Maker Kit Löten Lernen            

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Maker Kit Löten Lernen


Vorwort
Wir haben schon viel zusammen gelötet. Vieles hat funktioniert und einiges nicht. Aber so geht es jedem Maker: Man beginnt einfach etwas Kreatives und versucht das Beste zu erreichen. Als der Franzis-Verlag mit dem Vorschlag kam, ein Lernpaket zum Thema Löten zu machen, haben wir sofort an die Chancen einer Zusammenarbeit gedacht. Wir verstehen uns als echte Löter. Man kann das daran messen, wie viel Lötzinn man in seinem Leben schon verbraucht hat. Und Fabian hat immer wieder neue Ideen für Maker-Projekte mit dem Arduino, deshalb hat er die Platine zu diesem Lernpaket  entworfen.

Das Ergebnis ist eine Platine, die gleichzeitig für Lötübungen aller Art taugt und für ernsthafte Maker-Projekte eingesetzt werden kann. Der Formfaktor entspricht einem Arduino-Shield. Es wurden SMD-Power-FETs vorgesehen, die jeder an einem Arduino  als Leistungstreiber gebrauchen kann, zum Beispiel zur Steuerung von LED-Beleuchtungen. Außerdem Plätze für andere SMD-Bauteile und auch noch die Möglichkeit, Schraubklemmen einzulöten, damit die Verbindungen nach außen stimmen.

Und so hat sich eine Arbeitsteilung herausgebildet. Burkhard (der ältere) kümmert sich um die ersten Lötübungen, Probeschaltungen mit bedrahteten Bauteilen und alles rund das Thema Lötzinn und Lötkolben. Fabian (der jüngere) ist für den Platinen-Entwurf verantwortlich und legt fest, welche SMD-Schaltungen und welche Arduino-Anwendungen am Ende gebaut werden. Genau wegen dieser Arbeitsteilung war es uns auch wichtig, dass zwei Platinen im Lernpaket liegen. Die eine dient für Übungen und Probeaufbauten, die immer wieder geändert werden sollen. Und die andere wird das individuell einzigartige und ultimative Maker-Projekt, etwas, das so perfekt gelötet ist, dass es ewig hält.
Wir wünschen allzeit gutes Löten!

Fabian und Burkhard Kainka

Inhalt
. 1
. 31 Vorbereitungen
. 31.1 Lötkolben und Lötzinn
. 61.2 Bleifrei oder nicht
. 92 Der Einstieg
. 92.1 Lötspitze und Lötzinn
. 142.2 Kabel anlöten
. 182.3 Bauteile einlöten
. 223 Transistorschaltungen aufbauen
. 223.1 LED-Blinker
. 253.2 Änderungen
. 263.3 Entlöten
. 283.4 Schaltungen kompakter löten
. 313.5 Stehender Aufbau auf dem Punktraster
. 353.6 Platine säubern
. 373.7 Bestückung auf der Rückseite
. 404 SMD-Technik
. 404.1 Power-FETs
. 434.2 Lichtsensor mit SMD-FET
. 454.3 SMD-Spannungsregler
. 485 Praktische Anwendungen
. 485.1 Schraubklemmen
. 495.2 ICs im DIL-Gehäuse
. 505.3 Ein Arduino-Shield
. 545.4 Ein RGB-Leistungs-Shield
 

Auszüge aus dem Handbuch

3 Transistorschaltungen aufbauen
Experimentelle Schaltungen lassen sich ganz unterschiedlich aufbauen. Mit liegenden oder stehen Bauteilen, auf der Kupferseite oder von der Rückseite eingesetzt, ganz eng oder eher groß, das hängt von der Aufgabe und vom Übungsstand des Löters ab.

3.1 LED-Blinker
Das folgende Schaltbild zeigt einen einfachen elektronischen LED-Blinker. Zählt man die Verbindungspunkte zwischen den einzelnen Bauteilen ab, kommt auf sieben erforderliche Stützpunkte, die im Schaltbild gekennzeichnet sind Es reichen also gerade die breiten Kupferflächen im Abstand von 5 mm. Die Schaltung kann deshalb in der vereinfachten Aufbautechnik zusammengelötet werden, die man früher in Form von Lötösen verwendet hat.



Abb. 3.1 Ein einfacher LED-Blinker


Zuerst einmal sollte man sich einen groben Plan machen, wo welches Bauteil platziert werden kann. In diesem Fall erscheint es sinnvoll, dass der Pluspol ganz am Rand der Platine liegt. Von da aus liegen dann die LED, ein Widerstand und ein Transistor in einer Reihe bis zum Minuspol der Stromversorgung.  Jedes Bauteil wird erstmal an einer Seite provisorisch angelötet. Dazu verzinnt man die Kontaktfläche und drückt dann das vorher verzinnte Drahtende in das wieder aufgeschmolzene Lötzinn, wie es schon beim Kabel gemacht wurde. Der zweite Draht des Bauteils und beim Transistor auch der dritte Draht kann dann in die passende Position auf der benachbarten  Lötfläche gebogen werden. Dort wird er dann angelötet. So werden die Bauteile nacheinander eingebaut. An eine schon verwendete Lötstelle können nachträglich noch weitere Drähte angelötet werden. Die schon vorhandenen Drähte bleiben in ihrer Position, weil sie vom zweiten und dritten Anschluss mit festgehalten werden.
Der andere Transistor muss sich zwischen die Anschlüsse des ersten zwängen, sodass beide Transistoren zusammen vier Lötflächen belegen. Am Rand bleibt dann eine Lötfläche für die Verbindung zwischen dem Widerstand und dem Kondensator im Rückkoppelzweig der Schaltung. Die beiden Basiswiderstände werden am Schluss eingefügt.



Abb. 3.2 Die fertig aufgebaute Schaltung

Das fertige Ergebnis mag nicht perfekt aussehen, aber die Bauteile wurden zuverlässig verbunden. Bis zu vier Drähte kommen auf einer Lötstelle zusammen. Das bedeutet, dass dieselbe Lötstelle oft erwärmt werden musste. Dabei verdampft jedes Mal etwas Flussmittel. Damit am Ende trotzdem eine gute Lötstelle entsteht ist es meist nötig, noch einmal mit etwas frischem Lötzinn nachzulöten.
Zum Test kann man die Schaltung nun an eine Batterie legen. Alles zwischen 3 V und 9 V geht. Wenn alles gut gelaufen ist, sieht man ein schnelles Blinken der LED. Wenn es nicht funktioniert, muss man den Fehler suchen. Ist die LED richtig herum eingelötet? Der Kathodenanschluss hat eine kleine Abflachung am Kragen des Gehäuses und im Inneren sieht man den größeren Halter auf der Kathodenseite. Sind die Transistoren richtig eingebaut? Der Emitter ist der Anschluss rechts, wenn man auf die flache beschriftete Seite des Gehäuses sieht. Beide Emitter sind mit dem Minuspol der Batterie verbunden.

3.4 Schaltungen kompakter löten
Während die ersten Lötversuche auf breiten Lötflächen durchgeführt wurden, lötet man mit wachsender Erfahrung lieber etwas enger aufgebaute Schaltungen, denn dann reicht der Platz auch für komplexe Projekte. Dazu eignen sich die engeren Lötstreifen im Abstand 2,45 mm an den beiden Rändern der Platine. Für die ersten Versuche soll ein einfacher Berührungssensor mit zwei Transistoren in Darlingtonschaltung aufgebaut werden. Als Berührungsflächen dienen die breiten Lötstreifen. Eine Berührung mit dem Finger schaltet die LED ein.


 
Abb. 3.7 Die Darlingtonschaltung



Abb. 3.8 Kompakter Aufbau auf Lötstreifen

 
3.5 Stehender Aufbau auf dem Punktraster
Das mittlere Feld mit Lötpunkten im Abstand 2,54 mm (1/10 Inch) dient üblicherweise dazu, Bauteile von der Rückseite hindurchzustecken und auf der Kupferseite anzulöten.  Es geht jedoch auch anders herum. Man kann Bauteile von der Kupferseite in die Löcher stecken und anlöten. Man steckt die Bauteile dabei nur so tief in die  Löcher, dass die Platine noch flach auf dem Tisch liegen kann.
Diese Aufbautechnik hat Vorteile und Nachteile. Ein Nachteil ist, dass man bei engem Aufbau Lötstellen in der Mitte nur noch schwer erreichen kann. Ein Vorteil ist, dass man die Platine beim Bestücken nicht umdrehen muss und so leichter die Orientierung behält. Außerdem kann man bei dieser Technik die Bauteile mit langen Drähten anlöten und sie nachher wieder anders verwenden. Diese Aufbautechnik eignet sich daher besonders für experimentelle Aufbauten, an denen noch viel geändert werden soll.
Die folgende Schaltung realisiert einen Lichtsensor.  Die rote LED dient als Fotodiode. Weil der Fotostrom sehr klein ist, braucht man die zweifache Verstärkung einer Darlingtonschaltung. Wenn man die rote LED mit einer starken Lampe anstrahlt, bringt der verstärkte Fotostrom die grüne LED zum Leuchten.
 


Abb. 3.11 LED als Fotodiode

Für den Versuch sollen die langen seitlichen Kontaktstreifen als Plus- und Minus-Schiene der Stromversorgung verwendet werden. Die Schaltung verteilt sich sehr großzügig über die Breite der Platine und ist daher noch leicht zu überschauen.



Abb. 3.12 Der Lichtsensor in stehender Bauweise

Auch bei dieser Technik ist es möglich, mehr als einen Draht an einen Lötpunkt zu führen. Dazu baut man zuerst nur einen Transistor ein. Die weiteren Bauteile werden dann seitlich mit angelötet.
 


Abb. 3.13 Bis zu drei Drähte an einem Punkt

Noch weite Lötübungen in dem gleichen Stil können mit den schon vorgestellten Schaltungen ausprobiert werden. Je mehr man lötet, desto besser. Das richtige Gefühl für das optimale Löten kommt nach und nach.
 
3.7 Bestückung auf der Rückseite
Der übliche Einsatz einer Platine verwendet eine Bestückungsseite und eine Lötseite. Die meisten Platinen in Bausätzen sind so konzipiert. Man steckt die Bauteile durch die passenden Löcher, um sie dann auf der andern Seite anzulöten. Im Gegensatz zur SMD-Bestückung braucht man hier Bauteile mit Anschlussdrähten (engl. Through Hole). Meist werden die Bauteile eng an der Platine aufgelegt und mit möglichst kurzen Drähten eingebaut. Widerstände liegen meist direkt auf der Platine auf. Für erste Übungen kann man jedoch mehr Abstand lassen, um die Bauteile später wieder anders einzusetzen. Hier soll zunächst wieder der Lichtsensor aus dem letzten Versuch gebaut werden.



Abb. 3.17 Bauteile auf der Bestückungsseite


Auf der Rückseite bekommt nun jedes Drähtchen einen Lötpunkt. Die Bauteile sind damit noch nicht verbunden, aber schon fixiert.



Abb. 3.18 Separate Lötpunkte


Im nächsten Schritt werden benachbarte Lötpunkte miteinander verlötet um die eigentliche Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen. Eigentlich verhindert der Lötstopplack der Platine, dass man Lötzinn über den Rand eines Lötauges hinaus auftragen kann. Deshalb sind einzelne Lötungen immer sauber auf die Kupferfläche begrenzt. Wenn man jedoch reichlich Lötzinn verwendet, lässt sich eine Brücke zwischen zwei Lötaugen bauen.


Abb. 3.19 Verbindungen zwischen den Lötpunkten

Lötraster-Platinen sind nicht ganz einfach einzusetzen, dafür aber sehr flexibel. Man muss jeweils selbst entscheiden, wo genau die Bauteile platziert werden sollen. Und während bei sonstigen Platinen die Verbindungen bereits als Kupferbahnen vorhanden sind, muss man hier selbst dafür sorgen, entweder durch Lötbrücken oder durch Drähte. Das erfordert mehr Geschick als der Zusammenbau eines fertigen Platinen-Projekts.
Gerade bei der Entwicklung und beim experimentellen Aufbau eigener Schaltungs-Ideen haben Lochraster-Platinen große Vorteile. Änderungen sind jederzeit möglich, und man kann die gleiche Platine für ganz unterschiedliche Projekte verwenden. Das gilt auch für die Platine aus diesem Lernpaket, die ein Lochrasterfeld mit Leiterbahnen und anderen Kontaktflächen kombiniert. Auch gemischte Schaltungen mit SMD- und bedrahteten Bauteilen sind hier möglich.
 
4.2 Lichtsensor mit SMD-FET
Die folgende Schaltung zeigt einen sehr einfachen Lichtsensor. Die grüne LED arbeitet hier als Fotoelement und liefert bei Beleuchtung eine Spannung über 1,5 V, die ausreicht um das Gate des Transistors auszusteuern. Die rote LED leuchtet dann hell auf.



Abb. 4.6 Ein FET-Lichtsensor

Die grüne LED liefert als Fotoelement auch schon bei geringem Lichteinfall relativ viel Spannung. Man braucht daher absolute Dunkelheit um die rote LED auszuschalten. Will man die Helligkeitsschwelle etwas höher legen, empfiehlt es sich die beiden LEDs zu vertauschen. Die rote LED liefert etwas weniger Spannung, sodass dann die grüne LED erst bei großer Helligkeit zu leuchten beginnt. 
 


Abb. 4.7  Sensorschaltung in gemischter Technik

Der Aufbau demonstriert auch die Verbindung von SMD-Bauteilen mit bedrahteten Bauteilen. Der Vorwiderstand der roten LED ist ebenfalls ein SMD-Bauteil. Alle Verbindungen wurden mit dünnen Kupferdrähten erzeugt, wobei eine Ader der vorhandenen Litze verwendet wurde. Bei diesem Aufbau wurden die Versorgungsschienen am Rand des Lochrasterfeldes für den Plus- und den Minus-Anschluss als Verbindung zur Batterie eingesetzt.
 
 
5.3 Ein Arduino-Shield
Die Übungsplatine des Lernpakets kann als Arduino-Shield verwendet werden, da die Lötlöcher am Rand genau an das Arduino-Layout angepasst sind. Zunächst steckt man passende Stiftleisten in die Buchsenleisten des Arduino.



Abb. 5.4 Arduino Uno mit Stiftleisten

Dann setzt man die Platine auf die Stiftleisten. In aufgesetztem Zustand lötet man dann alle Stifte an. Nur auf diese Weise ist eine gerade Montage aller Stifte möglich. Die Buchsenleisten des Arduino sorgen für die korrekte Position.



Abb. 5.5 Die aufgesetzte Platine

 
Der Arduino hat einen Pinheader für die ISP-Schnittstlle, der verhindert, dass man die ganze Reihe mit Schraubklemmen bestücken kann. Aber eine zweipolige und eine dreipolige Klemme können von unten eingebaut werden. Der Aufbau ist damit besonders kompakt. Allerdings muss man das Shield abnehmen, um Drähte anschrauben zu können.
 
 
 


Abb. 5.9 Lage der Schraubklemmen

 
5.4 Ein RGB-Leistungs-Shield
In einer praktisch nutzbaren Anwendung wurde ein Leistungstreiber-Shield für Power-RGB-LEDs realisiert. Insgesamt wurden vier Power FETs mit Gate-Vorwiderständen von 470 Ω an die vier PWM-Ausgänge 3, 5, 6 und 9 angeschlossen. Die Vorwiderstände könnte man auch weglassen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass sie den Arduino im Falle eines Fehlers wirksam schützen. Wenn nämlich einer der Power-FETs durch einen externen Kurzschluss zerstört wird, kann er niederohmig werden und die Versorgungsspannung an den Arduino-Pin legen. Das ist tatsächlich schon passiert. Der Widerstand begrenzt jedoch den Strom, sodass dem Arduino nichts passiert. 



Abb. 5.10 Schaltung des Power-Shields

 


Abb. 5.11 Verbindungen auf der Oberseite


Drei der vier Kanäle wurden an drei Schraubklemmen gelegt, indem Leitungen zu den Drain-Anschlüssen der Power-FETs gelötet wurden. Die beiden übrigen Anschlussklemmen wurden als Stromversorgungsanschlüsse verwendet.



Abb. 5.12 Portleitungen und Spannungsversorgung 

Auf die Unterseite sind die Verbindungen zwischen den PWM-Ausgängen und den Gate-Widerständen gelegt. Ein freier Kupferdraht zwischen den beiden Masseschienen dient zum Anschluss der Source-Pinne der FETs.  Wo erforderlich sorgt ein kurzes Drahtstück für eine Durchkontaktierung zur anderen Seite. Auf diese Weise wurden möglichst kurze Masseverbindungen erzeugt.
Ein weiterer Draht verbindet den Schraubanschluss mit dem Vin-Pin des Arduino. Damit kann man nun das Power-Shield und den Arduino wahlweise über die Schraubklemmen oder über die Netzteilbuchse auf dem Arduino mit einem Netzteil verbinden, wobei die erste Lösung auch mit höheren Leistungen verträglich ist.  


Abb. 5.13 Das einsetzbare System

 
Das letzte Bild zeigt das Shield in vollem Einsatz. Ein gekürztes RGB-Band verdeutlicht, wie man seine Lichterkette richtig anschließt. Die 12-V-Stromversorgung kann bei Strömen bis zu 1 A über die Arduino-Netzteilbuchse kommen. Das RGB-Band hat einen gemeinsamen Anschluss für die LED-Anoden, der an die +12-V-Klemme geschraubt werden muss. Die RGB-Kontakte sind schließlich über die dreifache Schraubklemme mit den Power MOSFETs und damit mit den PWM Ausgängen verbunden. So lässt sich eine großflächige Beleuchtung realisieren, die fast jede Farbe annehmen kann. Es kommt nur noch auf die richtige Software an. Nach dem Löten kommt das Programmieren. 
 
 

Abb. 5.14 Arduino und Power-Shield im Einsatz



 
Bauteile:
 
2 Platinen
1 m Litze
2 Transistoren BC547B
2 Widerstände 470 Ω
2 Widerstände 1 kΩ
2 Widerstände 27 kΩ
2 Widerstände 100 kΩ
2 Kondensatoren 100 nF
1 Elko 10 µF
1 LED rot
1 LED  grün
 
SMD:
4 SMD-FETs IRLML 2502
4 SMD-Widerstände 470 Ω, 0805
4 SMD Vielschichtkondensatoren 100 n, 0805 
1 Spannungsregler LM317, SOT-223
 




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