Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik · 2020. 1. 6. · teurere 300-W -Ultra-V italux-S...

Grundlagen derElektrotechnik und Elektronik

Platinenfert igungHerstellung gedruckter Schaltungen in Theorie und Praxis

Beschreibung mit praktischen Anwendungen

Josef Straßhofer, Grieskirchen 2016

Beschreibung: Zeichenmethode 2Fotomethode - Basismaterial 3Fotomethode - Layout 4Belichten und Entwickeln 5Ätzen der Platine 7Reinigen - Bohren - Schutz vor Oxydation 9

Schaltungen: Astabiler Multivibrator - Wechselblinker 10Alarmanlage - Anti-Grapsch 11Klein-Ladegerät für Nickel-Cadmium-Akkus 12Netzgerät LM 317 14Mini-Detektiv 16Infrarot-Signalübertragung (Sender + Empfänger) 17

Layouts: Platinenvorlagen für die Fotomethode 19

Copyright

Josef Straßhofer, MAStelzhamerstraße 28A-4710 Grieskirchen

[email protected]

Platinenfertigung ... Zeichenmethode

Platinenfertigung 2 Copyright J. Straßhofer

Eine traditionelle und einfache Methode der Platinenfertigung ist die Zeichenmethode.Gegenüber dem Aufbau von elektronischen Schaltungen auf Lötpunktraster oder Lötstreifenkann bei der Zeichenmethode die Schaltung wesentlich übersichtlicher gestaltet werden.Allerdings ist nur die Anfertigung von Einzelstücken möglich. Will man mehrere Platinenderselben Schaltung herstellen, so muß jede Platine extra gezeichnet werden.

Vorlage für die ZeichenmethodeÜblicherweise entwirft man die Vorlage (Layout) vonder Bauelementeaufteilung her etwas großzügiger,damit beim Zeichnen zwischen den Leiterbahnenein größerer Abstand besteht. Die Platine wirddabei insgesamt natürlich etwas größer. Da mitder Zeichenmethode wegen der Linienführung undder Zeichenstiftbreite nicht auf sehr engem Raumgearbeitet werden kann, ist es nicht empfehlens-wert, bei Schaltungen mit Integrierten Schaltkrei-sen (IC) mit dieser Methode zu arbeiten.

Entwurf von PlatinenlayoutsPlatinenlayouts werden immer so entworfen, alswürde man von der Bauelementeseite - also vonoben (= Bestückungsseite) - auf die Platine blik-ken. Im Prinzip wird also der Schaltplan im verdich-teter Form als Layout umgesetzt. Die Kupferseiteist demnach die Rückseite der Platine.Hält man eine fertige lichtdurchlässige Platine ge-gen das Licht, so scheinen die Kupferbahnen durch,wobei dieses durchscheinende Bild dem ursprüng-lichen Layout entspricht und somit dem Schaltplansehr ähnlich ist.Bei der Zeichenmethode wird direkt auf die Rück-seite (= Kupferseite) der Platine gezeichnet. Dabeimuß das Layout spiegelverkehrt vorliegen.Die folgende Abbildung zeigt ein derartiges um diex-Achse gespiegeltes Layout eines AstabilenMultivibrators (Wechselblinker mit zwei LED) alsVorlage für die Zeichenmethode.

Liegt ein Layout nicht spiegelverkehrt vor, sokann es mit dem Computer gespiegelt werden.Eventuell ist es einfacher, die Lötpunkte undLeiterbahnen provisorisch auf die Rückseite desBlattes, auf dem sich das Layout befindet, durch-zuzeichnen. Dazu genügt es, das Blatt Papierverkehrt auf ein Fenster zu legen, sodaß Lötpunkteund Bahnen durchscheinen.

Arbeitsschritte - Zeichenmethode1) Platine auf die richtige Größe mit feinem

Laubsägeblatt (Metall-Laubsägeblatt) zuschnei-den und die Ränder mit einer ebenfalls feinenFeile entgraten.

2) Platine mit Putzmittel und feiner Bürste sorgfäl-tig reinigen. Die Kupferfläche muß glänzen.

3) Platine mit Papiertaschentuch abwischen undeinige Minuten trocknen lassen.

4) Platine mit zwei Klebestreifen auf der Rück-seite des Layouts fixieren. Die Kupferseite liegtdabei auf dem Papier auf!

5) Löcher, die nach dem Ätzen gebohrt werden,mit spitzem Gegenstand (Spitzbohrer, spitzgeschliffenem Nagel, Pinnagel, ...) auf dieKupferfläche übertragen, indem durch denPlatinenentwurf durchgestochen wird. Nicht mitGewalt, eine kleine Markierung genügt.

6) Platine vom Papier ablösen. Die Kupferflächejetzt auf keinen Fall mit den Fingern berühren.Die Markierungen sind als „Krater“ sichtbar.

7) Platinenentwurf (negatives Layout) mit wasser-und ätzfestem Stift auf die Kupferfläche über-tragen; als Orientierung dienen die Markierun-gen (Krater). Die Breite der Bahnen sollte etwa1,5 - 2 mm oder auch mehr betragen. Je nachMöglichkeit sollte man breite Ringe um die Mar-kierungen bilden. Sehr deckend arbeiten, dasKupfer darf nicht durchschimmern!Systematisch von einer Seite beginnen!Bei Fehlern die Bahn ca. 3 Minuten trocknenlassen und dann mit einer Messerspitze (z.B.Stanley-Messer) wegschaben.

Mögliche wasser- und ätzfeste Stifte:Edding 400, DALO 33 PC, Stabilo OHPen, ....(Strichbreite des Stiftes: maximal 1 mm)

Trockenzeit bis zum Ätzen: 10 - 15 Minuten

So könnte eine fertig gezeichnete Platine (Kupferseite)aussehen. Vorlage: Siehe Abbildung links!

Platinenfertigung ... Fotomethode - Basismaterial


Mittels der Platinenfertigung nach der Fotomethode ist die problemlose Serienfertigungvon industrietauglichen Platinen mit relativ einfachen Mitteln möglich. Die Platinen haben einprofessionelles Aussehen und können auf Grund der möglichen engen Leiterbahnführung sehrdicht und daher platzsparend bestückt werden. Allerdings ist bei diesem Verfahren ein foto-positiv beschichtetes Basismaterial (Platine) erforderlich. Um außerdem sinnvoll und mitgroßer Wiederholgenauigkeit arbeiten zu können, ist eine einigermaßen professionelle Aus-rüstung notwendig. Diese muss aber nicht teuer sein.

Fotobeschichtetes BasismaterialAls Basismaterial eignet sich Hartpapier (Pertinax)oder Epoxyd, das einseitig mit einer Kupferauf-lage von 35 µm Stärke beschichtet ist. ÜblichePlatinen haben eine Materialdicke von 1,5 mm. Diefotoempfindliche Schicht auf der Kupferauflageist mit einer lichtundurchlässigen Folie abgedeckt,die verhindert, dass das Basismaterial vorzeitig be-lichtet wird.Grundsätzlich kann man aus Preisgründen Hart-papier für die ersten Versuche verwenden. Üblichersind jedoch Platinen aus dem wesentlich wider-standsfähigeren Epoxyd, wenn eine hochwertigePlatine entstehen soll. Als Format empfiehlt sichebenfalls aus Preisgründen das handelsüblicheEuro-Format mit den Maßen 160 x 100 mm.Die Lagerfähigkeit fotopositiv beschichteter Pla-tinen beträgt 1 Jahr, die Praxis hat jedoch gezeigt,daß noch nach mehreren Jahren einwandfreie Pla-tinen hergestellt werden können.

Zuschnitt der PlatineOhne die Lichtschutzfolie zu entfernen, wird vomBasismaterial jenes Stück abgeschnitten, das derGröße des Layouts entspricht. Befinden sich knappam Rand des Layouts Leiterbahnen, so kann derZuschnitt auch einige Millimeter größer als dasLayout ausfallen.Beim Layoutentwurf sollte man darauf achten, dassbeim Zuschneiden der Platine aus dem gekauftenStück aus Kostengründen möglichst wenig Ver-schnitt entsteht.

BelichtungsvorlagePlatinenlayout für die Fotomethode

Um die fotopositiv beschichtete Platine belichtenzu können, benötigt man das Layout als transpa-rente Platinenvorlage. Derartige Layouts auf Fo-lien liegen in der Regel verschiedenen Elektronik-Heften bereits bei und können in dieser Form sofortfür die Belichtung verwendet werden.Wenn man allerdings von einer eigenen Schaltungoder einem vorgegebenen Schaltplan ein Layout ent-werfen möchte, so ist ein erheblich größerer Auf-wand nötig.

Um ein qualitatives Layout selbst zu entwerfen,benötigt man einige Erfahrung und viel Geduld. DieVerwendung eines Auto-Routers am Computer ge-hört eindeutig in den Bereich der Industrie, da eingutes Programm perfekt arbeiten muss und daherteuer ist. Außerdem steht der Aufwand selten ineinem sinnvollen Verhältnis zum Ergebnis. Es müs-sen schon große Platinen sein, dass sich die Ver-wendung eines derartigen Programms rechtfertigt.

Wichtiger Hinweis! Platinenlayouts dürfen nichtohne Genehmigung des Herstellers verbreitet oderfür kommerzielle Zwecke verwendet werden!

Für das Zuschneiden der Platinen gibt es speziellePlatinenkreissägen oder auch Leiterplattenscheren.Mit einer Laubsäge und einem feinen Laubsäge-blatt (Sägeblatt für Metall) funktioniert es aber fastebenso gut. Die Schnittlinien sollten nicht mit Blei-stift auf der Lichtschutzfolie vorgezeichnet werden,da sich die Folie verziehen oder sogar reißen kann.Es ist günstig, die Schnittlinien mit einem spitzenGegenstand (Zirkelspitze, Spitzbohrer, ...) auf demHartpapier oder Epoxyd, also der Bestückungsseiteder Platine, einzuritzen. Beim Schneiden mit derLaubsäge ist besonders darauf zu achten, dassman dabei die Lichtschutzfolie nicht verletzt.

Wichtig! Nach dem Zuschneiden müssen dieSchnittkanten der Platine vorsichtig mit einer fei-nen Feile entgratet werden, damit beim Belichtendie Platine dicht auf der Belichtungsvorlage auflie-gen kann.

Fotopositiv beschichtete Platinen im Euroformat

Platinenfertigung ... Fotomethode - Layout


Layout - selbst hergestelltNachfolgend sind einige Möglichkeiten beschrieben,wie man mit begrenztem Aufwand zum Teil profes-sionelle Layouts erstellen kann.

Entwurf auf dem RasterpapierUm ohne Autorouter in irgendeiner Form ein Layouterstellen zu können, muss dieses zuerst - relativzeitaufwändig - auf einem Rasterpapier mit einem1 mm - Raster entworfen werden. Bleistift und Ra-diergummi sind dabei die wichtigsten Hilfsmittel.Da die Anschlüsse von den meisten elektronischenBauelementen im Rastermaß von 2,54 mm(1/10 Zoll) liegen, ist die Festlegung der Bohrungenauf dem Rasterpapier an sich kein Problem. Diegeringe Abweichung von 0,04 mm zwischen Raster-papier und Bauelemente-Norm spielt dabei keineRolle.

Anordnung der BauelementeDer Entwurf erfolgt so, als würde man von obenauf die fertige Platine bzw. wie üblich auf den Schalt-plan schauen. Die Anschlussbelegungen der Bau-elemente - z.B. beim Transistor oder bei integrier-ten Schaltkreisen -, die nicht unbedingt der Anord-nung im Schaltplan entsprechen, müssen natürlichberücksichtigt werden. Für diesen Zweck gibt esjede Menge Datenblätter im Internet.Die sinnvolle Anordnung der Bauelemente und de-ren Verbindung zueinander haben schon mancheVerzweiflung ausgelöst. Im Stadium der ersten Ver-suche wird man feststellen, dass das Routen einerPlatine einige Anforderungen an kombinatorischeFähigkeiten stellt.

Herstellung der BelichtungsfolieEine überholte Möglichkeit der Herstellung einerBelichtungsfolie ist die Klebetechnik. Das Layoutwird dabei mit Anreibsymbolen auf eine lichtdurch-lässige Rasterfolie geklebt. Das Problem bestehtallerdings darin, daß man Layoutfehler selten korri-gieren kann.

Die Abbildung zeigt einen möglichen Rohentwurfeines „Astabilen Multivibrators“ auf Rasterpapier. Esversteht sich von selbst, dass man bei einer derarteinfachen Schaltung ohne „Brücken“ auskommt.(Brücken sind Drahtverbindungen auf der Bestüc-kungsseite.)

Grundsätzlich ist es auch möglich, das Layout miteinem Stift auf eine transparente Folie zu zeich-nen und diese dann zum Belichten zu verwenden.

Layoutentwurf auf dem BildschirmEine moderne und professionelle Methode ist derEntwurf des Layouts auf dem Bildschirm. Nebenprofessionellen Programmen, die z.B. auch einenAuto-Router enthalten, ist für die Erstellung einesnicht zu umfangreichen Layouts ein Zeichen- oderMalprogramm vollkommen ausreichend. Das Pro-gramm sollte unbedingt einen Hintergrundraster(Einstellung: 0,5 mm oder weniger) haben, damitdie Bauelemente richtig positioniert werden können.Frei gestaltbare Lötpunkte sind ebenfalls eineGrundvoraussetzung für sinnvolles Arbeiten.

Ein qualitativ hochwertiger Ausdruck mit wirk-lich schwarzen Flächen ist eine wichtige Voraus-setzung für eine geeignete Belichtungsvorlage. Esgibt spezielle Laser-Folien, die direkt mit dem La-serdrucker bedruckt und zur Belichtung verwen-det werden können.Eine gängige alternative Methote zur Herstellungeiner Belichtungsvorlage ist die Verwendung vonKopierfolien. Das Layout, das als Computeraus-druck oder auch als Layout aus einer Fachzeitschriftvorliegen kann, wird auf eine Folie kopiert. DerSchwärzungsgrad sollte dabei beim Kopierer soeingestellt sein, das die Bahnen möglichst gleich-mäßig schwarz sind, auf den übrigen Flächen je-doch kein Grauschleier erkennbar ist.Um eine sichere Lichtdichtheit der Belichtungs-vorlage zu erreichen, ist es oft sinnvoll, eine zweiteKopie auf Folie anzufertigen. Beide Folien werdendann mit einem 2 cm breiten Rand um das Layoutzugeschnitten und deckungsgleich punktweise au-ßerhalb des Layouts verklebt. Auch beim Laser-drucker sind oft 2 Folien erforderlich.

„Astabiler Multivibrator“Layout, erstellt mit einem einfachen Malprogramm

AMV

Platinenfertigung ... Belichten und Entwickeln


Von entscheidender Bedeutung bei der Platinenfertigung ist die richtige Belichtung. Da derauf die Platine aufgebrachte Fotolack empfindlich für ultraviolette Strahlen ist, eignen sich fürdas Belichtung UV-Lampen. Da mehrere Arten von UV-Lichtquellen in Frage kommen, variie-ren Belichtungszeit und Belichtungsabstand entsprechend, aber auch das verwendeteBasismaterial und die Platinenart spielen eine Rolle. Es ist daher sinnvoll, erst einige kleineProbebelichtungen mit kleinen Platinenresten anzufertigen, bevor man die eigentliche Plati-ne belichtet. Schon vor dem Belichten sollte man die Entwcklerflüssigkeit bereitstellen.

Lampen für die BelichtungEine häufig verwendete preisgünstige Belichtungs-lampe ist die OSRAM Nitraphot S 250 W, oder dieteurere 300-W-Ultra-Vitalux-Spezial-UV-Lampe,ebenfalls von OSRAM.

Nitraphot S 250 W 300-W-Ultra-Vitalux-Spezial

In jedem Fall sollte die Platine erst etwa 2 Minutennach dem Einschalten dem Licht ausgesetzt wer-den, da sich erst dann die volle Leuchtkraft derLampen entwickelt. (Wichtig! Beim Umgang mit UV-Licht sollte man Schutzbrillen tragen!)Die Belichtungszeit ist stark vom Lampentyp, vonderen Entfernung zur Platine und von der verwen-deten Abdeckung (Glas) abhängig. Bei der OSRAMNitraphot S 250 W hat sich eine Belichtungszeitvon etwa 3 bis 4 Minuten bewährt. Auf jeden Fallsollte man einige Tests durchführen, um die pas-sende Belichtungszeit zu ermitteln.Der Fotolack ist an sich gegen Überbelichtung eherunempfindlich, während eine Unterbelichtung dazuführt, dass beim Entwickeln Lackschleier auf derPlatine verbleiben.

Die Lampe wird in einer Entfernung von etwa 30cm über der zu belichtenden Fläche montiert. BeiVerwendung einer Schreibtischlampe ist darauf zuachten, dass sich die Fassung nicht zu stark er-wärmt. Die Lampe sollte je nach Leistung nichtlänger als 10 Minuten eingeschaltet bleiben.Die lichtdurchlässige Folie wird nun vom Platinen-zuschnitt langsam abgezogen und die Platine mitder fotoempfindlichen Schicht nach oben auf eineflache Unterlage (Platte) gelegt. Darauf wird nundie transparente Belichtungsvorlage spiegelver-kehrt so gelegt, dass die Platinenränder mit denRändern des Layouts übereinstimmen. Darauf legtman eine Glasscheibe, sodass die Belichtungs-vorlage (Folie) dicht auf der Platine aufliegt. Dannwird die Unterlage mit der Folie und der Glasplatteunter die Lampe geschoben.Eine geeignete Unterlage mit Glasabdeckung gibtes auch als Belichtungsrahmen zu kaufen.

Reihenfolge der Belichtungsan-ordnung von unten nach oben

1: flache Unterlage (Platte)2: Platine mit Fotoschicht oben3: Belichtungsvorlage (Folie) spiegelverkehrt4: Glasplatte

Weitere mögliche Lampen für die Platinenent-wicklung sind die Philips HPR 125, Xenon-Lam-pen oder superaktinische Leuchtröhren.

Eine weitere an sich preisgünstige Möglichkeit sindHalogen-Strahler. Je nach Leistung der Lampesollte der Abstand bis zu einem halben Meter be-tragen, da auch die Wärmeentwicklung nicht zuunterschätzen ist. Die Belichtungszeit ist dannentsprechend anzupassen. Wie bei den anderenLampen werden auch in diesem Fall einige Expe-rimente notwendig sein.

Grundsätzlich werden die beschriebenen Lampenaus Kostengründen im Hobby-Bereich verwen-det. Bei der professionellen Platinenfertigungmit der Belichtungstechnik werden ausschließlichBelichtungstische verwendet.

Platinenfertigung ... Belichten und Entwickeln


BelichtungstischFür glückliche Besitzer eines Belichtungstischesist der Belichtungsvorgang ausgesprochen einfach.Der Vorteil eines derartigen Gerätes besteht darin,dass für die Belichtung immer dieselben Bedin-gungen herrschen. Die UV-Röhren sind im richti-gen Abstand zur Glasplatte angebracht, wodurchsich eine optimale Ausleuchtung ergibt. Da derDeckel des Gerätes während der Belichtung ge-schlossen ist, ergeben sich auch keine Proble-me mit ultravioletten Strahlen. Außerdem verfü-gen Belichtungstische über eine Zeitschaltuhr, so-dass sich die Belichtungszeit problemlos einstel-len lässt.Zuerst wird die Belichtungsvorlage in normalerAnsicht - also die Ansicht von der Bestückungs-seite - auf die Glasfläche des Tisches gelegt.Danach zieht man von der vorbereiteten Platine dielichtundurchlässige Folie ab und legt sie mit derfotoempfindlichen Schicht nach unten auf dieBelichtungsvorlage. Dann wird der Deckel des Ge-rätes, der die Platine auf die Vorlage presst, ge-schlossen.

Belichtungstisch Ultra Lux 1Timer: 0 - 5 Minuten, Nutzfläche: 46 x 18 cm

Mit dem Zeitschalter wird nun die Belichtungs-zeit eingestellt und damit der Belichtungsvorganggestartet. Die ideale Belichtungszeit ist normaler-weise 3 - 3 1/2 Minuten. Nach Ablauf der Belich-tungszeit schaltet sich das Gerät automatisch abund der Deckel kann geöffnet werden.

Unmittelbar nach dem Belichten kommt diePlatine in die Entwicklerflüssigkeit.

Entwickeln der PlatineDa unmittelbar nach dem Belichten die Entwick-lung der Platine erfolgen soll, muss die Entwickler-flüssigkeit vor der Belichtung vorbereitet werden.

Vorbereiten der EntwicklerflüssigkeitDie Entwicklerflüssigkeit besteht aus 7 g Ätzna-tron, das in einem Liter Wasser bei Zimmer-temperatur aufgelöst wird. Entwickler gibt es imElektronik-Fachhandel sehr billig in 7 g - Päckchenzu kaufen. Das ist für ca. 20 Platinen im Euroformatausreichend. Außerdem läßt sich die fertige Lösungin einem verschlossenen Gefäß an einem dunklenOrt problemlos über einen längeren Zeitraum auf-bewahren und kann immer wieder verwendet wer-den. Offener Entwickler ist nach einigen Stundennicht mehr zu gebrauchen. Größere Mengen Ätz-natron gibt es auch in 1 Liter - Dosen.

Als Gefäß für die Entwicklerflüssigkeit eignet sicheine flache Kunststoffschale mit den Mindest-maßen 15 x 20 cm.Wichtig! Ätznatron ist sehr aggressiv und solltenicht mit der Haut oder mit der Kleidung in Berüh-rung kommen.

UniversalentwicklerSeno 4007

Der EntwicklungsvorgangDie belichtete Platine wird unmittelbar nach der Be-lichtung in die Entwicklerflüssigkeit gelegt; und zwarso, dass die belichtete Seite von oben sichtbar ist,damit man den Entwicklungsvorgang kontrollierenkann.

Bei unverbrauchtem Entwickler sollte die Entwick-lung nach etwa 30 bis 60 Sekunden abgeschlos-sen sein. Nach 2 Minuten sollten die Leitungs-bahnen auf jeden Fall deutlich sichtbar sein.Dauert es länger, wurde entweder zu kurz belichtetoder die Entwicklerlösung ist zu schwach oder zuverbraucht. Bei zu schwacher Lösung kann nochvorsichtig Ätznatron dazugegeben werden. Wurdezu viel belichtet oder ist die Entwicklerkonzentrationzu stark, verschwimmen die Leiterbahnen.Wurde richtig belichtet, ergibt sich auf den be-lichteten Flächen bei der Entwicklung ein Farbum-schlag von Gelbgrün nach Blaugrün, eine schlechteBelichtung erkennt man an einem rotbraunen Farb-umschlag.Unmittelbar nach der Entwicklung wird die Pla-tine aus dem Entwicklerbad genommen und gutmit Wasser abgespült.

Bis zum Ätzen kann die Platine nahezu beliebiglange in dieser Form gelagert werden.

Kunststoff-Pinzette für Arbeiten im Entwicklerbad

Platinenfertigung ... Ätzen der Platine


Zum Ätzen der Platine werden Ätzmittel verwendet, die unterschiedlich giftig und bei derEntsorgung wie Sondermüll zu behandeln sind. Auch bei der Verwendung selbst ist größteVorsicht notwendig. Kommt nur ein einziger Tropfen auf ein Kleidungsstück, wird die betroffe-ne Stelle gebleicht. Das trübt die Freude an der fertigen Platine. Zum Schutz der Haut solltenauch beim Ätzen Kunststoffhandschuhe getragen werden. Auch die Verwendung einerKunststoff-Pinzette ist erforderlich.Bei der Fertigung von Kleinserien finden hauptsächlich 2 verschiedene Ätzmittel Verwen-dung. Das sind Natriumpersulfat oder eine Kombination aus Salzsäure und Wasserstoff-peroxid, die heutzutage am häufigsten eingesetzt wird.

Eine Dunkelfärbung am Beginn des Ätzvorgangsbesagt aber noch nicht, dass dort das Kupfer schonweggeätzt ist. Erst wenn das Basismaterial (Hart-papier, Epoxyd) sichtbar wird, hat der Ätzvorgangerfolgreich eingesetzt. Sind die letzten Kupferinselnweggeätzt, kann die Platine aus dem Gefäß ent-nommen und gut mit Wasser abgespült werden.Der Ätzvorgang dauert je nach Temperatur und Sät-tigung zwischen 5 und 20 Minuten.Das Ätzmittel kann in Kunststoffkanistern aufbe-wahrt und so oft verwendet werden, bis sich dieSättigung (Ätzmittel wird undurchsichtig.) zeigt.

Wichtig! Gebrauchtes Ätzmittel ist Sondermüll.Eine fachgerechte Entsorgung ist daher gesetz-lich vorgeschrieben.

Ätzen in der Kunststoffschaleist die heutzutage bei Klein-serien übliche Methode

Ätzen mit einem ÄtzgerätWird für den Ätzprozess Natriumpersulfat verwen-det, benützt man dafür häufig Ätzgeräte, bei wel-chen die Heizung bereits integriert ist und beque-me Halterungen für die Platinen vorgesehen sind.Zusätzlich wird Luft eingepumpt, was die Ätz-geschwindigkeit erhöht. Außerdem wird die Ätz-flüssigkeit automatisch umgewälzt. Die Ätz-flüssigkeit kann außerhalb der Ätzzeiten im Gerätverbleiben. Manche Geräte besitzen sogar eine di-gitale Temperaturanzeige. Der Flüssigkeits-austausch dagegen ist oft etwas schwierig. Auchsind Metallteile am Gehäuse langfristig einer ver-stärkten Korrosion ausgesetzt.

Ätzen in einer KunststoffschaleDie einfachste und billigste Möglichkeit, den Ätz-vorgang kontrolliert ablaufen zu lassen, ist die Ver-wendung einer flachen Kunststoffschale (Foto-entwicklerschale, ...). Da die Ätztemperatur etwa30°C - 40°C betragen sollte, muss die Flüssigkeiterwärmt werden. Dazu gibt man die Kunststoffschalein ein weiteres größeres Gefäß mit Wasser, dasman z.B. mit einem Kocher erwärmt. Wenn dieTemperatur aus Erfahrung noch nicht „erfühlt“ wer-den kann, sollte die Temperatur des Ätzmittels miteinem Thermometer gemessen werden.

Wichtig! Wird mit einer Kombination aus Wasser-stoffperoxid und Salzsäure geätzt, so ist auf jedenFall eine geeignete Absauganlage erforderlich, dadie Dämpfe, die insbesondere bei zu warmer Ätz-flüssigkeit entstehen, hoch aggressiv sind.

Der ÄtzvorgangDer Ätzvorgang ist jener Punkt in der Platinen-fertigung, bei dem häufig Probleme auftreten kön-nen. Auf keinen Fall darf der Ätzvorgang unbeob-achtet ablaufen, da bei zu langer Ätzzeit die Leiter-bahnen unterätzt werden können. Ein Problem istdas dann, wenn die Bahnen sehr schmal sind.Außerdem hält die Fotoschicht nicht beliebig lan-ge dem Ätzmittel stand.

Ablauf: Die Platine wird mit der Kupferseite nachoben mit einer Kunststoff-Pinzette in das Gefäßgelegt. Während des Ätzens soll das Ätzbad leichtbewegt werden, damit ständig frisches Ätzmittelüber die Platine strömt. Zumeist wird der Ätzvor-gang am Rand einer Platine zuerst erkennbar.

Ätzgerät für Natriumpersulfat

Platinenfertigung ... Ätzen der Platine


NatriumpersulfatAls Alternative zum früher verwendeten Eisen-III-Chlorid-Prozess verwendet man Natriumpersulfat.Es handelt sich um ein weißes Pulver, das unterWärmezufuhr im Wasser aufgelöst wird und dasauch als verbrauchte Lösung wasserklar bleibt.

100 g Natriumpersulfat für 0,5 Liter Ätzmittel

Für einen Liter Ätzmittel benötigt man 200 gNatriumpersulfat; das Mischungsverhältnis ist also1 Teil Natriumpersulfat zu 4 Teilen Wasser. Dieideale Ätztemperatur beträgt etwa 40°C. Über 60°Cverliert das Ätzmittel seine Wirkung. Die Tempera-tur muss also sehr genau gemessen werden. DieÄtzgeschwindigkeit ist allerdings sehr langsam,weshalb die Gefahr besteht, dass es bei den Leiter-bahnen zu Unterätzungen kommt.Auf Grund der problematischen Handhabung undauch aus Kostengründen wird Natriumpersulfatinsbesondere in der Hobbyelektronik und damitauch in der Schule kaum mehr verwendet.Als beste Alternative empfiehlt sich daher der Was-serstoffperoxid-Salzsäure-Prozess.Auch Natriumpersulfat ist entsprechend den gesetz-lichen Bestimmungen zu entsorgen.

Salzsäure + WasserstoffperoxidUnter Hobbyelektronikern ist die Mischung ausWasser, Salzsäure und Wasserstoffperoxid ambeliebtesten, da dieses Ätzmittel, wenn man ge-wisse Vorsichtsmaßnahmen einhält, ausgespro-chen problemlos ist. Außerdem ist es gegenüberanderen Ätzmitteln - was den Umweltschutz be-trifft - eher unproblematisch, da es wiederverwertetwerden kann.Ein wesentlicher Vorteil in der praktischen Anwen-dung ist, dass mit dem Ätzmittel bei Zimmertem-peratur gearbeitet werden kann. Es genügt alsoeine flache Kunststoffschale, in der die Platine Platzfindet, wobei ein Flüssigkeitsstand von 2 cm Höheausreichend ist.

MischungsverhältnisUm 1 Liter Ätzflüssigkeit herzustellen, ist folgen-de Mischung empfehlenswert:

770 ml Wasser200 ml Salzsäure (30 - 35 %)30 ml Wasserstoffperoxid (30 - 35 %)

Bei der Herstellung der Ätzflüssigkeit ist zu be-achten, dass in das Ätzgefäß zuerst das Wassereingefüllt wird, dann die Sälzsäure und dasWasserstoffperoxid.In der Praxis wird es kaum vorkommen, dass maneine Menge von einem Liter Ätzflüssigkeit benö-tigt. Benötig man z.B. nur 1/4 Liter Ätzflüssigkeit,so ist jeder Wert der Mischungsanteile durch 4 zudividieren. Um die Flüssigkeitsanteile möglichstgenau bestimmen zu können, benötigt man einMessgefäß, idealerweise aus Glas.

Unter Elektronikern sind sogenannte „Radikal-mischungen“ aus Wasser, Salzsäure und Wasser-stoffperoxid allgemein bekannt. Das Ziel ist, die ansich schon zufriedenstellende Ätzgeschwin-digkeit der Idealmischung von etwa 5 - 10 Minu-ten noch erheblich zu beschleunigen.

Eine Erhöhung der Konzentration durch vermehrteZugabe von Salzsäure bzw. Wasserstoffperoxid hatzur Folge, daß ätzende und damit schleimhaut-reizende Dämpfe vom Ätzmittel aufsteigen, diegesundheitsgefährdend sind. Außerdem kann dieÄtzgeschwindigkeit derart beschleunigt werden,dass man das Ende der Ätzzeit übersieht und esdann sehr leicht zu Unterätzungen und damit zuUnterbrechungen der Bahnen kommen kann.

Aus diesen Gründen sollte das angegebene Mi-schungsverhältnis möglichst genau eingehaltenwerden. Man kann dann den Ätzvorgang auch sehrgenau beobachten.

Zuerst erfolgt ein Farbumschlag der belichtetenFlächen - nicht der Leiterbahnen - nach Dunkel-braun. Nach wenigen Minuten wird an den Rän-dern der Platine und an den Rändern der Leiter-bahnen das Basismaterial sichtbar. Gegen Endedes Ätzvorgangs verbleiben nur mehr größereKupferinseln zwischen den Leitungen. Sind auchdiese weggeätzt, wird die Platine mit einer Kunst-stoff-Pinzette aus der Ätzflüssigkeit genommen undmit Wasser abgespült.

Die Ätzflüssigkeit kann in einem Kunststoffgefäßfür weitere Ätzungen aufbewahrt werden. Eine Sät-tigung des Ätzmittels erkennt man daran, dasssich die Ätzgeschwindigkeit vermindert und eineintensivere Dunkelfärbung des Ätzmittels eintritt .

Platinenfertigung ... Reinigen - Bohren - Schutz vor Oxydation


Nach dem Ätzen wird von den Leiterbahnen undauch von der Vorderseite der Platine die Fotoschichtentfernt. Die Platine muss dazu absolut trockensein.

Reinigen der PlatineEin praktisches Reinigungsmittel dafür ist Aceton,aber auch Spiritus ist geeignet. Der Auflöseprozessdauert allerdings einige Sekunden länger.

Nach dem Reinigen der Platine kann sie gebohrtwerden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich,die Platine vor dem Bohren mit einem Korrosi-onsschutz zu versehen.Für die Bohrungen eignet sich bestens eine Mini-Bohrmaschine mit Spannzangenbohrkopf.Preisgünstige Bohrmaschinen mit einer Betriebs-spannung von 12 - 18 Volt gibt es im Handel. Siekönnen z.B. mit einem 1000 mA - Steckernetz-teil betrieben werden.

Bohren der PlatineLöcher für Standardbauelemente (Widerstände,Dioden, Kondensatoren, Kleinsignal-Transistoren,usw.) werden normalerweise mit einem 1 mm -Bohrer gebohrt. Bei IC-Anschlüssen sollte maneinen 0,8 mm - Bohrer verwenden, zur Not tut esaber auch ein neuer 1 mm - Bohrer. Für größereBohrungen (Trimmpotentiometer, Leistungstran-sistoren, ...) eignet sich ein 1,5 mm - Bohrer. Sol-len Litzen in die Platine eingelötet werden, kannauch ein 2 mm - Bohrer nötig sein.

Als Bohrer kommen in der Regel HSS-Typen inFrage, obwohl es qualitativ hochwertige Spezial-bohrer für Platinen gibt. Diese sind aber sehrteuer und brechen bei unsachgemäßer Handha-bung relativ leicht.

Für Verschraubungen der Platine mit einem Ge-häuse werden oft M3 - Schrauben verwendet. Da-für sollten 3,5 mm - Bohrungen in der Platine vor-gesehen werden. Diese müssen allerdings mit ei-ner Ständerbohrmaschine ausgeführt werden.Größere Bohrungen sind schon im Layout durchgrößere Lötpunkte gekennzeichnet.

Allround-Bohrmaschine: 12 - 18 Volt, 1000 mA

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten desSchutzes der Kupferbahnen vor Oxydation .......Verzinnen oder Schutzlack.

VerzinnenBei einer kleinen Platine können die Leiterbahnenverzinnt werden, indem man mit dem LötkolbenElektronik-Lötzinn direkt auf die Leiterbahnenaufbringt.Eine elegantere Methode ist das chemische Ver-zinnen im stromlosen Tauchverfahren. Zinn gibtes in Fläschchen zu 0,25 bzw. 0,5 Liter oder inPulverform. Bei kühler und dunkler Lagerung rei-chen 0,5 Liter für etwa 60 Euro-Platinen.Die Flüssigkeit hinterläßt auf den Kupferflächen ei-nen Zinnbelag, der sehr widerstandsfähig ist undsich hervorragend verlöten lässt. Die Platine mussfür das Verzinnen sauber, trocken und fettfrei sein.Als Gefäß eignet sich eine flache Kunststoff- oderGlasschale. Nach ca. 2 - 3 Minuten kann die Pla-tine aus dem Zinnbad herausgenommen und mitWasser abgespült werden. Eine gute Verzinnungliegt dann vor, wenn kein Kupfer durch die Zinn-schicht mehr durchschimmert. Eine Erwärmung desZinnbades ist nicht notwendig.

Schutz der Platine vor KorrosionLötlack

Auch ein lötfähiger Schutz- und Überzugslack ver-hindert die Oxydation. Ein typischer Lack für die-se Verwendung in der Elektronik ist der LötlackSK 10. Er ist außerdem ein hervorragendes Löt-hilfsmittel, das die Löteigenschaften der Kupfer-fläche verbessert. Den Lötlack SK 10 gibt es inDosen zu 200 ml und zu 400 ml.

Wird der Lack vor der Bestückung der Platine aufdie Kupferseite aufgebracht, so ist zu beachten,dass er eine gewisse Trockenzeit - bei richtigerHandhabung ca. 15 Minuten oder auch länger -benötigt, wobei er schneller trocknet, wenn die Pla-tine erwärmt wird. Erst dann kann mit der Platineweitergearbeitet werden. Deshalb ist es wichtig,dass die Platine nicht zu stark besprüht wird. EinMindestabstand beim Sprühen von etwa 30 cmsollte eingehalten werden. Ein ganz feiner Filmgenügt völlig. Sinnvoll ist es, wenn mehrere Plati-nen nebeneinander auf Zeitungspapier gelegt undgleichzeitig besprüht werden.Weniger Probleme mit dem Trocknen gibt es nor-malerweise, wenn die Schaltung erst nach ihrerFertigstellung mit dem Schutzlack versehen wird.

Astabiler Multivibrator ... Wechselblinker


Schaltplan Bestückungsplan

R1150 ΩΩΩΩΩ

R310 kΩΩΩΩΩ

C2100 µF

C1100 µF

T1BC 547B

LD 1LED rot 4,5 - 12 V

T2BC 547B

R2150 ΩΩΩΩΩ

R410 kΩΩΩΩΩ

LD 2LED grün

BauelementeR1 .................... 150 OhmR2 ................... 150 OhmR3 .................... 10 kOhmR4 .................... 10 kOhmC1 ........................... 100 µFC2 ........................... 100 µFLD1 ........................ LED rotLD2 ..................... LED grünT1 ...................... BC 547BT2 ...................... BC 547BLötstifte 1mm ....... 2 StückPlatine ............. 50 x 32 mm

Der astabile Multivibrator (Wechselblinker) gehörtzur Familie der Rechteckgeneratoren und isteine wichtige elektronische Grundschaltung. DieSchaltung erzeugt periodische Signale, die durchdas abwechselnde Blinken zweier Leuchtdioden- rot und grün - angezeigt werden.

Der Kondensator C2 wurde jedoch inzwischenüber LD2 und dessen Vorwiderstand R2 innerhalbkurzer Zeit geladen. Über R3 wird C1 nun langsamentladen und ein wenig in umgekehrter Richtungaufgeladen, bis die Schwellspannung des Transi-stors T2 (ca. 0,65 Volt) erreicht wird und T2 zuleiten beginnt. Die Kollektorspannung von T2 fälltdann schlagartig auf 0,1 Volt; die Leuchtdiode LD2leuchtet. Über C2 wird dieser negative Spannungs-sprung jetzt auf die Basis von T1 übertragen, wes-halb nun T1 sperrt und die Leuchtdiode LD 1 nunnicht mehr leuchtet.

Nun läuft der beschriebene Vorgang in umgekehr-ter Richtung ab. Dies wiederholt sich selbsttätigund ohne Beeinflußung von außen. Frequenz-bestimmend sind R3 mit C1 und R4 mit C2, wobeisich bei dieser symmetrischen Beschaltung(R3 = R4, C1 = C2) eine Blinkfrequenz derLeuchtdioden von etwa 0,7 Hertz ergibt.

Schaltungsbeschreibung:

Zwei gleichartig aufgebaute Transistorschalter(T1, R1, R4, LD1 und T2, R2, R3, LD2) sind überKondensatoren (C1 und C2) wechselstrommäßigmiteinander verbunden. Sie steuern sich gegen-seitig: Leitet T1 - sperrt T2, leitet T2 - sperrt T1.

Bei der Betrachtung der Funktion geht man voneinem Augenblickszustand aus.

Angenommen, T1 ist gerade leitend geworden(LED 1 leuchtet), so ist die Kollektorspannung vonT1 von nahezu Betriebsspannung schlagartig aufca. 0,1 Volt Sättigungsspannung des TransistorsT1 gefallen ..... und damit auch der PLUS-Pol desgeladenen Kondensators C1. Da sich Kondensa-toren nicht schlagartig entladen, sondern langsamnach einer e-Funktion, wird dieser Spannungs-sprung direkt auf die Basis von T2 übertragen.Für einige Zeit befindet sich daher der negativePol von C1 unter einer Spannung von 0 Volt; d.h.,die Basis von T2 liegt für eine gewisse Zeit aneiner negativen Spannung. Solange aber in dieBasis kein Strom fließt, sperrt T2 und dieLeuchtdiode LD 2 leuchtet nicht.

f =1

1,4 . R . CR = R3 = R4C = C1 = C2

Formel zur Berechnungder Frequenz eines

symmetrischen Multivibrators

R1

R3

C2C1

T1

LD 1

T2

R2

R4 LD 2

Vorlage für Fotomethode Vorlage für Zeichenmethode

AM

VAMV

Alarmanlage ... Anti-Grapsch


Eine Alarmanlage mit großer Leistung ist der Anti-Grapsch. Ein kurzer Kontakt (Taster Ta oder ex-terner Anschluß) löst den Alarm aus. Der Klein-leistungstransistor BD 140/16 sorgt für einen lau-ten durchdringenden Heulton, der jeden ungebe-tenen Gast in die Flucht schlägt. Wichtig! ImBereitschaftszustand benötigt die Schaltung kei-nen Strom, weshalb der Anti-Grapsch auch überlängere Zeit an der Betriebsspannung ange-schlossen bleiben kann.

BauelementeR1 ...................... 100 OhmR2 .................... 220 kOhmR3 ...................... 22 kOhmR4 ...................... 100 OhmR5 ...................... 10 kOhmR6 ....................... 1 MOhmC1 .......................... 100 µFC2 .......................... 100 µFC3 ............................ 10 nFD ..........................1N 4148T1 ........................ BC 547BT2 ..................... BD 140/16Lötstifte 1mm ....... 6 StückPlatine ........... 50 x 50 mmLautsprecher .... 4-8 Ω/2W

Vorlage für Fotomethode Vorlage für Zeichenmethode

R1

R2

R4

R6

R5

R3

C3

C2

C1

T1

T2

D

LS

TaR1100 ΩΩΩΩΩ

R2 220 kΩΩΩΩΩ

R4 100 ΩΩΩΩΩ

R6 1 MΩΩΩΩΩ

R5 10 kΩΩΩΩΩ

R322 kΩΩΩΩΩ

C3 10 nF

C2100 µF

C1100 µF T1

BC 547B

T2BD 140/16

D1N 4148 LS

4 - 8 Ω / Ω / Ω / Ω / Ω / 2 W

TaTaster

4,5 - 12 Volt

Schaltplan Bestückungsplan

Durch diese starke Mitkopplung leiten beide Tran-sistoren schlagartig; so lange, bis C3 über R5umgeladen ist. Durch die Rückstellkraft der Laut-sprecher-Membrane entsteht eine Induktions-spannung in der Lautsprecherspule, die umge-kehrt zur Betriebsspannung gepolt ist. Dies über-trägt sich über C3 und R5 auf die Basis von T1 ....T1 sperrt sofort, folglich auch T2. Somit bewegtsich die Kollektorspannung von T2 endgültig nachMINUS.

C3 lädt sich über R2 und R5 wieder um, bis dieSchwellspannung von T1 erreicht ist. Dann wie-derholt sich der beschriebene Vorgang. Dies dau-ert bei abnehmender Tonfrequenz ca. 1 Minute.Dann ist C1 so weit entladen, daß er keinen Strommehr liefern kann und beide Transistoren sperren.C2 dient als Pufferkondensator und verlängert dieVerwendungsdauer der Batterie.

Schaltungsbeschreibung:Die Transistoren T1 und T2 bilden einen komple-mentären Kippgenerator, wobei abwechselnd bei-de Transistoren gleichzeitig leiten und sperren.Die so entstehenden Impulse werden im Lautspre-cher als Ton hörbar. Wird der Taster Ta gedrückt,lädt sich C1 rasch über R1 auf Betriebsspannungauf. Über R2 erhält T1 - nach Loslassen desTasters aus C1 - einen geringen Basisstrom.T1 leitet vorerst schwach, folglich auch T2, derüber R4 angesteuert wird. Ein geringer Stromflußin T2 bewirkt jedoch, daß sich sein Kollektor einwenig nach PLUS bewegt. Dies überträgt sichüber C3 und R5 auf die Basis von T1, der deshalbnoch mehr Basisstrom an T2 liefert.

AG

LS

AG

LS

Transistor BD 140/16

Beim Kleinleistungstransistor T2 (BD 140/16) ist auf dieEinbaurichtung zu achten. Die dunkle Seite (unten) kenn-zeichnet die Metallseite des Transistors.

Klein-Ladegerät für Nickel-Cadmium-Akkus


Nickel-Cadmium-Akkus ersetzen heutzutage invielen Fällen Batterien, da sie in gleicher Bau-form wie Batterien erhältlich sind und nach derEntladung wieder geladen werden können. Zwarist das Cadmium in den Akkus giftig, doch wegender längeren Nutzungsdauer der NiCd-Akkus - beivernünftiger Handhabung kann man mit gut 1000Ladungen rechnen - sind sie weitaus umwelt-freundlicher, als wenn dafür hunderte Batterienweggeworfen werden müssen. Klar, daßNiCd-Akkus auf Grund ihrer langen Lebensdauerdie Geldbörse erheblich weniger belasten, obwohlsie etwa 2 - 4 mal so teuer wie Batterien sind.Neben den bedeutend günstigeren Gesamtkostenbesitzen NiCd-Akkus noch weitere nicht zu ver-achtende Vorteile. Sie sind auslaufsicherer alsBatterien, sie haben einen niedrigeren Innen-widerstand und liefern nahezu bis zum Entlade-ende eine konstante Spannung. Nicht nur derElektroniker weiß diese Eigenschaften zu schät-zen. Gegenüber frischen Batterien mit 1,5 VoltAnfangsspannung bringt es ein frisch geladenerAkku allerdings nur auf etwa 1,35 Volt und pen-delt sich bei der Entladung auf etwa 1,20 - 1,25Volt ein; dies aber fast bis zur völligen Entladung.Trotz dieses Spannungsunterschiedes könnenBatterien in der Regel ohne Probleme durch Ak-kus ersetzt werden. Von Vorteil ist dabei auch, daßes Akkus und Batterien in gleichen Baugrößengibt.

Dazu ein Beispiel: Eine Babyzelle mit 1,8 Ah(Ah = Ampere-Stunden) wird bei einer Normal-ladung mit einem Strom von 180 mA 14 Stundenlang geladen; eine Mignon-Zelle mit 500 mAh wirdmit 50 mA ebenfalls 14 Stunden lang geladen,ein 9-V-Akkublock (110 mAh) mit 11 mA dieselbeZeit. Nach diesem Muster kann der Ladestrom I füralle anderen Akkukapazitäten, die fast immer aufdem Akku selbst angegeben sind, ermittelt werden.

Nickel-Cadmium-Akkus

Richtiges Laden von NiCd-AkkusNiCd-Akkus werden nach der Entladung wieder ge-laden. Dies sollte mit einem konstanten Strom ge-schehen. Handelsübliche Ladegeräte erfüllen nor-malerweise diese Bedingung. In der Regel ist esso, daß ein Akku mit 10 % der Nennkapazität füreine Dauer von 14 Stunden (= das 1,4-fache desentnommenen Stroms) wieder geladen wird.

6 Zellen ... 7,2 Volt 4 Zellen ... 4,8 Volt

Lady Micro Mignon Baby Mono 9V-Block

Wird die Ladezeit bei der Normalladung über-schritten oder war der Akku vor der Ladung nichtganz entladen, so ist eine Überladung bei einemStrom berechnet mit 10 % der Nennkapazitätnicht weiter tragisch. Das verkraften NiCd-Akkusganz gut. Jedoch dürfen NiCd-Akkus beim Laden(auch bei der Entladung) nicht parallel geschal-tet werden; auch sollte man nicht verschiedeneAkkugrößen beim Laden in Reihe schalten.Akkuzellen gleicher Kapazität können, sofern nichteine Zelle defekt ist, sowohl beim Laden als auchbeim Entladen für die jeweils erforderliche Span-nung wie Batterien in Reihe geschaltet werden.Zu beachten ist jedoch, daß man nicht neue Ak-kus mit Uralt-Typen mischt.

Grundsätzlich sollten NiCd-Akkus vor dem Ladenmit einem Ladegerät vorher entladen werden.Dies geschieht normalerweise über einen Last-widerstand, der zum Akku parallelgeschaltet wird.Der Widerstand kann so dimensioniert werden,daß der Entladestrom der Nennkapazität entspricht;bei einem 500 mAh - Akku sind das also 500 mA.Die Praxis zeigt jedoch, daß NiCd-Akkus seltenvor dem Laden völlig entladen werden.

NiCd-Akkus sind aber auch schnelladefähig; d.h.,daß sie mit einem erheblich höheren Ladestromals 10 % der Nennkapazität geladen werden kön-nen. Beim Elektro-Modellflug wird dies erfolgreichpraktiziert (Ladung in ca. 15 Minuten) .... aus ver-ständlichen Gründen. Die Gefahr der Überladungmit einem hohen Strom ist dabei nicht zu unter-schätzen; außerdem verkürzt sich bei höherenLadeströmen die Lebensdauer der Akkus. In derPraxis hat sich folglich die Ladung mit 10 % derNennkapazität am problemlosesten erwiesen, spe-ziell deshalb, weil man das Ende der Ladezeit auchohne schlechtes Gewissen einmal übersehen kann.

Berechnung des Ladestroms I

I = Kapazität

10..

Klein-Ladegerät für Nickel-Cadmium-Akkus


Akku-Ladegerät für NiCd-AkkusDie Abbildung rechts zeigt einen Schaltplan fürein kleines NiCd-Ladegerät, das den Anforde-rungen entspricht und das an alle üblichen Akku-kapazitäten angepaßt werden kann. Voraussetzungist ein handelsübliches 300 mA - Steckernetzteil;bei einem Ladestrom von mehr als 200 mA empfiehltsich ein Netzteil mit 500 oder 1000 mA. Natürlicheignet sich auch ein entsprechendes Netzgerät, dasden notwendigen Ladestrom liefert.Dieses kleine Ladegerät, das einen konstantenLadestrom I abgibt, ist gegen falsche Polung derBetriebsspannung gesichert. AußergewöhnlicheBauelemente werden nicht verwendet.Der Ladestrom wird mit einer Konstantstromquelle(BC 547B + BD 139/16) erzeugt, wobei derWiderstand R1 den Ladestrom bestimmt. DerWert des Widerstandes R1 berechnet sich ausdem Spannungsabfall über R1 mit etwa 0,65 Voltund aus dem gewünschten Ladestrom I.

Bei einer an der Stromversorgung U eingestell-ten Spannung von 12 Volt können bis zu 7 Zellen(in Reihe geschaltet) geladen werden.Unstabilisierte Steckernetzteile - falls ein solchesverwendet wird - haben außerdem die „zweifelhaf-te Eigenschaft“, bei geringerer Stromentnahme einewesentlich höhere Spannung als die eingestelltezu liefern. Dafür erwärmen sie sich bei höhererStromentnahme auch ganz schön kräftig. Bei we-niger Zellen kann man zwecks Verringerung derVerlustleistung im BD 139/16 (Wärme) das Netz-teil auf eine geringere Spannung einstellen.

Ab einem Ladestrom von 50 mA empfiehlt sicheine Kühlung des Kleinleistungstransistors BD139/16. Dafür eignet sich ein Stück Alu-Blech(ca. 5 x 5 cm) nach dem Motto .... je größer unddicker, desto besser, oder ein handelsüblicher Kühl-körper. Dieser wird mit einem M3-Schrauben amTransistor (Metallfläche am Gehäuse) befestigt.Wird zwischen Kühlkörper und Transistor eineWärmeleitpaste verwendet, so verdoppelt sichzusätzlich der Wirkungsgrad der Kühlung. Insbe-sondere bei Mono-Zellen (Ladestrom 400 mA) istein großer Kühlkörper und die Verwendung ei-ner Wärmeleitpaste unbedingt notwendig.

Berechnung des Widerstandes R1

R1 =0,65 V

Ladestrom I

Mit einem 4-fach Stufenschalter können 4 ver-schiedene Ladeströme, die je nach Widerstands-wert festgelegt sind, eingestellt werden. Wird nurein Ladestrom benötigt, genügt der Einbau desentsprechenden Widerstandes mit der Brücke.

110 mAh ... Ladestrom 11 mA ... R1 = 56 Ω500 mAh ... Ladestrom 50 mA ... R1 = 12 Ω

1800 mAh ... Ladestrom 180 mA ... R1 = 3,9 Ω4000 mAh ... Ladestrom 400 mA ... R1 = 1,8 Ω

Vorschläge für die Wahl des Widerstandes R1(Berechnung mit der Formel)

Schaltplan BauelementeR1 ............... a,b,c,dR2 .......... 1,5 kOhmC ................. 6,8 nFD ............... 1N 4007LD ............ LED grünT1 ............. BC 547BT2 .......... BD 139/16Platine ... 50 x 50 mm

LED grünMINUS-PolkurzerAnschluß

Metallseite

Metallseite

T2 BD 139/16

R1a,b,c,d

R21,5 kΩΩΩΩΩ

T1BC 547B

T2BD 139/16

C6,8 nF

D1N 4007

Akk

u12 Volt

LEDgrün

LD

Akku-L

A

U

Akk

u-L

A

U

1N 4007

R2 1,5 kΩΩΩΩΩ LED grün

Akku

U

R1 a,b,c,dT1 BC 547B

6,8

nF

BD 139/16T2D

C

Kü

hlk

örp

er (A

lu)

Vorlage für Fotomethode Vorlage für Zeichenmethode Bestückungsplan

LD

Netzgerät LM 317


Mit dem Spannungsregler-IC LM 317T läßt sichein vielseitig verwendbares Netzgerät aufbauen.Die Ausgangsspannung kann je nach verwende-tem Transformator zwischen 1,25 Volt und maxi-mal 37 Volt bei einem Strom von 1,5 Ampereeingestellt werden. Dazu werden im Prinzip nurdie Widerstände R2 und eventuell Rx, das Trimm-potentiometer P1 und das Potentiometer P2 be-nötigt. Der LM 317 T verfügt über ein besseresRegelverhalten als die Festspannungsregler undist intern gegen Überlastung geschützt.

Einige zusätzliche Bauelemente dienen noch zurVerbesserung der ohnehin sehr guten Eigenschaf-ten. C1 dient als Entkoppelkondensator direkt amReglereingang. C3 entkoppelt die interne Refe-renzspannung und verbessert dadurch die Brumm-unterdrückung. Durch den parallel zum Ausganggeschalteten Kondensator C4 werden Spannungs-spitzen durch impulsförmige Laständerungen weit-gehend abgeflacht.Die Schutzdiode D2 sorgt bei Kurzschlüssen amAusgang für eine schnelle Entladung von C3. Wirdz.B. beim Laden eines Akkus die Stromversor-gung an der Primärseite des Transformators un-terbrochen, ohne daß vorher der Akku abge-klemmt wird, so kann der Strom über D1 um denLM 317 herumfließen. Auch C4 kann sich so beimAusschalten des Netzteils über D1 entladen.

BauelementeR1 ......................... 1,2 kOhm/1WR2 ................................. 150 OhmP1 ............. 100 Ohm (Trimmpot.)P2 .......2,2 kOhm (Potentiometer)C1 .................................... 100 nFC2 ........................... 2200 µF/40VC3 ............................... 22 µF/40VC4 ............................... 47 µF/40VLD ................................... LED rotD1+ D2 ........................... 1N 4007D3 - D6 .......................... 1N 5400IC ................................ LM 317TLötstifte (1 mm) ................ 4 StückPlatine ...................... 80 x 50 mm

Die Spannungseinstellung wird mit dem Poten-tiometer P2 vorgenommen. Sollte P2 einen ge-ringfügig zu großen Wert haben - z.B. 2,5 kOhmanstatt 2,2 kOhm -, so ist der Widerstand Rx zurAnpassung vorgesehen (z.B. 10 kOhm). Wird Rxeingebaut, so ist die Spannungseinstellung nichtmehr linear, sondern weicht geringfügig von einerGeraden ab.

Um die maximal mögliche Ausgangsspannungan die vorhandene Eingangsspannung (Trafo,Akku) optimal und in einem weiteren Bereich an-passen zu können, ist der Strom über der inter-nen Referenzspannung (1,25 Volt) innerhalb be-stimmter Grenzen mit P1 einstellbar. In der ange-gebenen Schaltung erstreckt sich dieser Bereichvon etwa 12,25 Volt bis 19,6 Volt.Werden andere Bereiche gewünscht, so ist P2 ent-weder zu verkleinern (1 kOhm) oder zu vergrö-ßern (4,7 kOhm). Mit der angegebenen Formelläßt sich die Ausgangsspannung UA berechnen.

Kühlung des Spannungsreglers LM 317TDie über dem LM 317T abfallende Verlustleistungwird im IC in Wärme umgesetzt, die abgeführtwerden muß. Dazu ist der Spannungsregler miteinem M3-Schrauben auf einem geeigneten Kühl-körper zu montieren. Auch ein selbstgefertigtesKühlblech aus Aluminium (Stärke: 3 - 5 mm) miteiner Fläche von mehr als 100 cm² als Gehäuse-rückwand ist in den meisten Fällen ausreichend.In jedem Fall muß zur Erhöhung des Wärme-leitwertes zwischen IC und Kühlblech Wärmeleit-paste verwendet werden.

KabelverbindungenDie Kabelverbindungen von der Platine zum LM317T sind aus einer dicken Litze herzustellen undsollten so kurz wie möglich sein. Dasselbe gilt fürdie Verdrahtung vom Transformator zur Schaltungund von der Schaltung zu den Anschlußbuchsen.Ansonsten sind dünne Litzen ausreichend.

Formel zur Berechnung der maximalmöglichen Ausgangsspannung

Wird zum Potentiometer P2 der Widerstand Rxparallelgeschaltet, so ist diese Parallelschaltungbei der Berechnung zu berücksichtigen.

UA = 1,25 . (1 + )P2

(P1 + R2)

1,2 kΩΩΩΩΩ

1 W

D3 - D64 x 1N 5400 .. 5408

LM317 T

D21N 4007

D1 1N 4007

2200 µF 40 V

C1100 nF

22 µF40 V

100 ΩΩΩΩΩ

2,2 kΩΩΩΩΩ

LEDrot

R2150 ΩΩΩΩΩ

UA

P2

Traf

o

47 µF40 V

P1

Rx

R1

IC

LDC2 C3 C4

Netzgerät LM 317


89

D3

LM317T

D2

D1

C1

LED rot

R2

P2

P1

Rx

R1

IC

LD

C2

C3

C4

8

9

7

6

76

D4

D5D6

2 31

1 2

3

10

11

10

11

5

4

5

4

230 V

Pri

mär

Sek

un

där

Transformator

Transformator: Die maximale Ausgangsspannung UA des Netzgerä-tes hängt von der Sekundärspannung des Transformators UN ab.Näherungsweise ergibt sich UA mit folgender Formel: UA = 1,3 . UN - 4

Die Sekundärspannung des verwendeten Transformators sollte 24 Voltnicht überschreiten.

Primär- und Sekundärseite eines Tra-fos dürfen nicht verwechselt werden.Daher müssen die Spulenwiderständemit dem Multimeter gemessen wer-den. Die Primärseite (230 Volt) hateinen höheren Spulenwiderstandals die Sekundärseite.

UA

rot

schwarz

Beim Anschluß der LED ist aufdie richtige Polung zu achten.

Die Abbildungzeigt die Rück-seite des Poten-tiometers P2.

Bu

chse

n

Der IC wird in der abge-bildeten Anschlußfolge(1 - 2 - 3) mit kurzendicken Litzen mit derPlatine verbunden.

Vorlage für Fotomethode

Vorlage für Zeichenmethode

Hinweise zum Aufbau des NetzgerätesDas Netzteil mit dem Transformator muß inein geeignetes Gehäuse eingebaut werden.An der Primärseite des Transformators ist einSchalter für die Netzspannung vorzusehen,ebenfalls eine Sicherung (flink) in Abhängig-keit vom verwendeten Transformator.Beim Einstellen der maximal möglichen Aus-gangsspannung ist zu beachten, daß dies beigeöffnetem Gehäuse, in dem die Netzspan-nung offen zugänglich ist, geschieht. Dabeisind die entsprechenden Sicherheitsbestim-mungen zu beachten. Derartige Arbeiten,sowie die Verdrahtung mit der Netzspannung,sind daher nur vom Fachmann durchzuführen.

Eine andere Möglichkeit der Stromversor-gung ist ein Wechselspannungs-Stecker-netzteil. Das Problem mit der Netzspannungvon 230 Volt entfällt in diesem Fall. DasSteckernetzteil sollte allerdings mindestenseinen Strom von 1 Ampere liefern können.

Der ideale Transformator für diese Netzteil sollteeine Sekundärspannung von 15 Volt haben unddabei einen Strom von 2,2 Ampere liefern. DerLadekondensator C2 ist so zu dimensionieren,daß auf einen Strom von 1 mA etwa 1 - 2 µFKondensatorkapazität entfallen. Bei 1000 mAgenügen also 1000 - 1500 µF. Die Platine ist soausgelegt, daß für C2 auch zwei Kondensa-toren parallel geschaltet werden können.

Mini - Detektiv Print-Schaltung


Bauelemente-Stückliste

R1........................ 18 kOhmR2 ....................... 680 OhmR3 ........................ 27 kOhmR4 .......................180 kOhmR5 ....................... 2,2 kOhmR6,R7 ................... 6,8 OhmR8 .........................470 OhmP .......................... 4,7 kOhm

C1.................................1 µFC2,C3 .......................100 µFC4 ............................220 µF

D1,D2 ................... 1N 4148

T1,T2 ................... BC 547CT3 ...................... BC 337-25T4 ...................... BC 327-25

Elektret-Mikrofon ...... 2-poligLautsprecher .... 8 Ω / 0,5 W

Lötstifte (1 mm) ....... 6 Stück

Platine ............... 50 x 50 mm

Der Mini-Detektiv ist eine einfache aber sehr wirkungsvolle Verstärkerschaltung.Er kann als Abhöranlage, zur Babyüberwachung, aber auch, wenn man zweiSchaltungen baut, als sehr praktische Gegensprechanlage verwendet werden.Als Schallaufnehmer dient ein 2-poliges Elektret-Mikrofon, das bereits einenVerstärker eingebaut hat. Über T1, das Trimmpotentiometer P, C1 und R2 ge-langt das Signal auf die Basis des Transistors T2, der das Signal verstärkt.T2 steuert eine Gegentakt-Endstufe - T3 und T4 -, wobei der Widerstand R5die Verstärkung noch einmal erhöht. Über C4 wird das mittels der Endstufen-transistoren verstärkte Signal an den Lautsprecher ausgekoppelt.Mit dem Trimmpotentiometer P wird die Lautstärke eingestellt. Wenn Laut-sprecher und Mikrofon zu eng beieinander liegen, kann es zu Rückkopplungen(Pfeifen im Lautsprecher) kommen. In diesem Fall sollte die Lautstärke so weitzurückgedreht werden, bis das Pfeifen verschwindet.Das Elektret-Mikrofon wird mit den beiden Anschlüssen richtig gepolt an diePunkte X1 und X2 gelötet. Die Mikrofonzuleitung sollte nicht verlängert werden.Die beiden Verbindungskabel von den Lautsprecheranschlüssen bis zum Laut-sprecher können ohne Probleme bis zu 50 m lang sein.Die Ruhestromaufnahme der Schaltung liegt bei etwa 5 mA. Als Stromversor-gung eignet sich eine Batterie oder ein elektronisch stabilisiertes Netzgerät.

Für die Herstellung der Platinegelten die Hinweise zum Bau vonPrint-Schaltungen aus demSkriptum „Platinenfertigung“von Josef Straßhofer.

BestückungsplanDer Bestückungsplan ist vergrößert und mit Blick auf die Bauelemente-seite dargestellt. Beim Einbau der Bauelemente ist auf deren rich-tige Polung entsprechend der Abbildung zu achten.

PlatinenlayoutVorlage für die Fotomethode

Das Layout der Schaltung ist so abge-bildet, als würde man von oben - alsovon der Bestückungsseite - auf dieSchaltung blicken.Es kann mit einem Kopierer auf eineKopierfolie, die dann zum Belichten ver-wendet wird, übertragen werden.

Masse (Abschirmung)

Signalleitung (X1)

(X2)

Elektret-Mikrofon

R2 680 Ω

R118 kΩ

R52,2 kΩ

R4180 kΩ R7

6,8 Ω

R66,8 Ω

R327 kΩ

C2100 µF

C1 1 µF

T2BC 547C

T3 BC 337-259 Volt

E-Mikro LautstärkeX1

X2

Mini - Detektiv

T4 BC 327-25

C4220 µF

D11N 4148

LS8 Ω0,5 W

P4,7 kΩ

T1BC 547C

C3100 µF

R8 470Ω

D21N 4148

R1

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R2

C1

C2

C3

C4

T1

T2

T4

T3

D1

D2

P

LS

8 Ω0,5 W

Ele

ktre

t - M

ikro

fon

mit

Ans

chlü

ssen

X1

X2

Lautstärke

9 Volt

Infrarot - Signalübertragung ..... Sender



R1........................ 18 kOhmR2 ....................... 220 OhmR3 ....................... 220 OhmR4 ...................... 180 kOhmR5 ........................ 33 kOhmR6 ....................... 1,5 kOhmR7 ....................... 100 OhmP .......................... 4,7 kOhm

C1,C2 ..........................1 µFC3,C4 ..................... 100 µF

LED ...................... CQY 99

T1,T2,T3 .............. BC 547C

Elektret-Mikrofon ...... 2-poligKlinkenstecker ....... 3,5 mmReflektor für LED ...... 5 mmLötstifte (1 mm) ....... 5 StückPlatine ............... 50 x 50 mm

R1

R3

R4

R5

R6

R7

R2

C1

C2

C3

C4T1

T2

T3

LED

P

9 Volt

E-Mikro

LINE-IN


BestückungsplanDer Bestückungsplan ist vergrößert und mit Blick auf die Bauele-menteseite dargestellt. Beim Einbau der Bauelemente ist auf de-ren richtige Polung entsprechend der Abbildung zu achten.

Der Infrarot-Sender wandelt ein akustisches in ein optisches Signal um. DieSignalaufnahme kann über ein Elektret-Mikrofon (Eingang: E-Mikro) oder auseinem Radio, Walkman, CD-Player, ... (LINE-OUT ... LINE-IN) erfolgen. Dasoptische Signal wird im infraroten Bereich vom Sender (CQY 99) abgestrahlt,wobei die Reichweite bis zu 10 m und mit zusätzlichen Reflektoren auch nochmehr betragen kann. Die größte Reichweite erzielt man beim Anschluß einesGerätes an den LINE-IN - Eingang.Das Eingangssignal wird durch den Impedanzwandler T1 strommäßig verstärkt,wobei mit P die Lautstärke für den Empfänger eingestellt werden kann. Über C2und R3 gelangt das Signal an die Basis des Transistors T2, der über R4 und R5so eingestellt ist, daß sich am Emitter von T3 ohne Eingangssignal eine Span-nung von 5 Volt einstellt. Im Ruhezustand leuchtet die Sendediode CQY 99 alsomit mittlerer Helligkeit. Liegt ein Eingangssignal an, leitet T2 in Abhängigkeit vondieser Frequenz. T2 steuert mit R6 den Transistor T3, der die Sendediode mitStrom versorgt. Ein Reflektor für die Sendediode erhöht die Leuchtintensität.Als Stromversorgung eignet sich eine elektronisch stabilisierte Spannung von9 Volt oder eine 9 Volt - Batterie. Stromaufnahme der Schaltung: ca. 40 mA.


LED CQY 99

Beim Einbau der LED ist auf die Polarität zu achten.Der kurze Anschluß liegt auf MINUS (-). Außerdemmuß sie auf den Empfänger ausgerichtet werden.

Elektret-Mikrofon- und Klinken-stecker-Anschluß (LINE-IN) dür-fen nicht gleichzeitig am Eingangder Schaltung in Betrieb sein.

Vom Klinkenstecker führt einedünne Doppellitze von etwa 50 cmzum LINE-IN - Eingang. Der MI-NUS-Pol der Schaltung wird mitdem Außenanschluß (= langerStreifen) im Stecker verbunden.

R3 220 Ω

R118 kΩ

R4180 kΩ

R61,5 kΩ

R7100 Ω

R533 kΩ

C2 1 µF

C1 1 µF

T2BC 547C

9 Volt

E-Mikro

Lautstärke

Sender

C4100 µF

P4,7 kΩ

T1BC 547C

C3100 µF

R2 220 Ω

LEDCQY 99

T3BC 547C

LINE-IN

Masse - Minus(Abschirmung)

Signalleitung

Elektret-Mikrofon

Infrarot - Signalübertragung ..... Empfänger



R1........................ 47 kOhmR2 ....................... 220 OhmR3 ....................... 2,2 kOhmR4 .......................... 1 kOhmR5 ...................... 180 kOhmR6 ........................ 27 kOhmR7 ....................... 2,2 kOhmR8,R9 .................. 6,8 Ohm

C1.............................100 nFC2,C3,C4 ..................100 µF

D1,D2 ................... 1N 4148

T1,T2 ................... BC 547CT3 ...................... BC 337-25T4 ...................... BC 327-25FT .........................BPW 42

Reflektor für LED ...... 3 mmLautsprecher .... 8 Ω / 0,5 WLötstifte (1 mm) ....... 4 StückPlatine ............... 50 x 50 mm

BestückungsplanDer Bestückungsplan ist vergrößert und mit Blick auf die Bauelemente-seite dargestellt. Beim Einbau der Bauelemente ist auf deren rich-tige Polung entsprechend der Abbildung zu achten.



R1

R3 R4

R6

R9

R7

R8

R2

C1

C2

C3

C4

T1

T2

T4

T3

D1

D2

LS

8 Ω0,5 W

9 Volt

R5

FT

Der Infrarot-Empfänger wandelt ein optisches in ein akustisches Signal um.Das Signal vom Sender wird vom Fototransistor FT (BPW 42) empfangen undvom Impedanzwandler T1 strommäßig verstärkt. Über C1 und R4 gelangt dasSignal an die Basis des Transistors T2, der als Spannungsverstärker geschaltetist. T2 steuert die Gegentakt-Endstufe - T3 und T4 -, wobei R7 die Verstärkungnoch einmal erhöht. Über C4 wird das mittels der Endstufentransistoren ver-stärkte Signal an den Lautsprecher ausgekoppelt. C2 und C3 sorgen mit R2 füreine ausreichende Unterdrückung von Spannungsschwankungen.Der Fototransitor FT muß mit dem Reflektor genau auf den Sender ausgerichtetwerden. Besonders wichtig ist die Abschirmung des Fototransistors vor zustarker Beleuchtung und vor Beleuchtung durch Lampen, die an der Netz-spannung liegen, da dadurch ein intensives 100 Hertz - Brummen im Laut-sprecher entstehen kann. Als Abschirmung eignet sich ein Rohr aus schwar-zem Tonpapier mit einer Länge von etwa 5 cm und einem Durchmesser vongenau 1,2 cm, der dem Reflektordurchmesser entspricht. Dieses Rohr wird vor-sichtig außen am Reflektor angeklebt.Als Stromversorgung eignet sich eine elektronisch stabilisierte Spannung von9 Volt oder eine 9 Volt - Batterie. Ruhestromaufnahme der Schaltung: 5 mA.

R2 220 Ω

R147 kΩ

R5180 kΩ

R4 1 kΩ

R86,8 Ω

R627 kΩ

R32,2 kΩ

C2100 µF

C1100 nF

T2BC 547C

T3 BC 337-259 Volt

EmpfängerT4BC 327-25

C4100 µF

D11N 4148

LS8 Ω0,5 W

FTBPW 42

T1BC 547C

C3100 µF

R72,2 kΩ

D21N 4148

R96,8 Ω

Rohr aus schwarzem Tonpapier zur Abschir-mung des Fototransistors BPW 42 vor zu star-ker Beleuchtung und vor 100 Hertz - Frequenz.

FT BPW 42

Beim Einbau des FototransistorsFT (BPW 42) ist auf die Polaritätzu achten. Der lange Anschlußliegt auf MINUS (-). Außerdemmuß der FT auf den Sender - alsonach links - ausgerichtet werden.

Astabiler Multivibrator PC - Lauflicht

NiCd - Ladegerät Netzgerät LM 317

Mini - Detektiv Anti-Grapsch

Infrarot .... Sender Infrarot .... Empfänger

Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik · 2020. 1. 6. · teurere 300-W -Ultra-V italux-S...

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