HowTo: Elektronik – Inbetriebnahme einer neuen Schaltung

Nachdem das letzte Bauteil eines Bausatzes oder der erste Prototyp einer eigenen Schaltung fertig ist, ist man oft aufgeregt und ungeduldig. Manchmal hat man an diesem Punkt zwei, drei oder mehr Stunden oft fummeliger und hochkonzentrierter Arbeit hinter sich. Also kommt nun die lang ersehnte Belohnung in Form einer perfekt funktionierenden Schaltung.

So läuft es leider nicht immer, vllt. sogar eher selten ab. Oft funktioniert ein Prototyp nach dem ersten Einschalten nicht. Manchmal sind es nur kleine Fehler die sich schnell beheben lassen. Manchmal kann ein Fehler aber auch zur Zerstörung einzelner oder mehrerer Bauteile führen.

In diesem Fall ist die Frustration oft riesig. Man hat Zeit und Geld investiert un nun nichts davon. Um Euch diese Frustration zu ersparen gibt es eine bzw. ein Paar wichtige Regeln zu beachten.

Vor der Erst- oder Wieder- Inbetriebnahme einer Schaltung solltet Ihr immer ein paar Messungen machen. Diese kosten Euch im schlimmsten Fall ca. fünf Minuten Zeit und können Euch aber gleichzeitig eine Menge Geld, Frust und Zeit sparen.

Wie Ihr so eine „Inbetriebnahme-Messung“ durchführt und was es dabei zu beachten gibt, ist im folgenden Artikel beschrieben.


Sicherheitshinweise

Ich weiß die folgenden Hinweise sind immer irgendwie lästig und wirken unnötig. Aber leider haben schon viele Menschen die es "besser" wussten aus Leichtsinnigkeit Augen, Finger oder anderes verloren bzw. sich verletzt. Im Vergleich dazu ist ein Datenverlust fast nicht der Rede Wert, aber auch diese können echt ärgerlich sein. Deswegen nehmt Euch bitte fünf Minuten Zeit um die Sicherheitshinweise zu lesen. Denn auch das coolste Projekt ist keine Verletzung oder anderen Ärger wert.
https://www.nerdiy.de/sicherheitshinweise/


Voraussetzungen

Da Ihr für die nun folgenden Messungen natürlich ein Messgerät benötigt ist es sehr hilfreich die Grundfunktionen eines Messgeräts zu kennen. Informationen dazu findet Ihr im folgenden Artikel.
Elektronik – Funktionen eines Multimeters

Benötigtes Material:
-keins-

Benötigtes Werkzeug:

In der folgenden Liste findet Ihr alle Werkzeuge die Ihr zur Umsetzung dieses Artikels benötigt.


Warnung vor hohen Spannungen und daraus resultierenden Strömen

An dieser Stelle nochmal der wichtige Hinweis: Hohe Spannungen können sehr gefährlich sein. Wenn Ihr Euch unsicher seid solltet Ihr niemals mit Spannungen arbeiten die höher als 50V AC(Wechselspannung) oder 120V DC(Gleichspannung) sind.

Diese Spannungen sind die maximal zulässigen Berührungsspannungen für Erwachsene. Bei diesen Werten geht man davon aus, dass der potentiell über den menschlichen Körper fließende Strom nicht lebensbedrohlich ist. Trotzdem solltet Ihr es natürlich immer vermeiden „ein Teil“ eines wie auch immer gearteten Stromkreises zu werden. Infos dazu findet Ihr auch nochmal in dem Artikel Elektronik – Die Funktionen eines Multimeters (zur Fehlersuche nutzen).

Solltet Ihr Euch wegen irgendetwas unsicher sein ist es immer besser ausgebildetes Fachpersonal um Hilfe zu bitten. Denn selbst die nervigsten und dümmsten Fragen verursachen in jedem Fall weniger Arbeit und Leid als eine Beerdigung.


Multimeter richtig einstellen

Wie bereits in den Voraussetzungen erwähnt benötigt Ihr bei der Inbetriebnahme-Messung einige Funktionen Eures Multimeters. Die einzelnen Funktionen sind im Artikel Elektronik – Funktionen eines Multimeters beschrieben. In diesem findet Ihr Infos wie Ihr das Multimeter für die jeweiligen Messungen einstellen müsst und was dabei sonst noch zu beachten ist.


Prüfen auf Kurzschluss der Versorgungsleitungen und passender Leistung

Die erste Prüfung die Ihr durchführen könnt, bevor Eure Schaltung an eine Versorgungsspannung angeschlossen wird, ist der Kurzschluss-test. Dabei wird getestet, ob die Versorgungsleitungen auch eindeutig voneinander isoliert sind. Eindeutig voneinander isoliert sind sie wenn sie einen sehr hohen elektrischen Widerstand haben.

Stellt dazu das Multimeter auf Widerstandsmessung ein und prüft den Widerstand von der positiven zur negativen Versorgungsleitung.

Den gemessenen Wert müsst Ihr nun etwas einordnen können um einschätzen zu können ob er „Okay“ oder „nicht Okay“ ist. In vielen Fällen wird Euch zwar ein „OL“(Open Load) angezeigt, was bedeutet, dass der Widerstand so groß ist, dass er vom Messgerät nicht bestimmt werden kann(Das ist also „Okay“), in manchen Fällen erhaltet Ihr aber auch niedrigere Werte. Um nun zu prüfen ob dieser „niedrigere“ Widerstandswert auf einen Fehler hinweißt müsst Ihr prüfen ob dieser Plausibel sein kann. Ihr vergleicht den gemessenen Wert dazu mit dem erwarteten Widerstandswert.

Messt Ihr zum Beispiel einen sehr niedrigen Widerstandswert – sagen wir mal 1Ohm – ist das sehr wahrscheinlich ein Hinweis auf einen Kurzschluss.

Es kann aber auch sein, dass dieser Wert absolut passend ist. Nehmen wir an Ihr habt einen Gleichstrommotor konstruiert der bei 5V Versorgungsspannung 25W aufnehmen soll. In diesem Fall ist der Widerstand von 1Ohm absolut in Ordnung.

Ihr müsst also immer versuchen den gemessenen Wert richtig einzuordnen.

Dabei ist das ohmsche Gesetz ein tolles Hilfsmittel. Dank diesem könnt Ihr nämlich aus dem gemessenen Widerstand und der angelegten Spannung bestimmen welchen Strom Eure Schaltung aufnehmen würde. Dabei gilt:

Spannung= Widerstand*Strom

oder in Formelzeichen

U=R*I

Praktischerweise ist die Wirkleistung einer Schaltung auch durch den Strom und die Spannung zu ermitteln. Hier gilt nämlich:

Leistung=Spannung*Strom

oder wieder in Formelzeichen:

P=U*I

Durch gegenseitiges einsetzen der jeweiligen Formeln könnt Ihr so auch die Leistung direkt aus dem gemessenen Widerstand und dem entsprechenden Strom oder Spannung ermitteln. Dann gilt:

P=\frac{U^2}{R}

oder

P=I^2*R

So, und was bringt uns das nun? Ihr könnt nun praktisch berechnen welche Leistung Eure Schaltung aufnehmen würde. Wenn Ihr dann noch im Hinterkopf habt welche aufgenommene Leistung Ihr erwartet, könnt Ihr sehr gut einschätzen ob hier bereits ein Fehler vorliegt oder die gemessenen Werte realistisch für eine funktionierende Schaltung sind.

Die theoretische Leistung die Eure Schaltung aufnehmen sollte könnt Ihr ermitteln indem Ihr die aufgenommenen Leistungen der verbauten einzelnen Komponenten zusammenrechnet. Verwendet Ihr in Eurer Schaltung zum Beispiel einen Mikrocontroller der bei 5V ca. 50mA aufnimmt, 10 LED’s die bei 5V ca. 60mA aufnehmen und zwei Sensoren die bei 5V jeweils ca. 10mA aufnehmen  so könnt Ihr die erwartete aufgenommen Gesamtleistung leicht berechnen.

Dazu müsst Ihr zunächst die einzelnen Leistungen berechnen. Da wir die aufgenommenen Ströme der einzelnen Bauteile bei den jeweiligen Spannungen kennen, lässt sich die aufgenommene Leistung mit der Formel

P=U*I

berechnen.

Die einzelnen Leistungen sind dann wie folgt:

Mikrocontroller: 5V*0,05A=0,25W

10*LEDs= 10*5V*0,06A=3W

2*Sensoren=2*5V*0,01A=0,1W

Zusammengerechnet ergibt sich also eine erwartbare aufgenommene Leistung von:

P_{Gesamt}=P_{Mikrocontroller}+P_{LEDs}+P_{Sensoren}

P_{Gesamt}=0,25W+3W+0,1W=3,35W

Wir haben nun also einen Anhaltspunkt in welchem Bereich die aufgenommene Leistung der Schaltung in etwa liegen würde. Wenn der zuvor gemessene Widerstand der Schaltung und die daraus berechnete aufgenommene Leistung diesem Wert entspricht, darunter oder nur leicht da drüber ist, könnt Ihr davon ausgehen, dass dies keine Probleme verursachen sollte.

Achtung: Dieses Vorgehen gilt so nur Näherungsweise für Schaltungen die mit Gleichspannung funktionieren. Bei Geräten die auch mit Wechselspannung (Also alle Geräte die zum Beispiel ohne Netzteil direkt am Versorgungsnetz hängen) versorgt werden ist es etwas komplizierter, weil bei diesen noch ein eventuell vorhandener Induktiver Widerstand berücksichtigt werden muss. 


Durchgangsprüfung von Verbindungen

Ein beliebter Fehler der (zumindest mir) oft passiert ist, dass manche Verbindungen vergessen werden. Dabei reicht schon ein vergessener Lötpunkt und schon funktioniert ein z.B. angeschlossener Sensor nicht mehr oder nicht mehr korrekt.

Um dies zu vermeiden empfiehlt es sich nach dem Zusammenbau ein mal alle Verbindungen „durch zu piepen“. Das heißt es wird geprüft ob alle im Schaltplan angegebenen Verbindungen auch in der aufgebauten Schaltung existieren.

Dazu müsst Ihr das Multimeter auf Durchgangsprüfung oder falls nicht vorhanden auf Widerstandsmessung einstellen. Die Durchgangsprüfung ist etwas komfortabler, da das Multimeter eine korrekte Verbindung in diesem Fall mit einem „Piepen“ bestätigt. Deswegen auch die Formulierung „Verbindungen durchpiepen“.

Geht nun alle im Schaltplan gezeigten Verbindungen durch und prüft ob diese auch in Eurer aufgebauten Schaltung bestehen. Infos dazu findet Ihr auch in dem Artikel Elektronik – Die Funktionen eines Multimeters (zur Fehlersuche nutzen) im Abschnitt Durchgangsprüfung


Prüfen von Kurzschlüssen zu Signalleitungen

Auch bei konzentriertem Arbeiten können sich mal Fehler in den Aufbau der eigenen Schaltung einschleichen. Meistens resultieren diese in ungewollten Kurzschlüssen. Gerade bei Signalleitungen die beispielsweise zur Kommunikation eines Mikrocontrollers mit angeschlossenen Sensoren genutzt werden führt dies oft dazu, das der Sensor nicht mehr funktioniert oder sogar zerstört werden kann.

In diesem Fall reichen pro Signalleitung ein paar Messungen um diesen Fehler auszuschließen.

Stellt Euer Messgerät auf Durchgangsprüfung und prüft das auch wirklich keine Verbindung zwischen Signalleitungen und benachbarten Leitungen sowie zur Versorgungsspannung und Masse bestehen. Orientiert Euch dazu am Schaltplan und prüft wieder ob wirklich nur die Kontakte elektrisch verbunden sind die auch elektrisch verbunden sein sollten. Infos zur Durchgangsprüfung findet Ihr wieder im Artikel Elektronik – Die Funktionen eines Multimeters (zur Fehlersuche nutzen) im Abschnitt Durchgangsprüfung


Spannungsprüfung der (sekundären) Versorgungsspannung

Nun habt Ihr bereits ein paar Messungen durchgeführt und wenn Ihr bis hierhin ohne Fehler gekommen seid sieht das auch schon sehr gut aus. Die nun folgende Messung ist eigentlich keine Messung die „vor“ der Inbetriebnahme durchgeführt wird, denn dazu müsst Ihr Eure Schaltung das erste Mal an die Versorgungsspannung anschließen.

Ziel ist es sicherzustellen, dass Eure Schaltung mit der gewünschten Spannung versorgt wird. Wenn Ihr ein Netzteil verwendet um Eure Schaltung mit Energie zu versorgen so empfiehlt es sich zunächst das Netzteil einzuschalten und die Spannung am Niederspannungs-Stecker des Netzteils zu messen.

Stellt Euer Multimeter auf Spannungsmessung. Achtet dabei auch darauf die korrekte Spannungsart einzustellen. In vielen Fällen nutzen Niederspannungs-Netzteile zwar Gleichspannung(DC) aber hier ist es sinnvoll auf Nummer sicher zu gehen indem Ihr den Aufdruck auf dem Netzteil prüft. Tips zu den auf den Netzteilen aufgedruckten Informationen findet Ihr auch in dem Artikel Netzteile – Richtig dimensionieren und Datenblatt verstehen.

Messt nun die Spannung des Niederspannungs-Anschlusses. Diese sollte im Bereich des ebenfalls aufgedruckten Spannungs-Wertes sein.


Schaltung Schrittweise in Betrieb nehmen

In dem Absatz „Schrittweiser Aufbau um Fehler zu vermeiden/direkt zu erkennen“ des Artikels „Elektronik – Die Funktionen eines Multimeters (zur Fehlersuche nutzen)“ ist beschrieben, warum es sinnvoll ist eine Schaltung „Stück für Stück“ in Betrieb zu nehmen. Durch dieses Vorgehen lassen sich bereits viele Fehler vermeiden bzw. leicht beheben.


Weiterführende Informationen

https://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%BCfen_(VDE)

https://de.wikipedia.org/wiki/Kleinspannung

https://de.wikipedia.org/wiki/Ber%C3%BChrungsspannung


Ich hoffe bei euch hat alles wie beschrieben funktioniert. Falls nicht oder ihr Fragen oder Anregungen habt lasst es mich in den Kommentaren bitte wissen. Ich trage dies dann ggf. in den Artikel nach.
Auch Ideen für neue Projekte sind immer gerne willkommen. 🙂

Fab

P.S. Viele dieser Projekte - besonders die Hardwareprojekte - kosten viel Zeit und Geld. Natürlich mache ich das weil ich Spaß daran habe, aber wenn Du es cool findest, dass ich die Infos dazu mit Euch teile, würde ich mich über eine kleine Spende an die Kaffeekasse freuen. 🙂

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