Platinen entwerfen

Je nach Blickwinkel, Arbeitsstil und Vorerfahrungen könnte man meinen, die Platine steht am Anfang einer Entwicklung. Man hat also eine Idee, zeichnet ein Schaltbild und die Platine, bestellt dann diese (oder ätzt sie selbst) und baut dann erst alles auf. So kann es allerdings leicht passieren, dass zwar die Platine selbst perfekt wird, ein Fehler auf ganz anderer Ebene allerdings übersehen wurde. Also kommt der zweite Versuch, und vielleicht noch ein dritter und vierter. Aber jedes Mal hat man Wartezeiten und zusätzliche Kosten. Um das zu vermeiden, zögere ich die ersten Platine meist möglichst lange hinaus.

Ein Vor-Muster muss her!

Die Schaltung selbst muss irgendwie überprüft und getestet werden. Ganz egal, wie schrecklich der erste Probeaufbau aussieht, er liefert erste Erkenntnisse, ob alles wie geplant funktionieren kann. Oft eignen sich gesteckte Aufbauten auf einem Breadboad dafür. Oder man lötet alles auf eine Punktrasterplatine. Aber manchmal bevorzuge ich den Igel-Aufbau auf einem Blechdeckel (Bild 1). Da hat man schon mal eine ordentliche Massefläche, und die gelöteten Verbindungen funktionieren ohne Kontaktprobleme. Die Dimensionierung der Bauteile lässt sich problemlos ändern, bis alles bestens funktioniert. Und wenn die Schaltung irgendwie unstabil arbeitet, kann man mal eben testen, ob vielleicht ein weiterer Abblockkondensator die Sache verbessert.

Wenn es sich um ein Projekt mit einem Mikrocontroller handelt, hat man meist schon ein Entwicklungsboard. Dann wird man nur die externen Bauteile provisorisch anschließen, um die Gesamtfunktion zu testen und die Firmware zu entwickeln. Oft erkennt man dabei schnell, ob es besondere Anforderungen an die Störsicherheit gibt. EMV-Probleme verraten sich durch Störungen im Radio, oder man sieht vielleicht schon, dass die Anwendung sauer auf Störimpulse reagiert. Dann ist man schon vorgewarnt und achtet beim Zeichnen der Platine besonders auf die Störsicherheit.

In vielen Fällen habe ich dann noch ein möglichst gleichwertiges Muster auf einer Lochrasterplatine gebaut. Damit ergibt sich die nötige Platinengröße und eine mögliche Platzierung der Bauteile und Bedienelemente sowie der Steckverbindungen. So wird daraus ein handlicher Prototyp (Bild 2). Ein Auftraggeber könnte nun erste Tests durchführen und Änderungen vorschlagen, die dann ohne Zeitverzögerung ausprobiert werden können. Erst wenn die Schaltung wirklich steht, beginnt die Arbeit an der Platine. Bis hierhin wurden wahrscheinlich noch bedrahtete Bauteile benutzt, die endgültige Platine wird dann oft SMD-bestückt. Und wahrscheinlich war der Aufbau auf der Lochrasterplatine noch nicht EMV-optimiert, weil eine Massefläche fehlte. Aber man weiß nun, was es noch zu verbessern gilt.

Bauteile und Schaltplan

Wahrscheinlich hat man nun schon Schaltpläne in Form von Skizzen. Aber jedes Platinenprogramm erfordert zuerst die Eingabe des Schaltplans. Und dabei muss jedes Bauteil ganz genau festgelegt werden. „Widerstand 10 kΩ“ reicht nicht, sondern man muss die Bauform mit angeben, also zum Beispiel einen SMD-Widerstand der Größe 0805. Oft ist die Wahl der richtigen Bauteile sehr zeitaufwendig, weil es eine so große Zahl ähnlicher Bauteile gibt. Das gilt vor allem für Steckverbinder, Schalter, Potis und dergleichen. Man muss ja auch noch darauf achten, dass das ausgewählte Bauteil tatsächlich erhältlich ist. Und man muss sicher sein, dass der Footprint stimmt. Wenn am Ende eine wunderschöne Platine auf dem Tisch liegt, aber die USB-Buchse passt nicht in die Löcher, ist der Frust groß. Man muss also bei der Auswahl der Bauteile sehr sorgfältig vorgehen.

Ein Tipp zu den Größen der SMD-Widerstände und -Kondensatoren: Auf dem Bildschirm sieht alles so schön groß aus, dass man sich leicht verschätzen kann. Wenn es dann ans Löten geht, kann es sich herausstellen, dass die kleinsten Bauteile zumindest beim Handlöten problematisch sind. Man sollte sich ein paar der Teile auf den Tisch legen, um einen realistischen Eindruck zu behalten. Die Größe 0805 finde ich persönlich noch gut lötbar. Aber ich erinnere mich an ein Projekt, das ganz mutig mit Bauteilen der Größe 0402 geplant wurde, um Platz zu sparen. Was das für den Prototyp-Aufbau bedeutet, wurde erst beim Löten klar. Mit dem Lötkolben wird es extrem schwierig. Etwas anders liegt der Fall, wenn auch schon der Aufbau der Prototypen in Auftrag gegeben wird.

Sind alle Bauteile ausgesucht, kann der Schaltplan mit allen Verbindungen fertig gezeichnet werden. Wenn übrigens später beim Zeichnen der Platine noch ein Fehler auftaucht, muss man immer noch einmal zurück zum Schaltplan und Änderungen zuerst hier eintragen. Denn die Software achtet immer auf die Übereinstimmung zwischen Schaltplan und Platine.

Platine zeichnen

Nun zur Platine: Zuerst legt man die äußeren Maße fest, und ob es sich um eine doppelseitige Platine handelt. Zusätzlich kann man nun noch abgerundete Ecken und besondere Formen festlegen. Die äußeren Umrisse lassen sich auch später noch verändern, aber es ist einfacher, wenn die Maße von vornherein stimmen.

Doppelseitige Platinen sind meist der Standard. Eine einseitige Platine bringt kaum noch Kostenvorteile, kann aber die Arbeit vereinfachen, wenn man sie selbst ätzen will. In den meisten Fällen bestelle ich beim ersten Versuch fünf oder zehn Muster von einem Dienstleister und spare mir diesen Teil der Arbeit. Manche Firmen bieten auch die Bestückung der Prototypen an. Aber dann sollte man vorab klären, welche Bauteile dort vorrätig sind und dies schon beim Erstellen des Schaltplans berücksichtigen.

Im nächsten Schritt werden alle Bauteile aus dem Schaltplan importiert und meist zunächst neben der Platine abgelegt. Man zieht sie dann nacheinander auf die Platine und sucht den passenden Ort, bei dem sich möglichst kurze und einfache Leitungsführungen ergeben. Hier ist es von Vorteil, wenn man vorab schon einmal alles auf eine Lochrasterplatine gebaut hat. Man hat dann schon eine Vorstellung davon, mit welcher Aufteilung sich Leitungskreuzungen und Durchkontaktierungen zur anderen Seite vermeiden lassen.

Wenn alle Bauteile platziert sind, kann man den Autorouter starten. Die Software versucht dann, alle Bauteile wie im Schaltplan zu verbinden. Allerdings kann es dann leicht passieren, dass die Leitungsführung unter anderen Gesichtspunkten suboptimal ist. Es könnten zu lange und verworrene Masseleitungen entstehen, oder der „kürzeste“ Weg zwischen VCC und GND über einen Bypass-Kondensator wird zu lang und bildet eine wirksame Schleifenantenne. EMV-Probleme sind dann vorprogrammiert.

Man sollte zumindest die Masse- und Versorgungsleitungen vorab selbst verlegen und dann erst den Autorouter starten. Ich gehe noch einen Schritt weiter und route lieber alle Leitungen von Hand. Vor allem sehr einfache Schaltungen haben meist einen klaren Aufbau (Bild 3) und lassen sich gut umsetzen.

Masseflächen

Eine große Hilfe sind durchgehende Masseflächen. Man erzeugt zum Beispiel als Erstes auf der Unterseite der Platine eine durchgehende Kupferfläche, die an GND gelegt wird. Alle Signalleitungen bleiben so weit wie möglich auf der Oberseite. Da, wo es sich wegen nötiger Leitungskreuzungen nicht vermeiden lässt, führt man eine Leitung mit einer Durchkontaktierung nach unten und an anderer Stelle wieder nach oben. Sinnvoll ist es, ein System festzulegen. Man kann vielleicht die Versorgungsleitungen horizontal laufen lassen und die Signalleitungen nach Möglichkeit vertikal. Jede Unterbrechung der Massefläche sollte so kurz wie möglich sein, damit es nur zu geringen Spannungsabfällen auf der Massefläche kommt. Letztlich hilft die Kupferfläche dabei, möglichst kurze Leitungen zu erreichen. Denn wo immer ein Bauteil an GND liegen soll, reicht eine Durchkontaktierung nach unten.

Masseflächen wirken Wunder, das zeigt beispielsweise das Elektor-SDR-Shield (Bild 4). Weil es sich um einen empfindlichen Kurzwellenempfänger handelt, müssen Störungen aller Art vermieden werden. Das Shield wird direkt auf einen Arduino Uno gesteckt. Zuerst hatte ich Sorgen: Kann das gut gehen, ein Empfänger so nah an einem Mikrocontroller? Aber es hat funktioniert, der störungsfreie Empfang ist gesichert. Die Massefläche auf der Unterseite wirkt als Abschirmung. Und auch Störfelder von oben wirken sich weniger aus, weil die meisten Feldlinien direkt auf der Masse enden und nur wenige auf den dünnen Leiterbahnen.
 

Anschlüsse

Die meisten Platinen brauchen irgendeine Verbindung zur Außenwelt. Oft kommen Pfostenstecker oder –buchsen am Rand der Platine zum Einsatz, wie beim Arduino, oder auch andere genormte Stecksysteme. Wenn es um experimentelle Projekte oder Platinen für die Ausbildung geht, setzt man oft auf größere Anschlüsse. Runde, durchkontaktierte 4-mm-Löcher passen zu Bananensteckern, aber auch zu Krokodilkabeln (Bild 5).
 

Ich verwende auch gern beidseitige, rechteckige Anschlussflächen mit durchkontaktiertem Loch im Abstand 5,08 mm. Diese Anschlusspunkte verursachen keine zusätzlichen Kosten und sind sehr flexibel einsetzbar. Hier kann man Drähte anlöten, Krokokabel verwenden oder auch Schraubklemmen einsetzen. Und für sehr einfache Versuche lassen sich auch Bauteile direkt in die Kontaktlöcher stecken (Bild 6).

Es gibt auch Platinen, die nur aus Anschlusspunkten bestehen. Dann braucht man keinen Schaltplan und kann gleich mit der Platine loslegen. Für eine HF-taugliche Lochrasterplatine habe ich beidseitig eine durchgehende Massefläche erzeugt. Die meisten Kontaktpunkte liegen auf isolierten Inseln. Aber die Punkte am Rand des Feldes und mehrere durchgehende Reihen sind mit der Masse verbunden (Bild 7). So ist überall auf kurzem Wege die Masse erreichbar. Und man hat eine relativ gut abschirmende Fläche.

Überprüfung des Platinen-Layouts

Die üblichen Platinenprogramme enthalten automatisierte Prüfungen, mit denen man Unterbrechungen, Kurzschlüsse und zu eng verlegte Leitungen finden kann. Aber es gibt auch Fehler auf ganz anderer Ebene, die man nur selbst findet. Das Ziel ist, dass schon die erste bestellte Platine fehlerfrei ist. Das gelingt allerdings nicht immer. Im langjährigen Durchschnitt hatte jede zweite Platine von mir doch noch einen Fehler. Oft war die berüchtigte letzte Änderung die Ursache, weil dabei ein neuer Fehler entstand. Manchmal war aber auch von Anfang an ein Irrtum im Projekt.

Um eine Platine zu bestellen, muss man sie in Gerber-Dateien umsetzen. Das Platinenprogramm erzeugt dazu einzelne Dateien für die verschiedenen Ebenen der Platine und für die Bohrlöcher. Im Netz findet man verschiedene Gerber-Viewer, mit denen man sich das Ergebnis ansehen kann. Man schaltet dann eine Ebene nach der anderen an und hat damit einen ganz anderen Blick. Das ist eine weitere wichtige Stufe der Überprüfung, die schon manchen übersehenen Fehler entlarvt hat. Aber auch dann bleibt noch ein Rest Unsicherheit, ob am Ende alles richtig funktionieren wird.

Eine weitere Methode zur Überprüfung einer Platine ist es, sie auf Papier auszudrucken und die Bauteile einmal passend draufzulegen. Bei einem Projekt habe ich einmal gedacht, ich könnte darauf verzichten, weil die Platine so schön, einfach und klar strukturiert war. Als sie dann aber fertig auf dem Tisch lag und der Lötkolben schon heiß war, fiel es mir wie Schuppen von den Augen: falscher Footprint für den Mikrocontroller im SO-Gehäuse! Da gibt es nämlich schmale und breite Bauformen. In diesem Fall habe ich den Prototyp doch noch bestückt und musste dazu alle Beinchen des Controllers an einer Seite mit Drähtchen verlängern (Bild 8).

Da kann man sich richtig ärgern. Ich tröste mich dann meist damit, dass ich nach weiteren Verbesserungen suche. In diesem Fall konnten einige Beschriftungen optimiert werden, sodass die neue Runde sich doch noch gelohnt hat (Bild 9).
 

Wenn es um sehr einfache Platinen mit bedrahteten Bauteilen etwa für Ausbildungsprojekte geht, kann man noch einen Schritt weiter gehen und die Platine vorab aufbauen. Man klebt die ausgedruckte Platine dazu auf ein Stück Karton und sticht Löcher in die vorgesehenen Stellen. Dann werden die Bauteile wie in eine Platine gesteckt und unten verlötet. Die Leiterbahnen müssen dazu teilweise durch zusätzliche Drahtstücke nachgebildet werden. So hat man eine gute Chance, mögliche Fehler zu entdecken. Und es existiert schon ein brauchbarer Prototyp, mit dem man die Wartezeit bis zum Eintreffen der Platine überbrücken kann (Bild 10).

Viele dieser Strategien zur Entwicklung einfacher Platinen passen gut zu kleinen, überschaubaren, experimentellen Projekten, aber natürlich weniger gut zu großen Designs. Der Chef einer großen Firma hätte vielleicht weniger Verständnis für meine Karton-Platinen. Was soll der Quatsch, das ist doch Zeitverschwendung, ein guter Ingenieur macht gleich alles richtig. Ja, das stimmt zwar im Prinzip. Aber trotzdem passieren Fehler, und meist sind mehrere Entwürfe nötig, wobei jedes Mal Kosten und Wartezeiten dazu kommen. Für mich hat es sich bewährt, mehr Arbeit in die Vorversuche und Tests zu stecken und dafür weniger Platinen zu bestellen.

(220226-02)
 

Über den Autor

Burkhard Kainka war viele Jahre als Physiklehrer tätig, bevor er sich 1996 als Entwickler und Autor im Bereich Elektronik und Mikrocontroller selbstständig machte. Er betreibt die Internetseiten www.elektronik-labor.de und www.b-kainka.de, auf der kleinere und größere Projekte sowie Grundlagen der Elektronik zu finden sind. Burkhard ist leidenschaftlicher Funkamateur mit dem Rufzeichen DK7JD.

Sie haben Fragen oder Kommentare?

Haben Sie technische Fragen oder Anmerkungen zu diesem Artikel? Schicken Sie eine E-Mail an den Autor unter b.kainka@t-online.de oder kontaktieren Sie Elektor unter redaktion@elektor.de.