Von der Idee zum Produkt: So läuft die Entwicklung eines elektronischen Geräts ab

Jedes elektronische Gerät – vom einfachen Sensor bis zur Industriesteuerung – durchläuft ähnliche Entwicklungsphasen. Die Unterschiede liegen im Umfang, nicht in der Reihenfolge. Wer diese Phasen kennt, plant Budget, Termine und Risiken leichter, ganz gleich, ob er das Gerät selbst, mit einem Partner oder bei einem externen Entwicklungsdienstleister entwickelt. Nachfolgend beschreiben wir den typischen Ablauf eines Projekts, wie wir es bei Selektronik umsetzen, und weisen auf die Stellen hin, an denen Projekte am häufigsten ins Stocken geraten.

Phase 1: Anforderungen und Spezifikation

Alles beginnt mit der Frage, was das Gerät leisten muss und unter welchen Bedingungen. Eine gute Spezifikation ist kein langes Dokument, muss aber folgende Punkte beantworten:

• Funktion: welche Eingänge, Ausgänge und Schnittstellen (USB, RS-485, Ethernet, Bluetooth, LoRa), welche Messgenauigkeit.
• Stromversorgung: Batterie, USB, 24 V industriell, 230-V-Netz; die erwartete Laufzeit.
• Umgebung: Temperaturbereich, Feuchtigkeit, Staub, Vibrationen, Innen- oder Außeneinsatz, erforderliche IP-Schutzart.
• Regulatorik: CE (EMV, Niederspannung, RED für Funk), RoHS, gegebenenfalls Normen aus dem Automobil- oder Medizinbereich.
• Stückzahlen und Zielpreis: 20 Stück für ein internes Projekt oder 20.000 Stück für den Markt bedeuten eine völlig andere Architektur.
• Termin: wann der erste Prototyp funktionieren und wann das Produkt auf dem Markt sein muss.

Der Fehler, den wir am häufigsten sehen: Die Anforderungen ändern sich, nachdem die Platine bereits gefertigt ist. Jede Änderung in dieser Phase kostet eine Stunde Gespräch, dieselbe Änderung nach dem Prototyp eine neue Fertigungsrunde.

Phase 2: Architektur und Bauteilauswahl

Aus den Anforderungen entsteht ein Blockschaltbild: Mikrocontroller, Stromversorgung, Sensorik, Kommunikation, Schutzbeschaltung. Es folgt die Auswahl der Schlüsselbauteile, bei der wir berücksichtigen:

• Verfügbarkeit und Lebenszyklus (wir wählen keine Bauteile mit dem Vermerk „not recommended for new designs“),
• den Preis bei der Zielstückzahl,
• die Verfügbarkeit von Entwicklungswerkzeugen und Bibliotheken,
• Alternativen (Second Source) für kritische Bauteile.

In dieser Phase entscheiden wir auch über die Lagenanzahl der Leiterplatte, die Bestückungstechnologie (SMD, THT, gemischt) und die Art des Gehäuses. Das Ergebnis ist eine Schätzung der Materialkosten (BOM-Kosten), die wir mit dem Zielpreis vergleichen.

Phase 3: Schaltplan

Der Schaltplan beschreibt jede Verbindung exakt. Wir zeichnen ihn in einem professionellen Werkzeug (KiCad, Altium) mit Bibliotheken, in denen jedes Bauteil ein geprüftes Symbol, einen Footprint und eine Herstellerteilenummer hat. Bewährte Praxis:

• der Schaltplan ist nach Funktionsblöcken auf mehrere Blätter aufgeteilt,
• jeder Block enthält Kommentare zu seinem Zweck und zu den wichtigsten Berechnungen (Spannungsteiler, Filter, Strombegrenzungen),
• an allen externen Anschlüssen ist eine Schutzbeschaltung vorgesehen (TVS-Dioden, Sicherungen, ESD),
• Testpunkte und die Programmierschnittstelle sind Teil des Schaltplans und kein nachträglicher Gedanke.

Vor dem Layout prüfen wir den Schaltplan mit einem ERC (Electrical Rules Check) und idealerweise durch einen Kollegen, der das Projekt nicht kennt.

Phase 4: Leiterplattenlayout

Das Layout überführt den Schaltplan in eine physische Platine. Hier entscheidet sich, wie sich das Gerät hinsichtlich EMV und Wärme verhält und ob sich die Platine überhaupt bestücken lässt. Die Reihenfolge:

1. Festlegen der Kontur und der mechanischen Randbedingungen (Bohrungen für Schrauben, Position der Steckverbinder, Bauteilhöhen in Bezug auf das Gehäuse).
2. Platzieren der Bauteile nach Funktionsblöcken: das Netzteil getrennt von den Analogteilen, die Antenne am Rand, die Treiber nahe an den Steckverbindern.
3. Zuerst die kritischen Verbindungen entflechten: Versorgung, schnelle Signale, differenzielle Paare, Analogsignale.
4. Masseflächen, thermische Vias, DFM-Prüfung.
5. DRC und Export von Gerber-Daten, Stückliste und Bestückungsdatei.

Parallel dazu entsteht bereits das 3D-Modell des Gehäuses, denn Platine und Gehäuse passen sich gegenseitig an: Die Position von LEDs, Tastern und Steckverbindern muss auf den Zehntelmillimeter abgestimmt sein.

Phase 5: Prototyp

Der erste Prototyp muss nicht perfekt sein; er soll Fehler so schnell wie möglich aufdecken. Typischerweise fertigen wir 3 bis 5 Platinen, bestücken sie und dann:

• prüfen wir die Stromversorgung ohne die Bauteile, die ein Fehler zerstören würde (schrittweises Einschalten),
• spielen eine Basis-Firmware auf und prüfen die Kommunikation mit allen Peripheriebausteinen,
• messen Stromaufnahme, Temperaturen und Signale mit dem Oszilloskop,
• prüfen die mechanische Passung in einem 3D-gedruckten Gehäuse.

Fast jeder erste Prototyp braucht einige Korrekturen: ein falscher Footprint, ein vertauschter Steckverbinderpin, zu wenig Filterung. Das ist normal und günstiger, als auf Perfektion zu warten. Es ist bewährte Praxis, vor der Serie von vornherein zwei Platineniterationen einzuplanen.

Phase 6: Firmware und Tests

Parallel zur Platine entsteht die Firmware. Dabei berücksichtigen wir die Möglichkeit von Updates (Bootloader), ein sicheres Verhalten bei Stromausfall und eine Diagnose, die die Fertigung für die Prüfung nutzen kann.

Die Tests umfassen:

• Funktionstests: Für jede Anforderung aus der Spezifikation gibt es einen Test.
• Umweltprüfungen: Betrieb an den Temperaturgrenzen, bei Feuchtigkeit und Vibrationen, bei Bedarf in der Klimakammer.
• Zuverlässigkeitstests: Dauerbetrieb, Ein-Aus-Zyklen, ESD an den Anschlüssen.
• EMV-Vormessungen: Störaussendung und Störfestigkeit im Labor oder mit eigener Ausrüstung, bevor das Gerät zur offiziellen Prüfung geht.

Phase 7: CE-Kennzeichnung und EMV

Jedes Gerät, das in der EU verkauft wird, benötigt die CE-Kennzeichnung und eine Konformitätserklärung. Für Elektronik sind die wichtigsten Richtlinien:

Der Hersteller kann die Konformitätserklärung auf Grundlage von Prüfungen in einem akkreditierten Labor oder eigener Messungen selbst ausstellen. Der Einsatz zertifizierter Funkmodule vereinfacht den RED-Teil erheblich. Die Kosten einer EMV-Prüfung liegen je nach Umfang zwischen einigen Hundert und einigen Tausend Euro; ein nicht bestandener Test und ein zweiter Termin sind der Grund, warum wir die EMV bereits im Layout berücksichtigen.

Phase 8: Gehäuse und Mechanik

Für Prototypen drucken wir das Gehäuse im 3D-Drucker (FDM oder SLA), sodass sich Ergonomie und Montage an einem Tag prüfen lassen. Für Serien entscheiden wir zwischen:

• 3D-Druck (bis zu einigen Hundert Stück),
• CNC-Bearbeitung von Aluminium (Kleinserien, Robustheit, EMV-Schirmung),
• Anpassung eines Standardgehäuses (Hammond, Bopla, OKW) mit CNC-Ausschnitten und Bedruckung,
• Kunststoffspritzguss (ab etwa 1000 Stück; das Werkzeug ist eine Anfangsinvestition).

In allen Fällen sind Toleranzen, IP-Schutz, Zugang zu den Steckverbindern und Wärmeableitung entscheidend; ausführlich beschreiben wir das in einem eigenen Artikel zur 3D-Gehäusekonstruktion.

Phase 9: Vorbereitung der Serie und Fertigung

Bevor das Produkt in Serie geht, erstellen wir die Fertigungsunterlagen: endgültige Gerber-Daten, eine Stückliste mit Alternativen, Bestückungsdaten, Montagezeichnungen, Prüfanweisungen und einen Prüfadapter (Test Jig), der jedes Gerät in wenigen Sekunden prüft. Eine Pilotserie (z. B. 20 bis 50 Stück) validiert den gesamten Ablauf, danach folgt die Serie.

Für die Serie legen wir außerdem Rückverfolgbarkeit (Seriennummern, Revisionen), Verpackung und Anleitungen fest. Jede Änderung am Produkt nach diesem Punkt durchläuft ein Änderungsmanagement, damit die Fertigung immer weiß, welche Revision gilt.

Typischer Zeitrahmen

Insgesamt also von etwa drei Monaten für ein einfaches Gerät bis zu einem Jahr für ein anspruchsvolleres Produkt mit Funk und Zertifizierung.

Sie benötigen Unterstützung?

Bei Selektronik begleiten wir Projekte durch alle beschriebenen Phasen: von der Spezifikation und dem Schaltplan über das Leiterplattenlayout und die Bestückung der Prototypen bis zum 3D-Gehäuse, zur Vorbereitung der Zertifizierung und zur Serienfertigung. Wenn Sie eine Idee oder ein bestehendes Gerät haben, das Sie verbessern möchten, schreiben Sie uns an info@selektronik.si oder informieren Sie sich über unsere komplette Produktentwicklung; für die Platinen Ihrer Prototypen zeigt der Leiterplatten-Konfigurator sofort eine Preisschätzung.