ブレッドボード

ブレッドボード、はんだ付け不要のブレッドボード、またはプロトボードは、電子回路の半永久的なプロトタイプを作成するために使用される構築ベースです。パーフボードやストリップボードとは異なり、ブレッドボードははんだ付けやトラックの破壊を必要とせず、再利用できます。このため、ブレッドボードは学生や技術教育でも人気があります。

ブレッドボードを使用すると、小さなアナログおよびデジタル回路から完全な中央処理装置(CPU) まで、さまざまな電子システムのプロトタイプを作成できます。

より永続的な回路接続方法と比較すると、最新のブレッドボードは寄生容量が大きく、抵抗が比較的高く、接続の信頼性が低いため、揺れや物理的劣化の影響を受けやすくなります。信号は約 10 MHz に制限されており、その周波数を大幅に下回ってもすべてが正常に動作するわけではありません。

ラジオの初期の頃、アマチュアは裸銅線または端子板を木の板（文字通りパンのまな板のことが多かった）に釘で打ち付け、電子部品をはんだ付けしていた。^[1]端子を配置するためのガイドとして最初に紙の回路図を板に貼り付け、次に部品と配線を回路図上の記号の上に取り付けることもあった。画鋲や小さな釘を取り付けポストとして使用することも一般的だった。

ブレッドボードは時とともに進化し、現在ではあらゆる種類のプロトタイプ電子デバイスにこの用語が使用されています。たとえば、1961年に出願された米国特許3,145,483 ^[2]では、スプリングやその他の設備が取り付けられた木製プレートのブレッドボードについて説明しています。1967年に出願された米国特許3,496,419 ^[3]では、特定のプリント回路基板レイアウトをプリント回路ブレッドボードと呼んでいます。どちらの例も、先行技術として他の種類のブレッドボードに言及し、説明しています。

1960年、デブリー工科大学のオービル・トンプソンは、穴の列をバネ金属でつなぐはんだ付け不要のブレッドボードの特許を取得しました。^{[4] 1971年、E&Lインストゥルメンツのロナルド・ポルトガルは、} DIP ICパッケージ と同じ0.1インチ(2.54mm)間隔の穴を備えた同様のコンセプトの特許を取得し、これが今日一般的に使用されている現代のはんだ付け不要のブレッドボードの基礎となりました。^[5]

現代のはんだ付け不要のブレッドボード ソケットは、穴のあいたプラスチック ブロックと、その穴の下に錫メッキされた リン青銅またはニッケル銀合金のスプリング クリップが多数付いた構造になっています。クリップは、タイ ポイントまたはコンタクト ポイントと呼ばれることがよくあります。タイ ポイントの数は、ブレッドボードの仕様で指定されることが多いです。

クリップ間の間隔（リードピッチ）は通常 0.1 インチ（2.54 mm）です。デュアル インライン パッケージ（DIP）の集積回路（IC）は、ブロックの中心線をまたぐように挿入できます。相互接続ワイヤと個別コンポーネント（コンデンサ、抵抗器、インダクタなど）のリードを残りの空き穴に挿入して回路を完成させることができます。IC が使用されていない場合は、個別コンポーネントと接続ワイヤでどの穴でも使用できます。通常、スプリング クリップの定格は5ボルトで 1アンペア、15 ボルトで 0.333 アンペア（5ワット）です。

はんだ付け不要のブレッドボードは、ブレッドボード内部の金属ストリップによってピン同士を接続します。一般的なはんだ付け不要のブレッドボードのレイアウトは、ストリップと呼ばれる 2 種類の領域で構成されています。ストリップは、相互接続された電気端子で構成されています。多くの場合、1 つのブランドのブレッドボード ストリップまたはブロックにはオスとメスのダブテールノッチがあり、ボードをクリップで留めて大きなブレッドボードを形成できます。

電子部品のほとんどを保持する主要領域は、端子ストリップと呼ばれます。ブレッドボードの端子ストリップの中央には、通常、長辺と平行に走る切り込みがあります。切り込みは端子ストリップの中心線をマークするためのもので、中心線をまたぐ DIP IC に制限された空気の流れ (冷却) を提供します^[要出典]。切り込みの右側と左側のクリップはそれぞれ放射状に接続されており、通常、切り込みの両側に 1 列に並んだ 5 つのクリップ (つまり、5 つの穴の下) が電気的に接続されています。ノッチの左側の 5 つの列は、通常、A、B、C、D、E とマークされ、右側の列は、F、G、H、I、J とマークされます。「細い」デュアル インライン ピン パッケージ (DIP) 集積回路 (ピン列間の間隔が 0.3 インチ (7.6 mm) である一般的な DIP-14 または DIP-16 など) をブレッドボードに差し込むと、チップの片側のピンは E 列に入り、もう一方の側のピンはノッチの反対側の F 列に入ります。列は、1 からブレッドボードの設計に応じて番号で識別されます。フルサイズの端子ブレッドボード ストリップは、通常、約 56 ～ 65 列のコネクタで構成されます。各側のバス ストリップと合わせて、一般的な 784 ～ 910 個のタイ ポイントのソルダーレス ブレッドボードが構成されます。ほとんどのブレッドボードは、ミニ、ハーフ、フル構成でそれぞれ 17 行、30 行、または 64 行を収容できるように設計されています。

電子部品に電力を供給するために、バス ストリップが使用されます。バス ストリップには通常、2 つの列があります。1 つはグランド用、もう 1 つは電源電圧用です。ただし、ブレッドボードによっては、各長辺に 1 列の電力分配バス ストリップしか備えていないものもあります。通常、電源電圧用の行は赤でマークされ、グランド用の行は青または黒でマークされます。メーカーによっては、すべての端子を 1 列に接続します。また、たとえば 25 個の連続する端子のグループを 1 列に接続するだけのメーカーもあります。後者の設計では、回路設計者は電源バスのクロストーク(誘導結合ノイズ) をより細かく制御できます。多くの場合、バス ストリップのグループは、カラー マーキングのギャップで示されます。バス ストリップは通常、端子ストリップの片側または両側、あるいは端子ストリップ間を走ります。大型のブレッドボードでは、端子ストリップの上部と下部に追加のバス ストリップがあることがよくあります。

製造元によっては、バスと端子ストリップを別々に提供しているところもあります。 両方を 1 つのブロックにまとめたブレッドボード ブロックのみを提供するところもあります。

はんだ付け不要のブレッドボード用ジャンプワイヤ（ジャンパーワイヤとも呼ばれる）は、すぐに使えるジャンプワイヤセットで入手できるほか、手作業で作ることもできます。後者は、回路が大きい場合は面倒な作業になることがあります。すぐに使えるジャンプワイヤにはさまざまな品質のものがあり、ワイヤの端に小さなプラグが付いているものもあります。既製品または自家製のワイヤのジャンプワイヤの材質は、通常、22  AWG（0.33 mm ²）の純銅、スズメッキワイヤです（ワイヤの端に小さなプラグを付けないことを前提としています）。ワイヤの端は、3 ⁄ 16～5 ⁄ 16 インチ（4.8 ～ 7.9 mm）被覆を剥がしてください。被覆を剥がしたワイヤが短いと、ボードのスプリング クリップとの接触が悪くなる可能性があります（絶縁体がスプリングに引っかかる）。被覆を剥がしたワイヤが長いと、ボード上でショートする可能性が高くなります。ラジオペンチやピンセットは、特に混み合ったボードでワイヤを挿入または取り外すときに役立ちます。

一貫性を保つために、異なる色のワイヤと色分けの規則が遵守されることがよくあります。ただし、使用可能な色の数は、通常、信号の種類やパスの数よりもはるかに少なくなります。通常、いくつかのワイヤの色は電源電圧と接地用に予約されており (例: 赤、青、黒)、いくつかはメイン信号用に予約されており、残りは都合の良い場所で使用されます。すぐに使用できるジャンプ ワイヤ セットの中には、ワイヤの長さを示すために色を使用するものもありますが、これらのセットでは意味のある色分けスキームは使用できません。

より堅牢なバージョンでは、1 つまたは複数のブレッドボード ストリップが金属シートに取り付けられます。通常、そのバッキング シートには、複数のバインディング ポストも取り付けられます。これらのポストは、外部電源をすっきりと接続する方法を提供します。このタイプのブレッドボードは、取り扱いが若干簡単かもしれません。

一部のメーカーは、はんだ付け不要のブレッドボードのハイエンドバージョンを提供しています。これらは通常、高品質のブレッドボードモジュールを平らなケースに取り付けたものです。ケースには、電源、 1つ以上の信号発生器、シリアルインターフェイス、LEDディスプレイまたはLCDモジュール、ロジックプローブなど、ブレッドボード用の追加機器が含まれています。^[21]

高周波開発の場合、金属製ブレッドボードは、はんだ付け可能なグランドプレーンとして適しており、通常はエッチングされていないプリント基板の一部である。集積回路は、ブレッドボードに逆さまに貼り付けられ、直接はんだ付けされることもあり、この技術は、その外観から「デッドバグ」構造と呼ばれることもある。グランドプレーン構造のデッドバグの例は、Linear Technologiesのアプリケーションノートに図示されている。^[22]

システム オン チップ(SoC) 時代の一般的な使用法は、ブレッドボードに差し込むのに適したヘッダーに入出力(IO) ピンの配列が露出している組み立て済みのプリント基板(PCB) 上のマイクロコントローラ( MCU) を入手し、汎用入出力(GPIO)、UART / USARTシリアル トランシーバー、アナログ/デジタル コンバーター(ADC)、デジタル/アナログ コンバーター(DAC)、パルス幅変調(PWM、モーター制御で使用)、シリアル ペリフェラル インターフェイス(SPI)、またはI²Cなどの MCU の周辺機器の1 つ以上を活用する回路のプロトタイプを作成することです。

次に、MCU が回路プロトタイプをテスト、デバッグ、および操作できるようにファームウェアが開発されます。高周波動作は、主に SoC の PCB に限定されます。SPI や I²C などの高速相互接続の場合、低速でデバッグし、後で別の回路アセンブリ方法を使用して配線し直して、フルスピード動作を活用できます。1 つの小さな SoC は、これらの電気インターフェイス オプションのほとんどを、米国のホビー マーケット (およびその他の場所) で数ドルで入手できる大きな切手よりもわずかに大きいフォーム ファクターで提供することが多く、かなり高度なブレッドボード プロジェクトを低費用で作成できます。

適切に配置されたPCBと比較して寄生容量が比較的大きいこと（隣接する接点列間の容量は約2 pF ^[23]）、一部の接続部のインダクタンスが高いこと、接触抵抗が比較的高く再現性があまり高くないことなどから、はんだ付け不要のブレッドボードは、回路の性質にもよりますが、通常は10  MHz未満の比較的低い周波数での動作に制限されます。比較的高い接触抵抗は、一部のDC回路や非常に低周波の回路ではすでに問題になることがあります。はんだ付け不要のブレッドボードは、電圧と電流の定格によってさらに制限されます。

はんだ付け不要のブレッドボードは、通常、表面実装技術デバイス (SMD) や、グリッド間隔が 0.1 インチ (2.54 mm) 以外のコンポーネントには対応できません。さらに、コネクタがデュアルインラインレイアウトと一致しない場合、複数列のコネクタを備えたコンポーネントには対応できません。正しい電気接続を提供することはできません。コンポーネントをボードに取り付けるために、「ブレークアウト アダプタ」と呼ばれる小型のPCBアダプタを使用できる場合があります。このようなアダプタは、1 つ以上のコンポーネントを搭載し、はんだ付け不要のブレッドボードに挿入するためのシングル インラインまたはデュアル インライン レイアウトで 0.1 インチ (2.54 mm) 間隔のオス コネクタ ピンを備えています。通常、大型のコンポーネントはアダプタのソケットに差し込まれ、小型のコンポーネント (SMD 抵抗器など) はアダプタに直接はんだ付けされます。次に、アダプタを 0.1 インチ (2.54 mm) コネクタを介してブレッドボードに差し込みます。ただし、コンポーネントをアダプタにはんだ付けする必要があるため、はんだ付け不要のブレッドボードを使用する利点の一部が失われます。

非常に複雑な回路は、大量の配線が必要になるため、はんだ付け不要のブレッドボードでは扱いにくくなることがあります。接続を簡単に抜き差しできるという利便性により、誤って接続を乱してしまうことも非常に多く、システムの信頼性が低下します。何千もの接続ポイントを持つシステムのプロトタイプを作成することは可能ですが、慎重に組み立てるには細心の注意を払う必要があり、そのようなシステムは時間の経過とともに接触抵抗が増大するため、信頼性が低下します。ある時点で、非常に複雑なシステムは、使用可能な期間にわたって動作する可能性を持たせるために、より信頼性の高い相互接続技術で実装する必要があります。

プロトタイプを作成するための代替方法としては、ポイントツーポイント構築（オリジナルの木製ブレッドボードを彷彿とさせる）、ワイヤラップ、ワイヤリングペンシル、ストリップボードなどのボードがあります。何百万ものトランジスタ、ダイオード、抵抗器で構成される現代のコンピューターなどの複雑なシステムは、ブレッドボードを使用したプロトタイプ作成には適していません。その複雑な設計はブレッドボード上でレイアウトしてデバッグするのが難しい場合があるからです。

現代の回路設計は、一般的に回路図キャプチャおよびシミュレーション システムを使用して開発され、最初のプロトタイプ回路がプリント回路基板上に構築される前にソフトウェア シミュレーションでテストされます。集積回路設計は、同じプロセスのより極端なバージョンです。プロトタイプ シリコンの製造にはコストがかかるため、最初のプロトタイプを製造する前に、広範なソフトウェア シミュレーションが実行されます。ただし、 RF回路などの一部のアプリケーションや、コンポーネントのソフトウェア モデルが不正確または不完全な場合は、プロトタイピング手法が依然として使用されています。

穴のペアの正方形グリッドを使用することもできます。この場合、ペアごとに 1 つの穴がその行に接続され、もう 1 つの穴がその列に接続されます。同じ形状を円形にして、行と列がそれぞれ時計回り/反時計回りに反対方向に螺旋状に巻かれるようにすることもできます。

• 真鍮板
• DINレール
• 伸縮スプリング
• ファネストッククリップ
• 反復的なデザイン
• 光学テーブル

ウィキメディア・コモンズには、ブレッドボードに関連するメディアがあります。

• 50 個の接続されたブレッドボード上でプロトタイプ化された大規模な並列処理設計