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This is a guide on how to populate our MuonPi-PCB, using the construction kit. You can get a kit or a fully assembled PCB by contacting us [http://www.muonpi.org/contact.html here].
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Dies ist eine Anleitung zur Bestückung unserer MuonPi-PCB, unter Verwendung des Baukastens. Du kannst einen Bausatz oder eine komplett bestückte Platine erhalten, indem Du uns [http://www.muonpi.org/contact.html hier] kontaktierst.
  
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All components in this kit (except for the pin headers) are surface-mount devices (SMD).
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Alle Bauteile in diesem Bausatz (außer den Stiftleisten) sind oberflächenmontierbare Bauteile (SMD).
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Most of these parts are only a few millimeters in size and are prone jump very far, should you slip with the tweezers.
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Die meisten dieser Bauteile sind nur wenige Millimeter groß und neigen dazu, sehr weit zu springen, solltest Du mit der Pinzette abrutschen.
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Soldering these requires steady hands and a bit of technique, but this guide aims to help you with that.
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Das Löten dieser Bauteile erfordert ruhige Hände und ein wenig Technik, aber diese Anleitung soll Dir dabei helfen.
  
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== The Kit ==
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== Das Kit ==
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The Kit contains all the parts you need to set up your very own particle detector using your Raspberry Pi.
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Das Kit enthält alle Teile, die du zum Aufbau deines eigenen Teilchendetektors brauchst mit deinem Raspberry Pi.
  
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Contents of the Kit are:
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Enthalten sind im Kit:
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* The plastic scintillator (generously provided by [https://eljentechnology.com/ Eljen Technology])
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* Der Kunststoff-Szintillator (großzügig zur Verfügung gestellt von [https://eljentechnology.com/ Eljen Technology])
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* The bare printed circuit board ([[Muonpi board]])
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* Die nackte Leiterplatte ([[MuonPi Board]])
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* [https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_navigation GNSS] antenna
+
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_navigation GNSS] Antenne
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* Components to mount on the PCB (Resistors, Capacitors, Inductors, ICs, etc.)
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* Komponenten, die auf der Leiterplatte montiert werden sollen (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, ICs, usw.)
−
* Bill of materials (BOM). There's also an [https://muonpi.org/bom/ibom.html interactive online version] which simplifies the search for components on the board and has a place-and-tick checkmark for the already mounted components to maintain the overview during soldering.
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* Stückliste (BOM). Es gibt auch eine [https://muonpi.org/bom/ibom.html interaktive Online-Version], die die Suche nach Bauteilen auf der Platine vereinfacht und die bereits montierten Bauteile mit einem Häkchen versieht, um die Übersicht beim Löten zu behalten.
  
−
The individual components of the kit are glued to a nametag using tape, as can be seen in the picture.
+
Die einzelnen Komponenten des Bausatzes werden mit Klebeband auf ein Namensschild geklebt, wie auf dem Bild zu sehen ist.
−
[[File:Parts-packaging.jpg|thumb|Example of how parts in the detector PCB kit are packaged]]
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[[File:Parts-packaging.jpg|thumb|Beispiel für die Verpackung der Teile im Detektor-Leiterplatten-Bausatz]]
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Because of the size and difficulty labeling the parts, they are packaged using paper labels and clear tape.  
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Aufgrund der Größe und der Schwierigkeit, die Teile zu beschriften, werden sie mit Papieretiketten und durchsichtigem Klebeband verpackt.  
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Getting the parts out of their packaging has to be done quite carefully, as they are easy to lose.
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Das Herausnehmen der Teile aus der Verpackung muss sehr vorsichtig erfolgen, da sie leicht verloren gehen können.
  
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== Tools ==
+
== Werkzeug ==
−
The bare essential tools are:
+
Die unverzichtbaren Werkzeuge sind:
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* soldering iron
+
* Lötkolben
−
* solder
+
* Lötzinn
−
* (metal) tweezers
+
* (Metall-)Pinzette
−
* solder fume extractor
+
* Lötrauchabsaugung
−
additional:
+
zusätzlich:
−
* flux
+
* Flussmittel
−
* solder wick
+
* Lötdocht
−
* vise or helping hands
+
* Schraubstock oder helfende Hände
−
* scalpel/scissors
+
* Skalpell/Schere
−
* magnifying glass
+
* Lupe
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Zusätzlich empfehlen wir, einen hellen Arbeitsplatz zu wählen, da schummriges Licht und kleine Komponenten zu Augenbelastung und Kopfschmerzen führen können.
  
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Additionally, we recommend to choose a brightl workplace, as dim lights and small components can lead to eye strain and head aches.
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Generell gilt, je kleiner die Spitze des Lötkolbens ist, desto besser, zumindest für das Löten kleiner Bauteile.
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Wenn natürlich andere Lötspitzen vorhanden, z.B. solche mit einem Lötdepot, können diese auch verwendet werden.<br>
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In jedem Fall sind die Werkzeuge, die Du brauchst, um die Arbeit zu erledigen, die richtigen Werkzeuge, die Du verwenden solltest.
  
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Generally,the smaller the tip of your soldering iron is, the better, for small component soldering at least.
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== Dokumentation ==
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Of course if you have other solder tips, like ones with a solder depot, you can use those too.<br>
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Den Schaltplan, das Layout und die Stückliste der aktuellen Hardware-Version sind hier zu finden: [https://easyeda.com/MuonPi/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0_copy_copy easyEDA Projectseite].
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In any case whatever tools you need to get the job done, are the correct tools to use.
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Beim Löten kann es recht schwierig sein, das richtige Pad zu finden, wo ein bestimmtes Bauteil hinkommen soll.
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Die Beschriftungen auf der Platine sind klein und der Platz für sie ist sehr begrenzt, wodurch einige von ihnen schwer zu lesen und zu finden sind.
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Um die richtigen Lötpunkte zu finden, empfehlen wir, einen Computer in der Nähe zu haben, an dem der [https://easyeda.com/editor#id=ad78628187d94b9cb54d8735233128d7 Schaltplan] geöffnen ist und die Suchfunktion genutzt werden kann.
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Alternativ kann auch das Layout ausgedruckt werden, dass auf der easyEDA Projektseite angehängt ist.
  
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== Documentation ==
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=== Montageoptionen ===
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The schematic, layout and BOM of the current hardware version can be found on the [https://easyeda.com/MuonPi/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0_copy_copy easyEDA project page].
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In der Stückliste sind mehrere Montageoptionen angegeben, wie z. B.: "Full", "Single Channel", "External Bias Supply", "Fixed Input Polarity".
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While soldering, finding the right pad, where a specific components has to go, can be quite difficult.
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"External Bias Supply" und "Fixed Input Polarity" wurden von uns bei der Entwicklung verwendet und werden hier nicht weiter besprochen.
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The labels on the PCB are small and space for them is very limited which makes some of them hard to read and find.
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{| class="wikitable"
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To help you find the correct solder pads, we recommend to have a computer nearby where you can open the [https://easyeda.com/editor#id=ad78628187d94b9cb54d8735233128d7 schematics] and use the search function.
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Alternatively you can print out the layout that is attached on the easyEDA project page.
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! Montageoption !! Beschreibung !! Nicht Montieren !! Montieren !! Ändern !! Bemerkung
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| Voll || Zwei Kanäle, zweifache Polarität, On-Board-Bias Versorgung || R515, L503, R115/R215, LED406, P400 ||  ||  || Standard Montage Option
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| Ein Kanal || Ausschließlich Kanal 1, Standard Input Konfiguration || D502, L200, R200, R202, R203, R204, R205, R206, R212, R215, R301, R302, R305, R309, R312, R404, R513, C200, C201, C202, C203, C204, C205, C210, C211, C301, C302, C305, U200, U202, U504, LED404, X2 ||  ||  || Single Channel
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|-
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| Externe Bias Versorgung || Verwendung eines aufsteckbaren DC/DC-Wandlers zur Erzeugung der Vorspannung anstelle eines On-Board-Reglers || U502, L500, D500, C505, R501, R500, R502 || R515 or L503 ||  || Vorspannung durch aufsteckbares DC/DC-Wandlermodul für z.B. die Versorgung anderer SiPM-Typen (z.B. Hamamatsu)
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|}
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Die Standardkonfiguration des Bausatzes enthält nur einen Szintillator, daher wird immer nur ein Kanal der Detektorelektronik verwendet.
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In diesem Fall wäre die Montageoption "Single Channel" ausreichend.
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Die Anzahl der Bauteile im Bausatz folgt jedoch der "Full"-Konfiguration, und die Montage aller Bauteile wird weiterhin empfohlen.
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Allein die Montage aller im Bausatz enthaltenen Teile führt zu einer funktionierenden Leiterplatte, auf der beide Kanäle funktionieren.
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Bitte [https://muonpi.org/contact.html kontaktiere uns], wenn Interesse an einem zwei Szintillator-Setup besteht.
  
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=== Mounting Options ===
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== Montage ==
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The BOM specifies multiple mounting options, such as: "Full", "Single Channel", "External Bias Supply", "Fixed Input Polarity".
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Als Erstes solltest Du deinen Arbeitsbereich mit allen Teilen, der Stückliste und allen Werkzeugen, die Du brauchst, einrichten.
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"External Bias Supply" and "Fixed Input Polarity" were used by us in the development and will not be discussed here further.
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Ich persönlich sortiere die Bauteile gerne in Kategorien: Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, ICs und andere.
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The default configuration of the kit contains only one scintillator, therefore only one channel of the detector electronics will be used at a time.
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Das hilft, Zeit zu sparen und gibt einen schnellen Überblick über deinen Lötfortschritt.
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In that case, the "Single Channel" mounting option would be sufficient.
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Grundsätzlich ist die Entscheidung, welche Komponenten zuerst montiert werden sollen, eine Frage der persönlichen Vorliebe.
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However the number of components in the kit follows the "Full" configuration, and mounting all components is still recommended.
+
Eine hilfreiche Richtlinie ist die Montage von Teilen in Abhängigkeit von ihrer Höhe.
−
Just mounting all the parts that are included in the kit will lead to a working PCB with both channels working.
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Niedrigere, kleinere Teile sollten zuerst montiert werden, um bei der späteren Montage nicht zu sehr zu stören.
−
Please [https://muonpi.org/contact.html contact us], if you are interested in a two scintillator setup.
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Aus diesem Grund sollten die GPIO-Header zu den zuletzt zu montierenden Komponenten gehören.
  
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== Assembly ==
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Sobald Du eingerichtet bist, kannst Du deinen Lötkolben und die Rauchgasabsaugung einschalten und mit dem Löten beginnen.
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First things first, you should setup your workspace with all parts layed out, along with the BOM and all the tools you might need.
 
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Personally, I like to sort the parts into categories: Resistors, Capacitors, Inductors, ICs and others.
 
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This helps to save time and gives a quick overview of your soldering progress.
 
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In principle the choice which components to mount first comes down to personal preference.
 
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A helpful guideline is to mount parts depending on their height.
 
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Lower, smaller parts should be mounted first, as to not interfere too much in the later stages of assembly.
 
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This is why the GPIO headers should be among the last components to be mounted.
 
  
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Once you are set up, you can turn on your soldering iron and fume extractor and start soldering.
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=== Tipps zum SMD-Löten ===
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SMD-Bauteile sind klein und schwierig zu löten.
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Die am einfachsten zu lötenden Bauteile sind die Widerstände und Kondensatoren.
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Fang am besten mit diesen Bauteilen an, um dich zunächst mit dem SMD-Löten vertraut zu machen, und gehe dann zu den schwierigeren ICs über.<br>
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Eine Kurzanleitung zum SMD-Löten ist unter [https://www.sparkfun.com/marcomm/SFE03-0010-KitCard-SolderingSMD-ReaderSpreads.pdf sparkfun.com] zu finden.
  
−
=== Tips on SMD soldering ===
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Besondere Vorsicht ist mit der Spitze des Lötkolbens und der Leiterplatte geboten: Zu viel Hitze und Schaben an den Pads kann die oberste Schicht der Leiterplatte entfernen oder sogar das Pad von der Leiterplatte abreißen.
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SMD components are small and difficult to solder.
+
Im letzteren Fall ist es sehr wahrscheinlich, dass die Karte komplett ausbricht und unbrauchbar wird, je nachdem, mit welchem Pad dies passiert.
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The easiest components to solder are the resistors and capacitors.
 
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Start with these to get comfortable with SMD soldering first, then proceed to the more difficult ICs.<br>
 
−
A quick guide to SMD soldering can be found at [https://www.sparkfun.com/marcomm/SFE03-0010-KitCard-SolderingSMD-ReaderSpreads.pdf sparkfun.com].
 
  
−
Be careful with the tip of the iron and the PCB. Too much heat and scraping of the pads can remove the top layer from the PCB or even rip the pad off the PCB.
+
=== Arbeitsablauf beim Löten ===
−
The later, depending on the pad this happens to, is very likely to completely brick the board and rendering it unusable.
+
[[File:Closeup of one soldered pad and a resistor.jpg|thumb|left|Nahaufnahme eines Pads mit Lot und einem Widerstand]]
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Nimm deine Stückliste und wählen einen der Widerstands-/Kondensatorwerte aus, mit dem Du beginnen möchtest, und identifizier die Pad-Beschriftung, wo das Teil platziert werden soll.
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Nimm nun deinen Lötkolben und erhitze eine Seite des Pads. Nach ein paar Sekunden des Erhitzens gib etwas Lötzinn auf das Pad.
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Nimm eines der Bauteile aus der Verpackung und fass es mit der Pinzette, wie auf dem Bild rechts dargestellt.
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Erhitze den Lotklecks und schieb das Bauteil von der Seite in das geschmolzene Lot.
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Dadurch wird sichergestellt, dass die Kontakte des Bauteils bedeckt sind.
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Wird das Bauteil von oben in den Blob eingelegt, kann es zu Lötbrücken unter dem Bauteil kommen, die das Bauteil unbrauchbar machen.
  
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=== Soldering Workflow ===
+
Sobald eine Seite des Bauteils fixiert ist, ist es eine gute Übung, leicht auf das Bauteil zu drücken und das Lot wieder zu schmelzen.
−
[[File:Closeup of one soldered pad and a resistor.jpg|thumb|left|Closeup of a pad with solder and a resistor]]
+
Dies hilft, das Bauteil bündig auf der Platine zu montieren.
−
Take your BOM and choose one of the resistor/capacitor values to begin with and identify the pad label, where the part is supposed to be placed.
+
Obwohl dies nicht immer notwendig ist, hilft es, Lötbrücken zu vermeiden, besonders zwischen den Beinen von ICs.
−
Now take your soldering iron and heat one side of the pad. After a couple of seconds of heating, add some solder to the pad.
+
[[File:Flush component.jpg|x300px|thumb|right|Bauteil auf einer Seite angehoben (oben); nach unten gedrückt und nach dem Umschmelzen des Lots (unten)]]
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Take out one of the components out of it's packaging and grab onto it with the tweezers as indicated in the picture on the right.
 
−
Heat the solder blob and slide the component into the molten solder from the side.
 
−
This ensures covering of the components contacts.
 
−
Placing the component into the blob from above can lead to solder bridges underneath the component, which will render the component useless.
 
  
−
Once one side of the component is fixed, it's good practice to lightly press down on the component and remelt the solder.
+
Es ist eine gute Idee, die Bauteile auf der BOM durchzustreichen, sobald sie gelötet sind.
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Doing this will help to mount the component flush to the board.
+
Sollte am Ende eine Beschriftung auf der BOM unmarkiert bleiben, kannst du so kontrollieren, dass du kein Bauteil übersiehst.
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Although not always necessary, doing this will help to avoid solder bridges, especially between the legs of ICs.
 
−
[[File:Flush component.jpg|x300px|thumb|right|Component lifted on one side (top); pressed down and after remelting the solder (bottom)]]
 
  
−
It is a good idea to cross out the components on the BOM once they are soldered.
+
Wenn du mit dem Löten aller Teile einer Art fertig bist, halte kurz inne und prüfe, ob kein Teil übersehen wurde.
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Should in the end a label on the BOM be left unmarked you can check to not miss any components.
+
Fahre erst dann mit der nächsten Gruppe von Teilen fort.
  
−
When you are finished soldering all parts of one kind, pause and check you haven't missed any.
+
=== Integrierte Schaltungen (ICs) ===
−
Only then move on to the next group of parts.
+
OWenn alle passiven Komponenten platziert und doppelt geprüft sind, können wir zu den integrierten Schaltkreisen übergehen.
 +
Das Löten dieser ist wesentlich schwieriger, insbesondere der ADC und der DAC (U401 & U402 in v3.x) haben einen sehr kleinen Padabstand.
 +
Lötbrücken sind fast unvermeidlich und müssen beseitigt werden.
  
−
=== Integrated Circuits (ICs) ===
+
Zuerst wird Lot auf ein Pad an einer Ecke des IC-Footprints aufgetragen.
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Once all passive Components are placed and double checked, we can move on to the integrated circuits.
+
Dann wird das IC, genau wie die passiven Bauteile, in das geschmolzene Lot geschoben.
−
Soldering these is considerably more difficult, especially the ADC and DAC (U401 & U402 in v3.x) have a very small pad pitch.
+
Es ist sehr wichtig, dass alle Beine des ICs auf ihren jeweiligen Pads ausgerichtet sind.
−
Solder bridges are almost unavoidable and need to be dealt with.
+
Fixiere nun eines der anderen Beinchen, vorzugsweise ein Beinchen auf der schräg gegenüberliegenden Seite.
 +
Die restlichen, noch nicht verlöteten Beinchen können nun auf der Platine verlötet werden.
  
−
First, solder is added to one pad on a corner of the IC footprint.
+
Wenn Lötbrücken entstanden sind, müssen diese entfernt werden.
−
Then, just like the passive components, the IC is moved into the molten solder.
+
Eine mögliche Methode zur Entfernung von Lötbrücken ist die Verwendung von Flussmittel.
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It is very important to align all the legs of the IC on their respective pads.
+
Flussmittel ist ein Gemisch aus mehreren Verbindungen, die den Aufbau von Oxiden auf dem Lotfleck entfernen und verhindern.
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Proceed to fix one of the other legs, preferably a leg on the diagonally opposite side.
+
Zusätzlich erhöht es die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes und fördert so das Aufspalten von Lötstellen.
−
The remaining unsoldered legs can now be soldered to the board.
+
Daher kann die Verwendung einer guten Menge Flussmittel Lötbrücken beheben.
  
−
If solder bridges are created, they need to be removed.
+
Wenn sich jedoch zu viel Lot auf den Pads befindet, können Brücken nicht einfach mit Flussmittel repariert werden. In diesem Fall müssen wir etwas Lot entfernen.
−
One possible method to remove solder bridges is the usage of flux.
+
Lötdochte sind für diese Aufgabe sehr nützlich, da ihr dichtes Kupfergeflecht das überschüssige Lot aufsaugt.
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Flux is a mixture of multiple compounds that remove and prevent build up of oxides on the solder blob.
+
Lege den Docht auf den Lotklecks und drücke mit dem heißen Lötkolben den Docht von oben auf das Lot.
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Additionally it increases the surface tension of the molten solder and therefor promotes splitting of solder blobs.
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Nach einiger Zeit, wenn der Docht heiß genug ist, schmilzt das Lot und wird vom Docht aufgenommen.
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So just using a good amount of flux can fix solder bridges.
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Entferne Docht und Lötkolben gleichzeitig, sonst wird der Docht stattdessen mit dem Pad verlötet, und das Ziehen am Docht kann in diesem Fall das Pad von der Platine abreißen.
  
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However if there is too much solder on the pads, bridges cannot be fixed just using flux. In that case we need to remove some solder.
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Im Zeitraffer ist vielleicht zu erkennen, wie ich den ADC und DAC (U401 & U402 in v3.x) verlötet habe.
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Solder wicks are very useful for this task as its tight copper webbing wicks up any excess solder.
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Da das Rastermaß sehr klein ist und Lötbrücken sehr wahrscheinlich sind, habe ich mir nicht einmal die Mühe gemacht, sie zu vermeiden.
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Place the wick on the solder blob and using the hot soldering iron, press the wick on the solder from above.
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Nachdem ich das IC auf einem Beinchen fixiert hatte, habe ich alle Pins und Pads in einem großen Klecks mit Lot versehen.
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After a while, once the wick is hot enough, the solder will melt and be picked up by the wick.
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Mit der Zugabe von Flußmittel wurde das meiste Lot mit dem Lötdocht entfernt, in der Hoffnung, daß etwas Lot unter den Beinen zurückbleiben würde.
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Remove the wick and soldering iron simultaneously, otherwise the wick will be soldered to the pad instead, and pulling on the wick in that case can rip the pad off of the PCB.
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Auf den ersten Blick schien es zu funktionieren, aber das Testen der Platine zeigte, dass etwas nicht funktionierte.
−
 
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Da ich weiß, dass diese Technik nicht 100%ig zuverlässig ist, wurde das Problem durch ein schnelles Wiederaufheizen mit vorsichtiger Zugabe von kleinen Lotmengen behoben und die Platine war voll funktionsfähig.
−
In the timelapse you might be able to catch, how I soldered the ADC and DAC (U401 & U402 in v3.x).
 
−
Since the pitch is very small and solder bridges are very likely, I didn't even bother trying to avoid them.
 
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After fixing the IC in place on one leg, I added a lot of solder to all pins and pads in one big blob.
 
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With the addition of flux, most of the solder was removed using the solder wick, in the hopes that some solder would remain under the legs.
 
−
On first sight it seemed to work, but testing of the board revealed that something did not work.
 
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Knowing this technique is not 100% reliable, a quick reheat with careful addition of small amounts of solder fixed the issue and the board was fully operational.
 
 
   
 
   
 
{{#evt:service=youtube|id=E3kZMtjD76c|alignment=right|container=frame|description=Timelapse of IC soldering ([https://www.youtube.com/watch?v=E3kZMtjD76c link to youtube])|dimensions=480}}
 
{{#evt:service=youtube|id=E3kZMtjD76c|alignment=right|container=frame|description=Timelapse of IC soldering ([https://www.youtube.com/watch?v=E3kZMtjD76c link to youtube])|dimensions=480}}
  
−
=== Connectors ===
+
=== Steckverbinder ===
−
*'''SMA connectors:''' lots of heat
+
*'''SMA Verbindungen:''' viel Hitze
−
*'''UFL connectors:''' lots of solder
+
*'''UFL Verbindungen:''' viel Lot
 +
 
 +
 
 +
=== Tipps und Tricks ===
 +
Es gibt einige bekannte Punkte, die bei der Montage störanfällig sind und erhöhte Aufmerksamkeit erfordern. Im Folgenden finden Sie eine (wachsende) Liste dieser potenziellen Punkte und einige nützliche Hinweise, die sich aus unseren Montageerfahrungen sowie aus dem Feedback der Nutzer ergeben haben:
 +
*Die Kennzeichnung für Pin 1 von U102/U202 (SN74LVC1G3157) ist sehr schwer zu erkennen. Wenn Sie den IC so platzieren, dass Sie die aufgedruckte Gehäusemarkierung (z. B. durch eine Lupe oder ein Mikroskop) in normaler Ausrichtung, d. h. von links nach rechts, lesen können, dann sollte sich Pin 1 in der linken unteren Ecke befinden.
 +
*Achten Sie beim Löten des SMA-Steckverbinders für die Kantenmontage darauf, dass Sie der Spitze des Lötkolbens genügend Wärme (oder Strom) zuführen. Andererseits darf die Spitze nicht zu lange am Stecker verbleiben, da ein Übermaß an Hitze das Dielektrikum des Steckers beschädigen kann.
 +
*Seien Sie vorsichtig beim Löten der u.Fl (Miniatur-Koax) Stecker. Achten Sie darauf, dass das Lötzinn nicht den Steckerrand berührt! Tragen Sie reichlich Lötzinn auf die Gnd-Stifte auf, um den Abstand zu den seitlichen Pads zu überbrücken.
 +
*Die Strombegrenzungswiderstände für die LEDs in der Standard-BOM sind so gewählt, dass die LEDs ziemlich hell sind. Um die Helligkeit zu reduzieren, beachten Sie die Empfehlungen in diesem [https://forum.muonpi.org/viewtopic.php?f=7&t=22 Forenbeitrag]. Mit den voreingestellten Widerständen beleuchten die LEDs Ihr Zimmer nachts sehr intensiv :)
  
−
== Testing the board ==
+
== Testen des Boards ==
−
'''How-To:'''
+
'''Anleitung:'''
−
# Assemble the MuonPi-PCB as described in this guide
+
# Bau die MuonPi-PCB wie in dieser Anleitung beschrieben zusammen
−
# [[Raspberry_Pi_Setup#MuonPi_Setup|Software Setup]]
+
# [[Raspberry_Pi_Setup_de#MuonPi_Setup|Software Setup]]
−
# [[Hardware_Setup|Hardware Setup]]
+
# [[Hardware_Setup_de|Hardware Setup]]
−
To test your fully assembled board, follow the Software- and Hardware-Setup How-To.
+
Um das fertig zusammengebaute Board zu testen, folge dem Software- und Hardware-Setup How-To.
−
Once everything is installed and connected your MuonPi is ready to boot.
+
Wenn alles installiert und angeschlossen ist, ist der MuonPi bereit zum Booten.
−
Since the Version 2.0 of the muondetector-deamon will set default values for the thresholds and bias-voltage.
+
Seit der Version 2.0 des muondetector-deamon werden Standardwerte für die Schwellenwerte und die Bias-Spannung gesetzt.
−
With these defaults the blue Ch1-LED should start flashing irregularly.
+
Mit diesen Voreinstellungen sollte die blaue Ch1-LED unregelmäßig zu blinken beginnen.
−
You are now seeing particles pass through your scintillator!
+
Du siehst nun Partikel durch Ihren Szintillator laufen!
−
<!-- Powering the Pi with improper alignment may damage the electronics, so make sure the connector is properly aligned.
+
<!-- Wenn du den Pi bei falscher Ausrichtung mit Strom versorgst, kann die Elektronik beschädigt werden, stelle also sicher, dass der Stecker richtig ausgerichtet ist.
−
Next step is connecting the signal and bias-voltage cables to the [[preamplifier]] of the [[Silicon_photomultiplier|SiPM]] and your MuonPi-PCB.
+
Der nächste Schritt ist das Verbinden der Signal- und Bias-Spannungskabel mit dem [[Vorverstärker]] des [[Silizium-Photomultiplier|SiPM]] und der MuonPi-PCB.
−
'''Be careful with the UFL connectors as they are very delicate and only apply moderate pressure from above.'''
+
'''Vorsicht mit den UFL-Steckern, da sie sehr empfindlich sind und übe nur mäßigen Druck von oben aus.'''
−
The GPS/GNSS antenna can now be screwed to the SMA connector. -->
+
Die GPS/GNSS-Antenne kann nun an den SMA-Stecker geschraubt werden. -->

Latest revision as of 10:01, 3 November 2021

Dies ist eine Anleitung zur Bestückung unserer MuonPi-PCB, unter Verwendung des Baukastens. Du kannst einen Bausatz oder eine komplett bestückte Platine erhalten, indem Du uns hier kontaktierst.

Alle Bauteile in diesem Bausatz (außer den Stiftleisten) sind oberflächenmontierbare Bauteile (SMD). Die meisten dieser Bauteile sind nur wenige Millimeter groß und neigen dazu, sehr weit zu springen, solltest Du mit der Pinzette abrutschen. Das Löten dieser Bauteile erfordert ruhige Hände und ein wenig Technik, aber diese Anleitung soll Dir dabei helfen.

Das Kit

Das Kit enthält alle Teile, die du zum Aufbau deines eigenen Teilchendetektors brauchst mit deinem Raspberry Pi.

Enthalten sind im Kit:

  • Der Kunststoff-Szintillator (großzügig zur Verfügung gestellt von Eljen Technology)
  • Die nackte Leiterplatte (MuonPi Board)
  • GNSS Antenne
  • Komponenten, die auf der Leiterplatte montiert werden sollen (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, ICs, usw.)
  • Stückliste (BOM). Es gibt auch eine interaktive Online-Version, die die Suche nach Bauteilen auf der Platine vereinfacht und die bereits montierten Bauteile mit einem Häkchen versieht, um die Übersicht beim Löten zu behalten.

Die einzelnen Komponenten des Bausatzes werden mit Klebeband auf ein Namensschild geklebt, wie auf dem Bild zu sehen ist.

Beispiel für die Verpackung der Teile im Detektor-Leiterplatten-Bausatz

Aufgrund der Größe und der Schwierigkeit, die Teile zu beschriften, werden sie mit Papieretiketten und durchsichtigem Klebeband verpackt. Das Herausnehmen der Teile aus der Verpackung muss sehr vorsichtig erfolgen, da sie leicht verloren gehen können.

Werkzeug

Die unverzichtbaren Werkzeuge sind:

  • Lötkolben
  • Lötzinn
  • (Metall-)Pinzette
  • Lötrauchabsaugung

zusätzlich:

  • Flussmittel
  • Lötdocht
  • Schraubstock oder helfende Hände
  • Skalpell/Schere
  • Lupe

Zusätzlich empfehlen wir, einen hellen Arbeitsplatz zu wählen, da schummriges Licht und kleine Komponenten zu Augenbelastung und Kopfschmerzen führen können.

Generell gilt, je kleiner die Spitze des Lötkolbens ist, desto besser, zumindest für das Löten kleiner Bauteile. Wenn natürlich andere Lötspitzen vorhanden, z.B. solche mit einem Lötdepot, können diese auch verwendet werden.
In jedem Fall sind die Werkzeuge, die Du brauchst, um die Arbeit zu erledigen, die richtigen Werkzeuge, die Du verwenden solltest.

Dokumentation

Den Schaltplan, das Layout und die Stückliste der aktuellen Hardware-Version sind hier zu finden: easyEDA Projectseite. Beim Löten kann es recht schwierig sein, das richtige Pad zu finden, wo ein bestimmtes Bauteil hinkommen soll. Die Beschriftungen auf der Platine sind klein und der Platz für sie ist sehr begrenzt, wodurch einige von ihnen schwer zu lesen und zu finden sind. Um die richtigen Lötpunkte zu finden, empfehlen wir, einen Computer in der Nähe zu haben, an dem der Schaltplan geöffnen ist und die Suchfunktion genutzt werden kann. Alternativ kann auch das Layout ausgedruckt werden, dass auf der easyEDA Projektseite angehängt ist.

Montageoptionen

In der Stückliste sind mehrere Montageoptionen angegeben, wie z. B.: "Full", "Single Channel", "External Bias Supply", "Fixed Input Polarity". "External Bias Supply" und "Fixed Input Polarity" wurden von uns bei der Entwicklung verwendet und werden hier nicht weiter besprochen.

Montageoption Beschreibung Nicht Montieren Montieren Ändern Bemerkung
Voll Zwei Kanäle, zweifache Polarität, On-Board-Bias Versorgung R515, L503, R115/R215, LED406, P400 Standard Montage Option
Ein Kanal Ausschließlich Kanal 1, Standard Input Konfiguration D502, L200, R200, R202, R203, R204, R205, R206, R212, R215, R301, R302, R305, R309, R312, R404, R513, C200, C201, C202, C203, C204, C205, C210, C211, C301, C302, C305, U200, U202, U504, LED404, X2 Single Channel
Externe Bias Versorgung Verwendung eines aufsteckbaren DC/DC-Wandlers zur Erzeugung der Vorspannung anstelle eines On-Board-Reglers U502, L500, D500, C505, R501, R500, R502 R515 or L503 Vorspannung durch aufsteckbares DC/DC-Wandlermodul für z.B. die Versorgung anderer SiPM-Typen (z.B. Hamamatsu)

Die Standardkonfiguration des Bausatzes enthält nur einen Szintillator, daher wird immer nur ein Kanal der Detektorelektronik verwendet. In diesem Fall wäre die Montageoption "Single Channel" ausreichend. Die Anzahl der Bauteile im Bausatz folgt jedoch der "Full"-Konfiguration, und die Montage aller Bauteile wird weiterhin empfohlen. Allein die Montage aller im Bausatz enthaltenen Teile führt zu einer funktionierenden Leiterplatte, auf der beide Kanäle funktionieren. Bitte kontaktiere uns, wenn Interesse an einem zwei Szintillator-Setup besteht.

Montage

Als Erstes solltest Du deinen Arbeitsbereich mit allen Teilen, der Stückliste und allen Werkzeugen, die Du brauchst, einrichten. Ich persönlich sortiere die Bauteile gerne in Kategorien: Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, ICs und andere. Das hilft, Zeit zu sparen und gibt einen schnellen Überblick über deinen Lötfortschritt. Grundsätzlich ist die Entscheidung, welche Komponenten zuerst montiert werden sollen, eine Frage der persönlichen Vorliebe. Eine hilfreiche Richtlinie ist die Montage von Teilen in Abhängigkeit von ihrer Höhe. Niedrigere, kleinere Teile sollten zuerst montiert werden, um bei der späteren Montage nicht zu sehr zu stören. Aus diesem Grund sollten die GPIO-Header zu den zuletzt zu montierenden Komponenten gehören.

Sobald Du eingerichtet bist, kannst Du deinen Lötkolben und die Rauchgasabsaugung einschalten und mit dem Löten beginnen.

Tipps zum SMD-Löten

SMD-Bauteile sind klein und schwierig zu löten. Die am einfachsten zu lötenden Bauteile sind die Widerstände und Kondensatoren. Fang am besten mit diesen Bauteilen an, um dich zunächst mit dem SMD-Löten vertraut zu machen, und gehe dann zu den schwierigeren ICs über.
Eine Kurzanleitung zum SMD-Löten ist unter sparkfun.com zu finden.

Besondere Vorsicht ist mit der Spitze des Lötkolbens und der Leiterplatte geboten: Zu viel Hitze und Schaben an den Pads kann die oberste Schicht der Leiterplatte entfernen oder sogar das Pad von der Leiterplatte abreißen. Im letzteren Fall ist es sehr wahrscheinlich, dass die Karte komplett ausbricht und unbrauchbar wird, je nachdem, mit welchem Pad dies passiert.

Arbeitsablauf beim Löten

Nahaufnahme eines Pads mit Lot und einem Widerstand

Nimm deine Stückliste und wählen einen der Widerstands-/Kondensatorwerte aus, mit dem Du beginnen möchtest, und identifizier die Pad-Beschriftung, wo das Teil platziert werden soll. Nimm nun deinen Lötkolben und erhitze eine Seite des Pads. Nach ein paar Sekunden des Erhitzens gib etwas Lötzinn auf das Pad. Nimm eines der Bauteile aus der Verpackung und fass es mit der Pinzette, wie auf dem Bild rechts dargestellt. Erhitze den Lotklecks und schieb das Bauteil von der Seite in das geschmolzene Lot. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kontakte des Bauteils bedeckt sind. Wird das Bauteil von oben in den Blob eingelegt, kann es zu Lötbrücken unter dem Bauteil kommen, die das Bauteil unbrauchbar machen.

Sobald eine Seite des Bauteils fixiert ist, ist es eine gute Übung, leicht auf das Bauteil zu drücken und das Lot wieder zu schmelzen. Dies hilft, das Bauteil bündig auf der Platine zu montieren. Obwohl dies nicht immer notwendig ist, hilft es, Lötbrücken zu vermeiden, besonders zwischen den Beinen von ICs.

Bauteil auf einer Seite angehoben (oben); nach unten gedrückt und nach dem Umschmelzen des Lots (unten)

Es ist eine gute Idee, die Bauteile auf der BOM durchzustreichen, sobald sie gelötet sind. Sollte am Ende eine Beschriftung auf der BOM unmarkiert bleiben, kannst du so kontrollieren, dass du kein Bauteil übersiehst.

Wenn du mit dem Löten aller Teile einer Art fertig bist, halte kurz inne und prüfe, ob kein Teil übersehen wurde. Fahre erst dann mit der nächsten Gruppe von Teilen fort.

Integrierte Schaltungen (ICs)

OWenn alle passiven Komponenten platziert und doppelt geprüft sind, können wir zu den integrierten Schaltkreisen übergehen. Das Löten dieser ist wesentlich schwieriger, insbesondere der ADC und der DAC (U401 & U402 in v3.x) haben einen sehr kleinen Padabstand. Lötbrücken sind fast unvermeidlich und müssen beseitigt werden.

Zuerst wird Lot auf ein Pad an einer Ecke des IC-Footprints aufgetragen. Dann wird das IC, genau wie die passiven Bauteile, in das geschmolzene Lot geschoben. Es ist sehr wichtig, dass alle Beine des ICs auf ihren jeweiligen Pads ausgerichtet sind. Fixiere nun eines der anderen Beinchen, vorzugsweise ein Beinchen auf der schräg gegenüberliegenden Seite. Die restlichen, noch nicht verlöteten Beinchen können nun auf der Platine verlötet werden.

Wenn Lötbrücken entstanden sind, müssen diese entfernt werden. Eine mögliche Methode zur Entfernung von Lötbrücken ist die Verwendung von Flussmittel. Flussmittel ist ein Gemisch aus mehreren Verbindungen, die den Aufbau von Oxiden auf dem Lotfleck entfernen und verhindern. Zusätzlich erhöht es die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes und fördert so das Aufspalten von Lötstellen. Daher kann die Verwendung einer guten Menge Flussmittel Lötbrücken beheben.

Wenn sich jedoch zu viel Lot auf den Pads befindet, können Brücken nicht einfach mit Flussmittel repariert werden. In diesem Fall müssen wir etwas Lot entfernen. Lötdochte sind für diese Aufgabe sehr nützlich, da ihr dichtes Kupfergeflecht das überschüssige Lot aufsaugt. Lege den Docht auf den Lotklecks und drücke mit dem heißen Lötkolben den Docht von oben auf das Lot. Nach einiger Zeit, wenn der Docht heiß genug ist, schmilzt das Lot und wird vom Docht aufgenommen. Entferne Docht und Lötkolben gleichzeitig, sonst wird der Docht stattdessen mit dem Pad verlötet, und das Ziehen am Docht kann in diesem Fall das Pad von der Platine abreißen.

Im Zeitraffer ist vielleicht zu erkennen, wie ich den ADC und DAC (U401 & U402 in v3.x) verlötet habe. Da das Rastermaß sehr klein ist und Lötbrücken sehr wahrscheinlich sind, habe ich mir nicht einmal die Mühe gemacht, sie zu vermeiden. Nachdem ich das IC auf einem Beinchen fixiert hatte, habe ich alle Pins und Pads in einem großen Klecks mit Lot versehen. Mit der Zugabe von Flußmittel wurde das meiste Lot mit dem Lötdocht entfernt, in der Hoffnung, daß etwas Lot unter den Beinen zurückbleiben würde. Auf den ersten Blick schien es zu funktionieren, aber das Testen der Platine zeigte, dass etwas nicht funktionierte. Da ich weiß, dass diese Technik nicht 100%ig zuverlässig ist, wurde das Problem durch ein schnelles Wiederaufheizen mit vorsichtiger Zugabe von kleinen Lotmengen behoben und die Platine war voll funktionsfähig.

Timelapse of IC soldering (link to youtube)

Steckverbinder

  • SMA Verbindungen: viel Hitze
  • UFL Verbindungen: viel Lot


Tipps und Tricks

Es gibt einige bekannte Punkte, die bei der Montage störanfällig sind und erhöhte Aufmerksamkeit erfordern. Im Folgenden finden Sie eine (wachsende) Liste dieser potenziellen Punkte und einige nützliche Hinweise, die sich aus unseren Montageerfahrungen sowie aus dem Feedback der Nutzer ergeben haben:

  • Die Kennzeichnung für Pin 1 von U102/U202 (SN74LVC1G3157) ist sehr schwer zu erkennen. Wenn Sie den IC so platzieren, dass Sie die aufgedruckte Gehäusemarkierung (z. B. durch eine Lupe oder ein Mikroskop) in normaler Ausrichtung, d. h. von links nach rechts, lesen können, dann sollte sich Pin 1 in der linken unteren Ecke befinden.
  • Achten Sie beim Löten des SMA-Steckverbinders für die Kantenmontage darauf, dass Sie der Spitze des Lötkolbens genügend Wärme (oder Strom) zuführen. Andererseits darf die Spitze nicht zu lange am Stecker verbleiben, da ein Übermaß an Hitze das Dielektrikum des Steckers beschädigen kann.
  • Seien Sie vorsichtig beim Löten der u.Fl (Miniatur-Koax) Stecker. Achten Sie darauf, dass das Lötzinn nicht den Steckerrand berührt! Tragen Sie reichlich Lötzinn auf die Gnd-Stifte auf, um den Abstand zu den seitlichen Pads zu überbrücken.
  • Die Strombegrenzungswiderstände für die LEDs in der Standard-BOM sind so gewählt, dass die LEDs ziemlich hell sind. Um die Helligkeit zu reduzieren, beachten Sie die Empfehlungen in diesem Forenbeitrag. Mit den voreingestellten Widerständen beleuchten die LEDs Ihr Zimmer nachts sehr intensiv :)

Testen des Boards

Anleitung:

  1. Bau die MuonPi-PCB wie in dieser Anleitung beschrieben zusammen
  2. Software Setup
  3. Hardware Setup

Um das fertig zusammengebaute Board zu testen, folge dem Software- und Hardware-Setup How-To. Wenn alles installiert und angeschlossen ist, ist der MuonPi bereit zum Booten. Seit der Version 2.0 des muondetector-deamon werden Standardwerte für die Schwellenwerte und die Bias-Spannung gesetzt. Mit diesen Voreinstellungen sollte die blaue Ch1-LED unregelmäßig zu blinken beginnen. Du siehst nun Partikel durch Ihren Szintillator laufen!

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