MIDI für Kirchenorgel – 4

Meine erste „richtige“ Platine

Angesichts des hohen Verdrahtungsaufwands und der geringeren Zuverlässigkeit von Handverdrahtung auf Lochrasterplatinen war die Fertigung von Platinen unumgänglich. Weder hatte ich mich bisher ernsthaft mit Platinenentflechtung beschäftigt, noch hatte ich je welche fertigen lassen.

KiCAD

Beim Zeichnen von Schaltbildern hatte ich bisher Eagle eingesetzt, was in der kostenlosen Version jedoch sehr eingeschränkt ist, was das Platinendesign angeht. Da ich mit Eagle eh nie so richtig glücklich war und für ein reines Hobby-Projekt nicht die teurere Standard-Lizenz erwerben wollte, sah ich mir KiCad an. Open-Source, weit verbreitet und sehr leistungsfähig. Wieder einmal lernte ich damit auch die Schattenseiten freier Software kennen: Die Einzelmodule stammen von verschiedenen Entwicklern und weisen eine z.T. sehr unterschiedliche Bedienphilosophie (1) auf.

Wer an Stelle des Mauscursor (Kreuz bei R18) zum Selektieren klickt, bewirkt gar nichts. Stattdessen sind für Operationen mit der Maus nach dem Positionieren Tasten zu drücken.

Zudem arbeiten wohl die wenigstem KiCAD-Programmierer unter Windows und so nervte es mich als Windows-Nutzer anfangs ziemlich, dass das Benutzerinterface völlig unintuitiv ist.

Lernt man das jedoch einmal, und auch mit den vielen Flaws umzugehen, dann hat man ein halbwegs beherrschbares System was wirklich sehr leistungsfähig ist. Eine automatisches Routing ist nicht dabei, kann aber über eine andere kostenlose Software per Export-/Import eingebunden werden. Insgesamt fühlte ich eine gehörige Portion Abenteuer bei der Erstellung der Platinen bis zum Hochladen der „Gerber“-Dateien.

Gespannt wartete ich die 15 Tage, bis meine Platinen von JLCPCB aus China kamen. Bei einem Preis von 16 € für 10 Platinen im Europa-Format erwartete ich nicht all zu viel, nicht von der Qualität und eigentlich auch nicht, dass meine Schaltung fehlerfrei war. Ich wurde positiv überrascht. Die Platinen waren von einwandfreier Qualität und funktionierten auf Anhieb.

Entwicklungsstufen

Die Verbindung zur Orgel geschieht mit einem Klingel/Telefon-Draht, der orgelseitig direkt an der Stiftleiste angelötet ist, die die Leitungen von der Tastatur mit denen zu den Pfeifenmagneten verbindet. Diesen Klingeldraht wollte ich nicht direkt an die MOSFET-Platine, sondern an eine zwischengeschaltete Platine anschließen, die daran wiederum durch ein Flachbankabel angeschlossen ist. Das verbessert die räumliche Flexibilität für die MOSFET-Module und erleichtert deren Austausch, z. B. im Falle eines Transistordefekts.

V1.0 von 12/2018, V1.3 von 05/2019. Oben das MOSFET-Modul, unten die Schnittstelle zur Orgel mit den grauen Klemmen für den Klingeldraht. In V1.3 mit rückstellenden Sicherungen und (optionalen) Dioden für jede Leitung. für Die umrandeten Bereiche haben dieselbe Funktion!

Mit zunehmender Erfahrung mit SMD-Löten stellte ich die Platine immer mehr aus SMD um, letztlich auch deswegen, weil das Europa-Format (160 mm x 100 mm) in der Orgel Platzprobleme hervorruft.

Probleme mit dem P-MOSFET

Nach der Entscheidung für den IRF7104 als Schalt-Transistor bestellte ich zunächst einige Dutzend dieses Typen bei Reichelt. Da sich die Schaltung zumindest anfangs als problemlos erwies, bestellte ich für die weitere Testmuster/Endprodukte immer wieder neue Exemplare bei verschiedenen Händlern, teilweise auch direkt in China (Ein Shop bei Aliexpress und LCSC). Möglicherweise zu wenig Aufmerksamkeit schenkte ich der fehlenden Antistatikverpackung der Aliexpress-Lieferung. Ich sammelte alle Transistoren in einer (Antistatik-)Box und bestückte daraus die neuen Platinen.

Überraschenderweise funktionierten nun einige Ausgänge nicht wie geplant. Teilweise waren sie permanent „High“, teilweise auch nur mit einem Strom von unter 1mA, was man an der schwach leuchtenden LED erkennen konnte. Andere schalteten gar nicht durch. Legte man das Gate manuell auf H/L, so flossen z.T. erhebliche Gateströme, was ja gar nicht sein dürfte.

Ich tauschte dies Transistoren aus, was mir nach dem ersten Fehlversuch sogar ohne Beschädigung der Platine gelang. Natürlich muss man die Pins am Gehäuse des MOSFETs abknipsen. Leider häuften sich die Ausfälle, so dass ich mich gezwungen sah, eine Testschaltung aufzubauen, um den Bestand in der Box zu überprüfen

Glücklicherweise gibt es für SOIC-8 Testadapter. Hier wird das Gate über 100k oder (mit dem unteren Taster) direkt an Masse gelegt. Interessant Manche defekte MOSFETs schalten nur bei letzterem, dann aber mit Gate-Strömen von 100mA!

Ein Drittel meines Bestandes erwiesen sich als defekt! Von diesen hatten 90% zwei von 6 verschiedenen Chargen-Bezeichnungen, die bei mir vorhanden waren.

Hier ein kleiner Teil des Ausschusses; oben MOSFETs, die bereits eingebaut waren

Meine nachfolgende Lieferung von Mouser habe ich wohlweislich völlig getrennt davon aufbewahrt. Eine mit diese Transistoren bestückte Platine ging wieder auf Anhieb.

Anmerkungen

(1) Beispiele für die vielen kleinen Stolpersteine in KiCAD 5.0:

a) Gleiche Funktion, andere Tasten:

Ein Element markiert: Duplizieren =“C“, Ziehen (mit Leitungen)=“G“, Kopieren=nicht vorhanden;

Mehrere Elemente markiert: Duplizieren=keine Taste verfügbar (nur Kontextmenü), Ziehen=“Tab“, Kopieren=“Ctrl-C“. Warum?

b) Verschiedene Auswahl-Logik in verschiedenen Programmteilen:

Beim Schaltplan- Editieren: Linksklick=keine Funktion, Operationen (am Element unter dem Mauspfeil) nur über Taste oder Rechtsklick (Kontextmenü).

Beim Platinen-Editieren: Linksklick=Selektieren, danach bewirkt Taste Funktion oder, falls (Achtung, Fehlerquelle!) nichts selektiert ist, bewirkt die Taste eine Operation am Element unter dem Mauspfeil, aber nur bei manchen Operationen – einige (wie z.B. Löschen) gehen nur mit der ersten Methode!

Ganz böse: Im Schaltplan-Editor kann mit der linken Maustaste ein Rahmen aufgezogen werden, der dann mehrere Elemente selektiert (dann darf also mit Links selektiert werden). Diese Auswahl wird aber dann ohne jede Rückfrage verschoben, wenn die Maus nur ein bisschen bewegt wird, weil sofort „Move“ als Standardfunktion ausgewählt ist. Also Maus absolut ruhig halten, bis mit einer Taste oder dem rechten Mausklick (jetzt nicht verwackeln!) über das Kontextmenü eine andere Funktion gewählt ist.

c) Doppelte Verwendung von Symbolen

Das OP-Amp-Symbol rechts fügt ein Bauelement ein. Dasselbe Symbol im gleichen Fenster(!) in der oberen Leiste startet den Bauelement-Editor.

d) ÜberflüssigeKlicks

  • Erster Klick auf das Symbol „Bauelement-Einfügen“ rechts bewirkt gar nichts, außer der Auswahl dieser Schaltfläche.
  • Klick auf die Zeichenfläche öffnet das Auswahlfenster bzw. lädt beim ersten Mal langwierig die Bibliotheken (wie wäre es mit Laden vorher im extra Thread?).
  • Wählt man hier ein Element aus, dann erscheint dieses anstelle des Mauspfeils und kann durch Verschieben und Klicken positioniert werden, d.h. wird erst jetzt platziert.

Wozu war dann der erste Mausklick auf die Zeichenfläche gut?

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