Lichtorgel

Aufbauhinweise

In den vergangenen Jahren haben mich vereinzelt Zuschriften erreicht, in denen von nicht korrekter Funktion der Lichtorgel berichtet wurde. Woran das im Einzelnen gelegen hat, ist mir nicht bekannt, aber dass sich bei einem solchen doch recht umfangreichen Projekt Fehler einschleichen, ist kaum zu vermeiden. In diesem Fall muss so lange geprüft und/oder gemessen werden, bis der Fehler gefunden ist - das ist der Anspruch an den Erbauer.

Problematischer sind Fehlfunktionen, die z. B. auf einen unzweckmäßigen Aufbau zurückzuführen sind. In solchen Fällen liegt kein sichtbarer oder messbarer Fehler vor, sodass sich die damit verbundenen Effekte oftmals nur sehr schwer zuordnen und beseitigen lassen.

Verständlicherweise ist es sehr unbefriedigend, wenn ein Gerät nach viel Mühe und finanziellem Aufwand aus "unerklärlichen" Gründen nicht zufriedenstellend arbeitet. Um diesem Frust etwas vorzubeugen, sollen an dieser Stelle wenigstens ein paar Hinweise zur Vermeidung grober Aufbaufehler angegeben werden.

Das A und O: Kurze Leitungen und kleine Leiterschleifen

Je länger eine Leitung ist, desto anfälliger ist sie für die kapazitive Einkopplung (und auch Aussendung!) von Störungen. Solche Störungen können sowohl von außen als auch von innen einkoppeln, z. B. als Folge der von der Phasenanschnittsteuerung erzeugten Oberwellen in der Leistungsstufe.

Dasselbe gilt für große Leiterschleifen mit dem Unterschied, dass es sich hier um induktive Kopplungen handelt. Auch diese können z. B. von den Strömen in der Leistungsstufe, aber auch durch das magnetische Streufeld des Netztransformators verursacht werden.

Das A und O eines JEDEN elektrischen Gerätes sind deshalb grundsätzlich möglichst kurze Leitungen sowie möglichst kleine Leiterschleifen - und das gilt sowohl auf Leiterplatten als auch außerhalb von Leiterplatten. Es ist klar, dass Beides aus praktischen Gründen nicht beliebig klein werden KANN, aber man sollte versuchen, Beides zu minimieren.

Maßnahmen auf Leiterplatten

Es sollte selbstverständlich sein, dass die zu einer Funktionseinheit gehörenden Bauteile auch möglichst dicht beieinander zu platzieren sind - nur so lassen sich Leitungslängen und Leiterschleifen minimieren.
Dies widerspricht u. U. der Anwendung automatischer Platzierungs- und Entflechtungshilfen, wie sie von manchen CAD-Programmen angeboten werden. Sowas mag für eine astabile Kippstufe aus einem Händchen voller Bauteile einigermaßen funktionieren, bei einem so komplexen Gerät, wie der hier beschriebenen Lichtorgel, kann der Einsatz solcher Automatismen aber nur schiefgehen.

Stromversorgungsleitungen müssen praktisch jeden Punkt einer Leiterplatte erreichen und können deshalb nicht beliebig kurz gehalten werden. Diese Leitungen sind aber nicht so kritisch, weil sie zu einem sehr niederohmigen Stromkreis gehören und zudem nur von Gleichstrom durchflossen werden.
Um die von den Stromversorgungsleitungen aufgespannte Fläche zu minimieren bietet es sich z. B. an, alle 3 Leiter (Plus, Masse und Minus) dicht beieinander der Länge nach mittig über die Leiterplatte zu führen und die Versorgung der einzelnen Funktionseinheiten nach oben und unten - ebenfalls dicht beieinander liegend - abzugreifen. Mehr kann und muss man an dieser Stelle nicht machen.

Des weiteren ist es sinnvoll, eine Signalflussrichtung einzuhalten.
Das (niedrige) Eingangssignal sollte auf einer Seite zugeführt und das verstärkte Signal auf der anderen Seite der Leiterplatte abgeführt werden. Unbedingt zu vermeiden ist es, verstärkte Signale wieder dicht an empfindlichen Leitungen oder Eingangskreisen vorbeizuführen, weil unerwünschte Beeinflussungen (Mitkopplung) dann vorprogrammiert sind.
Auf welcher Seite das Eingangssignal zugeführt wird, hängt vom allgemeinen Aufbau des Gerätes ab - auf jeden Fall maximal weit entfernt von den Lampen-Stromkreisen und der Netzspannungsversorgung.

Maßnahmen außerhalb von Leiterplatten

Obige Maßnahmen gelten prinzipiell ebenso für die Verdrahtung zwischen den Leiterplatten. Auch hier sind Signalleitungen nicht unnötig lang durch das Gerät oder gar dicht an der Netzspannungsversorgung oder den Lampen-Stromkreisen vorbei zu führen.

Zur Minimierung der von den Verbindungsleitungen aufgespannten Flächen können die einzelnen Leiter z. B. wie ein Zopf verflochten werden. Das erhöht zwar geringfügig die kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Leitern, aber das sind bei kurzen Leitungen allenfalls nur wenige Pikofarad, die für die niederfrequenten Audio-Signale in einer Lichtorgel vernachlässigbar sind. Mit verflochtenen Verbindungsleitungen habe ich jedenfalls nie schlechte Erfahrungen gemacht.

Dasselbe gilt für die Stromversorgung der Leiterplatten: Möglichst kurz halten und die einzelnen Leiter verflechten.
Das Netzteil ist außerdem der niederohmigste Punkt der Stromversorgung, und selbstverständlich ist jede Leiterplatte separat mit dem Netzteil zu verbinden, um eventuelle Kopplungen über die Stromversorgung zu minimieren.

Bliebe noch die Anordnung der Leiterplatten.
In meinen Geräten habe ich die Leiterplatten stets senkrecht hintereinander gestellt, und zwar mit der "Signalaufbereitung" ganz vorn an der Frontplatte, um die Verbindungen zu den Bedienungselementen möglichst kurz zu halten.
Als nächste Baugruppe folgt die "Steuerstufe". Die Verbindungen zwischen "Steuerstufe" und Frontplatte sind zwar etwas länger, aber die Signale sind hier größer und unempfindlicher.
In möglichst großem Abstand zur "Steuerstufe" wird die "Leistungsstufe" untergebracht. Wie groß dieser Abstand sein kann, hängt natürlich wesentlich von der Gehäusegröße ab.
Die Netzteil-Leiterplatte habe ich stets quer zu den anderen Leiterplatten platziert, und zwar so, dass sie möglichst nah am Netzeingang und der Netztransformator möglichst weit von der Signalaufbereitung entfernt liegt. Wenn sich der Netzschalter auf der Gehäuserückwand befindet, dann kann der Netzspannungskreis sehr kompakt gehalten werden. Soll der Netzschalter auf der Frontplatte untergebracht werden, dann sind seine Zuleitungen besonders sorgfältig zu isolieren und zu befestigen, damit keine Netzspannung auf die Frontplatte verschleppt werden kann.
Ob ein solcher Aufbau als optimal bezeichnet werden kann, sei dahingestellt - bei meinen nach diesen Vorgaben gebauten Geräten ist jedenfalls nie eine "unerklärliche" Fehlfunktion aufgetreten.

Der wichtigste Punkt überhaupt: Die elektrische Sicherheit

Wenn die Schaltungen in ein Metallgehäuse eingebaut werden, dann handelt es sich sicherheitstechnisch um ein sog. Gerät der Schutzklasse 1. Bei solchen Geräten sind alle von außen berührbaren Metallteile, die im Fehlerfall gefährliche Netzspannung annehmen könnten, stromtragfähig mit dem Schutzleitungssystem der Installation zu verbinden.

In der Praxis bedeutet das, dass NICHT ALLE von außen berührbaren Metallteile mit dem Schutzleiter verbunden werden müssen, sondern nur diejenigen, die bei einem internen elektrischen Fehler auch tatsächlich gefährlich werden könnten. Als Fehler wird hierbei im Wesentlichen das versehentliche Lösen eines Netzspannung führenden Leiters betrachtet, welcher dann unkontrolliert im Gerät herumvagabundieren und berührbare Metallteile oder auch Leiterplatten unter Netzspannung setzen könnte. Wenn das wirkungsvoll verhindert wird, dann müssen auch nicht alle Metallteile "geschutzleitert" werden.

Daraus folgt, dass zunächst auch die Länge Netzspannung führender Leiter auf das erforderliche Minimum zu beschränken ist (auch hier wieder möglichst kurze Leitungen).
Des weiteren sollten diese Leiter nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik befestigt werden - soll heißen: Entweder ordentlich verlöten oder isolierte Flachsteck- Verbindungen verwenden, die als gegen Selbstlösen gesichert gelten.
Sinnvoll (und auch Standard im professionellen Gerätebau) ist außerdem das Zusammenbinden Netzspannung führender Leitungen mit Kabelbindern - sollte sich doch mal ein einzelner Leiter lösen, dann wird er von den anderen in Position gehalten.
Wenn alle diese Vorgaben umgesetzt werden, dann dürfte die Zahl der mit Schutzleiter zu verbindenden Metallteile schon recht überschaubar werden.

Die Geräterückwand ist auf jeden Fall mit Schutzleiter zu verbinden, da sich hier die Netzspannung führenden Leiter konzentrieren und der ankommende Schutzleiter einfach angeschraubt werden kann - und zwar gegen Selbstlösen gesichert unter Verwendung von Feder- oder Zahnscheiben. In diesem Zusammenhang ist auch zu empfehlen, einen eventuellen Netzschalter auf der Rückwand unterzubringen, anstatt die Netzspannung auf die Frontplatte zu führen.

Mit Schutzleiter zu verbinden sind außerdem alle von außen berührbaren Gehäuseteile, die allein schon mit der Isolierung Netzspannung führender Litzen in Berührung kommen können - also z. B. eine Bodenplatte, auf der diese Litzen liegen. Der technische Hintergrund dieser Forderung ist, dass einzelne Litzen i. A. nur eine einfache Isolierung (Basisisolation) haben und diese im Fehlerfall beschädigt werden könnte. Dasselbe gilt für Seitenwände, an denen Netzspannung führende Litzen anliegen.
Und selbstverständlich ist zu verhindern, dass Netzspannung führende Leitungen an Leiterplatten von Kleinspannungsstromkreisen anliegen können.

Wie bereits erwähnt müssen Schutzverbindungen "stromtragfähig" sein. Das bedeutet, dass sie einem Kurzschluss widerstehen können müssen, der die 15A-Installationssicherung auslöst - darauf beruht die Schutzfunktion. Für Schutzverbindungen ist deshalb ein Leiterquerschnitt zu wählen, der mindestens dem Querschnitt der Netzanschlussleitung entspricht. Werden Schutzverbindungen durch Verschraubung einzelner Gehäuseteile hergestellt, dann ist an diesen Teilen im Bereich der Kontaktflächen die Lackierung zu entfernen, damit ein ausreichend guter elektrischer Kontakt entsteht. Die bei Stahlgehäusen damit verbundene Korrosionsgefahr sollte alle paar Jahre überprüft und die Kontaktflächen erforderlichenfalls wieder metallisch blank gemacht werden.

Des weiteren hat ein Metallgehäuse im Allgemeinen auch eine gewisse abschirmende Wirkung.
Ob man die Schaltungsmasse deshalb grundsätzlich mit dem Gehäuse verbinden sollte, ist eine Gewissensfrage. Bei Verstärkern stellt man eine solche Verbindung üblicherweise am empfindlichsten Eingang - und nur dort - her, um das Brummen zu minimieren.
Brummen gibt es bei einer Lichtorgel aber nicht, allenfalls könnte die rote Lampe unerwünscht leuchten. Ob das so ist, habe ich nie ausprobiert, sondern die Schaltungsmasse von vornherein stets an der Eingangsbuchse des Audio-Signals mit der Gehäuse-Rückwand verbunden.

Abschließend noch ein Wort zu den Leiterplatten: Lochraster oder nicht?

Auch diese Frage ist nicht pauschal zu beantworten.

Wenn nur eine einzelne Baugruppe benötigt wird oder man aus anderen Gründen keine spezielle Leiterplatte herstellen (lassen) möchte, dann tut es natürlich auch eine Lochrasterplatte - für nahezu alle meiner privaten Projekte habe ich Lochraster-Leiterplatten verwendet. Allerdings ist der Lötaufwand hoch und erfordert viel Routine beim Verlegen und Verlöten der Drahtverbindungen.

Die Verbindungen zwischen den Bauteilen sollten nach meiner Erfahrung nicht direkt mit deren Anschlussdrähten erfolgen, sondern durch separate Leitungen. Die Nutzung der Bauteil-Anschlüsse ist zwar verlockend, man bekommt die Bauteile gegebenenfalls aber nur schwer wieder von der Leiterplatte entfernt - meistens löst sich dabei auch das eine oder andere Lötauge ab.
Ich halte es deshalb für sinnvoller, die Bauteile zu platzieren, mit 2 kleinen Lötzinnklecksen zu fixieren, die Anschlussdrähte zu kürzen und die Verbindungen dann z. B. mit den von Widerständen und Dioden abgeschnittenen Drahtstücken herzustellen. Mehrere nebeneinander liegende Lötaugen lassen sich auch ohne Drahtstücke mit entsprechend großen Lötzinnbrücken verbinden, und für längere Verbindungen verwende ich verzinnten Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,5 bzw. bei größeren Strömen von 0,8mm.

Nahezu sämtliche im Laufe der Jahrzehnte von mir gebauten Geräte - und das waren nicht wenig und nicht nur Lichtorgeln - habe ich mit Lochrasterplatten gemäß obiger Herstellungsmethode ausgerüstet und nie gab es damit irgendwelche technischen Probleme.

Nebenbei sei bemerkt, dass ausgelötete Bauteile - sofern sie noch intakt sind - selbstverständlich nicht entsorgt werden, sondern wieder ins "Bauteile-Lager" wandern. Es kommt immer mal vor, dass beim Entwurf und Aufbau einer Schaltung ein bestimmter Wert fehlt - im Zweifelsfall ist man dann froh, wenn wenigstens noch ein Bauteil mit kurzen Anschlussdrähten in der Bastelkiste zu finden ist.

Benötigt man mehrere gleiche Baugruppen, dann ist die Herstellung einer speziellen Leiterplatte sinnvoll, allerdings ist hierbei sehr viel Vorarbeit am Computer mit einem geeigneten CAD-Programm zu leisten. Privat habe ich das deshalb nie gemacht, wohl aber beruflich mit unterschiedlichen Programmen.

Jedes Programm hat seine Eigenarten und folgende Ausführungen erheben auch keinen Anspruch auf Vollständigkeit, aber ganz grob beschrieben erfolgt hierbei zunächst eine Definition ALLER elektrischen Bauteile hinsichtlich Form, Größe, Rastermaß usw. sowie der elektrischen Anschlüsse, welche danach in einer Bauteil-Bibliothek (Library) abgelegt werden.

Mit dem Programm zur Schaltbilderstellung (Artwork, Schematics, SCM) werden die Bauteile aufgerufen und anhand des vorher skizzierten oder vorhandenen Schaltplans verdrahtet; auch die Indizierung der Bauteile erfolgt an dieser Stelle. Das Ergebnis sind ein ausdruckbarer Schaltplan sowie eine Verbindungsliste, welche alle erforderlichen Informationen enthält.

Diese Verbindungsliste wird in das Programm zur sog. Leiterplattenentflechtung (Printed Circuit Board, PCB) importiert. Die dargestellten Bauteile werden zunächst möglichst sinnvoll platziert - soll heißen: So platziert, dass keine unnötig langen Verbindungen quer über die Leiterplatte entstehen.
Anschließend werden die durch bislang meist als "Gummifäden" dargestellten Verbindungen kreuzungsfrei so verlegt, wie sie später auf der Leiterplatte als Kupferbahnen erscheinen sollen. Falls eine kreuzungsfreie Verlegung nicht gelingen sollte, dann kommt u. U. auch eine 2-lagige Leiterplatte in Betracht - also eine Leiterplatte mit Kupferbahnen auf beiden Seiten. Allerdings sind dazu sog. Durchkontaktierungen erforderlich, welche den Preis der Leiterplatte erhöhen. Alternativ können Kreuzungen auch einfach durch Drahtbrücken auf der Bestückungsseite realisiert werden, diese Drahtbrücken sind aber vorher wiederum als Bauteile zu definieren.

Das Platzieren der Bauteile und das Verlegen der Kupferbahnen lassen sich zwar mehr oder weniger automatisieren (Auto-Placing bzw. Auto-Routing), erfahrungsgemäß ist das Ergebnis solcher Automatismen in der Regel aber nicht sonderlich brauchbar - woher soll das Programm auch wissen, welche Bauteile zusammengehören bzw. welche Verbindungen möglichst kurz zu halten sind? Hier ist auf jeden Fall eigenes Know-how gefragt, und genau das macht eine auf den ersten Blick einfach und langweilig erscheinende Leiterplatte letztendlich zu einem anspruchsvollen elektrischen Bauteil.

Die generierten Daten (i. d. R. Gerber-Daten) muss der Leiterplatten-Hersteller in sein System einlesen können, um daraus die erforderlichen Masken zur Herstellung der Leiterplatte anzufertigen. Neben der Maske für die Kupferbahnen und den Bohr-Koordinaten sind das je nach Anspruch evtl. auch Masken für die Bestückung und Bauteil-Indizierung sowie für den Lötstopplack.

Insgesamt ein relativ hoher Aufwand, als Preis erhält man dafür aber nicht nur eine ordentliche Dokumentation, sondern eine professionell aussehende Leiterplatte, die sich beliebig oft reproduzieren lässt.

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