Tipps und Tricks zum Eigenbau des PiXtend-Moduls

© Konstantin Inozemtcev, 123RF

Elektropuzzle

Das Board PiXtend erweitert den RasPi zu einer leistungsfähigen Steuereinheit. Neben dem Komplett-Kit bietet der Hersteller die Platine als Bausatz an, die Lötprofis viel Spaß bereitet und Einsteigern bei den ersten Schritten in der Elektronik-Welt hilft.

Das PiXtend-Board haben wir Ihnen in RPG 04/2016 bereits im Einsatz als speicherprogrammierbare Steuerung vorgestellt, einen Programmierkurs dazu lieferten wir in RPG 07-08/2017. Das PiXtend gibt es aber nicht nur als fertiges Produkt, sondern auch in Form eines Bausatzes, den wir Ihnen im Folgenden näher vorstellen.

Das PiXtend-Kit kostet 130 Euro, immerhin 55 Euro weniger als die vorbestückte Platine. Für den Zusammenbau benötigen Sie je nach Erfahrung etwa einen Tag: Es gilt, circa 300 Teile zu bestücken und zu verlöten. Als Einsteiger lernen Sie dabei genug, um danach andere Bausätze mit Leichtigkeit zu montieren. Über den handwerklichen Part hinaus erfahren Sie mit dem Bausatz viel über Elektronik. Eine Einzelplatine kostet im PiXtend-Shop 30 Euro. Das rechnet sich nur, wenn Sie gute Konditionen bei einem Versender für die Elektronik-Bauteile bekommen oder die Platine nur teilweise bestücken wollen.

Der Bausatz selbst kommt gut sortiert ins Haus (Abbildung 1). Alle Bauteile lassen sich leicht unterscheiden. SMD-Komponenten (oberflächenmontierte Bauelemente), die bei der Montage viel Erfahrung und Fingerspitzengefühl erfordern, gibt es nicht. Ebenso findet sich keine gedruckte Bauanleitung im Set, die komplette Dokumentation des Bausatzes gibt es nur in elektronischer Form im Internet [1]. Immerhin liegt die ausführlich bebilderte Anleitung nicht nur auf Englisch vor, sondern auch in deutscher Sprache.

Abbildung 1: Wer den PiXtend als Bausatz bestellt, sollte sich in etwa einen Tag für das Bestücken Zeit nehmen.

Stoßen Sie beim Aufbau auf Probleme, gibt es mehrere Anlaufstellen. Als Erstes sollten Sie immer das PiXtend-Forum [2] nutzen. Viele Antworten auf alltägliche Fragen finden sich bereits in den Archiven der sehr regen Community. Bei neuen Fragestellungen erhalten Sie schnell Antwort von den Mitgliedern. Alternativ wenden Sie sich per E-Mail an den Support des in Deutschland ansässigen Herstellers.

Bestückung

Der ausführlichen Bauanleitung [3] gibt es nicht viel hinzuzufügen, weswegen wir uns auf eine knappe Beschreibung der einzelnen Schritte und einige kleine Tipps beschränken. Neben Lötkolben, Schraubendreher, einer Zange und einem Seitenschneider benötigen Sie nur wenige zusätzliche Werkzeuge und Hilfsmittel.

Nach dem Bestücken legen Sie am besten eine Sperrholzplatte oder einen festen Pappkarton auf die Bauteile. Dieser Deckel verhindert, dass die Komponenten wieder herausfallen, wenn Sie die Platine zum Verlöten umdrehen. Hier gilt es etwas zu experimentieren, welche Bauteile sich mit diesem Verfahren gut montieren lassen und welche nicht. Immer wenn Sie viele Bauteile gleicher Höhe bestücken, lohnt ein Versuch mit der Sperrholzplatte. Klappt das nicht, verbiegen Sie die Beinchen der Bauteile nach dem Bestücken ein wenig: So fallen die Teile nicht mehr heraus.

Eine Biegelehre [4] hilft, die Beinchen von Bauteilen sauber auf das Rastermaß zu biegen, und spart dabei viel Zeit. Ohne diese Hilfe trifft man das Maß hin und wieder nicht genau und muss zeitaufwendig nachjustieren.

Sie bewältigen das Projekt problemlos auch mit einem einfachen Lötkolben. Da sich auf der Platine unterschiedlich große Pads befinden (die Entwickler der Platine nutzen bewusst unterschiedliche Größen, um Löt-Einsteigern genügend Material zum Üben zu geben), sollte sich jedoch die Spitze des Kolbens leicht austauschen lassen. Zudem sollte der Lötkolben temperaturgeregelt sein und über ausreichend Heizleistung verfügen. Eine gute Option wäre etwa die Lötstation I-CON Piko von Ersa [5].

Als Lötzinn sollten Sie eine bleifreie Variante verwenden. Das schützt nicht nur die Umwelt, sondern auch Sie selbst: Es lässt sich nicht vermeiden, dass man beim Löten mit dem Lötzinn in Kontakt kommt. Zudem schaden die beim Löten mit bleihaltigem Lötzinn aufsteigenden Dämpfe der Gesundheit.

Zurück zur Bestückung der mit einem Bestückungsdruck versehenen Platine: Welches Bauteil an welche Stelle auf der Platine muss, ersehen Sie aus dem Bestückungsplan [6]. Drucken Sie ihn so groß wie möglich aus, um die Positionen der Bauteile leichter zu finden. Zusätzlich müssen Sie noch in der Bauteilliste (Bauanleitung [7], Seite 7 bis 10) nachsehen, welche konkreten Parameter ein Bauteil aufweist. Im Bestückungsplan sehen Sie, wo der Widerstand R52 zu bestücken ist; die Bauteileliste verrät dann, dass Sie einen Widerstand mit 10 kOhm heraussuchen müssen.

Prinzipiell bestückt man Platinen immer von den flachen Bauteilen hin zu den hohen. Die Bauanleitung hält sich allerdings bei einigen Bauteilen nicht an diese Regel. Das dient dazu, Elektronik-Schülern an einem konkreten Beispiel zu zeigen, dass so die Montage schwieriger ist. Schwierig bedeutet hier aber weder falsch noch unmöglich: Daher sollten Sie die in der Bauanleitung vorgeschlagene Reihenfolge beachten.

Montage: Tipps & Tricks

Bei der Montage der IC-Sockel hilft in der Regel der Trick mit der Sperrholzplatte. Löten Sie den IC-Sockel zuerst nur an zwei über Kreuz liegenden Beinchen an, dann können Sie die Position noch einmal ein wenig korrigieren. Nach dem Ausrichten löten Sie die restlichen Beinchen an.

Bei den Leuchtdioden müssen Sie auf die korrekte Polung achten. Das lange Beinchen (die Anode) muss an den Pluspol (kleines Plus auf der Platine). Beim Verlöten mehrerer LEDs hilft wieder die Sperrholzplatte. Generell sollten Sie erst ein Beinchen anlöten, dann die LEDs ausrichten und erst jetzt das zweite Beinchen anlöten. Bei mehreren LEDs nebeneinander fällt es sonst sehr schnell auf, dass sie nicht akkurat sitzen. Zu viel Lot auf der Lötstelle lässt sich mit der Lötspitze am Beinchen nach oben ziehen. Nach dem Verlöten aller LEDs knipsen Sie die überstehenden Beinchen mit dem Seitenschneider ab. Halten Sie dabei den Finger davor, damit die abgeschnittenen Stücke nicht herumfliegen.

Theoretisch könnten Sie sämtliche Widerstände auf der Platine in einem Rutsch bestücken, indem Sie die Beinchen ein wenig verbiegen, sodass die Bauteile klemmen bleiben. Auf der Rückseite der Platine stehen dann jedoch so viele Beinchen heraus, dass man kaum noch an die Lötstellen herankommt. Es empfiehlt sich daher, immer nur rund 20 Widerstände gleichzeitig zu bestücken (wieder mithilfe der Sperrholzplatte), diese zu verlöten und die Beinchen abzuschneiden.

Beim Ausrichten hilft derselbe Trick wie bei den LEDs: erst ein Bein anlöten, dann ausrichten, danach das zweite löten. Beim Entschlüsseln der Farbringe auf den Widerständen helfen Seiten wie der Resistor Color Code Calculator [8] oder entsprechende Apps für das Smartphone. Sitzen alle Widerstände auf der Platine, ist das PiXtend-Puzzle schon zur Hälfte komplett (Abbildung 2).

Abbildung 2: Widerstände, LEDs und die Sockel für die ICs – bis zum fertig bestückten PiXtend fehlt nicht mehr viel.

Bei den Stiftleisten für Jumper klappt der Trick mit der Sperrholzplatte nicht mehr gut. Hier gilt: Immer erst ein Beinchen anlöten und die Leiste anschließend ausrichten.

Die liegenden Dioden zählen zu eben jenen Bauteilen, die man einfacher am Anfang bestückt hätte. Biegt man die Beinchen der Dioden beim Bestücken leicht, fallen sie beim Umdrehen der Platine nicht heraus. Als Halbleiterbausteine dürfen die Dioden beim Löten nicht zu viel Hitze abbekommen – vermutlich der Grund, warum der PiXtend-Hersteller empfiehlt, sie erst jetzt (mit einigen Hundert Lötstellen Erfahrung) einzulöten. Dioden leiten den Strom nur in eine Richtung, daher müssen Sie auch hier auf die Polung achten. Der Ring markiert die Kathode. Der Platinenaufdruck zeigt durch einen Strich an, wie herum Sie die Diode einlöten müssen: Der Ring auf der Diode entspricht dem Strich auf der Platine.

Die Quarze sollten Sie so kurz wie möglich löten, da sie bei zu starker Überhitzung Schaden nehmen. Bei Kondensatoren müssen Sie zwischen Keramik- und Elektrolytkondensatoren unterscheiden. Erstere besitzen keine Polung, beim Einlöten müssen Sie also nicht auf die Richtung sehen. Bei den Elektrolytkondensatoren gilt das Gegenteil, achten Sie daher auf die Beschriftung und auf das Beinchen für den Pluspol, das immer etwas länger ist. Bauen Sie den Kondensator falsch herum ein, entsteht bei der Inbetriebnahme der Schaltung eine je nach Kapazität unterschiedlich hohe Menge an Rauch [9].

Polyfuse-Sicherungen übernehmen, wie der Name schon vermuten lässt, in der Schaltung eine Schutzfunktion. Ab einer definierten Stromstärke werden sie hochohmig und begrenzen den Stromfluss. Das verhindert Schäden an anderen Bauteilen. Die Sicherungen besitzen keine Polung, sodass es keine Rolle spielt, wie herum Sie sie einlöten.

Transistoren lassen als elektronische Schalter abhängig von Strom, der in die Basis hineinfließt, einen Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen. Der Platinenaufdruck zeigt an, wie herum Sie die Transistoren einlöten müssen. Die Beinchen passen ohnehin nur in einer Position in die Lötpunkte. Sie löten erst ein Beinchen an, richten danach das Bauteil aus und verlöten dann die restlichen Beinchen.

Bei Transistoren handelt es sich wie bei Dioden um Halbleiter, sie vertragen Hitzestress daher nur bedingt. Die Exemplare im PiXtend-Kit sind sogenannte Feldeffekttransistoren mit einem extrem hohen Eingangswiderstand, der sie zu sehr guten Verstärkern macht. Das macht sie aber gleichzeitig anfällig für elektrostatische Spannungen. Bei der Arbeit mit diesen Bauteilen müssen Sie sich also erden. Zwar sind nicht alle Halbleiter empfindlich für elektrostatische Entladung, doch das sieht man den Komponenten nicht an. Daher gilt hier wie für alle ICs die alte Faustregel: Arbeiten Sie mit einem Bauteil mit mehr als zwei Beinchen, erden Sie sich immer.

Die großen Transistoren im Kit sind MOSFET-Leistungstransistoren, die das Schalten von bis zu 41 Ampere ermöglichen. Sie lassen sich wie die kleinen Transistoren einlöten und ausrichten, vertragen allerdings etwas mehr Hitze, da ihr TO220-Gehäuse bereits über eine Kühlfläche verfügt. Aber Vorsicht: Die Leistungstransistoren kann man falsch herum bestücken, ohne dabei mechanische Probleme zu bekommen. Der dicke Balken auf dem Platinenaufdruck markiert die Seite, an der sich die Kühlfläche des TO220-Gehäuses befindet. Vergessen Sie auch hier nicht, sich zu erden. Der IRFZ44N besitzt zwar interne Dioden, die ihn vor statischer Spannung schützen sollen, aber Vorsicht ist besser als neu bestücken.

Beim Bestücken und Einlöten von Ferrit und Spule ist kaum etwas falsch zu machen. Sie müssen weder eine Polung beachten, noch reagieren diese Komponenten empfindlich auf Hitze.

Der LM2576T-5 [10] ist ein Schaltspannungsregler mit einer festen Ausgangsspannung von 5 Volt, der Eingangsspannungsbereich reicht von 7 bis 40 Volt (in der HV-Variante 7 bis 60 Volt). Der flexible Regler eignet sich sehr gut für Projekte mit dem Raspberry Pi. Generell sollte man bei der Spannungsversorgung immer Schaltreglern den Vorzug vor Linearreglern geben, da sie erheblich weniger Verlustleistung produzieren und damit Strom sparen. Beim Bestücken müssen Sie allerdings etwas achtgeben, damit am Ende auch alles mechanisch passt.

Die Schraube, die den Kühlkörper hält, geht durch die Platine. Achten Sie daher darauf, die Beinchen des LM2676T-5 an der richtigen Stelle umzubiegen. Vergessen Sie nicht, etwas Wärmeleitpaste zwischen dem Halbleiter und dem Kühlkörper aufzubringen. Das setzt den thermischen Übergangswiderstand zwischen den beiden Bauteilen herab und verbessert so die Kühlleistung. Dem PiXtend-Bausatz liegt so viel Wärmeleitpaste bei, dass sie für mehrere Projekte ausreicht. Versuchen Sie nicht den kompletten Inhalt der Dose zu verwenden: Eine Messerspitze genügt vollkommen.

Alle Steckverbinder sollten komplett plan auf der Platine sitzen, sonst lösen sie sich später bei mechanischen Belastungen leicht von der Platine. Das robuste Platinenmaterial des PiXtend nimmt dadurch wahrscheinlich keinen Schaden. Bei anderen Bausätzen mit einer nur einseitig geätzten Platine ohne Durchkontaktierung können sich aber dabei Haarrisse in den Leiterbahnen bilden, die sich nur sehr schwer finden lassen.

Die Relais können Sie einfach bestücken, ausrichten und einlöten. Sie dienen im PiXtend als Leistungsschalter mit galvanischer Trennung. Man könnte damit also auch Netzspannung schalten. Falls Sie nicht selbst über die nötige Qualifikation verfügen, um mit Netzspannung zu arbeiten, ziehen Sie bitte zur eigenen Sicherheit einen Fachmann hinzu.

Die Montage der ICs sollten Sie noch ein wenig verschieben. Es empfiehlt sich, eine Schaltung, sofern möglich, erst einmal ohne Halbleiter mit Spannung zu versorgen. Das erleichtert die Fehlersuche ungemein – und rettet den ICs unter Umständen das Leben.

Die Drehachsen stecken Sie in die zwei Potenziometer, ohne zu viel Druck auszuüben. Die Batterie verlöten Sie als letztes Bauteil, da sie zum einen sehr hoch baut und zum anderen schon Spannung auf die Platine bringt. Bei den Abstandhaltern und Verschraubungen achten Sie bitte darauf, sie nicht zu fest anzuziehen, sonst nimmt die Platine Schaden. Zu guter Letzt setzen Sie noch die Jumper. Deren Position hängt davon ab, wie Sie das PiXtend-Board später betreiben möchten. Der Abschnitt 2.19 der Bauanleitung geht im Detail darauf ein.

Diesen Artikel als PDF kaufen

Express-Kauf als PDF

Umfang: 6 Heftseiten

Preis € 0,99
(inkl. 19% MwSt.)

Raspberry Pi Geek kaufen

Einzelne Ausgabe
 
Abonnements
 
TABLET & SMARTPHONE APPS
Bald erhältlich
Get it on Google Play

Deutschland

Aktuelle Ausgabe

12/2018
Coole Projekte

Diese Ausgabe als PDF kaufen

Preis € 7,99
(inkl. 19% MwSt.)

Stellenmarkt

Neuigkeiten

  • Bytes und Beats

    In Sonic Pi können Sie mit wenigen Codezeilen Klänge manipulieren, Beats zusammenstellen und ganze Songs komponieren.

  • Klein, aber fein

  • Trick or treat

    Das traditionelle RPG-Gruselkabinett glänzt dieses Jahr mit einer innovativen Umsetzung mittels Pneumatik und Elektropneumatik sowie ST-Programmierung.

  • Unter Kontrolle

    Traditionell stellen wir alljährlich ein selbst gebautes Halloween-Gespenst vor. Die pneumatischen und elektronischen Grundlagen erklärt dieser Artikel.

  • Go Pi Go!

    Der Bausatz GoPiGo3 liefert Bauteile und Software für ein kleines Roboterauto. Zusammen mit einem RasPi als Gehirn programmieren Sie den Roboter per Mausklick.

  • Handlicher Helfer

    Während die Folien der Präsentation durchlaufen, liefert ein kleiner Dokumentenserver auf Basis des GL-AR300M-ext zusätzliche Informationen aus.

  • Wiederverwertet

    Mithilfe eines einfachen Python-Programms recyceln Sie ein ausgedientes Smartphone als drahtlos angebundenes RasPi-Display.

  • Herzenssache

    Steigt beim Krimi der Herzschlag bedrohlich an? Mit einem Pulsmesser in Eigenbau ermitteln Sie einfach und kostengünstig, ob der Herzschlag noch in verträglichen Bereichen liegt.

  • Fernbedient

    Mit der Fernbedienung den RasPi steuern. In der Theorie möglich, in der Praxis oft beschwerlich. Die Libcec liefert praktische Tools zur Fehlersuche.

  • Musikwürfel

    Mit Musikcube machen Sie Ihre eigene Sammlung fit fürs Streamen. Der terminalbasierte Audioplayer lässt sich Fernsteuern und bietet eine App für Android-Smartphones.