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    Die Vor- und Nachteile von Breadboards im Designprozess

    Altium Designer
    |  July 1, 2019

    Breadboards und Frühstücksbrettchen sind (mittlerweile) zwei grundverschiedene Dinge. Die einen kommen zum Zug, wenn Sie mit Ihrer Familie morgens gemütlich am Esstisch sitzen, die anderen bieten Ihnen eine Art Spielwiese für die Entwicklung neuer PCBs. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie heute als Leiterplattendesigner Erfolg haben, wenn Sie Ihr Frühstücksbrettchen mit Verbindungsdrähten bestücken.

    Außerdem ist das CPU-Routing auf einer mit Brotkrümeln bedeckten Oberfläche eine wahre Sisyphusarbeit, sodass Sie bei der Gestaltung von Leiterplattendesigns auf jeden Fall dem Breadboard den Vorzug geben sollten. Doch Spaß beiseite: Breadboards bzw. Steckplatinen finden sich in der Schreibtischschublade fast jedes PCB-Designers und sind in vielen Fällen das Mittel der Wahl, wenn ein neues Design entwickelt und getestet werden muss.

    Dabei stehen allerdings auch erfahrene Designer immer wieder vor schwierigen Fragen: Lässt sich das Design mit einem Breadboard tatsächlich im Hinblick auf seine Eignung für das spezifische Anwendungsszenario testen? Welchen Einschränkungen unterliegt die Nutzung von Steckplatinen? Lassen sich die zahlreichen Herausforderungen bei der Erstellung eines Prototyps möglicherweise besser mithilfe von Computersimulationen meistern? Um Ihnen die Beantwortung dieser Fragen zu erleichtern, diskutiere ich im Folgenden die Vorteile und Grenzen der Nutzung von Breadboards und stelle außerdem eine mögliche Alternative vor. Auf dieser Grundlage können Sie dann entscheiden, welche Variante sich am besten für Ihr spezifisches Designprojekt eignet.

    Welche Vorteile bieten Breadboards?

    Die diversen Einschränkungen von Breadboards (die uns in Kürze näher beschäftigen werden) können PCB-Designer reflexartig zur Suche nach Alternativen veranlassen. Dennoch sollten Sie den Einsatz eines Breadboards nicht vorschnell verwerfen, da diese Methode einige beachtenswerte Vorteile bietet.

    Das wichtigste Plus ist die Möglichkeit zur mühelosen Modifikation der auf dem Breadboard aufgebauten Schaltung. Stellen Sie sich vor, welche Folgen es hat, wenn Sie auf der Grundlage Ihres Entwurfs einen Prototyp mit fest verlöteten Komponenten erstellen und beim ersten Test bemerken, dass das System wegen eines Fehlers von Grund auf umgestaltet werden muss. In diesem Fall bleibt Ihnen nichts anderes übrig, als die Bauteile abzulöten und den Fehler in mühevoller Kleinarbeit zu korrigieren. Wenn Ihr Design jedoch aus abnehm- und austauschbaren Komponenten und Verbindungsdrähten besteht, können Sie den Fehler auf einfache Weise durch Umstecken beheben.

    Außerdem birgt die Erstellung fest verlöteter Prototypen den Nachteil, dass das Auftreten eines katastrophalen Fehlers (mit begleitenden Mini-Explosionen) die gesamte Leiterplatte unbrauchbar machen kann und Sie dann möglicherweise ohne funktionstüchtige Komponenten für weitere Tests dastehen. Dagegen bietet ein Breadboard ein gewisses Maß an Schutz für Ihre (hoffentlich fehlerfreien) Systeme, sodass Ihr Design auch im Versagensfall zumindest in Teilen intakt bleibt.

     

    Original breadboard

    Die ersten Breadboards waren tatsächlich Holzbrettchen zum Schneiden von Brot.

    Welche Einschränkungen bestehen bei der Nutzung von Breadboards?

    Wie der Name schon andeutet, handelte es sich bei den ersten Breadboards tatsächlich um Holzbrettchen zum Schneiden von Brot, die in der Frühphase der Elektronik als ebenso einfach verfügbare wie kostengünstige Unterlage für elektrische Testschaltungen genutzt wurden. Beim Übergang zu den Steckplatinen, die wir heute kennen, war die Bezeichnung „Breadboard“ bereits so weit in der Branche etabliert, dass sie weiter übernommen wurde. Die erste Einschränkung moderner Breadboards besteht also darin, dass sie sich nicht mehr als Unterlage zum Schneiden von Roggenbrot eignen. Vor allem aber gibt es gewisse Grenzen in puncto Performance, die Sie bei der Planung der Prototypenentwicklung für Ihr Projekt unbedingt beachten sollten.

    Breadboards eignen sich nicht zur Erstellung von Prototypen für Hochspannungsanwendungen, da ihre Leiterbahnen nicht entsprechend ausgelegt sind. Zwar fallen die meisten PCB-Anwendungen in den Kleinspannungsbereich, doch falls Sie ein Design für Spannungen von 50 Volt oder mehr entwickeln, sollten Sie vom Einsatz eines Breadboards absehen. Gleiches gilt für Designs für höhere Stromstärken. Wenn die Obergrenze von 20 mA überschritten wird, besteht das Risiko, dass die auf dem Breadboard aufgebaute Testschaltung nicht die gewünschte Performance bietet.

    Abgesehen davon lässt möglicherweise die Signalintegrität zu wünschen übrig, was sich insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen und gehobenen Anforderungen in puncto Präzision bemerkbar macht. Genau wie die beiden zuvor genannten Nachteile ergibt sich auch dieses Problem hauptsächlich aus der Beschaffenheit der in die Platine integrierten Kupferbahnen. Letztere weisen relativ hohe Widerstände auf und erzeugen dadurch parasitäre Effekte, die zu verschiedenen Schwierigkeiten führen können.

    Simulation software in action

    Computersimulationen sind in manchen Fällen die bessere Alternative.

    Welche Alternativen gibt es zum Breadboard?

    Wir haben die Zeiten, in denen wir unser Brot zur Not auch auf unseren Testschaltungen in Scheiben schneiden konnten, endgültig hinter uns gelassen und verwenden mittlerweile Steckplatinen mit integrierten Kupferbändern. Was ist nun die nächste große Neuerung bei der Erstellung von Prototypen? In den letzten Jahren wurden Simulationsprogramme entwickelt, die gewissermaßen als virtuelle Breadboards dienen. Diese können die Erstellung realer Prototypen meist zwar nicht vollständig ersetzen, aber doch sehr erleichtern, und unterstützen außerdem weitaus mehr Anwendungsszenarien als physische Steckplatinen.

    Grundsätzlich können Sie im Rahmen der Möglichkeiten Ihrer Simulationssoftware nach Herzenslust und Bedarf Schaltungen erstellen und testen. Dabei ist lediglich zu beachten, dass jedes derartige Programm eine gewisse Einarbeitungszeit erfordert, die wiederum von seiner Nutzerfreundlichkeit abhängt.

    Ich selbst führe bei meinen Projekten ausgiebige Tests mithilfe der leistungsstarken Simulationsfunktionen meiner interaktiven CAD-Software durch und nutze die Ergebnisse dann zur Erstellung eines voll funktionsfähigen Prototyps. Denn letztlich bietet mir nur ein eigenhändig erstelltes physisches Testmodell die Möglichkeit, mich umfassend von der Eignung meines Designs zu überzeugen.

    Tools zur Überprüfung von PCB-Designs und zur Simulation des Verhaltens der Leiterplatte unter verschiedensten Bedingungen ermöglichen also die Identifizierung und Behebung von Fehlern und Inkonsistenzen, bevor ein Prototyp hergestellt und im Labor getestet wird. Damit ersparen Sie sich viel Kopfzerbrechen (und beispielsweise die unangenehme Frage, warum der Kondensator in Ihrer vermeintlich narrensicheren Testschaltung schon wieder explodiert ist). Wenn Sie nach einer Designsoftware suchen, die Ihnen diese und weitere erstklassige Features bietet und darüber hinaus die Entwicklung von Rigid-Flex-Leiterplatten unterstützt, sollten Sie unbedingt Altium Designer® in Erwägung ziehen.

    Ich hoffe, dass Sie nun gut über die Vorteile und Grenzen der Nutzung von Breadboards informiert sind und dieses Wissen bei der Planung Ihrer nächsten Projekte praktisch anwenden können. Falls Sie weitere Fragen zum Einsatz von Steckplatinen und Simulationen im Rahmen eines spezifischen Projekts haben, sollten Sie noch heute mit einem Experten von Altium sprechen.

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    PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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