Alles, was Sie für die Austattung Ihres Elektronik-Labors brauchen

Nachdem ich mehrmals ins Ausland gezogen bin und bei mehreren Unternehmen (oder Abteilungen davon) ohne ein starkes Elektronik-Team gearbeitet habe, musste ich mehr als nur ein Elektronik-Labor für mich und meine Kunden neu einrichten. Start-ups, die interne Tests planen, werden ebenfalls ein Labor neu einrichten und die richtige Austattung besorgen müssen. Manchmal war das Budget dafür sehr knapp. In anderen Fällen wiederum standen ein paar Millionen Dollar zur Verfügung, mit denen ich spielen konnte. Ich werde daher versuchen, in diesem Artikel eine Reihe von Budgets abzudecken. Hier werden Sie also alles finden, was Sie brauchen, um ein neues Elektronik-Labor von Grund auf auszustatten; ganz gleich, ob Sie ein Hobbybastler oder ein großes Unternehmen sind, welches in den Bereich modernster Elektronik expandieren möchte, oder irgendwo dazwischen liegen.

Für die hier ausgewählte Elektronik-Labor-Ausstattung gelten folgende Voraussetzungen:

• Sie arbeiten hauptsächlich an digitaler Elektronik, nicht an Radiomodulen oder High-End-Audio.
• Sie bauen und überarbeiten Prototypen intern von Hand.
• Sie arbeiten mit Mikrocontrollern, FPGAs oder anderen digitalen Prozessoren, bei denen Sie Code und Hardware gemeinsam debuggen müssen.

Wenn Sie gerade erst anfangen, sich mit Elektronik als Hobby zu befassen, könnte einiges auf dieser Liste etwas zu viel des Guten sein; wir decken hier eine Menge Werkzeuge und Hardware ab. Wenn Sie jedoch Produkte entwerfen und bauen – auch wenn diese nur für den Eigenbedarf bestimmt sind – werden Sie irgendwann mit allem hiervon zu tun haben, selbst als Hobbybastler oder als Student oder Studentin.

Die preisgünstige Variante ist vermutlich für Studenten/Studentinnen und Hobbybastler am geeignetsten. Diese bietet aber wahrscheinlich nicht die Leistung oder vielleicht auch nicht die Benutzerfreundlichkeit, die wiederum ein Profi erfordert. Ein Profi hingegen wird effizienter mit Werkzeugen der mittleren oder oberen Preisklasse arbeiten; diese sind zwar teurer, amortisieren sich aber langfristig durch Arbeits- und Zeitersparnis. Ein ernsthafter Hobbybastler, der etwas mehr Geld für ein gutes Werkzeug ausgeben möchte, sollte eher die mittlere Option in Betracht ziehen. Alle Optionen basieren auf dem, was ich in den Händen der entsprechenden Zielgruppe zu sehen erwarten würde. Die Vorschläge konzentrieren sich dabei auf das Preis- Leistungsverhältnis, einschließlich der Löhne (sofern dies relevant ist). Es geht also nicht vorrangig darum, viel Geld (für die High-End-Optionen) oder möglichst wenig Geld auszugeben (für die preisgünstigen Optionen).

Ich zögere sehr, bestimmte Marken zu empfehlen, aber wenn ich es gelegentlich doch tue, dann weil ich viele der Konkurrenzmarken ausprobiert habe und nichts anderes verwenden würde. Wenn es zum Beispiel um Prüfgeräte geht, dann bietet eine bestimmte Marke die besten Spezifikationen für das Geld in diesem Marktsegment. Im Allgemeinen kaufe oder empfehle ich nichts, nur weil es von einer bestimmten Marke hergestellt wird, denn es geht mir viel mehr um das richtige Werkzeug für die jeweilige Aufgabe.

Die absolute Grundaustattung für jedes Elektronik-Labor

Dies sind die Komponenten und Werkzeuge, die meiner Meinung nach jeder auf seinem Schreibtisch haben sollte. Egal, ob Sie an Luft- und Raumfahrtkomponenten arbeiten oder Ihre erste Leiterplatte zusammenbauen, für alle sind die folgenden Werkzeuge unerlässlich.

Handwerkzeuge

Lötstation

Es gibt einen großen Unterschied in der Qualität des Löterlebnisses mit einer preisgünstigen Lötstation/einem preisgünstigen Lötkolben gegenüber einem Weller. Ich kann Ihnen wirklich nur wärmstens empfehlen, direkt zu einem hochwertigen Weller-Lötkolben zu greifen. Selbst nachdem ich den beliebten Hakko verwendet habe, musste ich feststellen, dass die Geschwindigkeit der Wärmeleitung und die Temperaturkontrolle beim Weller überlegen sind; der Stiftgriff beim Weller fühlt sich auch nach stundenlangem Löten noch kühl an. Die Arbeit an einer Leiterplatte mit 0402- oder kleineren Bauteilen, die an eine große Massefläche angeschlossen sind, ist äußerst entscheidend für die Qualität einer Lötstation. Die meisten Stationen werden eine Weile brauchen, um das kleine Pad ein wenig aufzuwärmen. Der Weller hingegen löst die Komponente in weniger als einer Sekunde ab. Der Weller ist teuer. Aber keiner der anderen ca. sechs Top-Konkurrenten – die ich alle ausprobiert habe – kann ihm auch nur annähernd das Wasser reichen.

Wenn Sie keinen Weller kaufen möchten, benötigen Sie mindestens eine 60W-Station mit austauschbaren Spitzen, für die Sie problemlos Ersatz kaufen können. Bei austauschbaren Spitzen gilt: Je weniger die Spitze aus dem Lötkolben herausragt, desto besser. Eine kurze Spitze bedeutet, dass sich die Spitze so nah wie möglich am Temperatursensor und an der Wärmequelle befindet. Dadurch kühlt sie nicht so schnell ab und die Temperatur, auf die die Station eingestellt ist, entspricht eher der tatsächlichen Temperatur an der Spitze; vor allem dann, wenn mit dickeren Drähten oder Leiterplatten mit großen Masseflächen gearbeitet wird.

Meiner Meinung nach lohnt es sich eher die WT1012 zu kaufen, als die WE1010. Die WX1010 ist eine großartige Option für Profis, die an Leiterplatten mit großen Masseflächen oder Komponenten mit großer thermischer Masse arbeiten. Sowohl die WT als auch die WX haben eine große Auswahl an Stiften, die Sie – je nach Ihren zukünftigen Anforderungen – separat kaufen können. Die oben genannten Optionen sind jedoch für die meisten Anwendungen geeignet.

Der WT1012 akzeptiert die Spitzen der LT-Serie, während der WX1010 Spitzen der XNT Serie akzeptiert. Generell würde ich die runden/konischen Spitzen nicht empfehlen, da es mit ihnen aufgrund der begrenzten Kontaktfläche schwieriger ist eine gute Wärmeleitung zu erreichen. Die Meißelspitzen gibt es in einer Vielzahl von Größen; von diesen verwende ich am häufigsten die Optionen 1,6 mm, 2,4 mm und 3,2 mm. 0402-Komponenten löte ich gerne mit dem standardmäßigen 2,4 mm Meißel.

Sie benötigen außerdem einiges an Zubehör zum Löten:

Ihnen ist vielleicht aufgefallen, dass ich beim Löten sehr genau auf bestimmte Teilenummern eingehe. Dies ist das Ergebnis von über einem Jahrzehnt des Ausprobierens und so wird es Ihnen auch ergehen, sobald Sie die perfekte Lösung gefunden haben und dabei bleiben. Glücklicherweise hatte ich die Gelegenheit, viele Produkte auszuprobieren und herauszufinden, was funktioniert und was nicht. Bei den oben genannten Vorschlägen handelt es sich um die Produkte, die sich im Laufe der Jahre bei mir bewährt haben und ohne die ich nicht arbeiten kann.

Heißluftstation

Nachdem ich Ihnen eine der teuersten professionellen Lötstationen empfohlen habe, sind Sie vielleicht etwas besorgt, wie meine Empfehlung für eine Heißluft-Nachbearbeitungsstation ausfallen wird. Keine Sorge, ich bevorzuge tatsächlich eine der günstigsten Optionen auf dem Markt! Im Gegensatz zu einem Lötstift, der die Wärme einigermaßen präzise und kraftvoll direkt auf die Komponenten übertragen muss, muss eine Heißluftstation lediglich Luft erhitzen und sie auf Ihre Leiterplatte, Ihren Draht oder Schrumpfschlauch blasen. Die Heißluft-Nachbearbeitungsstationen der Serie 858D sind erschwinglich und ermöglichen eine präzise Steuerung von Temperatur und Luftstromgeschwindigkeit. Wenn Sie einen Teil der Leiterplatte aufwärmen oder sogar das Lot vollständig aufschmelzen müssen, erledigt der 858D diese Aufgabe gut. Dies ist auch eine viel bessere Option zum Schrumpfen als ein Feuerzeug oder eine Heißluftpistole ohne Temperaturkontrolle.

Prototyping-Zubehör

Unabhängig davon, ob Sie gerade erst mit dem Elektronikdesign beginnen oder komplexe Produkte entwerfen: Es ist in der Regel eine gute Idee, das Projekt oder zumindest Teile davon auf einer Steckplatine zu entwickeln. Wenn Sie Firmware schreiben, können Sie so sicherstellen, dass alles funktioniert, bevor Sie sich auf ein PCB-Design festlegen. 

Im Allgemeinen bin ich kein Fan von Bausätzen mit Elektronikteilen, da ich sie für meine Designs nicht als besonders geeignet empfinde. Allerdings finde ich es praktisch, eine Reihe von Durchsteckwiderständen, LEDs und Kondensatoren vorliegen zu haben. Ich habe in den letzten zehn Jahren auf einer Produktionsleiterplatte keinen Durchsteckwiderstand verwendet. Sie sind jedoch sehr praktisch für Steckplatinen, um etwa Fehler auf einer Prototypenplatine zu beheben. LEDs mögen Ihnen zunächst seltsam erscheinen. Sie können diese aber auf einer Steckplatine verwenden oder an praktisch jede Logikleitung anlöten. So lässt sich schnell visuell anzeigen, in welchem Zustand diese sich befindet, wenn die Leitung die Stromaufnahme bewältigen kann.

Es gibt noch viele weitere Materialien, die Sie für die Erstellung von Prototypen benötigen. Diese sind jedoch in der Regel projektspezifisch. Am Ende werden Sie eine Reihe von Dingen zusammengetragen haben – unter anderem Entwicklungskits, Hardware-Debugger, Breakout-Boards, Displays etc. Diese ermöglichen es Ihnen dann vollständige Designs auf einer Steckplatine aufzubauen, noch bevor Sie sich auf einen Schaltplan in einer EDA/ECAD-Software festlegen.

Testausrüstung

Jetzt kommen wir zum unterhaltsamen Teil der Einrichtung eines Labors – den Gadgets! Alle Ingenieurinnen und Ingenieure lieben Prüfgeräte, aber Elektronikingenieurinnen und -ingenieure haben im Vergleich zu anderen Ingenieurbereichen das besondere Glück, dass sie jeden Aspekt ihrer Arbeit leicht visualisieren können, wenn Sie über genügend Prüfgeräte verfügen. Für die meisten Labore werden drei wichtige Geräte benötigt: ein Digitalmultimeter, ein Oszilloskop und ein Logikanalysator. 

Ich füge hier auch ein Labornetzteil hinzu. Dabei handelt es sich zwar nicht unbedingt um ein Prüfgerät. Es ermöglicht Ihnen jedoch die gewünschte Spannung einzustellen und – was noch wichtiger ist – den Strom für eine frisch bestückte Leiterplatte zu begrenzen. So decken Sie Fehler schnell auf, ohne die Leiterplatte zu zerstören.

Digital-Multimeter

Das Multimeter ist das einfachste Prüfgerät. Mit einem guten Gerät können Sie verschiedene Dinge ablesen: Wechsel- und Gleichspannung, Wechsel- und Gleichstrom, Durchgang, Widerstand, Kapazität, Frequenz und Testdioden. Es gibt dieses in zwei Formen: als Hand- und als Tischgerät. Handgeräte sind handlich und tragbar, während Tischgeräte in der Regel eine höhere Präzision und zusätzliche Funktionen bieten. Einer der größten Vorteile der meisten Tisch-Digitalmultimeter ist, dass sie eine 4-Draht-Widerstandsmessung anstelle der typischen 2-Draht-Methode ermöglichen. Dieses gewährleistet bei niedrigen Widerstandswerten eine höhere Präzision. Es gibt einige sehr preiswerte Tischgeräte, die dabei genau die gleiche Funktionalität und Präzision wie ein Handgerät haben. Das lasse ich aber unbeachtet, denn wenn ich mich für eine Variante entscheiden müsste, würde ich immer das Handgerät vorziehen.

Die wichtigsten Spezifikationen, auf die Sie bei einem Multimeter –neben dessen Funktionsumfang – achten sollten, ist die Auflösung in Ziffern oder Zählern: je größer, desto besser. Stellen Sie auch sicher, dass das Messgerät über eine angemessene Sicherheitseinstufung verfügt – entweder CAT III oder CAT IV. Weitere Informationen zu den Kategorien finden Sie bei „National Instruments“.

Egal, ob Sie ein Neuling oder ein alter Hase in der Elektronikbranche sind, ich empfehle immer ein True-RMS-Messgerät mit automatischer Bereichswahl. Bei billigeren Messgeräten müssen Sie den Messbereich manuell auswählen, was Zeit kostet, die Sie durch eine automatische Bereichswahl eingesparen. Mit einem True-RMS-Messgerät können Sie die tatsächliche Mittelspannung einer Wechselstromwellenform ablesen und nicht nur eine Durchschnittsspannung.

Sie sollten Ihr Multimeter nur bei einem renommierten Elektronikfachhändler oder Prüfgeräteanbieter kaufen – wie etwa bei DigiKey, Mouser, Element14/Farnell/Newark, RS Components und dergleichen. Durch den Kauf bei einem seriösen Anbieter stellen Sie sicher, dass das Messgerät echt ist und auch entsprechende Sicherheitstests durchlaufen hat. Ein billiges Messgerät kann großartig sein, aber wenn Sie die Wechselspannung mit der falschen Einstellung messen (zum Beispiel im Durchgangstestmodus), werden Ihnen einige der billigeren Marken buchstäblich in der Hand explodieren. 

Ich selbst benutze seit mehr als 10 Jahren ein Fluke 87 Handmessgerät und es hat sich bewährt. Es ist leider nicht mehr in der Lage, mA-Strom zu messen und einige der internen Kunststoffhalterungen sind kaputt. Deshalb werde ich vermutlich dieses Jahr ein Upgrade in Betracht ziehen und meine Empfehlungen hier teilen. Trotz des fantastischen Rufs und der Qualität von Fluke, werde ich mir wahrscheinlich eines der Modelle von Keysight näher ansehen. Denn ich habe das Gefühl, dass Keysight derzeit ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

Wenn Sie ein Labor für mehrere Ingenieure einrichten und Geld sparen möchten, sollten Sie erwägen, jedem Ingenieur ein Handmessgerät der mittlerer Preisklasse zur Verfügung zu stellen und daneben einen Schreibtisch mit hochwertigen Tischgeräten, die vom Team genutzt werden können, wenn genauere Messungen erforderlich sind.

Tragbare Digital-Multimeter

Digital-Multimeter Tischgeräte

Digitales Speicher-Oszilloskop

Ein Oszilloskop ist eines der nützlichsten Werkzeuge für die Entwicklung und Fehlerbehebung in der Elektronik. Denn hiermit können Sie das Signal auf einer Leitung (oder auf mehreren Leitungen mit mehreren Kanälen) in sehr kleinen Zeitskalen und mit sehr hoher Auflösung nachverfolgen. Es gibt eine riesige Auswahl an Oszilloskopen, die von mehreren hundert Dollar bis weit über den Preis eines Luxussportwagens oder sogar eines Einfamilienhauses hinausreichen. Die folgenden Oszilloskope liegen eindeutig am unteren Ende dieser Skala. Wenn sie zum ersten Mal ein Labor einrichten, benötigen Sie wahrscheinlich noch kein Oszilloskop, das mehrere hunderttausend Dollar kostet.

Es gibt drei wichtige Spezifikationen, die Sie beim Kauf eines Oszilloskops beachten müssen. Da dieser Leitfaden allerdings keine ausführliche Kaufanleitung sein soll, gehen wir diese hier nur ganz kurz durch. 

Erstens: Die Bandbreite. Die benötigte Bandbreite sollte mindestens das drei- bis fünffache der Grundfrequenz des zu messenden Signals betragen. Wenn Sie an einem Netzteil mit einer Schaltfrequenz von 2,5 MHz arbeiten, benötigen Sie folglich eine Bandbreite von 12,5 MHz. Wenn Sie jedoch mit 40 MHz getaktete SPI-Daten überprüfen möchten, sollten Sie sich nach einem Oszilloskop mit einer Bandbreite von mindestens 200 MHz umsehen. Wenn Sie LVDS-Signale auf einem Display betrachten, kann das Signal mit über 100 MHz getaktet werden, was bedeutet, dass Sie ein Oszilloskop mit einer Bandbreite von 500 MHz benötigen. Die Bandbreite ist auch einer der Hauptfaktoren für die Kosten eines Oszilloskops, welche nahezu exponentiell mit der Bandbreite ansteigen. Der durchschnittliche Bastler wird mit einem 50-100-MHz-Oszilloskop wahrscheinlich sehr zufrieden sein. Wenn Sie professionell arbeiten, ist je nach Design möglicherweise ein Oszilloskop mit 200–500 MHz besser geeignet.

Zweitens: Die Abtastrate. Damit ein Oszilloskop gut funktioniert, muss die Bandbreite mindestens das zweifache der Abtastrate betragen. Eine fünffache Bandbreite ist also gut. Sie werden feststellen, dass bei den meisten modernen digitalen Oszilloskopen in den Bandbreitenbereichen, die wir hier betrachten, die Bandbreite das zehnfache der Abtastrate oder noch mehr beträgt.

Drittens: Die Speichertiefe. Eine größere Speichertiefe ist fast immer wünschenswert, da sie eine längere Messdauer ermöglicht. Die Dauer, die Sie auf einmal messen können, ist eine Funktion der Speichertiefe geteilt durch die Abtastfrequenz (d. h. jede Stichprobe nimmt einen Speicherpunkt ein). Wenn Sie also über mehr Speicher verfügen, können Sie ein Signal über einen längeren Zeitraum oder mit einer feineren Auflösung visualisieren. Dieses erhöht die Wahrscheinlichkeit eine Störung zu finden, die beispielsweise Hardwareprobleme verursacht.

Oszilloskope gibt es in verschiedenen Konfigurationen, wobei die meisten einfachen Oszilloskope über zwei Kanäle verfügen. Zwei Kanäle empfinde ich als sehr einschränkend. Normalerweise brauche ich zumindest einen dritten Kanal, um ein anderes Signal zu messen oder zu beobachten, wie dieses mit den ersten beiden zusammenhängt. Bei einer H-Brücke könnten Sie zum Beispiel die Gate-Pins von zwei MOSFETs und die Eingänge Ihres Gate-Treiber-ICs beobachten oder bei einem Schaltnetzteil die Spannung am Eingang, am Ausgang und nach einem Filter überwachen. Wie bei vielen Ausrüstungsgegenständen ist es in der Regel günstiger, etwas zu kaufen, das mehr bietet, als Sie gerade benötigen, als in ein paar Monaten, wenn Ihre Anforderungen gestiegen sind, ein weiteres Gerät kaufen zu müssen.

Eine weitere Konfigurationsmöglichkeit moderner Oszilloskope ist das Mixed-Signal-Oszilloskop. Dieses hat einen Logikanalysator im Oszilloskop integriert. Auf den ersten Blick mag ein Logikanalysator mit dem kleinen Bildschirm eines Oszilloskops als nicht besonders hilfreich erscheinen; vor allem im Vergleich zu an Computer angeschlossene Logikanalysatoren. Meiner Meinung nach besteht der eigentliche Vorteil eines integrierten Logikanalysators darin, dass sich nicht nur Standardkanaltrigger, sondern auch Trigger in Hinblick auf die Daten des Logikanalysators selbst durchführen lassen.

Wie bereits erwähnt, schauen wir uns die High-End Oszilloskope hier nicht an. Wenn Sie ein Team von Ingenieuren haben, würde ich vorschlagen, einen Schreibtisch mit High-End-Geräten einzurichten, wie im Abschnitt über Multimeter bereits erwähnt. Das oben beschriebene Oszilloskop der Grundausstattung ist eine gute Option für den Schreibtisch jedes Entwicklers, während sich ein deutlich höherwertiges Oszilloskop auf dem gemeinsamen „Advanced Debugging”-Schreibtisch befindet. 

Logik-Analysator

Mit einem Logik-Analysator lassen sich digitale Signale einfach analysieren und decodieren. Wenn Sie mit einem digitalen Protokoll arbeiten, kann es von unschätzbarem Wert sein, die Kommunikation zwischen Geräten zu visualisieren. Die meisten digitalen Kommunikationsprotokolle – die Sie normalerweise zwischen einem Mikrocontroller oder FPGA und Sensoren verwenden würden – lassen sich leicht decodieren und visualisieren. Dies kann beim Debuggen von Code, der mit Sensoren oder externen Peripheriegeräten kommuniziert, sehr hilfreich sein; vor allem dann, wenn Sie einfach nicht herausfinden können, was falsch läuft. Außerdem sind Logikanalysatoren auch sehr nützlich für Reverse Engineering, wenn Sie die Kommunikation zwischen zwei Geräten untersuchen müssen.

Wie oben bereits erwähnt, können Sie Logikanalysatoren in Oszilloskope einbauen; diese sind fantastisch, weil sie Ihnen mehr Triggeroptionen bieten. Allerdings können auch die Triggeroptionen für Oszilloskope sehr teuer sein und der relativ kleine Bildschirm eines Oszilloskops bietet nicht das beste Benutzererlebnis bei der Arbeit mit der Gerätekommunikation.

Für USB-Logikanalysatoren gibt es zwei Optionen: die sehr billigen Jiankun/Kingst- und die viel teureren Saleae-Geräte. Ich habe beide schon verwendet. Obwohl das Jiankun prinzipiell ein unglaubliches Preis-Leistungs-Verhältnis bietet, kann es vorkommen, dass dessen Benutzeroberfläche fehlerhaft ist und Probleme mit der schnelleren Kommunikation aufweist. Die PC-Software ist dabei ein Klon der älteren Saleae-Software. Der LA2016 ist perfekt für Hobbybastler oder Profis mit begrenztem Budget. Andererseits ist die überlegene Software von Saleae gut geeignet für Profis, die keine Zeit haben, um sich mit Pannen und Bugs auseinanderzusetzen. Der USB-3.0-Anschluss des Saleae Logic Pro ermöglicht das kontinuierliche Streamen von Stichproben. Der LA2016 hingegen verwendet USB 2.0 und die Stichprobenlänge hängt hier von der Rate ab, mit der Sie die Eingänge abtasten lassen.

Stromversorgung für das Elektronik-Labor

Da ich regelmäßig neue Leiterplatten entwerfe, ist ein hochwertiges Labornetzteil für meinen Labortisch von entscheidender Bedeutung. Ein einfacher Fehler im Schaltplan oder im PCB-Layout kann leicht dazu führen, dass eine neubestückte Leiterplatte viel mehr Strom zieht als sie sollte. Ganz zu schweigen davon, dass es möglicherweise einen Kurzschluss auf der Leiterplatte gibt, den Sie beim Zusammenbau übersehen haben. Indem Sie die Leiterplatte mit einem stromgesteuerten Netzteil einschalten, können Sie die Strombegrenzung auf einen etwas höheren Wert als den erwarteten Betriebsstrom der Leiterplatte einstellen. Wenn das Netzteil sofort mit konstantem Strom statt mit konstanter Spannung arbeitet, wissen Sie, dass es möglicherweise ein Problem mit der Leiterplatte gibt und können eine zusätzliche Diagnose durchführen, ohne Magic Smoke zu verursachen.

Mit einem guten Labornetzteil können Sie auch Spannungen erzeugen, die Sie sonst nur aus Batterien bekommen würden. Damit können Sie ganz einfach LEDs, Motoren, Magnetspulen und ähnliches mit Strom versorgen und deren Stromaufnahme in Echtzeit beobachten. Die meisten modernen digitalen Netzteile verfügen über gute Strommessfunktionen, so dass Sie mit Ihrem Multimeter die Spannung auf der Leiterplatte prüfen können, anstatt den Stromverbrauch kontinuierlich überwachen zu müssen.

Viele der sehr günstigen Schaltnetzteile weisen große Kondensatoren an ihren Ausgängen auf; das macht sie zu einer eher schlechten Wahl für die erstmalige Stromversorgung elektronischer Geräte. Denn wenn Sie das zu prüfende Gerät an die Stromversorgung anschließen – während es bereits eingeschaltet ist, egal wie die Strombegrenzung eingestellt ist – steht Ihnen sofort die gesamte Energie des Kondensators zur Verfügung. Das kann fast jeden Schaltkreis oder jede LED, die Sie eigentlich prüfen möchten, zum Verdampfen bringen. Wenn Sie das Gerät hingegen bei ausgeschalteter Stromversorgung anschließen und es erst dann einschalten, wenn Sie zur Prüfung bereit sind, müssen Sie wiederum den Einschaltstrom des großen Kondensators bei der Berechnung der Stromgrenze berücksichtigen. Sobald der Kondensator dann aufgeladen ist, profitiert Ihr Schaltkreis vollständig von der höheren Strombegrenzung. Dieses kann aber schnell dazu führen, dass ein schlecht platziertes oder falsch bewertetes Bauteil beschädigt wird. Daher werde ich hier gar nicht erst auf billige Schaltnetzteile weiter eingehen.

Ein guter Indikator für eine hochwertige Stromversorgung ist das Gewicht. Lineare Netzteile sind aufgrund der großen Kühlkörper im Inneren sehr schwer. Ein billiges Netzteil von schlechter Qualität wiegt nur einen Bruchteil eines hochwertigen Netzteils mit vergleichbarer Leistung.

Es mag zunächst etwas seltsam erscheinen, dass das Rigol hier an der Spitze meiner Liste steht; sogar noch vor den Optionen von Keysight, Tektronix, Keithly und B&K Precision – den traditionellen Champions der Tisch-Prüfgeräte. Dies basiert jedoch auf meiner langjährigen Erfahrung mit einem DP832A. Das DP832A ist dabei nicht nur ein hochwertiges Netzteil, sondern bietet auch eine Menge weiterer Funktionen und dazu tolle Analysewerkzeuge. Mit einem Budget von ein paar Millionen Dollar fiel es mir schwer, eine bessere Option als das Rigol für den täglichen Einsatz zu finden.

Spezialausrüstung

Neben den bereits erwähnten Prüfgeräten gibt es eine große Auswahl an speziellen Prüfgeräten sowie hochspezialisierte Versionen der oben genannten Geräte. Aufgrund der eher anwendungsspezifischen Natur dieser Geräte werden wir uns hier nicht mit speziellen Modellen befassen, sondern Ihnen nur eine erste Vorstellung davon geben, wofür Sie die einzelnen Geräte verwenden könnten.

Funktions-/Signalgeneratoren

Die meisten Oszilloskope der Mittel- und Oberklasse verfügen über integrierte grundlegende Funktionsgeneratoren, die die meisten Anwendungsfälle für einen Funktionsgenerator abdecken können. Manchmal benötigen Sie jedoch ein komplexeres oder spezielleres Signal, als diese erzeugen können. Für weniger als 200 US-Dollar können Sie einen einkanaligen beliebigen Funktionsgenerator kaufen, der viel mehr Funktionalität bietet, als die in einem Oszilloskop eingebauten Generatoren. Wenn Sie HF-Signale oder andere sehr hochfrequente Signale oder Protokolle erzeugen müssen, gibt es Optionen, die mehrere Zehntausend Dollar kosten können.

Bei ganz einfachen Anwendungen kann ein Funktionsgenerator sehr nützlich sein, um Logikgeräte zu charakterisieren und analoge Komponenten zu testen. Wenn Sie ein Problem mit der Uhr eines Geräts haben, können Sie diese problemlos durch ein Signal vom Funktionsgenerator ersetzen. Mit fortschrittlicheren Funktionsgeneratoren können Sie komplexe Wellenformen oder Protokolle simulieren. So können Sie HF-Signale erzeugen und HF-Protokolle wie Bluetooth, WLAN oder Mobilfunkprotokolle emulieren, oder einfachere Kommunikationsprotokolle wie CAN, SPI oder I2C kreieren.

Programmierbare Lasten

Wenn Sie mit Netzteilen, Batterien oder Solarzellen arbeiten, könnte eine programmierbare Last genau das sein, was Sie brauchen, um das Testen zu erleichtern. Denn mit einer programmierbaren Last können Sie ein Netzteil mit äußerster Präzision einem Stresstest unterziehen. Normalerweise sind diese in der Lage, mit konstantem Strom, konstantem Widerstand oder konstanter Verlustleistung zu arbeiten. Sie können ein Testprofil programmieren, um ein Gerät zu simulieren, oder einfach ständig Energie aufzunehmen. Die einfachsten Geräte kosten weniger als 200 US-Dollar, während Sie für fortschrittliche Geräte mit schnellen Anstiegsgeschwindigkeiten und gepulsten Lastprofilen im Bereich von hunderten von Kilowatt leicht mehrere zehntausend Dollar ausgeben können.

Thermische Bildgebung

Selbst wenn Sie mit geringen Strommengen arbeiten, können die ICs schnell überhitzen, was dazu führt, dass sie sich abschalten oder beschädigt werden. Bei Projekten mit hoher Stromaufnahme kann eine Wärmebildkamera diese Probleme schnell diagnostizieren, ohne dass überall Temperaturfühler auf die Leiterplatte geklebt werden müssen. Die Wärmebildkamera sieht langwelliges Infrarot (abgestrahlte Wärme) und nicht das sichtbare Lichtspektrum wie eine normale Kamera. Eine Wärmebildkamera kann von unschätzbarem Wert sein, wenn es darum geht, die Wärmeabfuhrwege einer Leiterplatte sowie die Spitzen- und Durchschnittstemperaturen zu visualisieren. Für ein paar hundert Dollar bekommen Sie eine niedrig auflösende Kamera, die Sie an Ihrem Smartphone anschließen können, und für ein paar tausend Dollar bekommen Sie ein tragbares Modell mit höherer Präzision und Auflösung.

Wenn Sie eine Wärmebildkamera kaufen möchten, sollten Sie sich auch eine Dose mit schwarzer Sprühfarbe zulegen. Denn blankes Metall reflektiert das Infrarotlicht, so dass die Temperatur von Lötzinn, HF-Abschirmungen und freiliegendem Kupfer nicht erkennbar ist. Wenn Sie die gesamte Leiterplatte schwarz ansprühen, kann die Kamera die thermischen Emissionen leichter erkennen.

HF-Test

Wenn Sie direkt an Radiofrequenzgeräten arbeiten, die Funksignale erzeugen oder empfangen, sollten Sie eher spezielle HF-Prüfgeräte kaufen. 

Das grundlegendste Prüfgerät für HF-Tests ist der Spektrumanalysator, mit dem Sie das HF-Spektrum und die Leistungspegel analysieren können. Dies kann zum Debuggen einer HF-Schaltung, zum Beobachten der Kommunikation zwischen Geräten und für grundlegende Konformitätstests verwendet werden. Spektrumanalysatoren sind relativ teure Prüfgeräte und werden mit zunehmender Frequenz exponentiell teurer. Es gibt kostengünstigere Optionen wie Software Defined Radio (SDR), die den Bildschirm und die Rechenleistung Ihres Computers zur Analyse des Signals nutzen.

Wenn Sie HF-Schaltkreise oder Antennen entwerfen, können Sie mit einem Netzwerkanalysator den HF-Pfad und die Komponenten schnell abstimmen und optimieren. Netzwerkanalysatoren sind dabei entweder als Scalar Network Analyzer (SNA) oder Vector Network Analyzer (VNA) verfügbar. Der skalare Netzwerkanalysator ist um einiges kostengünstiger. Er ist empfehlenswert, wenn Sie nur die Amplitude bei der Frequenz sehen müssen, um beispielsweise die VSWR oder Reflexion zu messen. Die meisten großen Prüfgerätehersteller stellen zwar keine SNAs mehr her. Wenn jedoch VSWR- und Reflexionswerte für Ihre Prüfungen ausreichen, können Sie stattdessen auf bestimmte Tisch- oder SDR-Spektrumanalysatoren zurückgreifen; denn viele von diesen verfügen über eine Tracking-Generierungsfunktion und können so als SNA fungieren.

Mit einem Vektornetzwerkanalysator hingegen können Sie sowohl Amplitude als auch Phasen visualisieren. Damit können Sie unter anderem Smith-Diagramme erstellen, mit denen ein Schaltkreis oder eine Antenne sehr schnell abgestimmt oder ein Gerät charakterisiert werden kann.

Auf der einfachsten Seite der HF-Prüfgeräte können Sie einen Frequenzzähler verwenden, um die Primärfrequenz einer Funkübertragung zu ermitteln. Dies kann nützlich sein, um die Ausgangsfrequenz einer einfachen HF-Übertragung ohne Seitenbänder oder Frequenzsprünge zu bestätigen. Außerdem kann ein HF-Leistungsmessgerät die von der Schaltung abgegebene HF-Leistung anzeigen und so einen sehr genauen Hinweis auf die von ihr erzeugte Energiemenge geben. Ein Spektrumanalysator macht diese Messungen viel einfacher und visueller, ist aber weitaus teurer.

Datenerfassung und -protokollierung

Datenerfassungsgeräte können im Labor sehr nützlich sein, da sie vielfältigen Zwecken dienen. Man kann sie sich als Mehrkanal-Digitalmultimeter mit Protokollierungsfunktion vorstellen. Diese Geräte können für verschiedene Dinge genutzt werden, beispielsweise für die Fehleranalyse, für Pass/Fail-Tests in der Produktion sowie für die Schnellprüfung von Kabelbäumen. 

Durch die gleichzeitige Überwachung vieler Kanäle auf der Leiterplatte über einen längeren Zeitraum kann jeder Fehler leicht analysiert und schnell herausgefunden werden, was schief gelaufen ist. 

Mit den vielen verfügbaren Kanälen können Sie eine benutzerdefinierte Prüfvorrichtung für ein Produktionsgerät erstellen. Hiermit lassen sich etwa Spannung, Strom, Licht oder jedes andere digitale oder analoge Signal schnell und präzise von Testpunkten ablesen. Im Gegensatz zur Entwicklung von Software auf einem Mikrocontroller kann dies viel schneller erfolgen und alle relevanten Messwerte können so direkt geprüft werden.

Wenn Sie einen komplexen Kabelbaum vorliegen haben, können Sie mit einer Erfassungseinheit dank der großen Anzahl von Kanälen schnell einen kundenspezifischen Kabelbaumtester bauen. Dieser prüft dabei nicht nur den Durchgang zwischen den Steckern, sondern auch den Spannungsabfall oder die Kapazität über das Kabel, um sicherzustellen, dass es richtig gecrimpt und angeschlossen ist.

Aufbewahrung

Schlussendlich halte ich die Aufbewahrung für einen der größten Konflikte im Elektroniklabor. Die Möglichkeit, überschüssige Komponenten aus dem Prototypenbau, Ersatz-PCBs oder einfach nur Werkzeuge aufzubewahren, ist für jeden Arbeitsbereich von grundlegender Bedeutung. Man kann dabei nie genug Stauraum haben. Hierbei handelt es sich scheinbar um einen fortlaufenden Optimierungsprozess; es geht immer darum, noch etwas mehr Platz auf dem Schreibtisch und im Regal zu ermöglichen und gleichzeitig alles, was Sie brauchen, schnell griffbereit zu haben.

Hier sind ein paar schnelle Ideen für Sie.

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