Schaltplan rekonstruieren und in LTspice prüfen

Ein Gerät läuft seit Jahren. Im Inneren steckt eine Platine, die den Strom für den Prozess regelt. Sie funktioniert, aber es gibt keinen Schaltplan, keine Stückliste und keinen Ansprechpartner beim Hersteller mehr. Jetzt soll eine neue Steuerung dazukommen, und plötzlich ist die Frage nicht mehr theoretisch: Was genau macht dieses Stück Elektronik, und was passiert, wenn etwas schiefgeht?

Genau diese Aufgabe hatte ich kürzlich auf dem Tisch. Das Vorgehen lässt sich auf viele Geräte übertragen, deshalb schreibe ich es hier auf.

Raten ist bei Leistungselektronik teuer

Bei Software kann man eine Vermutung ausprobieren. Stimmt sie nicht, läuft das Programm nicht, und man versucht etwas anderes. Bei Leistungselektronik ist dieser Weg verschlossen. Ein Denkfehler zeigt sich dort als Rauch, als zerstörter Transistor oder, im schlechten Fall, als Sicherheitsfunktion, die im Ernstfall nicht auslöst.

Dazu kommt: Fehler werden mit jedem Schritt teurer. Im Schaltplan kostet eine Korrektur Minuten. In der bestückten Vorserie kostet sie eine neue Platine und mehrere Wochen. Im Feld kostet sie einen Rückruf.

Deshalb lohnt sich der Aufwand, die Schaltung erst zu verstehen und dann rechnerisch zu prüfen, bevor überhaupt etwas gelötet wird.

Schritt 1: Den Schaltplan zurückholen

Am Anfang steht die Platine selbst. Aus hochauflösenden Fotos beider Seiten, den Bauteilbeschriftungen und einigen Messungen am stromlosen Gerät entsteht Netz für Netz ein vollständiger Schaltplan. Im konkreten Fall waren das sechs Blätter mit 177 Bauteilen, dazu Stücklisten und die Spannungspegel an den wichtigen Punkten.

Das ist Handarbeit, aber es ist die Grundlage für alles Weitere. Ohne diesen Plan lässt sich weder simulieren noch sauber erweitern, und niemand kann später nachvollziehen, warum die Schaltung so aussieht, wie sie aussieht.

Nebenbei entsteht dabei etwas, das vorher nicht existierte: eine Dokumentation, die auch dann noch trägt, wenn der nächste Umbau in zwei Jahren ansteht.

Schritt 2: Die Schaltung rechnen lassen

Mit dem Plan allein weiss man, wie die Schaltung aufgebaut ist. Man weiss noch nicht, wie sie sich verhält. Dafür kommt ein Simulator, in diesem Fall LTspice.

Die Schaltung wird Bauteil für Bauteil nachgebaut, mit denselben Namen und Werten wie im Plan. Für die aktiven Bausteine braucht es Modelle: Operationsverstärker mit ihrer echten Bandbreite und Anstiegsrate, Gate-Treiber mit ihrer Laufzeit, Komparatoren mit offenem Kollektor, Leistungstransistoren als physikalisches Modell. Die angeschlossene Last wird als Gegenspannung mit Innenwiderstand abgebildet.

Dann lässt man die Schaltung arbeiten. Jeder Lauf deckt 160 Millisekunden ab. Der Regler fährt hoch, läuft stabil, und zu einem festen Zeitpunkt tritt ein Ereignis ein. Diese Ereignisse sind der eigentliche Punkt:

Not-Aus wird geöffnet
der Watchdog schlägt an
die Temperaturüberwachung meldet zu heiss
das Lastkabel fällt im Betrieb ab und wird wieder angesteckt
Kurzschluss über der Last
Kurzschluss vom Ausgang gegen Masse
die Versorgungsspannung steigt oder bricht ein
das Netzteil fällt ganz aus
die Platine wird unter Spannung eingesteckt

Für jeden dieser Fälle gibt es eine klare Erwartung: Wie schnell ist der Strom null, wie hoch wird die Spitze, bleibt der Fehler gespeichert, läuft die Anlage danach wieder sauber an. Zwölf Fälle, jeder mit Messwerten statt mit Bauchgefühl.

Der Haken, den man leicht übersieht

Hier liegt eine Falle, die ich für den interessantesten Teil halte.

Eine Simulation lässt sich auf zwei Wegen beschreiben. Entweder zeichnet man die Schaltung als Plan, oder man schreibt sie als Netzliste, also als Textdatei, in der jedes Bauteil mit seinen Anschlüssen steht. Beide Wege funktionieren. Das Problem entsteht, wenn man beide benutzt.

Der gezeichnete Plan ist das, was Menschen lesen und prüfen. Die Netzliste ist das, was gerechnet wird. Sobald man an einer Stelle etwas ändert und an der anderen nicht, simuliert man eine andere Schaltung als die, die man dokumentiert hat. Das Ergebnis sieht dann sauber aus und ist trotzdem falsch, und zwar auf eine Weise, die beim Durchsehen fast nicht auffällt.

Ich habe das deshalb umgedreht. Die Netzliste ist die einzige Quelle. Aus ihr erzeugt ein kleines Programm den gezeichneten Schaltplan automatisch, mit richtigen Symbolen und echten Drähten statt nur mit Netznamen. Dafür liest es die Symboldateien des Simulators ein, holt sich die Lage der Anschlusspunkte und rechnet Drehungen und Spiegelungen mit, damit die Drähte wirklich an den Pins landen.

Danach kommt der Schritt, auf den es ankommt. Der Simulator exportiert aus dem gezeichneten Plan selbst wieder eine Netzliste. Ein Prüfprogramm vergleicht diese mit dem Original: jedes Bauteil, jeder Wert, jeder Anschluss. Die Netznamen dürfen abweichen, weil der Simulator eigene vergibt, aber die Zuordnung muss eindeutig sein. Am Ende steht eine Zahl, und die muss null sein.

Erst wenn alle 177 Bauteile mit gleichen Werten und gleichen Verbindungen bestätigt sind, ist klar: Der Plan, den ein Mensch liest, und die Schaltung, die gerechnet wird, sind dasselbe. Zur Gegenprobe läuft die Simulation einmal aus dem gezeichneten Plan und einmal aus der Netzliste. Beide müssen die gleichen Werte liefern.

Dieser Abgleich ist der Teil, der Vertrauen schafft. Ohne ihn ist eine Simulation eine Behauptung.

Was dabei herausgekommen ist

Fünf Punkte der Schaltung haben in der Simulation nicht funktioniert. Zwei davon hätten Sicherheitsfunktionen betroffen.

Ein Freigabesignal hätte nicht abgeschaltet. Ein Rücksetzpfad zog das Signal auf 5,4 Volt. Die Schaltschwelle des nachfolgenden Bausteins liegt bei 6 Volt. Das heisst: Das Signal, mit dem die Steuerung den Regler abschalten soll, wäre schlicht nicht angekommen. Ein Widerstand von 10 Kiloohm auf 2,2 Kiloohm bringt das Signal sicher über die Schwelle. Im Betrieb wäre das erst aufgefallen, wenn man abschalten muss.

Der Not-Aus war zu langsam. Ein Glättungskondensator in der Sicherheitskette liess das Signal erst nach 7,8 Millisekunden fallen. Mit einem Zehntel der Kapazität sind es 0,8 Millisekunden.

Ein Komparator war seiner Aufgabe nicht gewachsen. Ein Operationsverstärker war als Pulsweitenvergleicher eingesetzt. Bei kleinem Tastverhältnis blieb sein Ausgang auf der Schaltschwelle hängen, und dann leiteten die Transistoren der oberen und der unteren Seite gleichzeitig. In der Simulation flossen dabei 810 Ampere im Kurzschlussfall und 1150 Ampere beim Anlauf. Das ist der Fall, bei dem es eine Platine zerreisst. Ein echter Komparator mit Hysterese löst das.

Eine Schutzfunktion hatte eine blinde Stelle. Die Strommessung lag so, dass ein Kurzschluss vom Ausgang gegen Masse sie umging. Der Regler sah dann keinen Strom und regelte voll auf, bis 420 Ampere in der Drossel. Jetzt misst ein zweiter Shunt den Eingangsstrom. Die Abschaltung erfolgt nach 53 Mikrosekunden und arbeitet unabhängig vom Regler.

Eine Anforderung an die Firmware wurde sichtbar. Ein Rücksetzimpuls von einer Millisekunde genügt nicht, weil ein Kondensator den Fehlerspeicher länger hält. Die Freigabe muss nach einem Fehler mindestens zehn Millisekunden auf null bleiben. Solche Regeln findet man in der Simulation, nicht im Datenblatt.

Dazu kamen zwei Befunde aus dem Abgleich mit den Datenblättern. Ein Logikeingang war unbeschaltet, was nicht zulässig ist. Und die Ansteuerung der Gate-Treiber trieb 9,7 Milliampere durch eine Leuchtdiode, die höchstens 8 Milliampere verträgt. Beides ist korrigiert, und die Simulation bestätigt danach dieselben Betriebswerte wie vorher.

Was die Simulation nicht kann

Zwei Dinge sind mir wichtig, damit kein falscher Eindruck entsteht.

Eine Simulation ersetzt keine Messung an der fertigen Platine. Sie zeigt, ob die Schaltung grundsätzlich tut, was sie soll, und sie findet Denkfehler. Sie kennt aber keine Leiterbahnen, keine Einstreuungen und keine Toleranzen einzelner Bauteile. Aus der Simulation sind deshalb zusätzliche Prüfschritte für die Inbetriebnahme entstanden, unter anderem ein Weg, die Überstromschwelle ohne Leistung zu prüfen: Shunt noch nicht bestücken und an den Pads die entsprechende Spannung einspeisen.

Und die Modelle sind Vereinfachungen. Spannungsregler und Wandler laufen als ideale Quellen mit, weil sie auf das Regelverhalten keinen Einfluss haben. Der Eingangsschutz fehlt aus demselben Grund. Wer eine Simulation vorlegt, sollte sagen, was darin steckt und was nicht.

Wann sich dieser Weg lohnt

Nicht jedes Gerät braucht diesen Aufwand. Er zahlt sich dort aus, wo mehrere dieser Punkte zusammenkommen:

Es gibt keine Unterlagen, und die Platine soll weitergenutzt oder erweitert werden.
Es fliesst nennenswerte Leistung. Bei Strömen im zweistelligen Amperebereich sind Fehler sofort teuer.
Es gibt Sicherheitsfunktionen, die im Ernstfall wirken müssen, etwa Not-Aus, Übertemperatur oder Überstrom.
Eine neue Steuerung soll dazukommen. Dann muss man genau wissen, welche Pegel und Zeiten die bestehende Elektronik erwartet.
Das Gerät geht in Serie. Ein Fehler, der sich hundertfach ausliefert, ist etwas anderes als ein Fehler in einem Einzelstück.

Der Aufwand lag im geschilderten Fall bei einigen Tagen. Eine Vorserie neu aufzulegen, weil ein Komparator zu langsam ist, kostet mehr.

Wie das in meine übrige Arbeit passt

Der Ansatz ist derselbe wie bei alter Software: erst verstehen, dann dokumentieren, dann prüfen, dann ändern. Bei Software liest man Quellcode, bei Elektronik liest man eine Platine. Das Ziel ist gleich, nämlich ein System, das man wieder beherrscht, statt eines, das man nur noch bedient.

Wenn bei Ihnen ein Gerät läuft, dessen Elektronik niemand mehr erklären kann, und Sie daran etwas ändern wollen, schauen wir uns das gemeinsam an. Wie das abläuft und was Sie dabei in die Hand bekommen, steht unter Elektronik und Schaltungsanalyse. Für Software gibt es dasselbe als Software-Check.