Elektronik - Basteltips



Auf dieser Seite möchte ich einige generelle Tipps für das Elektronik-Hobby, also den Schaltungsentwurf, uC-Software und den Aufbau von Schaltungen geben. Ob man alle diese Tips beherzigen will oder nur manche... ich denke, mit manchen Punkten kann man recht viel Zeit (und Geld) sparen.

Projektstatus:
Status: Sammlung läuft
Letzte änderung Webseite: 22.02.2013


Schaltungsentwurf


Generelle Punkte zur Elektronik

  • Wenn man nicht gerade eine Low-Power Batterieanwendung als Ziel hat: IMMER eine Verpolschutzdiode für die Spannungsversorgungsanschlüsse vorsehen. Nichts ist ärgerlicher als eine kurz vor fertig durch Verpolung gegrillte Schaltung. Außerdem puffert "unser" Siebelko dann nicht andere Verbraucher an der selben Versorgung (z.B. im Auto).
  • Bauteile hinsichtlich der Leistung lieber überdimensionieren: Heisse Bauteile leben grundsätzlich nicht so lang wie lauwarme (Faustformel: Je 10K Temperturerhöung halbiert sich die Lebensdauer der Komponente), ein Kondensator nahe seiner Nennspannung schlägt bei Spikes schnell durch, die LED bei Nennstrom wird eher dunkel etc.
  • slow is beautyful: Ein 40MHz-µC-Bolide, der sich langweilt, ist rausgeworfenes Geld. Generell sind langsamere Systeme robuster (z.B. haben parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten weniger Einfluss) und auch hinsichtlich der Störausstrahlung überlegen, z.B. der Mosfet in der Sitzheizungssteuerung: der BUZ11 schafft ungebremst rd. 750V/µs Spannungshub. Bei Anwendungen mit kleinem Transistor/Verbraucherabstand, wie es in einem Schaltnetzteil der Fall ist, sind solche hohen Geschwindigkeiten wegen der Schaltverluste bei hohen Taktfrequenzen sicher sinnig, bei der Steuerung einer Heizmatte im Auto sind dagegen 1-2V/µs bei 15Hz Schaltfrequenz ausreichend, da wegen der langsamen Flanken kaum hochfrequente Abstrahlung über die Riesen-Leiterschleife Steuerung/Heizmatte auftritt.
  • Schaltungen für das Auto sollten immer kurzfristig bis 35V/40V überstehen, das ist z.B. bei der Wahl der Spannungsregler und der Siebelkos ganz wichtig. Hintergrund: Der "Load Dump"-Fall, wenn nämlich ein Battierieanschluss bei laufendem Motor abgeht, produziert die Lichtmaschine aufgrund des weggefallenen Puffers eine schöne hohe Spannung, da der Regler garnicht so schnell die Erregung zurückfahren kann. Manche Autos haben zwar einen zentralen Load-Dump-Schutz, aber wer weiss schon, wleche das sind...? Starthilfe ist auch so ein Thema.
    Diese Fälle treten zwar selten auf, aber wenn doch, dann ist es schon ganz nett, wenn dann nicht die ganze Elektronik die Grätsche macht...
  • Betriebsspannung im Auto... 12V ist nur die Nennspannung der Batterie, im Betrieb kommen aber 8 - 14V vor, besser noch legt man seine Schaltung noch etwas weiter aus, mit 7 .. 18V ist man schon absolut auf der sicheren Seite, denn dann funktioniert die Schaltung auch bei fast leerer Batterie und am Schnellader. Wer will, kann die Schaltung auch noch für 28V/1min auslegen, dann könnte man das Auto auch nach übersee verkaufen, wo es vielleicht per Jump-Start vom Schiff gefahren wird.
  • Controller-Auswahl... Sowohl für PICs wie auch die AVRs gibt es genügend Support und Referenzprojekte, wobei der AVR da aktuell (2010) der in der Hobby-Szene wohl angesagtere Controller ist. Der R8C kommt auch langsam nach vorne. Auch preislich gibt es meiner Meinung nach keine großen Unterschiede.
  • Stromversorgung: Wenn es geht, setze ich für netzbetriebene Projekte im 24/7-Betrieb wie z.B. meine LED-Projekte mittlerweile immer Stecker-Schaltnetzteile ein. Für 5V drängen sich da USB-Netzteile bzw. USB-Ladeger&aumt;e auf, die den EuP/ErP-Energiespar-Richtlinen der EU entsprechen und z.B. im Reichelt-Sortiment (USB PA 250V-5V) ab €2,80 zu haben sind (+ USB-Kabel für 60ct). Für mehrere Spannungen (z.B. 5V und 12V) gibt es bei Pollin günstige Schaltnetzteile, die zwar häufig nicht EuP/ErP-Richtlinen entsprechen, aber immer noch besser sind als jedes Trafo+Linearregler-Netzteil.
    Nur bei geschalteten Anwendungen am Netz nehme ich noch Trafo+Linearregler, da das Steckernetzteil ja ansonsten Standby-Verluste nach sich zieht.
    Bei einem Strompreis von 23,4ct/kWh bringt jedes gesparte Watt im 24/7-Betrieb runde €2,- Ersparnis pro Jahr-> da lohnt es sich, mal nachzudenken, vor allem wenn man die 5% Strompreis-Steigerung pro Jahr mitberücksichtigt, zumal Trafo, Gleichrichter, Elko und Linear-Regler als Einzelbauteile in Summe schon > €2,80 kosten!
  • Stromversorgung II: Bei den Spannungsreglern ruhig mal ins Datenblatt und die Application Notes gucken: Die Kondensatoren an Ein- und Ausgang sind nicht nur Dekoration, sondern wirklich notwendig, damit der SpannungsREGLER nicht schwingt. Auch der Typ dieser Kondensatoren ist nicht unwichtig: Manche Low-Drop-Regler kommen mit keramischen Kondensatoren anstelle von Elkos nicht klar: sie brauchen die ESR des Elkos zur Dämpfung, sonst schwingen sie.


Links zum Design

  • SwitcherCAD ist ein kostenloses Spice-Derivat, mit dem man kleine Schaltungen super simulieren kann. Es kann vor allem auch mit den meisten original-Spicemodellen der Halbleierhersteller umgehen!


Leiterplattenlayout (...mit EAGLE)

  • Wichtig bei einseitigen Layouts: Die Bibliotheken und default-Einstellungen bei EAGLE gehen immer von einer mindestens 2-Seitigen durchkontaktierten Leiterplatte aus. Aus diesem Grund steht der Parameter "Restring" bei den Design-Rules auch auf 8 mil: Bauteile auf Durchkontaktierten Leiterplatten halten mit diesen kleinen Lötaugen schon, da sie in der Durchkontaktierung verlötet sind.
    Als Hobbyist bzw. aus Kostengründen muss es aber nicht immer eine doppelseitige LP sein, ein paar Lötbrücken kann man ruhig bestücken. Bei einseitigen LP sollte man daher den Parameter "Restring" in den Designrules auf 18mil setzen und die Rules dann per "Anwenden" auf das Board übertragen. Die aus der Aktion entstehenden Lötpads mit 0,4mm Ringstärke sind dann auf einer nicht durchkontaktierten Leiterplatte bequem verlötbar.
  • Bei Designs für den Einsatz im Auto oder im Freien und mit Dauerbestromung ist das Thema Migration interessant: auch bei 12V Gleichspannung findet auf so einer Leiterplatte schon Elektrochemie statt. Faustregel dazu: je höher die Dauer-Gleichspannung zwischen nicht lackierten Pads, desto grösser sollte der Abstand sein.

Links zur Leiterplattenerstellung und Design

  • CadSoft - EAGLE Freeware-Layouteditor
  • Leiton Leiterplatten nach EAGLE-Daten (etwas günstiger und mehr Service als der PCB-Pool)
  • Design Guide for PCB ebenfalls von der Ford Motor Company. Sehr lesenswert sind die Layout-Rezepte ab Seite 51!


Das Thema EMV

Dazu nur eine Linkliste, das Thema ist schier unerschöpflich...

Interessante Links - zum Thema Elektromagnetische Vertäglichkeit (EMV):

  • Vorlesungsskript der Uni Braunschweig zur Elektromagnetische Verträglichkeit in der Fahrzeugtechnik
  • GMW3097GS General Motors General Specification for Electrical / Electronic Components and Subsystems, Electromagnetic Compatibility (EMC)
  • Component EMC Specification ES-XW7T-1A278-AC von der Ford Motor Company. Wer die durchgelesen hat, überlegt sich dreimal, ob er wirklich eine Elektronik ins Auto bauen will. ;)
  • UN ECE-Regeln für das Auto Testspec für EMV-Tests ist z.B. die Regulation Nr. 10...
  • Noch interessanter: die Direktive 2004/104/EG für Funkentstörung (elektromagnetische Verträglichkeit) von Kraftfahrzeugen der EG
  • Weiterhin interessant sind die EG-Richtline 2004/108/EG (allgemeine EMV-Richtlinie) und hier die Erläuterung der RegTP dazu - und das neue EMVG, das am 20.12.2007 den Bundesrat passiert hat und die EG-Richtline 2004/108/EG in nationales Recht umsetzt. Die von vielen Bausatz-Anbietern zitierte VDE 0869 "Elektronische Bausätze für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke" hat dagegen den Status "zurückgezogen, hat also meiner Meinung nach keine Relevanz mehr.

Software


Software für Microcontroller... hier meine Tipps dazu, die sich aber auch auf C++, z.B. in der Win32-Umgebung anwenden lassen:

  • Generell sollte man nur in C programmieren, da das die Les- und Wartbarkeit der Software extrem gegenüber Assembler verbessert. Es ist im Zweifelsfall einfacher ein C-Compilat noch zu optimieren als tagelang irgendeinen Fehler im Assembler-Text zu suchen.
  • Nicht alles, was durch den Compiler geht ist auch gut. Zuweisungen in der if()-Bedingung gehen zwar, sind aber schlechter Stil. Ganz gute Lektüre dazu sind die MISRA-Regeln, die hier und hier, leider ohne Beispiele, genannt werden. MISRA ist ein Regelwerk für C in Automobil-Software, dass sich mit diversen Tools auch automatisch prüfen lässt.
    Leider halte ich auch nicht alle Regeln ein - aber hilfreich wäre das schon...

 


Elektronik-Aufbau (mit Lochrasterplatten)


Schaltungsaufbau mit Lochraster-Platine

Für kleine Projekte lohnt sich meiner Meinung nach der Aufwand mit Layouterstellung, ätzen und Bohren für eine Leiterplatte nicht. Da bietet sich der Schaltungsaufbau auf einer Lochrasterplatte an:

  1. Vorgedanken zur Bauteilbeschaffung:
    • Lochrasterplatten für normale Innenanwendungen können aus FR2 (Phenol/Hartpapier, Reichelt: H25PRxxx ) bestehen: das ist günstig, leicht zu bearbeiten, aber leider wenig Temperaturfest und damit bei Kurzschlüssen und Hitze nicht besonders nett.
    • Lochrasterplatten für erhöhte Anforderungen (Auto, Leistungselektronik) sollten aus FR4 (Epoxid/Glasfasergewebe, Reichelt: UP 832EP, RE 200EP) bestehen: das ist mechanisch stabiler und vor allem so gut wie unbrennbar.
    • Bei Platznot: Widerstände kann man auch stehend einplanen, dann brauchen sie fast sowenig Platz wie SMD-Widerstände. Wenn es ganz eng wird, kann man SMD-Bauelemente aber auch (zumindest in 0805 und 0603 ) auch zwischen zwei Lötaugen platzieren und festlöten.
    • Stecker/Buchsen, die außerhalb des Gehäuses zugänglich und mehrfach steckbar sein sollen, sollten nicht nur über die Anschlusspins mechanisch an der Leiterplatte befestigt werden, sondern immer geschraubt oder durch extragroße Lötaugen befestigt sein. Wer mal die Kopfhörerbuchse an einem Walkman/Diskman/mp3player ausgewechselt hat, weiss wieso...
  2. Bestückung planen,
    d.h. alles mal auf der Lochrasterplatte anordnen, so dass man sich eine sinnvolle Bauteilplatzierung überlegen kann, die sich nachher auch verdrahten lässt.
  3. Bestückungsreihenfolge
    Die niedrigen Bauteile einlöten, allerdings fange ich irgendwie immer mit den IC-Sockeln an, weil man sich dann ganz gut zwischen den ganzen Lötpunkten orientieren kann. Dann schrittweise zu den höheren Bauteilen übergehen.
  4. Verbindungstechnik
    Kurze Verbindungen (so um die 4 Löcher) kann man einfach mit Lötzinn miteinander verbinden, für längere Strecken gibt es mehrere Möglichkeiten:
    • Fädeldraht und Fädelstift (Stift kostet rd. € 22,--, Draht pro Rolle € 5,--) damit kann man auch kreuzende Leitungen verlegen, da der Draht mit Lack isoliert ist. Da, wo man ihn anlötet, brutzelt man mit einem Lötkolben den Lack weg und lötet ihn dann an
    • funktioniert genauso gut: Kupferlackdraht (Reichelt: KUPFER 0,3MM) ist billig, braucht keinen Stift und ist etwas handlicher, da er nach dem biegen seine Form behält.
    • dünne Litze aus dem Modellbau, ist erstmal preiswerter, wegen der Abisoliererei aber etwas fummeliger und die Verkabelung wird halt etwas dicker
    • verzinnter Draht: einfach zu machen, aber hohes Kurzschlusspotential und bei kreuzungen... Nutze ich manchmal als "Power Rail" für GND oder +5V.
  5. Anschlüsse
    für Heimelektronik mache ich ganz gerne mit Schraubklemmen, für das Auto nutze ich lieber eingelötete Stecker, da Schraubverbindungen für Kabel über Klima und Vibration nicht besonders haltbar sind.
    Bewährt haben sich (nicht lachen) die alten 5 1/4 Floppystecker/buchsen für grössere Ströme, sowie die Mini-Universal-Mate-N-Lok von Tyco/AMP.
  6. Schutzlack
    Wenn alles aufgebaut ist, alle Lötarbeiten beendet und nur noch der Einbau bevorsteht, ist es für Aufbauten in Fädeltechnik sinnvoll, sie zumindest von der Unterseite mit Spiritus von Fett und Flussmittelresten zu befreien und dann mit Leiterplatten-Schutzlack (z.B. Plastik 70 von Kontakt Chemie (Reichelt: Kontakt 212)) zu behandeln.
    Bei selbstgefertigten Schaltungen kann man nicht verhindern, dass man teilweise geringe Abstände zwischen den Potentialen hat. Vor allem beim Einsatz unter wiedrigen Bedingungen (außen, im Auto) kann es dann bei hoher oder sogar kondensierender Luftfeuchtigkeit zu Migration kommen, d.h. Metallbestandteile bilden elektrochemisch Brücken. Das kann im Extremfall (z.B. Masse zu 12V) dazu führen, dass die Batterie entladen oder sogar das bei Lochrasterplatinen häufig benutzte FR2-Basismaterial (Phenol/Hartpapier) in Brand setzen. Ein weiterer Vorteil einer Lackierung ist die Fixierung der Drähte, so dass auch Vibration nicht zu Ausfällen durch Kabelbruch oder weggescheuerte Isolation führt (z.B. beim Einsatz einer Elektronik in Maschinen oder im Auto).
Lochrasterplatine
Lochrasterplatine: Unterseite mit den verschiedenen Verbindungstechniken