Elektronischer Würfel
Elektronik-Kit II – Anleitung
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ... 3
2. Schaltplan ... 4
3. Leiterplatte ... 6
4. Zusammenbau ... 7
4.1 Vorbereitung ... 7
4.2 Widerstände ... 7
4.3 Dioden ... 8
4.4 IC-Sockel ... 9
4.5 Transistoren ... 10
4.6 Kondensatoren ... 11
4.7 LED... 12
4.8 Schalter ... 14
4.9 Batterie ... 14
4.10 IC Bestücken ... 14
4.11 Würfel testen ... 17
5. Gehäuse ... 19
6. Probleme und Lösungen ... 20
7. BOM ... 22
1. Einleitung
Dieses Dokument zeigt, wie du den elektrischen Würfel zusammenbauen kannst. Dieser Bausatz ist so konzipiert, dass du die Grundprinzipien der Elektronik und des Lötens lernen kannst. Schau dir zuerst das Dokument «Elektronik-Bausätze
Allgemeine Informationen» an, damit du die Eigenschaften der einzelnen Bauteilen kennst und verstehst.
Mit dem fertigen Würfel ist es möglich, durch das Drücken des Knopfes eine zufällige Zahl zu würfeln. Nach dem die Würfel gefallen sind, ist es möglich, durch erneutes Drücken eine weitere Zahl zu würfeln. Wenn man jedoch den Knopf nicht mehr drückt, wird keine weitere Zahl gewürfelt, und die Schaltung schaltet sich nach ca. 15 Sekunden aus.
Immer wenn eines der folgenden Symbolen in dieser Anleitung zu finden ist, gilt es besonders aufzupassen.
Allgemeines Warnzeichen
Immer wenn du das allgemeine Warnzeichen siehst, gillt es besonders aufzupassen. Oftmals handelt es sich um ein Bauteil, bei welchem man sich auf die Polarität achten muss.
Merke!
Dieses Symbol zeigt, dass es sich lohnt, dir diese Information besonders einzuprägen.
Begriffe, welche gold und fett markiert sind, werden im Glossar (Dokument Elektronik- Bausätze, Allgemeine Informationen) erklärt.
2. Schaltplan
(Plan siehe nächste Seite)
Im schaltplan ist zu sehen, welche Komponenten miteinander verbunden sind. Eine Schwarze linie deutet eine verbindung an. Diese Verbindung entspricht jeweils einer Leiterbahn auf dem PCB. Aus dem schaltplan kann man herauslesen, welche bauteile wohin müssen. Neben den Symbolen sieht man auf dem schaltplan den jeweiligen Designator und die
Produktbezeichnung. Der einfachheitshalber haben wir eine BOM zusammengestellt (seite 24).
Aus dieser BOM kann man dann auch ganz einfach herauslesen, welches Bauteil wohin muss.
3. Leiterplatte
Unbestückte Leiterplatte
Die Abbildung zeigt die Unbestückte Leiterplatte sehen. Gut zu erkennen sind die Weissen Footprints und di edazugehörigen Designator.
Abb. 1 Bestückte Leiterplatte
47uF/16V 47uF/16V
4. Zusammenbau
4.1 Vorbereitung
Als erstes werden alle komponenten ausgepackt und nach Typ sortiert. Dieses Mise-en-Place wird uns die Arbeit um einiges vereinfachen.
Mise-en-place
4.2 Widerstände
Als erstes werden die Widerstände eingelötet. Wir starten mit den drei 100kΩ Widerständen, welche die Farbe Braun-Schwarz-Gelb tragen. Wenn R1, R2 und R3 welche sich oben links auf dem PCB befinden gelötet wurden, kann man mit R4 (33k Ω Orange-Orange-Orange) und R5 (100Ω Braun-Schwarz-Braun) weitermachen. Sind diese gelötet, kann man R6 (3k3 Orange- Orange-Rot), R7 (2k2 Rot-Rot-Rot), R8 (1k8 Braun, Grau, Rot) und R9 (1k8 Braun, Grau, Rot) machen. Diese vier Wiederstrände befinden sich auf der Rechten seite des PCBs.
4.3 Dioden
Als nächstes werden die Dioden eingebaut. Dabei ist es wichtig, zwischen der Zenerdiode und den anderen normalen Dioden zu unterscheiden. Leider sehen diese Bauteile fast gleich aus, haben jedoch massiv unterschiedliche Funktionen.
Wenn man sie nebeneinander legt, kann man sie darin unterscheiden, dass die Zenerdiode (V10) ein wenig grösser ist.
Zenerdiode V10 (oben) im Vergleich mit normaler Diode (V1-V9)
Wenn man die Zenerdiode ermittelt hat, kann man diese als erstes einlöten, damit man nicht Gefahr läuft diese zu vertauschen.
Dabei ist es wichtig zu beachten, dass Dioden polarisiert sind, und man sie nicht beliebig einbauen kann. Um herauszufinden in welche richtung die Diode ingebaut werden muss, kann man den Footprint auf dem PCB anschauen.
Nachdem die Zenerdiode (V10) eingelötet wurde, kann man die verbleibenden neun Dioden (V1- V9) einlöten. Auch hier ist darauf zu achten, dass sie in der richtigen Richtung eingelötet werden
Schwarzer Ring der Kathode
Weisse Linie auf PCB kennzeichnet die Kathode
4.4 IC-Sockel
Da die ICs relativ schnell kaputt gehen, verwenden wir IC-Sockel. Diese erlauben es uns, die IC ohne spezielles Werkzeug auszutauschen. Ausserdem kann der Sockel durch übermässiges heizen mit dem Lötkolben auch nicht kaputt gehen.
Im Kit enthalten sind zwei verschiedene IC-Sockel. Einer mit 14 Pins und einer mit 16 Pins. Für das Einlöten der Sockel ist es wichtig zu beachten, dass die Kerbe im Sockel so ausgerichtet werden muss, dass sie mit der Kerbe auf dem Footprint übereinstimmt.
Kerbe im Sockel
Um das Löten zu vereinfachen, ist es empfehlenswert, die 2 Pins umzubiegen.
Damit wird der Sockel provisorisch am Platz gehalten. So wird das Bauteil beim Löten nicht herausfallen.
IC Sockel U2 auf PCB (Ansicht von unten) IC-Sockel U2 auf PCB
Kerbe angedeutet im Footprint
DIE ICS NOCH NICHT MONTIEREN!
4.5 Transistoren
Als näcshtes werden die beiden Transistoren Q1 und Q2 eingelötet. Dabei muss man aufpassen, dass die beiden nicht vertauscht. Der Transistor Q1 hat den Wert BC559 und der Transistor Q2 hat den wert 2N7000.
Transistoren Q1 und Q2 (v.l.n.r)
Beim Einlöten der beiden Transistoren ist darauf zu achten, dass der «Bauch» des Transistors so ausgerichtet wird, dass es mit dem Symbol auf dem PCB übereinstimmt.
Man sollte die Transistoren nicht zu weit runterdrücken. Im Idealfall ist der Tranistor ca. 5mm in der Luft. Damit gelangt die Wärme beim Löten nicht so schnell zum Bauteil. Wenn der Transistor beim Löten zu heiss wird, besteht die Gefahr dass er kaputt geht.
Ausserdem sollte man den Transistor Q2 nicht an den Pins berühren. Dieser ist ein MOSFET, und als solcher relativ empfindlich zu gegenüber ESD.
Symbol für ESD-gefährdete Bauteile
Bauch des Transistors
«Bauch» auf dem Footprint angedeutet
Transistor Q2 auf dem PCB
4.6 Kondensatoren
Auf dem Board befinden sich drei verschiedene Konensatoren. Wir werden als erstes die beinen Elektrolykondensatoren einlöten. Diese sind polarisiert!
Dabei muss man beachten, dass der weisse Streifen auf dem Kondensator so ausgerichtet wird, dass er mit dem weissen Teil des Footprints übereinstimmt.
Kondensator C2 auf PCB
Der dritte, blaue Kondensator ist nicht polarisiert, und kann in beide Richtungen eingelötet werden.
Kondensator C1
Markierung des Minus-Pins
Markierung auf dem Footprint
Weisse Markierung auf dem Kondensator
Abb. 2 Kondensator C3
Kondensator-Wert
Kondensator C2
4.7 LED
Bei den LED ist es sehr wichtig, dass sie richtig eingebaut werden. Verpolte LED sind die häufigste Fehlerursachen, wenn das Board nicht funktioniert. Aus diesem Grund gillt es sehr vorsichtig zu sein.
Wir verwenden eine Montagehilfe für die LED. Das LED wird wie in der Abblldung in die Montagehilfe gesteckt. Die Montagehilfe sorgt dafür, dass das LED beim Löten nicht zu warm wird und alle LED in der selben Höhe montiert werden.
Kürzerer Pin kennzeichent den Minuspol (Kathode)
«Kelch» (grösseres Dreieck) im LED ist stets auf der
Minusseite (Kathode) Abgeflachte Seite ist
immer auf der Seite mit dem Minus-Pin (Kathode)
Montagehilfe für LED LED
Die LED müssen so eingebaut werden, dass alle mit der abgeflachten Seite mit dem Symbol übereinstimmen.
Dieses Symbol zeigt die Ausrichtung des LEDs an. Der Balken
entspricht dabei der Kathode. Damit wissen wir, dass das untere Loch der Kathode entspricht.
Kürzerer Pin in das Loch der Kathode!
Kelch auf Seite der Kathode
4.8 Schalter
Der Schalter bereitet keine besondere Schwirigkeiten beim Einlöten. Der Schalter kann auch nicht verkehrt eingebaut werden.
4.9 Batterie
Wenn der Würfel später in einem Gehäuse (siehe Kapitel Gehäuse) eingebaut werden soll, muss man die Drähte der Batterie auf der Lötseite montieren und auf der Bestückungsseite anlöten – also auf dieser Seite, wo alle Symbole sind. Achte dabei auf die Polarität!
Wird der Würfel nicht im Gehäuse verbaut, kann man die Batteriekabel auch problemlos auf der Bestückungsseite bestücken und auf der Lötseite löten. Achte dabei auf die Polarität!
Lötseite
Rotes Kabel: + Schwarzes Kabel: -
Bestückungsseite BITTE DIE 9V-BATTERIE NOCH NICHT ANSCHLIESSEN!
4.10 IC Bestücken
Das Bestücken der ICs ist ein sehr heikler Vorgang. Damit die Bauteile nicht beschädigt werden, muss man sehr vorsichtig sein.
Die Pins der ICs sind standardmässig nach aussen gebogen. Damit die ICs in den Sockel passen, müssen wir diese Pins geradebiegen.
Für das Biegen der Pins ist es am einfachsten, wenn man eine Pinzette verwendet. Notfalls kann man es aber auch von Hand machen.
Pins mit Pinzette biegen
Sobald der IC so gebogen ist, dass er in den Sockel passt, kann man den IC montieren. Dafür wird er in den Sockel gelegt und mit einem Finger heruntergedrückt werden. Bitte versichere dich zuerst, ob die Polarität stimmt und ob alle Pins sauber in den Sockel passen.
Wichtig ist, dass die drei Kerben
übereinander sind.
4.11 Würfel testen
Jetzt kann man die Batterie anschliessen und die Schaltung testen.
Wenn man die 9V Batterie richtig anschliesst (auf Polarisierung achten) sollte noch nichts passieren.
Sobald der Taster gedrückt wird, sollten alle LEDs aufleuchten. Nach ca. 2-3 Sekunden sollte die gewürfelte Zahl erscheinen. Nach weiteren 10-20 Sekunden, sollten die LED wieder erlöschen.
Durch erneutes Drücken kann man eine weitere Zahl würfeln.
Falls der Würfel ein anderes Verhalten aufzeigt, kann man sich im Kapitel «Probleme &
Lösungen» Rat suchen.
Falls du den Würfel in ein Gehäuse einbauen willst, befolge die Anweisungen im nächsten Kapitel. Falls du ohne Gehäuse Zufrieden bist, ist dieser Bausatz jetzt fertig.
Knopf mit welchem man Würfelt.
Würfelanzeige 5 Würfelanzeige 6
Würfelanzeige 1 Würfelanzeige 2
Würfelanzeige 2 (gespiegelt)
Würfelanzeige 3
Würfelanzeige 3 (gespiegelt)
Würfelanzeige 4
5. Gehäuse
Das Gehäuse für den Würfel kannst du entweder im ENTER-Shop kaufen, oder selber auf einem 3D-Drucker ausdrucken. Die 3D-Daten zum Selberdrucken findest du auf folgendem Link:
https://enter.ch/besuchen/enteracademy/
Die 9V-Batterie muss man in die dafür
vorgesehene Halterung hineindücken. Je nach Druckqualität braucht dies relativ viel Kraft.
Danach kann das PCB mit vier Schrauben mit dem Gehäuse verschraubt werden.
Es ist nicht dringend nötig, den Würfel in einem Gehäuse zu verpacken. Der Würfel funktioniert auch ohne Gehäuse.
Wenn dein Würfel jetzt funktioniert, hast du diesen Bausatz erfolgreich abgeschlossen!
6. Probleme und Lösungen
Um die Probleme zu untersuchen, sollte man sich ein Multimeter zur Hilfe nehmen.
In der nachfolgenden Liste, findet man verschiedene Probleme, welche auftreten können und verschiedene Lösungsansätze. Diese Liste wird sich laufend erweitern.
Problem Symptome Lösung Keine der
LEDs leuchtet
Obwohl die Batterie angeschlossen ist und der Knopf gedrückt wurde, leuchtet keine der LEDs.
Sind die LEDs richtig eingelötet/nicht verpolt?
Problem: LED falsch eingelötet
Sind die Transistoren richtig eingelötet/nicht verpolt?
Problem: Transistoren falsch eingelötet
Sind die Kondensatoren richtig eingelötet/nicht verpolt?
Problem: Kondensatoren falsch eingelötet Sind die Dioden richtig eingelötet/nicht verpolt?
Problem: Dioden falsch eingelötet
Sind die ICs richtig eingelötet/nicht verpolt?
Problem: ICs falsch eingelötet
Irgendwelche Kurzschlüsse ersichtlich?
Problem: Kurzschluss
Kann ich an der Batterie mit dem Multimeter eine Spannung messen?
Problem: Batterie leer Ein paar
LEDs
funktionieren nicht
Meist handelt es sich um ein LED- Paar, welches nicht
funktioniert.
Prüfen, ob die LEDs richtig eingelötet sind.
Prüfen, ob die dazugehörigen Wiederstände korrekt eingelötet sind.
Prüfen, ob die dazugehörogen Dioden richtig eingelötet sind.
Prüfen, ob ein Kurzschluss vorhanden ist.
Gewisse LED leuchten immer
Manchmal kommt es vor, dass gewisse LEDs stets am Leuchten sind, wobei andere nie leuchten.
Dabei handelt es sich meistens um einen Kurzschluss.
Kurzschluss Zwei Kontakte, welche nicht verbunden sein sollten sind fälschlicherweise verbunden.
Dieses Problem kann zu allen möglichen Fehlern führen.
Die fehlerhafte Lötstelle ausfindig machen.
Lötstelle reparieren
Am einfachen ist es, einen Kurzschluss mit Lötlitze, einem Lötsauger oder mit einem Auslötkolben zu reparieren.
https://www.youtube.com/watch?v=N_dvf45hN6Y In diesem Video wird erklärt, wie man Lötlitze/Lötsauger verwendet.
Bauteil verpolt
Ein verkehrt eingebautes Bauteil kann viele
verschiedene Fehler zur Folge haben.
Bauteil auslöten Richtigherum einlöten
https://www.youtube.com/watch?v=N_dvf45hN6Y In diesem Video wird erklärt, wie man Lötlitze/Lötsauger verwendet.
Falsches Bauteil eingelötet
Falls sich herausstellt, dass ein falsches Bauteil
eingelötet wurde, kann dies sehr viele Fehler hervorrufen
Falsches Bauteil auslöten Richtiges Bauteil einlöten Vgl. «Bauteil verpolt»
Falls du ihr Problem immer noch nicht lösen kannst, sende eine E-Mail an info@enter.ch und schildere das Problem genau. Meistens hilft es, uns eine Foto anzuhängen das das Problem zeigt.
7. BOM
Widerstände
R1, R2, R3 100Ω Braun-Schwarz-Gelb
R4 33k Orange-Orange-Orange
R5 100R Braun-Schwarz-Braun
R6 3k3 Orange-Orange-Rot
R7 2k2 Rot-Rot-Rot
R8, R9 1k8 Braun-Grau-Rot
Dioden
V1 – V9 1N4148 Schwarzer Ring auf weisse Markierung
V10 5V6 Schwarzer Ring auf weisse Markierung (mit rotem
Punkt)
IC-Sockel
U1 14-Pin Kerbe übereinstimmend Symbol
U2 16-Pin Kerbe übereinstimmend Symbol
Transistoren
Q1 BC559 Flache Seite mit Symbol übereinstimmend
Q2 2N7000 Flache Seite mit Symbol übereinstimmend (mit rotem
Punkt)
Kondensatoren
C1 10uF Weisser Streifen auf weisse Markierung
C2 47uF Wert hat geändert (von 10uF auf 47uF)
C3 100n
LED
H1 – H7 LED Flache Seite mit Symbol übereinstimmend
Schalter
S1 Taster
IC Montieren Pins ausrichten
U1 CD4024BE Kerbe übereinstimmend mit Sockel
U2 CD4046BE Kerbe übereinstimmend mit Sockel
Batterie
G1 9V-Batterie Rotes Kabel an Plus
Gehäuse
Zusammenbau mit 3D-gedrucktem Gehäuse. 4 Schrauben vorsichtig eindrehen.
