Schaltzeichen: Der Schlüssel zum Verständnis elektrischer und elektronischer Schaltpläne

Schaltzeichen sind in elektrischen und elektronischen Schaltplänen unerlässlich, um komplexe Schaltungen und Bauteile in standardisierter und vereinfachter Form darzustellen. Diese Symbole sind für Ingenieure, Elektriker und Techniker von entscheidender Bedeutung, da sie die Funktionsweise einer Schaltung auch ohne zusätzliche Dokumentation verständlich machen. Die universelle Anerkennung dieser Symbole gewährleistet eine einheitliche Interpretation über Sprach- und Regionsgrenzen hinweg und unterstützt somit Ausbildung und Schulung.

Schaltpläne bestehen aus verschiedenen Komponenten wie Schaltern, Kondensatoren, Widerständen und Batterien, die durch Leitungen oder Verbindungen verbunden sind. Jedes Bauteil besitzt ein eigenes Symbol mit spezifischen Merkmalen. Das Verständnis der Funktionsweise der Komponenten ist für eine effektive Schaltungsentwicklung und -analyse unerlässlich. Kenntnisse über die Eigenschaften von Widerständen, Kondensatoren und Transistoren ermöglichen es Ingenieuren, das Zusammenwirken der Bauteile vorherzusagen, gewünschte Ergebnisse zu erzielen und Fehler zu beheben.

Wie bilden Schaltzeichen den Schaltplan?

Elektronische Schaltzeichen sind prägnante Zeichnungen oder Piktogramme, die verschiedene Komponenten in einem Schaltplan darstellen. In solchen Diagrammen weisen elektrische Elemente in der Regel zwei oder mehr Anschlüsse zur Verbindung mit anderen Bauteilen auf. Zu den grundlegenden elektrischen und elektronischen Symbolen gehören die Erdung, die Batterie und der Widerstand. Diese Symbole ermöglichen die Darstellung selbst der komplexesten Schaltungen. Mit diesen grundlegenden Symbolen kann jeder einen elektrischen Schaltplan entwerfen.

Ein einfaches Beispiel: Eine Grundschaltung besteht aus einer Batterie, einem Schalter und einer Glühlampe, die in einem geschlossenen Kreis verbunden sind.

Obwohl dieselbe Schaltung auf verschiedene Arten dargestellt werden kann, sind visuelle Darstellungen intuitiver. Mit zunehmender Anzahl an Bauteilen steigt jedoch auch die visuelle Komplexität. Beim Start eines Projekts, das den Aufbau von Schaltungen oder die Entwicklung einer Leiterplatte (PCB) umfasst, ist das Verständnis elektronischer Symbole daher entscheidend. Das Schaltbild ist der erste Schritt zur PCB-Design, ohne ein Verständnis der darin enthaltenen Symbole ist der Fortschritt in einem solchen Projekt schwierig.

Darstellung einer Schaltung mit Symbolen vs. mit Worten

In der Regel genügen Worte, um etwas Bestimmtes zu beschreiben, doch ein Schaltplan bietet eigene Vorteile. Durch die Verwendung von Symbolen werden Schaltpläne selbsterklärend. Eine Schaltung in Worten zu beschreiben ist einfach: Zum Beispiel kann man sagen, „die Batterie ist in Reihe mit dem Schalter und der Glühlampe verbunden“. Das ist leicht zu verstehen, doch bei größeren und komplexeren Schaltungen werden Diagramme und Symbole notwendig. Sie ermöglichen eine schnelle Analyse der Schaltung und zeigen unmittelbar, was geschieht. Kurz gesagt: Elektronische Symbole vereinfachen das Verständnis einer Schaltung. Sie sparen Zeit und erleichtern die Arbeit.

Vorteile der Schaltzeichen

Die genaue Bedeutung eines Symbols ergibt sich durch Punkte, Linien, Buchstaben, Abstände, Schattierungen und Zahlen. Um Schaltungen zu verstehen, muss man mit der Grundstruktur der verschiedenen Symbole vertraut sein. Hier sind einige Hauptvorteile der Verwendung von Symbolen:

Reduziert Verwirrung in der Produktion – Durch die Verwendung eines festgelegten Satzes elektrischer Symbole ist es unmöglich, unterschiedlichen Komponenten verschiedene Zeichen zuzuordnen.

Verringert Nacharbeit – Durch die Entwicklung und Nutzung eines einheitlichen, standardisierten Satzes elektrischer Symbole wird unnötige und redundante Überarbeitung von Schaltplänen vermieden.

Verbessert die elektrische und mechanische Kommunikation – Die Verwendung standardisierter elektrischer Symbole reduziert Missverständnisse zwischen den Teams der mechanischen (MCAD) und elektrischen (ECAD) Konstruktion. Durch die Verbindung zwischen 2D-Symbolen und 3D-Modellen befinden sich alle Beteiligten auf derselben Informationsbasis.

Spart Zeit – Standardisierte elektrische Symbole sparen nicht nur Zeit bei der Überarbeitung, sondern auch bei der Vermeidung von Missverständnissen.

Physik hinter der Gestaltung der Symbole

Symbole werden verwendet, um elektrische oder elektronische Komponenten darzustellen. Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, zu verstehen, wie ein Bauteil funktioniert – das ist der Ausgangspunkt für die Entwicklung der Symbolgestaltung. Jedes Symbol ist in der Lage, die grundlegende physikalische Funktionsweise des tatsächlichen Bauteils zu erklären. Die meisten Symbolentwürfe basieren auf verschiedenen nationalen und internationalen Normen, beispielsweise den IEC-, JIC-, ANSI- und IEEE-Standards. Obwohl elektrische Symbole standardisiert sind, können sie je nach Ingenieurdisziplin oder technischem Bereich leicht variieren, abhängig von traditionellen Unterschieden.

Beispiel zur physikalischen Bedeutung von Schaltzeichen:

Die meisten elektrischen Schaltzeichen beinhalten Schalter und Batterien. Die Symbole dafür sind nachfolgend dargestellt:

Schalter:

Das oben gezeigte Schaltersymbol stellt die geschlossene und offene Schaltkreisverbindung in einem Stromkreis dar. Dieses Symbol ist daher weltweit standardisiert und allgemein anerkannt.

Glühlampe:

Eine Glühlampe besitzt einen bestimmten Widerstand, der sich beim Durchfluss von Strom erhitzt und dadurch Licht erzeugt. Im Symbol wird dies durch ein Kreuz dargestellt, das das Licht aus einer widerstandsbehafteten Quelle symbolisiert.

Batterie:

Eine Batterie ist eine Energiequelle, die aus mehreren Zellen besteht und ein chemisches Elektrolyt enthält, das die Polarität erzeugt. Im Batteriesymbol werden die Zellen durch zwei ungleiche, parallele Linien dargestellt, wobei die positive und negative Polarität gekennzeichnet ist.

Leitung:

Eine Leitung ist ein leitender Verbindungsdraht zwischen zwei Bauteilen. Da sie einen sehr geringen Widerstand hat, wird sie im Schaltplan einfach durch eine gerade Linie dargestellt.

Es gibt auch einige kompliziertere Symbole, die ohne spezifisches Bauteilwissen schwer zu erklären sind.

Liste der Schaltpläne-Symbole mit der dahinterstehenden physikalischen Gestaltung

Schaltpläne dienen dazu, die in elektronischen Schaltungen verwendeten Symbole visuell darzustellen. Jede Schaltung nutzt standardisierte Symbole zur Repräsentation ihrer Bauteile. Für jedes elektrische Gerät oder jede Komponente existiert ein eigenes Symbol – sei es ein passives Bauteil (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten), ein aktives Bauteil (Dioden, Transistoren, Verstärker, Transformatoren), ein Messgerät oder ein logisches Gatter. Im Folgenden sind die am häufigsten verwendeten elektronischen Symbole mit der physikalischen Bedeutung ihrer Gestaltung aufgeführt:

Passive Bauelemente:

Leitungen:

Sie verbinden verschiedene Komponenten miteinander und werden daher als gerade Linien dargestellt.

Wenn sich zwei Leitungen kreuzen, kann dies eine Verbindung oder keine Verbindung bedeuten.

Schalter:

Das Schaltersymbol steht für das Öffnen und Schließen eines Stromkreises und ist international standardisiert.

Widerstand:

Ein Widerstand stellt ein Hindernis für den Stromfluss dar und wird daher als Zickzack-Linie gezeichnet. Ein verstellbarer Widerstand (Potentiometer) kann verschiedene Werte annehmen und wird durch einen Widerstand mit einem Pfeil in der Mitte symbolisiert.

Kondensator:

Kondensatoren speichern elektrische Energie in Form von Ladung. Sie bestehen aus zwei Platten, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, und werden durch zwei parallele Linien mit Abstand dargestellt. Ein verstellbarer Kondensator wird mit einem Pfeil dargestellt. Kondensatoren können polarisiert oder unpolarisiert sein – polare Typen haben eine positive und negative Kennzeichnung, unpolare nicht.

Induktivität:

Induktivitäten speichern Energie in Form eines Magnetfeldes. Sie sind unpolar und werden durch eine Spulenform im Symbol dargestellt.

Antenne:

Antennen werden häufig in Hochfrequenztechnik (RF) eingesetzt. Sie dienen zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen. Das Symbol zeigt eine abstrahierte Form der Antenne; das konkrete Design hängt von der Anwendung ab:

Stromversorgungssymbole:

Batterie:

Eine Energiequelle aus mehreren Zellen mit chemischem Elektrolyt, die Polarität erzeugt. Im Symbol werden die Zellen durch zwei ungleiche parallele Linien dargestellt, mit Plus- und Minuspol.

Masse:

Die Masse in einem Stromnetz dient als gemeinsamer Bezugspunkt für Spannungen und als Rückleitung für den Strom. Das Symbol zeigt mehrere horizontale Linien abnehmender Länge.

VDD:

VDD stellt die positive Versorgungsspannung eines Stromkreises dar und wird zusammen mit dem Masseanschluss (GND) verwendet. VDD und GND sind die Arten von Beschriftungen, die mit der Batterie, dem Pluspol (VDD) und dem Minuspol (GND) verbunden sind. Das Symbol von VDD lautet:

Amperemeter und Voltmeter: Ein Amperemeter misst den Strom in einem elektrischen Netzwerk und wird in Reihe mit den Schaltungskomponenten verbunden. Ein Voltmeter misst die Spannung über den Komponenten und wird parallel geschaltet. Beide Messgeräte sind traditionell analog aufgebaut und besitzen eine bewegliche Spule; das Symbol wird wie folgt dargestellt:

Transformator: Ein Transformator überträgt in einem elektrischen Netzwerk elektrische Energie zwischen Stromkreisen durch elektromagnetische Induktion. Er besteht aus einer Primär- und einer Sekundärwicklung um einen Kern und wird daher durch folgendes Symbol dargestellt:

Aktive analoge/digitale Komponenten:

Dioden: Dioden in einem elektrischen Netzwerk lassen den Strom nur in eine Richtung fließen und wirken wie Einwegventile. Sie werden zur Gleichrichtung (Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom) und zum Schutz von Schaltungen durch Sperrung der Rückspannung verwendet. Dioden sind polare Bauelemente, die aus einem PN-Übergang bestehen, und ihr Symbol wird wie folgt dargestellt:

Bipolarer Übergangstransistor (BJT): Ein Transistor in einem elektronischen Netzwerk dient als Schalter oder Verstärker für elektrische Signale. Er ist ein dreipoliges Bauelement und steuert den Stromfluss zwischen seinen Kollektor- und Emitteranschlüssen in Abhängigkeit von der an der Basis angelegten Spannung. Es gibt zwei Typen: NPN (Strom fließt nach außen) und PNP (Strom fließt nach innen). Das Symbol wird je nach Stromrichtung dargestellt:

MOSFET: MOSFETs sind modifizierte Transistoren mit ähnlicher Funktion wie BJTs. Es handelt sich ebenfalls um dreipolige Bauelemente, die den Stromfluss zwischen Drain- und Source-Anschluss in Abhängigkeit von der am Gate angelegten Spannung steuern. MOSFET steht für „Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor“. Das Metalloxid ist ein Isoliermaterial, wodurch das Gate wie ein Kondensator wirkt. Das Symbol wird daher wie folgt dargestellt:

SCR: Ein SCR (Silicon Controlled Rectifier) ist ein Silizium-gesteuerter Gleichrichter, der als Thyristor zur Steuerung hoher Leistungen dient. Er funktioniert wie ein Schalter: Der Strom fließt, sobald ein Gate-Signal angelegt wird, und bleibt eingeschaltet, bis der Strom unter einen bestimmten Schwellenwert fällt. SCRs werden in der Leistungssteuerung und Gleichrichtung eingesetzt. Das Verhalten ähnelt dem einer Diode mit einem Gate-Anschluss als Freigabepin, daher das folgende Symbol:

DIAC: Ein DIAC (Diode for Alternating Current) ist ein bidirektionales Zündelement, das erst leitet, wenn seine Durchbruchspannung überschritten wird. Aufgrund seiner bidirektionalen Eigenschaften wird das Symbol wie folgt dargestellt:

Verstärker: Verstärker in einem elektronischen Netzwerk erhöhen die Leistung, Spannung oder den Strom eines Signals. Sie sind in Audio-, Funk- und Kommunikationssystemen unverzichtbar, um schwache Signale für die Übertragung zu verstärken. Ein Verstärker kann unterschiedliche Ein- und Ausgänge haben; das Standardsymbol dafür lautet:

Operationsverstärker (OPAMP): Ein Operationsverstärker ist ein vielseitiger, hochohmiger Spannungsverstärker mit differentiellen Eingängen. Er wird in der Signalverarbeitung, Filterung und in mathematischen Operationen wie Addition, Subtraktion, Integration und Differentiation eingesetzt. Er ist ebenfalls ein Mehrpin-Bauelement, dessen Symbol wie folgt dargestellt wird:

Puffer (Buffer): Ein Puffer trennt verschiedene Stufen einer Schaltung voneinander und verhindert gegenseitige Beeinflussung (Lasteffekte). Dadurch bleibt die Signalintegrität in komplexen Schaltungen erhalten. Ein Puffer kann als Verstärker mit einer Verstärkung von 1 betrachtet werden, das heißt, das Eingangssignal erscheint verlustfrei am Ausgang. Das Symbol für einen Puffer lautet:

Logikgatter:

Logikgatter sind grundlegende Bausteine der Digitaltechnik. Sie führen logische Grundoperationen aus, die für Schaltungsentwurf und digitale Berechnungen wesentlich sind. Sie arbeiten mit binären Eingängen und erzeugen binäre Ausgänge gemäß den logischen Operationen.

Arten von Logikgattern:

· UND-Gatter (AND): Gibt nur dann „1“ aus, wenn alle Eingänge „1“ sind.

· ODER-Gatter (OR): Gibt „1“ aus, wenn mindestens ein Eingang „1“ ist.

· NICHT-Gatter (NOT): Invertiert das Eingangssignal; gibt „1“ aus, wenn der Eingang „0“ ist.

· NAND-Gatter: Gibt nur dann „0“ aus, wenn alle Eingänge „1“ sind, sonst „1“.

· NOR-Gatter: Gibt nur dann „1“ aus, wenn alle Eingänge „0“ sind.

· XOR-Gatter: Gibt „1“ aus, wenn eine ungerade Anzahl von Eingängen „1“ ist.

Diese Gatter werden in verschiedenen Kombinationen verwendet, um komplexe logische Operationen auszuführen, und sind wesentliche Bestandteile digitaler Schaltungen, einschließlich Computer und anderer elektronischer Geräte.

Hier finden Sie eine Dokumentdatei, die Sie herunterladen und ansehen können, um mehr über andere häufig verwendete Schaltplansymbole zu erfahren.

LINK:

https://drive.google.com/file/d/1Ik6cuXN9-NXWe9lgpPLLt3YDHzpbGIUE/view?usp=sharing

Wie man ein Symbol für ein benutzerdefiniertes PCB-Design erstellt:

Die Übertragung eines Schaltungsentwurfs auf eine Leiterplatte (PCB) ist ein mehrstufiger Prozess. Zuerst wird der Schaltplan der Schaltung mit einer geeigneten PCB-Design-Software erstellt. Der Schaltplan ist im Grunde das Schaltbild, das verschiedene Symbole enthält, die über Leitungen miteinander verbunden sind. Dieselbe Software wird anschließend verwendet, um diesen Schaltplan in ein PCB-Layout zu übersetzen. Ein Layout beschreibt die Platzierung und Leiterbahnenführung der Bauteile auf der realen Leiterplatte. Für die Erstellung eines benutzerdefinierten Symbols muss zunächst eine Symbol-Datei erzeugt werden, bevor der Schaltplan und das Layout entworfen werden. Eine Symbol-Datei enthält alle elektronischen und geometrischen Informationen über das Bauteil.

Hier sind die detaillierten Schritte, um Ihr eigenes Symbol im PCB-Design-Editor zu erstellen:

Ich verwende EasyEDA, aber das Verfahren ist in den meisten Designprogrammen gleich. Befolgen Sie die unten angegebenen Anweisungen.

Schritt 1: Melden Sie sich bei EasyEDA an und öffnen Sie das Fenster zur Symbolerstellung, indem Sie im oberen Menü Datei → Neu → Symbol auswählen. Ein neues, leeres Schaltplan-Zeichenfenster wird geöffnet. Speichern Sie es auf Ihrer Festplatte, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Es ist empfehlenswert, der Datei einen Namen zu geben, der dem Bauteil entspricht, für das Sie das Symbol erstellen.

Schritt 2: Öffnen Sie das Datenblatt und sehen Sie sich die Pin-Informationen des Bauteils an, das Sie in diesem Fenster entwerfen möchten. Hier ist ein Beispiel eines NE555-Timer-ICs.

Schritt 3: EasyEDA bietet einen Symbol-Assistenten mit vordefinierten integrierten Symbolen, die Sie auswählen und anpassen können. Wählen Sie einfach das entsprechende Symbol aus und benennen Sie alle Pins gemäß den Angaben im Datenblatt. Dies ist ein automatischer Symbolgenerator. Wenn Sie das Symbol manuell erstellen möchten, folgen Sie den nächsten Schritten.

Pin-Informationen können bearbeitet werden unter:

Schritt 4: Um das Symbol manuell zu entwerfen, verwenden Sie die Werkzeuge im Zeichenmenü, um die Umrisse der Draufsicht des Bauteils zu zeichnen. Obwohl die meisten elektronischen Chips rechteckig sind, können Sie grundsätzlich jede beliebige Form zeichnen. Die tatsächliche Form und Größe des Bauteils ist nur für das Layout-Symbol wichtig, das später erstellt wird.

Schritt 5: Öffnen Sie die Pin-Zuordnungszeichnung im Datenblatt des Bauteils. Diese zeigt die Pins des Bauteils rund um den Rand mit den jeweiligen Bezeichnungen. Zeichnen Sie den ersten Pin an einer Ecke des zuvor erstellten Umrisses mithilfe des Pin-Zeichenwerkzeugs, das sich in der Regel in der linken Menüleiste befindet. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle Pins des Bauteils. Eine gute Vorgehensweise ist es, die Pinbelegung so genau wie möglich gemäß dem Datenblatt zu übernehmen.

Schritt 6: Doppelklicken Sie auf den ersten Pin. Ein Dialogfeld mit den Details des Pins öffnet sich. Geben Sie den Namen des Pins entsprechend der Bezeichnung im Datenblatt ein, z. B. VCC. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle Pins.

Schritt 8: Ändern Sie alle weiteren Pin-Details.

Schritt 9: Geben Sie alle erforderlichen Informationen ein und speichern Sie die Datei. Ihr PCB-Komponentensymbol ist nun erstellt.

Schritt 10: Durchsuchen Sie die Bauteilbibliothek und doppelklicken Sie auf das zuvor gespeicherte Layout-Symbol. Dadurch wird das Symbol in der Layout-Ansicht geöffnet.

Fazit

Schaltplansymbole sind ein wesentliches Werkzeug zum Verständnis, Entwurf und zur Fehlerbehebung elektrischer und elektronischer Schaltungen. Durch die Verwendung standardisierter Symbole können Ingenieure und Techniker eine präzise Kommunikation gewährleisten, Fehler reduzieren und den Designprozess effizienter gestalten. Das Verständnis der Bedeutung und Verwendung von Schaltplansymbolen befähigt Fachleute, effektiv mit elektrischen und elektronischen Systemen zu arbeiten und diese zu verwalten.