Layout
Bauteile
Bauteilplazierung
Die Bauteile sind so anzuordnen, dass die Bauteile einer Funktionsgruppe nahe beieinander liegen.
Es ist schon bei der Plazierung darauf zu achten, wie die Ströme auf der Leiterplatte fließen sollen.
Für die automatische Bestückung der Leiterplatten gelten besondere Regeln für die Plazierung von Bauteilen.
Diese müssen mit dem Bestückungs-Dienstleister abgesprochen werden.
Beim Bauteilraster bzw. Plazierungsraster (Grid) gibt es zwei Möglichkeiten die angewendet werden: das US-Americanische MIL-System und das SI-System mit Milimeter.
Umrechnungsfaktor: 1mm = 39,37mil oder 100mil = 2,54mm
Die meisten modernen SMD-Gehäuse werden im Milimeter definiert.
Liegt der Schwerpunkt der Schaltung inder SMD-Bestückung, so sollte auch das Raster (Grid) in Milimeter verwendet werden.
Liegt der Schwerpunkt hingegen bei der THT-Bestückung, so könnte es hilfrech sein, das MIL-Raster (Grid) zu verwenden.
Um den Kopf von Befestigungsschrauben ist eine Zone zu bilden, in der keine Bauteile plaziert werden dürfen.
Um einen Schraubenkopf der Größe M2.5 ist ein Quadrat der Kantenlänge 200mil / 5mm und der Größe M3 ein Quadrat der Kantenlänge 300mil / 7,5mm zu ziehen.
Bauteile sollten nur in zwei Richtungen plaziert werden (eine je Länge und Breite).
Zwar können die heutigen Bestückungsautomaten die Bauteile nach Belieben drehen und bestücken, sie müssen die Bauteile dann jedoch erst noch in die richtige Richtung drehen, weil die Bauteile entweder in Ketten oder in Stangen mit gleicher Ausrichtung vorliegen.
Das Drehen eines Bauteiles kostet natürlich zusätzliche Zeit. Auch für den Handbestücker ist die Fehlerquote geringer, wenn die Bauteile in nur zwei Richtungen ausgerichtet sind.
Die optische Endkontrolle der Leiterplatten ist schneller und ebenfalls mit einer geringeren Fehlerquote durchführbar.
Standardquarze (HC-49/U, Uhrenquarze, etc.) sind liegend zu plazieren, um ein Losrütteln zu verhindern.
Sie können auch zusätzlich mit einem Bügel (Silberdraht) befestigt werden oder mit der Oberkante an der Leiterplatte verlötet werden.
Gleiches gilt für Spannungsregler und andere Bauteile die sowohl stehend als auch liegend plaziert werden können.
Sind für diese Bauteile Befestigungslöcher vorgesehen, so sind diese zu benutzen.
Print-Trafos werden grundsätzlich mit den Befestigungsbohrungen verschraubt. Also auch hier entsprechende Bohrungen vorsehen.
Abblockkondensatoren an integrierten Schaltungen sind so nah wie möglich an den Versorgungsanschlüssen zu plazieren.
Es ist besonders auf kurze Leiterbahnen zwischen den ICs und den Kondensatoren zu achten, damit die dynamischen Spannungsabfälle gering bleiben.
Ein Praxisbeispiel:
TTL-FlipFlop 74LS74 ist an eine 10cm entfernte Spannungsversorgung innerhalb einer Leiterplatte angeschlossen.
Dieses IC hat eine Rise-Time von 20ns und eine maximale Arbeitsfrequenz von 30MHz.
Das Ic benötigt im statischen Betrieb 0,4mA pro Gatter, was bei 12 Gatter im IC 4,8mA macht.
Dynamisch benötigt das IC bei 30MHz 3mA pro Gatter, also 36mA pro IC.
Als zentrale Formel für dieses Problem gilt folgende:
dU = L * dI/dt
L berechnet sich aus 10nH/cm Leiterbahninduktivität, also 100nH. dI ist die Differenz zwischen statischem und dynamischen Betrieb:
dI= 36mA - 4,8mA = 31,2mA. Als dt setzen wir tr ein (dt=20ns).
Alles eingesetzt berechnet sich dU = 100nH * 31,2mA / 20ns = 156mV!
Bei Berücksichtigung einer beidseitigen Versorgungs-Leiterbahn ergibt sich ein Spannungseinbruch für das IC von etwa 0,312V!
Ein TTL-IC kann bei diesem Spannungseinbruch den korrekten Betrieb versagen.
Ein Abblockkondensator würde sich folgender Massen berechnen:
Q = U * C = I * t.
Für unsere Zwecke umgestellt bedeutet dies:
C = dI * dt / Urippel.
Mit den obigen Werten eingesetzt errechnet sich C zu C = 31,2mA * 20ns / 20mV = 31,2nF
Um auf der sicheren Seite zu sein setzt man einen guten 100nF Kondensator ein.
Die Kondensatoren für digitale ICs sind aus Keramik, haben den Wert 100nF (siehe oben) und sollten der Qualität X7R oder NP0 entsprechen.
Die Kondensatoren für analoge ICs sind vom Typ Tantal-Kondensatoren, haben den Wert 1uF und eine Spannungsfestigkeit von der doppelten Betriebsspannung.
Schutzmaßnahmen für die Elektronik sind direkt an den Klemmen oder der Steckerleisten zu plazieren, damit Störungen sich nicht auf der Leiterplatte ausbreiten können.
Bei der Auswahl von Kondensatoren ist genau auf die Anwendung zu achten. Ein Kondensator für ein Schaltnetzteil muß einer vom Typ mit niedrigem Ersatzserienwiderstand sein.
Tantal-Elkos eignen sich aus diesem Grunde besonders als Abblockkondensatoren analoger ICs.
Die Tantal-Elkos wiederum gibt es nicht mit großen Werten, so dass bei Schaltnetzteilen ein Elektrolyt-Kondensator eingesetzt werden muß.
Die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren, ist aus Gründen der Zuverlässigkeit, grundsätzlich mindestens doppelt so hoch wie die Spannung auszuführen mit der er betrieben wird.
Ein besonders gutes Siebverhalten läßt sich mit der Parallelschaltung eines 100uF-Elkos mit einem 0,22uF MKT(MKS)- und einem 100nF Keramikkondensators erzielen.
In diesem Fall muß man allerdings beachten, dass sich mindestens 3 Resonanzfrequenzen ausbilden.
Liegt in einer digitalen Schaltung die Taktfrequenz auf einer der Resonanzfrequenzen, so wird diese Schaltung nicht sicher funktionieren.
Trimmer sollten so verschaltet werden, daß eine Drehung nach rechts eine Vergrößerung des Signals erfolgt.
Sie sollten auch so angebracht werden, daß eine Bedienung im eingebauten Zustand möglich ist: liegende (Spindel-)Trimmer mit der Schraube zum vorderen Platinenrand; stehende (Spindel-)Trimmer in geschlossen Gehäuse von oben.
Kühlkörper sind mit Ihren Kühlrippen so zu plazieren, daß sie eine einwandfreie Konvektion zulassen.
Dazu ist die Einbaulage der Leiterplatte zu beachten. Des weiteren müssen sie auch gut gegen Erschütterungen befestigt sein.
