Ein PCB-Schaltplan (Printed Circuit Board) ist die logische und visuelle Darstellung einer Schaltung. Er ist der erste Schritt im Designprozess eines elektronischen Produkts. Früher zeichneten Designer Schaltpläne von Hand auf Papier. Heutzutage verwenden sie spezielle PCB-Designtools wie M-CAD und E-CAD, um den Designprozess zu optimieren. Die Einhaltung der Standardrichtlinien für Schaltpläne ist unerlässlich, um ein gut strukturiertes, fehlerfreies Design zu erzielen.
Beispiel 1: Schaltplan für PCB-Heizkreis
Projektübersicht
In diesem Projekt fungiert die Schaltung als Heizsystem für die Leiterplatte, um deren Temperatur über der minimalen Betriebsgrenze des Geräts zu halten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Da keine präzise Temperaturregelung erforderlich ist, verwendet das Design einen Spannungsteiler, der aus einem Widerstand und einem NTC-Thermistor besteht, um einen MOSFET oder Transistor zu steuern. Wenn die Temperatur unter einen festgelegten Schwellenwert fällt, steigt die Spannung am Teiler und schaltet den Heizkreis ein. Wenn die Temperatur wieder steigt, sinkt die Spannung und schaltet den Schaltkreis aus.
Erläuterung zum Design
Wir verwenden ein gängiges SOT-23-Gehäuse für den Transistor und den MOSFET. MOSFETs unterstützen im Allgemeinen höhere Leitungsströme als Transistoren im gleichen Gehäuse, daher haben wir uns für den MOSFET LN2302BLT1G von LRC entschieden. Der ausgewählte NTC-Thermistor ist der häufig verwendete NCP15WF104F03RC. Als Heizelemente verwenden wir einen 10-Ω-Widerstand im 1210-Gehäuse, der die Gesamtleistung auf 2,5 W regelt.
In der Schaltplanzeichnung ist das Signal THERM_PCB ein analoger Eingang, der zur Überwachung der PCB-Temperatur an den ADC des Mikrocontrollers weitergeleitet wird. Das Signal HEATER_EN ist mit einem IO-Pin des Mikrocontrollers verbunden. Der Pin ist auf hohe Impedanz eingestellt, aber wenn der Heizkreis ausfällt, kann der IO das Signal hochziehen, um den MOSFET als Sicherheitsmaßnahme auszuschalten.
Beispiel 2: Schaltplan für H-Brücken-Motortreiber
Projektübersicht
Ein H-Brücken-Motortreiber verwaltet die Leistungs- und Steuersignale für einen Motor und ermöglicht so eine bidirektionale Motordrehung. Der Motortreiber L293D wird in einem 16-poligen PDIP-Gehäuse geliefert und bietet internen ESD-Schutz, hohe Störfestigkeit und einen breiten Betriebsspannungsbereich von 4,5 V bis 36 V.
Erläuterung zum Design
Die H-Brücken-Motortreiberschaltung mit dem L293D ist einfach und benötigt nur vier externe Dioden. Die Schaltung treibt zwei Motoren mit zwei Eingangssignalen an, die zwei separate Motoren steuern. Die Eingangssignale für Motor 1 werden an die Pins 1A und 2A angelegt, während die Ausgänge von den Pins 1Y und 2Y kommen. Analog dazu werden die Eingangssignale für Motor 2 an die Pins 3A und 4A angelegt, mit Ausgängen von den Pins 3Y und 4Y. Die Dioden D1–D4 schützen die Motoren vor Rückwärtsspannungsspitzen.
L293D-Treiber – Details zur Komponente
Der L293D ist ein Hochstrom-Halb-H-Treiber, der bis zu 600 mA bidirektionalen Treiberstrom liefern kann. Er kann induktive Lasten wie Motoren, Relais, Magnetspulen und bipolare Schrittmotoren steuern.
Beispiel 3: Schaltplan für ein Schaltnetzteil
Projektübersicht
Ein Schaltnetzteil, auch bekannt als Switch-Mode Power Supply (SMPS), ist ein Hochfrequenz-Stromwandler. Sein Zweck besteht darin, die Spannung je nach den Anforderungen des Endnutzers mithilfe verschiedener Schaltungsarchitekturen von einem Niveau auf ein anderes umzuwandeln.
Erläuterung zum Design
Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie zwischen 30 kHz und 45 kHz schwingt, reguliert durch die Einstellung des Kondensators C3 und des Widerstands R5. Die Ausgangsspannung muss stabil bleiben, mit einem maximalen Ausgangsstrom von 500 mA. Das Netzteil liefert 8 W effektive Leistung mit einem Wirkungsgrad von 87 %.
Moderne EDA-Tools zur Erstellung von Schaltplänen
Heutzutage verlassen sich Designer auf zahlreiche EDA-Tools (Electronic Design Automation) wie LCEDA, Altium, Allegro, Pads, KiCad, TinyCAD und ExpressPCB. Diese Tools tragen dazu bei, dass PCB-Schaltpläne fehlerfrei sind, indem sie kontinuierlich Logik- und Verbindungsprobleme überwachen. Die Einhaltung von Standard-Designregeln ist entscheidend, um die Schaltung maschinenlesbar zu machen.
Fazit
Der Entwurf von Leiterplatten ist ein entscheidender Schritt bei jedem Elektronikprojekt. Durch die Befolgung von Standardrichtlinien und den Einsatz moderner Designtools können Entwickler zuverlässige und effiziente Schaltungen erstellen. Die hier aufgeführten Beispiele veranschaulichen die Vielfalt und Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Schaltungstypen, von einfachen Heizkreisen bis hin zu Motortreibern und Stromversorgungen.
