Tutorien für Arduino/fahrnet/de

Schaltungs-Prototypen herstellen - Creating circuit prototypes

Im folgenden Kapitel möchte ich meine Methode zur Erstellung von Schaltungs-Prototypen erläutern und in einer praktischen Schritt-für-Schritt-Anleitung darlegen.

Das Erstellen von Prototypen dient zur Überprüfung von Konzepten und liefert nicht zwangsläufig auf Anhieb esthetische Ergebnisse. Muss es auch nicht - hauptsache es Funktioniert. Und wenn nicht, soll diese Methode helfen Fehler rasch zu finden.

Ich setzte voraus, dass der Anwender zumindest ein Werkzeug zur Schaltplaneingabe und Layouterstellung kennt. Wenn nicht, diese Erläuterung basiert auf EAGLE CAD. Dieses ist in einer kostenlosen Lizenz für nicht-kommerzielle Projekte erhältlich und dank der vergleichsweise einfachen Bedienung weit verbreitet. In den einschlägigen Internet-Foren und Video-Portalen finden sich unmengen an Viodes und Tutorien zur Benutzung.

Eine Alternative zu EAGLE CAD stellt das gänzliche freie Schaltplan- und Layoutwerkzeug KiCAD vom Genfer CERN da. Ist in der Funktionsweise an typische Industriewerkzeuge angeleht und für Anfänger nur bedingt geeignet.

Prototypenschaltungen bauen wir im Hobbybereich pratischer Weise auf sogenannten Punkt- oder Lochrasterleiterkarten auf. Das Raster ist in feste Abstände von 2.54mm, das ist 1/10 Zoll eingeteilt. Es gibt auch Karten mit metrischem 2.5mm-Raster; davon rate ich aber dringend ab, da z.B. ICs und Standardstiftleisten dort nicht ohne Gewaltanwendung hinein passen.

In this chapter I'd like to present a methode for creating electronic circuit prototypes and demonstrate the usage in a step-by-step example.

The creation of prototypes is essential for evaluating concepts and does not necessarily return esthetical results on the first run. As a matter of fact, it does not have to - more importantly: it works. And if it doesn't at least this approach shall help to identify design flaws quickly.

For this to work, I do assume that the user at least knows one CAE tool for electronics circuit and layout design. If not so, my explanations are based on EAGLE CAD. You can get a free license for non-commercial projects and, thanks to it's relatively simple use it's pretty popular. The common internet blogs and video portals provide heap-loads of tutorials and getting-started info.

An alternative to EAGLE CAD is given by the all-free electronics circuit and layout tool KiCAD which was created by a team at Geneva's CERN institute. The tool is related to industrial scale application and not recommended for beginners.

Prototype circuits are easiest to be built on perfboard which provides a grid with either stripes or round shaped copper patches. The grid is typically spaced at 2.54mm, which is equivalent to 1/10 inch. You can also buy boards with 2.5mm grid; I do not recommend to use those as most parts that will be used are comming at imperial-based dimensions (e.g. ICs).

Inhalt - Content

  • Daten aufbereiten - Preparation of Data
  • Benötigtes Werkzeug und Material - Needed Tools and Material
  • Prototypen-Schaltung bauen - Building the Prototype
  • Tips für die Inbetriebnahme - Hints for Powering up

  • Daten aufbereiten - Preparation of Data

    Eine gute Dokumentation ist die Grundlage allen Handelns. So auch beim Erstellen und Entwickeln von Prototypen-Schaltungen. Bei einer elektronischen Schaltung ist der Schaltplan das gängigste, wenn nicht gar offtmals das einzige Dokument.

    Wir beginnen die Arbeit mit der Schaltplaneingabe in unser Entwicklungswerkzeug.

    A good documentation is the basis of all doing. That is as well true for creating and developing prototype circuits. An electronic circuit diagram (or schematic) is the most common, once in a while the only one document for an electronic circuit.

    We will start by entering the electronic circuit diagram into our CAE tool.




    Nachdem der Schaltplan fertiggestellt ist wird das Layout erstellt. Das Layout beschreibt, wie die Schaltung pyhsikalisch aufgebaut werden soll. Wir beginnen mit der Positionierung der Bauteile auf einem 2.54mm Raster (oder 100mil, das sind 1/10 Zoll) - das erleichtert uns nachher die echte Positionierung auf der Lochrasterkarte.

    After finishing the schematic the layout is being created. The layout is a formal representation how the schematic shall be realised physically. WE start by placing the components on a fixed 2.54mm grid (or 100mil, which is 1/10 inch) - this simplifies the placement on the target perfboard later.



    Die Details, wie ein Layout erstellt wird werde ich hier nicht darlegen, da es zum einen Arbeitserfahrung erfordert und zum anderen die Beherrschung des verwendeten Layoutwerkzeugs. Ein Ergebnis könnte so aussehen:

    I'll not going into further detail on how to create a layout. It requires a little pratical experience and knowledge of your CAE tool. One possible solution of the example could look like that:



    Die beiden folgenden Schritte lassen sich mit jedem Layoutwerkzeug nachahmen: es wird zunächst eine Ansicht der reinen Bestückungslage inkl. Leiterkartenabmessung (board outline) erstellt und ausgedruckt. Etwa so:

    The two following process steps can be emulated with any tool: create a view of the component placement layer including the board outline and print, e.g. likewise:



    Danach wird die Kupferlage (bottom layer) angezeigt inkl. der Bauteilekontakte und Durchkontaktierungen (z.B. von Leiterbrücken) und spiegelverkehrt(!) ausgedruckt. Das folgenden Bild zeigt ein bottom layer in der Durchsicht - beim Druck muss die Spiegel-Funktion ausgewählt werden.

    After that view the copper bottom layer (incl. vias and pads). Print this view as a mirrored image. The following picture shows a bottom layer in top view (looking through the board) - you CAE tool may provide a feature for mirror-inverted printing.


    Zum Seitenanfang

    Benötigtes Werkzeug und Material - Needed Tools and Material

  • Schere und scharfes Messer, z.B. Cutter
  • (Stahl-)Lineal
  • schnitt- und hitzefeste Arbeitsunterlage
  • Permanentmarker
  • Allzweckkleber
  • kräftige Nähnadel oder Pin von Pinwand
  • Seitenschneider und Flach-/ Kombizange
  • Bauteil-Biegelehre
  • Löhtzinn
  • Lötkolben mit mindestend 30W
  • Silberdraht ca. 0.6mm oder lackisolierter Kupferdraht ca. 0.3mm
  • Lochrasterleiterkarte in nötiger Größe
  • elektronische Bauteile nach Stückliste
  • Pinzette aus Metal
  • Das folgende Bld zeigt einen Teil des benötigten Werkzeugs.

  • scissors and sharp knife, e.g. snap-off knife
  • (steel-)ruler
  • cutting mat
  • permanent marker
  • all-purpose glue
  • rigid needle or pinboard pin
  • side cutter
  • component bending-jig
  • solder tin
  • solder iron with at least 30W
  • silver wire 0.6mm or insulated copper wire 0.3mm
  • perfboard with required dimensions
  • electronic components according to bill of material (BOM)
  • tweezers (metal-type)



  • Zum Seitenanfang

    Prototypen-Schaltung bauen - Building the Prototype

    Aus den im im vorigen Kapitel erstellen Unterlagen oder den bereits vorhanden Unterlagen druckst du dir den Bestückungsdruck/ die Bestückungslage im Maßstab 1:1 aus. Die Bauteile sollten dabei alle mit ihren Beinchen auf einem 2.54mm-Raster liegen.

    Druck dir dazu noch die Kupferlage/ die Lötseite aus. Den Ausdruck musst du ggf. spiegelbildlich reproduzierten um die tatsächliche Ansicht zu erhalten, so wie du sie beim Blick auf die Lötseite der Leiterkarte in echt hast. Die folgende Abbildung zeigt beide Ausdrucke. Die spiegelbildliche Darstellung der Kupferlage rechts ist am dreipoligen Stecker SV1 zu erkennen.

    Print out the component layer to scale (1:1) as was described in the pervious chapter or from existing data source. Component contacts are oriented to a grid with 2.54mm pitch.

    Also print the copper side - this is also called the soldering side. If you print the copper side mirror-inverted you will get the real-life view of your board. The following picture shows both prints as an example. The mirror-inverted image of the copper side can easily be identified by the three-pin connector SV1 on the right hand side.




    Danach schneiden wir den Bestückungsdruck mit einer Schere aus.

    Cut out the component placement printout with the scissors.



    Auf einem Stück Lochrasterleiterkarten werden die Abmessungen der Schaltung markiert.

    Mark the dimensions of the layout on a piece of perfboard.



    Entlang einem festen Lineal wird mit einem scharfen Messer über einer Lochreihe die Leiterkarte angeritzt.
    Achtung! Verletzungsgefahr! Nutze Schutzausrüstung oder verwende alternativ eine Holzsäge (PUK) und die Leiterkarte auf passende Größe zu schneiden.

    By using the knife score the board along the edge of a rigid ruler - cutting the board on the center of the drills will make life easy.
    Attention! Risk of injury! Use protective gear for your hands or alternatively use a small saw to cut the board to size.






    Über einer Kante kann dann die Leiterkarte sehr leicht gebrochen werden.

    The board breaks well when bent over a sharp corner.



    Nun kleben wir mit einem Allzweckkleber den Bestückungsdruck auf die Leiterkarte auf und zwar auf der der Kupferseite gegenüberliegenden Seite. Dabei ist auf exakte Positionierung zu achten.

    Now glue the component placement onto the board: mind to NOT put it on the copper side. Watch the precise positioning right above the holes in the perfboard.



    Um die Positionierung zu erleichtern kann auf gegenüberliegenden Ecken des Bestückungsdruck jeweils eine kleine Ecke - wie in der folgenden Abbildung zu sehen - abgeschnitten werden. Dann muss jeweils in der Mitte der Linie eine Bohrung der Leiterkarte sichtbar sein.

    To help position the placement printout cut off small triangels on opposing edges - as can be seen in the next picture. The printout is correctly placed when a drill is lying below the center of the cutline.



    Wenn der Kleber getrocknet ist wird mit einer Nadel jeweils an den Stellen, wo die elektronischen Bauteile platziert werden das Papier vom Bestückungsdruck perforiert.

    When the glue has dried punch holes into the paper on locations where component leads have to be placed.



    Die Prüfung im Gegenlicht zeigt, ob alle Stellen getroffen wurden - hier fehlen zwei.

    With backlighting check if all holes were done - the example has two missing.



    Danach geht es an die Bauteilvorbereitung und Bestückung. Üblicherweise wird mit Drahtbrücken gestartet, es folgen dann Widerstände, ICs, Kondensatoren, Transistoren etc. und schließlich Steckerleisten und Schraubklemmen sowie andere elektro-mechanische Komponenten. Axiale Bauteile wie z.B. Widerstände lassen sich am bequemsten auf einer Biegellehre richten.

    Now, it's for component preparation. Usually, we start with the lowest hight parts, i.e. jumpers. Followed by resistors, ICs, capacitors, transistors etc. and finally connectors and pin headers and other big electro-mechanical parts. Many axial parts like resistors are easily prepared by using a bending jig.









    Es ist ratsam, die Bauteilreihenfolge wie oben beschrieben einzuhalten, da auf diese Weise Bauteile schön flach und ohne viel gewackel verlötet werden können. Auch werden nicht alle Bauteilkategorien auf einmal verarbeitet - das wirst du selber merken. Im Bild ist auch schon zu erkennen, dass einige Beinchen komplett, andere hingegen nicht abgebogen wurden. Hier verkürze ich schon einen weiteren Arbeitschritt, der sich aus dem Leiterbahnbild ergibt - dem Verbinden der einzelnen Bauteile untereinander.

    I highly recommend to stick to the placement sequence as mentioned above as components will neatly snuggle to board level and be soldered conveniently. Placing all parts at the same time will not work out - you will see. From the picture you might also be able to see, that some of the component leads have been bent completely ond others not. This method helps to simplify one the future soldering steps which originates fromt the circuit layout - i.e. setting up the interconnections between the parts.



    Im folgenden Bild ist die Vorwegnahme der Verbindungserstellung schon besser zu erahnen, nachdem überflüssige Bauteilbeinchen mit einem Seitenschneider abgetrennt wurden.

    The following picture shows how the realisation of the interconnections can be achieved by using the component leads. Excessive leads are cut with a side cutter.



    Die Leiterkarte ist fertig bestückt.

    The board is completed with all components.



    Sichtkontrolle der elektrischen Verbindungen ist unumgänglich. Selbst bei dieser "kleinen" Schaltung fehlen an zwei Stellen Lötverbindungen.

    Do a visual inspection. It is essential. Even with the simple example circuit two solder joints are missing.



    Zum Seitenanfang

    Tips für die Inbetriebnahme - Hints for Powering up

    Neben der Sichtkontrolle sind vor der Inbetriebnahme der Schaltung noch folgende Prüfschtitte dringend empfohlen - die mühevolle Arbeit soll ja nicht direkt in Rauch aufgehen (daher auch der Begriff "smoke test"). Auch wenn es aufwänding und zeitraubend scheint sind es diese Arbeitsschritte doch mehr als wert durchgeführt zu werden - raucht die Schaltung ab kostet es nicht die Zeit, die Schaltungs nochmals aufzubauen sondern ggf. auch die Wiederbeschaffung der Bauteile (insbesondere, wenn nur ein Satz Bauteile existiert).

    Zunächst werden mittels Multimeter per Widerstandsmessung benachbarte Beinchen auch Kurzschluss geprüft. Hier hilf ggf. der Schaltplan und das Layout, um die kritischen Netze zu identifizieren und den Prüfaufwand systematisch zu reduzieren.

    Danach werden die Spannungsversorgung(-en) und Masseanschlüsse auf Druchgängigkeit geprüft - Multimeter in kleinster Widerstandsmessung oder Durchgangsprüfer.

    Auch ist es sinnvoll, die Eingangsimpedanz jeweils zwischen den Versorgungsspannungen und Masse zu plausibilisieren. Durch Anwendungs des Ohmschen Gesetz läßt sich ggf. abschätzen, ob die Stromaufnahme bei gegebener Spannung im erwarteten Rahmen liegt. Bei Digitalschaltungen ist der Widerstandswert nur bedingt aussagekräftig, da sich ddie Stromaufnahme dynamische ändern kann - und somit die Widerstandmessung nur ein Indiz auf einen Kurzschluss sein kann.

    Zum Schluss sollten Dioden, Transistoren, Elektrolytkondensatoren(!) und ICs nochmals auf korrekte Orientierung hin überprüft werden. Bei ICs ist es im Zweifel ratsam, nochmals das Datenblatt einzusehen, um den Pin 1 korrekt zu identifizieren.

    Ist bis hier hin alles fehlerfrei verlaufen heißt es: Spannung drauf - smoke test. Wenn möglich wird dafür eine Spannungsquelle verwendet, bei der eine Strombegrenzung eingestellt werden kann. Damit kann zumindest Feuer vermieden werden - mit etwas Glück auch eine Schaltungszerstörung.

    English translation yet missing.

    Zum Seitenanfang