Konzeptentwicklung

In den frühen Tagen der Elektronik, und mit Elektronik meine ich aktive Komponenten (die, die mit Strom versorgt werden müssen), beginnend mit Röhren, wurden Schaltungen hergestellt, indem man alles mit Drähten verband. Dabei handelte es sich nicht um Leiterbahnen auf einer Leiterplatte (Platine). Es handelte sich um richtige Drähte, die an die Klemmen von Geräten, sowohl aktiven als auch passiven Komponenten, gelötet wurden. Platinen wurden erst viel später erfunden.

So war es nach heutigem Stand der Dinge ein Leichtes, eine elektronische Schaltung zu verdrahten. Nahezu jeder konnte es tun. Am Anfang waren die Schaltungen einfacher. Die ersten Radios brauchten schließlich nur eine Röhre. Die wichtigste Fähigkeit, die benötigt wurde, war das Löten.

Ein Vorteil dieser einfachen Aufbaumethode ist, dass Amateure, Profis und Studenten der Elektronik leicht experimentieren können. Man brauchte eigentlich nur Lötwerkzeug und die elektrischen Bauteile selbst. Hobbyzeitschriften florierten in den ersten Tagen, als der Reiz dieser neuen, erreichbaren Technologie die Neugierigen unter uns faszinierte.

Nach dem Zweiten Weltkrieg tauchte ein weiteres Phänomen auf - die Verfügbarkeit von Elektronikbausätzen. Viele Firmen verkauften die Komponenten und stellten Hefte mit Anleitungen zur Verfügung, wie man die Komponenten zu einem fertigen Produkt zusammenbaut. Diese Broschüren enthielten eine „Betriebstheorie“, die erklärte, wie die zusammengebauten Komponenten funktionierten und welche Funktionen sie erfüllten. Heathkit, Eico, Precision und andere waren Firmen, die solche Bausätze herstellten. Man konnte sein eigenes Radio, Oszilloskop, Fernsehen und zahlreiche andere Produkte bauen. Es war eine großartige Zeit, um sich für Elektronik zu interessieren und etwas darüber zu lernen.

Von Röhren sind wir zu Transistoren übergegangen, aber die Verdrahtung war immer noch einfach. Schaltungen benötigten weniger Platz, wenn Transistoren verwendet wurden, und sie konnten mit Klemmleisten aufgebaut werden, die aus Reihen von Lötanschlüssen bestanden, die an einem nicht leitenden Streifen wie Phenol befestigt waren. Die Schaltungen wurden in diesem Zeitalter aufgrund der sinkenden Kosten für elektronische Geräte immer komplexer und es konnten anspruchsvollere Funktionen realisiert werden. Aber als diese Komplexität zunahm, wurde es immer notwendiger, die Verdrahtung zu vereinfachen, und die Platine entstand.

Platinen waren großartig, weil die Praktiker keine neuen Werkzeuge brauchten und das nötige Know-how - das Löten - bereits hatten. Vielleicht brauchte man nur eine kleinere Spitze für seinen Lötkolben. Eine beliebte Methode, um diese frühen Platinen herzustellen, war es, undurchsichtiges Klebeband auf ein Stück Mylar zu legen, wo immer leitendes Material gewünscht war. Durch fotografische Verfahren konnte man das Muster des Klebebandes auf eine kupferkaschierte Platte „ätzen“. Der Prozess, der für die Herstellung einer Platine erforderlich ist, eliminierte Spieler aus dem Feld. Immer weniger Menschen waren bereit oder hatten das Know-how, ihre eigene Platine herzustellen. Alternativ konnte man auch dafür bezahlen, eine Leiterplatte anfertigen zu lassen, aber dieser Mehraufwand motivierte die Leute sicherlich eher zum „Ausstieg“ aus diesem Bereich.

Es gab jedoch so viele spannende neue Produkte, die sichtbar produziert wurden, dass es für viele ein verlockendes Feld blieb. Die Elektronik ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass die Bandbreite dessen, was man nach eigener Vorstellung umsetzen kann, praktisch unbegrenzt ist. Dies eignet sich hervorragend für die Disziplin, egal ob sie von Elektroingenieuren, Physikern, Studenten, Hobbyisten oder jedem mit genügend Interesse und Ausdauer ausgeübt wird.

Von den Anfängen der Platine bis heute, wo die Platine zum allgegenwärtigen Mittel der „Verdrahtung“ von Bauteilen geworden ist, hat die Elektronik selbst eine Revolution erlebt. Wir sind von diskreten Transistoren zu integrierten Schaltungen (ICs) übergegangen. ICs sind die Essenz aus vormontierten Leiterplatten, die Elektronik enthalten. Da sie die Größe komplexer elektronischer Schaltungen erheblich reduzierten und die Kosten eines ICs direkt proportional zu seiner Größe sind, gemessen an der auf einem Siliziumsubstrat verbrauchten Fläche, wurden auch sie dazu getrieben, kleiner zu werden, und es wurde unpraktisch, etwas nur mit Platinen herzustellen, um elektronische Schaltungen miteinander zu verbinden. Es gibt Ausnahmen, aber ich behaupte, dass dies im Allgemeinen zutrifft.

In dieser frühen Zeit der ICs konnte man ein Konzept entwickeln und dessen Elektronik mit typischen Laborgeräten wie Multimetern und Oszilloskopen debuggen. Man konnte relativ einfach auf die Gerätepins zugreifen und die Verbindungsstellen von Schaltkreisen prüfen, aber kleinere elektronische Produkte waren von den Kunden mehr gewünscht als größere. Die Leute wollten tragbare Geräte. Außerdem wollten sie mehr Funktionalität und niedrigere Kosten.

Höhere Funktionalität und niedrigere Kosten bei gleichzeitig geringerer Größe ist wahrscheinlich der beliebteste Grund, ein elektronisches Produkt zu entwickeln oder ein bestehendes neu zu gestalten, und es gab bisher nur einen Weg, dies zu erreichen - durch höhere Integrationsstufen in Form von leistungsfähigeren ICs. Das Lebenselixier dieser Branche ist die fortschreitende Halbleitertechnologie. Wir sehen dies in Form unserer Smartphones, bei denen das heutige Modell mehr Funktionalität zu einem geringeren Preis als frühere Modelle bietet. Möglicherweise haben Sie Einwände gegen meine Behauptung der geringeren Kosten. Ich würde dann fragen, ob Sie sich auf den Preis eines Produkts oder auf seine Kosten beziehen. Ich versichere Ihnen, dass die Kosten für ein bestimmtes Maß an Funktionalität geringer sind und der Preis unter sonst gleichen Bedingungen praktisch gleich bleibt. Im Grunde sind wir bereit, einem Hersteller für den Zuwachs an Funktionalität, den seine Produkte bieten, einen stattlichen Gewinn zu zahlen. Das Ergebnis ist, dass die Preise für unsere Smartphones, die nur als Beispiel dienen, relativ unverändert geblieben sind.

Um die Kosten der Elektronik zu senken und sie gleichzeitig kleiner zu machen, nahm sich die Industrie die IC-Gehäuse vor. Dies begann in den 1980er Jahren überstürzt, und mit ihm kam eine größere Abhängigkeit von Platinen. Die verwendete Gehäusetechnologie wurde als Oberflächenmontage bezeichnet. Es war nun einfach unpraktisch, bei der Oberflächenmontage einzelne Pins (d.h. Anschlüsse) von Hand zu löten - machbar, aber unpraktisch. Bauteile wurden nun mit einer Methode namens Wellenlöten auf Platinen befestigt und damit wurde es unerlässlich, eine Platine zu entwickeln, um das eigene Konzept zu entwickeln. Bei ICs, deren Gehäuse die Pins verdeckt, ist es nicht mehr möglich, alle Pins zu testen.

Studenten und Hobbyelektroniker hatten ein praktisch unüberwindbares Problem zu bewältigen, als die Oberflächenmontage aufkam. Ich erinnere mich, dass ich mein letztes Heathkit, es war ein Multimeter, in den späten 1990er Jahren zusammengebaut habe, und bald danach haben sie den Verkauf ihrer weltberühmten Bausätze ganz eingestellt. Sie waren fortan keine Bausatzlieferanten mehr.

Wie ich bereits erwähnt habe, sind die Kosten der Elektronik im Abwärtstrend und dies ermöglichte etwas Fantastisches in der Elektronikindustrie, das es so noch nicht gegeben hat. Es wurde möglich, Schaltungsfunktionalität in Form von Platinen selbst zu kaufen. Während der IC seine Funktionalität hat, benötigt er meistens eine Ergänzung durch andere Komponenten, damit er funktioniert. Diese bestehen aus Stromversorgungs-Chips, Taktgebern, Host-Controllern, etc. In Form einer Platine konnte ein komplett funktionierendes Subsystem erhalten werden und das zu einem nicht unerschwinglichen Preis. Einige dieser Platinen werden als Module bezeichnet, andere wiederum als System in Packages (SiPs).

Zusätzlich zu den IC-Herstellern, die diese neuen Platinen zur Verfügung stellten, um potentiellen Kunden die Möglichkeit zu geben, ihre Technologie zu evaluieren, entstand eine neue Art von Elektronikanbietern. Dies sind die „Maker-Profi“-Firmen wie Mikroe (aka Mikroelektronika), Adafruit, Seeed, SparkFun und andere. Jetzt ist es wieder einfach, ein Konzept zu entwickeln, bei dem die anspruchsvollste Elektronik der Welt zum Einsatz kommt.

Es gibt Tausende von elektronischen Subsystemen, die zur Herstellung eines kundenspezifischen integrierten Systems verwendet werden können. Diese COTS-Produkte (Commercial-Off-The-Shelf) werden sowohl von professionellen Organisationen als auch von Amateuren verwendet. Als ich für DigiKey arbeitete, bemerkte ich einmal, dass wir genau die gleichen ICs verkauften, die sich auf einigen der Module befinden, die wir ebenfalls verkauften, und ich bemerkte, dass sehr große Firmen nicht nur die ICs kauften, sondern auch die Module, die sie enthielten! Ich dachte: „Warum sollte ein Unternehmen, das über die Ressourcen verfügt, ein Produkt auf dem niedrigsten, produktions- und kosteneffizientesten Weg zu bauen, dieses in einem etwas teureren Formfaktor als Platine kaufen?“ und mir wurden einige Gründe klar, warum sie das tun könnten.

Nummer eins ist, dass ein Modul einen höheren Wert bietet, da es im Falle eines HF-Moduls von Aufsichtsbehörden wie der Federal Communications Commission (FCC) „vorzertifiziert“ werden kann. Tests zur Richtlinientreue sind teuer und kosten viel Zeit und Geld. Der zweite Punkt ist die Zeit bis zur Markteinführung. Wenn Sie sich über die Größe eines Marktes unsicher sind, ist es am besten, ihn eher früher als später zu testen. Wenn der Markt in ausreichender Größe vorhanden ist, kann ein Redesign vorgenommen werden, um die Kosten für das Produkt mit Designmethoden auf niedrigerer Ebene zu reduzieren. Ein dritter Grund ist die Berücksichtigung von Produktvariationen. Mit modularen Subsystemen können der Funktionsumfang und die Preispunkte eines Produkts leichter variiert werden. Ein Punkt, den ich ansprechen möchte, ist, dass, wenn elektronische Subsysteme für die Firmen, die die Ressourcen haben, auf den untersten Ebenen der Elektronik zu entwerfen, kosteneffektiv sind, sie sicherlich gut genug für Amateure und Studenten sind, aber die Geschichte endet hier nicht.

Zum Universum der modularen Subsysteme gehört eine Vielzahl von Schnittstellen. Die bekanntesten davon sind das Serial Peripheral Interface (SPI), Inter-Integrated Circuit (I²C), Analog, quasi-analoge Pulsweitenmodulation (PWM), Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) und Parallel. Von diesen hat nur die letzte eine breite und unterschiedliche Auswahl an Pinbelegungen. Wahrscheinlich 95 % oder mehr der modularen Subsysteme benötigen keine parallele Schnittstelle, und das hat dazu geführt, dass die Subsysteme selbst eine geringe Anzahl von Pins haben, was ihre Kosten und ihren Preis niedrig hält.

Mikroe hat aufgrund der Beliebtheit der oben genannten Schnittstellen ihren MikroBUS-Standard geschaffen und stellt diesen für jedermann frei zur Verfügung (siehe Abbildung 1). IC-Hersteller setzen diese Subsystemschnittstelle in zunehmender Zahl ein. Ich glaube, Microchip war das erste Unternehmen, das den MikroBUS-Standard auf seinen Evaluierungs- und Entwicklungsboards eingeführt hat. Sie haben dies getan, weil es über tausend Module gibt, die auf dem MikroBUS basieren. Je nachdem, wie viele MikroBUS-Seiten sich auf der eigenen Platine befinden, kann eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Konzepten entwickelt oder evaluiert werden, ohne dass man irgendwelche Platinen verdrahten, umverdrahten oder bestücken muss. Da der MikroBUS inzwischen ein breit akzeptierter Standard ist, der sowohl die elektrische Schnittstelle als auch die physikalischen Eigenschaften einer Karte spezifiziert, ist es wieder einfach geworden, Konzepte auf nahezu jeder Ebene der Funktionalität und des flexiblen Anspruchs kostengünstig zu realisieren. Aber das ist noch nicht alles.

Abbildung 1. MikroBUS-Standard. (Bildquelle: MikroElektronika)

Mikroe ist ein Unternehmen für Entwicklungstools. Sie stellen nicht nur Boards nach ihrem MikroBUS-Standard her, die sie „Click“-Boards nennen, sondern auch Entwicklungstools. Unter diesen Tools befindet sich eines namens „CodeGrip“. CodeGrip hat neben einer USB-Schnittstelle auch eine WiFi-Schnittstelle. Über eine dieser beiden Verbindungen kann man die Software schreiben und debuggen, die beliebige Subsysteme in ein Design integriert. Eine WiFi-Verbindung zu haben bedeutet, eine Schnittstelle zu haben, die leicht mit dem Internet verbunden werden kann. Sie haben genau das mit einem System getan, das sie Planet Debug nennen.

Planet Debug ermöglicht jedem, der die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) von Mikroe auf seinem PC installiert hat und über eine Internetverbindung verfügt, den Zugriff auf entfernte Hardware überall auf der Welt. In der Tat konfiguriert Mikroe seine Hardware mit beliebigen Click-Karten, die Sie anfordern. Das bedeutet, dass der technologische Fortschritt mittlerweile einen Punkt erreicht hat, an dem Sie keine eigene Hardware entwickeln oder verdrahten müssen, um Ihr Konzept zu entwickeln oder die Technologie, die Sie genauer verstehen möchten, zu erlernen.

Es war eine großartige Zeit, um sich für Elektronik zu interessieren und etwas darüber zu lernen. Mein Beitrag zu dieser Geschichte endet hier vorerst, aber Sie sind es, die den Rest der Geschichte schreiben können, indem Sie Ihre eigenen Konzepte weiter entwickeln.