© Andor Bujdoso, 123RF

In Ausgabe 12/16 erfreute Autor Gottfried Grosshans mit der Anleitung zum Bau einer eigenen Klimaanlagen-Steuerung. Nun legt er nach und zeigt am Beispiel jener Klimaanlage, wie Bastler ihre eigenen Platinen ätzen oder ätzen lassen und anschließend bestücken.

Im ersten Teil des Projekts ging es darum, eine Einzonen-Klimaanlage mittels Elektronik in eine smarte Multizonen-Anlage umzurüsten. Der Artikel [1] beschrieb den Aufbau am Beispiel so genannter Breadboards. Was sich aber für zwei Räume sehr einfach umsetzen lässt, stößt bei vielen Zimmern und dem Anspruch auf Nachhaltigkeit schnell an Grenzen. Hier eignen sich selbst gefertigte Platinen besser.

Der Artikel beschreibt Möglichkeiten, diese herzustellen. Eleganter Nebeneffekt: Die selbst bestückten Platinen lassen sich in die Timer-Gehäuse der Vent-Miser einbauen. Dabei nutzen Bastler den Batteriekasten und optional den Summer des Timers.

Wo, wie, warum?

Vorteile der Breadboards sind ihr universeller Aufbau und die Möglichkeit, schnell Modifikationen am Projekt vorzunehmen. Ein Nachteil ist, dass bei mengenmäßig vielen Modulen die Fehleranfälligkeit wächst. Zum einen treten womöglich Kontaktschwierigkeiten auf, zum anderen machen menschliche Fehler beim Verdrahten Probleme.

Speziell angefertigte Platinen beseitigen diese Nachteile. Sie benötigen keine Verdrahtung mehr, da sie Leiterbahnen nutzen. Sie lassen sich zudem schnell und dauerhaft mit den Bauteilen bestücken und kontaktsicher mit diesen verlöten. Es gibt im Prinzip zwei Möglichkeiten, an solche Platinen zu gelangen: Entweder stellt der Bastler sie in der heimischen Werkstatt selbst her oder er nimmt Geld in die Hand und gibt die Platinen bei Firmen in Auftrag.

Im Falle der Klimaanlage hat der Autor bereits selbst Hand angelegt. Möchte sich der Klimaanlagen-Besitzer nicht selbst mit der Platinenherstellung befassen, kann er unter ([2], [3]) professionell vorgefertigte Platinen für das Klimaprojekt kaufen. Er erhält dabei jeweils zehn Platinen für 2 bis 3 US-Dollar pro Platine plus Versandkosten.

Rein finanziell lohnt sich die Eigenherstellung von Platinen bei den aktuellen Preisen der überwiegend chinesischen Hersteller kaum noch. Platinen zu fertigen ist alles in allem ein recht prozess- und zeitintensives Geschäft. Auf dem Weg zur fertigen Platine lauern einige Fehlerquellen. Nicht zuletzt brauchen die angehenden Platinenbauer dafür spezielle Materialien (siehe Kasten “Materialbedarf”).

Marke Eigenbau

Wen das nicht abschreckt, der findet unter [4] und auf der Heft-DVD ein Datei-Set an vorgefertigten Blaupausen für die fotolithografische Belichtung der mit einer fotosensitiven Schicht behandelten Platinen für das Klimaanlagen-Projekt. Den Fertigungsprozess veranschaulicht Abbildung 1 schematisch.

Abbildung 1: Prozessschema für die Selbstherstellung von Platinen.

Interessierte kaufen Platinen blank mit Kupfer überzogen und beschichten sie dann im ersten Schritt selbst mit “Kontakt-Spray Positiv 20” oder ähnlichen Sprays, die der Elektronik-Fachhandel anbietet. Oder sie kaufen fertig beschichtete Platinen, die den fotosensitiven Lack bereits enthalten.

Abbildung 2: Verschiedene Platinen im Rohzustand mit Kupfer- und teilweiser Fotolackbeschichtung.

Abbildung 2 zeigt ganz unten eine mit Fotolack und Schutzfolie beschichtete Platine. Darüber liegt eine Platine ohne Fotolack und nur mit Kupfer beschichtet. Ganz oben erkennt der Kundige nach dem Abziehen der Schutzfolie den grauen Fotolack auf der Platine. Die Schutzfolie sollte er allerdings erst kurz vor dem Belichtungsprozess entfernen. Da die Fotoschicht außerdem nicht sehr haltbar ist, sollte er die Platinen besser erst kurzfristig kaufen.

Im zweiten Schritt, dem Belichtungsprozess, legt der Platinenhersteller die Blaupause auf die Kupferkontaktfläche und bestrahlt sie mit einem speziellen Ultraviolett-Licht. Die Belichtungszeit beträgt meist einige Minuten, wie lange exakt, hängt von mehreren Faktoren ab. Letztlich muss der Belichter die Zeit mit Hilfe von Tests ermitteln.

Im dritten Schritt legt der Bastler die so behandelte Platine dann in ein Entwicklerbad. Das wäscht die belichteten Stellen des fotosensitiven Lacks regelrecht heraus, was etwa 10 Minuten dauert. Ob dem Prozess Erfolg beschieden ist, stellt er fest, indem er mit einem Multimeter zwei direkt nebeneinander belichtete Stellen auf Durchgang misst, also auf null oder nur wenige Ohm. Übrig bleibt der Fotolack dann nur an den unbelichteten Stellen. Das Entwicklerbad hält übrigens nicht lange, der Platinenbauer sollte es stets frisch anrühren.

Abbildung 3: So sieht die fertige Platine aus, allerdings noch ohne Bohrungen und Durchkontaktierungen.

Im vierten und letzten Schritt legt er die vorbehandelte Platine schließlich in ein Säurebad. Dies ätzt das blanke Kupfer heraus, wobei die Stellen mit dem verbliebenen Fotolack nach der Entwicklung unversehrt bleiben. Den restlichen Fotolack entfernt er sehr leicht mit Hilfe von etwas Aceton. Anschließend hat er eine fertige Platine vor sich, wie sie Abbildung 3 darstellt.

Die Schritte müssen Platinenbauer bei doppelseitigen Platinen auf beiden Seiten vornehmen. Es folgen das optionale Beschichten mit Lötlack (Fachhandel), das Bohren und Durchkontaktieren (hierfür gibt es spezielle Nieten) und eventuell das Beschichten mit Textaufdruck für die Bauteile-Platzierung. Kupfer sollten sie entweder mit Schutzlack beschichten oder versilbern, im Fachhandel gibt es dafür Silberbäder.

Blau machen

Um an Blaupausen für andere Platinen als die des Klimaanlagen-Projekts zu kommen, zeichnet der Tüftler im einfachsten Fall selbst die Leiterbahnen und Kontaktpunkte auf Transparentfolie auf. Mutige fertigen sogar Platinen ohne Blaupausen, indem sie mit säurefestem Lack direkt auf das Kupfer der Platine die Leiterbahnzeichnung aufmalen. Hierbei entfällt der Belichtungsprozess.

In der Regel greift der Platinenbauer aber auf dafür entwickelte Programme zurück, die im Idealfall auch unter Linux laufen. Der Autor arbeitet für kleinere Projekte oft mit Fritzing [5]. Es lässt sich aus dem Internet kostenfrei beziehen, ist aber nicht ganz fehlerfrei. Je nach persönlichem Geschmack oder Projektanforderung benutzt er auch andere Programme wie Kicad [6].

Hat er die fertigen Blaupause mit den Programmen im Computer angefertigt, druckt er diese auf Klarsichtfolie. Alternativ legt er direkt eine so genannte Kontaktfolie in den Laserdrucker ein – es gibt noch einige weitere Verfahren.

Fremdgehen leicht gemacht

Wie anfangs schon erwähnt spricht einiges dafür, die Platinenherstellung Spezialfirmen zu überlassen, die Internet-Suchmaschinen schnell zu Tage fördern. Der Prozess der Eigenherstellung ist sehr komplex, zeitaufwändig, fehleranfällig und in der Regel auf zwei Leiterbahn-Schichten beschränkt.

Externe Platinenhersteller bringen hingegen vier, acht oder sogar mehr Schichten auf der Platine unter. Zudem fertigen sie sehr professionell, halten Präzisionsnormen ein und bringen bereits Löt- und einen so genannten Lötstopplack an den passenden Stellen an. Das erlaubt Löten nur an den vorgesehenen Orten. Hinzu kommt noch ein Aufdruck auf einer oder beiden Seiten zur Bauteileplatzierung.

Selbst mit eingerechnetem Porto erweist sich China aufgrund der niedrigen Arbeitskosten als vorzügliches Herstellerland. Besteller sollten aber beachten, die eventuell fällige Einfuhrsteuer zu zahlen, die der Hersteller nicht ausweist und die nachträglich beim Import anfällt.

Für die Auftragsarbeit bei Firmen eignen sich neben den Blaupausen so genannte Gerber-Dateien (englisch Gerber-Files). Diese standardisierten Dateien enthalten alle Informationen, um die Platinen in den verschiedenen Prozessen herzustellen. Die Besteller laden diese Dateien zum Hersteller hoch, der dann die Platinen produziert und sie an den Kunden verschickt. Die oben genannten Programme exportieren auch Gerber-Dateien. Wer ein anderes Programm bevorzugt, sollte darauf achten, dass es ebenfalls Gerber-Dateien exportiert, weil das die Produktion später vereinfacht.

Tauschgeschäfte

Hat der Projektbetreiber nun die fertigen Platinen vor sich liegen, kann er die Bauteile auflöten. Für das Klimaanlagen-Projekt baut er nach einem Test die Platine mit dem TVC-Modul (Tstat-Vent-Control) in ein geeignetes Gehäuse ein. Letzteres sollte so groß sein, dass darin auch noch ein Batteriekasten Platz findet. Abbildung 4 zeigt die TVC-Platine.

Abbildung 4: Die Platine für das TVC-Modul (Tstat-Vent-Control).

Die Bestückungs-Bezeichnungen stimmen genau mit den Plänen im ersten Artikel [1] überein. Auf der rechten Seite lassen sich alternativ zwei verschiedene Relais-Bauarten auflöten. VCC1 oben auf der Platine muss er mit dem Batteriekasten verbinden. Die rechte Lötstelle entspricht Masse (Ground). Unten rechts lassen sich die Schraubklemmen-Anschlüsse für den Thermostat und die Klimaanlage (HVAC) auflöten.

Für Schrauber

Die Platine mit der Auslass-Ventilsteuerung (VS) aus Abbildung 5 lässt sich direkt an die Stelle der voreingebauten Platine in den Timer des Vent-Miser einbauen. Auch hier stimmen die Bezeichnungen der Bauteile exakt mit den Plänen aus dem ersten Teil des Projekts überein. Die Stromversorgung der Batterie im Kasten des Timers lötet der Projekbetreiber über ein Kabel an VCC1 an. Der obere Kontakt entspricht Masse (Ground). Oben links am Anschluss J1 fixiert er die Motorkontakte.

Abbildung 5: Die Platine für das VS-Modul.

Abbildung 6 zeigt den Timer des Vent-Miser mit dem LCD auf der Oberseite. Um ihn auseinanderzunehmen, dreht der Projektbetreiber ihn auf die Unterseite. Dann entfernt er zuerst den Batteriekasten des Timers. Das macht alle vier Schrauben zugänglich: zwei am unteren und zwei im oberen Batteriekasten, in Abbildung 7 rötlich dargestellt. Nach dem Lösen dieser Schrauben nimmt der Schraubende vorsichtig den Deckel des Kastens ab. Vorsichtig deshalb, weil innen Kabel an beiden Hälften des Gehäuses hängen, die er nicht aus Versehen abreißen sollte.

Abbildung 6: Timer-Kasten des Vent-Miser mit LCD.

Abbildung 7: Die Unterseite des Timer-Kastens mit den vier zu lösenden Schrauben, hier rötlich dargestellt.

Um die vorhandene Timer-Platine mit der Platine des VS-Moduls zu tauschen, muss er fünf Schrauben lösen. Auch die stellt Abbildung 8 rötlich dar. Die Bohrungen auf der Platine des VS-Moduls sind so bemessen, dass der Schrauber das VS-Modul mit vier der fünf vorhandenen Schrauben am Gehäusekasten anbringen kann. Die obere und damit fünfte Schraube in der Mitte lässt er weg.

Endspurt

Die Kontakte für die Batterieversorgung stellt Abbildung 9 rötlich dar. Die verbindet der Projektbetreiber dann mit VCC1 der Platine. Er muss hier unbedingt auf richtige Polarität achten! Danach verbindet er die Motorsteuerung mit den Motorsteuerungskontakten des Kastens, die das Bild grünlich darstellt. Auch hier sollte er die Polarität beachten, sonst öffnet das Ventil, wenn es eigentlich schließen soll, und umgekehrt.

Abbildung 8: Die Platine des Timer mit den vier rötlich dargestellten Schrauben und dem ganz oben bläulich dargestellten Summer.

Optional und als Bonus bestünde noch die Möglichkeit, den Summer in dem Timer-Gehäuse für das VS-Modul zu nutzen, welchen Abbildung 8 ganz oben bläulich zeigt. Dazu erweitert der Platinenmacher den Arduino-Programmcode so, dass das Unterlaufen einer bestimmten Batteriespannung, zum Beispiel 2,9 Volt, den Summer aktiviert. Den verbindet er dazu über zwei Drähte mit zwei freien Datenanschlüssen des Pro-Mini-Moduls auf dem VS-Modul.

Abbildung 9: Die Batteriekontakte erscheinen rötlich, die Motorkontakte grünlich. Rote Drähte zeigen Pluskabel, schwarze Minuskabel.

Zum Schluss kann er die Oberseite des Timer-Kastens, welche Abbildung 6 zeigt, mit einer Kunststofffolie oder ähnlichen Materialien überkleben. Andernfalls wäre dort durch die Entnahme der Originalplatine mit dem LCD ein rechteckiges Loch zu sehen, das anfällig ist für Staubeinfall und damit Fehlermöglichkeiten birgt.