Lesen von elektronischen Schaltplänen

Wie man Werkzeuge versteht und erstellt, die für die Fehlersuche und das Verständnis elektronischer Geräte unerlässlich sind

Bei elektronischen Geräten gibt es einen ständigen Trend zu mehr Komplexität und zunehmender Miniaturisierung. Diese Trends machen die Fehlersuche und Diagnose immer schwieriger. Für eine Aufzugssteuerung in einem öffentlichen Gebäude steht viel auf dem Spiel, denn jeder Ausfall, auch für eine Stunde, kann mit hohen Kosten verbunden sein. Darüber hinaus gibt es Gesundheits- und Sicherheitsaspekte, die das Szenario verschärfen. Stellen Sie sich eine Reihe von Aufzügen in einer Gesundheitseinrichtung vor, die durch den Ausfall einer einzelnen diskreten Komponente, die auf einer von vielen Leiterplatten gelötet ist, gelähmt ist.

Reparaturtechniker können Gehäuse öffnen und ihren Inhalt visuell überprüfen, oft vergebens. Manchmal zeigt ein durchgebranntes Gerät, Kabel oder Abschluß die Fehlerstelle an, aber häufiger starrt die Schaltung Sie einfach nur an. Diagnose-Testgeräte mögen den Weg weisen, aber Sie müssen trotzdem wissen, wo Sie suchen müssen. Der größte Vorteil beim Durcharbeiten solcher Rätsel ist ohne Zweifel das schematische Diagramm. In einem Vorstellungsgespräch wird der Bewerber gefragt: „Können Sie Schaltpläne lesen?“ Die Antwort ist nicht immer eindeutig: Einige Schaltpläne sind Modelle der Übersichtlichkeit und vermitteln die beabsichtigten Informationen effizient und ohne Mehrdeutigkeit, während andere verworren und desorganisiert sind.

Diagramme

Hersteller liefern im Allgemeinen drei Arten (mit Unterarten) von Diagrammen als Teil der Dokumentation, die elektronischen Geräten beiliegt. Neben Schaltplänen gibt es Bild- und Blockschaltbilder.

Bildhaft

Bilddiagramme bestehen aus Fotos oder maßstabsgetreuen Zeichnungen, die die Komponenten so zeigen, wie sie sich physisch auf dem Chassis oder der Platine befinden. Diese Grafiken sind sehr hilfreich nach einer Reparatur, um alles wieder ohne Beschädigungen wieder zusammenzusetzen. In der Elektronik gibt es oft einen erheblichen mechanischen Aspekt, wenn beispielsweise eine Motor-Pumpen-Einheit für Reparaturen zerlegt und dann wieder zusammengebaut werden muss. Hilfreich ist eine Explosionsdarstellung, eine Art bildliche Darstellung.

Wenn es sich um eine komplexe und anspruchsvolle elektromechanische Baugruppe handelt und kein Bilddiagramm zur Verfügung steht, empfiehlt es sich, hochauflösende Digitalfotos der Ausrüstung in verschiedenen Stadien der Demontage zu machen. Diese können hilfreich sein, um die Kabel wieder richtig anzuschließen. (Es ist bekannt, dass ein falsch angeschlossenes Kabel zu einem Ausfall der Aufzugtürverriegelung führt.)

Blockieren

Ein weiteres Diagramm, das normalerweise in der Herstellerdokumentation enthalten ist, ist das Blockdiagramm. Hier sind einzelne Komponenten und Schaltungsverdrahtung nicht dargestellt. Stattdessen werden Hauptstufen in der elektronischen Ausrüstung mit einzelnen Linien gezeigt, die den Strom- und Informationsfluss zwischen den Stufen anzeigen. Diese Art von Diagramm bietet einen hervorragenden Überblick über die Ausrüstung und ist als erster Ansatz bei der Fehlerbewertung und -diagnose ungemein hilfreich.

Seit der Erfindung des Superheterodyn-Radioempfängers (Abbildung 2) im frühen 20. Jahrhundert dominiert diese Bauart die Funkkommunikation und wird auch im Fernsehen (TV) verwendet. Ein Oszillator, der synchron mit dem Hochfrequenzfilter (HF) abgestimmt ist, der Sendungen aus einem Bereich von Frequenzen auswählt, liefert elektrische Energie, die im Mischer mit dem HF-Signal schlägt, und senkt es auf eine handlichere Zwischenfrequenz ab. Dieses Signal wird anschließend verstärkt, demoduliert und in Audiostufen wieder verstärkt und schließlich dem Lautsprecher zugeführt.

schematisch

Das mit Abstand hilfreichste Einzelstück in der Herstellerdokumentation ist der Schaltplan samt Stückliste. Dies kann aus einer einzelnen Seite oder vielen Seiten bestehen, oft spiralförmig gebunden, damit sie flach auf der Werkbank liegt. Wenn ein Schaltplan aufgrund seiner Größe und Komplexität mehrere Seiten ausfüllt, weist jede Seite Abschlüsse auf, die Verbindungen zeigen. Dies mag verwirrend erscheinen, ist aber eigentlich recht benutzerfreundlich, da jede Seite Informationen zu bestimmten Funktionen enthält, sodass der Fokus oft auf eine einzelne Seite beschränkt ist.

Ein schematisches Diagramm stellt im Gegensatz zu einem bildlichen Diagramm die Komponenten nicht so dar, wie sie tatsächlich erscheinen. Stattdessen werden Symbole verwendet, die nationalen und eng verwandten internationalen Standards entsprechen. Diese Symbole sind wunderbar intuitiv und drücken nicht das Aussehen der Komponenten aus, sondern ihre Funktionsweise. Betrachten Sie zum Beispiel die Schaltplansymbole für Widerstand, Kondensator und Induktivität.

Das Schaltzeichen für einen Widerstand basiert auf einer Zeit, als das Bauteil aus einem langen Drahtsegment gebildet wurde, das so gewickelt wurde, dass es keine Induktivität aufweist. Gegenwärtig bestehen die meisten Widerstände aus Kohlenstoff und anderen Materialien, die kombiniert werden, um den erforderlichen Widerstand zu haben, obwohl drahtgewickelte Widerstände immer noch in hochpräzisen Anwendungen verwendet werden. Fließt Strom durch einen Widerstand, sinkt die Spannung und die überschüssige elektrische Energie wird in Form von Wärme abgegeben. Die Verlustwärme ist proportional zum Quadrat der Strommenge mal dem Widerstand, der als I2R ausgedrückt wird. Ingenieure sprechen von I2R-Verlusten in jedem Gerät oder Leiter mit Widerstand.

Das schematische Symbol für eine Diode hat eine Anode und eine Kathode, und aus dem Symbol wird ersichtlich, dass der Strom in eine Richtung fließt, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, aber nicht in die andere Richtung, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt ist. Das schematische Symbol für einen Induktor vermittelt deutlich die Idee einer Drahtspule. Ein Luftkern-Induktor ist gezeigt. Wenn eine oder mehrere Leitungen parallel zu den Wicklungen hinzugefügt werden, hat das Gerät einen Eisenkern. Auch das Symbol für einen Kondensator ist recht intuitiv. Die beiden parallelen Platten sind mit befestigten Leitungen dargestellt, und zwischen ihnen befindet sich eine Lücke, die der dielektrischen Schicht entspricht. Ein realer Kondensator kann zu einem Zylinder gerollt werden, aber das Symbol vermittelt die Idee schematisch.

Die Symbole für digitale Tore werden mit der Belichtung immer intuitiver. Beachten Sie, dass ein Gate einen oder mehrere Eingänge haben kann, aber immer einen einzelnen Ausgang. Der runde Kreis am Ausgang zeigt an, dass der Eingang im Gerät invertiert ist. Die konkave Linie am Eingang zeigt an, dass es sich bei dem Gerät um ein digitales ODER-Logikgatter oder eines seiner Derivate handelt.

Abbildung 4 zeigt die Eingangsleistung (normalerweise 120-VAC-Standard-Hausstrom) auf der linken Seite und den ungefilterten pulsierenden DC-Ausgang auf der rechten Seite. Vier Dioden sind so angeordnet, dass sie eine Vollwellengleichrichtung bereitstellen, ohne dass eine Mittenwicklung erforderlich ist. Das Symbol für den Widerstand ist eine Variante. Das Schema zeigt die richtige Polarisation für die beiden Diodenpaare. Ein Leistungstransformator hat ausnahmslos einen Eisenkern, wie gezeigt.

Abbildung 5 zeigt einen regenerativen Empfänger, einen frühen Radiotyp, der dem Quarzsatz folgte und dem Superheterodyn vorausging. Es wird immer noch von Studenten als Bildungsprojekt gebaut und seine Leistung ist mehr als ausreichend, um Kopfhörer zu betreiben. Erhöhte Verstärkung wird erreicht, indem ein Teil des Ausgangs in den Eingang des Einröhrenverstärkers zurückgeführt wird. Die Kopplung erfolgt über zwei Luftspulen. Eine gleitet in die andere, wird vom Bediener bewegt und reguliert so die Regenerationsmenge.

Am Signaleingang ist ein Ende der Primärspule mit Masse verbunden, während das andere Ende über einen variablen Kondensator an einer Antenne endet. Beachten Sie, dass die Kondensatoren mit "C1", "C2", "C3" und "C4" gekennzeichnet sind. Sie und andere Komponenten sind normalerweise in einer beigefügten Tabelle mit Spezifikationen aufgeführt. Die Hülle der Vakuumröhre wird als Kreis mit inneren Elementen, einem Glühfaden, einem Gitter und einer Platte dargestellt, die durch herkömmliche Symbole dargestellt werden. Netzteile (in diesem Fall Batterien) werden manchmal oben und unten im Schaltplan abgeschlossen. Hier befinden sie sich innerhalb des Diagramms.

Mit der Praxis können immer komplexere Schaltpläne gelesen werden, so dass der Zweck der verschiedenen Komponenten klar wird und Strom- und Signalflüsse verstanden werden. Gut gezeichnete Schaltpläne halten sich eng an diese Standards. Jegliche Improvisation oder Versuche, die Symbole zu stilisieren, sind definitiv fehl am Platz und behindern eine effiziente und genaue Interpretation. Vollständige Kataloge mit Schaltplansymbolen, einschließlich der vielen Variationen von Halbleitern, können im Internet gefunden werden. Es wird empfohlen, diese Symbole auszudrucken, über die Werkbank zu stellen und im Computer zu speichern.

Neben Konventionen für einzelne Schaltplansymbole gibt es Konventionen für die Umsetzung des Gesamtlayouts. Der Schaltplan bezieht sich nicht auf die reale Position von Komponenten auf einem Chassis oder einer Leiterplatte. Die Absicht ist, die logischen und elektrischen Verbindungen aufzuzeigen. Im Schaltplan sind Komponentensymbole bezüglich Strom und Informationsfluss positioniert und entsprechen den Konventionen. Erfahrene Elektroniker verstehen diese Konventionen. Mit Erfahrung in der Analyse von Schaltplänen und dem Vergleich mit den tatsächlichen Leiterplatten und der gesamten elektronischen Ausrüstung verinnerlichen die Mitarbeiter diese Konventionen, sodass Schaltpläne von Anfang an sinnvoll sind.

Früher wurden praktisch alle Aufzüge von Gleichstrommotoren angetrieben, da die Geschwindigkeit eines Wechselstrommotors nicht ohne weiteres gesteuert werden konnte. Die Erfindung des Frequenzumrichters (VFD) Mitte des 20. Jahrhunderts war eine große Innovation, da er mit einer relativ einfachen Schaltung die automatische Geschwindigkeits-, Richtungs- und Drehmomentsteuerung eines Standard-AC-Induktionsmotors ermöglichte.

Der Schaltplan zeigt, wie es funktioniert. Dreiphasiger Netzstrom, oft 480 V, wird über einen Abzweigstromkreis an das Gerät geliefert, das normalerweise in einem gut belüfteten Metallgehäuse untergebracht ist. Jedes der drei heißen Beine wird mittig in ein Paar Dioden angezapft. Alle sechs Dioden sind in die gleiche Richtung gepolt, und der Gleichstromausgang dieses Gleichrichterabschnitts wird zwei dicken Leitern zugeführt, dem sogenannten Gleichstrombus. Über den DC-Bus ist ein Kondensator geschaltet, um die Welligkeit herauszufiltern.

Der DC-Bus überträgt Strom an den Wechselrichterabschnitt des VFD. Da dies die Ausgabe ist, wird sie rechts im Schaltplan dargestellt, die tatsächliche Anordnung innerhalb des Gehäuses kann jedoch abweichen. Der Schaltplan soll logische Funktionen und elektrische Verbindungen zeigen, nicht die physischen Positionen der Komponenten. Es ist die Aufgabe des Technikers, Komponenten zu lokalisieren und Schaltungsknoten zu finden, damit Messungen durchgeführt werden können.

Die DC-Leistung wird über den DC-Bus zu den sechs Ausgangshalbleitern geleitet. Beachten Sie, dass die Signaleingänge, die von der Aufzugssteuerung kommen, nicht über die Halbleiterleitungen hinaus gezeigt werden, obwohl die dreiphasige Stromausgabe zum Motor angezeigt wird. Der Techniker, der ein Multimeter und ein Oszilloskop verwendet, weiß, wonach er suchen muss, indem er den Schaltplan liest. Schaltpläne zeigen oft die richtigen Spannungen an verschiedenen Testpunkten, und bei einem TV-Schaltplan werden an kritischen Stellen kleine Grafiken mit Oszilloskopspuren angezeigt. Auf dem DC-Bus wollen wir einen reinen, unveränderlichen Gleichstrom ohne Welligkeit sehen. Achten Sie am VFD-Ausgang und an den drei Motorklemmen auf symmetrischen, pulsmodulierten Strom ohne Oberwellen.

Dies sind natürlich sehr hohe Spannungspegel mit großen verfügbaren Fehlerströmen. Es ist äußerste Vorsicht geboten, um Stöße und Lichtbögen zu vermeiden. Vor Arbeiten an dieser Art von Ausrüstung sollte der Techniker eine Einweisung erhalten und wissen, wie er mit potenziellen Gefahren umzugehen hat. Sicherheitsverriegelungen, Schutzvorrichtungen und Erdung müssen an Ort und Stelle bleiben, und nach Abschluss der Reparaturen muss darauf geachtet werden, dass keine neuen Gefahren eingeführt werden. Die Anschlüsse müssen gemäß den Spezifikationen angezogen werden und alle Vorsichtshinweise in der Herstellerdokumentation müssen beachtet werden.

Anhand des Schaltplans und unter Berücksichtigung der Symptome des untersuchten Geräts sollte es möglich sein, den allgemeinen, wenn nicht den genauen Ort des Fehlers zu ermitteln. Mit Bezug auf den Schaltplan stehen nach Lokalisierung des allgemeinen Fehlerbereichs mehrere Techniken zur Verfügung, um das Problem zu lokalisieren. Beispielsweise ist ein ungewöhnlich heißer Mikroprozessor wahrscheinlich beschädigt und funktioniert nicht. Wenn es überhaupt nicht warm ist (dh Zimmertemperatur hat), empfängt das Gerät keinen Strom oder leitet keinen Strom. Wenn die Arbeitstemperatur anormal ist, ist entweder der Mikrochip intern defekt oder ein Peripheriegerät ist defekt (normalerweise kurzgeschlossen oder offen), und die elektrische Energie fließt nicht dorthin, wo sie sollte.

Problemlösung

Bei zeitweiligen Betriebsstörungen wird die Diagnose erschwert. Dies kann durch einen kleinen, praktisch unsichtbaren Riss in einem Gerät oder Leiter verursacht werden, der sich ausdehnt, wenn die kritische Temperatur erreicht wird. Manchmal ist es möglich, einem fragwürdigen Bauteil oder Leiter eine geringe Wärmemenge zuzuführen, um den Fehler zu beheben. Ein zu diesem Zweck hergestelltes Kühlspray stellt manchmal den Betrieb zu Diagnosezwecken vorübergehend wieder her. Der Schaltplan führt Sie immer zum Fehler.

Schwierig (manchmal etwas schwierig, manchmal sehr schwierig) ist die Anordnung der Bauteile, wie auf einem Schaltplan dargestellt, auf der eigentlichen Leiterplatte oder dem Chassis. Mit zunehmender Miniaturisierung wurde es immer schwieriger, gedruckten Leitern auf der Rückseite von Leiterplatten zu folgen und Geräteabschlüsse und Schaltungsknoten zu lokalisieren und zu identifizieren. Die Anordnung der Geräte auf einer Leiterplatte wird von vielen Faktoren bestimmt, einschließlich der charakteristischen Impedanz der gedruckten Leiterbahnen, der Positionierung von Geräten, um thermische und elektromagnetische Effekte zu mildern, und so weiter.

Beim Entlöten und Verlöten von Bauteilen können in der Nähe befindliche Geräte und/oder die Platine selbst sehr leicht beschädigt werden. Wenn ein Aufzug an einem öffentlichen Ort ausgefallen ist, ist es möglicherweise die beste Option, eine (oder mehrere) gesamte Leiterplatte(n) auszutauschen, um den Betrieb schnell wiederherzustellen. Dies hängt jedoch von der Verfügbarkeit ab. Beachten Sie außerdem Folgendes:

• Ganze Leiterplatten sind sehr teuer. Dies liegt daran, dass sie für Spezialgeräte in relativ kleinen Stückzahlen hergestellt werden.
• Da sie große Populationen von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-ähnlichen isolierten Gate-Bauelementen in komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Konfigurationen enthalten, können moderne Leiterplatten durch sehr geringe Mengen statischer Elektrizität sofort zerstört werden. Ein gravierendes Problem besteht darin, dass auf diese Weise beschädigte Leiterplatten keine sichtbaren Anzeichen von Beschädigungen aufweisen. Der Techniker kann davon ausgehen, dass der Fehler woanders liegen muss, da die Substitution das Problem nicht gelöst hat.
• Eine Leiterplatte kann durch zu hohe Spannung oder Hitze von außen beschädigt werden. Ein Ersatzboard wird früher oder später das gleiche Schicksal erleiden. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn ein Kühlgebläse, möglicherweise aufgrund eines schlechten Lagers, einer schlechten Stromversorgung, eines Sensors oder einer schlechten Steuerverkabelung, seine Kühlfunktion nicht erfüllt. Suchen Sie auch nach blockierten oder verstopften Kühlöffnungen oder hoher Umgebungstemperatur.

Aus den oben genannten Gründen ist es manchmal sinnvoller, ein einzelnes Bauteil auf einer Leiterplatte auszutauschen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich nicht um einen Ausfall an einem öffentlichen Ort handelt. Sie haben beispielsweise eine defekte Platine ersetzt und möchten diese als Ersatzteil reparieren. Es gibt Online-Tutorials und gedruckte Bücher und Artikel, die sich ausführlich mit Löttechniken und der Reparatur von Leiterplatten befassen.

von Vorabkalkulationen

Möglicherweise haben Sie Gelegenheit, einen Schaltplan zu zeichnen. Wenn Sie die zuvor besprochenen Konventionen gut verstehen, können Sie einen Schaltplan erstellen und scannen, um ihn per E-Mail an Kollegen oder den technischen Support eines Herstellers zur Beratung zu senden.

Ein Schaltplan kann mit üblichen Zeichenwerkzeugen und -techniken gezeichnet werden. Dieser Prozess ist zeitaufwändig, und obwohl die Ergebnisse für einige Anwendungen akzeptabel sein können, lassen sie zu wünschen übrig, wenn man eine Herstellerdokumentation oder Werbematerialien erstellt. Für Anwendungen wie diese gibt es Computerprogramme, die bei geschickter Implementierung hervorragende Schaltpläne mit eingebauter Einhaltung aller Konventionen liefern.

Beispiele

Digikey, ein großer Anbieter von Elektronikkomponenten, bietet unter www.digikey.com ein kostenloses Online-Tool für Schaltpläne und Diagrammerstellung an. Klicken Sie auf „EDA & Design Tools“, dann auf „Scheme-it“ und dann auf „Jetzt ausprobieren“. Das Fenster „Neues Projekt“ wird geöffnet, und von dort aus können Sie sehen, wie das Programm funktioniert. Ein Bildschirm, der wie ein Blatt Millimeterpapier aussieht, mit einer Liste von Geräten in einer vertikalen Spalte (links) wird angezeigt. Zum Beispiel gibt es 29 Arten von Dioden. Jeder von ihnen kann in das Projekt gezogen, gedreht, mit Linien verbunden, die Drähte darstellen, und beliebig angeordnet werden. Das Endergebnis ist ein fertiger Schaltplan, der mit einem Namen versehen und als Datei gespeichert werden kann.

Der einfach anzuwendende grafische Layout-Editor (EAGLE) ist ein komplettes Elektronik-Design-System, das sich zum Werkzeug der Wahl für Elektronik-Design-Profis entwickelt hat. Es ermöglicht nicht nur die Schaltplanerfassung, sondern ist auch ein Layout-Editor für gedruckte Leiterplatten (PCB) und ein automatischer Router. Es enthält auch Werkzeuge für computergestütztes Design und Stücklisten.

EAGLE hat eine steile Lernkurve. Darin ähnelt es Adobe Photoshop. Um kompetent zu werden, müssen Sie viel Zeit und Mühe aufwenden. Wählen Sie zunächst die gewünschte Version aus und laden Sie sie je nach Budget und Bedarf herunter. Das kostenlose EAGLE Light ermöglicht es dem Benutzer, das Programm auszuwerten und zu erfahren, worauf es ankommt. Es funktioniert in Mac-, Microsoft Windows- und Linux-Betriebssystemen. Benutzer können von einer sehr großen erweiterbaren Bibliothek von Komponenten profitieren, die weiter modifiziert und angepasst werden können. Symbole, die elektronische Komponenten darstellen, werden auf die Seite verschoben und angeordnet, um die gewünschte Schaltung zu erzeugen. Zu den weiteren Funktionen gehört die Möglichkeit, den Schaltplan mit einem Klick in ein PCB-Layout mit Auto-Routing zu übersetzen. Das Produkt kann als Gerber-, PostScript-, Excellon- oder Lieb & Meyer-Bohrdatei gespeichert werden, je nach Bedarf von Leiterplattenherstellern.

Wenn es darum geht, Schaltpläne für den Druck zu erstellen oder mit Kollegen zu kommunizieren, reicht die Funktionalität von EAGLE Light aus. Die maximale PCB-Größe dieser Version beträgt jedoch 4 x 3.2 Zoll (obwohl für viele Anwendungen immer noch ausreichend). Beim Erstellen von Schaltplänen erlaubt die Light-Edition nur ein Blatt pro Projekt, daher ist es nicht möglich, ein großes Projekt in separate Schaltpläne mit Verknüpfungen zwischen den Blättern aufzuteilen. Um diese Einschränkungen zu überschreiten, müssen Sie eine der fortgeschritteneren Versionen erwerben.

EAGLE basiert auf einem „Control Panel“, das den Zugriff auf seine vielen Funktionen ermöglicht. Hier greift der Benutzer auf Komponentenbibliotheken zu, legt Konstruktionsregeln fest (z. B. Spurabstände) und wechselt zu weiteren Programmfunktionen.

Unter „Projekte“ gibt es zwei Dateien: „Schematic“ (.sch) und „Board Layout“ (.brd). Beide müssen beim Arbeiten an einem Programm gleichzeitig geöffnet sein, damit sie synchronisiert bleiben.

Fazit

Elektronische Schaltpläne sind herausfordernd und gleichzeitig benutzerfreundlich für den Techniker, der sie verwenden möchte. Ohne Schaltpläne und andere Dokumentationen ist die anstehende Aufgabe viel schwieriger und die Erfolgsaussichten stark reduziert.