد!

اگر برای اولین بار نام برد بورد را بشنوید، چه در ذهن شما می‌آید؟ احتمالا یک تکه صفحه‌ی بزرگ چوبی که یک نان بزرگ و تازه بر روی آن قرار دارد! و خب البته این تصور خیلی هم از واقعیت چیزی که باعث شد برد بورد را برد بورد بنامند، دور نیست…

سال‌ها قبل، زمانی که قطعات الکترونیکی بسیار بزرگ و حجیم بودند، الکترونیک کارها تخته‌های نان مادرهایشان، تعدادی میخ و تعدادی پونز برمی‌داشتند و مدار می‌بستند!

پس از آن، قطعات الکترونیکی به مرور کوچک و کوچک‌تر شدند و روش‌ها و ابزارهای بهتری برای پیاده‌سازی آزمایشی مدارهای الکترونیکی ابداع شد. به این ترتیب تخته‌های نان نیز دوباره به آشپزخانه ها بازگشتند. هرچند که نام آن‌ها در جعبه کار الکترونیک کارها باقی ماند!

برد بورد چیست؟

امروزه نام برد بورد به بورد هایی اطلاق می‌شود که می‌توان قطعات یک مدار را بر روی آن به هم متصل نمود؛ بدون آن‌که نیاز به سیم پیچی و لحیم کاری باشد.

چرا باید از بردبورد استفاده کنیم؟

همان‌طور که گفتیم بردبورد های الکترونیکی امروزی( و نه تخته نان های قدیمی!)، با مزیتی که در پیاده سازی مدارها بدون نیاز به کوچکترین لحیم‌کاری، برای ما فراهم می‌کنند، ابزار های بسیار مناسبی به منظور ساخت مدارهای موقت و یا نمونه سازی هستند.

نمونه‌سازی(Prototyping) پروسه ای است که در آن ایده‌ و طرحی که از یک مدار داریم را از طریق پیاده سازی یک نمونه‌ی اولیه از آن ، آزمایش می‌کنیم. و یا زمانی که نمی‌دانیم یک مدار به پارامترهای تعیین شده مشخصی چگونه واکنش می‌دهد، بهترین کار این است که یک نمونه اولیه از آن را پیاده و تست کنیم.

برای آن‌ها که در الکترونیک تازه‌کار هستند، بردبورد ها ابزار های بسیار مناسبی برای شروع پیاده سازی مدارها هستند. در واقع جذابیت برد بورد ها در همین نکته نهفته است که هم ساده‌ترین مدارها  و هم پیچیده‌ترین آن‌ها ، قابلیت پیاده شدن بر روی برد بورد را دارند. در ادامه در قسمت آموزش کار با برد بورد خواهید دید که در صورتی که بخواهیم یک مدار موجود را گسترش دهیم، می‌توان با متصل کردن یک برد بورد  به برد بورد فعلی، این کار را انجام دهیم. بنابراین پیچیدگی و وسعت مدار هیچ محدودیتی در استفاده از برد بورد ایجاد نمی‌کند.

یکی دیگر از کاربردهای برد بورد، تست قطعات جدید مانند ic ها است. زمانی که می‌خواهیم بدانیم که یک قطعه چگونه کار می‌کند، یا زمانی که نیاز به جابه‌جایی قطعاتی در مدار داریم، با استفاده از برد بورد، ناچار به لحیم‌کاری های مداوم نخواهیم بود.

یا همان‌طور که اشاره کردیم، در بسیاری از اوقات مدارهایی پیاده سازی می‌کنیم که همیشه مورد نیازمان نیستند و به طور موقت با آن‌ها کار داریم. مانند زمانی که یک تعمیرکار، قصد دارد ایراد قطعاتی که مشتریان می‌آورند را در هنگام کار در یک مدار مشخص، پیدا کرده و برطرف نماید. در این شرایط پس از یافتن ایراد آن قطعه‌ی به‌خصوص ، آن مدار نیز دیگر مورد نیاز نخواهد بود. بنابراین می‌توانیم قطعات آن را باز کرده و تا دفعات بعدی کنار بگذاریم. به این ترتیب برد بورد در این‌جا نیز کار ما را بسیار تسهیل خواهد کرد.

ساختار برد بورد

بهترین راه برای اینکه بفهمیم یک برد بورد چگونه کار می‌کند، این است که آن را از هم باز کنیم و نگاهی به داخل آن بیاندازیم. از یک برد بورد کوچک برای این کار استفاده می‌کنیم.

خطوط ترمینالی

در اینجا یک بردبورد داریم که قسمت پشتی چسب‌دار آن جدا شده است. می‌بینیم که تعداد زیادی نوارهای فلزی به صورت ردیف‌های افقی در آن وجود دارند.

رویه‌های این نوارهای فلزی، برش هایی دارد که در زیر قسمت پلاستیکی چفت و پنهان می‌شوند. این برش‌ها در واقع همان محل‌هایی هستند که ما پایه‌های قطعات یا سر سیم‌ها را در آن‌ها فرو می‌کنیم.

بنابراین مشخص است که پایه‌های که در یک ردیف از سوراخ ها قرار می‌گیرند، در داخل دارای اتصال الکتریکی خواهند بود. ( چرا که نوارهای داخلی فلزی هستند و رسانای جریان.)

همان‌طور که در تصویر فوق می‌بینید، برش ها موجب ایجاد پنج دندانه بر روی نوار شده‌اند(در اغلب برد بورد همین تعداد برش متداول است.) فلذا در هر ردیف افقی، امکان اتصال پنج پایه یا سیم وجود دارد.

البته اگر به برد بورد نگاه کنید، در هر ردیف در واقع 10 سوراخ می‌بینید اما باید دقت داشت که با توجه به ساختار داخلی، سوراخ های هر یک از دو دسته‌ی پنج‌تایی با دسته‌ی دیگر اتصال ندارند و بوسیله‌ی عایقی از هم مجزا شده‌اند. این نکته‌را علی الحساب تا همین مقدار در ذهن داشته باشیم تا در بخش‌های پیش رو، بیشتر در مورد آن صحبت کنیم که فلسفه این طراحی چیست.

خطوط توان

حال که متوجه شدیم سوراخ های یک برد بورد چگونه به هم اتصال دارند، به سراغ یک برد‌بورد بزرگ تر می‌رویم که دارای ابعاد رایج برد‌بورد هاست. می‌بینیم که در دو طرف بورد، ردیف هایی عمودی وجود دارند. این ردیف ها خطوط توان (Power Rails) نام دارند.

این خطوط نیز مشابه همان خطوط افقی، نوار های نازک فلزی هستند با این تفاوت که تمام سوراخ‌های این ستون ها، به هم اتصال الکتریکی دارند. زمانی که مداری می‌بندیم، احتمالا در نقاط مختلفی از مدار به تغذیه نیاز خواهیم داشت. این خطوط با نقاط متعدد متصل به هم، این امکان را فراهم می‌کنند که هر تعداد دسترسی به منبع توان نیاز داشته باشیم، بتوانیم به راحتی از این قسمت تامین کنیم. البته باید توجه داشت که خطوط توان در دو طرف برد بورد، به هم متصل نیستند. لذا اگر بخواهیم در هر دو سمت منابع توان یکسانی داشته باشیم، لازم است توسط سیم‌های رابط بین دو طرف اتصال برقرار کنیم.

معمولا این ردیف ها را با علامت های مثبت و منفی و یا خطوط قرمز و آبی ( یا مشکی) نیز علامت‌گذاری می‌کنند تا دو سر منبع توان قابل تمییز باشد. هرچند که این علامت ها به معنای اجباری برای اینکه شما حتما باید خط با علامت منفی را به عنوان زمین و خط با علامت مثبت را به عنوان سر مثبت تغذیه انتخاب کنید، نیستند. بلکه صرفا به منظور راهنمایی جهت پرهیز از اشتباه، و بستن مدار مرتب تری هستند.

قطعات DIP بر روی برد بورد

در بخش های قبل، اشاره کردیم که سوراخ های 10 تایی در هر ردیف افقی، توسط یه حد فاصل عایق به دو دسته 5 تایی تقسیم می‌شوند و به هم اتصالی ندارند. حال می‌خواهیم فلسفه‌ی این نوع طراحی را بدانیم. این حد فاصل در واقع نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند. IC های فراوانی وجود دارند که منحصرا به منظور استفاده بر روی بردبورد طراحی و ساخته می‌شوند و در راستای حداقل کردن فضایی که بر روی برد بورد اشغال می‌کنند، آن‌ها را با تکنیکی به نام Dual in-line Package یا همان DIP طراحی می‌کنند. این چیپ ها، پایه‌هایی در دو سمت دارند که فاصله میان آن‌ها به نحوی تعیین شده که دقیق در حد فاصل بین دو دسته 5 تایی برد بورد چفت می‌شوند. از آن‌جا که نمی‌خواهیم پایه‌ها( پین‌ها)ی دو سمت IC، به نحوی قرار گیرند که با یکدیگر دارای اتصال باشند، پس تنها شیوه‌ی جاگیری صحیح آن‌ها، استفاده از همین حد فاصل خواهد بود. به این ترتیب، هر پایه از IC می‌تواند اتصالات منحصر به فرد خود را داشته باشد، بی آن‌که پایه‌ی دیگر در سمت مخالف درگیر شود.

ردیف‌ها و ستون ‌ها در برد بورد

ممکن است توجه کرده باشید که در برخی از بردبوردها، ردیف‌ها و ستون ها با اعداد یا حروف انگلیسی نام‌گذاری شده‌اند. منظور از این نام‌گذاری‌ها صرفا راهنمایی برای کمک در پیاده‌سازی مدار است. می‌دانید که مدارها اگر قدری پیچیده شوند، تنها یک خطای کوچک در پیاده سازی آن‌ها، مانند قرار گرفتن یک پین در جای نادرست، می‌تواند عملکرد مدار را به کلی مختل کند و یا حتی موجب شود که مدار اصلا کار نکند. بنابراین حتما باید دقت فراوانی به کار بست. این حروف و اعداد کار را آسان‌تر می‌کنند. مسلما در یک مدار شلوغ و پر المان، اینکه بدانیم هر پین یا هر پایه قرار است مثلا در ردیف شماره x ، یا ستون … قرار گیرد، راحت تر و دقیق‌تر آن ‌را در جای خود قرار خواهیم داد تا اینکه بخواهیم به صورت چشمی محل آن را پیدا کنیم.

کاربرد دیگر این راهنمایی‌ها، زمانی است که از کتاب‌های راهنمای مدارها استفاده می‌کنیم. مداری که از روی دیاگرام داده شده در یک کتاب یا دفترچه راهنما پیاده سازی می‌کنیم، نیازی نیست که لزوما نقطه به نقطه مشابه همان دیاگرام جانمایی شود. بلکه تا زمانی که اتصالات درست باشند، شکل ظاهری مدار می‌تواند در هر پیاده سازی به نحوی با سایرین متفاوت باشد.

سایر ویژگی‌ها

در پیاده‌سازی یک مدار، شما هرگز محدود به یک عدد برد‌بورد نیستید. مدارهای زیادی هستند که به فضایی بیش از یک برد‌بورد نیاز دارند. از طرفی بردبورد ها نیز دارای گیره‌هایی در اطراف بدنه خود هستند که می‌توان به کمک آن‌ها، دو یا چند برد بورد را به هم متصل کرد( مانند قطعات لگو)

برخی از انواع برد‌بورد ها نیز داری چسب‌هایی در پشت بدنه خود هستند که به وسیله آن‌ها می توان برد بورد را بر روی هر سطح دلخواهی فیکس کرد.

این ویژگی ها در موارد متعددی بسیار کمک‌کننده هستند.

یا برخی دیگر از برد‌بورد ها ویژگی‌ای دارند که در مواردی ممکن است مورد نیاز باشد. در این برد‌بورد ها سوراخ‌های بالایی ستون خطوط توان، با سوراخ های پایینی اتصال الکتریکی ندارند و به این ترتیب اگر در مداری نیاز به استفاده از دو منبع تغذیه با دو مقدار متفاوت باشد، این ویژگی برد بورد راه گشا خواهد بود. برای تشخیص اینکه بوردی دارای این ویژگی هست یا خیر، می‌توان با کمک گرفتن از مولتی‌متر، وجود یا عدم وجود اتصال بین قسمت های بالایی و پایینی خطوط توان را بررسی کرد.

تامین توان برد بورد

برای تامین توان یک برد‌بورد، روش های مختلفی وجود دارد. در اینجا دو مورد از آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

تامین توان از طریق منابع جانبی

اگر در مدار کلی شما، برد‌های پیشرفته‌تری مثلا آردوینو وجود دارند، می‌توانید توان مورد نیاز در برد‌بورد را به راحتی از پین‌های توان و زمین آردوینو بگیرید.

(می‌دانیم که آردوینو خود توان مورد نیازش را از طریق پورت usb از کامپیوتر و یا از منابعی خارجی مانند باتری یا آداپتور تامین می‌کند.)

ترمینال های خارجی یا به اصطلاح کانکتور های Binding Posts

برخی از برد بورد ها دارای کانکتور های Binding Posts هستند که می‌توان از طریق آن‌ها، برد بورد را به منبع تغذیه خارجی متصل کرد.

قدم اول در این روش وصل کردن Binding Posts هاست. این کار را به وسیله چند سیم جامپر انجام می‌دهیم.

البته در ظاهر ممکن است این طور به نظر برسد که کانکتور ها به صورت پیش فرض از قبل متصل هستند، اما چنین نیست و باید آن‌ها را به صورت دستی متصل کرد. ( اگر از قبل متصل می‌بودند، در تعیین محل هایی که می‌خواهیم یا نمی‌خواهیم به توان متصل شوند دچار محدودیت می‌شدیم.) یادآوری می‌کنیم که خاصیت ابتدایی برد‌بورد این بود که از هر نظر قابل تنظیم باشد، فلسفله باز بودن کانکتور ها هم به همین اصل باز می‌گردد.

خب، برای وصل کردن آن‌ها گفتیم که به سیم های جامپر نیاز داریم. پیچ کانکتور را قدری شل می‌کنیم تا حدی که محل مخصوص تعبیه شده برای رد شدن سیم آشکار شود. سر سیم را که پوشش عایق آن را کنار زده‌ایم، از محل عبور می‌دهیم و پیچ کانکتور را مجددا سفت می‌کنیم تا جایی که سیم کاملا فیکس شود. سپس سر دیگر سیم را به محلی از برد بورد که می‌خواهیم زمین یا تغذیه شود، وصل می‌کنیم.

به طور معمول به دو کانکتور نیاز داریم؛ یکی برای اتصال زمین و یکی برای سر مثبت منبع. اما چنانچه دو مقدار متفاوت تغذیه نیاز باشد، کانکتور سوم را هم وصل می‌کنیم.

تا اینجای کار، کانکتورها به برد بورد متصل شدند. اما همچنان به منابع متصل نیستند. برای برقراری اتصال آن‌ها با منبع و تامین توان، راه های مختلفی داریم؛

سیم های تامین تغذیه  آزمایشگاهی

بسیاری از آزمایشگاه‌ها منبع تغذیه و  سیم های تامین تغذیه آزمایشگاهی (به شکل زیر کمی توجه کنید) دارند و از آن‌ها به منظور تامین توان و تغذیه های مختلف برد بورد ها استفاده می‌کنند.

یا می‌توان به جای این تجهیزات، از سیم سوسماری یا کابل های فیش دار و جک یا روش‌های دیگر نیز استفاده کرد و تغذیه مناسب را به  Binding Posts و در واقع به بورد متصل نمود. البته برخی از این روش ها مثلا از استفاده از جک و کابل فیش‌دار، نیازمند مهارت و اطلاعات بیشتری است.

نهایتا روش دیگری که برای تامین تغذیه برد بورد می‌توان به کار برد، استفاده از بردهای آماده‌ی تامین تغذیه است. این برد ها انواع مختلفی دارند و می‌توان آن‌ها را مستقیم به بورد متصل کرد. برخی از آن‌ها امکان اتصال بورد به usb کامپیوتر، برخی امکان اتصال به آداپتور و یا …. را فراهم می‌کنند.

 

اولین مدار برد‌ بوردی خودتان را بسازید!

حال که با برد‌بورد، ساختمان آن، نحوه‌ی کار با آن آشنا شدیم و نحوه‌ی تامین توان آن را نیز با هم آموختیم، بهتر است این آموخته ها را به کار بگیریم و یک مدار برد‌بوردی ساده با هم بسازیم.

آن‌چه نیاز داریم:

(به یاد داشته باشید که یک مدار را می‌توان با آرایش های مختلف و متنوعی پیاده سازی نمود. پس لزوما محدود به آرایش و شکل ظاهری‌ای که ما در اینجا استفاده می‌کنیم نیستید. )

تصویر مدار را با هم می‌بینیم:

ما در اینجا برای تامین تغذیه 5 ولتی مدار، از یک مدار آماده(ماژول تغذیه برد بورد) استفاده کرده‌ایم که امکان اتصال به آداپتور دارد. شما میتوانید از هر منبع تغذیه با هر نوع سیمی تغذیه مدار را تامین کنید.

اما توضیحاتی در مورد مدار:

• پایه آنود led ها توسط سیم رابط به تغذیه 5 ولت متصل شده است.
• پایه کاتود led ها نیز به مقاومت 330 اهم متصل می‌شود.
• در انتها مقاومت را به کلید فشاری وصل می‌کنیم.
• با فشار دادن کلید، اتصال به زمین برقرار شده و مدار کامل می‌شود. در نتیجه led ها روشن خواهند شد.

شماتیک مدار

نحوه‌ی کشیدن یا خواندن شماتیک مداری را در آموزش دیگری به طور کامل بررسی خواهیم کرد اما از آ‌نجا که این کار بخش مهمی از طراحی و پیاده سازی مدارها ست، در اینجا نیز به طور مختصر توضیحاتی در رابطه با آن می‌دهیم و شماتیک همین مدار ساده را نیز با هم مرور می‌کنیم.

شماتیک ها نمودارهای تصویری‌ای هستند که مطابق قرارداد های جهانی رسم می‌شوند و برای افراد در سراسر جهان امکان فهم و ساختن مدارها را فراهم می‌کنند. هر قطعه‌ی الکترونیکی، یک نماد مداری کاملا منحصر به فرد دارد. این نماد ها را می‌توان با کمک برنامه‌های متعددی در کنار هم قرار داد و مدارهای مطلوب را ایجاد کرد.

اگر بخواهید عمیقا در دریای الکترونیک غوطه بخورید، یادگرفتن شماتیک ها قدمی بسیار مهم و ضروری است .

در این‌جا ما شماتیکی برای مداری که در بالا پیاده سازی کردیم، داریم. می‌بینیم که منبع تغذیه 5 ولتی با یک فلش رو به بالا در قسمت بالایی مدار نشان داده شده است. سپس نماد LED را به صورت یک مثلث با چند فلش – نمایانگر ساطع شدن نور هستند – که در کنار آن قرار دارند، می‌بینیم. سپس مقاومت (به صورت یک خط زیگزاگی) و کلید.  و در انتها نیز مدار به زمین وصل می‌شود.

این روش برای ترسیم مدارها ممکن است کمی خنده‌دار  به نظر برسد، اما همین روش ساده، دهه‌هاست که یکی از بنیادی ترین کارها در عالم طراحی مدارهاست. در واقع شماتیک ها یک زبان بین‌المللی برای طراحی مدارها هستند که افراد با زبان ها و ملت‌های مختلف را قادر می‌سازند که همگی بتوانند در مورد یک مدار مشخص همکاری کنند و یا از طراحی های یکدیگر استفاده کنند. همان‌طور که قبل تر گفتیم، شکل ظاهری پیاده سازی یک مدار بسته به هر شخص و خلاقیت او می‌تواند متفاوت با دیگری باشد، اما چگونگی و کم و کیف اتصالات که در شماتیک مشخص می‌شود، قطعا برای همه باید یکسان باشد. در غیر این صورت ممکن است مدار کار نکند و یا مداری با کارکرد کاملا متفاوت حاصل شود.

کار با برد بورد در محیط نرم افزار Fritzing

آخرین نکته‌ای که قصد داریم در این آموزش با شما در میان بگذاریم، این است که هزاران برنامه وجود دارند که به شما امکان می‌دهند بدون کار کردن با برد‌بورد واقعی و در دنیای واقعی، مدارهای خود را پیاده سازی و تست کنید! یکی از این برنامه ها به عنوان مثال ، Fritzing است. برنامه‌ای رایگان که محیطی مجازی برای پیاده سازی مدارهاست. هم‌چنین طرح شماتیکی مداری که پیاده سازی می‌کنید را نیز به شما می‌دهد. در تصویر زیر، مدار معرفی شده در بالا را می‌بینید که در محیط Fritzing پیاده سازی شده است.

برنامه‌های فراوان دیگری نیز وجود دارند که هر یک ممکن است امکانات  و مزیت های مختلفی داشته باشند.  با یک جستجو در اینترنت می‌توانید تعداد زیادی از آن‌ها را بیابید و متناسب با نیاز خودتان از یکی استفاده کنید. آموزش نرم افزار Fritzing ، نحوه‌ی عملکرد و استفاده از آن را حتما بخوانید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>