Bauanleitung v00.02

Ein fertiger PCB in der Version v00.02

Warnhinweise

Achtung bitte lies die folgenden Hinweise bevor du mit dem Aufbau anfängst. Wir wissen genau wie du, dass keiner gerne Warnhinweise liest, aber gerade wenn du Anfänger bist könnte dies wichtig sein.

  • Du baust den Sensor vollkommen selbstständig und ohne unsere Aufsicht auf. Du bist daher auch selbst für Fehler oder Verletzungen verantwortlich sollten welche auftreten.

  • Gehe bewusst und gewissenhaft mit deinen Werkzeugen um. An scharfen Werkzeugen wie einem Cuttermesser oder einem Seitenschneider kannst du dich schneiden. Das vordere Ende des Lötkolbens kann bis zu 450°C heiß werden. Berühre daher immer nur das dafür vorgesehen Griffstück. Sollte er dir wegrutschen oder herunterfallen weiche daher lieber aus anstatt ihn aufzufangen.

  • Es handelt sich hierbei um einen Bausatz und kein fertiges Gerät. Alles was wir dir mit den Bauteillisten, Schaltungsentwürfen und Anleitungen zeigen sind Vorschläge und können Fehler enthalten. Bist du dir an einer Stelle nicht sicher oder du glaubst hier könnte ein Fehler vorhanden sein, dann melde dich in unserem Slack. Außerdem sind wir nicht für Fehler verantwortlich die du während des Aufbaus machst. Sollte etwas schief gehen und du brauchst Hilfe kannst du dich natürlich auch bei uns melden.

  • Die Dämpfe die beim Löten durch das Verbrennen des Flussmittels (Flux) entstehen können gesundheitsschädlich sein. Atme sie daher nicht direkt ein. Du hast bei dir daheim oder in deinem Makerspace eine Lötdampfabsaugung? Dann nutze sie! Gerade bleifreies Lötzinn enthält mehr Flussmittel und ist daher während des Lötens auch deutlich gesundheitsschädlicher. Solltest du keine Absaugung haben ist daher bleihaltiges Zinn empfehlenswerter. Dieses solltest du allerdings wiederum nicht in den Mund nehmen und dir nach dem Löten die Hände waschen.

  • Bei einem der Bauteile handelt es sich um eine LiPo1-Batterie. Diese Batterien sind zwar heute weit verbreitet, können allerdings bei falscher Handhabung in Brand geraten. Solltest du nicht vertraut mit LiPos oder dir noch unsicher sein, lies bitte den entsprechenden Abschnitt in der Anleitung die die Vorbereitung und den Umgang mit dem Akku erklärt! Außerdem empfehlen wir die Zelle aus einer vertrauenswürdigen Quelle zu beschaffen und nicht die billigste Zelle aus China zu bestellen.

Vorwort

Alles was du hier siehst und liest ist zum größten Teil anhand der Version 00.02.00 erstellt worden. Leiterbahnführung und Beschriftung können sich daher an manchen Stellen leicht unterscheiden. In der Regel ist im dazugehörigen Text darauf aber hingewiesen und sollte kein Problem darstellen.

Die Bauteile R4 und R5 sollten sich nicht mehr auf deinem Board befinden. Anstelle von D1 sollte sich auf deinem Board mittig Q1 befinden.

Außerdem gibt es zu einigen Komponenten mehrere Möglichkeiten der Bestückung oder diese zu befestigen. Lies daher erst einmal das komplette Unterkapitel, bis du auf die nächste Komponente stößt. Dann hast du einen Überblick welche Varianten es gibt und kannst anhand der Optionen die für dich passendste auswählen. Du bist von der Bauteilliste (BOM2) hier her gekommen da du dir nicht sicher bist, wofür du bestimmte oder überhaupt welche Komponenten du brauchst? Auch dann kann es sich anbieten das entsprechende Kapitel zu überfliegen und dir so über die möglichen Optionen klar zu werden. Bilder erklären manchmal einfach besser als eine Tabelle es kann.

Du findest Fehler oder hast Fragen? Dann melde dich entweder in unserem Slack oder hinterlasse einen Issue auf Github.

Vorbereitung

Bevor du anfängst mit Bestücken solltest du dir als Erstes das benötigte Werkzeug zurechtlegen. Was du währenddessen brauchen wirst:

  • Lötkolben / Lötstation
  • Lötzinn
  • Seitenschneider
  • Flachzange oder Spitzzange zum Biegen und Halten
  • SMD-Pinzette (siehe Abbildung (TODO))
  • Cuttermesser
  • Abisolierzange
  • Entlötpumpe und Entlötlitze
  • Multimeter

Überblick über das benötigte Werkzeug

Du hast dir die in der Abbildung abgebildeten Werkzeuge genauer angesehen und die Lötstation und das Multimeter kosten mehrere 100 Euro? Keine Sorge, du brauchst nicht so teures Equipment. Ich habe dieses Werkzeug nur verwendet, da ich es zur Verfügung habe! Du kannst natürlich auch günstigere Werkzeuge, z.B. ein einfacheres Multimeter verwenden. Auch die Lötstation muss keine so teure sein. Eine klare Empfehlung ist nur eine Lötstation oder ein Lötkolben mit einer einstellbaren Temperaturregelung. Du solltest mit bleihaltigem Lötzinn in einem Temperaturbereich von 300-330°C und mit bleifreiem Lötzinn von 350-370°C arbeiten. Lötkolben mit fester Temperaturregelung regeln meist auf 450°C und verbrennen zu schnell das im Lötzinn enthaltene Flussmittel.

Hilfreich kann es daher auch sein Flussmittel entweder in Form von Paste oder als Dosierstift zu haben. Hast du dies nicht zur Hand, kannst du auch mit der Entlötpumpe oder der Entlötlitze das alte Lötzinn entfernen und dann frisches Lötzinn mit frischem Flussmittel auf die Lötstelle geben. Manchmal reicht es auch schon nur ein wenig neues Lötzinn dazu zu geben um die Stelle “aufzufrischen”. Beachte aber, dass nicht zu viel Zinn auf deiner Lötstelle ist!

Ebenfalls hilfreich können Halterungen für die Platine sein. Das können zum einen solch günstige Spannrahmen in schwarz-blau wie in der Abbildung unten sein oder auch ein solcher Kugelkopfschraubstock. Diese Schraubstöcke sind meist etwas teurer, sind aber extrem hilfreich, wenn du öfter lötest. Die Platine oder auch andere Werkstücke wie Stecker lassen sich dort schnell und flexibel einspannen und in beliebigen Winkeln ausrichten.

Tipp: richte dich nicht nach dem Werkstück aus, sondern versuche immer das Werkstück nach deiner besten Arbeitsposition auszurichten! Nur wenn du bequem sitzt und deine Werkzeuge (in diesem Fall Lötkolben, Zange/Pinzette und Lötzinn) ideal bedienen kannst erreichst du ein optimales Ergebnis! Nimm dir also die Zeit. Mit der Zeit passiert das dann ganz automatisch.

Schraubstöcke

Verschiedene Entlötpumpen

Außerdem gibt es eine Bestückungs-BOM die du in deinem Browser öffnen kannst. Dort kannst du dir die Position der Bauteile hervorheben lassen und findest so schneller die Stelle, um die es gerade geht.

Bestücken der Platine

Pull-Up Widerstände für I₂C des Displays

Beginnen wir nun mit dem wahrscheinlich schwierigsten Bauteil für Anfänger, den SMD-Widerständen R6 und R7. Aber keine Sorge, das schaffst du und klingt schwieriger als es ist. Wir fangen gerade deshalb damit an, da das Board noch komplett leer ist und dir somit keinerlei Hindernisse im Weg sind. Du hast also allen Platz und Ruhe die du brauchst.

Diese Widerstände waren zuerst nur als Backup gedacht und sind daher in SMD ausgeführt. Im Betrieb der Prototypen hat sich allerdings herausgestellt, dass sie doch benötigt werden.

Um den Widerstand nun anzulöten verzinne zuerst eines der Pads mit etwas Lötzinn. Es empfiehlt sich das Pad zu nehmen, an dem an wenigsten Kupfer ist und das möglichst nicht an eine große Fläche führt. Warum? Die Fläche wirkt wie ein Kühlkörper. Der Lötkolben muss dann nicht nur das Pad vorwärmen, sondern auch einen Teil der großen Fläche. Dein Lötkolben hat dann wohlmöglich mehr zu kämpfen und braucht mehr Zeit bis das Pad auf Temperatur ist.

Ein Pad von R6 vorverzinnen

Nimm nun mit der SMD-Pinzette den Widerstand auf und lege ihn auf das Pad. Jetzt kannst du mit dem Lötkolben das zuvor aufgebrachte Lötzinn heiß machen und den Widerstand mit der Pinzette vorsichtig herunterdrücken. Die Lötstelle muss dafür erst einmal nicht schön aussehen, der Widerstand soll nur in seiner gewollten Position halten.

Widerstand mit Pinzette aufsetzenWiderstand an einer Seite anlöten

Nun kannst du die zweite Seite anlöten. Wenn du damit zufrieden bist kannst du die erste Lötstelle nacharbeiten. Dies kannst du entweder tun indem du nochmal etwas Lötzinn oder etwas Flussmittel aus anderer Quelle (Flussmittelpaste oder Flussmittelstift) hinzugibst. Hast du nun zu viel Lötzinn auf der Stelle kannst du entweder versuchen mit zügigem Streichen des Lötkolbens über die Lötstelle etwas Lötzinn zu entfernen oder Entlötlitze zur Hilfe nehmen. Achte dabei darauf, dass du die Entlötlitze erst auch etwas heiß machst, und dass du eher auf die Lötstelle tumpfst anstatt zu reiben. Wenn du mit der Entlötlitze “rubbelst” kannst du auch Kupfer ablösen, wenn du zu grob bist.

Hab keine Angst Entlötlitze oder die Entlötpumpe zu nutzen. Alle machen mal Fehler. In der Abbildung siehst du meine verbrauchte Menge, die ich während der gesamten Bestückung verwendet habe. Dies hat überhaupt nichts damit zu tun das man schlecht ist! Es ist ein Werkzeug, nutze es.

Verwendete Menge Entlötlitze

In den bisherigen Bildern wurde ein Widerstand in der Gehäusegröße 0805 verwendet. Dieser Widerstand ist dort auch vorgesehen, allerdings hast du vielleicht bereits gemerkt, dass die Pads relativ großzügig gestaltet sind. Es ist daher auch möglich Widerstände in der etwas größeren Gehäusegröße 1206 zu verwenden. Einen Vergleich dieser beiden Größen siehst du in den folgenden Abbildungen. Wenn du dich fragst, was diese Nummern für die Gehäusegrößen zu bedeuten haben, dann findest du hier weitere Informationen.

Widerstand im Package 0805

Spannungsversorgung

Nachdem wir nun die relativ kleinen Bauteile hinter uns haben kommen nun die größeren und handlicheren Bauteile. Wir beginnen mit der Vorbereitung um die beiden Module U4 und M1 aufzulöten. Dafür müssen wir zuerst einige Pins von der dafür vorgesehenen Stiftleiste vorbereiten. In diesem Schritt gibt es für den Spannungsregler 2 Varianten um ihn aufzulöten. Unten findest du eine Variante ihn ohne Stifte aufzulöten. Schau dir beide Varianten an und entscheide dich, welche du versuchen willst.

Die Pins der Stiftleiste lassen sich am einfachsten mit einem Seitenschneider auseinandertrennen. Setze dafür, wie in Abbildung zu sehen, vorsichtig den Seitenschneider an der Engstelle zwischen den beiden Pins an. Übe nun vorsichtig Druck auf die Stelle aus. Sei nicht zu grob, das Plastik kann sonst auch manchmal direkt am Pin statt zwischen den Pins brechen.

Seitenschneider vorsichtig ansetzenZerteilte Stiftleiste

Für den Spannungsregler U4 benötigst du insgesamt 5 Pins, für das Lademodul M1 6 Pins.

Insgesamt 11 Pins vorbereiten

Stecke als nächstes die Pins von der Oberseite durch die Platine. Das Plastik und das kurze Ende des Pins sollte also auf der Oberseite bleiben, die lange Seite auf der Unterseite herausstehen. Löte den Pin nun von der Unterseite an. Nimm dir zum Halten des Pins entweder eine Zange oder Pinzette zur Hilfe oder drücke den Pin gegen eine hitzebeständige Unterlage. Das kann wie hier eine spezielle Matte, daheim aber auch eine Glasplatte, ein altes Spiegelstück oder eine Fliese sein. Versuche die Pins nun möglichst gerade auszurichten. Das muss nicht perfekt sein, Ziel ist es die Module wie abgebildet über die Pins stecken zu können. Sollte das nicht direkt gelingen, finde heraus welcher Pin noch schief steht und bessere ihn nach.

Pins von oben einsteckenModule auflegen

Hast du die Module aufgelegt, löte sie an. Fange am besten erst nur mit einem Pin an und prüfe, ob das Modul noch flach auf dem Board aufliegt. Sollte dies nicht der Fall sein, hast du jetzt noch am einfachsten die Chance, nachzubessern. Außerdem empfiehlt es sich beim Lademodul M1 das Modul beim Anlöten Richtung Boardmitte zu drücken. Übe dafür mit deiner freien Hand etwas Druck nach unten und in Richtung Boardmitte auf die USB-Buchse aus. Dadurch kannst du das Modul in Position drücken, bevor du die erste Stelle festlötest.

Wenn du nach dem Anlöten aller Pins feststellst, dass die Module nicht ganz so plan aufliegen, wie du das wolltest gibt es auch dann Wege das noch zu ändern. Du kannst dafür, neben dem Pin der zu hoch steht, vorsichtig mit der Spitzzange etwas Druck auf das Modul ausüben (siehe Abbildung) und mit dem Lötkolben die betreffende Lötstelle erneut heiß machen. Habe etwas Geduld und übe nicht zu viel Gewalt auf das Board aus. Der Lötkolben muss hier gerade relativ viel Metall durchwärmen, das kann also ein paar Sekunden länger dauern. Am Ende sollten die Module wie gezeigt aufliegen.

Module vorsichtig mit Zange herunterdrückenModule in Endposition

Auflöten des Spannungsreglers ohne Pins

Alternativ kann der Spannungsregler auch ohne Pins in SMD-Lötweise aufgelötet werden. Sollte dieser Weg gewählt werden müssen natürlich 5 Pins weniger von der Stiftleiste abgetrennt werden.

Dazu als Erstes eines der Pads vorverzinnen und das Modul mit dessen Hilfe an einer Ecke ausrichten und fixieren. Diese Lötstelle muss erstmal nicht hübsch aussehen, sie soll erstmal nur mechanisch das Modul festhalten. Sitzt das Modul gerade können die verbleibenden 4 Pads angelötet und das erste Pad nachgelötet werden.

vorverzinntes Pad r.o.fertig angelötetes Modul

Von der Gegenseite sollte die Platine nun wie abgebildet aussehen. Die Pins die hier nun nach oben herausstehen können so bleiben, du kannst sie aber auch flach zum Plastik kürzen. Dies ist in den folgenden Abschnitten ebenfalls zu sehen.

Platine von der Oberseite

Einlöten Transistor (Q1) für das GPS-Modul

Als nächstes wird der Transistor für das GPS-Modul eingelötet. Störe dich nicht daran, wenn der Transistor im Bild mit D1 beschriftet ist. Hier hat sich seit dem fotografierten Prototypen etwas geändert, der Transistor wird aber in exakt der gleichen Ausrichtung an genau derselben Stelle eingelötet.

Zuerst wird der Transistor dafür von oben eingesteckt, die abgeflachte Seite zeigt dabei, analog zur Beschriftung, in Richtung des Lademoduls und des Spannungsreglers. Danach dreht ihr das Board um und haltet den Transistor mit einem Finger von unten fest, so dass er plan auf dem Board aufsitzt.

Q1 von oben durchsteckenAnsicht auf Q1 von oben

Kürze nun die Beinchen auf etwa 1,5-2,0 mm über der Boardoberfläche. Das Lademodul daneben ist mit seiner Dicke dabei eine gute Orientierung. Eine Standarddicke für Platinenmaterial ist 1,6mm. Nun legst du das Board einfach auf deine Arbeitsunterlage und lötest zuerst ein Beinchen an. Kontrolliere nun von der Oberseite ob der Transistor gerade sitzt. Sollte er das nicht tun, nimm das Board in die Hand und übe leichten Druck auf den Transistor aus. Mit der anderen Hand nimmst du nun den Lötkolben und machst die Lötstelle erneut heiß bis der Transistor an die gewünschte Position gerutscht ist. Wenn du Lötstelle erkaltet ist wird der Transistor nun an seiner Stelle bleiben. Löte die restlichen Lötstellen an und löte bei Bedarf die erste Lötstelle mit Hilfe von etwas frischem Lötzinn nach.

Beinchen von Q1 kürzenQ1 angelötet

Diode und Connectoren für Schalter und Akku

Diode D2 vorbereiten

Stiftleiste für J6

D2, J1 und J6 einstecken'Jumperkabel' als Hilfe aufstecken

JST XH Steckverbinder für J6

J1 einsetzenJ6 einsetzenD2 leicht angehoben und abgewinkelt einsetzenModule auflegen

ESP-Modul U1 auflöten

Buchsenleiste mit wechselseitigen Kontakten

Leiste auf Länge kürzenBuchsenleiste aufsteckenBeide Leisten an je 2 Stellen anlötenModule vorsichtig abziehen

Buchsenleiste mit gleichseitig gebogenen Kontakten

Stifte entsprechend kürzendirekter Längenvergleich vorher/nachherLeiste auf jeder Seite an 2 äußeren Pins anlöten

Sicherung F1

Sicherung F1 einsetzen und anlöten

Bedrahtete Widerstände R1, R2 und R3 und Kondensator C1

Widerstände ausmessenWiderstände einsetzen und verdrillenVerdrillung kürzenVerdrillung verlötenKodensator C1 einsetzenWiderstand R1 einsetzen

Optional: Steckverbinder J10 und J11 auflöten

Module auflegenModule auflegenModule auflegenEin Pad vorverzinnenJ10 Hilfe von Jumperkabel aufsetzenFertig anlötenJ11 mit Hilfe von Jumperkabel auflöten

Kondensatoren C2 und C3

Bei Elkos auf Polung achten!

Displaysteckverbinder J5

Variante mit Stiftleiste


  1. Lithium-Polymer ↩︎

  2. bill of material; zu Deutsch Teileliste ↩︎

Zuletzt geändert 06.06.2021: Restructure hardware docs (b22e7dc)