Aufbau einfacher Widerstandsschaltungen

Im Zuge des Erlernens von Elektrizität möchten Sie Ihre eigenen Schaltungen mit Widerständen und Batterien aufbauen. In dieser Angelegenheit der Schaltungsmontage stehen einige Optionen zur Verfügung, einige einfacher als andere. In diesem Abschnitt werde ich einige Herstellungstechniken untersuchen, die Ihnen nicht nur beim Bau der in diesem Kapitel gezeigten Schaltungen, sondern auch bei fortgeschritteneren Schaltungen helfen.

Verwenden von Krokodilklemmen-Überbrückungsdrähten für den Schaltungsaufbau

Wenn wir nur eine einfache Einzelbatterie- und Einzelwiderstandsschaltung konstruieren möchten, können wir leicht Krokodilklemme . verwenden Überbrückungsdrähte wie folgt:

Überbrückungsdrähte mit Federklemmen im Alligator-Stil an jedem Ende bieten eine sichere und bequeme Methode zum elektrischen Verbinden von Komponenten.

Wenn wir eine einfache Reihenschaltung mit einer Batterie und drei Widerständen aufbauen wollten, könnte die gleiche „Punkt-zu-Punkt“-Konstruktionstechnik mit Überbrückungsdrähten angewendet werden:

Verwenden eines lötfreien Steckbretts für komplexere Schaltungen

Diese Technik erweist sich jedoch aufgrund der Umständlichkeit der Überbrückungsdrähte und der physikalischen Zerbrechlichkeit ihrer Verbindungen als unpraktisch für Schaltungen, die viel komplexer als diese sind. Eine gebräuchlichere Methode der temporären Konstruktion für den Bastler ist das lötfreie Steckbrett , eine Vorrichtung aus Kunststoff mit Hunderten von federbelasteten Anschlussbuchsen, die die eingesteckten Enden von Bauteilen und/oder 22-Gauge-Massivdrahtstücken verbinden. Hier wird ein Foto eines echten Steckbretts gezeigt, gefolgt von einer Illustration, die eine einfache Reihenschaltung zeigt, die darauf aufgebaut ist:

Unter jedem Loch im Steckbrett befindet sich auf der Vorderseite eine Metallfederklemme, die dazu dient, alle eingeführten Drähte oder Komponentenkabel zu greifen. Diese Metallfederklammern werden unter der Steckbrettfläche verbunden und stellen Verbindungen zwischen den eingeführten Leitungen her. Das Verbindungsmuster verbindet alle fünf Löcher entlang einer vertikalen Säule (wie gezeigt mit der Längsachse des Steckbretts horizontal):

Serienschaltungsaufbau auf einem Steckbrett

Wenn also ein Draht oder eine Komponentenleitung in ein Loch auf der Steckplatine eingeführt wird, gibt es vier weitere Löcher in dieser Spalte, die potentielle Verbindungspunkte zu anderen Drähten und/oder Komponentenleitungen bereitstellen. Das Ergebnis ist eine äußerst flexible Plattform für den Bau temporärer Schaltungen. Zum Beispiel könnte die gerade gezeigte Drei-Widerstands-Schaltung auch auf einem Steckbrett wie folgt aufgebaut werden:

Parallelschaltung auf einem Steckbrett

Eine Parallelschaltung lässt sich auch auf einem lötfreien Steckbrett leicht aufbauen:

Einschränkungen bei der Verwendung von Steckbrettern

Breadboards haben jedoch ihre Grenzen. In erster Linie sind sie für temporäre nur Bau. Wenn Sie ein Steckbrett aufheben, drehen Sie es auf den Kopf und schütteln Sie es, alle daran angeschlossenen Komponenten lösen sich sicher und können aus ihren jeweiligen Löchern fallen.

Außerdem sind Steckplatinen auf Schaltungen mit relativ geringem Strom (weniger als 1 Ampere) beschränkt. Diese Federklemmen haben eine kleine Kontaktfläche und können daher ohne übermäßige Erwärmung keine hohen Ströme aushalten.

Löten oder Wire-Wrapping

Für eine höhere Beständigkeit kann Löten oder Drahtumwickeln gewählt werden. Bei diesen Techniken werden die Komponenten und Drähte an einer Struktur befestigt, die eine sichere mechanische Position bietet (z Komponentenkabel.

Löten ist eine Form des Niedertemperaturschweißens, bei dem eine Zinn/Blei- oder Zinn/Silber-Legierung verwendet wird, die ebenfalls schmilzt und Kupfergegenstände elektrisch verbindet. An Bauteilanschlüsse angelötete Drahtenden oder zu kleine, auf die Leiterplattenoberfläche geklebte Kupferring-„Pads“ dienen der Verbindung der Bauteile.

Beim Drahtwickeln wird ein kleiner Draht fest um die Anschlussdrähte der Komponenten gewickelt und nicht an die Anschlussdrähte oder Kupferpads gelötet

Leiterplatten (PCBs)

Ein Beispiel für eine Leiterplatte , oder PCB , für den Hobbygebrauch bestimmt, ist auf diesem Foto zu sehen:

Diese Platine erscheint mit der Kupferseite nach oben:die Seite, auf der alle Lötarbeiten durchgeführt werden. Jedes Loch ist mit einer kleinen Schicht Kupfermetall zum Verbinden mit dem Lot umgeben. Alle Löcher sind auf dieser speziellen Platine unabhängig voneinander, im Gegensatz zu den Löchern auf einem lötfreien Steckbrett, die in Fünfergruppen miteinander verbunden sind.

Leiterplatten mit dem gleichen 5-Loch-Anschlussmuster wie Steckplatinen können jedoch gekauft und für den Hobby-Schaltungsbau verwendet werden.

Produktionsleiterplatten haben Spuren aus Kupfer, das auf dem Phenol- oder Glasfaser-Substratmaterial aufgebracht ist, um vorgefertigte Verbindungswege zu bilden, die als Drähte in einem Stromkreis fungieren. Ein Beispiel für eine solche Platine ist hier gezeigt, diese Einheit ist eigentlich eine „Stromversorgung“-Schaltung, die dafür ausgelegt ist, 120-Volt-Wechselstrom (AC) aus einer Haushaltssteckdose zu entnehmen und in Niederspannungs-Gleichstrom (DC) umzuwandeln.

Auf dieser Platine erscheint ein Widerstand, die fünfte Komponente, die von unten nach oben zählt und sich im mittleren rechten Bereich der Platine befindet.

Ein Blick auf die Unterseite dieser Platine zeigt die Kupfer-"Spuren", die die Komponenten miteinander verbinden, sowie die silberfarbenen Ablagerungen von Lötverbindungen, die die Komponente zu diesen Spuren führt:

Eine gelötete oder drahtumwickelte Schaltung gilt als dauerhaft, dh es ist unwahrscheinlich, dass sie versehentlich auseinanderfällt. Diese Konstruktionstechniken werden jedoch manchmal auch betrachtet dauerhaft. Wenn jemand ein Bauteil austauschen oder die Schaltung grundlegend ändern möchte, muss er viel Zeit investieren, um die Verbindungen zu lösen. Sowohl das Löten als auch das Umwickeln von Drähten erfordern außerdem spezielle Werkzeuge, die möglicherweise nicht sofort verfügbar sind.

Klemmleisten

Eine in der Industrie weit verbreitete alternative Konstruktionstechnik ist die der Klemmleiste . Klemmleisten, alternativ Barriereleisten genannt oder Klemmen , bestehen aus einem Stück nichtleitenden Materials, in das mehrere kleine Metallstäbe eingebettet sind. Jeder Metallstab hat mindestens eine Maschinenschraube oder ein anderes Befestigungselement, unter dem ein Draht oder eine Komponentenleitung befestigt werden kann.

Mehrere Drähte, die durch eine Schraube befestigt sind, werden elektrisch miteinander verbunden, ebenso wie Drähte, die an mehreren Schrauben an derselben Stange befestigt sind. Das folgende Foto zeigt eine Art der Klemmleiste mit einigen angeschlossenen Drähten.

Eine weitere kleinere Klemmleiste ist auf diesem nächsten Foto zu sehen. Dieser Typ, der manchmal auch als „europäischer“ Stil bezeichnet wird, hat versenkte Schrauben, um ein versehentliches Kurzschließen zwischen den Anschlüssen durch einen Schraubendreher oder einen anderen Metallgegenstand zu verhindern:

Schaltungsaufbau auf einer Klemmenleiste

In der folgenden Abbildung wird eine Einzelbatterie-Drei-Widerstand-Schaltung gezeigt, die auf einer Klemmleiste aufgebaut ist:

Wenn die Klemmenleiste das Bauteil und das Kabelende mit Maschinenschrauben hält, wird nur ein Schraubendreher benötigt, um neue Verbindungen zu sichern oder alte Verbindungen zu trennen. Einige Klemmenleisten verwenden federbelastete Clips – ähnlich wie bei einem Steckbrett, außer für erhöhte Robustheit –, die mit einem Schraubendreher als Druckwerkzeug ein- und ausgerückt werden (kein Verdrehen erforderlich). Die durch eine Klemmleiste hergestellten elektrischen Verbindungen sind recht robust und gelten sowohl für den dauerhaften als auch für den temporären Bau als geeignet.

Übersetzen eines Schaltplans in ein Schaltungslayout

Eine der wesentlichen Fähigkeiten für jeden, der sich für Elektrizität und Elektronik interessiert, besteht darin, einen Schaltplan in ein reales Schaltungslayout „übersetzen“ zu können, bei dem die Komponenten möglicherweise nicht gleich ausgerichtet sind.

Schematische Darstellungen werden normalerweise aus Gründen der besseren Lesbarkeit gezeichnet (mit Ausnahme der wenigen bemerkenswerten Beispiele, die skizziert wurden, um maximale Verwirrung zu schaffen!), aber der praktische Schaltungsaufbau erfordert oft eine andere Ausrichtung der Komponenten. Der Aufbau einfacher Schaltkreise auf Klemmenleisten ist eine Möglichkeit, die räumliche Vorstellungskraft des „Dehnens“ von Drähten zu entwickeln, um dieselben Verbindungspfade herzustellen.

Übersetzen einer einfachen Parallelschaltung in ein Schaltungslayout

Betrachten Sie den Fall einer Parallelschaltung mit einer Batterie und drei Widerständen, die auf einer Klemmenleiste aufgebaut ist:

Von einem schönen, ordentlichen Schaltplan zur echten Schaltung übergehen – insbesondere wenn die anzuschließenden Widerstände physikalisch in einer linearen Anordnung angeordnet sind Mode auf der Klemmenleiste – ist für viele nicht selbstverständlich, daher werde ich den Prozess Schritt für Schritt skizzieren. Beginnen Sie zunächst mit dem sauberen Schaltplan und allen Komponenten, die an der Klemmleiste befestigt sind, ohne Anschlussdrähte:

Verfolgen Sie als nächstes die Drahtverbindung von einer Seite der Batterie zur ersten Komponente im Schaltplan und sichern Sie einen Verbindungsdraht zwischen denselben beiden Punkten auf dem realen Stromkreis. Ich finde es hilfreich, den Draht des Schaltplans mit einer anderen Linie zu überzeichnen, um anzuzeigen, welche Verbindungen ich im wirklichen Leben hergestellt habe:

Setzen Sie diesen Vorgang Draht für Draht fort, bis alle Verbindungen im Schaltplan berücksichtigt wurden. Es kann hilfreich sein, gemeinsame Drähte auf SPICE-ähnliche Weise zu betrachten:Stellen Sie alle Verbindungen zu einem gemeinsamen Draht in der Schaltung in einem Schritt her und stellen Sie sicher, dass jede einzelne Komponente mit einer Verbindung zu diesem Draht tatsächlich eine Verbindung zu diesem Draht hat, bevor Sie fortfahren zum nächsten. Für den nächsten Schritt zeige ich, wie die Oberseiten der verbleibenden beiden Widerstände miteinander verbunden sind, was mit dem im vorherigen Schritt gesicherten Draht gemeinsam ist:

Wenn die Oberseiten aller Widerstände (wie im Schaltplan gezeigt) miteinander verbunden sind und an den Pluspol (+) der Batterie angeschlossen sind, müssen wir jetzt nur noch die Unterseiten miteinander und mit der anderen Seite der Batterie verbinden:

Typischerweise sind in der Industrie alle Drähte mit Nummernschildern beschriftet und elektrisch gemeinsame Drähte tragen die gleiche Markierungsnummer, genau wie in einer SPICE-Simulation. In diesem Fall könnten wir die Drähte 1 und 2 beschriften:

Eine andere industrielle Konvention besteht darin, den Schaltplan leicht zu modifizieren, um die tatsächlichen Drahtanschlusspunkte auf der Klemmenleiste anzuzeigen. Dies erfordert ein Kennzeichnungssystem für den Streifen selbst:eine „TB“-Nummer (Klemmenblocknummer) für den Streifen, gefolgt von einer weiteren Nummer, die jeden Metallstab auf dem Streifen repräsentiert.

Auf diese Weise kann der Schaltplan als „Karte“ verwendet werden, um Punkte in einer realen Schaltung zu lokalisieren, unabhängig davon, wie verworren und komplex die Verbindungskabel für die Augen erscheinen mögen. Dies mag für die hier gezeigte einfache Schaltung mit drei Widerständen übertrieben erscheinen, aber solche Details sind für den Aufbau und die Wartung großer Schaltungen unbedingt erforderlich, insbesondere wenn diese Schaltungen eine große physikalische Distanz überspannen können und mehr als eine Klemmleiste in mehr als ein Panel oder eine Box.

RÜCKBLICK:

• Ein lötfreies Steckbrett ist ein Gerät zum schnellen Zusammenbauen temporärer Schaltkreise durch Einstecken von Drähten und Komponenten in elektrisch gemeinsame Federklemmen, die unter Lochreihen in einer Kunststoffplatte angeordnet sind.
• Löten ist ein Niedertemperatur-Schweißprozess, bei dem eine Blei/Zinn- oder Zinn/Silber-Legierung verwendet wird, um Drähte und Komponentenanschlüsse miteinander zu verbinden, wobei die Komponenten normalerweise an einer Glasfaserplatte befestigt sind.
• Wire-Wrapping ist eine Alternative zum Löten, bei der anstelle einer Schweißverbindung ein eng um die Anschlussdrähte gewickelter kleiner Draht verwendet wird, um die Komponenten miteinander zu verbinden.
• Eine Klemmleiste , auch bekannt als Barrierestreifen oder Klemmenblock ist ein weiteres Gerät, das verwendet wird, um Komponenten und Drähte zu montieren, um Schaltungen aufzubauen. Schraubklemmen oder schwere Federklemmen, die an Metallschienen befestigt sind, bieten Anschlusspunkte für die Drahtenden und Komponentenkabel, diese Metallschienen werden separat an einem Stück nichtleitendem Material wie Kunststoff, Bakelit oder Keramik montiert.

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