Electronic

Engineering

Grundlagen

(Praktische Elektrotechnik)

Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Schmidt

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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

Geschrieben als Skript für eine Vorlesung mit dem Titel ,,Praktische Elektrotechnik" an der Hoch-

schule Pforzheim. Hörer sind Studenten der Elektro- und Informationstechnik und der Technischen

Informatik im ersten Semester.

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und Quellenangaben am Ende.

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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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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

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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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

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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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

1. Einleitung

Erfolgreiche Ingenieur-Arbeit erfordert eine gesunde Kombination aus Spezialwissen im Hauptar-

beitsgebiet, 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 - zu-

mindest soweit keine Kenntnisse z.B. aus einer absolvierten Lehrausbildung vorhanden sind.

So setzt sich der Vorlesungsstoff aus einem Teil allgemeiner technischer Grundlagen, Einführun-

gen in die Werkstoff- und Bauelementekunde und ein paar Grundgedanken zum Layout zusam-

men. Dabei wird auf der Basis von Schulwissen aus den Bereichen Mathematik und Physik aufge-

baut. 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 Er-

stellung von Schaltbildern (andere übliche Bezeichnung hierfür: Stromlaufplan).

In der Vorlesung soll aber auch die Gelegenheit genutzt werden, ein paar Überlegungen zu Rand-

themen 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

Lesen von technischen Zeichnungen

Leiterplatten (einfache Grundlagen)

Theorie

des

Lötens

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 berufli-

chen 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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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

Begriff Beschreibung

Leiterplatte

die noch unbestückte Leiterplatte

Leiterplattenbaugruppe

die bestückte Leiterplatte, die auch schon eine gewisse

Funktionalität hat

Baugruppe

eine Leiterplattenbaugruppe, die z.B. um Mechanik-Teile

(z.B. Gehäuse oder Frontplatte für Rack-Einschübe) ergänzt

wurde

oder

Kombination aus mehreren Leiterplattenbaugruppen, deren

Einzel-Funktionalitäten sich ergänzen

Gerät

abgeschlossene Einheit, welche eine komplette Funktionalität

aufweist, kann aus nur einer, in ein Gehäuse eingebauten

Leiterplattenbaugruppe (z.B. beim Taschenrechner üblich)

bestehen

oder

sich aus einer Kombination von Leiterplattenbaugruppen und

Baugruppen (z.B. PC mit Main-Board + Netzteil + Floppy-LW +

DVD-LW + ...) zusammensetzen

System

besteht üblicherweise aus mehreren (gleichen oder auch

verschiedenen) Geräten

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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

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 Fir-

men 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 Leiterplat-

tenbaugruppe beteiligt sind, erläutern. Dabei müsste man bei genauer Analyse z.T. weitere Auf-

splittungen 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 Beschrei-

bung 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 Workstati-

ons. Dabei gilt es zu beachten, dass oft in jeder Funktionseinheit eine andere Software zum Ein-

satz kommt und die Korrespondenz zwischen den Einheiten mittels (genormter) Interfaces, Proto-

kolle und Formate stattfinden muss. Die Komplexität der Verknüpfungen verlangt über die Stan-

dardisierung 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 Funktio-

nen 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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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

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 Handwerks-

zeuge 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 defi-

nieren 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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Schmidt: Electronic Engineering Grundlagen

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 graphi-

sches 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 um-

fangreich)

Informationen für die elektrische

Prüfung des Bauteils auf einer

Leiterplatte (bauteilspezifisch)

Gehäuse und gehäuseabhängi-

ge Daten für die Verarbeitung

Definition der Kupfer-

flächen

Bohrungen

Lackfenster usw. für das

Layout der Leiterplatte

Abb. 2.2:

Definition der Pasten-

prinzipieller Aufbau der Bibliothek (gelb hinter-

maske für Fertigungs-

legter Bereich)

verfahren, in denen Lot in

Form von Paste auf die

Leiterplatte aufgedruckt

werden muss

Informationen zum konstruktiven Einsatz des Bauteils (Platzbedarf, Montageverfah-

ren, 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 Me-

thoden 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 Informatio-

nen 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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