Vom Schaltplan zur Platine – Schaltpläne lesen und Platinen bestücken

Dieser Fachartikel gibt praktische Hinweise und Tipps für den Unterricht, damit es Schülerinnen und Schüler einfacher Schaltpläne lesen und Platinen oder Steckboards bestücken können. Die Hinweise beziehen sich gleichermaßen auf Streifenrasterplatinen und auf Steckboards. Außerdem erhalten Sie zwei Übungsaufgaben, die direkt im Unterricht eingesetzt werden können. Der Artikel wird im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" in gekürzter Form veröffentlicht.

Schematisch Reihenschaltung
Abb. 1: Reihenschaltung

Schritte zur Platinenbestückung

Für viele Schülerinnen und Schüler sind elektronische Schaltungen ein Mysterium. Häufig werden nur fertige bedruckte Platinen mit genauer Anordnung der Bauelemente für den Unterricht gewählt und bestückt. Die Anordnung wird jedoch selten hinterfragt und auf Bestückungsfehler kann kaum reagiert werden. Das ist schade, weil die eigene Erarbeitung ein sehr kreativer Prozess sein kann und sich ein Verständnis für das Schaltplandesign entwickelt. Die möglichen Lösungen bei der Bestückung können sehr vielseitig sein. Doch wie vermittelt man solche Kompetenzen? Folgende Vorgehensweise hat sich bewährt:

  1. Reduzierung des Schaltplans auf wenige Bauelemente
  2. Übertragung der Schaltzeichen auf reale Bauelemente
  3. Entscheidung über Anordnung der Bauelemente auf der Platine
  4. Platzierung der Bauelemente mit Beachtung der Polarität
  5. Überprüfung der Strompfade
  6. Funktionskontrolle, Korrektur

Zu 1.: Zu Beginn reicht eine Reihenschaltung von 3 Bauelementen aus. Das könnten eine Leuchtdiode, ein Widerstand und ein Taster sein (siehe Abbildung 1).

Zu 2.: In der Regel kennen die Lernenden noch nicht alle Bauelemente oder deren Ausführungsarten. Hier hilft ihnen eine Legende.

Zu 3.: Bei Reihenschaltungen können die Bauelemente untereinander getauscht werden. Die Anordnung der Bauelemente kann untereinander bedingt sein.

Zu 4.: Die Bauelemente müssen mit je einem Anschlussbein mit einem anderen Bauelement verbunden werden. Dazu dienen die Leiterbahnen einer Platine oder die Kontaktklemmen eines Steckboards. Die Polarität betrifft zum Beispiel die Leuchtdiode. Wird sie verkehrt angeschlossen passiert nichts weiter, aber sie leuchtet nicht. Im Zweifelsfall muss sie einfach umgedreht werden (siehe Abbildung 2).

Schaltbilder realer Bauelemente
Abb. 2: Schaltbilder realer Bauelemente

Zu 5.: Es wird beginnend mit einem Pol der Stromquelle der Strompfad durch jedes Bauelement nachvollzogen. Lassen Sie die Schüler den Pfad mit dem Finger nachziehen und die verbauten Bauelemente abhaken

Zu 6.: Sollte nach Anlegen der Betriebsspannung die Schaltung nicht funktionieren, noch einmal bei Punkt 2 beginnen.

Steckboard hintere Ansicht der Klemmen
Abb. 3: Steckboard, hintere Ansicht der Klemmen

Streifenrasterplatinen

Streifenrasterplatinen gibt es im Handel in verschiedenen Ausführungen. Meist sind die streifenförmigen Kupferbahnen gebohrt, um Bauelementeanschlüsse durchstecken zu können. Der Abstand von Streifen zu Streifen beträgt 2,54 mm (ein Zehntel Inch). Im Schulbereich haben sich doppelte Abstände mit 5,08 mm bewährt. So können die Lötstellen nicht ungewollt auf andere Leiterbahn überlaufen. Die Kupferbahnen verbinden die Bauelemente untereinander. Um auch Schaltkreise nutzen zu können, hat der Autor eine Experimentierplatine entwickelt.

einzelne Steckboardklemme
Abb. 4: einzelne Steckboardklemme

Steckboard

Das Steckboard ermöglicht den Aufbau von Schaltungen ohne Löten. Dazu werden die Bauelemente mit Metallklammern verbunden, die in einer Matrix angeordnet sind. Um deren Aufbau zu durchschauen, sollte ein Steckboard exemplarisch von hinten geöffnet werden (siehe Abb. 3 und 4).

Bestückungsvarianten sind in den Abbildungen 5a und 5b zu sehen. Weiter Ausführungen sind im Literaturverzeichnis und unter den weiterführenden Links zu finden.

Methodische Variationen

Bei einer Reihenschaltung können die Bauelemente in ihrer Reihenfolge variiert werden. So können günstigere Positionen der Bauelemente auf der Platine gefunden werden. Mit einem interaktiven Arbeitsblatt kann die Bestückung virtuell ausprobiert werden. Eine Schülerin erklärt hierbei ihre Variante einem Mitschüler und übt dabei ihr Schaltungsverständnis.

Bestückungsvariante 1
Abb. 5a:
Bestückungs-
variante 1

Die Platinen werden nur von der Kupferseite her bestückt. Es entfällt das Spiegeln der Bestückungsseite wie bei durchgesteckten bedrahteten Bauelementen. Durch die einseitige Bestückung lässt sich der Strompfad gut nachvollziehen.

Die Anordnung einzelner Bauelemente, zum Beispiel die Lage des Einschalters, wird von baulichen Größen vorbestimmt.

Mit zunehmendem Verständnis wird die Komplexität der Schaltung erhöht. Die Anordnung der Baudelemente muss immer mehr beachtet werden, weil durch unterschiedliche Größen der Bauelemente verschiedene Anzahlen von Leiterbahnen überbrückt werden.

Bestückungsvariante 2
Abb. 5b:
Bestückungs-
variante 2

Ein weiterer Ansporn kann die Miniaturisierung der Platine sein. Dazu müssen dann meist Leiterbahnen unterbrochen werden und Drahtbrücken gesetzt werden. Leiterbahnen können mithilfe eines Handbohrers unterbrochen werden.

Material

Die Arbeitsblätter können im Word-Format interaktiv zur virtuellen Bestückung genutzt werden. Die Anschlüsse der Bauelemente lassen sich mit Doppelklick ändern. Deaktivieren sie das Raster, um die Bauelemente genauer platzieren zu können.

Unterrichtsmaterial "Vom Schaltplan zur Platine" zum Download (Word)

Literaturverzeichnis

Torgau, Volker (2022). "Vom Schaltplan zur Platine – gar nicht schwer". In: Schönwitz, Harald. Praxisheft 32. Grünhainichen: praxisheft@aatis.de, S. 102 bis 104.

Torgau, Volker. "Platinenbestückung". Online: https://technik-unterricht.de/unterrichtsmaterialien/elektrotechnik/platinenbestueckung/

Bildnachweise

Alle Abbildungen: Volker Torgau

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Volker Torgau

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