Electronic Engineering Grundlagen

  Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen  

Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  

2.  Computereinsatz für Engineering-Zwecke in der Elektronik  

2.1.  Begriffe  

2.2.  Schritte auf dem Weg zur Leiterplattenbaugruppe  

2.2.1.  Funktion Schaltbild  

2.2.2.  Funktion Bibliothek  

2.2.3.  Funktion Layout  

2.2.4.  Funktion Leiterplattenhersteller  

2.2.5.  Funktion Pastenmaskenhersteller  

2.2.6.  Funktion Logistik  

2.2.7.  Funktion Lager  

2.2.8.  Funktion Bestücker  

2.2.9.  Funktion Baugruppenprüfung  

3.  Grundlagen Engineering in der Elektronik  

3.1.  Normen - Sinn und Zweck  

3.2.  Technisches Zeichnen (Mechanik)  

3.2.1.  Zeichnungsmerkmale  

3.2.2.  Projektion (Klappung), Detail und Schnitt  

3.2.3.  Vermaßung  

3.3.  Die Leiterplatte als Schaltungsträger  

3.4.  Löten  

3.4.2.  Flussmittel  

3.4.3.  Lötwerkzeuge  

3.4.4.  Lötvorgang  

4.  Werkstoffe in der Elektronik  

4.1.  Werkstofftypen  

4.2.  Metallische Werkstoffe  

4.3.  Isolierstoffe / Kunststoffe  

4.3.1.  Wirkung eines Dielektrikums auf das elektrische Feld  

4.3.2  Materialien  

4.4.  Magnetisch wirksame Werkstoffe  

4.4.1.  Wirkung ferromagnetischen Materials auf das magnetische Feld  

4.4.2.  Materialien  

5  . elektronische Bauelemente (I)  

5.1  . verschiedene Ansichten: Schaltsymbol, technischer Aufbau, Ersatzschaltbild  

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5.2. Einteilung der Bauteile nach Kategorien 5.3. Bauteil-Werte und Toleranzfelder 5.3.1. Wertestaffelung 5.3.2. Toleranzen von Bauteilen 5.3.3. technisch relevante Wertereihen 5.3.4. Wertekennzeichnung auf Bauteilen 6. elektronische Bauelemente (II) 6.1. elektromechanische Bauteile - Übersicht 6.2. Werkstoffe 6.3. Litzen und Drähte 6.3.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole 6.3.2. technische Ausführungen 6.4. Schalter 6.4.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole 6.4.2. technische Ausführungen 6.5. Steckverbinder und Sockel 6.5.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole 6.5.2. Kontaktformen 6.5.3. technische Ausführungen 6.6. Schaltzeichen zusätzlicher Funktionselemente 7. elektronische Bauelemente (III) 7.1. Widerstände 7.1.1. Schaltzeichen / Schaltsymbol 7.1.2. physikalisches Verhalten 7.1.3. technische Ausführung 7.2. Kondensatoren 7.2.1. Schaltzeichen / Schaltsymbol 7.2.2. physikalisches Verhalten 7.2.2.1. Kondensatoren mit fester Isolierung - technische Ausführung 7.2.2.2. der Elektrolyt-Kondensator ('Elko') - technische Ausführung 7.3. Spulen / Drosseln bzw. Übertrager / Transformatoren 7.3.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole 7.3.2. physikalisches Verhalten 7.3.3. technische Ausführung 8. elektronische Bauelemente (IV) 8.1. Dioden 8.1.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole

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8.1.2. physikalisches Verhalten 8.1.3. technische Ausführung 8.2. Transistoren 8.2.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole 8.2.2. physikalisches Verhalten 8.2.3. technische Ausführung: diskrete Halbleiter und kleine ICs 8.3. integrierte Schaltungen 8.3.1. lineare Schaltung, z.B. Operationsverstärker 8.3.1.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole 8.3.1.2. physikalisches Verhalten 8.3.2. digitale Schaltungen 8.3.2.1. Schaltzeichen / Schaltsymbole von Gatterschaltungen 8.3.2.2. physikalisches Verhalten 8.3.3. technische Ausführung 9. Layout mit bedrahteten Bauteilen 9.1. Layout-Parameter der Leiterplatte 9.1.1. Feinheit der Struktur 9.1.2. Pad und Bohrung - grundlegende Dimensionierung 9.1.3. Lötstopplack 9.1.4. Kennzeichnungsdruck 9.2. Layout für bedrahtete Technik (THT) 9.2.1. Block- und Scheiben-Gehäuse, 2-polig 9.2.3. vielpolige Gehäuse 9.2.3.1. Steckverbinder, Schalter u.a. "Electromechanics" 9.2.3.2. Transistorgehäuse, ICs in runden Metallgehäusen o.ä. 9.2.3.3. ICs in DIL-Gehäusen (Dual-Inline) 9.2.3.4. Leistungshalbleiter mit Kühlkörpern u.ä. 9.2.3.5. Funktionsmodule 9.3. zusätzliche Hinweise zum Layouten 9.3.1. Befestigungsmittel / Rackschienen 9.3.2. Sicherheit bei höheren Spannungen und Strömen

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1. Einleitung

Erfolgreiche Ingenieur-Arbeit erfordert eine gesunde Kombination aus Spezialwissen im Hauptarbeitsgebiet, einem Überblick über die benachbarten Bereiche sowie eine möglichst umfassende 'Ingenieur-Allgemeinbildung'. Da diese Veranstaltung bereits im ersten Semester stattfindet, kann an dieser Stelle nicht viel an theoretischem Wissen der Elektrotechnik vorausgesetzt werden - zumindest soweit keine Kenntnisse z.B. aus einer absolvierten Lehrausbildung vorhanden sind.

So setzt sich der Vorlesungsstoff aus einem Teil allgemeiner technischer Grundlagen, Einführungen in die Werkstoff- und Bauelementekunde und ein paar Grundgedanken zum Layout zusammen. Dabei wird auf der Basis von Schulwissen aus den Bereichen Mathematik und Physik aufgebaut. Für die Bauteile heißt das z.B., dass nur ihre physikalische Grundfunktion dargestellt werden kann. Dazu kommen Informationen über typische Bauformen und auch Schaltsymbole für die Erstellung von Schaltbildern (andere übliche Bezeichnung hierfür: Stromlaufplan).

In der Vorlesung soll aber auch die Gelegenheit genutzt werden, ein paar Überlegungen zu Randthemen darzustellen. Diese Themen behandeln nicht direkt die Technik sondern das Umfeld, um die Technik realisieren zu können und begegnen dem Ingenieur im industriellen Umfeld immer wieder. In einer Vorlesung für höhere Semester unter dem Titel "Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und -Fertigung" [9.2] gibt es die Möglichkeit, wesentlich mehr über die einzusetzenden industriellen Technologien wie auch die Hintergründe des Layouts zu erfahren.

Der Vorlesungsstoff gliedert sich in 9 Kapitel wie folgt:

1.) Einleitung

2.) Übersicht Computer-Einsatz für Engineering-Zwecke

3.) Standardisierung - Normen

4.) Werkstoffe in der Elektronik

5.) elektronische Bauteile & Komponenten (allgemein)

6.) elektronische Bauteile: Elektromechanik

7.) elektronische Bauteile: passive

8.) elektronische Bauteile: Halbleiter

9.) Layoutgrundlagen

Schon hier sollen zum besseren Verständnis ein paar Begriffe definiert werden, die in der beruflichen Praxis immer wieder auftauchen und die auch in diesem Rahmen z.T. Verwendung finden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Gebrauch der Definitionen nicht immer eindeutig ist.

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2. Computereinsatz für Engineering-Zwecke

in der Elektronik

2.1. Begriffe

Vier Abkürzungen sind häufig in diesem Umfeld zu hören:

CAD = Computer Aided Design

CAE = Computer Aided Engineering

CAM = Computer Aided Manufacturing

CIM = Computer Integrated Manufacturing

Aus der industriellen Praxis ist die treffendste Abkürzung CAE: heute wird zumindest in großen Firmen der gesamte Bereich der Ingenieur- und Fertigungsaktivitäten mit dem Computer bzw. mit dessen Hilfe abgewickelt.

2.2. Schritte auf dem Weg zur Leiterplattenbaugruppe

Die Grafik in Abb. 2.1 soll die einzelnen Funktionseinheiten, die an der Entstehung einer Leiterplattenbaugruppe beteiligt sind, erläutern. Dabei müsste man bei genauer Analyse z.T. weitere Aufsplittungen innerhalb der einzelnen Blöcke vornehmen. Jede der in eckigen Kästen dargestellten Funktionen beinhaltet (mindestens) einen Rechner mit entsprechender Software. Dabei wird leicht ersichtlich, dass an quasi allen dargestellten Stellen der Rechner eine bedeutende Rolle spielt - oft genug sogar eine unverzichtbare - und daher "CAE" als Oberbegriff die bestmögliche Beschreibung darstellt.

In vielen Fällen kommen heute PCs entsprechender Leistungsklassen zur Anwendung. Dort, wo hohe Leistungen bei der Grafik-Verarbeitung benötigt werden, finden sich vielfach auch Workstations. Dabei gilt es zu beachten, dass oft in jeder Funktionseinheit eine andere Software zum Einsatz kommt und die Korrespondenz zwischen den Einheiten mittels (genormter) Interfaces, Protokolle und Formate stattfinden muss. Die Komplexität der Verknüpfungen verlangt über die Standardisierung der Grundfunktionen hinaus eine präzise Dokumentation insbesondere im Bereich Schaltbild (+ Material-Liste) + Layout (+ Konstruktion).

Die gesamte Thematik wird dadurch häufig weiter verkompliziert, dass sich die einzelnen Funktionen auf verschiedene Firmen verteilen (vier bis fünf sind durchaus realistisch), die mitunter über weite Strecken und sogar Sprachgrenzen hinweg von einander getrennt sind. Diese funktionale Trennung wird in der Abbildung durch die verschiedenen Farben dargestellt, wobei nicht jede reale Konstellation eine so weitgehende Trennung aufweisen muss.

Zwischen den einzelnen Funktionsblöcken findet, wie in der Grafik dargestellt, überwiegend 'Da-tentransport' und weniger 'Materialtransport' statt.

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Abb. 2.1: Zusammenwirken von Funktionsbereichen

10 von 16 Pfaden sind "Datentransfer", nur auf 6 Pfaden wird Material transferiert.

Die mit (#) gekennzeichneten Funktionen sind heute fast immer externe Dienstleister.

2.2.1. Funktion "Schaltbild"

Hier wird eine formale Beschreibung der elektronischen Schaltung erzeugt. Das ist eine Grafik, in der Symbole für Bauteile und deren Verknüpfung untereinander dargestellt sind. Als Handwerkszeuge stehen heute viele verschiedene Programme mit sehr unterschiedlichen Leistungsspektren auf dem Markt zur Verfügung. Gemeinsam ist allen, dass sie die Windows-Technik nutzen, welche es gestattet, die Symbole per 'pick-and-place' zu setzen und mittels einer fast einfach anmutenden Grafikeditor-Funktion untereinander zu verbinden.

Zuvor aber ist es notwendig, die für die Realisation einer Schaltung notwendigen Bauteile zu definieren und aufzulisten. Üblicherweise wird diese Liste Stück- oder Materialliste genannt. Sie erfüllt nicht nur den Zweck, die Bauteile mit ihren marktüblichen Namen (z.B. "BC339" oder "LVC16245A") oder ihren physikalischen Eckwerten (z.B. "100nF / 50V") zu bezeichnen. Vielmehr ist es im industriellen Umfeld unerlässlich, dem Bauteil eine anonymisierte Materialnummer zuzu-

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ordnen. Über diese Materialnummer werden dem Bauteil dann alle innerhalb der Prozesse "Layout einer Leiterplatte" bzw. "Fertigung einer Leiterplattenbaugruppe" notwendigen Informationen zuge-ordnet (siehe "Bibliothek", "Logistik", "Lager" und "Bestücker").

Ehe das Schaltbild selbst entstehen kann, muss dem Bauteil innerhalb der Bibliothek ein graphisches Symbol, das sogenannte Schaltzeichen zugeordnet werden.

2.2.2. Funktion "Bibliothek"

Unter der Funktion Bibliothek bekommt

das Bauteil seine vielschichtige Identität. Vielschichtig deshalb, weil jede der in Abb. 2.1 dargestellten Funktionen einen eigenständigen Satz von Informationen benötigt, um seine Aufgaben zu erfüllen:

♦ elektrische Daten des Bauteils

(bauteilspezifisch, z.T. sehr umfangreich)

♦ Informationen für die elektrische

Prüfung des Bauteils auf einer Leiterplatte (bauteilspezifisch)

♦ Gehäuse und gehäuseabhängi-

ge Daten für die Verarbeitung

maske für Fertigungs- legterBereich)

verfahren, in denen Lot in Form von Paste auf die Leiterplatte aufgedruckt werden muss

Informationen zum konstruktiven Einsatz des Bauteils (Platzbedarf, Montageverfahren, Referenzpunkte für Maschinenzugriff, usw.)

♦ Symbol für das Schaltbild

Das klingt zunächst nach großem Aufwand für ein einzelnes Bauteil, zumal wenn es sich um ein verhältnismäßig simples Teil wie z.B. einen Widerstand handelt. Dort, wo mit professionellen Methoden die hier beschriebenen Arbeiten ausgeführt werden, lohnt sich der Aufwand aber sehr schnell auf Grund vielfacher Verwendung (siehe Abb. 2.2). Dazu kommt, dass die Datenbanken meist eine sehr komplexe Struktur haben, die es aber möglich macht, wiederkehrende Informationen nur einmal eingeben zu müssen, so dass bei jeder neuen Verwendung darauf zurückgegriffen werden kann, z.B.:

♦ alle Widerstände gleich welchen Wertes und welcher Belastbarkeit und Bauform greifen auf das Schaltsymbol "Widerstand" zu,

♦ alle Kondensatoren unabhängig von Kapazität, zulässiger Spannung usw. benutzen das Schaltsymbol Kondensator,

♦ gleiches gilt für alle npn-Transistoren,

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♦ alle Transistoren gleich welcher Technologie und Polarität und alle Dioden im SOT-23-Gehäuse verwenden die geometrischen Daten des einmal eingespeicherten Gehäuses 'SOT-23',

♦ usw.

In größeren Firmen wird diese Bibliotheksfunktion direkt oder durch Verknüpfung mit einer entsprechenden Datenbank um weitere Datenfelder erweitert:

Informationen der Lagerverwaltung (Details siehe dort)

Informationen für die Logistik (Details siehe dort)

Informationen für die Beschaffung

Üblicherweise bezeichnet man eine so umfassende Datenerfassung und Bearbeitung dann nicht mehr als Bibliothek sondern als PDM-System (Product Data Management). Im Gegensatz zu den statischen, weil sich meist nicht ändernden Daten wie "elektrisches Verhalten" oder Geometrie, sind alle die logistikbezogenen Informationen dynamisch, d.h. ständig ändern sich Bestände, Bestellungen, Warenbewegungen usw. In Abb. 2.3 ist das durch uni- bzw. bidirektionale Pfeile dargestellt.

Auch alle diese Funktionen werden heute mittels Rechner wahrgenommen und alle Daten sinnvoller Weise unter der schon erwähnten Materialnummer als Identitätsmerkmal abgelegt. Man kann leicht erkennen, dass hier z.T. sehr große Datenmengen zu verwalten und vor allem auch aufwändig zu sichern sind. Wichtig ist, dass diese Datenbank(en) für alle Programme, die Informationen daraus benötigen, direkt zugreifbar ist bzw. sind.

Abb. 2.3:

PDM-System - der reine Bibliotheksbereich (gelb hinterlegt) wurde um den Datenbankbereich, der für die Logistik notwendig ist, ergänzt (grün hinterlegter Bereich)

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2.2.3. Funktion "Layout"

Hier erfolgt die Anordnung der einzelnen Bauteile auf einer Leiterplatte. Dazu werden die Informationen über die dem einzelnen Bauteil zugeordneten Kupferstrukturen der Bibliothek entnommen. Im nächsten Schritt erfolgt dann die Verbindung der Komponenten untereinander entsprechend den im Schaltbild dargestellten Verknüpfungen. An dieser Stelle sind selbstredend auch die konstruktiven Aspekte der Leiterplatte wie Abmessungen, Randbedingungen des Einbaus in ein Gehäuse o.ä. zu berücksichtigen. Auch hier gibt es, wie für die Erstellung, des Schaltbildes eine Vielzahl von Programmen auf dem Markt. Je nach Eigenschaften der vorhandenen Software kann dafür die gleiche Software wie für das Schaltbild verwendet werden oder aber diese Daten werden zur weiteren Arbeit übernommen. Derartige Programme werden häufig unter dem Begriff EDA (Electronic Design Automation) geführt. Die grundlegenden Programmeigenschaften entsprechen den schon unter "Bibliothek" beschriebenen.

2.2.4. Funktion "Leiterplattenhersteller"

Der Leiterplattenhersteller bekommt heute die Informationen über die zu fertigenden Leiterplatten nur noch in Form von Datenfeldern:

Zeichnung technische der Leiterplattengeometrie

Datensätze für Fotoplotter für jede der Lagen der Leiterplatte (1....> 60 Lagen Kupfer, eine oder zwei Lagen Lack, einen oder mehrere datensätze usw.)

Die eingehenden Daten werden mittels Rechner aufbereitet und dann an rechnergesteuerte Bearbeitungsanlagen weitergegeben:

Fotoplotter

Bohrmaschinen

Fräsmaschinen zur Erstellung der endgültigen Form usw. tigen Leiterplatte

(Bild: ILFA) Mit dem Fotoplotter werden Planfilme in der gleichen Größe wie die zu realisierende

Leiterplatte belichtet. Diese Filme dienen dann später dazu, die Konturen auf die Leiterplatte zu übertragen (siehe Kap. 4.1).

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2.2.5. Funktion "Pastenmaskenhersteller"

Bei bestimmten Montage- und Lötverfahren muss

Lot in Form von Paste aufgebracht werden. Dazu braucht man eine Schablone (ein Edelstahlblech oder eine dünne Kunststoffplatte) mit Löchern, durch die die Lotpaste auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Diese Schablonen werden heute vielfach mittels eines rechnergesteuerten Lasers geschnitten, der seine Daten wiederum direkt aus dem Layout und indirekt aus der Bibliothek bezieht.

2.2.6. Funktion "Logistik"

Dies ist eine, insbesondere im industriellen Umfeld, sehr wichtige Funktion. Hier müssen die verschiedenen Informationen zur Abwicklung eines Auftrages zusammengeführt werden:

Kunde: Bestellung: Typ, Stückzahl und gewünschter Liefertermin

Layout: welche Bauteile werden in welcher Menge pro Baugruppe benötigt

Lager: was ist vorhanden

wie viel Zeit wird für die Fertigungsvorbereitung und Fertigung benötigt Bestücker

Baugruppenprüfung: wie viel Zeit wird für die Prüfvorbereitung und Prüfung benötigt

Durch Abgleich der Einzelinformationen und entsprechenden Informationsfluss muss dann dafür gesorgt werden, dass nicht vorhandenes Material eingekauft wird und alles zur richtigen Zeit am richtigen Platz zur Verfügung steht. Auch die Daten über die Materialflüsse werden in einer Datenbank (PDM-System, siehe unter "Bibliothek") gespeichert.

Hier kommt dann noch ein besonderer Aspekt hinzu, der die Notwendigkeit der anonymisierten Materialnummer unterstreicht. Vielfach ist es möglich, für eine Bauteilfunktion vergleichbare Bauteile verschiedener Hersteller zu verwenden, die dort meist auch noch sehr unterschiedliche Bezeichnungen in deren Kataloge haben. Das ist für das Schaltbild und Layout ohne Bedeutung und dort wird dementsprechend mit der herstellerunabhängigen Materialnummer gearbeitet. Von Seiten der Logistik kann dann aber je nach Lieferbarkeit und / oder Preis der günstigste Lieferant ausgewählt werden.

An dieser Stelle zeigt sich weiterhin, dass nicht alle in der Praxis vorkommenden Konstellationen gleich betrachtet und behandelt werden können.

Zum einen ist die Industrie bemüht 'just-in-time' zu fertigen, d.h. Material soll erst dann angeliefert werden wenn es auch verarbeitet wird. Andererseits sind insbesondere die Gebindegrößen, d.h. die Verpackungseinheiten in denen Material angeliefert werden kann, in der sogenannten SMT (Erläuterungen dazu siehe Kap. 4.2) sehr groß (z.T. mehrere 1.000 St.). Dann schwanken auch noch die Lieferzeiten selbst für 'Allerweltsmaterial' mitunter erheblich und erreichen bisweilen schwindelerregende Höhen (für einen Standard-Kondensator gab es schon mal 6 Monate Lieferzeit). Es ist leicht einzusehen, dass die Produktion von großen Stückzahlen (z.B. Auto-Elektronik-

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Baugruppen in Losgrößen von tausenden) einer anderen Logistik-Struktur bedarf als die Produktion von Radar-Geräten mit 50...70 Geräten pro Jahr. Zu diesem Thema kann es also kaum ein "Patentrezept" geben.

2.2.7. Funktion "Lager"

Hier befindet sich das noch zu verarbeitende Material. Einträge in der Datenbank, welche die Logistik verwendet geben Auskunft darüber, wie viele Teile vorhanden sind und an welcher Stelle oft endlos erscheinender Regalwände dieses Material aufzufinden ist.

2.2.8. Funktion "Bestücker"

Abb. 2.6: Bestückmaschine für SMDs

(Foto: Siemens Dematic) Hier laufen das zu verarbeitende Material und die Daten des Layouts (welches Bauteil kommt an welche Stelle der Leiterplatte) zusammen. Die Daten haben dabei z.T. sehr verschiedenen Charakter: rein numerische für die Steuerrechner automatischer Bestückmaschinen (Abb. 2.6) und (Daten zum Plotten von ) Zeichnungen für von Hand zu bestückende Teile.

2.2.9. Funktion "Baugruppenprüfung"

Auch hier ist die Bandbreite von real verarbeiteter Information sehr groß: von Zeichnungen für manuelle Arbeiten bis zu umfangreichen Datenfeldern zur Verarbeitung in rechnergesteuerten Prüfmaschinen der verschiedensten Art (Abb. 2.7).

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3. Grundlagen Engineering in der Elektronik

3.1. Normen - Sinn und Zweck

Zu Beginn des industriellen Zeitalters wurden technische Produkte nach Gutdünken des 'Machers' erstellt. Vor rund 100 Jahren erkannte die Industrie wie auch ihre Großkunden, dass man Regeln erstellen musste, so dass verschiedene Firmen vergleichbare Produkte herstellen konnten. Mit der Einführung leistungsfähigerer Maschinen und der Elektrizität ergaben sich auch beträchtliche Gefahren, die durch die Anwendung von Sicherheitsnormen begrenzt werden mussten. Hier mischte sich dann auch der Gesetzgeber in das Geschehen ein. Das war der Beginn der Normung. Normen wurden im Laufe der Zeit von den verschiedensten Institutionen und Verbänden erstellt und herausgegeben. Es gibt fünf Hauptgründe Normen zu erstellen:

a.) Vereinheitlichung

(Festlegung technischer Daten, um gleiche Produkte von verschiedenen Herstellern herstellen zu lassen bzw. beziehen zu können.)

b.) Definition technischer Sachverhalte und Darstellungsmethoden (Ziel ist, das gleiche Verständnis für Begriffe und zeichnerische Darstellungen in Dokumentationen und Unterlagen zu gewährleisten)

c.) Definition von Mindestanforderungen an Produkte (Funktion eines Lastenheftes)

d.) Definition von Qualitätsmaßstäben

e.) Sicherheitsaspekte - Schutz des Anwenders bzw. Käufers

Wichtige Normenherausgeber sind (Auswahl):

CENELEC Comité Européen de Normalisation Electrotechnique

European Committee for Electrotechnical Standardisation Europäisches Komitee für elektrotechnische Normung, (www.cenelec.org)

DIN Deutsches Institut für Normung e.V., als NADI am 22.12.1917 gegründet

EIA Electronic Industries Association / Electronic Industries Alliance (www.eia.org)

IEC International Engineering Consortium, gegründet 1944, (www.iec.ch oder www.iec.org)

ISO International Organisation for Standardisation, DIN vertritt Deutschland in der ISO (www.iso.ch oder www.iso.org)

VDE Verband Deutscher Elektrotechniker

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Im Rahmen dieser Vorlesung soll nur der Punkt b.) "Definition technischer Sachverhalte und Darstellungsmethoden" herausgegriffen werden. Ein wesentlicher Hintergrund ist, dass heute Bauteile, Baugruppen und Geräte weltweit produziert, vertrieben, eingebaut und gewartet werden, so dass die Kommunikation auf der Basis von Zeichnungen und Diagrammen funktionieren muss. Abb. 3.1 zeigt eine technische Dokumentation, wie sie in einem Buch 1926 veröffentlicht wurde. Es war sicher der Versuch, etwas damals sehr Neues anschaulich darzustellen. Das Erscheinungsbild entspricht aber nicht dem einer Norm nach heutigem Verständnis.

Schaltzeichen wurden bereits in den 1940er Jahren von DIN normiert (DIN 40700 mit mindestens 25 Teilen), wobei letzte Aktualisierungen 1976 erfolgen. Abgelöst wurde sie durch DIN 40900 und heute gilt hier DIN EN 60617, die die Übersetzung der IEC 617 ist. Hier ist die DIN also die deutsche Version einer europäischen Norm und diese wiederum die Kopie einer international bekannten Norm. Hier hat die gerade im Bereich der Elektronik so wichtige Internationalisierung ihren Niederschlag gefunden.

Die Darstellungen zu den Bauteilen in Kapitel 4 werden sich an der letztgenannten DIN EN ausrichten.

3.2. Technisches Zeichnen (Mechanik)

Tab. 3.1: einige Normen zum Thema 'Technische Zeichnung'

Auch das technische Zeichnen, z.B. die Darstellung der mechanischen Abmessungen von Bauteilen, unterliegt der Normung. Dabei ist es gleichgültig, ob diese Zeichnung wie früher auf

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Papier oder, entsprechend heute üblicher Praxis, mittels Zeichenprogramm entsteht. Tab. 3.1 vermittelt einen kleinen Einblick in die Vielfalt der zu diesem Thema existierenden Normen. Eine gute Übersicht über Vorschriften und Methoden für die praktische Ausführung technischer Zeichnungen enthält [3.3].

Wie in Kap.2 dargestellt, werden viele Daten für die Datenbanken, die die Basis der Layout-Programme darstellen, aus Zeichnungen entnommen. Ein richtiges Verständnis dieser Darstellungen und die richtige Interpretation der Angaben ist also unabdingbare Voraussetzung auch für ein erfolgreiches Layout.

3.2.1. Zeichnungsmerkmale

Bezüglich der Darstellungen gibt es einige Grundregeln, die hier in Kürze aufgezeigt werden sollen:

Alle sichtbaren Kanten müssen gezeichnet werden.

Unsichtbare Kanten können zum besseren Verständnis gezeichnet werden

Lichtkanten müssen gezeichnet und als solche erkennbar sein.

Die Art der Projektionen (Klappungen) sollten kenntlich gemacht sein (Symbol im Zeichnungskopf, siehe Kap. 3.2.2.).

Vermaßungen müssen vollständig sein.

Toleranzen, die enger sein sollen bzw. sind als die Standardwerte der Norm, müssen gesondert ausgewiesen werden.

Es darf keine Vermaßung doppelt angegeben sein (großes Risiko bei Änderungen, dass dann eines der Maße vergessen wird !).

Tab. 3.2: Strichdarstellungen in technischen Zeichnungen

Abb. 3.3 zeigt das Beispiel eines Transistorgehäuses und Abb. 3.4. das Bauteil. In der Zeichnung Abb. 3.3 ist die Kühlfläche in der Mittel und teilweise rechts als unsichtbare Kante zu sehen. Mittellinien kennzeichnen die Mittellinien der Anschlussbeine (wichtiges Maß: "Rastermaß" oder

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"Rasterabstand" oder "Pitch") und der Bohrung. Oft werden Zeichnung direkt vermaßt, d.h. alle Zahlenwerte stehen unmittelbar an den Maßpfeilen. Im Beispiel stehen hier, wie bei den Philips-Unterlagen üblich, Buchstaben. In einer Tabelle sind dann zu den Buchstaben die Zahlenwerte der Maße mit ihren Minimal- und Maximalwerten zugeordnet. Das Thema Vermaßung wird in Kap. 3.2.2. dargestellt.

Abb. 3.3: Zeichnung TO-220-Gehäuse

3.2.2. Projektion (Klappung), Detail und Schnitt

Um die Übersicht bei einem komplexen Körper zu verbessern, stellt man das Objekt mit Ansichten aus verschiedenen Richtungen dar, gegebenenfalls dazu auch Schnittzeichnungen. Die farbliche Darstellung zeigt die zugehörigen Seiten. Die gestreiften Seiten sind die 'Gegenseiten' der sicht-

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baren Flächen der Perspektivzeichnung. Bei Abb. 3.6 und 3.7 ist rechts unten das genormte Sym-

bol für diese Projektion, auch als „Klappung“ bezeichnet, dargestellt.

Abb. 3.6: Projektionsmethode 1 - auch als 'europäische Projektion' bezeichnet.

Abb. 3.7: Projektionsmethode 3 - auch als 'amerikanische Projektion' bezeichnet.

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Vielfach kann der Maßstab eines Objektes nicht so gewählt werden, dass jedes notwendige Detail angemessen dargestellt werden kann. In solchen Fällen werden Detail-Zeichnungen und Schnitte angefertigt (Abb. 3.10, Abb. 3.9 zeigt eine anschauliche Darstellung eines ähnlichen Bauteils). Mittels Beschriftung muss für eine eindeutige Zuordnung gesorgt werden.

Bei Schnitten sind die Schnittflächen durch Schraffur zu kennzeichnen. Zur Verdeutlichung kann man (wie in Abb. 3.10) für die verschiedenen Materialien verschiedene Schraffuren benutzen (im Beispiel: Kunststoffgehäuse: , Anschlussbeinchen: ).

(nach Philips-Unterlagen)

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3.2.3. Vermaßung

Vermaßungen können sehr verschieden an den Zeichnungsobjekten angebracht werden:

Vermaßung von Einzelheiten, Gesamtmaße ergeben sich durch Addition diverser Einzelmaße (Maße "D.." und "L.." in Abb. 3.3)

Vermaßung mit Orientierung an Symmetrieachsen (teilweise in Abb. 3.3, fast alles in Abb. 3.10)

Koordinatenvermaßung von einem Nullpunkt ausgehend (siehe Abb. 3.11)

In Abb. 3.3 gibt es nur eine Symmetrielinie während in Abb. 3.10 zwei orthogonale vorhanden sind. Die Orientierung an diesen Linien ist sehr zweckmäßig, da das Layout und die Konstruktion der Montageteile sich ebenfalls daran orientieren. Zudem lässt sich dadurch auch die Tolerierung sinnvoll darstellen: bei den Halbleitern wird der "Kamm" (engl. „leadframe“), d.h. der Rahmen mit den Anschlüssen mit hoher Präzision hergestellt. Nach dem Einbau des Halbleiters wird alles mit dem Kunststoff des Gehäuses in einer ebenfalls präzisen Form umspritzt und zum Schluss in einer Maschine beschnitten und die Beinchen geformt. Zwischen diesen drei Schritten können systembedingt Versätze auftreten.

Die Vermaßung von einem Null-Punkt aus erfolgt vor allem bei all den Objekten, die auf CNCgesteuerten Werkzeugmaschinen entstehen. Diese Vermaßungsart entspricht am besten der von der Maschinensteuerung veranlassten Führung der Werkzeuge. Beim Beispiel der Leiterplatte in Abb. 3.11 werden gar nicht alle Bohrungen einzeln vermaßt, da die Daten per Bohrdatenfile an die Maschine übergeben werden. Nur die für weitere Arbeiten benötigten Maße werden - wenn auch gegen die Regeln in 3.2.1. bezüglich doppelter Angabe von Werten - in der Zeichnung ausgewiesen.

Neben den reinen Maßangaben incl. eventueller Toleranzen sind in Maßzeichnungen von Bauteilen oft noch drei wichtige Angaben zu maßlichen Eigenheiten zu finden (siehe Tab. 3.3).

Abb. 3.11: Vermaßung vom Null-Punkt (links unten) ausgehend (Zeichnung: Thales)