Elektronischer Prototyp

Ziel
Die Funktionalität von Produkten wird immer stärker nicht durch mechanische, sondern durch elektronische Komponenten dargestellt. Um einen realitätsnahen Prototypen zu bauen, müssen daher auch diese Komponenten realisiert werden.

Voraussetzungen
Was im Maschinenbau die technische Zeichnung ist, ist in der Elektronik der Schaltplan. Um ihn zeichnen zu können, sind die einzelnen Bauteile auszuwählen bzw. auszulegen und es muss geklärt werden, wie diese miteinander verbunden werden.

Erklärung
Ein elektronisches System besteht häufig aus sogenannten Sensoren (z.B. Mikrofon) und Aktoren (z.B. Magnetventil). Über eine analoge oder digitale Steuerung werden die Sensordaten verarbeitet und die Aktoren angesteuert. Hinzu kommen Kommunikationsschnittstellen zu dem Nutzer oder anderen technischen Systemen.

Vorgehen
Um einen Schaltplan in einen realen Prototyp überführen zu können, muss entschieden werden, auf welche Art die Elektronik aufgebaut werden soll. Im einfachsten Falle werden die Bauteile mit Kabeln miteinander verbunden, was jedoch nur bei sehr einfach aufgebauten Systemen praktikabel ist. Mittels eines Steckbretts können elektronische Bauteile einfach und ohne Löten miteinander verbunden werden. Jedoch ist es meistens zu groß, um in ein Produkt integriert zu werden. Indem die Bauteile auf eine Lochrasterplatine gelötet werden lassen sich auch komplexere Schaltungen auf vergleichsweise kleinem Raum realisieren. Zuletzt kann auch die Anfertigung einer speziellen Platine erwogen werden, welche die größte Packungsdichte erlaubt. Komplexere Funktionen lassen sich häufig erst du den Einsatz von Mikrocontrollern, wie zum Beispiel Arduino, realisieren. Für diese muss eine entsprechende Firmware programmiert werden.

Grenzen und Alternativen
Anstatt die elektronischen Komponenten direkt in das fertige Gesamtprodukt zu integrieren, ist es häufig sinnvoller, diese zunächst in einem eigenen Testaufbau zu erproben. Hierdurch muss die Elektronik nicht so kompakt aufgebaut werden und die Fehlersuche gestaltet sich einfacher.

Mit Software wie LTSpice oder Qucs lässt sich das Verhalten elektronischer Schaltungen virtuell simulieren, wodurch Hardwareprototypen ergänzt oder sogar ersetzt werden können.

Literatur
Scherz, Paul; Monk, Simon: Practical electronics for inventors. 4. Auflage. New York: McGraw Hill Education, 2016
Brühlmann, Thomas: Arduino Praxiseinstieg. 3. Auflage. Heidelberg: mitp, 2015
McElroy, Kathryn: Prototyping for designers. Sebastopol: O'Reilly, 2017

 

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