LÖTEN LERNEN LÖTEN LERNEN

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1 HB_U1+U4 2_Layout :57 Seite 1 TURN ON YOUR CREATIVITY LÖTEN LERNEN Bei der Arbeit mit Elektronik kommen Sie um den Einsatz eines Lötkolbens nicht herum. Sei es um ein neues Kabel an ein Gerät zu löten oder eine Schaltung vom Steckbrett auf die Lochrasterplatine zu übertragen irgendwann wird auch in Ihrem Projekt Lötzinn fließen. Irgendwie löten kann jeder, nur wie kommt man zu einer langlebigen Lötstelle? When building electronic projects, using a soldering iron becomes inevitable. Whether you just want to attach a new wire to a device or to transfer a circuit from a breadboard to a stripboard, at some time in your project, you have to use solder. Nearly everyone can solder in some way, but how do you produce a longlasting solder joint? In diesem Lernpaket lernen Sie Schritt für Schritt das Löten. Das gelernte Wissen setzen Sie direkt in zahlreichen Experimenten ein. Sie lernen auch die Königsdisziplin, das Einlöten von SMD-Bauteilen. Um das Wissen praktisch umzusetzen, liegen dem Paket zwei Übungsplatinen bei. Am Ende löten Sie sogar Ihr eigenes ArduinoTM-Shield. In this tutorial kit, you will learn to solder step by step and directly apply the new knowledge in numerous experiments. You even learn the most challenging technique, i.e. soldering SMD components. The kit contains two practice boards to put your new-found skills into practice. Finally, you will even solder your very own ArduinoTM shield. AUS DEM INHALT / FROM THE TABLE OF CONTENTS Lötkolben, Lötspitze und Lötzinn / Soldering iron, soldering tip and solder Kabel und Bauteile anlöten / Soldering wires and components Transistorschaltungen aufbauen / Building transistor circuits Entlöten / Desoldering Schaltungen kompakter löten / Soldering circuits more tightly Platine säubern / Cleaning the board SMD-Technik / SMD technology Power-FETs / Power FETs Lichtsensor mit SMD-FET / Light sensor with SMD FET SMD-Spannungsregler / SMD voltage regulator Schraubklemmen / Screw terminals ICs im DIL-Gehäuse / ICs in DIL casing Arduino-Shield / Arduino shield RGB-Leistungs-Shield / RGB power shield Zusätzlich erforderlich: Lötkolben mit Spitze und Lötzinn Additionally required: Soldering iron with tip and solder Für Kinder unter 14 Jahren nicht geeignet! Not suitable for children under the age of 14 years! ISBN Arduino ist ein eingetragenes Markenzeichen der Arduino S.r.l. Arduino is a registered trademark of Arduino S.r.l Franzis Verlag GmbH, Richard-Reitzner-Allee 2, D Haar, Germany Innovationen, Irrtümer und Druckfehler vorbehalten. 2016/01 TURN ON YOUR CREATIVITY LÖTEN LERNEN

2 FRANZIS MAKER KIT LÖTEN LERNEN

3 Titelei :06 Seite 3 TURN ON YOUR CREATIVITY LÖTEN LERNEN

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte Daten sind im Internet über abrufbar. Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen und Programme wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüft und getestet. Trotzdem können Fehler im Buch und in der Software nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autor haften in Fällen des Vorsatzes oder der groben Fahrlässigkeit nach den gesetzlichen Bestimmungen. Im Übrigen haften Verlag und Autor nur nach dem Produkthaftungsgesetz wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit oder wegen der schuldhaften Verletzung wesentlicher Vertragspflichten. Der Schadensersatzanspruch für die Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht ein Fall der zwingenden Haftung nach dem Produkthaftungsgesetz gegeben ist. Warnung! Augenschutz und LEDs: Blicken Sie nicht aus geringer Entfernung direkt in eine LED, denn ein direkter Blick kann Netzhautschäden verursachen! Dies gilt besonders für helle LEDs im klaren Gehäuse sowie in besonderem Maße für Power-LEDs. Bei weißen, blauen, violetten und ultravioletten LEDs gibt die scheinbare Helligkeit einen falschen Eindruck von der tatsächlichen Gefahr für Ihre Augen. Besondere Vorsicht ist bei der Verwendung von Sammellinsen geboten. Betreiben Sie die LEDs so wie in der Anleitung vorgesehen, nicht aber mit größeren Strömen. Arduino ist ein eingetragenes Markenzeichen der Arduino S.r.l. Liebe Kunden! Dieses Produkt wurde in Übereinstimmung mit den geltenden europäischen Richtlinien hergestellt und trägt daher das CE-Zeichen. Der bestimmungsgemäße Gebrauch ist in der beiliegenden Anleitung beschrieben. Bei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produktes sind allein Sie für die Einhaltung der geltenden Regeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genau so auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird. Das Produkt darf nur zusammen mit dieser Anleitung weitergegeben werden. Das Symbol der durchkreuzten Mülltonne bedeutet, dass dieses Produkt getrennt vom Hausmüll als Elektroschrott dem Recycling zugeführt werden muss. Wo Sie die nächstgelegene kostenlose Annahmestelle finden, sagt Ihnen Ihre kommunale Verwaltung. Autor: Burkhard Kainka und Fabian Kainka Produktmanagement: Dr. Markus Stäuble Art & Design: Franzis Verlag GmbH, Richard-Reitzner-Allee 2, Haar Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Das Erstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträgern oder im Internet, insbesondere als PDF, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Verlags gestattet und wird widrigenfalls strafrechtlich verfolgt. Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen und Firmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller.

5 VORWORT Wir haben schon viel zusammen gelötet. Vieles hat funktioniert und einiges nicht. Aber so geht es jedem Maker: Man beginnt einfach etwas Kreatives und versucht, das Beste zu erreichen. Als der Franzis Verlag mit dem Vorschlag kam, ein Lernpaket zum Thema Löten zu machen, haben wir sofort an die Chancen einer Zusammenarbeit gedacht. Wir verstehen uns als echte Löter. Man kann das daran messen, wie viel Lötzinn man in seinem Leben schon verbraucht hat. Und Fabian hat immer wieder neue Ideen für Maker-Projekte mit dem Arduino, deshalb hat er die Platine zu diesem Lernpaket entworfen. Das Ergebnis ist eine Platine, die gleichzeitig für Lötübungen aller Art taugt und für ernsthafte Maker-Projekte eingesetzt werden kann. Der Formfaktor entspricht einem Arduino-Shield. Es wurden SMD-Power-FETs vorgesehen, die jeder an einem Arduino als Leistungstreiber gebrauchen kann, zum Beispiel zur Steuerung von LED-Beleuchtungen. Außerdem Plätze für andere SMD-Bauteile und auch die Möglichkeit, Schraubklemmen einzulöten, damit die Verbindungen nach außen stimmen. Und so hat sich eine Arbeitsteilung herausgebildet. Burkhard (der ältere) kümmert sich um die ersten Lötübungen, Probeschaltungen mit bedrahteten Bauteilen und alles rund um das Thema Lötzinn und Lötkolben. Fabian (der jüngere) ist für den Platinen-Entwurf verantwortlich und legt fest, welche SMD-Schaltungen und welche Arduino-Anwendungen am Ende gebaut werden. Genau wegen dieser Arbeitsteilung war es uns auch wichtig, dass zwei Platinen im Lernpaket liegen. Die eine dient für Übungen und Probeaufbauten, die immer wieder geändert werden sollen. Die andere wird das individuell einzigartige und ultimative Maker-Projekt, etwas, das so perfekt gelötet ist, dass es ewig hält. Wir wünschen allzeit gutes Löten! Fabian und Burkhard Kainka

6 Bauteile: 2 Platinen 1 m Litze 2 Transistoren BC547B 2 Widerstände 470 Ω 2 Widerstände 1 kω 2 Widerstände 27 kω 2 Widerstände 100 kω 2 Kondensatoren 100 nf 1 Elko 10 μf 1 LED rot 1 LED grün SMD: 4 SMD-FETs IRLML SMD-Widerstände 470 Ω, SMD-Vielschichtkondensatoren 100 n, Spannungsregler LM317, SOT-223

7 INHALT 1 Vorbereitungen Lötkolben und Lötzinn Bleifrei oder nicht Der Einstieg Lötspitze und Lötzinn Kabel anlöten Bauteile einlöten Transistorschaltungen aufbauen LED-Blinker Änderungen Entlöten Schaltungen kompakter löten Stehender Aufbau auf dem Punktraster r Platine säubern Bestückung auf der Rückseite SMD-Technik Power-FETs Lichtsensor mit SMD-FET SMD-Spannungsregler... r 44 5 Praktische Anwendungen Schraubklemmen ICs im DIL-Gehäuse Ein Arduino-Shield Ein RGB-Leistungs-Shield...51

8 46 5 PRAKTISCHE ANWENDUNGEN Was ist mit der Platine noch alles möglich? Die Möglichkeiten sind fast unbegrenzt, wenn man zusätzliche Bauteile hinzunimmt. Schraubklemmen oder Stiftleisten sorgen für die Verbindung zu äußeren Bauteilen oder Baugruppen. Und verschiedenste integrierte Schaltungen lassen sich auf der Platine verwenden. 5.1 Schraubklemmen Um eine Platine über Kabel mit der Außenwelt zu verbinden, werden häufig Schraubklemmen eingesetzt. Solche Klemmen im 5,08-mm-Raster können liegend auf die breiten Anschlussflächen der Platine gelötet werden. Die sieben Anschlüsse wurden in diesem Fall mit einer dreipoligen und zwei zweipoligen Klemmen bestückt. Eine alternative Montage wird in Abschnitt 5.3 gezeigt. Abb. 5.1: Liegende Anschlussklemmen

9 ICs im DIL-Gehäuse Die Platine eignet sich auch für eine gemischte Bestückung mit SMDund bedrahteten Bauteilen. Dabei kann man von Fall zu Fall entscheiden, von welcher Seite die bedrahteten Bauteile eingesetzt werden sollen. Das Beispiel zeigt eine Bestückung auf der Lötseite. Es wurden zwei ICs und zwei Tastschalter auf die Platine gesetzt. Abb. 5.2: Die Schraubklemmen für Kabelverbindungen

10 48 5 Praktische Anwendungen 5 Abb. 5.3: Platz für ICs und Tastschalter 5.3 Ein Arduino-Shield Die Übungsplatine des Lernpakets kann als Arduino-Shield verwendet werden, da die Lötlöcher am Rand genau an das Arduino-Layout angepasst sind. Zunächst steckt man passende Stiftleisten in die Buchsenleisten des Arduino. Abb. 5.4: Arduino Uno mit Stiftleisten Dann setzt man die Platine auf die Stiftleisten. Ist die Platine aufgesetzt, lötet man alle Stifte an. Nur auf diese Weise ist eine gerade Montage aller Stifte möglich. Die Buchsenleisten des Arduino sorgen für die korrekte Position.

11 5.3 Ein Arduino-Shield 49 Wenn alle Stifte angelötet sind, kann man das Shield vom Arduino abziehen, um weitere Bauteile anzulöten. In diesem Fall wurden zwei Schraubklemmen von der Unterseite eingebaut. Abb. 5.5: Die aufgesetzte Platine Abb. 5.6: Angelötete Stifte

12 50 5 Praktische Anwendungen 5 Abb. 5.7: Zusätzliche Schraubklemmen Abb. 5.8: Das fertige Shield Der Arduino hat einen Pinheader für die ISP-Schnittstelle, der verhindert, dass man die ganze Reihe mit Schraubklemmen bestücken kann. Aber eine zweipolige und eine dreipolige Klemme können von unten eingebaut werden. Der Aufbau ist damit besonders kompakt. Allerdings muss man das Shield abnehmen, um Drähte anschrauben zu können.

13 5.4 Ein RGB-Leistungs-Shield 51 Abb. 5.9: Lage der Schraubklemmen 5.4 Ein RGB-Leistungs-Shield In einer praktisch nutzbaren Anwendung wurde ein Leistungstreiber-Shield für Power-RGB-LEDs realisiert. Insgesamt wurden vier Power FETs mit Gate-Vorwiderständen von 470 Ω an die vier PWM-Ausgänge 3, 5, 6 und 9 angeschlossen. Die Vorwiderstände könnte man auch weglassen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass sie den Arduino im Falle eines Fehlers wirksam schützen. Wenn nämlich einer der Power-FETs durch einen externen Kurzschluss zerstört wird, kann er niederohmig werden und die Versorgungsspannung an den Arduino-Pin legen. Das ist tatsächlich schon passiert. Der Widerstand begrenzt jedoch den Strom, sodass dem Arduino nichts passiert. Abb. 5.10: Schaltung des Power-Shields

14 52 5 Praktische Anwendungen 5 Abb. 5.11: Verbindungen auf der Oberseite Drei der vier Kanäle wurden an drei Schraubklemmen gelegt, indem Leitungen zu den Drain-Anschlüssen der Power-FETs gelötet wurden. Die beiden übrigen Anschlussklemmen wurden als Stromversorgungsanschlüsse verwendet.

15 5.4 Ein RGB-Leistungs-Shield 53 Auf die Unterseite sind die Verbindungen zwischen den PWM-Ausgängen und den Gate-Widerständen gelegt. Ein freier Kupferdraht zwischen den beiden Masseschienen dient zum Anschluss der Source-Pins der FETs. Wo erforderlich, sorgt ein kurzes Drahtstück für eine Durchkontaktierung zur anderen Seite. Auf diese Weise wurden möglichst kurze Masseverbindungen erzeugt. Ein weiterer Draht verbindet den Schraubanschluss mit dem Vin-Pin des Arduino. Damit kann man nun das Power-Shield und den Arduino wahlweise über die Schraubklemmen oder über die Netzteilbuchse auf dem Arduino mit einem Netzteil verbinden, wobei die erste Lösung auch mit höheren Leistungen verträglich ist. Abb. 5.12: Portleitungen und Spannungsversorgung

16 54 5 Praktische Anwendungen 5 Abb. 5.13: Das einsetzbare System Das letzte Bild zeigt das Shield in vollem Einsatz. Ein gekürztes RGB- Band verdeutlicht, wie man seine Lichterkette richtig anschließt. Die 12-V-Stromversorgung kann bei Strömen bis zu 1 A über die Arduino-Netzteilbuchse kommen. Das RGB-Band hat einen gemeinsamen Anschluss für die LED-Anoden, der an die +12-V-Klemme geschraubt werden muss. Die RGB-Kontakte sind schließlich über die dreifache Schraubklemme mit den Power-MOSFETs und damit mit den PWM-Ausgängen verbunden. So lässt sich eine großflächige Beleuchtung realisieren, die fast jede Farbe annehmen kann. Es kommt nur noch auf die richtige Software an. Nach dem Löten kommt das Programmieren.

17 5.4 Ein RGB-Leistungs-Shield 55 Abb. 5.14: Arduino und Power-Shield im Einsatz Löten für Maker_01.indd :29:13

18 HB_U1+U4 2_Layout :57 Seite 1 TURN ON YOUR CREATIVITY LÖTEN LERNEN Bei der Arbeit mit Elektronik kommen Sie um den Einsatz eines Lötkolbens nicht herum. Sei es um ein neues Kabel an ein Gerät zu löten oder eine Schaltung vom Steckbrett auf die Lochrasterplatine zu übertragen irgendwann wird auch in Ihrem Projekt Lötzinn fließen. Irgendwie löten kann jeder, nur wie kommt man zu einer langlebigen Lötstelle? When building electronic projects, using a soldering iron becomes inevitable. Whether you just want to attach a new wire to a device or to transfer a circuit from a breadboard to a stripboard, at some time in your project, you have to use solder. Nearly everyone can solder in some way, but how do you produce a longlasting solder joint? In diesem Lernpaket lernen Sie Schritt für Schritt das Löten. Das gelernte Wissen setzen Sie direkt in zahlreichen Experimenten ein. Sie lernen auch die Königsdisziplin, das Einlöten von SMD-Bauteilen. Um das Wissen praktisch umzusetzen, liegen dem Paket zwei Übungsplatinen bei. Am Ende löten Sie sogar Ihr eigenes ArduinoTM-Shield. In this tutorial kit, you will learn to solder step by step and directly apply the new knowledge in numerous experiments. You even learn the most challenging technique, i.e. soldering SMD components. The kit contains two practice boards to put your new-found skills into practice. Finally, you will even solder your very own ArduinoTM shield. AUS DEM INHALT / FROM THE TABLE OF CONTENTS Lötkolben, Lötspitze und Lötzinn / Soldering iron, soldering tip and solder Kabel und Bauteile anlöten / Soldering wires and components Transistorschaltungen aufbauen / Building transistor circuits Entlöten / Desoldering Schaltungen kompakter löten / Soldering circuits more tightly Platine säubern / Cleaning the board SMD-Technik / SMD technology Power-FETs / Power FETs Lichtsensor mit SMD-FET / Light sensor with SMD FET SMD-Spannungsregler / SMD voltage regulator Schraubklemmen / Screw terminals ICs im DIL-Gehäuse / ICs in DIL casing Arduino-Shield / Arduino shield RGB-Leistungs-Shield / RGB power shield Zusätzlich erforderlich: Lötkolben mit Spitze und Lötzinn Additionally required: Soldering iron with tip and solder Für Kinder unter 14 Jahren nicht geeignet! Not suitable for children under the age of 14 years! ISBN Arduino ist ein eingetragenes Markenzeichen der Arduino S.r.l. Arduino is a registered trademark of Arduino S.r.l Franzis Verlag GmbH, Richard-Reitzner-Allee 2, D Haar, Germany Innovationen, Irrtümer und Druckfehler vorbehalten. 2016/01 TURN ON YOUR CREATIVITY LÖTEN LERNEN