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Grundlagen der Elektronikentwicklung einfach erklärt: vom Schaltplan bis zur Leiterplatte | Praxiswissen

Auch wenn ich in diesem Artikel Elektronik, Mechanik und Software getrennt habe, so arbeiten diese Bereiche während einer Entwicklung zusammen. Es bringt die tollste Leiterplatte nichts, wenn sie nicht ins Gehäuse passt und auch die schönste Software ist unbrauchbar, wenn diese für den falschen Microcontroller geschrieben wurde. Im Groben gliedert sich die Arbeit in 2 große Punkte: Schaltplan/Stromlaufplan und Leiterplattenlayout.

Da ich selbstverständlich hier keine Daten von meinem Arbeitgeber veröffentlichen kann, habe ich für das Beispiel auf den iMX6 Rex ( https://www.imx6rex.com/ ) von Robert Feranec (FEDEVEL Academy) zurückgreifen dürfen. Das Projekt wurde netterweise inklusive der Daten für das Programm Circuitmaker als Open Source veröffentlicht und man hat mir die Erlaubnis gegeben, die Daten für Artikel zu verwenden. Die Daten werden derzeit auch für Kurse an der Fedevel Academy verwendet. Vielen Dank hierfür!

Der Schaltplan

Ein Schaltplan enthält ein Schaltbild das normalerweise sämtliche elektrische Verbindungen darstellt. Dafür sind normalerweise je nach Projektgröße einige Seiten notwendig. Die einzelnen Bauteile in den Schaltplänen sind mit vereinfachten Symbolen dargestellt. Natürlich gibt es auch hier unterschiedliche Darstellungsweisen: Die im englischsprachigen Raum häufig verwendete IEC 60617 und die im deutschen Raum gängige EN-60617. Hier eine kleine Auswahl (Oben das in Deutschland übliche Symbol, unten das im englischsprachigen Raum übliche; die Farben sind frei gewählt):

Abbildung 2: Symbolbeispiele von einem Schaltplan

Bauteile mit vielen Anschlüssen werden häufig nur als Rechteck dargestellt und dabei dann die Anschlüsse entsprechend benannt.

Abbildung 3: Symbolbeispiel eines ICs in einem Schaltplan

 

Die Anschlüsse der Bauteile werden mit Linien verbunden, welche die elektrischen Verbindungen darstellen. Das sieht dann beispielsweise wie folgt aus:

Abbildung 4: Beispiel für die elektrischen Verbindungen in einem Schaltplan

Zusätzlich kommen auch noch weitere Informationen in den Schaltplan. Wie z.B. wie viel Strom über die jeweilige Leitungen maximal fließt, welche Leitungen ein differentielles Paar sind usw.

Recherche

Der Erstellung des Schaltplans geht natürlich eine gewisse Recherche voraus. Das heißt nichts anderes als: Distributoren abklappern und Datenblätter wälzen, bis man die Komponenten gefunden hat, die für die Umsetzung des Lastenheftes geeignet sind. In den Datenblättern findet man nicht nur simple technische Daten in tabellarischer Form. Bei vielen Bauteilen findet man da auch Kennlinien und Beispielschaltungen. Letztere werden natürlich gerne adaptiert. Speziell bei Mikrocontrollern kann so ein Datenblatt durchaus mal eine 4-stelligen Seitenzahl haben, was die Recherche natürlich etwas erschwert. Der beste Freund des Entwicklers ist hier die Suchfunktion der PDF-Readers.

Auch hier ist bereits eine Zusammenarbeit mit den anderen Bereichen (Software und Mechanik) wichtig. Mann kann ja die tollsten Bauteile aussuchen. Nur wenn diese dann zu groß sind oder der Aufwand diese softwareseitig einzubinden zu groß ist, hilft das auch nichts. Auch eine eventuelle Kühlung etc. muss hier bereits angesprochen werden.

Umsetzung

Es folgt die eigentliche Umsetzung der Schaltung. Ein Taschenrechner zur Berechnung der benötigten Bauteilwerte, strukturiertes Arbeiten und eine gute Portion Überblick sind hier schon eher die Mindestanforderungen. Je nach Umfang des Projektes kann so ein Schaltplan durchaus mal 20 Seiten haben. Hier muss man sich überlegen, wie man das einigermaßen Übersichtlich gestaltet. Oft werden nur einzelne Funktionen auf eine Schaltplanseite gepackt und dann eine Übersichtsseite erstellt.

Hier ein Beispiel, wie eine normale Schaltplanseite am Ende aussehen kann:

Abbildung 5: Beispielschaltplan (Seite 4 beim IMX6Rex)

Die Verbindungen zwischen den Seiten werden mit gleich benannten Leitungen hergestellt.