Aufbau auf Lochrasterplatinen
Vor dem Aufbau
Der Aufbau auf Leiterplatten ist weitgehend endgültig:
- eine Korrektur ist aufwendig.
Deshalb sollte eine Schaltung
- auf einem Steckboard getestet werden.
- Auch bevor mit dem Layout begonnen wird.
Für den Amateur stellt sich immer wieder die Frage, wie er seine elektronischen Schaltungen aufbauen soll.
Die beste Lösung wäre die Herstellung einer Leiterplatte, einer gedruckten Schaltung. Dies ist sehr aufwendig und lohnt sich für Einzelstücke in der Regel nicht. Auf diese Alternative wird hier nicht eingegangen, sondern auf https://www.mikrocontroller.net/articles/Hauptseite#Platinen wird verwiesen.
Lochrasterplatinen sind optimal
Für den Amateur, der nur Einzelstücke baut, ist der Aufbau auf Lochrasterplatinen optimal.
- Der Aufbau ist handwerklich anspruchsvoll.
- Der Bau ist preiswert.
- Es werden keine Chemikalien, Fräsmaschinen oder Ähnliches benötigt.
- Der Aufbau kann nachträglich verändert werden.
Platinen
Seiten der Platine
In der herkömmlichen Technologie werden die Bauelemente auf einer Seite der Leiterplatte montiert. Deshalb wird diese Seite häufig als Bauelemente- oder Bestückungsseite bezeichnet. Die Anschlüsse werden durch Bohrungen in der Leiterplatte gesteckt und auf der anderen Seite der Leiterplatte (Lötseite) verlötet. Auf der Lötseite befinden sich Leiterbahnen. Leiterplatten, die nur Leiterbahnen auf der Lötseite haben, werden als einseitige Leiterplatten bezeichnet. Auf der Bestückungsseite werden manchmal Verbindungen mit Drahtbrücken hergestellt.
Moderne Leiterplatten haben auch auf der Bestückungsseite Leiterbahnen. Die Leiterplatte hat zwei Lagen. Komplexere Schaltungen können mehrere Zwischenlagen haben: Multi-Layer-Technik.
Die Verbindungen zwischen den Lagen werden durch durchkontaktierte Bohrungen hergestellt. Bohrungen, die nur der Verbindung zwischen Lagen dienen, werden Durchkontaktierungen oder Vias genannt.
Die moderne Technologie verwendet oberflächenmontierte Bauelemente, SMD. Die Anschlüsse werden nicht mehr durch Bohrungen gesteckt, sondern direkt auf die Oberfläche gelötet. Die Bauelemente können auf beiden Seiten der Leiterplatte montiert werden.
Insofern können wir nicht von Bauelemente- und Lötseite sprechen. Wir verwenden besser Oberseite und Unterseite.
Lochrasterplatinen
Es gibt eine ganze Vielzahl von Lochrasterplatinen. Wir verstehen unter Lochrasterplatinen solche, die mit Lötinseln versehen sind.
Wir verwenden Lochrasterplatinen:
- mit einem Raster von 2,54 mm,
- aus Epoxid, also aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK),
- möglichst mit quadratischen, verzinnten Lötinseln.
- Durchkontaktierte Lötinseln halten besser, sind aber auf dünne Anschlüsse beschränkt.
Von rechts:
- einfache Pertinax-Platine mit runden Lötaugen
- Epoxid-Platine mit verzinnten rechteckigen Lötaugen
- Epoxid-Platine mit durchkontaktierten runden Lötaugen
- Epoxid-Platine mit durchkontaktierten rechteckigen Lötaugen
- Oberseite einer durchkontaktierten Epoxid-Platine mit Masse-Lage
-
Viele durchkontaktierte Platinen haben keine Masse-Lage:
Die Ober- und Unterseite sehen gleich aus
Vor- und Nachteile
- Verzinnte Lötaugen lassen sich besser löten.
- Rechteckige Lötaugen haften etwas besser als runde Lötaugen.
- Bei rechteckigen Lötaugen entstehen leichter Lötbrücken,
- insbesondere bei diagonalen Verbindungen.
- Rechteckige Lötaugen lassen sich besser als runde durch Lötbrücken unmittelbar verbinden.
- Beidseitige Platinen sind normalerweise nicht unbedingt erforderlich.
- Beidseitige Platinen sind oft nicht durchkontaktiert.
- Durchkontaktierte Platinen sind oft nicht notwendig.
- Die Lötinseln lösen sich nicht so leicht wie bei einseitigen Platinen.
- Sie sind für SMD-Bauelemente mit drei oder vier Anschlüssen geeignet.
- SMD-Bauelemente können einfach auf beiden Seiten bestückt werden.
- Wenn bei durchkontaktierten Leiterplatten die Bohrungen für Bauelemente mit dickeren Drähten aufgebohrt werden müssen, geht die Durchkontaktierung natürlich verloren.
- Optimal sind durchkontaktierte Epoxid-Platinen mit verzinnten rechteckigen Lötaugen.
Durchkontaktiert
Gut geeignet sind Platinen:
- Ohne Schnickschnack wie Steckanschlüsse, Bohrungen und breite Ränder mit 100 mm x 160 mm,
- aber manchmal ist der Schnickschnack günstiger.
- Mit Lochraster in einem Raster von 2,54 mm
- Kein Streifenraster
- Möglichst Epoxid
Verbindungstechniken für Lochrasterplatinen
- Mit Verbindungen sind hier die selbst erstellten Leiterbahnen gemeint.
Es gibt verschiedene Techniken, um Verbindungen auf Lochrasterplatinen zu herzustellen:
- Verbindungen mit dünnem blanken Draht
- Verbindungen mit Kupferlackdraht
- Fädeltechnik mit dünnem Draht und Fädelkämmen
Drahttechnik
Die Verbindungen werden mit dünnem blanken Draht erstellt. Es gibt zwei Techniken.
Halbösen an Lötstellen
Der Draht wird an Lötstellen mit Bauelementanschlüssen zu Halbösen gebogen.
- Alle Verbindungen werden vor dem Einsetzen der Bauelemente erstellt.
- Die Lötstellen mit Bauelementanschlüssen werden nicht gelötet.
- Diese Verbindungen können nicht leicht repariert oder geändert werden.
- Diese Technik ist nicht so gut für die iterative Vorgehensweise geeignet.
Kurzer Draht an Lötstellen
Der Draht wird nur kurz auf die Lötstellen mit Bauelementanschlüssen geführt.
- Bauelemente werden meist vor den Verbindungen eingelötet.
- Neue Verbindungen beginnen bei Bauelementanschlüssen.
- Diese Verbindungen sind leicht zu reparieren und zu ändern.
- Diese Technik ist gut für die iterative Vorgehensweise geeignet.
Beide Techniken werden ergänzt durch:
Diagonale Drähte
Die Drähte werden diagonal in einem Winkel von 45 ° verlegt.
- Ein diagonaler Draht kann zwischen Lötinseln geführt werden.
Lötbrücken
Lötinseln werden mit Lot verbunden.
- Diese schnelle Technik ist ideal für die Verbindung von zwei bis vier Lötinseln.
Drahtbrücken
Drahtbrücken werden zur Herstellung von Kreuzungen benötigt.
- Sie können sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite hergestellt werden.
- Sie können aus isoliertem Draht hergestellt werden.
- Die Drahtenden müssen abisoliert werden.
- Sie können auch aus lötbarem Kupferlackdraht hergestellt werden.
- Der Draht muss nicht abisoliert werden, sondern der Lack verbrennt beim Löten.
- Beim Löten können giftige Gase entstehen.
- Auf der Unterseite können Drahtbrücken auch kreuz und quer verlegt werden.
Fädeltechnik
- Es werden dünne lötbare Kupferlackdrähte mit 0,2 mm Ø verwendet.
- Zur Führung der Kupferlackdrähte werden Führungskanäle oder Fädelkämme verwendet.
- Drähte werden um die Pins der Bauelemente gewickelt und über Fädelkämme zum nächsten Anschluss geführt. Abschließend werden sie verlötet.
- Die Technik eignet sich für relativ umfangreiche Digitalschaltungen.
- Die Fädelkämme und das spezielle Werkzeug sind teuer.
SMD-Bauelemente
Auf Lochrasterplatinen können nur einfache SMD-Bauelemente mit zwei, drei oder vier Anschlüssen bestückt werden.
- Für die meisten SMD-Bauelemente sind Adapter für das 2,54-mm-Raster erforderlich.
- Zweibeinige SMD-Bauelemente sind unproblematisch.
- Dreibeinige SMD-Bauelemente
- können auf vier Lötpunkte gesetzt werden.
- Vierbeinige SMD-Bauelemente
- können auf vier Lötpunkte gesetzt werden.
Zwei Anschlüsse werden auf benachbarte Lötpunkte gesetzt. Der dritte Anschluss wird mit einem Draht über zwei benachbarte Lötpunkte verbunden.
SMD-Bauelemente mit vier Anschlüssen werden einfach auf vier benachbarte Lötpunkte gesetzt.
Manchmal können Drahtbrücken vermieden werden, indem SMD-Bauelemente auf die Oberseite durchkontaktierter Lochrasterplatinen gesetzt werden. Die dargestellten Vias sind die durchkontaktierten Lötpunkte.
Bild 12 zeigt, wie ein SMD-Bauelement mit drei Anschlüssen eingelötet werden kann. Das dreipolige SMD-Bauelement wurde auf die Oberseite gesetzt. Der obere Anschluss wurde auf der Oberseite mit einem Draht verbunden. Die unteren Anschlüsse werden auf der Unterseite der Platine verbunden.
Vorgehensweise beim Aufbau
- Alle Verbindungen vor dem Einsetzen der Bauelemente erstellen oder
- alle Bauelemente zuerst einsetzen.
- Bauelemente nicht durch Umbiegen der Anschlussdrähte bzw. -beinchen fixieren.
- Die Bauelemente lassen sich dann nicht mehr leicht entfernen und
- der Aufbau ist nicht einfach zu reparieren.
- Wenn die Anschlussdrähte bzw. -beinchen der Bauelemente nicht umgebogen werden,
- können die Bauelemente mit einem Schwamm oder einem Halter auf der Platine fixiert werden.
- Die Bauelemente können dann einfach entfernt und
- der Aufbau einfach repariert werden.
- Iterative Vorgehensweise:
- Teile der Schaltung aufbauen,
- Teilschaltung testen,
- Fehler beheben und
- weitere Teile aufbauen.
Iterative Vorgehensweise
Die iterative Vorgehensweise ist für den Aufbau von Einzelstücken ideal.
- Beim Entwurf und Aufbau werden immer wieder Fehler gemacht.
- Diese Fehler werden frühzeitig erkannt und
- können einfach korrigiert werden.
Diese Vorgehensweise wird in Pragmatische Vorgehensweise beim Aufbau von Schaltungen näher beschrieben.
Lochrasterplatinen für Amateure aufbauen
Für unsere Zwecke ist
- die iterative Vorgehensweise ideal.
- Wir bauen Teilschaltungen Schritt für Schritt auf und
- testen die Teilschaltungen.
Die Verbindungstechniken sollten dieser Vorgehensweise entsprechen:
- Bauelemente möglichst zuerst einsetzen.
- Natürlich werden nur die Bauelemente eingesetzt, die für die Teilschaltung benötigt werden.
- Die Verbindungen werden mit
- 0,3 mm versilbertem Kupferdraht erstellt und
- die Drahtenden nur auf die Lötinseln geführt.
- Zwischen zwei bis vier Lötinseln werden Lötbrücken eingesetzt,
- da sonst die Drähte nicht gehalten werden können.
Layout
Layout für Lochrasterplatinen
Das Praktikum Layout für Lochrasterplatinen beschreibt, wie mit KiCad ein Layout erstellt wird, das für Lochrasterplatinen geeignet ist.
Das Layout von Schaltungen auf Lochrasterplatinen sollte entworfen werden.
- Möglichst nur einseitiges Layout verwenden.
- SMD-Bauelemente auf der Unterseite sind möglich.
- Verbindungen möglichst auf der Unterseite führen.
- Verbindungen auf der Oberseite sind in der Regel Drahtbrücken.
- Verbindungen auf der Oberseite, Drahtbrücken, möglichst nicht über Bauelemente führen.
- Kreuzungen können mit Drahtbrücken auf der Ober- und Unterseite realisiert werden.
-
Das Layout kann natürlich mit Buntstiften, Papier und Radiergummi
entworfen werden.
- Das Layout lässt sich gut mit einem (EDA) Programm für den Entwurf von Elektronik wie z. B. KiCad oder Eagle erstellen.
- KiCad hat gegenüber den einfachen Versionen von Eagle den Vorteil, dass es mehr als zwei Lagen darstellen kann und kostenlos ist.
- Die Leitungen auf der Unterseite werden als bottom grün dargestellt.
- Die Leitungen auf der Oberseite werden als top rot dargestellt.
- Drahtbrücken auf der Oberseite werden als In1 gelb dargestellt.
- Drahtbrücken auf der Unterseite werden als In2 magenta dargestellt.
- Erstellen von Bildern des Layouts.
- Sehr dünne Linien, die das Raster darstellen, sollten im Layout eingezeichnet werden. Eine Nummerierung erleichtert das Zählen der Lötpunkte.
- In EDA-Programmen kann die Unterseite gespiegelt werden.