Elektronik-Aufbau

Mein Ziel ist nicht der Aufbau eines Power-Verstärkers oder eine Hochfrequenz-Sendeanlage, keine Starkstrom-Schaltung und auch kein anderer Fertigbaukasten. Ich möchte komplexe Schaltungen mit hochintegrierten Mikrocontrollern als Einzelstücke aufbauen, die letztlich zusammen mit der nötigen Mechanik einen autonomen Roboter ergeben. In diese Richtung geht darum auch das hier gezeigte Verfahren. Andere Ziele erfordern andere Verfahren.

Bitte beachtet: Ich bin kein Profi und habe mir alles auch nur durch leidvolle Erfahrung angeeignet. Es ist also kein professioneller Rat, sondern eher ein Erfahrungsbericht. Über Profi-Hinweise würde ich mich natürlich auch sehr freuen.

Das Hirn und die Sinne eines Roboters sind die Elektronik. Wenn man mit Elektronik noch keine Erfahrung hat, dann stellt sich als erstes die Frage, wie man denn eine elektronische Schaltung überhaupt mechanisch aufbaut. Genau dies will ich hier kurz beschreiben, denn im Web habe ich kaum etwas darüber gefunden.

Die notwendigen Materialien und Werkzeuge entnehme ich dem Katalog der Firma Conrad. Hier gibt es die größte Auswahl, aber Conrad ist nicht billig (Reichelt ist fast immer billiger, wenn er es hat). Nein, ich bekomme leider keine Prozente ;-). Die Preise sind aus dem Katalog von 2002. Du kannst natürlich auch woanders kaufen, wie z.B. bei Reichelt-Elektronik. Dort findet man auch wieder das Eine oder Andere, was es bei Conrad nicht gibt.

Wer Informationen über Elektronik im allgemeinen sucht, wird im Elektronik-Kurs, bei E-Online oder auch bei Hobby-Elektronik fündig.

Hilfs-Programme

Um eine elektronische Schaltung zu beschreiben, ist eine Zeichnung oft hilfreich. Eine preisgünstige Lösung ist das Programm sPlan von Abacom für nur € 35,28.

Zur Beschreibung des Aufbaus der Schaltung auf der Platine ist das Programm Lochmaster von Abacom geeignet. Es kostet auch nur € 35,28. Bei komplizierten Schaltungen sieht man hier aber auch nur noch ein Leitungs-Chaos - es hat dann nur noch für die Anordnung der Bauteile Sinn.

Geräte

Die jeweils nötigen Werkzeuge beschreibe ich unten. Es gibt aber ein paar Geräte, die man immer braucht.

Erst einmal muss es ein Multimeter zur Messung von Widerständen, Strom und Spannung sein. Es gibt sie in allen Preislagen. Das VCC 222 ist nur ein Vorschlag für ein preiswertes gut ausgestattetes Gerät aus der unermesslichen Vielfalt. Sehr hilfreich beim mechanischen Aufbau einer Schaltung ist ein akustischer Durchgangs- prüfer, den man sich aber auch selbst bauen kann.

Wenn man ernsthaft Elektronik betreib, braucht man auch ein Oszilloskop - für unsere Anwendung am Besten eines mit zwei Kanälen. Die Bandbreite braucht für Digitale Elektronik nicht allzu hoch zu sein, eigentlich würden schon 5 MHz reichen. Man kann billige gebrauchte Geräte z.B. bei Ebay ersteigern. Vielleicht hast du aber auch an der Schule oder irgendwo anders einen Zugang zu so einem teuren Gerät. Wer das Geld hat kann sich auch ein neues kaufen. Eine Simpel-kostenlos-Version ist ein Freeware-Software- Oszilloskop mit maximal 20 KHz, aber das halte ich für Unsinn.

Was noch fehlt, ist ein Netzgerät, am besten mit 5 V stabilisiert. Hier stoßen wir aber auf unüberwindliche Probleme - so etwas wird schlicht nicht angeboten. Wenn unser Entwicklungssystem keine eigene Stromversorgung mitbringt, ist dies die erste Gelegenheit sich als Elektronik-Bastler zu betätigen. Meine billige, einfache, ungefährliche Lösung: Ein Steckernetzteil mit 9V, den kleinen Stecker abschneiden und einen Festspannungsregler 7805 dahinter schalten. Absolute Vorsicht bei Bausätzen für 5V-Netzteile: Hier liegen lebensgefährliche 220V Wechselstrom offen zu Tage!

Bauteile

Klar, teure Integrierte Schaltungen (ICs) sollte man kaufen, wenn man sie braucht. Aber zum Experimentieren ist es gut, wenn man eine Sammlung der am häufigsten benötigten Bauteile hat. Dazu gehören je ein Sortiment Widerstände, Elkos (Elektrolyt-Kondensatoren) und Keramik-Kondensatoren, Standard-Dioden, Transistoren, Schalter. Für Widerstände und Elkos gibt es als Alternative auch ein Conrad-Bauteile-Sortiment. Manches kann man auch billig bei einer Auktion z.B. bei Ebay erwerben - vorsicht, die ganz billigen Sachen sind oft teilweise defekte aus Schaltunge ausgelötete Teile!

Dringend benötigst du Stützkondensatoren oder Abblockkondensatoren. Das sind Keramik-Kondensatoren mit 100 nF, die an jedem IC zwischen Masse und Versorgungsspannung geschaltet werden, um Leistungsspitzen abzufangen.

Da wir uns mit Robotik beschäftigen wollen, brauchen wir auch Sensoren und Aktoren. Deshalb führe ich auch einige Sensoren, Leuchtdioden, Relais und Motoren auf. Natürlich sind die vorgeschlagenen Teile nicht für ein bestimmtes Vorhaben, sondern nur für Experimente gedacht.

Bei allen vorgeschlagenen Bauteilen habe ich auch versucht preisgünstige brauchbare Teile auszusuchen.

Beim Kauf sollte man darauf achten, dass z.B. Stecker und Buchsen für ein Raster von 2,54 mm ausgelegt sind, denn das brauchen wir für den unten verwendeten Versuchsaufbau und die Streifenraster-Platinen.

Was uns am Ende dann fehlt, ist eine Möglichkeit zur Aufbewahrung. Ich bevorzuge die transparenten grossen Sortimentskästen - man sieht, was drin ist. Es gibt sie mit zwei verschieden grossen Fächern.

Versuchsaufbau

Erst einmal sollte man seine Schaltung garnicht aufbauen. Denn was ist, wenn nach vieler Mühe die Schaltung nicht funktioniert? Also erst einmal experimentieren. Das geht mit einem "Breadboard" (Brotbrett), wie es auf englisch respektlos heisst. Hier kann man Bauteile und Drähte einfach einstecken und so die Schaltung life ausprobieren. Jeweils fünf Löcher einer Zeile sind elektrisch miteinander verbunden. Man kann beliebige Bauteile bis zu großen ICs einfach einstecken. Ich nehme ein kleines Board mit Stromanschluss - dass ist robust und reicht für den kleinen Hobby-Elektroniker. Für die Drähte mache ich es mir leicht und nehme Vorgefertigte - sie selber herzustellen ist natürlich billiger.

Platinen-Entwicklung (einfach)

Der Kaiser-Weg ist natürlich die super-duper geätzte Platine. Aber dies ist auch der schwierigste Weg. Kein Profi, der bei Sinnen ist, kommt für ein Einzelstück auf die Idee, diesen Aufwand zu betreiben. Die Technik mit Belichtung und Entwickelung, mit Ätzbädern und Bohrungen bietet auch viele Fallstricke für den Anfänger.

Es gibt verschiedene Wege, aber ich bevorzuge die Streifenraster-Platine mit 2,54 mm Streifenabstand für einfache Schaltungen mit 1-2 kleinen ICs und einigen diskreten Bauelementen (Widerstände, Transistoren etc.). Geschickt genutzt, muss man mit ihr die wenigsten Drähte ziehen und so am wenigsten löten. Es gibt sie in verschiedenen Größen und man kann sie sich bei Bedarf natürlich auch zusägen. Zur Untebrechung der Leiterbahnen braucht man noch ein Werkzeug, einen Leiterbahn-Unterbrecher. Das Werkzeug ist etwas tückisch - bei seiner Verwendung sollte man peinlich darauf achten, dass wirklich nicht die kleinste Verbindung übrig bleibt.

Für die Verdrahtung sollte man nicht die obigen Luxus-Drähte verwenden, sondern Litze in Ringen. Als Werkzeug braucht man einen Seitenschneider und eine Abisolier-Zange. Manchmal leistet auch eine Pinzette und eine Spitzzange gute Dienste. Mehrere verschiedene Farben sind auch eine gute Sache, denn sie erhöhen die Übersichtlichkeit im Kabel-Gewirr. Bei der Verarbeitung isoliert man 1-2 mm ab, verzinnt mit dem Lötkolben die blanken Drähte und den Pin. Dann kann man mit einem kurzen anschmelzen mit dem Lötkolben beides verbinden.

Und natürlich benötigen wir jetzt auch einen guten Lötkolben nebst etwas Lötzinn. Das Löten solltest du dir von einem erfahreneren Bastler beibringen lassen, denn dabei kann man auch einiges falsch machen. Aber keine Panik: soooo schwierig ist es auch wieder nicht.

So, jetzt hast du eine gut ausgestattete kleine Elektronik-Werkstatt und kannst mit deinen Experimenten beginnen.

Platinen-Entwicklung (kompliziert)

Für komplizierte Schaltungen mit vielpoligen ICs wird es mit Streifenrastern und Schaltlitze schwierig. Bei mir hat sich der Verdrahtungsstift von Conrad gut bewährt - das System wird vom Patent-Halter VeroWire genannt. Es besteht aus einem Kunststoff-Stift mit Drahtrolle. Der Draht ist ein Lack-isolierter Kupferdraht. Leider ist der Plastik-Stift unverschämt teuer - aber ich habe nichts anderes gefunden.

Eine Anleitung zum VeroWire-Stift auf Englisch gibt es auch bei Conrad. Sie verrät aber auch nicht alle Kniffe. Außerdem werden dort kleine Plastik-Kämme zur Führung der Drähte angepriesen, die ich für nicht sinnvoll halte, denn durch die parallele Führung der Drähte tritt die Gefahr der gegenseitigen Signal-Beinflussung verstärkt in Erscheinung. Aus der Wire-Wrap-Technik, die ähnlich ist, weiss ich noch, dass gerade die chaotische Überkreuzung eher positiv ist, da sich die Drähte nur wenig berühren. Außerdem sind die Plastik-Kämmchen auch wieder ziemlich teuer.

Das Vorgehen kurz erklärt: Zuerst die Stromversorgungs-Litze verbinden. Dabei genügend Abstand zu anderen Pins einhalten - keine benötigten Lötaugen kreuzen. Den Verdrahtungsstift nehmen und ein kurzes Stück Draht mit dem Knopf am Stift herausschieben und festhalten. Das Drahtstückchen an einem Ende zu einem der Bauteil-Beinchen ins Loch stecken, zwei Windungen um das Beinchen, zum Zielbeinchen ziehen, dort wieder zwei Windungen, wenn nötig auch noch zu einem dritten Beinchen ziehen und dies auch zweimal umwickeln. Jetzt schneidet man den Draht ganz dicht am Beinchen mit einem "Spezial-Messer" ab. Danach den Lötkolben an das Beinchen halten, einen Tropfen Lötzinn anschmelzen und warten bis der Lötzinn sich von selbst auf dem Beinchen absetzt - das kann ein paar Sekunden dauern, weil die Isolierung des Drahtes schmelzen muss - vorher stösst er den Lötzinn ab. Manchmal hilft es mit dem Lötkolben etwas um den Pin über den Draht zu wandern.

Bei der ganzen Verdrahtung muss man darauf achten, dass man den Draht nie direkt an einem noch zu lötenden Beinchen vorbei führt. Man arbeitet gewissermaßen vom Inneren der Platine nach außen. Wo sich dies nicht vermeiden lässt, kann man den Verbindungsdraht etwas länger als nötig ziehen, um ihn später beiseite schieben zu können.

Die Verwendung von Sockeln für die ICs ist hier sehr ratsam, da man die Hitze eine Weile einwirken lassen muss, denn der Draht schmilzt ja erst bei ca. 400 Grad. Billige Sockel mit kantiken Beinen sind hier häufig einfacher zu verwenden als teure mit runden Beinchen, an denen der Draht sich nicht festhängt.

Als Platinen verwende ich Punktraster-Platinen, denn Lochstreifen nutzt man bei dieser Technik nicht aus, aber die Lötaugen geben dem Ganzen etwas mechanischen Halt.

Das wichtigste Zubehör lässt sich nicht kaufen: Man benötigt reichlich Überlegung, viel Geduld mit sich und dem Material, viel Übung, ein gutes Auge und eine ruhige Hand. Der Lohn ist dann, dass du dein eigenes elektronisches "Baby" in der Hand hältst, das dich freundlich anblinkt, schreit und zappelt.

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