ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด

เป้าหมาย

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

ระบุแถวและรางไฟที่เชื่อมกันบนเบรดบอร์ดได้ถูกต้อง
ต่อวงจรตามแผนผังโดยใช้สีสายตามแบบแผน และตรวจด้วยมัลติมิเตอร์ก่อนจ่ายไฟ

ก่อนเริ่ม

ใช้โหมดความต่อเนื่องและโหมดไดโอดของมัลติมิเตอร์ได้ (บทเรียน วัดแรงดันและความต่อเนื่อง)
สำหรับแล็บ: เบรดบอร์ด สายจัมเปอร์หลายสี (แดง ดำ และสีอื่นอย่างน้อยสองสี) LED สีแดงสามดวง ตัวต้านทาน 1 kΩ สี่ตัว 10 kΩ หนึ่งตัว ปุ่มกดหนึ่งตัว และ TESAIoT Dev Kit ที่ flash ตัวอย่าง QWA309 Header I/O Test ไว้
ถ้าใช้ Eva Kit ต่อวงจรเดียวกันเข้าขาว่างของบอร์ด แล้วเขียนโปรแกรมสั้น ๆ กะพริบ LED และอ่านปุ่มเอง

ดูของจริงก่อน

พลิกเบรดบอร์ดดูด้านหลัง ถ้าลอกแผ่นกาวได้โดยไม่เสียหาย (หรือดูภาพจากผู้ผลิต) จะเห็นแถบโลหะเรียงอยู่ใต้รู แถบสั้นจำนวนมากอยู่ตรงกลาง และแถบยาวสองสามเส้นอยู่ริมบนและริมล่าง

ก่อนอ่านต่อ ลองทายว่ารูคู่ไหนต่อถึงกัน แล้วพิสูจน์ด้วยโหมดความต่อเนื่องของมัลติมิเตอร์ (เสียบสายจัมเปอร์สั้น ๆ สองเส้นลงในรูที่อยากทดสอบ แล้วแตะสายวัดที่ปลายสายจัมเปอร์) ถ้าคุณทายผิดสักคู่ ดีมาก เพราะนั่นคือความผิดพลาดที่คุณจะไม่ทำตอนต่อวงจรจริง

แนวคิด

1. ข้างในเบรดบอร์ด

เส้นหนาจาง ๆ คือแผ่นโลหะใต้รู: ห้ารู a ถึง e ของคอลัมน์เดียวกันต่อกันเป็นจุดเดียว f ถึง j อีกจุดหนึ่ง ร่องกลางแยกสองฝั่งออกจากกัน รางไฟด้านบนต่อกันตามยาว (บางรุ่นขาดครึ่งกลาง)

กลุ่มห้ารู ตรงกลางเบรดบอร์ด รูห้ารูที่อยู่แนวเดียวกัน (a ถึง e) ต่อกันเป็นจุดเดียว (node เดียว) f ถึง j เป็นอีกจุดหนึ่ง ป้ายชื่อบนเบรดบอร์ดแต่ละยี่ห้อเรียก “แถว” หรือ “คอลัมน์” ต่างกัน ให้จำจากหลัก “ห้ารูในแนวเดียวกันที่ไม่ข้ามร่องกลาง” แทนชื่อ
ร่องกลาง (centre channel) แยกสองฝั่งออกจากกัน ความกว้างพอดีกับชิปแบบสองแถวขา (DIP) ให้ขาแต่ละขาอยู่คนละจุด
รางไฟ (power rails) แถบยาวริมขอบ มักมีเส้นสีแดง (+) และน้ำเงิน (−) กำกับ ใช้กระจายไฟเลี้ยงและกราวด์ เบรดบอร์ดยาวบางรุ่นรางไฟขาดครึ่งกลาง ต้องตรวจด้วยโหมดความต่อเนื่องก่อนใช้ทุกแผ่น
ระยะห่างระหว่างรู 2.54 mm (0.1 นิ้ว) เท่ากับขาของ header ทั่วไป

ความผิดพลาดคลาสสิก เสียบตัวต้านทานโดยขาทั้งสองอยู่ในกลุ่มห้ารูเดียวกัน ตัวต้านทานถูกลัดทิ้ง วงจรทำงานเหมือนไม่มีมัน LED ที่เสียบแบบนี้ก็จะไม่ติดเลย เพราะไม่มีแรงดันคร่อม

2. สีสายและการจัดวาง

สีสายไม่มีผลทางไฟฟ้า แต่มีผลมากกับการตรวจ แบบแผนที่ใช้กันทั่วไป

สี	ใช้กับ
แดง	ไฟเลี้ยงบวก (ถ้ามีหลายแรงดัน ให้แยกสี เช่น แดง = 5 V ส้ม = 3.3 V และเขียนป้ายกำกับไว้)
ดำ (หรือน้ำเงิน)	กราวด์
สีอื่น	สัญญาณ แยกสีตามหน้าที่ เช่น เหลือง = ขาออกไป LED เขียว = ขาเข้าจากปุ่ม

หลักการจัดวางที่ทำให้ตรวจง่าย

ต่อตามแผนผังทีละส่วน (ทีละ net) ต่อเสร็จหนึ่ง net ขีดเส้นทับบนแผนผังที่พิมพ์ไว้หนึ่งเส้น
สายสั้น แนบกับเบรดบอร์ด ไม่โค้งข้ามชิ้นส่วน ขาชิ้นส่วนตัดให้สั้นพอดี
วางชิ้นส่วนตามทิศทางของแผนผัง (ไฟเข้าด้านบน กราวด์ด้านล่าง สัญญาณไหลจากซ้ายไปขวา) คนตรวจจะเทียบภาพได้เร็ว
ถ้ามีชิป ใส่ตัวเก็บประจุ 100 nF คร่อมรางไฟชิดขาไฟของชิปแต่ละตัว (เหตุผลอยู่ในบทเรียน ชิ้นส่วนพื้นฐาน)

ข้อจำกัดของเบรดบอร์ด แถบโลหะที่วางขนานกันมีความจุระหว่างกันราวไม่กี่ pF และหน้าสัมผัสมีความต้านทานกับความเหนี่ยวนำ ผลคือเบรดบอร์ดไม่เหมาะกับสัญญาณเร็วระดับหลาย MHz จุดที่มีความต้านทานสูง และกระแสสูง

ความจุแฝง 5 pF กับแหล่งสัญญาณความต้านทาน 100 kΩ
f_c = 1 / (2π × R × C) = 1 / (2π × 100 kΩ × 5 pF) ≈ 318 kHz

สัญญาณที่เร็วกว่าราวนี้จะถูกกรองจนขอบมน ถ้าความต้านทานเป็น 1 MΩ ความถี่นี้ลดลงเหลือราว 32 kHz หน้าสัมผัสที่ใช้มานานจะหลวม เป็นต้นเหตุของวงจร “ทำงานบ้างไม่ทำงานบ้าง” ที่หาสาเหตุยาก

3. ตรวจก่อนจ่ายไฟ

ตรวจตามลำดับนี้ทุกครั้ง ขณะที่เบรดบอร์ดยังไม่ต่อกับบอร์ดหรือแหล่งจ่าย

ตรวจด้วยตา ไล่ทีละ net เทียบกับแผนผัง ขั้วของ LED และตัวเก็บประจุมีขั้ว ไม่มีขาชิ้นส่วนสองขาอยู่ในกลุ่มเดียวกันโดยไม่ตั้งใจ
รางไฟกับกราวด์ต้องไม่ต่อกัน โหมดความต่อเนื่องระหว่างราง + กับราง − ต้อง ไม่ดัง
ความต้านทานระหว่างรางต้องสมเหตุสมผล คำนวณไว้ก่อนว่าวงจรควรมีความต้านทานเท่าไรระหว่างราง แล้ววัดเทียบ
ทดสอบ LED ด้วยโหมดไดโอด แตะสายแดงที่ขาแอโนดและสายดำที่แคโทด ควรอ่านได้ราวแรงดัน V_f และบางดวงจะติดสลัว ๆ
ต่อไฟตามลำดับ GND ก่อน แล้วไฟเลี้ยง แล้วสายสัญญาณ ถ้ามีแหล่งจ่ายที่จำกัดกระแสได้ ตั้งขีดจำกัดต่ำไว้ก่อน (เช่น 50 mA) ถ้าผิดจะได้ไม่มีอะไรไหม้

ตัวอย่างสมบูรณ์

โจทย์ ต่อ LED สามดวงเข้าขา P13.3, P13.4, P13.5 และปุ่มแบบ active-low เข้าขา P13.0 ของ TESAIoT Dev Kit แล้วใช้ปุ่ม GPIO Out และ GPIO In ของโปรแกรมทดสอบ header ทดสอบ

แผนผัง (เขียนเป็นรายการ net)

net	ต่อกับ
GND	ขา GND ของ header, ราง − , แคโทดของ LED1 ถึง LED3, ขาหนึ่งของปุ่ม
3V3	ขา 3V3 ของ header, ราง + , ปลายหนึ่งของ R_pu 10 kΩ
LED1	P13.3 → 1 kΩ → แอโนดของ LED1 (เช่นเดียวกัน LED2 ที่ P13.4 และ LED3 ที่ P13.5)
BTN_N	ปลายอีกข้างของ R_pu, ขาอีกข้างของปุ่ม, และ 1 kΩ ไปยัง P13.0

รายการสาย

จาก	ไป	สี
GND ของ header	ราง −	ดำ
3V3 ของ header	ราง +	แดง
P13.3, P13.4, P13.5	ตัวต้านทาน 1 kΩ ของแต่ละดวง	เหลือง
P13.0	ตัวต้านทาน 1 kΩ ที่ต่อกับ BTN_N	เขียว

คำนวณก่อนต่อ

กระแส LED แต่ละดวงเมื่อขาเป็น 1 (V_f ≈ 1.8 ถึง 2.0 V): (3.3 − 2.0) / 1 kΩ ≈ 1.3 mA ถึง (3.3 − 1.8) / 1 kΩ = 1.5 mA
ความต้านทานระหว่างราง + กับราง − ตอนไม่ต่อกับบอร์ด:
  ปล่อยปุ่ม → ไม่มีทางเดินกระแส อ่านได้ OL (เปิดวงจร)
  กดปุ่ม    → ผ่าน R_pu ลงกราวด์ อ่านได้ 10 kΩ

ตรวจ ราง + กับ − ไม่ดัง อ่านได้ OL และได้ 10 kΩ เมื่อกดปุ่ม LED ทุกดวงผ่านโหมดไดโอด แล้วจึงต่อเข้ากับบอร์ดตามลำดับ GND, 3V3, สายสัญญาณ

ทดสอบ กด GPIO Out ไฟสามดวงควรติดไล่กันตามลำดับขาทุกราว 0.7 s กด GPIO In แล้วกดปุ่ม บิต 0 ของ mask ต้องเปลี่ยนตามปุ่ม ตัวต้านทาน 1 kΩ ระหว่าง BTN_N กับ P13.0 ป้องกันขาไว้ ระหว่างที่ GPIO Out ขับ P13.0 เป็นขาออก ถ้ามีคนกดปุ่ม กระแสจะไม่เกิน 3.3 mA

ฝึกเติม

บนเบรดบอร์ดในภาพ รู a12 กับ e12 ต่อกันไหม e12 กับ f12 ล่ะ a12 กับ a13 ล่ะ
เสียบตัวต้านทานขาหนึ่งที่ b15 อีกขาที่ d15 จะเกิดอะไรขึ้น
ความจุแฝง 5 pF กับแหล่งสัญญาณ 10 kΩ ความถี่ที่เริ่มถูกกรองคือเท่าไร
บนเบรดบอร์ดมีทั้งไฟ 5 V และ 3.3 V ควรจัดสีสายและป้ายอย่างไร
ก่อนเสียบไฟ วัดความต้านทานระหว่างราง + กับราง − ได้ 0.4 Ω ควรทำอะไรต่อ
ในตัวอย่างสมบูรณ์ ถ้าลืมใส่ R_pu 10 kΩ ความต้านทานระหว่างรางเมื่อกดปุ่มจะอ่านได้เท่าไร และปุ่มจะทำงานในโหมด GPIO In ได้ไหม

เฉลย

a12 กับ e12 ต่อกัน (กลุ่มห้ารูเดียวกัน) e12 กับ f12 ไม่ต่อ (ร่องกลางคั่น) a12 กับ a13 ไม่ต่อ (คนละกลุ่ม)
ขาทั้งสองอยู่ในกลุ่มเดียวกัน ตัวต้านทานถูกลัดทิ้ง ไม่มีผลกับวงจร
f_c = 1 / (2π × 10 kΩ × 5 pF) ≈ 3.18 MHz
ใช้สีต่างกันสำหรับแต่ละแรงดัน เช่น แดง = 5 V ส้ม = 3.3 V แยกรางคนละฝั่ง และเขียนป้ายกำกับที่รางด้วย อย่าให้คนอื่นต้องเดา
ห้ามเสียบไฟ ค่าใกล้ 0 Ω คือการลัดวงจร หาสายหรือขาชิ้นส่วนที่ต่อราง + กับ − ถึงกัน โดยถอดชิ้นส่วนทีละชิ้นแล้ววัดซ้ำ
อ่านได้ OL ทั้งตอนกดและปล่อย เพราะไม่มีทางจากราง + ลงกราวด์ ปุ่มยังดึงขาลงเป็น 0 ได้ตอนกด แต่ตอนปล่อยขาจะลอย (GPIO In ตั้งขาแบบไม่มี pull) ค่าจึงเชื่อถือไม่ได้

เช็กความเข้าใจ

ตอบคำถามใน quiz.yaml ให้ถูกอย่างน้อย 4 ใน 5 ข้อ

แล็บ

สำรวจเบรดบอร์ดของคุณ ใช้โหมดความต่อเนื่องตรวจว่ารางไฟต่อตลอดแนวหรือขาดครึ่งกลาง และสุ่มตรวจกลุ่มห้ารูสองสามกลุ่ม จดผล
วาดแผนผัง ของตัวอย่างสมบูรณ์ลงกระดาษด้วยสัญลักษณ์ (ดูสัญลักษณ์ในบทเรียน อ่านแผนผังวงจร ถ้ายังไม่คุ้น) พิมพ์หรือถ่ายรูปเก็บไว้ข้างตัว
ต่อทีละ net ตามรายการสาย ขีดทับ net บนแผนผังทุกครั้งที่ต่อเสร็จ
ตรวจก่อนจ่ายไฟ ทำครบห้าข้อในหัวข้อ 3 จดค่าความต้านทานระหว่างรางตอนปล่อยและตอนกดปุ่ม
จ่ายไฟ ต่อ GND แล้ว 3V3 แล้วสายสัญญาณ วัดแรงดันราง + เทียบราง − ด้วยมัลติมิเตอร์
ทดสอบการทำงาน GPIO Out ไฟไล่ถูกลำดับไหม GPIO In บิต 0 ตามปุ่มไหม
ให้เพื่อนตรวจ ส่งเบรดบอร์ดกับแผนผังให้เพื่อนตรวจโดยคุณไม่อธิบาย จับเวลาว่าเพื่อนใช้กี่นาทีจึงยืนยันได้ว่าต่อถูกทุก net เวลานี้คือคะแนนความเรียบร้อยของงานคุณ

รายการตรวจ	ผล
รางไฟขาดครึ่งกลางหรือไม่
ราง + กับ − (ปล่อยปุ่ม)	ควรเป็น OL
ราง + กับ − (กดปุ่ม)	ควรราว 10 kΩ
LED ทุกดวงผ่านโหมดไดโอด
แรงดันราง + หลังจ่ายไฟ
GPIO Out ไฟไล่ถูกลำดับ
GPIO In บิต 0 ตามปุ่ม
เวลาที่เพื่อนใช้ตรวจ

ไปต่อ

เบรดบอร์ดเหมาะกับการทดลอง แต่วงจรที่ต้องทนการใช้งานจริงต้องบัดกรี บทเรียนถัดไป บัดกรีอย่างปลอดภัย จะฝึกบัดกรีหัวต่อหนึ่งแถวให้ผ่านการตรวจด้วยตาและมัลติมิเตอร์

สะท้อนคิด

ครั้งล่าสุดที่วงจรบนเบรดบอร์ดของคุณไม่ทำงาน สาเหตุคืออะไร ถ้าใช้ขั้นตอนตรวจก่อนจ่ายไฟในบทนี้ คุณจะเจอมันเร็วขึ้นแค่ไหน

แหล่งอ้างอิง

Breadboard (Wikipedia)

คำถามทบทวน

ลองตอบเองก่อน แล้วค่อยเปิดดูเฉลย

บนเบรดบอร์ดมาตรฐาน รู a10 กับ e10 (ฝั่งเดียวกันของร่องกลาง แนวเดียวกัน) ต่อถึงกันหรือไม่ (เป้าหมายข้อ 1)
1. ต่อกัน เป็นกลุ่มห้ารูเดียวกัน
2. ไม่ต่อกัน
3. ต่อกันเฉพาะเบรดบอร์ดยาว
4. ต่อกันผ่านรางไฟ
ดูเฉลย

คำตอบ: A. ต่อกัน เป็นกลุ่มห้ารูเดียวกัน

รู a ถึง e ในแนวเดียวกันอยู่บนแถบโลหะแถบเดียว จึงเป็นจุดเดียวกันทางไฟฟ้า
รู e10 กับ f10 ต่อถึงกันหรือไม่ (เป้าหมายข้อ 1)
1. ต่อกัน เพราะอยู่แนวเดียวกัน
2. ไม่ต่อกัน เพราะร่องกลางแยกสองฝั่งออกจากกัน
3. ต่อกันเมื่อเสียบชิปคร่อมร่อง
4. ขึ้นกับสีของเส้นบนรางไฟ
ดูเฉลย

คำตอบ: B. ไม่ต่อกัน เพราะร่องกลางแยกสองฝั่งออกจากกัน

ร่องกลางออกแบบให้ขาสองแถวของชิป DIP อยู่คนละจุดกัน f ถึง j จึงเป็นอีกกลุ่มหนึ่ง
เสียบตัวต้านทานโดยขาหนึ่งอยู่ b15 และอีกขาอยู่ d15 จะเกิดอะไรขึ้น (เป้าหมายข้อ 1)
1. ทำงานปกติ
2. ตัวต้านทานถูกลัดทิ้ง เพราะทั้งสองขาอยู่ในกลุ่มห้ารูเดียวกัน
3. ตัวต้านทานไหม้ทันที
4. ค่าความต้านทานเพิ่มเป็นสองเท่า
ดูเฉลย

คำตอบ: B. ตัวต้านทานถูกลัดทิ้ง เพราะทั้งสองขาอยู่ในกลุ่มห้ารูเดียวกัน

ขาทั้งสองอยู่บนแถบโลหะเดียวกัน แรงดันคร่อมเป็นศูนย์ ไม่มีกระแสผ่าน วงจรทำงานเหมือนไม่มีตัวต้านทานตัวนั้น
ก่อนจ่ายไฟ วัดโหมดความต่อเนื่องระหว่างราง + กับราง − ผลแบบใดที่ควรได้ (เป้าหมายข้อ 2)
1. เครื่องส่งเสียงดัง แสดงว่าต่อครบ
2. เครื่องไม่ส่งเสียง และความต้านทานใกล้เคียงค่าที่คำนวณจากวงจร
3. อ่านได้ 0 Ω
4. ไม่ต้องตรวจ ถ้าต่อตามแผนผังแล้ว
ดูเฉลย

คำตอบ: B. เครื่องไม่ส่งเสียง และความต้านทานใกล้เคียงค่าที่คำนวณจากวงจร

ถ้าดังแปลว่าไฟเลี้ยงลัดลงกราวด์ ห้ามจ่ายไฟ ค่าที่ควรได้คือความต้านทานรวมของวงจรที่คำนวณไว้ล่วงหน้า หรือ OL ถ้าวงจรไม่มีทางเดินกระแสระหว่างราง
เรียงขั้นตอนตั้งแต่ต่อวงจรเสร็จจนจ่ายไฟ ให้ถูกลำดับ (เป้าหมายข้อ 2)
1. ต่อไฟเลี้ยงและสายสัญญาณ แล้ววัดแรงดันราง
2. ตรวจด้วยตาทีละ net เทียบกับแผนผัง
3. ต่อสาย GND ระหว่างบอร์ดกับเบรดบอร์ด
4. วัดความต่อเนื่องและความต้านทานระหว่างราง + กับราง −
ดูเฉลย

ลำดับที่ถูก: B. ตรวจด้วยตาทีละ net เทียบกับแผนผัง → D. วัดความต่อเนื่องและความต้านทานระหว่างราง + กับราง − → C. ต่อสาย GND ระหว่างบอร์ดกับเบรดบอร์ด → A. ต่อไฟเลี้ยงและสายสัญญาณ แล้ววัดแรงดันราง

ตรวจทั้งหมดขณะยังไม่มีไฟ ด้วยตาก่อนแล้วด้วยมิเตอร์ แล้วจึงต่อกราวด์เป็นเส้นแรก ตามด้วยไฟเลี้ยงและสัญญาณ

อ้างอิงบทเรียนนี้

ถ้านำบทเรียนนี้ไปสอน ทำสไลด์ หรือทำเอกสารต่อ ให้อ้างอิงด้วยข้อความนี้ ถ้าดัดแปลงเนื้อหา ให้เติม (ดัดแปลง)ต่อท้ายชื่อบทเรียน

"ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด" จาก TESA Open Knowledge โดยสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (Thai Embedded Systems Association: TESA) https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program สัญญาอนุญาต CC BY-NC 4.0

ข้อความอ้างอิงภาษาอังกฤษ: "Breadboarding" from TESA Open Knowledge by the Thai Embedded Systems Association (TESA), https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program, licensed under CC BY-NC 4.0

ลิงก์บทเรียน: https://tesaiot.github.io/tesa-qualification-program/courses/electronics-and-instruments/m06-build-and-read/l01-breadboarding/

วิธีอ้างอิง TESA ฉบับเต็ม

เนื้อหาเผยแพร่ภายใต้ CC BY-NC 4.0 นำไปใช้ต่อในงานที่ไม่ใช่เพื่อการค้าได้ โปรดอ้างอิงสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (TESA) ทุกครั้ง · วิธีอ้างอิง TESA