Martin's Bastelstube: Aufbau der Nachbrenner
Voraussetzungen:
Ich gehe mal davon aus, dass die Besucher dieser Seite schon die Grundlagen und das Funktionsprinzip des Nachbrenners
auf der Nachbrenner-Seite durchgelesen und verstanden haben.
Falls nicht: Bitte sofort nachholen, wir brauchen das Wissen jetzt.
Rechtlicher Hinweis:
Wenn ihr selbst einen elektronischen Bausatz (oder eine selbst ausgedachte Schaltung) aufbaut,
seid ihr damit – rechtlich gesehen – Hersteller eines Elektrogeräts.
Damit seid ihr verantwortlich für die korrekte Funktion der Schaltung.
Wenn ihr eine selbst hergestellte Schaltung weitergebt, müsst ihr immer euren Namen
und eure Adresse beilegen, damit der spätere Eigentümer euch als Hersteller der Schaltung
erreichen kann.
Vokabeln:
Bevor wir richtig anfangen, sollte ich noch ein paar Begriffe (er)klären.
- Platine / Leiterkarte / gedruckte Schaltung / Board: Das ist der "Träger"
unserer elektronischen Schaltung. Hier werden alle elektronischen Bauelemente am richtigen
Platz mechanisch festgehalten und elektrisch verbunden.
Die Platine ist mit einer dünnen Schicht aus Kupfer (typische Schichtdicke: 35 μm)
versehen, durch die der Strom von einem Bauteil zum anderen fließen kann.
- Lötauge / Pad: Bohrloch in der Platine mit einem leitenden Ring darum. Hier wird
das Bauteil festgelötet.
- Leiterbahn: Leitende Verbindung von einem Lötauge zum anderen.
- Durchkontaktierung / Via: Leitende Verbindung an der Innenseite von Bohrlöchern
und Lötaugen. Verbindet Lötseite und Bestückungsseite.
- Bestückungsseite: Die Seite der Platine, auf der die elektronischen Bauteile
bestückt werden, also die Oberseite.
- Lötseite: Die Seite der Platine, auf der die elektronischen Bauteile
angelötet werden, also die Unterseite.
Vorbereitung, Teil 1:
Bevor wir mit dem Aufbau anfangen, muss das ganze nötige Material und Werkzeug griffbereit vorhanden sein.
Also bitte noch einmal nach der Stückliste prüfen, ob alles am Tisch liegt:
- Platine
- Stecker
- Sicherung
- Optokoppler
- Transistoren
- IC-Fassungen
- Widerstände
- ggf. etwas Silberdraht 0,8 oder 1 mm
- Kühlblech
Für Version 3 braucht man außerdem noch:
- Kondensatoren
- Dioden
- Logik-Chip
Abhängig davon, wie ihr den Nachbrenner später in eurem Roboter betreiben wollt,
ergeben sich verschiedene Varianten in der Bestückung der Platinen. Damit ändert
sich auch die Liste der benötigten Bauteile.
Nachbrenner Version 1:
Nachbrenner Version 2:
Nachbrenner Version 3:
Die Kapazität der Kondensatoren C5 und C6 ist für die PWM-Frequenz von
Bobby-Board (100 Hz) und RCX (125 Hz) berechnet. Bei stark abweichenden PWM-Frequenzen
eures Roboter-Controllers müssen die Werte angepasst werden.
–> Bestückungsplan Version 3
Vorbereitung, Teil 2:
Bevor wir mit dem Löten anfangen, sollten wir unbedingt noch einmal prüfen,
ob die Stecker, die wir uns für den Nachbrenner ausgesucht haben, auch wirklich
in die Bohrlöcher der Platine passen. Falls noch nachgebohrt werden muss, ist
das nämlich wesentlich einfacher bei einer leeren Platine.
Die Platinen soll man nur mit einem richtig scharfen Bohrer bohren.
Niemals versuchen, einen stumpfen Bohrer mit Kraft durch das Bohrloch zu drücken!
Damit bekommt ihr an der Unterseite einen hässlichen Kegel, der später beim
Löten stört. In schlimmeren Fällen reißt ihr auf diese Art
das ganze Lötauge weg.
Bei durchkontaktierten Bohrungen verliert ihr durch das Aufbohren die elektrische
Verbindung von der oberen zur unteren Seite der Platine. Also aufpassen, ob das
entsprechende Bohrloch eine elektrische Funktion für die gesamte Schaltung hat!
Ich habe bei den Nachbrenner-Platinen dafür gesorgt, dass die kritischen Stellen
(Stecker / Sicherung) grundsätzlich nur von der Lötseite aus angeschlossen sind.
Bestückung:
Als grobe Fausregel für die Bestückung gilt: Immer mit den niedrigen
Bauelementen anfangen und dann schrittweise mit den nächsthöheren Bauelementen
fortfahren. In den meisten Fällen ergibt das also die Reihenfolge:
- Drahtbrücken
- Dioden und Widerstände (je nach Durchmesser)
- IC-Fassungen (natürlich leer einlöten!)
- Stecker und Sicherungshalter
- Transistoren
- PolySwitch-Sicherung
Manchmal sind kleine Bauteile oder Lötbrücken unter anderen Bauteilen (z.B. IC-Fassungen)
verborgen. In diesen Fällen ist es wirklich wichtig, dass ihr die unteren Bauteile zuerst
bestückt! Also macht euch bitte vor dem Bestücken mit der Schaltung vertraut.
Einige Bauteile haben eine vorgegebene Richtung (zum Beispiel Dioden, ICs, Transistoren,
Kondensatoren). Ihr müsst unbedingt aufpassen, dass sie richtig herum eingelötet werden!
Falls nicht, könnt ihr damit das Bauteil oder die gesamte Schaltung zerstören.
Der Bestückungsdruck auf der Platinen-Oberseite zeigt die Richtung an. Wenn ihr die
Platinen ohne Bestückungsdruck bekommen oder selbst gemacht habt, müsst ihr die
Einbaurichtung der Bauteile aus meinen Platinenbildern entnehmen.
Selbst IC-Fassungen haben eine Markierung für Pin 1, deshalb sollen auch sie richtig herum
eingelötet werden.
Die Bauteil-Beinchen werden, wenn nötig, im richtigen Abstand (passend zu den
Bohrlöchern in der Platine) rechtwinklig abgebogen und in die Bohrlöcher gesteckt.
Dann wird die Platine umgedreht und das Bauteil zuerst nur an einem Punkt (IC-Fassungen und
längere Steckerleisten an zwei gegenüber liegenden Ecken) angelötet.
Jetzt schauen wir uns noch einmal auf der Bestückungsseite an, ob das Bauteil genau
dort liegt, wo es liegen soll (z.B. ob es ganz auf der Platine aufliegt) und korrigieren
eventuelle Fehler, indem wir den Lötpunkt kurz erhitzen und das Bauteil dabei in die
richtige Richtung drücken.
Wenn das Bauteil den richtigen Platz gefunden hat, löten wir alle Beinchen fest.
Die Transistoren T1..T4 / Q1..Q4 müssen exakt in einer Reihe und im richtigen Abstand
zueinander stehen, damit man später das Kühlblech über alle 4 Transistoren
montieren kann. Deshalb sollten sie auch während des Einlötens mit dem Kühlblech
(oder mit einem Stück Lochrasterplatine, in das man vier 3-mm-Löcher gebohrt hat
– siehe Bild)
zusammengehalten werden. Dabei sollten auch die Kunststoff-Isolierhülsen für die
Montage verwendet werden – auch wenn sie jetzt noch nicht in ihrer elektrischen Funktion
gebraucht werden. Aber sonst haben die Schrauben in der Kühlfahne des Transistorgehäuses
zuviel mechanisches Spiel und die Transistoren stehen nicht exakt im richtigen Abstand.
So soll die fertig vormontierte
Transistor-Reihe aussehen.
Ähnlich wie bei IC-Fassungen werden jetzt zuerst nur die beiden äußeren Beinchen der
Reihe angelötet und die ganze Reihe der Transistoren so lange ausgerichtet, bis sie alle genau
rechtwinklig und aufrecht stehen. Erst danach werden alle Transistorbeinchen vollständig
angelötet.
Die mittleren Beinchen der Transistoren sind mit der Kühlfahne verbunden. Dadurch verliert
die Lötstelle auch viel Hitze – beim Löten müsst ihr aufpassen, dass das
Zinn wirklich heiß genug wird und sich gut mit dem Transistorbeinchen verbindet.
Grundregeln für das Löten:
Die Lötspitze eures Lötkolbens soll immer frei von Zunder sein. Der bildet sich,
wenn Lötzinn lange erhitzt wird und das ganze Flussmittel verdampft ist. Also vor jedem
Lötvorgang die Lötspitze an einem feuchten Schwamm abwischen!
Ein gewöhnlicher Badeschwamm schmilzt dabei – dafür solltet ihr schon
einen speziellen Lötschwamm verwenden (ist bei einer vernünftigen Lötstation
eingebaut).
Die Lötspitze soll das Bauteil-Beinchen und das Lötauge berühren, um
zu beiden Seiten Wärme zu übertragen. Am Anfang soll nur wenig Zinn an der
Lötspitze sein – gerade genug, dass eine Wärme leitende Verbindung zum
Bauteil und zum Lötauge entsteht. Wenn man sieht, dass die Lötstelle warm genug
geworden ist (das Zinn fließt vom Lötkolben in die Lötstelle hinein),
gibt man noch etwas frisches Lötzinn hinzu und nimmt den Lötkolben wieder weg.
Das Lötzinn soll um das Bauteil-Beinchen herum einen gleichmäßigen Kegel
bilden. Überflüssiges Zinn muss wieder von der Lötstelle abgenommen werden.
Damit die Bauteile nicht durch zuviel Hitze beschädigt werden, soll der gesamte
Lötvorgang nicht länger als 5 Sekunden an einer
Lötstelle dauern.
Falls ihr in dieser Zeit nicht fertig werdet, solltet ihr das Löten an dieser
Lötstelle besser unterbrechen, dem Bauteil etwas Zeit zum Abkühlen geben und danach
mit frischem Lötzinn und sauberer Lötspitze fortfahren.
Wenn die Lötstelle abgekühlt ist, kann man das überstehende Ende des
Bauteil-Beinchens mit einem Seitenschneider abtrennen. Dabei soll der Zinnkegel nicht
angeschnitten werden! Als Anhaltspunkt für die richtige Länge kann man die
Beinchen einer IC-Fassung nehmen.
Kontrolle, Teil 1:
Nachdem alle Bauteile eingelötet sind, müssen wir noch einmal prüfen, ob sie
- am richtigen Platz
- in der richtigen Richtung
- unbeschädigt
eingebaut worden sind.
Dann sehen wir uns alle Lötstellen auf der Platine an, ob sie wirklich eine
zuverlässige elektrische Verbindung geben (lässt sich notfalls mit einem
Durchgangsprüfer feststellen) und ob es keine unbeabsichtigten Lötbrücken
zur benachbarten Lötstelle gegeben hat.
Überflüssiges Lötzinn und Lötbrücken müssen von den
Lötstellen abgenommen werden. Hierzu ist eine Entlöt-Saugpumpe
("Lötlutsche") hilfreich.
Falls ihr zum Zusammenhalten der Transistoren das Kühlblech "nur mal eben"
ohne Isolierung angeschraubt hattet, müsst ihr es vor der elektrischen Kontrolle
und – noch wichtiger – vor der Inbetriebnahme des Nachbrenners wieder
abschrauben!
Anschlusskabel:
Damit der Nachbrenner in Betrieb genommen werden kann, braucht ihr Anschlusskabel:
- vom Akku zum Nachbrenner (BATT-Eingang, X1)
- vom Nachbrenner (MOTOR-Ausgang, X2) zum Motor
- vom Bobby-Board zum Nachbrenner (INPUT-Eingang, X3 / X4)
Hier sind (als Beispiele, nicht als feste Vorgabe) ein paar Fotos von Anschlusskabeln,
die ich für meine Nachbrenner gelötet habe:
Alle Lötstellen in den Anschlusskabeln sollen mit Schrumpfschlauch "eingeschrumpft"
werden. Das ist erstens eine wirksame elektrische Isolierung gegen Kurzschlüsse und zweitens
ein Knickschutz, damit die Kabel nicht gleich neben der Lötstelle brechen.
Wenn ihr die Kabel in Schraubklemmen einsetzt, müsst ihr dafür sorgen, dass keine einzelnen
Kupferadern vor der Klemme frei herumliegen. Die können später (typischerweise mitten im
Wettkampf) zu Kurzschlüssen und einem Totalausfall des Roboters führen.
Am besten benutzt ihr isolierte Aderendhülsen – die schützen das Kabel vor
Beschädigung durch die Klemmschraube und halten die Kupferadern zusammen.
WICHTIG: Die Nachbrenner haben keinen Verpolungsschutz! Das heißt,
dass ihr beim Aufbau der Akku-Anschlusskabel genau aufpassen müsst, dass Plus- und Minuspol
des Akkus auf den richtigen Klemmen von X1 angeschlossen werden. Ich habe die Platine zur Sicherheit
auf beiden Seiten beschriftet, damit allen klar ist, wie herum der Akku angeschlossen werden soll.
Wenn ihr für X1 einen Stecker verwendet, soll er verpolungssicher sein (nicht verkehrt herum
eingesteckt werden können).
Beim Aufbau der Kabel (speziell des Akku-Anschlusskabels) solltet ihr für verschiedene Pole
verschiedene Farben verwenden. Meistens wird für den Pluspol rot,
für den Minuspol schwarz (oder blau) verwendet. Ihr vermeidet viele Fehler
(und Probleme in der Hektik des Wettkampfs), wenn ihr euch an diesen Standard haltet.
Tipp: Wer mag, kann in das Akku-Anschlusskabel auch gleich einen Hauptschalter einbauen, mit dem
sich die Versorgung der Nachbrenner im Wettkampf schnell unterbrechen lässt.
Kontrolle, Teil 2:
Nachdem die Kabel fertig sind, können wir zum zweiten Schritt der Kontrolle übergehen.
Alle Kabel werden mit einem Durchgangsprüfer durchgemessen, ob sie guten Kontakt geben und ob die
einzelnen Pole richtig gegeneinander isoliert sind.
Dann wird das Akku-Anschlusskabel ohne Nachbrenner am Akku angeschlossen. Wir prüfen mit
einem Voltmeter, ob die Anschlussklemmen richtig herum gepolt sind.
Wenn das der Fall ist, können wir das Kabel am Nachbrenner anschließen.
- Version 1 & 2: Jetzt muss die Akkuspannung zwischen R2 (+) und R4 (-) messbar sein
(jeweils an den Beinchen, die in Richtung X1 zeigen).
- Version 3: Jetzt muss die Akkuspannung zwischen der Anode von D4 (-) und der Kathode
von D8 (+) messbar sein. Am IC-Sockel muss zwischen Pin 7 (-) und Pin 14 (+) 5 Volt anliegen.
Wenn alles bis hierher funktioniert hat, trennen wir die Verbindung zum Akku wieder und setzen
die Optokoppler (Version 3: auch das IC) in die Fassungen ein. Dabei unbedingt darauf achten, dass
sie richtig herum eingesetzt werden (siehe Bestückungsdruck)!
Oft stehen die beiden Reihen der Optokoppler- oder IC-Beinchen etwas zu weit auseinander, und sie passen
nicht auf Anhieb in die Fassung. Um die Beinchen möglichst sanft und gleichmäßig
nach innen zu biegen, ist es am besten, die ganze Reihe der Beinchen flach auf die Tischplatte
zu legen und dann das IC-Gehäuse vorsichtig etwas hochzubiegen, bis die Beinchen genau
rechtwinklig abgewinkelt sind. Dieselbe Prozedur wiederholt man dann mit der anderen Reihe der
IC-Beinchen. Danach sollte sich das IC ohne große Kraft in die Fassung drücken lassen.
Inbetriebnahme:
Jetzt müssen wir noch ein Testprogramm auf unseren Controllerbaustein
(Bobby-Board / RCX / Tetrixx oder wie der auch immer heißt) laden, damit wir nachher
überhaupt die Funktion des Nachbrenners ausprobieren können.
Mit diesen Programmen habe ich die Funktion meiner eigenen Nachbrenner getestet:
Wir verbinden den Nachbrenner mit Motor / Akku / Controller und starten das Testprogramm.
Der Motor muss bei den betreffenden Tastendrücken (siehe Tabelle)
stop - vorwärts - stop - rückwärts - stop drehen.
Mit zwei weiteren Tasten kann man die Geschwindigkeit erhöhen und verringern.
Belegung der Tasten:
Controller |
Motor- Ausgang |
Motor- Richtung |
Geschwindigkeit |
- |
+ |
RCX |
OUT_A |
SENSOR_2 |
SENSOR_1 |
SENSOR_3 |
Bobby |
motor 0 motor 1 |
button 3 button 2 |
button 1 |
button 0 |
Montage des Kühlblechs:
Wenn der Motor längere Zeit viel Strom zieht, werden die Transistoren recht warm.
Damit sie nicht durch Überhitzung zerstört werden, muss man die entstehende
Wärme an die Umgebung abgeben. Das geht am besten, indem man einen Kühlkörper
am Transistorgehäuse anbringt (in unserem Fall reicht ein Stück Blech –
siehe Zeichnung).
Die Transistoren sind nicht umsonst am Rand in einer Reihe aufgebaut: In dieser Anordnung
kann man ein gemeinsames Kühlblech für alle vier Transistoren verwenden.
Aber Vorsicht! Die Kühlfahnen der Transistoren sind elektrisch mit der Schaltung
verbunden, und das Kühlblech darf keine elektrisch leitende Querverbindung
zwischen den Transistoren erzeugen!
Also legt man zwischen die Transistoren und das Kühlblech noch dünne
Glimmerplättchen. Sie isolieren elektrisch, leiten aber die Wärme
gut durch. Zur besseren Übertragung der Wärme vom Transistor zum Kühlblech
wird das Glimmerplättchen beidseitig dünn (!) mit Wärmeleitpaste
eingestrichen.
Sogar die Schrauben, mit denen die Transistoren am Kühlblech festgeschraubt
werden, dürfen keine elektrisch leitende Verbindung herstellen! Dazu gibt es
spezielle Isolierhülsen aus Plastik mit angespritztem Röhrchen.
Nach den Zusammenschrauben soll die herausquellende überschüssige
Wärmeleitpaste mit einem Papiertuch abgewischt werden.
Der Nachbrenner mit dem fertig montierten Kühlblech sieht dann
so aus.
Wer die Schmiererei mit der Wärmeleitpaste nicht mag: Es gibt Wärmeleitpads aus
Silikongummi, die werden "trocken" an Stelle der Glimmerplättchen zwischen
Transistorgehäuse und Kühlblech geschraubt (gibt's bloß leider nicht
in jedem Elektronik-Versand).
Wer diese elektrische Isoliererei allgemein nicht mag: Man kann auch die Transistoren 1 + 2
auf ein gemeinsames Kühlblech schrauben und die Transistoren 3 + 4 auf ein weiteres,
davon getrenntes Kühlblech (die Wärmeleitpaste wird hier aber trotzdem
gebraucht).
Damit dürfen aber auch im Betrieb des Roboters keine frei fliegenden Metallteile eine
leitende Verbindung zwischen den zwei kleinen Kühlblechen (oder zu anderen Teilen
eurer Roboter-Elektronik) herstellen – könnt ihr das unter Wettkampfbedingungen
garantieren?
Andere Alternative: Nehmt Transistoren in einem isolierten TO-220-Gehäuse
(das ist vollständig in Plastik gekapselt).
- Version 1: TIP122FP / TIP127FP
- Version 2: IRFI530 / IRFI9530
Diese isolierten Transistoren könnt ihr direkt auf das Kühlblech schrauben,
mit nur ein wenig Wärmeleitpaste dazwischen.
Solche Transistoren sind aber leider schwer zu bekommen.
Schluss:
Glückwunsch! Das war's. Jetzt ist euer Nachbrenner einsatzbereit.
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