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Um die Struktur elektronischer oder elektrischer Schaltungen darzustellen, verwendet man sogenannte Schaltpläne . Für Konstrukteure sind sie ein unverzichtbares Instrument zur Dokumentation: Schaltpläne werden zum Beispiel verwendet, um LeiterplattenSie sind auch als Grundlage für Berechnungen nützlich. Es ist auch erwähnenswert, dass aus den Schaltplänen elektronischer Schaltungen Daten für die Erstellung einer Stückliste BOM aus dem englischen (bill of materials) gezogen werden. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass Sie gleich zu Beginn Ihres Abenteuers in der Elektronik lernen, wie man solche Zeichnungen liest – ein Prozess, der (wie in fast jedem anderen Bereich) einfach Übung erfordert. Und obwohl man die Analyse von Diagrammen nicht sofort beherrscht, werden Sie mit der Zeit, nachdem Sie viele schematische Zeichnungen durchgesehen haben, feststellen, dass Sie sie zu verstehen beginnen und die Symbole, Linien und Verbindungen in Diagrammen so leicht lesen können wie die Buchstaben in Büchern.
Wie lese ich elektrische und elektronische Schaltpläne?
Längere Übung im Lesen von Schaltplänen ermöglicht es, Beziehungen oder Verbindungen zwischen Elementen schnell, bequem und fehlerfrei zu erkennen, aber auch – und das ist ein wesentlicher Punkt in der Kunst der Analyse von Schaltplänen – erleichtert es, die Logik des Aufbaus einer bestimmten Schaltung zu verstehen, mit welcher Art von Schaltung wir es zu tun haben und wie sie funktionieren soll. Für Menschen, die mit dem Lesen elektrischer und elektronischer Schaltpläne noch nicht vertraut sind, mag es sogar überraschend erscheinen, dass man allein mit einem Schaltplan vorhersagen kann, welche Spannungen an bestimmten Punkten in einem Stromkreis auftreten oder welche Ströme in ihm fließen werden. In der Tat ist es möglich, solche Daten zu ermitteln – es ist nur eine Frage der Übung. Mit etwas Erfahrung ist es möglich, nicht nur das Verhalten der Schaltung, sondern auch ihre Parameter und Funktionen vorherzusagen und sogar Konstruktionsfehler zu erkennen, noch bevor der Prototyp zusammengebaut und in Betrieb genommen wird.
Was war zuerst da – der Schaltplan oder das Gerät?
Auch wenn es in diesem Fall mehr um das Entwerfen von Schaltungen als um das Lesen von Schaltplänen geht, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Schaltplan eines Geräts immer der erste ist, der erstellt wird. Natürlich kann man zu Beginn des Lernens der Elektronik auf der Basis von Versuch und Irrtum experimentieren, indem man verschiedene Konfigurationen einfacher elektronischer Schaltungen auf einer Kontaktplatine verbindet, aber man wird sicherlich in kurzer Zeit die Kunst der Elektronik so weit beherrschen, dass man zunächst eine Schaltung auf Papier oder in einem Computerprogramm entwirft und sie erst später auf eine Prototyp-Platine überträgt.
Warum muss der Schaltplanentwurf dem Leiterplattenentwurf vorausgehen? Der erste Grund ist, dass eine solche analytische Phase für Elektronikingenieure einfacher ist – es braucht viel weniger Zeit, das Layout zu entwerfen und die einzelnen Komponenten in aller Ruhe auszulegen, als sie direkt auf der Leiterplatte zu platzieren.
Zweitens (und dies ist bei “seriöser”, d.h. industrieller Elektronik von großer Bedeutung) ist die Herstellung eines Prototyps mit Kosten verbunden und erfordert viel mehr Zeit als eine schematische Zeichnung.
Drittens, wenn der Entwurf in einem Computerprogramm erstellt wird, das zur Gruppe der so genannten EDA-Programme gehört, ergibt sich der Entwurf der Leiterplatte natürlich direkt aus dem Schaltplan – die Software erzeugt automatisch Lötpunkte für die betreffenden Bauteile und stellt die ersten Verbindungen zwischen ihnen her, während die Aufgabe des Konstrukteurs darin besteht, die Bauteile zu platzieren und die endgültigen Pfade zu verlegen.
Der Schaltplan stellt bestimmte Sachverhalte symbolisch dar, so dass es vorkommen kann, dass die tatsächliche Anordnung von elektronischen Bauteilen oder Bauteilgruppen, wie z. B. bei Mikrocontroller-Leitungen, in der Realität etwas anders aussieht als auf dem Schaltplan. In der Gerätedokumentation gibt es daher zwei verschiedene Entwürfe: einen Schaltplan und einen darauf basierenden konkreten Leiterplattenentwurf (mit Pfaden, Bauteilanordnung usw.). Dieser Artikel konzentriert sich auf die erstgenannte Art von Zeichnungen.
Lesen von elektrischen und elektronischen Schaltplänen – Grundprinzipien
Um zu lernen, wie man Schaltpläne liest und damit auch entwirft, muss man mit einigen grundlegenden, allgemein verwendeten Regeln beginnen. Erstens: Wir zeichnen alle Verbindungen mit geraden Linien, die die einzelnen Enden der Elemente verbinden. Diese Linien sollten möglichst senkrecht oder waagerecht verlaufen und sich im rechten Winkel kreuzen. Auch das Aussehen des Kreuzungspunktes selbst ist wichtig – darauf sollten Sie sowohl beim Erstellen als auch beim Lesen der Schaltpläne achten! Wenn sich zwei Linien kreuzen, aber an ihrem Schnittpunkt kein Punkt vorhanden ist, handelt es sich um unverbundene Linien. Ist dagegen am Schnittpunkt ein Punkt (fett gedruckt) zu sehen, handelt es sich um einen so genannten Knotenpunkt, d. h. um die elektrische Verbindung dieser beiden sich kreuzenden Linien.
Die Verbindungen sollten so hergestellt werden, dass das Lesen des Schaltplans so einfach und intuitiv wie möglich ist. Es wird auch nicht gesagt, dass die Linien nie in einem anderen als dem rechten Winkel verlaufen (d. h. nicht horizontal und vertikal). In manchen Situationen ist es sogar ratsam – im Interesse der Lesbarkeit des Schemas und bestimmter, seit Jahren akzeptierter Zeichenkonventionen – die Linien diagonal zu führen. Dies geschieht z. B. in der Struktur einer so genannten “Brücke”, sogar einer klassischen Gleichrichterbrücke. Die betreffende Schaltung besteht aus vier Elementen (Gleichrichterdioden), die wie in der Abbildung dargestellt sind.
In einem gut gestalteten Schaltplan folgen alle Verbindungen der Bauteile und ihre Verteilung auf der Zeichnung festen, logischen Regeln. Wenn wir diese Regeln bei der Gestaltung von Layouts befolgen, können wir fast sicher sein, dass der Entwurf richtig gelesen wird. Und so: Eine anerkannte Konvention in Diagrammen, die Sie bei der Erstellung Ihrer eigenen Dokumentation befolgen sollten, ist, dass Leitungen mit höherem Potential (z.B. der Pluspol einer Batterie oder eines Netzteils) höher im Diagramm platziert werden sollten als Elemente mit niedrigerem Potential (z.B. Erde). Moderne Elektroniker sind in der Regel so an diese Regel gewöhnt, dass sie sogar intuitiv die Verbindungen, die oben im Schaltplan stehen, als diejenigen mit höheren Potentialen behandeln – insbesondere bei Stromversorgungsleitungen. Abweichungen von dem beschriebenen Prinzip sind eigentlich nur in Regelungen aus den 1960er Jahren zu finden. oder 70 Jahre. des letzten Jahrhunderts.
Eine zweite gängige Praxis bei der Platzierung von Bauteilen in elektrischen und elektronischen Schaltplänen ist die Platzierung von Eingangsschaltungen auf der linken Seite und von Ausgangsschaltungen auf der rechten Seite. Wie beim Lesen eines Buches, wenn wir unseren Blick von links nach rechts richten, werden die Signale irgendwie von der linken Seite “eingespeist”, auf den nachfolgenden Stufen des Schaltkreises verarbeitet, und die Ausgangssignale werden auf der rechten Seite ausgegeben. Das Signal durchläuft das System also logischerweise auf die gleiche Weise, wie ein Text eine Seite in unserer europäischen Lesekonvention durchläuft. In Ihrer elektronischen Praxis werden Sie wahrscheinlich auf Situationen stoßen, in denen dieser Grundsatz nicht angewendet werden kann, aber halten Sie sich daran, wann immer es möglich ist. Das ist zum Beispiel beim Zeichnen von Stromversorgungsdiagrammen besonders nützlich: Es wird deutlich, wo wir den Eingang und wo wir den Signalausgang haben.
Das Gleiche gilt für analoge Filterschaltungen oder sogar Verstärker, z. B. einen Audioverstärker. Auf der linken Seite des Schaltplans befinden sich die Eingangsklemmen, gefolgt von der Vorverstärkerstufe, dann weitere Schaltungen bis zum Endverstärker, der bereits die richtige Leistung an den Lautsprecher oder Kopfhörer liefert und auf der rechten Seite zu finden ist. Anhand eines solchen Diagramms können Sie die Reihenfolge, in der unser elektrisches Signal den Stromkreis durchläuft, leicht mit den Augen nachvollziehen. Die geordnete Darstellung der Schaltungselemente und -stufen ist auch deshalb wichtig, weil die Schaltpläne nicht nur für den Elektronikneuling oft überraschende Teile enthalten. Wenn jedoch die gesamte Konvention der Anordnung der Elemente im Diagramm in einer logischen, intuitiven Form beibehalten wird, dann sind auch diese weniger offensichtlichen Elemente oder Teile des Diagramms leichter zu lesen.
Symbole für die Bauteile in den Schaltplänen
Die in elektrischen und elektronischen Schaltplänen verwendeten Bauteilsymbole sind standardisiert und ähnlich, unabhängig davon, in welchem Land ein bestimmter Schaltplan erstellt wird. Natürlich lassen sich einige Unterschiede feststellen, die besonders bei bestimmten Bauteilen wie gepolten Kondensatoren (Elektrolytkondensatoren) oder Induktionsspulen (Drosseln) und anderen induktiven Bauteilen auffallen. Die größten Unterschiede gibt es bei den Logik-Gates und anderen Elementen der grundlegenden digitalen Elektronik. Wir werden uns jedoch nicht mit den Einzelheiten der Normung von logischen Schaltplänen befassen, sondern stattdessen die grundlegenden und gängigsten Elemente betrachten.
Erstellen und Lesen von elektronischen Diagrammen in Computerprogrammen
Computerprogramme (z. B. das beliebte Elektronik-Entwicklungsprogramm Eagle) sowie große Designumgebungen für professionelle Elektronikingenieure (wie Altium Designer) verwenden ebenfalls spezielle Schaltplanelemente. Sie spezifizieren nicht die Bauteile, die physisch auf die Leiterplatte gelötet werden, aber sie ermöglichen eine starke Vereinfachung der Schaltpläne. Diese werden als net labels, also Netzbeschreibungen bezeichnet. Wenn in einem elektronischen Schaltplan zwei Teile einer Schaltung mit demselben Namen und demselben Symbol bezeichnet werden (manchmal wird das Symbol weggelassen und die einzige Bezeichnung bleibt der Schriftzug direkt über dem freien Ende der Verbindungsleitung), weiß man, dass die beiden Leitungen tatsächlich miteinander verbunden sind.
Auf diese Weise wird der Schaltplan besser lesbar, da wir eine bestimmte Linie nicht durch das gesamte Diagramm führen und andere Elemente und Verbindungen umgehen müssen. Es reicht aus, zwei Teile eines Stromkreises mit demselben Netznamen (eng. net) zu beschreiben – durch die Kennzeichnung der betreffenden Stromkreise, die auf demselben Potenzial liegen, bringen wir das Programm selbst dazu, sie logisch miteinander zu verbinden. Wir hingegen gewinnen den dringend benötigten Platz für Routing-Verbindungen zurück und erhalten ein übersichtlicheres Diagramm. Die Abbildung zeigt ein Beispiel für die Lösung.
Wie Sie sehen können, sind Widerstände als längliches, hohles Rechteck gekennzeichnet. Wenn ein Pfeil mit einer zusätzlichen dritten Leitung durch dieses Rechteck geht (oder es erreicht), handelt es sich um ein Potentiometer. Die zusätzliche dritte Linie ist nichts anderes als eine Schiebeverbindung. Die Zelle hingegen ist durch zwei Striche gekennzeichnet, die senkrecht zu den Verbindungslinien verlaufen. Der längere, oft dünnere Pol zeigt den Pluspol an, während der kürzere und (meist) dickere den Minuspol, also die Kathode, anzeigt.
Handelt es sich um eine Batterie, also um eine Reihenschaltung mehrerer Zellen, so werden diese natürlich nacheinander gezeichnet, und ihre Anzahl entspricht in der Regel der tatsächlichen Anzahl der Zellen der Batterie.
Wir beschriften Kondensatoren ähnlich wie Batterien, wobei beide Striche die gleiche Länge und Dicke haben. Bei Keramik- und Folienkondensatoren ist diese Bezeichnung einfach, während bei Elektrolytkondensatoren einer der Striche durch ein mit einer dünnen Linie umrandetes Rechteck ersetzt wird, neben dem sich meist ein Pluszeichen befindet. Das bedeutet, dass genau dieses Ende des Kondensators an ein höheres Potenzial angeschlossen werden sollte (denken Sie daran, dass bei Elektrolytkondensatoren die Polarität, d. h. die Richtung der am Kondensator anliegenden Spannung, von großer Bedeutung ist).
Bei den Spulenbezeichnungen können wir zwischen den beiden gängigsten Konventionen unterscheiden. Die erste, in den USA gebräuchlichere Variante ist eine Spule, die durch mehrere Halbkreise gekennzeichnet ist, um das Aussehen von Windungen zu simulieren. Die zweite, vereinfachte Bezeichnung hingegen ist einfach ein volles Rechteck, das innen schwarz gestrichen ist. In europäischen Schaltplänen finden Sie dieses Symbol am häufigsten als Bezeichnung für Drosseln, z. B. für Entstör- oder Drosselspulen in DC/DC-Wandlern. Dioden werden als Dreieck (in der Regel gleichseitig) mit einer zusätzlich eingezeichneten Linie gekennzeichnet. Der Strich markiert die Kathode, während die Basis des Dreiecks die Anode der Diode darstellt. Wenn das Dreieck in der Diodenbezeichnung durch zwei Pfeile verbunden ist, handelt es sich um eine Photodiode, also eine lichtempfindliche Diode. Bewegen sich die Pfeile dagegen vom Dreieck aus nach außen, handelt es sich um eine Leuchtdiode (LED).
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Symbolen lohnt es sich auch, die verschiedenen Varianten der Bezeichnungen für Kontaktelemente zu lernen: Taster oder Schalter. Wir haben die gebräuchlichsten und intuitivsten Bezeichnungen für solche Elemente in der Abbildung dargestellt. Der erste Begriff bezieht sich (meistens, aber nicht immer) auf einen bistabilen Schalter, d. h. einen Schalter, der seine Position beibehält, wenn er geschaltet wird (wie Netzschalter). Das zweite Symbol wird für monostabile Taster verwendet – sie schließen den Stromkreis nur kurz, wenn sie gedrückt werden. So bezeichnen wir üblicherweise gängige Mikroschalter, zum Beispiel in Schaltplänen.
Messgeräte, d. h. Volt- und Amperemeter, werden als Kreis mit dem Buchstaben V (bei Voltmetern) oder A (bei Amperemetern) in der Mitte bezeichnet. Diese Art von Elementen findet man heute nur noch selten in Schaltplänen, obwohl man sie im Hinterkopf behalten sollte, da viele Geräte inzwischen mit eingebauten analogen oder digitalen Anzeigen ausgestattet sind. Erwähnen wir zum Beispiel Netzteile oder Audioverstärker mit einer analogen Anzeige (Zeigerinstrument). Diese Art der Bezeichnung findet sich auch sehr häufig in Elektronik- oder Elektrotechnik-Lehrbüchern, und zwar auf Diagrammen, die verschiedene Messsysteme mit Volt- oder Amperemetern zeigen.
Zusammenfassung
Die Fähigkeit, Schaltpläne schnell und fehlerfrei zu lesen, ist für jeden Elektronikingenieur von entscheidender Bedeutung. Wir ermutigen Sie daher, noch heute mit der sukzessiven Analyse immer komplexerer Zeichnungen zu beginnen. Auch wenn sie Sie anfangs erschrecken (vor allem bei großen Geräten), werden Sie mit der Zeit sicherlich einige bereits bekannte Strukturen und Schaltkreise darin erkennen.
Die Fähigkeit, elektronische und elektrische Schaltpläne zu analysieren, erleichtert nicht nur das Lesen der Dokumentation, einschließlich der Absicht des Konstrukteurs, oder sogar der Parameter bestimmter Schaltkreise oder ihrer Teile, sondern ermöglicht auch die Nutzung der riesigen Datenbank von Schaltplänen, die in Büchern, im Internet und in den Unterlagen der Hersteller verfügbar sind. Durch die Kenntnis der Bezeichnungen und Symbole erhalten Sie also ein enormes und unschätzbares Werkzeug für das weitere Lernen und Fortbilden im Bereich der selbständigen Gestaltung.
