מבוא
מטריצה היא אחד החלקים היסודיים ביותר כשאנחנו לומדים לבנות מעגלים. במדריך זה נלמד קצת על המטריצות, למה קוראים להם ככה (באנגלית BreadBoard - קרש לחם), ואיך משתמשים בהן. אחרי שתסיימו עם המדריך, תהיה לכם הבנה בסיסית על איך המטריצות עובדות ותהיו מסוגלים לבנות מעגל בסיסי על המטריצה.
מחפשים מטריצה שתתאים לכם?
יש לנו מבחר גדול:מדריכים מומלצים:
הנה כמה מדריכים ומושגים שאולי תרצו לבדוק לפני שאתם ממשיכים ללמוד על המטריצות:- מחברים
- מהו מעגל?
- מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם
- עבודה עם חוטים
- How to Read a Schematic - TODO
- איך משתמשים ברב-מודד
היסטוריה
אם רציתם לבנות מעגל לפני שנות ה-60, סיכוי גדול שהייתם משתמשים בשיטת ה-wire-wrap. שיטת ה-wire-wrap הוא תהליך המצריך ליפוף חוטים סביב עמודים מוליכים המחוברים ללוח מחורר (perfboard), נקראים גם לוחות הלחמה. כמו שאתם רואים, התהליך יכול להפוך למאוד מורכב די מהר. למרות ששיטה זו בשימוש גם היום, יש פתרונות אחרים שיהפכו בניית אבי-טיפוס לתהליך הרבה יותר קל, המטריצות!מעגל WireWrap, תמונה מויקיפדיה
מאיפה בא השם?
כשאתם מדמיינים "קרש לחם" (breadboard באנגלית), כנראה שתחשבו על חתיכת עץ גדולה וכיכר גדולה של לחם טרי עליה. זה לא רחוק מהמציאות.לחם על קרש:
אז למה אנחנו קוראים לבונה מעגלים אלקטרוניים האלה קרש לחם (breadboard)? לפני הרבה שנים כשהאלקטרוניקה הייתה גדולה ומסורבלת, אנשים היו לוקחים קרש הקרוב ביותר, כמה מסמרים, ומתחילים לחבר חוטים על הקרש שמספק פלטפורמה לבנות עליו מעגלים.
מעגל על הקרש "המקורי" (מתוך אתר instructables) :
מאז, רכיבים אלקטרוניים נעשו הרבה יותר קטנים, ומצאו דרכים טובות יותר לחבר מעגלים, מה שגרם להרבה אנשים מסביב לעולם להיות שמחים לקבל את הקרש שלהם בחזרה. אבל אנחנו עדיין תקועים עם השם המבלבל. טכנית, עדיין יש את אותן קרשי לחם (breadboards), אבל מדריך זה מתייחס לדגם המודרני יותר, לוח חיבורים ללא צורך בהלחמה.
למה להשתמש במטריצה?
לוח אלקטרוני (מטריצה), בשונה לסוג שמכינים עליו כריכים, מתייחס למעשה ללוח ללא הלחמה (solderless breadboard). אלה רכיבים נהדרים לבניית מעגלים זמניים ופיתוח אבי טיפוס, והם לא זקוקים בכלל להלחמה.בניית אב טיפוס הוא תהליך של בדיקת רעיון ע"י יצירת מודל ראשוני שממנו מפתחים או מעתיקים גרסאות אחרות, וזהו אחד השימושים הנפוצים ביותר למטריצה. אם אתם לא בטוחים איך המעגל יגיב למצבים מסוימים, עדיף לבנות אב-טיפוס ולבדוק את זה.
לאלה שמעגלים אלקטרוניים זה משהו חדש, מטריצות הן בדרך כלל מקום טוב להתחיל איתו. זה מה שיפה בהן, הן יכולות להכיל גם מעגלים פשוטים ביותר וגם מעגל מסובך מאוד. כמו שתראו בהמשך המדריך, אם המעגל שלכם גדל מעבר לגבולות של מטריצה, אפשר לחבר אליה כמה נוספות כדי להתאים למעגל בכל גודל ומורכבות.
שימוש נוסף במטריצה הוא בדיקה של רכיבים חדשים, כמו מעגלים משולבים (ICs). כשמנסים להבין איך הרכיב עובד וכל הזמן משנים את החיווט, אתם לא רוצים להלחים את החיבורים כל פעם מחדש.
כמו שהזכרנו קודם, לא תמיד רוצים שהמעגל שאתם בונים יהיה קבוע. כשמנסים לשחזר איזו שהיא בעיה שיש ללקוח, הצוות הטכני בדרך כלל ישתמש במטריצה כדי לבנות, לבדוק ולנתח את המעגל. הם יכולים לחבר את הרכיבים שיש ללקוח, ואחרי שמצאו את הבעיה אפשר לפרק את הכל לפעם הבאה שיצטרכו לבדוק משהו אחר.
מעגל על מטריצה:
אנטומיה של מטריצה
התכונות העיקריות של מטריצה:
הדרך הטובה ביותר להסביר איך מטריצה עובדת היא לפרק אותה כדי לראות מה יש בפנים. נעשה זאת למטריצה הקטנה כדי לראות איך היא מתפקדת.
רצועות חיבורים
זוהי מטריצה קטנה במבט מלמעלה (משמאל) ואותה המטריצה הפוכה אחרי שמורידים ממנה את הדבק הדו-צדדי (מימין):
בחלק העליון של השורות המתכתיות יש קליפסים קטנים שמתחבאים מתחת לחורים של הפלסטיק. המרחק בין הקליפסים והשורות המתכתיות הוא מרחק סטנדרטי של 0.1" (2.54 מ"מ). הקליפסים האלה מאפשרים לכם לתקוע חוט או רגל של רכיב לתוך החורים של המטריצה, והוא יחזיק אותו במקום.
שורה של קליפסים שהוצאה מהמטריצה:
אחרי שמוכנס למטריצה הרכיב יהיה מחובר חשמלית לכל דבר אחר שהוכנס לאותה השורה. זה מכיוון שהשורות המתכתיות מוליכות ומאפשרות לזרם לזרום לכל נקודה על אותה השורה.
שימו לב שיש רק 5 קליפסים בשורה זו. זה די טיפוסי כמעט לכל המטריצות, כך שתוכלו לקבל רק עד 5 רכיבים מחוברים לשורה המסוימת על המטריצה. בכל שורה במטריצה יש 10 חורים, אז למה תוכלו לחבר רק 5 רכיבים? שימו לב שבאמצע של המטריצה בין שתי שורות אופקיות של 5 חורים יש חריץ. חריץ זה מפריד בין שני הצדדים של השורות, כך שהן לא מחוברות חשמלית. נדון במטרה של חריץ זה בהמשך, אבל לבינתיים חשוב להבין ששני הצדדים של השורות לא מחוברות ביניהן, מה שמשאיר לכם 5 נקודות מכל צד.
בתמונה זו לד מוכנס לתוך מטריצה. שימו לב שהרגליים של הלד מוכנסות משני צידי החריץ. זה מונע מהחיבור להיות מקוצר.
פסי חשמל
אחרי שראינו איך החיבורים מתבצעים בתוך המטריצה, בואו נסתכל על מטריצה קצת יותר גדולה, וקצת יותר טיפוסית. מצידי השורות האופקיות למטריצות יש גם מה שנקרא פסי חשמל אנכיות לאורך שני הצדדים.זוהי מטריצה בינונית אחרי שמורידים ממנה את הדבק כדי לחשוף את המוליכים:
פסי החשמל הן אותן שורות מתכתיות כמו אלה שמחוברות בצורה אופקית, רק שהן, בדרך כלל (ראו יוצא דופן בהמשך), כולן מחוברות. כשבונים מעגל, יש צורך לחבר חשמל בהרבה מקומות שונים. פסים אלה מספקים לכם גישה נוחה למתח איפה שתצטרכו אותו במעגל. בדרך כלל יהיה לידם סימון של "+" ו-"-" ויהיו בצבע אדום וכחול או שחור, כדי לסמן את הצד החיובי והשלילי.
חשוב להבין שפסי החשמל משני צידי המטריצה לא מחוברים, כך שאם אתם רוצים שאותו המתח יהיה משני צידי המטריצה, תצטרכו לחבר ביניהם עם חוטי גישור. זכרו שהסימנים על המטריצה הם רק המלצה. אין כלל שמחייב אתכם לחבר מתח לפס ה-"+" ואדמה למינוס, אבל זהו נוהג מבורך לשמור על הסדר המקובל.
בתמונה שני חוטי גישור מחברים את פסי החשמל משני צידי המטריצה. תמיד חברו פלוס לפלוס ומינוס למינוס.
תמיכה ברכיבי DIP
הזכרנו קודם את החריץ במרכז המטריצה שמפריד חשמלית בין שני הצדדים. לחריץ זה יש עוד תפקיד חשוב אחר. הרבה מהמעגלים המשולבים (integrated circuits TODO), שמכונים לרוב ICs, או פשוט צ'יפים/שבבים, בנויים בצורה המתאימה במיוחד למטריצה. כדי להקטין את המקום שהם תופסים על מעגל, הם מגיעים בתצורה שנקראת Dual in-line Package, או DIP.לשבבי DIP יש רגליים שיוצאות משני הצדדים שמתאימות בצורה מושלמת להתחבר למטריצה משני צידי החריץ. מכיוון שכל רגל של השבב היא ייחודית, אנחנו לא רוצים ששני הצדדים יהיו מחוברים אחד לשני. עוד מקום בו ההפרדה באמצע שימושית. כך נוכל לחבר רכיבים משני צידי השבב בלי להפריע לתפקיד של הרגל בצד הנגדי.
בתמונה שני שבבי DIP, ה-LM358 (הקטן) הוא מגבר שרת מאוד נפוץ, ומיקרובקר הפופולרי ביותר ATmega328 (הגדול):
שורות ועמודות
יכול להיות ששמתם לב שלהרבה דגמים של מטריצות מופיעים מספרים ואותיות בחלק מהשורות והעמודות. לאלה אין שום מטרה חוץ מלעזור ולהדריך אתכם בתהליך בניית המעגל. מעגלים יכולים להסתבך די מהר, וכל מה שצריך זה לשים במיקום הלא נכון רגל של רכיב כדי שכל המעגל יעבוד בצורה לא נכונה או לא יעבוד בכלל. אם אתם יודעים את מספר השורה אליה אתם אמורים להתחבר, יהיה לכם הרבה יותר פשוט להכניס חוט למיקום במספר זה מאשר לחפש את המיקום בעין.
סימונים אלה שימושיים גם במקרים בהם אתם עובדים לפי מדריך, כמו זה של ערכה לממציא המתחיל של SparkFun. הרבה ספרים ומדריכים מציגים שרטוטים שאתם צריכים לעקוב אחריהם תוך כדי בניה של המעגל. זכרו שהמעגל שאתם בונים לא חייב להיות בדיוק באותו המיקום במטריצה כמו שהוא מופיע בספר. למעשה, זה אפילו לא חייב להיראות דומה. כל עוד כל החיבורים החשמליים נעשו, אתם יכולים לבנות את המעגל בכל דרך שתרצו!
חיבורי טרמינל
חלק מהמטריצות מגיעות על בסיס עם חיבורי טרמינל מחוברים אליו. טרמינלים האלה מאפשרים לכם לחבר מקורות שונים של מתח למטריצה. נרחיב לגביהם בהמשך המדריך.תכונות נוספות
כשאתם בונים את המעגל שלכם, אתם לא חייבים להישאר רק על מטריצה אחת. חלק מהמעגלים דורשים הרבה יותר מקום. להרבה מטריצות יש חריצים ובליטות בצדדים שמאפשרים לחבר כמה מטריצות יחד כדי לייצר משטח מושלם לבניית אב-טיפוס.כמה מטריצות קטנות המחוברות יחד:
לחלק מהמטריצות יש גם צד אחורי דביק שמאפשר לחבר אותן למשטחים שונים. זה יכול להיות שימושי כשאתם רוצים לחבר את המטריצה בתוך מארז הפרויקט.
שימו לב:
בחלק מהמטריצות הגדולות לפעמים יש הפרדה בין חצאי פסי החשמל באותו הצד של המטריצה. זה יכול להיות שימושי כשאתם צריכים לספק מתחים שונים למעגל, לדוגמה 3.3V ו-5V. אם אתם לא יודעים אם החלקים של פסי החשמל מחוברים או מנותקים, זה יכול להוביל לבעיות בתהליך בניית המעגל. תמיד יהיה רעיון טוב להשתמש ברב מודד כדי לבדוק רציפות או נתק בין פסי המתח של המטריצה.
אספקת מתח למטריצה
כשאתם צריכים לספק מתח למטריצה, יש לכך כמה אפשרויות.השאלה ממקור מתח אחר
אם אתם עובדים עם כרטיס פיתוח כמו ה-Arduino, תוכלו פשוט לקחת את המתח מהמחברים של כרטיס הארדואינו. לארדואינו יש כמה קווים של מתח ואדמה שאתם יכולים לחבר לפסי החשמל של המטריצה.בתמונה: מחברים קו האדמה (GND) של הארדואינו לשורה במיני מטריצה. עכשיו כל רגל של רכיב או חוט שיחובר לאותה שורה יהיה מחובר לאדמה.
הארדואינו בדרך כלל מקבל את החשמל שלו מחיבור למחשב דרך ה-USB, או ממקור חיצוני כמו מארז סוללות או שנאי.
חיבורי טרמינל
כמו שהזכרנו קודם, לחלק מהמטריצות יש מחברי טרמינל שמאפשרים לכם לחבר מקור מתח חיצוני.השלב הראשון לשימוש במחברי טרמינל הוא לחבר אותם למטריצה בעזרת כמה חוטי גישור. למרות שזה נראה שהם מחוברים למטריצה, הם לא. אם הם היו מחוברים, הייתם מוגבלים למקום בו תוכלו לספק מתח ולמיקום שלא. כמו שראיתם, מטריצות נועדו להיות גמישות להתאמה אישית, כך שזה לא יהיה הגיוני שגם החיבורים לא יהיו כאלה.
אז אנחנו צריכים לחבר חוטים למחברי הטרמינל כדי לחבר אותם למטריצה. כדי לעשות זאת, פתחו את ההברגה של הטרמינל כדי שהחור שעובר דרכו יהיה חשוף. הכניסו קצה מקולף של החוט שלכם לתוך החור וסגרו את ההברגה בחזרה, עד שהחוט יהיה מחובר היטב.
בדרך כלל צריך לחבר רק מתח ואדמה ממחברי הטרמינל למטריצה. אם אתם צריכים מקור מתח חלופי, תוכלו להשתמש במחבר השלישי.
מחברי הטרמינל מחוברים כבר למטריצה, אבל עדיין אין לכם מתח. אפשר להשתמש בשיטות שונות כדי לחבר את המתח למחברים, ומשם למטריצה.
ספק כוח שולחני
להרבה מעבדות אלקטרוניקה יש ספק כוח שולחני שיכול לספק טווח גדול של מתחים למעגל שלכם. תוכלו להשתמש בכבל עם חיבורי בננה כדי לספק מתח מהספק למחברי טרמינל.בתמונה: מטריצה מחוברת לחשמל דרך מחברי טרמינל בעזרת כבלי בננה:
לחלופין תוכלו להשתמש בכבל תנינים, כבל תפסנים, או כל כבל אחר עם מחברי בננה כדי לחבר את המטריצה שלכם למקורות מתח שונים.
דרך אחרת להשתמש במחבר טרמינל, הוא להלחים מחבר עגול לכמה חוטים ולחבר את החוטים למחברי הטרמינל. זוהי שיטה קצת יותר מתקדמת ודורשת יכולות הלחמה בסיסיים. בשיטה זו, אם למטריצה שלכם אין מחברי טרמינל, תוכלו להכניס את החוטים שהלחמתם למחבר ישירות לפסי החשמל.
ספקי כוח יעודיים למטריצה
שיטה נוספת להפעיל את המטריצה שלכם זה להשתמש באחד מספקי כוח הייעודיים למטריצה. יש לנו כמה אפשרויות שמאפשרות לחבר את מקור המתח ישירות למטריצה. חלק מאפשרים לחבר שנאי למטריצה, חלק לקבל את המתח מחיבור ה-USB של המחשב. כמעט לכולם יש אפשרות לשנות את המתח, ומספקים לכם מגוון רחב של מתחים נפוצים שתזדקקו במהלך בניית מעגלים.זהו ספק כוח עם חיבור USB שמקבל את המתח מה-USB של המחשב שלכם ויש לו אפשרות לבחור בין 3.3V ל-5V:
בונים את המעגל הראשון שלכם במטריצה
אחרי שאתם מכירים את המבנה הפנימי של המטריצות ויודעים איך לחבר את המתח, מה עושים איתן? נתחיל עם מעגל פשוט.מה תצטרכו
הנה רשימת הרכיבים שתצטרכו כדי לעקוב אחרי מעגל זה. אם יש לכם רכיבי אלקטרוניקה אחרים, תרגישו חופשי להשתמש בהם במעגל. זכרו, בדרך כלל יש יותר מדרך אחת לבנות מעגל כלשהו. לחלקם יש עשרות דרכים שונות בהן תוכלו לבנות אותו.רשימה זו מניחה שאין לכם בכלל רכיבים או כלים. ספק הכוח למטריצה מגיע ללא מחברים, תצטרכו מלחם וקצת ניסיון בהלחמה כדי להלחים את המחברים למעגל של הספק.
בניית מעגל
שימו לב: כשאתם משתמשים במעגל של ספק הכוח למטריצה, וודאו שאתם מכניסים את קו ה-GND לחורים של פס עם סימון ה-"-" ואת ה-VCC לפס עם סימון ה-"+". כך תקטינו את הסיכוי לספק מתח הפוך למעגל שלכם.הנה מעגל קטן על מטריצה. המעגל האדום שאתם רואים משמאל הוא ספק כח למטריצה עם מחברים שהולחמו (TODO מדריך להלחמה) למעגל. הספק ממיר את המתח מ-9V שהוא מקבל מהשנאי ל-5V או 3.3V שמגיעים לפסי החשמל של המטריצה.
מעגל פשוט שכולל כפתור (TODO), לד ונגד, אבל בשתי דרכים שונות:
זה מה שקורה במעגל:
- יש חוט שמחבר בין פס החשמל VCC לרגל הפלוס, האנודה, של הלד.
- רגל השלילית, הקתודה, של הלד מחוברת לנגד של 330Ω.
- הנגד מחובר לכפתור.
- כשלוחצים על הכפתור, הוא מחבר את המעגל לאדמה ובכך סוגר את המעגל ומדליק את הלד.
שרטוט של מעגל
אנחנו מכסים את הנושא של קריאת שרטוטים במדריך אחר (TODO), אבל זהו חלק חשוב בבניית מעגלים, לכן נסביר על זה גם כאן בקצרה.שרטוט חשמלי הוא פיקטוגרמה אוניברסלית המאפשרת לכל האנשים מסביב לעולם להבין ולבנות אלקטרוניקה. לכל רכיב אלקטרוני יש סמל ייחודי משלו בשרטוט. סמלים אלה מורכבים בתוך מעגל בעזרת תוכנות שונות. תוכלו גם לצייר אותם ידנית. אם אתם רוצים לצלול עמוק יותר לתוך עולם האלקטרוניקה ובניית מעגלים, ללמוד איך לקרוא שרטוטים חשמליים הוא צעד חשוב מאוד.
זהו שרטוט חשמלי למעגל שהוזכר קודם. המתח (בהנחה שמפסק של ספק הכוח למטריצה מכוון ל-5V) מיוצג ע"י חץ בחלק העליון. משם הוא מגיע ללד (משולש עם קו וחצים היוצאים ממנו). הלד מחובר לנגד (הקו המזגזג). הוא מחובר למפסק (הסמל שנראה כמו מנעול). ולבסוף המפסק מחובר לאדמה (הקו האופקי בחלק התחתון).
זה אולי נראה כמו דרך מצחיקה לצייר מעגל, אבל זהו תהליך בסיסי שקיים כבר עשרות שנים. שרטוטים חשמליים מאפשרים לאנשים מלאומים ושפות שונות לבנות ולשתף פעולה במעגלים שתוכננו ע"י כל אחד מהם. כמו שהזכרנו קודם, יש דרכים רבות לבנות מעגל, אבל כמו שהשרטוט החשמלי מראה, יש חיבורים מסוימים שחייבים לעשות. סטיה מהשרטוט תביא אתכם למעגל שונה לחלוטין.
תרגול מביא לשלמות
טיפה אחרונה של ידע לקראת הסוף, היא שיש המון מידע ותוכניות שתוכלו להשתמש בהם לבניית מעגלים בלי שלמעשה תצטרכו להשתמש במטריצה שלכם. אחת התוכנות הנפוצות שמהנדסי SparkFun משתמשים בה, היא Fritzing. Fritzing היא (היתה עד לא מזמן) תוכנה חינמית המאפשרת לכם לבנות מעגלים על מטריצה וירטואלית. היא מספקת גם תצוגת תרשים חשמלי לכל המעגלים שאתם בונים. כאן אנו רואים את אותם המעגלים שבנינו קודם בתוכנת ה-Fritzing:
שימו לב לקווים הירוקים המציינים לאילו שורות ועמודות מחוברים הרכיבים.
יש הרבה תוכנות כמו ה-Fritzing, חלקן חינמיות, חלקן בתשלום. חלקן אפילו מאפשרות לבנות מעגל ולבדוק את התפקוד שלו ע"י סימולציות. תתחילו לחקור את האינטרנט ותמצאו את הכלים המתאימים לכם ביותר.
רכישת מטריצה
דרך נהדרת להתחיל להשתמש במטריצה היא לרכוש אותה כחלק מהערכה. ערכה לממציא המתחיל V4.1 של SparkFun כוללת כל מה שתצטרכו כדי להשלים 16 מעגלים שונים.מטריצות
הנה כמה מטריצות בסיסיות בגדלים שונים לפרויקטים שלכם:חוטי גישור
מחפשים דרך קלה לייצר חיבורים ולחבר שבבים על המטריצה? ראו את סוגי החוטים הבאים:לוחות הלחמה
כשאתם מסיימים לבנות אב-טיפוס על מטריצה, תוכלו להלחים את המעגל על PCB כדי לייצר חיבורים בטוחים יותר:לאן ממשיכים?
מקווים שעכשיו יש לכם הבנה טובה יותר של מה זה מטריצה ואיך היא עובדת. עכשיו הכיף האמיתי מתחיל. זו היתה רק טעימה קטנה בנושא של בניית מעגלים על מטריצה. הנה כמה מדריכים נוספים שתוכלו לבדוק כדי ללמוד על רכיבים ואיך לשלב אותם במעגלי מטריצה שלכם:מדריכים אלה יכולים לעניין את אנשי ההוראה:
או לחילופין, אם אתם שולטים במיומנות בניית מעגלים ורוצים לעבור לשלב הבא, בדקו את המדריכים הבאים:
- How to Solder - TODO
- Solderable Breadboard Hookup Guide - TODO
- מעגלים מודפסים
- Electronics Assembly - TODO
- How to use Eagle the PCB Layout Editor - TODO
