Schaltungen entwerfen

Jeder kennt sie, jeder hat sie schon einmal gesehen, diese Gebilde Kryptischer Zeichen, Linien, Zahlen und Buchstaben.
Die Rede ist von Elektrischen Schaltkreisen.
Doch was steckt dahinter? Welche Regeln gibt es?
Diese Fragen und noch viel mehr, wollen wir in diesem Tutorium erklären.

Grundlegende Syntax

Das ein Schaltplan nicht einfach nur aus einem Wirren Gebilde aus Linien und Formen besteht, sollte die Natur der Sache schon erklären: Was würde ein Schaltplan nutzen, wenn darin kein Sinn liegen würde?
Und so kompliziert ist es auch nicht. Ein Schaltplan kennt grundlegend nur 3 Elemente:

  • Symbole
  • Linien
  • Texte und Zahlen

Jedes Symbol stellt ein elektrisches Bauteil dar, was z.B ein einfacher Widerstand sein könnte oder aber auch ein moderner Mehrkern Prozessor.
Eine Linie ist eine Verbindung zwischen zwei Symbolen, was in der Realität z.B ein Draht oder eine Leiterbahn sein könnte.
Texte und Zahlen sind nur zusätzliche Informationen, z.B Bauteil-Kennzeichner oder bestimmte Werte, die ein Bauteile haben sollte.

Genereller Aufbau

Womit man beim zeichnen Anfängt, ist jedem selbst überlassen. Grundlegend kann man aber sagen, das jede Elektrische Schaltung eine Stromquelle und/oder Ein-/Ausgänge besitzt. So gesehen ist es deshalb sinnvoll, damit anzufangen und dann sich vorzuarbeiten.

Einen Schaltplan zu entwerfen ist wie so oft eine kombinierter Bottom-Up und Top-Down Prozess:
Man macht sich erst Gedanken über das Ziel: Was will ich am ende erreichen?
Dann macht man sich Gedanken über das was man schon weiß, bzw kann: Wie kann ich mein Wissen nutzen?
Zusätzlich gilt es, Unwissenheit zu beseitigen, sprich sich über Sachverhalte informieren.
Dann nutzt man all das daraus gewonnene Wissen und die Erkenntnisse, und fängt an zu zeichnen.

Aber, wie so oft im Leben, läuft auch das Zeichnen von Schaltplänen nicht zufällig. Es gilt die Gesetze der Elektrotechnik zu befolgen und den Angaben der Hersteller folge zu Leisten. Vor allem Integrierten Schaltkreise(IC = Integrated Circuits) benötigen oft ganz bestimmte externe Komponenten, damit sie korrekt funktionieren. Welche das sind, kann man dem Datenblatt entnehmen.

Auch ein wichtiger Schritt ist die Dimensionierung der Bauteile während man seinen Schaltplan zeichnet. Das heißt, das man sich vorher bzw während der Designphase Gedanken machen muss, welchen Wert ein Widerstand z.B haben muss, damit er das macht, was er machen soll. Und so ist das auch mit den anderen Komponenten.

Die Symbole, die die einzelnen Komponenten haben, sind genormt und so überall sehr Ähnlich. Eine Auflistung mit den Gebräuchlichsten findet sich hier: hier.

Beispiel 1: Eine Simple Lampe

Um das Wissen jetzt zu vertiefen oder um es sich zu visualisieren, wollen wir uns mit einem Beispiel beschäftigen:
Wir wollen uns eine Lampe mit einer LED bauen

Streng nach unserem Schema, das ich oben nannte, fangen wir mit dem Top-Down Prozess an. Unser Ziel ist es, eine Lampe(Lichtquelle) mit einer LED bauen. Das klingt Momentan noch banal, weil es offensichtlich ist, bei größeren Projekten wird man merken, das vieles doch nicht so Offensichtlich ist.

Jetzt haben wir unser Ziel, zeit unser Wissen ins Spiel zu bringen:
Wenn etwas Arbeit verrichten will, braucht es Energie. Arbeit ist in unserem Falle Licht, Energie beziehen wir aus einer Stromquelle. Jetzt wissen wir schon, das wir unbedingt eine Stromquelle brauchen.
Weiter geht es. Wir wissen, das eine LED das Licht produziert, das eine LED aber über ein Vorwiderstand betrieben werden sollte. Das bedeutet für uns zusätzlich, das wir den Vorwiderstand noch Dimensionieren müssen.

Umgebungsbedingt haben wir nun Folgendes:

  • Eine 5V Spannungsquelle
  • Eine 3,4V LED, die maximal 30mA Strom haben darf
  • Jeden beliebigen Widerstand.



Rechnen wir nun schnell aus, welchen Widerstand unser Widerstand haben soll:
<m>R=U/I=(5V-3,4V)/25mA=64Ohm</m>.
\\Kurze Erklärung zur Rechnung:
<m>R=U/I</m> ist das Ohmsche Gesetz und ist unverzichtbar in der Elektrotechnik. Da an unserem Widerstand 1,6V abfallen sollen(5V-3,4V) und die LED Maximal 30mA haben darf, ich ihr aber eine kleine Reserve gegeben habe indem ich den Strom auf 25mA reduziert habe, haben wir nun unsere Werte für U=1,6V und I=0,025A. Das habe ich dann nur noch in die Formel eingesetzt und gerechnet.
Da wir nun so ziemlich alles haben, können wir nun anfangen unseren Schaltplan zu zeichnen
Anfangen tuen wir mit der Spannungsquelle:
Erster Schritt

Fügen dann unseren Widerstand
Zweiter Schritt

und dann unsere LED hinzu,
Dritter Schritt

und fangen an das ganze zu verbinden:
Bauteile Verbinden Teil 1

Bauteile Verbinden Teil 2

Bauteile Verbinden Teil 3

Am Schluss noch Bezeichner dazu schreiben und den Wert des Widerstandes:
Finalisieren

Und Fertig ist unser Schaltplan, nach dem wir nun unsere Schaltung bauen könnten.