Elektronik Weblog
Winfried Mueller
www.reintechnisch.de
14.06.2014 :: Verstärker Modul mit PAM8403
Ich brauchte einen kleinen Verstärker, wollte mir eine kleine Box fürs Handy bauen. Also mal auf Ebay etwas rumgesucht und erstaunlich günstige Boards gefunden: Stereoverstärker mit 2x3 Watt ab 1 Euro direkt aus Hongkong oder China. Ich dachte, ich kaufe mal nicht die allerbilligsten Boards, es gab da noch eine etwas andere Machart vom Platinenlayout für 4,99 Euro für 2 Boards. Die sahen mir von der Kondensator-Bestückung besser aus.
Bestellungen aus China oder Hongkong dauern natürlich etwas. Auch sollte man nicht über 20 Euro Warenwert bestellen, weil man ansonsten zum Zoll muss.
Ich hab die letzten Tagen dann mal mit diesen Boards experimentiert. Der erste Eindruck war recht gut. Schon interessant, was man aus diesen kleinen Modulen - so groß wie eine Briefmarke - so an Sound herausbekommt.
Doch dann bemerkte ich nach einiger Zeit ganz unschöne Artefakte im Tongemisch. Es ist wie ein Rauschen, aber kein Hintergrundrauschen, sondern direkt im Vordergrund hörbar. So wie es manchmal klingt, wenn man einen Sender im Radio nicht richtig eingestellt hat. Ein Krächzen im Nutzsignal. Nach zahlreichen Tests fand ich heraus, dass es bestimmte Musik gibt, da ist das so penetrant im Vordergrund, die kann man unmöglich darauf hören. Das betrifft oft meditative oder ruhigere Musik, teilweise aber auch bestimmte Trommelmusik. Auch Flöten oder Klavierstücke, bei denen man klare Töne hören müsste, klingen völlig verzerrt.
Interessant ist, dass es Stücke gibt, da hört man nicht mal bei genauem Hinhören etwas, andere Stücke hingegen sind so schlecht, das hält man gar nicht aus. Das geht einfach nicht, nicht mal für geringe Ansprüche.
Das ist nun echt schade, weil diese Platinen an sich wirklich interessant sind. Man kann damit sehr einfach bei kleinen Betriebsspannungen und hoher Effizienz Audio verstärken. 3Watt bei 5 V ist ja schon was und selbst bei 3,6 Volt geht noch einiges, womit er sich gut für Akkus eignet.
Woher kommt das Problem? Der Chip ist ein Class-D Verstärker, der über eine recht hohe Schaltfrequenz und rein digitaler Signalausgabe über PWM das Audiosignal generiert. Das filterlose Design am Ausgang lässt direkt den Lautsprecher durch seine Trägheit als Filter arbeiten. Es ist bekannt, dass es bei solchen digitalen Verstärkern zu unschönen Intermodulationen zwischen Audiosignal und Schaltfrequenz kommen kann. Und dieser Chip ist auf absolut Low-Cost designt, weshalb diese Effekte hier wohl relativ stark auftreten.
Versuche, einen Lowpass-Filter vor die Lautsprecher zu hängen (jeweils 22uH/470nF an beide Ausgänge gegen Masse), brachte auch nicht viel. Zumindest sieht man aber nach so einem Filter dann vernünftig das Audio-Signal auf einem Oszi. Das zeigt ohne Filter ja nur PWM an.
Ich hab dann mal eine Tongenerator-App im Handy gestartet und bin mal den ganzen Frequenzbereich durchgegangen. Den Lautsprecher-Output hat dann ein Android Tablett mit Mikrofon aufgenommen, wo eine Frequenzanalyse lief (Spektrumanalyzer). Dort sieht man dann sehr schön, dass neben der eigentlichen Frequenz jede Menge Peaks an ganz anderen Stellen zu finden sind. Gerade im unteren Frequenzbereich bis 1KHz ist das schon extrem unsauber.
Theoretisch vorstellbar wäre, dass aus irgendeinem Grund meine Module oder die Chips, die darauf sind, irgendeine Macke haben. Beide Module verhalten sich übrigens gleich. Auch wenn es einen gut nachvollziehbaren Grund für die Problematik gibt, die Stärke der Ausprägung überrascht mich doch. Denn das ist so schlecht, sowas kann man eigentlich in keinem noch so billigen Gerät einbauen. Und welcher Hersteller produziert Chips, die sich eigentlich in keinem Consumerprodukt verkaufen lassen? Es sei denn, man hat Lautsprecher, die das irgendwie verschleiern können. Ich hatte ein paar recht hochwertige Breitbandlautsprecher mit 5cm Durchmesser und 4 Ohm dran, ähnlich Visaton FRWS 5. Aber auch ein paar preiswerte Boxen von einer Mini-Stereoanlage gaben kein viel besseres Klangbild.
Es gibt aber auch zahlreiche Leute im Netz, die den Sound gut finden und keinerlei Probleme beschreiben. Alles etwas merkwürdig. Kann aber auch sein, dass heutzutage soundmäßig die meisten ziemlich degeneriert sind. Ist nicht das erste mal, dass ich etwas grottenschlecht finde, was andere toll finden.
Vielleicht werde ich demnächst nochmal von einem anderen Lieferanten was ordern und gegentesten. Denn meine Boxen sind nun schon fertig und ich brauch jetzt irgendeinen funktionierenden Verstärker. LM386 scheidet aus, weil ich nur 3,6 V zur Verfügung habe. Ok, man könnte noch einen Step-Up-Regler verbauen, dann wäre es egal. Dabei wollte ich es doch mal schön einfach...
Nachtrag 14.12.2016: Christian hat mir geschrieben. Bei seinen Tests mit dem Baustein gabs definitiv nicht diese Klangprobleme. Das würde dafür sprechen, dass es doch kein grundsätzliches Problem mit dem Baustein gibt und nur meine Charge irgendwie problematisch war.
Nachtrag 20.12.2016: Christian hat mir 2 seiner Module geschickt. Und was soll ich sagen: Die Teile funktionieren absolut erstklassig. Es ist also kein grundsätzliches Problem mit dem Chip. Diese funktionierenden Module sind derzeit bei Amazon im 10er Pack für 3,17 Euro zzgl. 1,99 Euro Versand zu bekommen. https://www.amazon.de/dp/B00X6LBUOA
28.07.2011 :: Tiny13 Blinker für's Geocaching
Für's Geocaching musste ein Dauer-Blinker her. Nachdem ich diverse Schaltungen mit diskreten Bauteilen ausprobiert hatte, erschien mir die Variante mit einem Tiny13 doch sehr sinnvoll. Diese Lösung ist recht stromsparend und man kann durch Programmänderung weitere Gimmicks einbauen und die Blinkzeiten variieren.
Hier die Lösung:
Die Rechnung des Stromverbrauches hatte ich noch für 1s Blinkrhythmus gemacht. Bei 3s Blinkrhythmus und 3ms Einschaltzeit, hat man ein Tastverhältnis von 1000, was dann nur noch einem Dauerstrom-Äquivalent von 30uA entspricht. Der Tiny selber braucht im gewählten Sleep-Modus noch ca. 10-20uA Ruhestrom, Gesamtstrombedarf also etwa 50 uA. Damit halten die 2 Microzellen (AAA) etwa 2 Jahre Dauerblinken durch. Ein recht brauchbarer Wert.
Der Einfachheit halber wurde die LED ohne Vorwiderstand betrieben. Ich wollte alle Bauteile einsparen, die nicht unbedingt nötig sind. Diese Beschaltung ist bei 3V recht unkritisch, weil der Ausgang des Tinys nicht sonderlich niederohmig ist und er damit selber den Strom auf ca. 30mA begrenzt. Auch den 100nF Kondensator für die Betriebsspannung hab ich weggelassen.
Beim direkten Verlöten von AAA-Zellen muss man etwas vorsichtig sein. Am besten Blei-Lötzinn verwenden (fließt besser), mit feinem Schleifpapier anschleifen und dann ganz zügig löten (<1Sekunde).
Brownout und Watchdog wurden wg. Stromsparen ausgeschaltet, ebenso alle anderen Sachen, die nicht benötigt werden. Hier das Programm:
; Simple-Blinker für Geocaching-Zwecke
; 17.07.2011; Winfried Mueller; www.reintechnisch.de
;
; PORTB
; PB0: IN P not used
; PB1: IN P not used
; PB2: OUT LED (L-Aktiv)
; PB3: IN P not used
; PB4: IN P not used
; PB5: IN Reset
;Fuses: Kein BOD, kein Watchdog
.include "tn13def.inc"
.equ TIMSK = TIMSK0
.equ TCCR0 = TCCR0B
.equ P_LED = 2
.def a = r16
.def b = r17
.def t0cnt = r19
.def sSREG = r1
.def i_a = r18
.equ TM0_PRESET = 255 - 50
; ----------------- Interrupt Vektoren --------------------
; Vektoren
rjmp Main ;RESET
reti ;EXT_INT0
reti ;PIN_CHANGE
rjmp TIMER0 ;Timer 0
reti ;EE_RDY
reti ;COMPERATOR
reti ;TIM0_COMPA
reti ;TIM0_COMPB
reti ;WDT
reti ;ADC
TIMER0:; ----------------- Timer0 ISR ----------------------------
; Einsprung alle 100ms
in sSREG, SREG
ldi i_a, TM0_PRESET
out TCNT0, i_a
inc t0cnt
out SREG, sSREG
reti
.MACRO LED_OFF
sbi PORTB, P_LED ; LED Off
.ENDMACRO
.MACRO LED_ON
cbi PORTB, P_LED ; LED On
.ENDMACRO
.MACRO INIT
;Init Stack
ldi a, RAMEND
out SPL, a
;Watchdog Timer off
cli
wdr
ldi a, 0
out MCUSR, a
in a, WDTCR
ori a, (1<<WDCE) |(1<<WDE)
out WDTCR, a
ldi a, (0<<WDE)
out WDTCR, a
sei
;INT
ldi a, 0b00000000
out GIMSK, a
ldi a, 0b00000010
out TIMSK, a
;Timer
ldi a, 0b00000100 ;Prescale Timer = 256 (2ms bei 128KHz)
out TCCR0, a
ldi a, TM0_PRESET ;alle 100ms
out TCNT0, a
;Init IO
ldi a, 0b00011111
out PORTB, a
ldi a, 0b00000100
out DDRB, a
;Init EEprom
CBI EECR, EERIE ;kein EEPROM Interrupt
;Init Comparator/ADC (ausschalten)
sbi ACSR, ACD ;Analog Comp Off
cbi ACSR, AINBG ;URef off
cbi ADCSRA, ADEN ;ADC Off
;Idle Sleepmode
ldi a, 0b00100000
out MCUCR, a
.ENDMACRO
Main: INIT
m0: LED_ON
ldi a, 3
rcall wait_ms
LED_OFF
clr t0cnt
pause: sleep
cpi t0cnt, 30
brcc m0
rjmp pause
;Übergabe: a - Länge= 1ms * a (a:1..255)
wait_ms:
wms0: ldi b, 24
wms1: wdr
wdr
dec b
brne wms1
dec a
brne wms0
ret
19.02.2011 :: Löten von SMD-IC's
http://www.youtube.com/watch?v=5uiroWBkdFY
08.02.2007 :: Elektromagnetische Verträglichkeit in der Fahrzeugtechnik
Ein paar interessante Informationen findet man in einer Vorlesung der TU-Braunschweig: http://www.ifr.ing.tu-bs.de/lehre/vorlesungen_dyn.php?id=8
03.05.2007 :: ESD Tests
Ein schöner praxisbezogener Artikel zu ESD-Tests mit ein paar Maßnahmen für gutes ESD-Design: http://www.sigcon.com/Pubs/news/4_13.htm
03.05.2007 :: Entstörung AVCC
Hier ein Beitrag, wie man bei Mikrocontrollern die analoge Stromversorgung (AD-Wandler) gegenüber der Digitalversorgung entkoppelt: http://www.signalintegrity.com/Pubs/edn/cleanpower.htm
23.04.2007 :: Reaktivlicht mit AVR ATtiny 13
Ein Reaktivlicht ist eine Spezialität von Geocachern. Also den Leuten, die im Wald oder sonstigem Gelände Dinge verstecken (Versteck=Cache), die andere meist mithilfe von GPS Geräten finden sollen. Eine amüsante Form der Freizeitbeschäftigung mit dem Vorteil, etwas an die Frische Luft zu kommen.
Ein Reaktivlicht wird meist bei Nachtcaches genutzt. Ein kleines Gerät mit einer Leuchtdiode irgendwo versteckt. Wenn man den Schein seiner Taschenlampe draufhält, fängt die Leuchtdiode an zu blinken. Damit weiß man, wo genau das Versteck ist.
Man kann diese Idee noch beliebig weiter ausformulieren. Ein Reaktivlicht gibt z.B. nur dann Feedback, wenn man einen Morsecode mit der Taschenlampe aussendet. Damit ist Fehlauslösung von Nicht-Eingeweihten ausgeschlossen.
Gerade wenn man einen Mikrocontroller benutzt, ist der Möglichkeitsspielraum sehr groß.
Die Community auf http://www.geoclub.de hat viel Mühe in eine wunderbare Anleitung gesteckt, nach der man so ein Reaktivlicht nachbauen kann. Schaltplan, Software, Funktionsprinzip und auch Erweiterungsideen findet man dort. Unter der speziell eingerichteten Domain http://www.reaktivlicht.de werdet ihr fündig.
Ich erwähne es hier, weil es ein wunderbares Einsteigerprojekt für AVR-Controller ist. Weil die Anleitung für Laien geschrieben ist, steht dort auch viel darüber, wie man überhaupt mit AVR-Controllern umgeht. Bei der Softwareerstellung werden sowohl C wie auch Basic (BASCOM) benutzt.
Interessant ist auch, dass die Leuchtdiode als auch Lichtsensor verwendet wird, womit die Schaltung total einfach wird. Dieses Prinzip kann man sich auch gut in viele andere Projekte integrieren.
Weblinks:
- http://de.wikipedia.org/wiki/Geocaching - Wikipedia zu Geocaching
- http://www.geoclub.de - Geoclub Forum
- http://www.reaktivlicht.de - Reaktivlicht Kochbuch
09.04.2007 :: UBE BC547 bei niedrigen Strömen
Mitunter ist es wichtig zu wissen, wann ein Transistor beginnt, leitend zu werden. Gerade bei großen Verstärkungsfaktoren können bereits sehr kleine Basisströme schon beträchtliche Kollektorströme bewirken. Wie die Tabelle zeigt, geht das bereits ab etwa 0.4 Volt los. Transistor ist ein BC547
| IB/uA | UBE/mV |
|---|---|
| 0.1 | 410 |
| 0.5 | 470 |
| 1 | 485 |
| 5 | 530 |
| 10 | 550 |
| 20 | 570 |
| 50 | 600 |
21.03.2007 :: Charlieplexing Trick bei LED-Ansteuerung
Wer viele LED's ansteuern will, braucht intelligente Schaltungen, die Portpins sparen. Eine Technik ist das sogenannte Charlieplexing. Mit N Portpins kann man N*(N-1) LED's ansteuern. Mit 6 Pins also z.B. 30 LED's. Im Multiplexing-Verfahren natürlich.
Wegen des Multiplexingverfahren kommt man allerdings auch schnell an Stromgrenzen, die von einem Controller getrieben werden können. Dann braucht es zusätzlich Treiber. Oder man verwendet sehr stromsparende Leuchtdioden, die mit 1-2 mA auskommen.
Mehr dazu unter folgenden Weblinks oder einfach mal mit Google nach [Charlieplexing] suchen:
- http://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing
- http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1880
- http://www.tinaja.com/glib/muse152.pdf
- http://attiny.com/kitt.htm
28.02.2007 :: Dimensionierung von Schaltnetzteilen
Hier ein cooler Link zur Dimensionierung von Schaltnetzteilen: http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/smps.html
13.12.2006 :: Interessante Spannungsregler bei Reichelt
In Sachen Spannungsregler tut sich in den letzten Jahren sehr viel. Der legendäre 7805 brauchte z.B. noch 3 Volt Spannungsunterschied Minimum zwischen Ein- und Ausgang, um korrekt zu funktionieren. Low-Drop Regler (LDO's), die mit 0.5 Volt auskommen, gibt es schon länger. Mittlerweile gibt es jedoch schon Regler, die nur noch eine 10-100mV höhere Eingangsspannung brauchen.
Ein solcher Vertreter ist der ZLDO33 (3.3V) und der ZLDO500 (5V). Beide kommen von der Firma Zetex und sind über Reichelt zu bekommen. Stückpreis liegt bei etwa 1 Euro. Bis 10mA kommen die mit einer 6mV höheren Eingangsspannung aus. Bis 100mA mit 30mV und bei 300mA sind es 100mV.
Ein spezieller Ausgang gibt sogar noch ein Low-Batterie-Alarm aus. Damit kann man z.B. einen Mikrocontroller informieren, dass bald die Batterien alle sind.
Die Eigenstromaufnahme liegt mit 0.5-1mA schon recht gut, es gibt allerdings auch sparsamere Regler. Im Shutdown braucht er nur noch 10-30uA. Über einen Pin kann der Regler in den Shutdown gefahren werden.
Eine weitere Firma, die recht interessante Spannungsregler baut, ist Micrel.
Weblinks:
20.11.2006 :: Wie lange halten Elektrolytkondensatoren
Elektrolytkondensatoren sind Bauteile in einer elektronischen Schaltung, die relativ schnell altern. Sie sind meist dafür verantwortlich, wenn nach Jahren Probleme mit der Funktionsweise eines Gerätes auftreten. Viele andere Bauteile, wie Halbleiter, Keramik- und Folienkondensatoren oder Widerstände haben hingegen kaum zeitlich limitierende Wirkung, können also problemlos 30-50 Jahre oder länger funktionieren.
Bei Elkos wird oft eine Lebensdauer bei einer Maximaltemperatur angegeben. Und die ist dann sehr gering. Typische Werte liegen bei wenigen tausend Stunden bei 80-105 Grad Celsius. Ein Jahr hat etwa 10000 Stunden, womit klar wird, wie wenig das ist.
Vishay als Hersteller von Kondensatoren, hat eine kleine Tabelle veröffentlicht, wo man nachschauen kann, um wie viel sich die Lebensdauer erhöht, wenn die Temperatur entsprechend geringer ist.
Als Daumenwert können diese Werte hier dienen. Sie beziehen sich auf die Lebensdauer bei einer maximal angegeben Temperatur. Bleibt man entsprechend darunter, ergibt sich eine Verlängerung um L.
| Temperaturreduzierung | L |
| -10 | 2 |
| -20 | 4 |
| -30 | 8 |
| -40 | 16 |
| -50 | 32 |
| -60 | 64 |
| -70 | 128 |
| -80 | 256 |
Im Grunde also immer eine Verdopplung der Lebensdauer pro -10 Grad. Für ein typisches Beispiel (85 Grad 2000 Stunden), wären das dann:
| Temperatur | Lebensd. Stunden | Lebensd. Jahre |
| 25 Grad | 128000 | 15 |
| 35 Grad | 64000 | 7 |
| 45 Grad | 32000 | 4 |
| 55 Grad | 16000 | 2 |
Die Lebensdauer in Jahren unter der Annahme, dass das Gerät permanent dieser Temperatur ausgesetzt ist, was oft nur im Betrieb der Fall ist (Erwärmung durch Leistungslektronik.).
Wichtig ist hier zu sehen: Standard-Elkos begrenzen die Lebensdauer von Geräten auf etwa 15 Jahre. Die Werte werden aber streuen und reale Werte sind oft viel besser, als spezifizierte. So kann man wohl eher von 15-30 Jahren ausgehen, wenn die Temperatur bei etwa 20-30 Grad liegt.
Insofern sollte man auch darauf achten, in seine Schaltungen keine alten Elkos einzubauen. Zumindest dann, wenn die Schaltung viele Jahre funktionieren sollte. Restposten oder Ware unbekannter Herkunft kann durchaus schon 10-15 Jahre irgendwo gelagert haben.
Man kann auch besser spezifizierte Elkos verwenden, hier gibt es große Unterschiede in der Qualität. Longlife-Typen halten z.B. 3000 Stunden bei 105 Grad, das wären dann schon 90 Jahre Lebensdauer bei 25 Grad.
Das wichtigste im Schaltungsdesign ist aber, dass man die Temperaturbelastung der Elkos gering hält. Elkos sollte man also nicht direkt neben einem Kühlkörper platzieren, der 50 Grad warm wird.
Auch gilt es zu bedenken, dass Alterungsprozesse die elektrischen Eigenschaften der Elkos verändern. Eine Schaltung muss also so designt sein, dass diese Veränderungen nicht zu einem Ausfall des Gerätes führen. Die Schaltung muss also in einem entsprechenden Fenster von elektrischen Eigenschaften funktionieren.
Wenn man ältere Geräte repariert, ist es oft eine gute Idee, sich die Elkos anzuschauen, die durch das Gerät im Betrieb aufgewärmt werden. Die könnten defekt sein.
Weblinks:
19.11.2006 :: Tests Layoutausdrucke
Ich experimentiere gerade mit Layout-Ausdrucken auf Standard-Papier, um die Leiterplattenherstellung zu optimieren. Grundsätzlich funktioniert die Methode, auf einem Standard-Druckerpapier auszudrucken und damit zu belichten, für einfache Platinen recht gut. Einfach meint 0.4mm Leiterzüge, die auch zwischen 2 Lötaugen im 100mil Raster noch durchgezogen werden.
Als Papier verwendete ich Xerox Performer Laser Copier für etwa 4 Euro pro 500 Blatt. Es ist ein preiswertes vernünftiges Papier. Ich denke aber, dass Papier in dieser Preisregion alle ähnliche Qualitäten aufweisen.
Zum Belichten nehme ich einen Gesichtsbräuner mit 4 x 15 Watt Röhren. In 8 cm Abstand dauert es dann ca. 15-20 Minuten. Das Layout ist in einem 4mm Glas-Belichtungsrahmen eingespannt, der sicherlich einiges an UV schlucken wird, weil es normales Fensterglas ist.
Wenn man sich das Layout anschaut, sehen die Ausdrucke recht gut aus. Schaut man sie sich allerdings unter einem Mikroskop mit 50facher Vergrößerung an, fragt man sich, wie daraus überhaupt eine vernünftige Platine entstehen kann. Überall findet man Löcher, wo UV-Licht hindurchkommen kann. Die gefertigte Platine hingegen hat kaum Löcher in den Leiterzügen. Mit bloßen Auge konnte ich überhaupt nichts erkennen, nicht mal mit einer Lupe mit 10 facher Vergrößerung. Erst ein Blick unterm Mikroskop (50fach) zeigte an ganz wenigen Stellen extrem kleine Löcher. Die vielen kleinen Löcher im Layout werden also bei weitem nicht auf der Platine wirksam. Warum auch immer...
Hier ein paar Bilder:
Ausdruck mit einem Laserdrucker Brother HL1260. Das Bild zeigt ein Lötauge mit etwa 1.6mm Außendurchmesser. Man sieht viele recht kleine Löcher, wo ein Tonerauftrag fehlt. Der Laserdrucker ist allerdings schon 8 Jahre alt, die Bildtrommel nicht mehr die Beste.
Ausdruck mit einem Tintenstrahldrucker Canon Pixma 4300, allerdings nicht mit Originaltinte, sondern mit recht guter Inktec Nachfülltinte. Die Originaltinte druckte etwas dichter, trotzdem waren auch da immer mal wieder Löcher, die ähnlich groß waren.
Ausdruck mit einem Laserdrucker HP4L. Dieser erzeugt mit Abstand die beste Deckkraft, nur wenige Stellen sind nicht geschwärzt. Allerdings auch hier, es gibt sie: Stellen, die Löcher aufweisen.
Verblüffend: Ein fast neuer Kyocera FS1010, dessen Druckergebnis erstmal ganz gut aussah, unter'm Mikroskop aber sehr schlecht abschneidet. Das Layout ist total löchrig. Das offenbart sich auch, wenn man den Ausdruck auf dem Lichttisch betrachtet.
Was gutes Papier bewirken kann, zeigt dieses Foto. Ein Ausdruck mit dem Pixma IP4300, allerdings diesmal auf Zweckform 150g Inkjet-Papier Nr 2579. Dieses Papier ist zu dick für die Leiterplattenerstellung, wurde aber nur genommen, weil ich kein anderes da hatte. Dünneres Papier von Zweckform wird ähnliche Eigenschaften aufweisen (Nr 2577 oder Nr 2597 mit 90g dürfte ideal sein). Man sieht einen absolut dichten Ausdruck, traumhaft...
Als nächstes kommt ein Test mit der Zweckform Nr 2503 Overhead-Folie, die auch von einigen empfohlen wird.
25.10.2006 :: Strombelastbarkeit von Leiterzügen
Wieviel Strom darf man über welche Leiterzugdicke schicken? Als groben Richtwert kann man 1A pro mm Leiterzugbreite nennen. Der Zusammenhang ist allerdings nicht linear, weshalb dünnere Leiterzüge mehr Strom pro Querschnitt vertragen, als breitere.
Hier ein paar Beispiele für 35 um Material:
| Breite | Strom |
|---|---|
| 1 mm | 2.2 A |
| 2 mm | 3.8 A |
| 4 mm | 6.0 A |
| 6 mm | 7.5 A |
| 8 mm | 9.0 A |
| 10 mm | 10.0 A |
(Alles bei 10 Grad Erwärmung des Leiterzugs bei angebenen Strom)
Für 70um Basismaterial sieht es so aus:
| Breite | Strom |
|---|---|
| 1 mm | 3.5 A |
| 2 mm | 6.0 A |
| 4 mm | 9.0 A |
| 6 mm | 11.0 A |
Bei 20 Grad Erwärmung der Leiterzüge, schafft man etwa den 1.6 fachen Strom. Bei 30 Grad Erwärmung etwa den doppelten Strom.
Weblinks:
14.10.2006 :: Baustellen-Warnleuchte
Die Funktionsweise fertiger Geräte zu studieren, kann einem immer eine Menge Know-How einbringen. Besonders wenn es um gut funktionierende und lange bewährte Geräte geht.
Letztens fand ich im Straßengraben eine defekte Baustellen-Warnleuchte - diese gelb-blinkenden Teile, die an Absperrungen angebracht sind. Da dachte ich mir: Das ist doch ein interessantes Objekt - die werden schon lange gebaut und die Technik muss gut unter allen Witterungseinflüssen funktionieren. Also hab ich die Elektronik ausgebaut und später daheim analysiert.
Hier erstmal der Schaltplan:
(Rechte Maustaste > Grafik anzeigen zeigt den Schaltplan größer an)
Die Schaltung ist auf einer verzinnten Platine aufgebaut, ohne Lötstopp- oder Schutzlack. Das hat mich etwas überrascht, weil sie ja der Witterung ausgesetzt ist und man bei sowas oft die Elektronik besonders schützt. Das zeigt aber, es funktioniert auch so für Schaltungen, die nahezu immer im freien arbeiten. Zwar waren die Bauteile etwas oxidiert, aber das stört wohl nicht.
Die Stromversorgung wird über eine "Laternenbatterie" (4R25) mit 6 V sichergestellt. 2 gelbe Leuchtdioden in Reihenschaltung werden mit etwa 20-30 mA betrieben, je nachdem, wie voll die Batterien sind. Begrenzt wird der Strom über den Widerstand R1.
Die Platine hat 2 Schalter: Einer zum einschalten der Lampe, der andere zum umschalten von Dauerlicht auf Blinklicht. Die Lampe ist so konzipiert, dass sie tagsüber ausgeschaltet ist, also nur im Dunkeln blinkt oder leuchtet.
Bei der Blinkschaltung handelt es sich um einen Komplementärblinker, weil mit 2 komplementären Transistoren gearbeitet wird (npn und pnp). Sie arbeiten gleichphasig, sind also beide ein- oder ausgeschaltet. So ein Komplementärblinker braucht nur einen kleinen Kondensator als zeitbestimmendes Glied (C1). Interessant und ungewöhnlich ist die Kombination D4, R7, womit ein Potenzial festgelegt wird, was etwa 0.7 Volt unterhalb der Versorgungsspannung liegt. Dieses wird mit R6 in die Basis von T2 eingespeist. Dies sorgt dafür, dass T2 schon leicht anfängt durchzuschalten. Darauf wird T1 über R2 leitend. Über den Mitkopplungszweig C1 R5 wird nun die Basis von T2 stärker bestromt, weshalb die Schaltung in den stabilen Einzustand kippt. Damit leuchten die Leuchtdioden D1/D2 über T1. Der Kondensator C1 lädt sich über R5 auf. Hat er eine bestimmte Ladung erreicht, nimmt der Basisstrom von T2 soweit ab, dass T1 etwas "dicht" macht. Das äußert sich in einer etwas erhöhten Kollektorspannung. Diese wiederum bewirkt über die Mitkopplung C1/R5 eine weitere Verringerung des Basisstroms von T2, weshalb die Schaltung dann sehr schnell in den anderen stabilen Zustand kippt. Die Leuchtdioden sind aus und das Potenzial am Kollektor von T1 ist etwa UB - 2 * UF_D1+D2, also rund 6 Volt - 3.6 Volt = 2,4 Volt. Über den Kondensator ist um diesen Betrag etwa auch die Basisspannung von T2 angehoben, wobei der Kondensator nun über R5/R6 entladen wird. Die Entladezeit dauert entsprechend länger, weil R6 noch im Spiel ist. Ist er ausreichend entladen, fängt T2 wieder an, zu leiten und das Spiel geht von vorne los.
D3 ist eine Fotodiode, die einen hohen Widerstand hat, wenn es dunkel ist. Ist es hell, hat sie einen geringen Widerstand und hält damit die Basis von T2 nahe UB, womit dieser gesperrt bleibt. Damit sperrt auch T1 und die Leuchtioden sind aus.
Bei Dauerlicht bekommt die Basis T2 ihren Strom über R4. R3 ist hier auch wieder eine Mitkopplung, damit bei langsam dunkler werdender Umgebung kein Schwebezustand entsteht, wo die Schaltung nur teilweise durchsteuert. Vielmehr hat man hier durch die Mittkopplung eine Schmitt-Trigger Schaltung mit Hysterese. Fließt nämlich genügend Strom, um T2 so weit durchzusteuern, dass T1 anfängt zu leiten, erhöht sich der Basisstrom für T2 über R3 zusätzlich, womit die Schaltung sprunghaft kippt.
Die Kombination D4/R7 ist nicht ganz günstig, was den Stromverbrauch angeht. Sie belastet nämlich die Batterie permanent mit etwa 650 uA. Nicht gerade wenig. Trotzdem ist das in diesem Anwendungsfall kein Problem, weil die Batterien in der Nacht viel stärker belastet werden. In der Gesamtenergiebilanz machen die 650 uA vielleicht nur noch 10% aus, was akzeptabel ist.
Warum wird kein Mikrocontroller oder ein Timer (NE555) für die Schaltung benutzt? Oft ist das eine Kostenfrage. In dieser Schaltung werden sehr billige Standardbauteile verwendet. Der Bauteilwert liegt bei großen Stückzahlen wohl unter 50 Cent inkl. der beiden recht aufwändigen Schalter. Dafür bekommt man kaum einen Mikrocontroller, der ja auch nochmal Außenbeschaltung braucht. Solche diskret aufgebaute Elektronik ist auch robuster. Elektromagnetische Einflüsse können den Transistoren und passiven Bauteilen kaum was anhaben. Ein Mikroprozessor ist da schon etwas sensibler. Da bräuchte es zusätzliche Maßnahmen, um diesen zu schützen.
Wie lange hält eine Batterie bei dieser Lampe? Spezifiziert sind 850 Stunden Dauerlicht oder 3400 Stunden Blinklicht. Die Blinkrate ist 60-70 Bl./Min. Der Preis liegt bei etwa 25 Euro.
14.10.2006 :: Bleifreies Löten
Seit einigen Monaten habe ich mit dem bleifreien Löten begonnen und so meine Erfahrungen damit gesammelt. Kurzes Fazit: Es geht, aber es ist ein echter Rückschritt in der Verarbeitung.
Beim Löten schaue ich auf 30 Jahre Erfahrung zurück. Sowohl beim Basteln und Experimentieren, wie auch beim professionellen Löten von Kleinserien. In dieser Zeit hat sich viel Routine eingestellt.
Und nun dieses bleifreie Lötzinn. Die ersten Wochen fühlte ich mich wie ein Anfänger. Keine Lötstelle wollte richtig und auf Anhieb gelingen. Viele Tricks, das Lötzinn gezielt fließen zu lassen, funktionierten nicht mehr. Hingegen Phänomene, die ich zuvor nicht kannte, z.B. Platinen, die einfach kein Lötzinn annehmen wollten.
Gebeutelt von solchen Erfahrungen, dachte ich: Das kann doch nicht wahr sein, dass man nun durch den Gesetzgeber in die Steinzeit zurückversetzt wird. Wie soll man da noch vernünftig arbeiten?
Ich hoffte dann darauf, dass das nur Anfangsprobleme sind und ich mir neue Routine wieder erarbeiten kann. Und tatsächlich klappt mittlerweile vieles schon besser. Wenn ich dann aber mal wieder mit Blei-Lötzinn arbeite, wünsche ich mir die guten alten Zeiten zurück.
Ein Hauptproblem ist, dass bleifreies Lötzinn nicht so gut fließt. Das macht sich besonders bemerkbar, wenn man unverzinnte Platinen lötet. Früher brauchte man nur Lötkolben und Lötzinn ans Lötauge zu halten und sofort floß das Lötzinn schön um die Lötstelle. Bleifrei kann es passieren, dass man mit immer mehr Lötzinn nur die Lötspitze füttert, dieses aber partout keinen Kontakt mit der Platine eingehen will.
Gut Flußmittel wird bei solchen Problemen besonders wichtig. Lötet man z.B. Drähte an einen Steckverbinder und hat nicht genügend Flußmittelreserven, pappt man es zwar irgendwie an, eine ordentliche Lötverbindung ist es aber nicht. Anfangs reichte mir deshalb oft das Flußmittel nicht aus, was in der Lötzinnseele enthalten ist und ich brachte es zusätzlich auf (Kolophonium-Tinktur). Mittlerweile ist etwas mehr Routine, so das es auch ohne Zusatz geht. Allerdings verbrauche ich Lötzinn oft nur deshalb, um an das begehrte Flußmittel ranzukommen. Das überschüssige Lötzinn schüttle ich dann von der Lötspitze. Früher war das auch immer mal wieder so, aber lange nicht so häufig.
Die Lötspitzen machen Probleme. Meine Weller-Dauerlötspitze wollte irgendwann kein Lötzinn mehr annehmen. Sie sollen auch wesentlich schneller kaputt gehen, weshalb es mittlerweile spezielle Lötspitzen für den bleifreien Prozess gibt. Diese haben eine dickere Metallisierung. Leider aber nur für die neueste Lötkolbengeneration, nicht für die älteren WECP-Geräte.
Mir scheint die Säuberung der Lötspitze mit Schwamm problematisch. Dies las ich auch in diversen Foren und Ratgebern. Einige setzen mittlerweile auf Stahlwolle, wie z.B. Weller. Ich experimentiere da im Moment mit Stahlspan-Putzschwämmen (Edelstahl-Drehspäne) aus dem Drogeriemarkt. Ideal ist das aber alles noch nicht. Bei einem normalen nassen Schwamm habe ich das Gefühl, dass dies den Prozess beschleunigt, dass kein Lötzinn mehr an der Spitze haftet.
Auch wenn viele schreiben, dass die Löttemperatur erhöht werden muss, habe ich das an meiner Lötstation nicht machen müssen. Ich löte seit jeher mit der Einstellung von ca. 370 Grad. Ob das wirklich 370 Grad sind, weiß ich nicht, es entspricht aber in etwa einer 7er Spitze einer Magnastat-Lötstation (Weller WTCP), die auch mit 370 Grad definiert ist. Wenn ich noch heißer stelle, verzundert mir die Lötspitze zu schnell, auch ist es nicht nötig. Viele Empfehlungen gehen eher dahin, die Temperatur gerade so hoch einzustellen, dass das Zinn gut fließt und dann nochmal vielleicht 10-20 Grad drauf zu geben, um etwas Reserve zu haben.
Um die Spitze zu schonen, habe ich die WECP-Lötstation mit einem Standby-Schalter ausgestattet. Immer, wenn ich ein paar Minuten nicht löte, schalte ich so die Temperatur auf etwa 280 Grad runter. Das ist die Temperatur, wo das Lötzinn gerade noch flüssig bleibt.
Früher konnte man Lötzinn gut von der Lötstelle abziehen, in dem man den Lötkolben mit der Spitze nach oben hielt. Das Lötzinn floß dann durch die Schwerkraft von der Lötstelle zur Kolbenspitze ab. Dies funktioniert mit bleifreiem Lötzinn kaum noch. Hier muss man einfach andere Techniken finden, die im bleifreien Prozess funktionieren.
Bei Lötaugen sollte man von vornherein darauf achten, nicht zu viel Lötzinn aufzutragen, weg bekommt man es nur noch schwer. Zu viel Lötzinn trägt man dann gerne auf, wenn das Zinn nicht recht fließen will und man mehr Flußmittel benötigt. Das ist meist ein Resultat, wenn man den Lötprozess nicht optimal beherrscht, zu lange an einer Stelle "herumprutzelt" und dann schon das ganze Flußmittel verdampft ist. Man muss hier den Lötprozess viel besser beherrschen, als das bei bleihaltigem Lötzinn der Fall war. Bleihaltiges ist viel "gutmütiger".
Lötstellen ordentlich warm zu bekommen, die viel Energie wegziehen, ist problematischer geworden. Insofern empfiehlt sich, bei Neuanschaffung auf stärkere Lötkolben zu setzen, z.B. 80 Watt statt 50 Watt bei den Weller-Geräten.
Das Löten von Bauteilen, die noch mit verbleiten Anschlüssen geliefert werden, scheint erstmal gar kein Problem zu sein. Zumindest von der Verarbeitung. Was die Haltbarkeit und Dauerhaftigkeit der Lötstellen angeht - dazu kann ich noch wenig sagen. Das ist überhaupt ein gewisses Risiko, was viele derzeit spüren: Halten die neuen Lötstellen überhaupt vernünftig? Und das auch noch in 5 Jahren?
Mit verbleitem Lötzinn hatte ich meine Langzeiterfahrungen und wusste, wie eine Lötstelle aussehen muss, damit sie dauerhaft ist. Bei bleifreiem Lötzinn muss ich diesen Lernprozess erst wieder durchlaufen, wobei man natürlich schon sehen kann, ob eine Lötstelle halbwegs sauber ausgeführt ist. Aber: Auch das gab es früher - Lötstellen, die von außen sauber aussahen, innen aber keine echte Lötung darstellten.
Das richtige Lötzinn zu finden, ist natürlich auch wichtig. Ich schätze, dass hier auch noch Innovation zu erwarten ist. Ausprobiert habe ich zwei Sorten von Edsyn SAC8250 (SN95,5AgCu0,7, FSW34) und Stannol HS10 (Sn95,5Ag3,8Cu0,7). Beide also mit der günstigen 217 Grad Legierung, aber mit unterschiedlicher Flussmittel-Seele. Das Stannol mag ich etwas lieber, weil das Flussmittel auf Kolophonium-Basis ist, was ich seit jeher gewohnt bin. Auch gehört der Geruch nach Kolophonium einfach zu meinem Löterlebnis mit dazu :-) Edsyn verwendet ein No-Clean Flussmittel, mit dem ich nicht ganz so gut zurechtkomme. Im Grunde sind sich aber beide recht ähnlich.
Dünne Lötdrähte zu verwenden, erscheint mir sinnvoll, weil man da vermutlich mehr Flussmittel verfügbar hat und es auch besser dosieren kann. Gekauft hatte ich 0.8 und 1mm, was ich früher auch immer für Standard-Platinen ohne SMD verwendete. Vermutlich wären 0.5mm besser gewesen.
Sollte man auch beim Basteln auf Bleifrei umsteigen? Vermutlich werden viele schnell frustriert sein, wenn sie mit bleifrei anfangen. Man braucht mehr Erfahrung, um mit diesem Lot klar zu kommen und erreicht dann doch nicht die Flexibilität in der Verarbeitung, wie es bleihaltiges Lot bietet. Ich halte es so, dass ich zum Basteln und Experimentieren weiterhin bleihaltiges Lot verwende. Das geht schneller, ist bequemer und man erspart sich den ganzen Stress, den bleifreies Lötzinn einem beschert. Auch ist das günstiger, wenn Bauteile öfters mal gewechselt werden müssen, wie das ja im Experimentierstadium der Fall ist. Erst wenn Platinen aus dem Prototypenstadium raus sind, ist bleifrei angesagt. Manche Experimentalschaltung, die für längere Zeit eingesetzt werden soll, löte ich auch schonmal bleifrei, um Langzeiterfahrungen zu sammeln.
Ich bin gespannt, ob bleifrei irgendwann Standard werden wird, oder ob bleihaltiges Lötzinn im Bastel- Experimentier- und Prototypenbereich weiterhin Bestand haben wird. Denn da sehe ich derzeit vor allem noch große Vorteile. Bei der Serienfertigung mit verzinnten Platinen kann man mit bleifreiem Lötzinn nach etwas Übung nahezu genauso komfortabel löten.
27.09.2006 :: Include-Path für AVR-Studio
Schreibt man mit dem AVR-Studio ein Assembler-Programm, so included man normal ein *.inc File, welches ein Definitionen des eingesetzten Chips enthält. Diese liegen normal nach der Installation im Verzeichnis .../avr-studio/AvrAssembler2/Appnotes. Der Pfad ist etwas verwirrend und nicht sehr sinnvoll, aber gut, es funktioniert.
Manchmal kommt es vor, dass man diese *.inc Dateien für sich anpassen muss. Ungünstig ist es, wenn man dies in diesem Verzeichnis tut. Installiert man die Software nämlich neu, sind die persönlichen Anpassungen weg.
Besser ist es, dass man in seinem Datenverzeichnis einen Ordner avr/include definiert, wo man alle veränderten Include-Dateien reinpackt. Im AVR-Studio muss man nun unter Project > Assembler-Options > Additional include path den Pfad hinzufügen. AVR-Studio sucht dann zuerst in diesem Pfad nach der Datei, wenn man sie in seinem Assembler-Programm mit include "xyz.inc" einfügt.
22.09.2006 :: Weller WECP-Lötkolben mit Standby-Funktion
Seit vielen Jahren nutze ich eine WECP-Lötstation von Weller. Bis jetzt war das auch alles wunderbar. Nun muss ich aber vielfach bleifrei löten und da gehen die Probleme los. Die Spitzen halten nicht mehr lange und oxidieren vor allem so, dass sie kein Lötzinn mehr annehmen.
Insofern wünschte ich mir eine Standby-Funktion. In den Lötpausen soll damit die Temperatur reduziert werden, damit die Spitze nicht so verzundert und oxidiert.
Also hab ich das Teil mal aufgeschraubt und siehe da: Alles geht ganz einfach. Zumindest bei meiner recht alten WECP-Lötstation im breiten Gehäuse (ziemlich selten diese Bauform). Ein Poti, von dem nur 2 Anschlüsse genutzt sind, ist für die Temperatureinstellung da. Bei 350-370 Grad hat das etwa 3-5 KOhm. Bei 280 Grad etwa 22 KOhm.
Damit habe ich dann lediglich einen 3poligen Kippschalter einlöten müssen. Position 1 leitet das Poti direkt durch und Position 2 schaltet einen 18 KOhm Widerstand in Reihe. In einer halben Stunde war der Kippschalter eingebaut und verdrahtet und das Gehäuse wieder zugeschraubt.
Wenn ich jetzt den Lötkolben für länger als 1 Minute ablege, schalte ich mit dem Kippschalter auf Standby, wodurch die Temperatur auf etwa 280 Grad gedrosselt wird. Bei dieser Temperatur bleibt das Lötzinn noch flüssig, verzundert aber nur noch wenig.
Wenn ich wieder hoch schalte, braucht es etwa 10-15 Sekunden, bis die eingestellte Temperatur von 350-370 Grad wieder erreicht wird.
Übrigens: Wenn man bleifrei lötet, sollte die Lötspitze immer mit Lötzinn benetzt sein. Also die Spitze niemals am Schwamm abwischen und für längere Zeit so belassen. Dann ist es ziemlich wahrscheinlich, dass sie kein Lötzinn mehr annimmt.
Ein nasser Schwamm scheint mir auch nicht mehr ideal bei bleifreiem Löten. Meist schüttle ich das Lötzinn lediglich ab. Ab und zu dann mal am trockenen Schwamm die Oxidationsreste entfernen. Weller bietet neuerdings Abstreifer aus Stahlwolle an, weil auch die wohl die Schwammtechnik nicht mehr favorisieren. Andere Hersteller bieten derzeit noch viel mit Schwamm an, z.B. Ersa. Ich denke, in den nächsten Jahren werden da bessere Ideen auf den Markt kommen. Die ganze Bleifrei-Löttechnik braucht noch ein paar Innovationen, damit sie genauso praktikabel ist, wie das gewohnte Löten.
22.09.2006 :: Entstörmaßnahmen auf Leitungen
Alle Leitungen, die in eine Schaltung hineinführen, transportieren auch Störungen. Das können z.B. energiereiche Spikes sein, also flankensteile kurze Spannungsspitzen. Ein typisches Beispiel wäre eine Leitung, die in der Nähe eines Zündkabels im Auto verläuft. Über kapazitive und induktive Kopplungen fängt diese Leitung sich die kurzen Spannungsspitzen ein, die bei jeder Zündung entstehen.
Klar, dass man seine Schaltung dann entstören muss. Denn solche Spikes können viel Unheil anrichten. Energiereiche Spikes können Eingänge in der Schaltung zerstören. Weniger Energiereiche können zumindest Signale verfälschen. Je flankensteiler ein Spike ist, um so höhere Frequenzen enthält er auch. Und dies bedeutet, je besser wird er kapazitiv eingekoppelt, weil dann schon geringe parasitäre Kapazitäten zwischen Leitungen als "Kurzschluß" wirken.
Nehmen wir an, unsere Schaltung ist geschirmt untergebracht. Wo kommen dann die Entstörmaßnahmen hin? Nehmen wir an, wir wollen eine Eingangsleitung mit einem Tiefpass entstören, also z.B. 47 Ohm Serienwiderstand und 10nF gegen Masse.
Manche meinen, sowas muss natürlich direkt in die Nähe des Bausteines, wo der Signaleingang ist, z.B. direkt an einen Mikrocontroller. Einerseits ist das gut, weil dann zwischen Controller und dem Tiefpass keine längere Leitung mehr ist, wo man sich was einkoppeln könnte.
Aber: Unser verseuchtes Signal wird in unserem geschirmten Gehäuse mit einer gewissen Leitungslänge wirksam. Je länger diese Leitung, um so mehr verseucht man sich den Innenraum des geschirmten Gehäuse. Denn um so besser ist z.B. die kapazitive Kopplung dieses Signals mit dem Rest der Innenschaltung.
Dies lässt sich praktisch mit folgendem Versuch gut verstehen: In eine Mikrowelle legt man ein Radio, bei dem man zuvor einen sehr gut empfangbaren Sender eingestellt hat. Sobald man die Mikrowellentür schließt, ist nur noch rauschen zu hören. Eine Mikrowelle sollte ja ideal abschirmen.
Jetzt nimmt man einen dünnen isolierten Draht, etwa 1 Meter lang. Die Tür wird nochmal geöffnet und vielleicht 30 cm davon ins innere gebracht, dann die Tür wieder verschlossen. Durch die Türdichtung gelangt der Draht also etwa 70cm nach draußen.
Jetzt sollte der Sender auch bei geschlossener Tür zu hören sein. Evtl. muss man den Draht im innern der Mikrowelle etwas biegen, damit das Signal sich gut auf die Antenne kapazitiv einkoppeln kann.
Wenn der Draht jedoch nur 1-3 cm im Innern der Mikrowelle ist, wird wesentlich weniger eingekoppelt, vermutlich hört man dann den Sender nicht mehr.
Genauso, wie Rundfunkfrequenzen sich so einkoppeln, tun das auch Spikes. Das Spikes sogar oft mit ihren Frequenzspektrum im Rundfunkbereich liegen, hört man am knacken im Rundfunkempfänger, z.B. durch nicht entstörte Motoren.
Fazit: Entstörmaßnahmen gehören idealerweise direkt in die Nähe des Durchbruchs ins Gehäuseinnere. Man muss also sicherstellen, dass das verseuchte Signal nicht im inneren Schutzraum wirksam wird. Wo das nicht möglich ist, kann man das Gehäuseinnere auch nochmal abtrennen, z.B. durch eine zusätzliche metallische Trennwand. Oft reicht auch schon eine räumliche Auftrennung, dass also die verschmutzten Signale möglichst weit von sensiblen Bereichen entfernt sind.
11.09.2006 :: Masseführung: Sternpunkt
Masseführung in Schaltungen ist ein komplexes Problem. Hier ein kurzer Einblick in die Sternpunkt-Regel.
Man versucht, einen gemeinsamen Masse-Bezugspunkt zu definieren. Von dort aus gehen alles Masseverbindungen ab. Dieser Bezugspunkt ist der zentrale Masse-Punkt des Systems.
Wozu ist das wichtig? Man stelle sich eine dünne und lange Masse-Leiterbahn vor, an deren Ende ein Motor angeschlossen ist. Der Motor nimmt relativ viel Strom auf. Damit ist der Spannungsabfall über diese Leitung recht hoch. Nehmen wir an, wir zapfen dies Leitung in der Mitte an, um einen Eingang eines Mikrocontrollers auf Masse zu legen. Wenn der Motor nun einen hohen Strom zieht, hebt er dieses Massepotenzial an. Im Extremfall über den Pegel, der vom Mikrocontroller als Low erkannt wird.
Würde man von einem Stern-Bezugspunkt auf den Mikrocontroller gehen, so hätten wir keinerlei Potenzialverschiebung. Verschiebung zu was? Zum Bezugspunkt. Wenn dieser Bezugspunkt mit einem dünnen langen Kabel von einer Batterie versorgt wird, dann hätten wir natürlich auch so eine Potenzialverschiebung zum Batteriepol. Das ist aber uninteressant, so lange unser gesamtes System vom gemeinsamen Bezugspunkt versorgt wird.
Nehmen wir an, unsere Leiterplatte hat diese Idee eines gemeinsamen Bezugspunktes für Masse gut umgesetzt. Jetzt kommt für unser Gesamtsystem eine zweite Leiterplatte hinzu. Auch hier gibt es einen Bezugspunkt für Masse. Wenn wir diese beiden Schaltungen nun beide über lange getrennte Kabel an die Batterie anschließen, spielt es jetzt eine erhebliche Rolle, dass der Bezugspunkt von Platine 1 sich gegenüber der Batteriemasse verschiebt. Je nach Belastung. Wird durch einen großen Strom das Massepotenzial von Platine 1 angehoben, wird ein digitaler Low-Pegel von Platine 2 als negative Spannung bei Platine 1 ankommen. Umgedreht: Wenn das Massepotenzial von Platine 2 angehoben ist, kommen angehobene Pegel bei Platine 1 an. Beides kann Probleme machen.
Bisher haben wir eher Gleichstrombetrachtungen gemacht. Schlimmer wirken sich meist Wechselströme aus. Ein Motor kann durch die Kohlebürsten Wechselströme produzieren, die bis in den MHz-Bereich hineingehen. Solch ein Frequenzgemisch koppelt man sich dann überall ein, wenn man die Bezugspunktregel nicht sauber umsetzt. Solche Störungen können zudem induktiv und kapazitiv in alle möglichen andere Leiterbahnen eingekoppelt werden, die räumlich nahe verlaufen. Wer schon einmal mit einem Oszi in Schaltungen der Leistungselektronik oder der Digitaltechnik gemessen hat, wird erstaunt sein, wievel viel Störungen da überall "herumwabern".
04.08.2006 :: Erdung, Grounding, Masseprobleme
Eines der wohl komplexesten Themen beim Elektronik-Design ist die richtige Masseführung. Leider gibt es dafür keine einfachen Antworten. Es spielen einfach zu viele Dinge da hinein. Dessen komplexes Zusammenspiel bestimmt dann je nach Situation, was ein sinnvolles Masse-Design ist.
Natürlich gibt es auch einiges, was in den meisten Fällen sinnvoll ist, anderes, was in den meisten Fällen zu Problemen führt. Und es gibt eine Menge falscher Vorstellungen, die man regelmäßig im Internet darüber lesen kann. Vieles basiert auf fehlerhafter Wahrnehmung.
Beim Masse-Thema braucht es ein gute Mischung aus theoretischem und praktischem Wissen. Ohne Versuche und praktische Erfahrungen, erzeugt das theoretische Wissen falsche Vorstellungen. In der Realität findet man meist was anderes vor, weil die Realität dieser komplexe Mischmasch ist. Theoretisch betrachtet man oft isoliert und geht von idealen Bedingungen aus, die aber real nicht vorliegen.
Aus den praktischen Erfahrungen aber wieder zu theoretischen Erklärungen zu finden, die stimmig sind, ist wichtig. Das hilft für zukünftige Designs, weil man so das Thema immer mehr begreift.
Weblinks:
- http://www.8052.com/forum/read.phtml?id=115258
- Analog.com: A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout (pdf)
- Microchip: Analog and Interface Guide I
- Microchip: Analog and Interface Guide II
- Microchip: Circuit Layout Techniques And Tips (Part IV of VI)
- Circuit Layout Techniques And Tips (Part III of VI)
- Wikipedia: PCB Layout Guidelines
- Maxim: Schematic and Layout Guidelines for High-Speed Data Converters
- smps: Layout Guidelines
- smps: PCB-Design Links
- National: Layout Guidelines for Switching Power Supplies
- R.W. Erickson : EMI and Layout Fundamentals for Switched-Mode Circuits
- Onsemi: EMI/ESD Protection Solutions for the CAN Bus
- National: AN643 - EMI/RFI Board Design
- Onsemi AND8165-D - EMI and ESD Filtering of Audio Interconnects
- Onsemi AND8074-D - EMI Filtering, USB Upstream Line Termination and ESD Protection Using the STF202 Device
- ein paar folgen noch...
02.08.2006 :: Standardwerke
Für jedes Fachgebiet gibt es Standardwerke. Bücher, die sich stark verbreitet haben, weil sie fundiert und praktikabel sind. Hier mal einige aus dem Elektronikbereich:
- Halbleiter - Schaltungstechnik; Tietze, Schenk; ISBN: 3540428496 (Kurz: "Der Tietze-Schenk" )
- Antennenbuch; Karl Rothammel; ISBN: 3440058530; (Kurz: "Der Rothammel")
- Taschenbuch der Hochfrequenztechnik; Meinke; ISBN: 3540547142
- Hochfrequenztechnik I+II; Otto Zinke
04.03.2006 :: Schottky-Dioden bei niedrigen Strömen
Gemessen an einem Exemplar. @ 20 Grad
| I / mA | SD103 U/V | BAT42 U/V | 1N5818 U/V | MBRS140 U/V |
| 20 | 0.35 | 0.39 | 0.29 | 0.25 |
| 50 | 0.40 | 0.46 | 0.32 | 0.27 |
| 100 | 0.44 | 0.56 | 0.34 | 0.29 |
04.12.2005 :: Innenwiderstand Alkaline und Akku
Der Innenwiderstand bei Alkaline Batterien ist recht hoch. Bei einer typische AAA-Zelle z.B. beginnt er typisch bei 300 Milliohm. Bei 50 Prozent Entladung sind es dann schon etwa 450 Milliohm.
Dagegen hat eine typische NiMH-Akkuzelle gerade mal 40 Milliohm. Bei Entladung erhöht sich dieser Widerstand in weitem Bereich nur geringfügig. AA-NIMH-Zellen sind da noch wesentlich besser: 20-30 Milliohm bei voller Ladung und 30-40 Milliohm bei 50% Entladung (Energizer 1850mAh Zelle).
Eine sehr gute AAA-Alkaline Zelle (Energizer e2, 1250mAh) hat etwas geringere Widerstände, sie beginnen bei 220 Milliohm, sind bei 50% bei etwa 400 Milliohm, bei 70% bei 600 Milliohm und bei 80% bei 700 Milliohm.
Eine sehr gute AA-Alkaline Zelle (Energizer e2, 3150Ah) hat anfangs immerhin auch schon 140 Milliohm. Nach 40 % Entladung sind es dann 250 Milliohm, bei 70 % sind es 450 Milliohm, bei 80% schon 600 Milliohm. Obwohl diese Zelle etwa 3Ah hat, ist sie bei 1A bereits nach einer guten Stunde auf 0.8V Endspannung angelangt.
Datenblätter zu Batterien findet man übrigens gut bei http://www.farnell.de
03.12.2005 :: UBE Kennlinie BD438
@ 20 Grad, ICE=0
| IB / mA | UBE / V |
| 1,0 | 0,65 |
| 5,0 | 0,70 |
| 10,0 | 0,73 |
| 20,0 | 0,76 |
| 30,0 | 0,77 |
03.12.2005 :: Diodenkennlinie 1N4148
@ 20 Grad
| I / mA | U / V |
| 0,5 | 0,59 |
| 1,0 | 0,62 |
| 2,0 | 0,66 |
| 5,0 | 0,70 |
| 7,0 | 0,72 |
| 10,0 | 0,74 |
| 20,0 | 0,78 |
| 30,0 | 0,81 |
| 40,0 | 0,82 |
| 50,0 | 0,84 |
| 60,0 | 0,86 |
| 70,0 | 0,87 |
| 80,0 | 0,88 |
| 100,0 | 0,90 |
| 150,0 | 0,94 |
| 200,0 | 0,97 |
02.12.2005 :: Artikel Mikrocontroller OS-Design
Wer Mikrocontroller programmiert kommt schnell zu Fragen des grundsätzlichen Designs der Software. Verschiedenen Prozessen oder Programmteilen muss Rechenzeit gegeben werden, nicht alles läuft linear ab sondern soll nahezu parallel bearbeitet werden. Realtime-OS bieten sich hier an, lohnen aber meist erst dann, wenn man höhere Echtzeitanforderungen hat. Der Einarbeitungsaufwand ist nicht unerheblich.
Einen schönen Artikel, wie man grundsätzlich vorgehen kann, ohne ein RTOS einzusetzen, findet man hier: http://www.embedded.com/2000/0009/0009feat4.htm
19.11.2005 :: Konstantstromquelle mit Transistor
Weil im Mikrocontroller Forum immer wieder die Frage kommt, wie man eine Konstanstromquelle aufbaut: Hier steht die Wald-und-Wiesen Schaltung beschrieben:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210253.htm
Natürlich geht das spiegelverkehrt auch mit einem PNP-Transistor. Für D1 und D2 kann man auch eine Zenerdiode einsetzen. Oder eine Leuchtdiode. Bei anderer Dimensionierung sind auch größere Ströme möglich. Wenn man einen Darlington-Transistor verwendet, können noch größere Ströme in den Amper-Bereich damit realisiert werden. Bei Darlington hat man allerdings 1.2-1.6 V UBE, womit man mindestens 3 Dioden in Reihe schalten muss. Eine grüne Leuchtdiode könnte auch noch funktionieren oder eben Zenerdioden.
Man sollte dran denken, dass am Transistor je nach Betriebsspannung eine hohe Verlustleistung abfallen kann. Ebenso muss URE leistungsmäßig richtig dimensioniert sein.
Vor 20 Jahren habe ich wegen Nichtbeachtung der Verlustleistung am Transistor meine Fische im Aquarium "geröstet", weil so die selbstgebaute Temperaturregelung versagte. Solche Erfahrungen prägen...
14.11.2005 :: Kennlinie Entladung AAA-Batterie (Lidl)
- Entladestrom: 100mA, kontinuierlich
- Batterie Lidl AAA, frisch
- Entladekurve Aldi AAA nahezu identisch
- Kapazität etwa 1050 mAh (bis 0.9V entladen)
| t in h | U in V |
| 0 | 1,55 |
| 0,5 | 1,40 |
| 1,0 | 1,37 |
| 2,0 | 1,30 |
| 3,0 | 1,25 |
| 4,0 | 1,20 |
| 5,0 | 1,17 |
| 6,0 | 1,15 |
| 7,0 | 1,12 |
| 8,0 | 1,10 |
| 9,0 | 1,07 |
| 10,0 | 1,00 |
| 10,5 | 0,90 |
11.11.2005 :: I/U Kennlinie Dioden
Habe mal eine Kennlinie von 2 1A-Standard-Dioden aufgenommen: Die Silizium-Gleichrichterdiode 1N4004 und die Schottky Diode 1N5818. Beide sind recht gängig.
| Strom in A | U in V 1N4004 | U in V 1N5818 |
| 0,1 | 0,78 | 0,32 |
| 0,2 | 0,82 | 0,36 |
| 0,3 | 0,85 | 0,39 |
| 0,4 | 0,86 | 0,41 |
| 0,5 | 0,87 | 0,43 |
| 0,6 | 0,88 | 0,45 |
| 0,7 | 0,89 | 0,47 |
| 0,8 | 0,90 | 0,49 |
| 0,9 | 0,91 | 0,51 |
| 1,0 | 0,92 | 0,53 |
| 1,1 | 0,93 | 0,55 |
| 1,2 | 0,94 | 0,57 |
| 1,3 | 0,94 | 0,59 |
| 1,4 | 0,95 | 0,61 |
| 1,5 | 0,96 | 0,63 |
Die Schottky ist deutlich "weicher" als die 1N4004. Und natürlich stimmen die 0.7V Flußspannung, wie man sie gerne vereinfacht benutzt, bei höheren Strömen nicht. Man nähert sich der 1V Grenze.
10.11.2005 :: Spannungsreferenz mit Zenerdiode, LED und normaler Diode
Ich brauche eine Referenzspannung um die 1.5-2.7 Volt. In diesem Bereich sind Zenerdioden sehr weich, die Spannung hängt sehr stark vom Strom ab, der durch sie fließt. Eine LED ist da viel besser und 3 in Reihe geschaltete 1N4148 Dioden sind ebenfalls noch besser. Hier mal eine Messreihe
| Strom in mA | BZX55-2.4 | LED1 rot | LED2 rot | LED3 gn | 1N4148 |
| 1 | 1,90 | 1,50 | 1,70 | 1,86 | 0,62 |
| 2 | 2,08 | 1,53 | 1,73 | 1,90 | 0,65 |
| 3 | 2,20 | 1,55 | 1,76 | 1,93 | 0,67 |
| 4 | 2,29 | 1,56 | 1,78 | 1,95 | 0,69 |
| 5 | 2,36 | 1,57 | 1,8 | 1,98 | 0,70 |
| 10 | 2,60 | 1,61 | 1,88 | 2,06 | 0,74 |
| 15 | 2,75 | 1,63 | 1,94 | 2,13 | 0,76 |
| 20 | 2,85 | 1,65 | 2,00 | 2,20 | 0,77 |
Vom Temperaturkoeffizienten sind grob abgeschätzt alle ähnlich: etwa -2mV/K.
LED2 ist für rote Leuchtdioden eher typisch, LED1 hat eine etwas flachere Kennlinie und ist eine niedrigere Spannung. LED3 ist eine grüne 3 mm Standard-LED, wobei grün in der Regel die höchste Spannung gegenüber rot und gelb hat, zumindest bei Standard-Leuchtdioden. Die Kennlinie von LED2 und LED3 haben etwa gleiche Steilheit, sind nur um etwa 0.2V verschoben.
Übrigens: In dem Bereich hochstabil sind die Spannungsreferenz-IC's LM336 oder LM385. Es gibt sie mit 2.5V und 5V. Auch Spannungsreferenzen mit 1.2V sind verfügbar. Der Preis liegt mit 25 Cent - 2 Euro natürlich um ein Vielfaches über Zenerdioden oder Leuchtdioden.
07.11.2005 :: Quadratur Encoder/Inkrementalgeber Auswertung
http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-256839.html
07.11.2005 :: Bipolar-Transistor als Schalter
Bei der Dimensionierung des Basiswiderstandes werden oft Fehler gemacht. Erstmal muss man sich klar machen, wie viel Spannung am Basiswiderstand abfällt. Etwa 0.7V fallen an der Basis-Emitter-Strecke ab. Ein Portausgang eines Mikrocontrollers schaltet nicht ganz zur Betriebsspannung oder Masse, auch dort fällt je nach Strom eine Spannung ab. Was übrigbleibt, liegt dann am Basiswiderstand an.
Die Verstärkung eines Transistors ist das nächste Thema. Diese wird für einen bestimmten Kollektorstrom angegeben. Je höher jedoch der Kollektorstrom ist, um so geringer ist die Verstärkung. So kann es sein, dass ein Transistor mit Verstärkung 150 bei 10mA Kollektstrom angegeben ist, diese aber auf 20 bei 1A absinkt. Und dann muss man noch zwischen typischen und minimalen/maximalen Werten unterscheiden. Möchte man eine Schaltung mehrfach aufbauen, muss man Bauteilstreuungen berücksichtigen.
Insofern dimensioniert man eine Schaltung nie so, dass der Basisstrom gerade ausreicht, um den Tranistor in die Sättigung zu bringen, ihn also voll durchzuschalten. Man lässt für den typischen Fall vielmehr einen etwa 3-6 fach höheren Strom in die Basis fließen, um auf der sicheren Seite zu sein.
Bei Darlington Tranisistoren muss man berücksichtigen, dass prinzipbedingt die CE-Sättigungsspannung nicht unter etwa 0.7 V sinken kann. Die UBE Spannung ist hier auch 2x0.7V, also etwa 1.4 V.