Ob eine Erweiterung für den Raspberry Pi, das Arduino-Shield oder ein eigenes Projekt: Die Umsetzung einer elektronischen Schaltung erfordert eine Leiterplatte. Im Labor Technologie ist ein Laborbereich auf die Umsetzung komplexer Elektronikdesigns und Schaltungssysteme spezialisiert. Ein umfangreicher Maschinenpark gibt alle notwendigen Werkzeuge zur Umsetzung eines Schaltungsentwurfs an die Hand.

Eine Leiterplatte braucht einen Schaltplan und der Schaltplan eine Schaltung. Die Schaltung kann auf einer eigenen Idee beruhen oder aus einer der zahllosen Ideenquellen wie Fachzeitschriften, Bücher oder Foren in Elektronik-Communities stammen. Bevor es an den Entwurf des Schaltplans geht, sollte die Schaltung zumindest mit einer Simulationssoftware wie LTspice (kostenlos) simuliert werden. Wer auf Nummer sicher gehen möchte, der baut die Schaltung im Laborbereich Elektronik am Steckbrett auf und testet sie ausgiebig.

Zur Umsetzung der Schaltung in einen Schaltplan stehen verschiedene Design-Tools zur Verfügung. Im Studiengang Mikrosystemtechnik lernen Studierende den Schaltungsentwurf mit Altium Designer. Aber auch Eagle oder das kostenlose KiCAD eignen sich hervorragend, die Schaltung in einen Schaltplan umzusetzen und daraus die erforderlichen Layoutdaten zu erzeugen. Sind die Designdaten aufbereitet, geht es bereits in die Fertigung.

Hier handelt es sich um ein sogenanntes Analog Front-End (AFE) zur Anbindung von Sensoren, in dem konkreten Anwendungsfall von Sonden zur Messung elektrochemischer Eigenschaften wie dem pH-Wert oder das Redoxpotential. Die Verbindung zum Gateway erfolgt per Bluetooth LE (Low Energy). Auf dem Gateway werden die Daten per MQTT weitergegeben, zum Beispiel in ein Dashboard basierend auf "Node Red" (IBM).

Das AFE ist universal gehalten und bietet durch die Wahl eines Femtoampere-Operationsverstärkers (LMP7721 als Elektrometerverstärker) eine breite Anwendungspalette zur Messung kleinster elektrischer Größen (zum Beispiel Photodioden, EKG, Herzschlag, Hautwiderstand, Schweiß). Die Abtastung der elektrischen Größen erfolgt per 16-Bit ADC in differentieller Messung (ADS1115). Die Einstellung des Sondenpotentials erfolgt wahlweise mit einer zusätzlichen Spannungsreferenz (REF3440). Auch wird die Systemtemperatur mittig im System erfasst und kann zur Temperaturkompensation herangezogen werden. Die Verbindung zu einem Mikrocontroller erfolgt galvanisch isoliert mit Hilfe eines I2C-Bus-Isolators (ADM3260). Das System ist, auch dank des integrierten DCDC-Wandlers, 3.3V/5V kompatibel.

Die Herstellung umfasst mehrere Prozessschritte, die in unserem Laborbereich Leiterplatte unter Anleitung selbstständig ausgeführt werden. Es beginnt bei der mechanischen Bearbeitung, dem Bohren und einer nachfolgenden Reinigung. Danach erfolgt die fotolithografische Übertragung des Leiterplattenlayouts auf die noch leere kupferkaschierte Leiterplatte.

Es folgen alle weiteren Schritten der Strukturierung der Leiterzüge des Layouts. Dazu werden die Leiterbahnen elektrochemisch entwickelt, verstärkt und abschließend freigelegt. Ist der Prozessschritt abgeschlossen, folgt die Bestückung der Platine mit den elektronischen Bauelementen. Damit ist die Umsetzung einer Idee in eine elektronische Schaltung eigentlich abgeschlossen.

Zum Abschluss muss die fertige Leiterplatte nur noch auf ihre Funktion hin getestet werden. Kommt es dabei zu Abweichungen, ist die anfangs erwähnte Vergleichsschaltung recht hilfreich. Es kann kontrolliert werden, an welcher Stelle der Schaltung es zu Abweichungen kommt. Manchmal ist es nur eine 'kalte Lötstelle', die am Reparatur-Lötplatz nachgearbeitet werden muss.