Orde op en rond je experimenteerboard

Iedereen die wel eens met elektronica speelt en een schakeling opbouwt, loopt tegen praktische problemen aan. Hoe verzorg je de voeding van je breadboard en hoe bevestig je zo zo stabiel mogelijk testsnoeren en meetprobes op het breadboardje?

Of hoe maak je even een nette, ontstoorde, klokpuls met een drukknop voor je digitale schakeling? Potentiometers, drukknoppen en LEDs voor een overzicht van je uitgangssignalen, snoepen al snel een substantieel deel van je beschikbare breadboard-ruimte op. In dit artikel beschrijf ik mijn probeersels en mijn (tot nu toe) meest elegante oplossing voor deze problemen!

Video : toestemming voor cookies nodig
Instellingen

Testsnoeren

Spanningen of signalen meten op een vol experimenteerboard is een precisiewerkje. De meetpennen voor het meten van belangrijke ingangs- of uitgangssignalen bevestig je het liefst zodanig zodat je je handen vrij hebt en niet per ongeluk tijdens het aflezen sluiting veroorzaakt. Maar klemmetjes van testsnoeren of meetprobes kunnen vaak niet direct zonder kortsluitingsgevaar op een pin van een component worden bevestigd, en zullen daarom naar een 'meetpunt' aan de zijkant van je board moeten worden geleid. Een brugje van ijzerdraad of de draad van een goed bereikbaar component biedt dan vaak wel uitkomst, maar niet altijd voldoende stevigheid als bevestigingspunt. Soms betekent het zelfs dat je de componentenopstelling moet wijzigen en bedrading moet gaan verplaatsen om plaats te maken aan de randen van het experimenteerboard om alle bedrading aan te sluiten.

probes-on-board
old-breadboard

My First.... Experimenteerboardje!

In het eerste jaar van mijn (elektronica-/computertechniek-)studie, maakten wij op school ons eigen experimenteerboardje op een aluminium plaatje. De zijden en achterkant waren ongeveer 2cm omhoog omgezet en hierin werden enkele 4mm banaanbussen en een paar BNC chassisdelen aangebracht die aan de binnenkant van draadjes waren voorzien. Dit boardje heb ik nog steeds in gebruik maar kent een paar beperkingen. Zo maken de losse, vaak ongebruikte, draadjes een rommelige indruk en kunnen zelfs sluiting veroorzaken als je de ongebruikte draadjes niet ook preventief vastprikt. Ook is het aantal coaxiale bussen beperkt en blijkt het in de praktijk prettiger alle testsnoeren aan de achterkant van je werkstuk te kunnen inprikken.

En de knopjes, LEDs en schakelaars?

Een belangrijk deel van je experimenteerboard kan worden opgesnoept door controle-LEDs, drukknopjes of potentiometers om instellingen te kunnen maken. Deze randcomponenten zijn niet altijd gemakkelijk in de kleine gaatjes van een experimenteerboard te persen en nemen vaak relatief veel ruimte in. De pennen van schakelaars en potentiometers hebben soms een andere pitch (dan de gebruikelijke 2.54mm) en laten zich niet zo gemakkelijk en 'bedienings-stabiel' bevestigen.

Bij sommige elektronicaprojecten kan deze 'periferie' tijdens de ontwikkelfase van een schakeling behoorlijk wat ruimte opeisen. Dit is deels op te lossen door draadjes aan drukknopjes en potentiometers te solderen, of een stel schakelaars op een apart experimenteerboard onder te brengen, maar dit komt de overzichtelijkheid vanzelfsprekend niet altijd ten goede.

buttons-switches-LEDs

Breadboard kastje met meetsnoeraansluitingen

Omdat ik wilde kunnen meten aan mijn Zauberling en andere, inmiddels in dergelijke 'fischertechnik-achtige' behuizingen ondergebrachte, elektronica-knutselprojectjes, besloot ik het modulair aan te pakken en een kastje met dubbele 'fischertechnik Silberling' breedte te ontwerpen waarop een klein experimenteerboard kan worden aangebracht. Door de hoogte van deze behuizing (3cm) zou het dan mogelijk worden achterop het kastje de diverse meet-aansluitingen te situeren. Dit zou een mix van coaxiale BNC connectors (of zelfs de nóg kleinere SMA connectoren) en 4mm banaansteker-bussen kunnen zijn. Maar omdat de tweepolige BNC connectoren relatief weinig ruimte vergen, was de keuze snel gemaakt. Wanneer toch liever de tweepolige 4mm banaansnoeren worden gebruikt, biedt een verloopconnector eenvoudig uitkomst.

breadboard-outputsdouble-outputs-2double-outputs-1

Doordat de BNC's géen gemeenschappelijke massa hebben op een geleidend chassis, maar beide polen naar headers op het front van het experimenteerbordje zijn geleid, kunnen deze meetpunt-aansluitingen heel divers gebruikt worden. Voor symmetrische signalen die naar de oscilloscoop gaan, kan de gemeenschappelijke ground gemakkelijk zelf aangelegd worden, maar het is ook mogelijk om een banaan-verloopje te plaatsen en met de multimeter en banaan-snoeren even een spanning te monitoren bijvoorbeeld. De bedrading van de connectoren naar de aansluitpunten bovenop, zit netjes binnenin het kastje en de snoeren kunnen stevig aan de achterkant, liggend op de werkbank, worden aangesloten.

breadboard-GM

Eigen stroomvoorziening

De originele fischertechnik 'Silberling'-behuizingen kunnen aan elkaar worden geschoven. Metalen strips aan de zijkant van het kastje kunnen met een verbindingsclip worden doorverbonden waardoor alle aaneengeschakelde modules eenvoudig van voedingsspanning kunnen worden voorzien. Om reden van uitwisselbaarheid heb ik de originele 9 volt voedingsspanning hiervan gelijk gehouden bij het maken van mijn eigen multi-power module. Deze module levert naast 9, ook 5 volt voor experimenten op TTL-niveau.

Omdat het me echter nuttig leek ook voedingsbronnen van alléén 9 volt te kunnen gebruiken (zoals de originele fischertechnik gelijkrichtermodule, of een 9 volt netadaptor), kwam er ook een variant met een eigen ingebouwde 5 volt voltage regulator zodat beide spanningen voor gebruik op het breadboard beschikbaar zijn. Deze module werd specifiek voor experimenten met fischertechnik gemaakt waardoor de BNC meetuitgangen achterop konden vervallen.

Drukknoppen, relais, schakelaars, LEDs en meer

Het probleem van de rondslingerende en te gemakkelijk losrakende snoeren, én van het handig beschikbaar maken van voedingsspanningen was hiermee afdoende opgelost. Maar een breadboard met afmetingen van 8,5 bij 5,5 cm biedt nog geen zeeën aan ruimte voor aanvullende potentiometers, drukknoppen, LEDs, enzovoort. Om een een deel van de wensen in te willigen, bleek een universeel printje te koop. Hierop waren in een matrix 16 drukknoppen, vier losse drukknoppen en een rijtje van acht LEDs aangebracht. Het leek me een bruikbaar idee als dergelijke handige hulp-periferie zou zijn ondergebracht in een eigen 'Silberling'-behuizing die kan worden aangeschoven tot elke gewenste combinatie die de experimenten vereisen.

HC-35 experiment board
DIY-controls

De hele matrix met 16 drukknoppen leek me vrij specifiek, liever had ik daarvoor in de plaats enkele schuifschakelaars en een kleine potentiometer gehad. De acht LEDs bleken een gemeenschappelijke 'plus' (anode) te hebben en waren dus niet op onafhankelijke spanningsniveaus inzetbaar. Gelukkig bleef er nog wel wat ruimte over om zelf twee schuifschakelaars en wat drukknopjes zonder contactruis (als klokpuls voor digitale experimenten) op een begeleidend boardje op te nemen.

Ik bezit de originele, en inmiddels klassieke, bouwdozen niet, maar een sluimerende wens was eens te kunnen spelen met de experimenten uit fischertechnik's 'Elektronik Praktikum' (39410) en 'IC-Digital Praktikum' (30630) uit de jaren zeventig van de vorige eeuw. Dit zou dan ook een klein relais vereisen. Hoewel dit vanzelfsprekend een nogal nostalgische en persoonlijke eis is, miste sowieso dit zelfgeknutselde knoppen-printje natuurlijk ook nog een potentiometer.

Dan mijn eigen wiel maar heruitvinden

Na het bovenstaande printje enige tijd in gebruik te hebben gehad, begon het gemis van een opstelplekje voor een liefst modulair verwisselbare potentiometer en een klein relais toch te knagen. Ook het feit dat de LEDs qua spanningsniveau's niet onafhankelijk van elkaar konden worden gebruikt was soms onpraktisch. Het bleef dus behelpen en uiteindelijk ontwierp ik daarom toch maar een eigen printje waarop meteen alles zat zoals ik het oorspronkelijk voor me had gezien. Na plaatsing van de componenten bouwde ik het in, in een 'dubbele' Silberling-behuizing waarop achterop ook direct een DC-adaptor (9 volt) kan worden aangesloten. Hieruit, óf uit de spanning die via de strips aan de zijkanten wordt aangeboden, maakt het printje zelf ook nog een 5 volt voedingsspanning die, net als de massa en de 9 volt, op een aparte rail wordt aangeboden.

pcb-exp-board
Exp-board schematics

Op basis van het wensenlijstje was het schema snel opgesteld en een componentenopstelling snel gemaakt. Om een en ander mooi aan te laten lijnen bij de witte behuizingen en het breadboard, koos ik voor een witte afwerking.

De SR-latch moet afwisselend 'ge-Set' of 'ge-Reset' worden met de 'S' en 'R' drukknoppen. De 'HIGH' output (TTL-niveau, positieve logica) wordt met een brandende LED weergegeven. Ook de complementaire uitgang is telkens beschikbaar.

Dit verzamelprintje heeft een eigen stroomvoorziening en biedt twee schuifschakelaars, vier moment-drukknoppen, acht LEDs, twee relais, een modulaire potentiometer en twee voorgenoemde SR-latches voor een strak kloksignaal zonder drukcontactruis voor digitale projecten.

Het heeft een eigen aan/uit schakelaar en de LEDs (met voorschakelweerstand) zijn flexibel inzetbaar als uitlezingssignalen omdat ze door middel van jumpers naar believen geheel 'zwevend' of met één kant naar massa of juist naar de plus 5 volt kunnen worden geschakeld. Hierdoor kan elke mix van de acht LEDs op open-collector, of 'laag-actieve', uitgangen worden gebruikt, maar ook voor het monitoren van 'hoog-actieve' signalen waarbij de LED naar massa is geschakeld.

exp-board-dc-adaptor
components-bottom

De zeer kleine groene ITT-relais zijn nogal exotisch. Ik had er een heel stel liggen van de 'Afdeling Bruikbare Restmaterialen' (ABR) van AT&T/Philips in Hilversum, waar ik jaren gewerkt heb. Het zijn relais uit telefooncentrales. Het zijn heel stille en compacte relais die desalniettemin maximaal 1 Ampère kunnen schakelen. Ik geef toe dat ik werd geleid door nostalgische gevoelens toen ik besloot ze nu eindelijk eens te gebruiken. 😀

De voorzijde van de printplaat moest vanzelfsprekend optimaal worden gebruikt voor het plaatsen van nuttige schakelaars, LEDs en drukknoppen. De twee SR-latches werden opgebouwd uit de vier NAND-poorten van een 74LS00 die om deze reden in SMD-stijl aan de achterzijde van de printplaat is gemonteerd. Ook de voorschakelweerstanden voor de LEDs en nog enkele andere kleine onderdelen konden daar, mooi uit zicht, een plaatsje vinden.

LED-jumperspotmeter-modulespotmeter-relais-jumper

Om per project de meest geschikte potentiometer-waarde te kunnen kiezen, kan met de 3D-geprintte blokjes naar believen één potentiometer van 4K5Ω, 10KΩ, 45KΩ of 500KΩ op het boardje geplaatst worden. De keuze voor twee losse relais met elk één omschakelcontact biedt extra flexibiliteit in vergelijking met één relais met dubbele omschakelcontacten. Met de blauwe jumper (zie foto) kan de (versterkte) signaalingang hiervan worden gekoppeld tot een relaisfunctie met dubbel omschakelcontact. Er hoeft dan vanzelfsprekend maar één schakelsignaal te worden aangeboden. Het boardje biedt bovendien extra aansluitpinnen voor het snel aansluiten van massa, 5 en 9 volt op de testschakeling op het experimenteerboard.

complete-dcexp-board-GMcomplete-GM

Modulair bouwen en meten

De hier besproken modules hebben inmiddels in diverse gebruikscombinaties het bouwen en meten aan verschillende elektronica-experimenten al behoorlijk prettiger gemaakt. Meetsnoeren zitten niet meer in de weg en schieten niet meer los. Steeds vaker biedt, bij gebruik van het LED- en knoppen-board het kleine breadboard voldoende ruimte om een principeschakeling op te bouwen. Door de verwisselbare potentiometers is de meest toepasselijke waarde snel gekozen. De SR-latches waarmee 'cleane' klokpulsen zonder contactruis gemaakt kunnen worden, zullen binnenkort bij het experimenteren met CMOS counters vast en zeker van pas komen.

Maar eerst is het nu tijd om aan de nostalgische wens klassieke fischertechnik-experimenten te gaan bouwen te gaan werken! Daaraan zal ik in het Duitse techniekmagazine ft:pedia een apart artikel aan wijden voor de serieus geïnteresseerde 'fischertechniker' 🤓