Linux Hardware Hackz downloaded from by on January 29, For personal use only.

Transkript

1

2 Plate Linux Hardware Hackz

3

4 Jürgen Plate Linux Hardware Hackz Messen, Steuern und Regeln mit Linux 1., Auflage HANSER

5 Prof. Jürgen Plate Fachhochschule München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen und das Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen und des Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Ebenso übernehmen Verlag und Autoren keine Gewähr dafür, daß beschriebene Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann verwendet werden dürften. Bibliographische Information Der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im World Wide Web über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Microfilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Wien ( Lektorat: Margarete Metzger Herstellung: Irene Weilhart Satz: Autor mit LATEX 2ε Datenbelichtung, Druck und Bindung: Kösel, Kempten Printed in Germany ISBN-10: ISBN-13:

6 Inhaltsverzeichnis 1 Embedded Systems Einführung Design von Embedded Systems Hardware für Embedded Systems Embedded Linux Was man für Embedded Linux benötigt Linux booten Den Kernel booten System V-Init Entwicklungsumgebung Hardwarezugriffe Grafikausgabe Linux ganz klein Die eigene Linux-Distribution Einführung Das Root-Dateisystem bauen Konfiguration des Kernels Kompilation des Kernels Installation des Kernels Root-Dateibaum erstellen Aufbau des Verzeichnisbaums CD-ROM brennen Inhalt von ISO-Dateien ändern Live-CD auf die Schnelle Weitere Wege zur eigenen Distribution

7 6 Inhaltsverzeichnis 3 E/A-Programmierung Compiler und Bibliotheken Prozesse und Signale Prozesse Signale Prozesskommunikation mit Pipes Programme schlafen legen User-Mode-Programmierung Programme mit Root-Rechten ausstatten UID und GID Zugriff auf E/A-Ports im User-Space Device-Treiber Das Device-Konzept Konzept der Gerätetreiber Kernel-Module Portbereiche reservieren Dateifunktionen implementieren Daten von Treiberinstanzen IO-Control Standard-PC-Schnittstellen PC-Schnittstellen Die serielle Schnittstelle Die serielle PC-Schnittstelle Die RS232C-Schnittstelle (V.24) Die RS422-Schnittstelle Die RS485-Schnittstelle Die Stromschnittstelle(TTY) Programmierung mit C Programmierung mit Perl Die parallele Schnittstelle Hardware der parallelen Schnittstelle Port-Typen Programmierung der parallelen Schnittstelle Die Parapin-Bibliothek Ansprechen der Schnittstelle in Perl

8 Inhaltsverzeichnis Der Joystick-Port Der interne Lautsprecher Die Tastaturschnittstelle Die USB-Schnittstelle USB-Hardware USB-Geräte für Linux Chip-Schnittstellen Die SPI-Schnittstelle Der I 2 C-Bus Der 1-Wire-Bus Digitale Ein- und Ausgabe TTL und CMOS koppeln Eingangs-Interface-Schaltungen Taster und Schalter Kontaktprellen Tastatur-Interfaces Reed-Kontakte und Hall-Schalter Optokoppler Ausgangs-Interface-Schaltungen Verstärker-ICs Feldeffekt-Transistoren IGBTs Optokoppler Ansteuerung von Wechselspannungsverbrauchern Halbleiter-Relais Relais Jogdial einmal anders Motorsteuerung Einführung Entstörung Motoren steuern mit einer H-Brücke H-Brücke (H-Bridge) mit diskreten Bauteilen H-Brücke mit integrierten Schaltungen

9 8 Inhaltsverzeichnis 7.4 Drehzahlsteuerung mittels PWM Servosteuerung Der FT Der MIC Schrittmotoren Arbeitsprinzip von Schrittmotoren Ansteuerung eines Schrittmotors Kenngrößen eines Schrittmotors Schrittmotor-Interface Beschleunigung und Verzögerung Anzeigen und Displays LED-Anzeigen Displays LCD- und OLED-Grundlagen Displaytypen Zeichenadressierung Anschluss des LC-Displays Ansteuerung von LCDs Eigene Zeichen definieren Initialisierung des Displays Display-Software LCD für Warmduscher Grafikdisplays Fernschalten Infrarot-Fernsteuerung Funk-Fernsteuerung Fernsteuerung per Mobiltelefon Digitale Fotosensoren Fotohalbleiter Fotoelemente und Fotodioden PIN-Dioden Fototransistoren Fotowiderstände

10 Inhaltsverzeichnis Lichtschranken Exkurs: Timerbaustein NE Lichtschranken mit Gleichlicht Lichtschranken mit Wechsellicht Optische Abstands-Sensoren Abstandssensor IS471F Abstände per Infrarot messen Die analoge Welt Analogschaltungen Kondensatoren Festwiderstände Operationsverstärker-Grundlagen Operationsverstärker-Grundschaltungen Operationsverstärker-Kenngrößen Differenzverstärker Die Digital-Analog-Wandlung Digital-Analog-Wandler Realisierung von D/A-Wandlern Die Analog-Digital-Wandlung Das Abtasttheorem Analog/Digital-Wandler Sample-and-Hold-Schaltung Konversionsfehler Realisierung von A/D-Wandlern Messung von Spannung, Strom und Widerstand Präzisions-Widerstands-Vorteiler Widerstandsmessung Messbrücke Sensoren Potentiometer als Weg- oder Winkelsensoren Temperatursensoren Heißleiter Kaltleiter

11 10 Inhaltsverzeichnis Platin-Temperaturmesswiderstand Halbleiter-Temperatursensoren Temperaturmessung mit Thermoelementen Temperaturmessung mit Quarzen Druck- und Kraftsensoren Dehnungsmessstreifen Folien-Kraftsensoren Drucksensoren Beschleunigungs-Sensoren Kompass-Sensoren Kapazitive Sensoren (Feuchtesensoren) Schallsensoren Gassensoren Messung von Radioaktivität Der Geigerzähler Geigerzähler-Schaltungstechnik Software zum Zählen der Impulse Spezielle Fotosensoren Licht-Spannungs-Wandler Farbsensoren Bewegungsmelder Infrarot-Bewegungsmelder Radar-Bewegungsmelder Kameraüberwachung Datenauswertung Messfehler Filterung von Messwerten Statistische Verarbeitung von Messwerten Tabellarische und graphische Darstellung Mittelwert, Varianz, Standardabweichung, Standardfehler Minimum, Maximum, Median, Modalwert Aufrufbeispiel Lineare Regression Grafik-Tools für die Messwert-Darstellung Gnuplot LabPlot

12 Inhaltsverzeichnis Datendarstellung mit MRTG Anhang A.1 Literatur A.2 Links A.3 Bezugsquellen Stichwortverzeichnis

13

14 Vorwort Linux ist inzwischen als PC-Betriebssystem etabliert. Große Unternehmen setzen es ebenso ein wie zahlreiche Internet-Provider. Aber immer mehr Unternehmen nutzen die Fähigkeiten von Linux auf ganz andere Weise. Sie verstecken den Linux- Rechner in einer mehr oder weniger hässlichen Blech- oder Kunststoffkiste und betrauen ihn mit für den Normalanwender ungewöhnlichen Aufgaben, nämlich als Firewall, Storageserver, DSL-Router oder gar zu Steuerungszwecken für Kaffeeoder Sandwichautomaten. Tastatur und Maus fallen unter den Tisch, ebenso der Monitor; es gibt nur noch ein paar Knöpfe, ein Minidisplay und einen Münzprüfer. Bei der Ausgabe geht es ähnlich spartanisch zu, einige Relais und Motoren sonst nichts. Es handelt sich somit um eingebettete Systeme, englisch Embedded Systems, für die es zahlreiche weitere Anwendungen gibt. Als die PCs noch 386er-Prozessoren besaßen und das Betriebssystem MS-DOS hieß, wagten sich viel mehr Menschen daran, auch mal ein paar Knöpfe und Relais an den PC anzuschließen und mit einem Programm die Modellbahn zu steuern (oder was auch immer). Mit Windows ließ das nach. Vielleicht war das System einfach zu komplex, die Hardware nicht mehr so leicht erreichbar, und bis das Relais klapperte, vergingen viele Stunden an Programmierarbeit. In den Neunzigern kam Linux, erst zaghaft, dann mächtig im Serverbereich und nun wieder etwas zaghaft, weil man ja so an das Betriebssystem aus Redmont gewöhnt ist im Desktop-Bereich. Im Gegensatz zu den frühen Versionen wird Linux heute fast nur noch mit der grafischen Benutzeroberfläche bedient. Nur bei Serveranwendungen wird aus Sicherheitsgründen auf das X-Window-System verzichtet, was natürlich auch bei Embedded-Systemen sinnvoll ist. Vielleicht förderte die Distanz zur Kommandozeile auch die Ansicht, hier sei die Sache mit den Schaltern und Relais auch wieder zu kompliziert. Ist es aber nicht! Zwar verbietet ein Betriebssystem wie Linux, das als Mehrbenutzer- und Multitaskingbetriebssystem konzipiert ist, erst mal den direkten Zugriff auf die Hardware (es wäre auch lustig, wenn zwei Programme gleichzeitig in den Bildschirmspeicher schreiben oder etwas an den Drucker schicken würden), aber mit etwas Mut und Hintergrundwissen kann man Linux schnell zur Kooperation überreden. Manchmal reicht schon ein 10-Zeilen-C-Programm. Wie das funktioniert, werde ich Ihnen in diesem Buch zeigen. Dabei werden Sie in begrenztem Umfang auch einen Ausflug in die Entwicklung von Treibern machen.

15 14 Vorwort Weil heutzutage Computerbenutzer, die mit einem Lötkolben in der Hand auf die Welt gekommen sind, immer seltener werden, kommt auch die Hardware mit fertigen Schaltungen und Anregungen zu deren Erweiterung nicht zu kurz. Etwas Grundwissen sollte schon vorhanden sein (Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik sowie Erfahrungen mit dem Zerlegen des heimischen Videorecorders werden meist reichen). Ab und zu wird auch möglicherweise schon vergessenes Wissen mit eingeschobenen kurzen Grundlagenpassagen aufgefrischt. Weitere Grundlagenartikel sind von der Webseite zum Buch abrufbar. Ich verweise in diesem Zusammenhang auch ausdrücklich auf die Beachtung der einschlägigen VDE-Vorschriften. Für den Einsteiger in die Materie eignet sich besonders das Buch Elektronik von Dieter Zastrow. Wenn Sie jedoch schon wissen, wie man einen Mikrowellengrill zu einer Phaserkanone umbaut, können Sie einige Abschnitte über- springen. Auch bei der Programmierung gehe ich davon aus, dass Sie die Sprache C zumindest halbwegs beherrschen. Wer C kann, der lernt Perl recht flott (zumindest oberflächlich, bis zum Perl-Guru dauert es dann einige Jahre). Weil diese Sprache gerade beim Gestalten einer Benutzerschnittstelle oder beim Verarbeiten von Zeichenketten viel bequemer als C ist, wird sie eingesetzt. Manchmal bietet sich Anlass für eine Mischung der beiden: der Basiszugriff erfolgt in C, ein Webinterface per CGI dann in Perl. Welche Linux-Distribution Sie wählen, ist relativ egal. Die Distributionen unterscheiden sich teilweise in den angebotenen Paketen und teilweise in der Verzeichnis- und Konfigurations-Struktur. Einem mit Linux vertrauten Fachmann sollte es nicht schwerfallen, die Beispiele und Skripten des Buches entsprechend anzupassen. Ich habe diverse Distributionen im Einsatz, wobei Debian den Löwenanteil stellt. Bei den meisten Distributionen sind passende Binärpakete direkt verfügbar und lassen sich von CD oder über das Netz installieren. Wenn Speicher oder Plattenplatz knapp sind, bietet das zweite Kapitel die nötigen Hilfen für die Auswahl einer möglichst mageren Distribution. Apropos Information: Ich habe das Literaturverzeichnis und die Linklisten im Anhang in verschiedene Rubriken unterteilt, so dass Sie leichter erkennen können, welche Inhalte bei den einzelnen Büchern oder Webseiten zu erwarten sind. Erlauben Sie mir noch eine Randbemerkung: Das Buch ist selbstverständlich geschlechtsneutral verfasst. Da mir jedoch das sogenannte Binnen-I wenig lesbar scheint ( SystemadministratorInnen ) und die Angabe beider Geschlechter ( Systemadministratorinnen und -administratoren ) dem Lesefluss nicht eben dient, habe ich mich auf die männliche Variante beschränkt. Abgesehen davon bekommt nur ein Pathologe den Systemadministrator innen zu sehen... Nicht zuletzt möchte ich mich bei allen bedanken, die mir direkt oder indirekt bei der Arbeit an diesem Buch geholfen haben, und auch bei jenen, die wegen der Arbeit am Manuskript vernachlässigt wurden. Mein besonderer Dank gilt Frau Metzger und Frau Weilhart vom Hanser-Verlag für die gute Zusammenarbeit, Herrn Sommer für das Finden aller Tippfehler, Hermann Zapf für die Palatino, Donald E. Knuth für TEX, Leslie Lamport für LATEX und Linus Torvalds für Linux. Etliche Themen konnte ich nur anschneiden oder Anwendungen skizzieren, weil sonst der Umfang dieses Buchs alle Grenzen gesprengt hätte. So sind auch Kompo-

16 Vorwort 15 nenten aus dem industriellen Bereich spärlich vertreten, denn es spielt meist keine Rolle für die Anwendung, ob beispielsweise ein Sensor nackt eingesetzt wird oder ob er sich in einem Edelstahlgehäuse mit Schraubanschluss befindet. Es fehlt auch der gesamte Komplex embedded Internet, der genügend Stoff für ein eigenes Buch böte. In diesem Zusammenhang sind Sie als Leserin und Leser gefragt. Wenn Sie etwas vermissen, das Ihrer Meinung nach unbedingt in die folgenden Auflage gehört, oder wenn Sie einen Fehler finden, schreiben Sie mir doch eine . Weil der Stoff dieses Buchs an manchen Stellen etwas trocken ist, endet jedes Kapitel mit einer Befeuchtungshilfe in Form eines Cocktail-Rezeptes. Für das Mixen brauchen Sie keinen Computer, sondern einige wenige Utensilien, die nicht viel kosten: einen Shaker, auch Schüttelbecher genannt, ein Rührglas für alle Drinks, die nicht geschüttelt, sondern gerührt werden ( Gerührt oder geschüttelt, Mr. Bond? ), einen langstieligen Barlöffel und einen Meßbecher. Statt Rührglas kann man auch einen großen Becher vom Küchenmixer nehmen. Nützlich ist noch ein Eiscrusher zum Zerkleinern von Eiswürfeln. Übrigens gerade als Mixanfänger sollten Sie sich genau an die Mengenvorgaben halten. International üblich ist die Angabe der Flüssigkeitsmenge in Zentilitern (cl). 1 cl entspricht 10 ml, d.h. 0,01 l. Weitere Mengen sind: 1 Spritzer (dash) = 0,05 cl, 1 Schuss = 1 cl (1/2 Schnapsglas), 1 Barlöffel = 0,5 cl (etwa 1 Kaffeelöffel) und 1 Esslöffel = 1,5 cl. München, Sommer 2007 Jürgen Plate (plate@netzmafia.de)

17

18 Prolog Die Anwendungen für Schnittstellen, die in diesem Buch beschrieben werden, sollen keinesfalls nur der rein akademischen Erweiterung Ihres Wissens dienen. Zusammen mit Aktoren und Sensoren soll mit Hilfe der Schnittstellen des PCs gemessen, gesteuert und geregelt werden. Eine Abhandlung der Regelungstechnik würde jedoch den Rahmen dieses Buchs sprengen. Daher will ich an dieser Stelle einige Grundbegriffe abfeiern: Messen: Messen bedeutet, ein physikalisches Ereignis in seinem Wert zu registrieren. Quantitative Messung bedarf einer Maßeinheit, die Messung muss reproduzierbar sein. Zum Messen braucht man Sensoren. Steuern: Steuern führt eine physikalische Aktion aufgrund einer zielgerichteten Entscheidung herbei. Steuerung erfolgt durch Energieumwandlung. Steuern ist häufig verbunden mit einem technischen Verstärkungsprozess. Zum Steuern braucht man Aktuatoren ( actuators, häufig als Aktoren bezeichnet). Regeln: Regeln heißt, eine Ist-Größe so zu führen (zu steuern), dass sie möglichst genau einer vorgegebenen Soll-Größe angenähert bleibt. Zum Regeln ist es notwendig, die Ist-Größe permanent oder in kleinen Zeitabständen zu messen. Regeln ist also immer eine Kombination von Messen und Steuern. Steuern und Regeln sind im praktischen Leben meistens eng miteinander verbunden. Ein Auto zu steuern, ist ein hoch komplexer Regelungsvorgang. Leider werden beide Begriffe in der Alltagssprache häufig unpräzise verwendet. So ist der Lautstärkeregler des Walkman eigentlich nur ein Lautstärkesteuerer. Regelungsvorgänge sind in vielen elektronischen Komponenten mehr oder weniger unsichtbar enthalten, und zwar unter dem Begriff Rückkopplung. Ein Teil

19 18 Prolog des Ausgangssignals einer Komponente wird zu deren Eingang zurückgeführt und dort mit dem Eingangssignal verglichen. Die Elektronik stellt das Ausgangssignal so ein, dass der rückgeführte Anteil dem Eingangssignal proportional ist (wobei die Regelungstechnik auch andere Formen der Rückkopplung kennt). Die Rückkopplung kann auf das erzeugte Signal verstärkend (Mitkopplung) oder dämpfend (Gegenkopplung) wirken. Bei einem HiFi-Verstärker werden beispielsweise die Nichtlinearitäten der einzelnen Verstärkerstufen durch Gegenkopplung weitgehend kompensiert. Bei einem Oszillator wird die (beim Verstärker unerwünschte) Schwingneigung durch eine Mitkopplung verstärkt. Warum ist es sinnvoll, nichtelektrische Größen elektrisch zu messen und zu steuern? Weil nur hier Information leicht über größere Entfernungen transportiert, in hoher zeitlicher und physikalischer Auflösung übertragen, komplex umgewandelt und mit anderen Informationen verknüpft und leicht, preiswert und nahezu unbegrenzt gespeichert werden kann. Die Schaltpläne und Board-Layouts zu den Schaltungen in diesem Buch wurden größtenteils mit dem Programmpaket Eagle von Cadsoft erstellt. Neben der kommerziellen Version gibt es eine Freeware-Version mit Limitationen: Platinen dürfen nur zwei Layer besitzen und nicht größer als 100 mal 80 mm sein. Für den Schaltplan ist nur eine Seite erlaubt. Betonen sollte man, dass auch in der Light-Version der Autorouter funktioniert. Ein großer Vorteil des Programms ist der geringe Lernaufwand beim Einstieg. Auch wer nur gelegentlich mal einen Schaltplan zeichnet, kommt mit der Software gut zurecht. Neben dem Programm kann man sich ebenfalls kostenlos die zu Eagle gehörigen Bauteile-Bibliotheken herunterladen. Wem diese nicht reichen, der wird auf dem Webserver von CadSoft fündig. Des Weiteren wird ein HTML-basiertes Hilfesystem, das jeden Befehl von Eagle beschreibt, in Englisch und Deutsch mitgeliefert. Eagle für alle Plattformen, Bibliotheken und weitere Infos finden Sie unter Hinweis Alle Schaltpläne, Bauteile-Definitionen und Platinenlayouts (letztere gibt es nur für einige Schaltungen und sie sind auch nicht im Buch abgedruckt) können Sie als Eagle-Dateien von der Webseite zum Buch herunterladen. Auf dieser Webseite finden Sie auch die Programmlistings, die wichtigsten Datenblätter sowie weitere nützliche Infors: Falls Sie mit der Elektronik und Digitaltechnik noch nicht auf allzu vertrautem Fuß stehen sollten, finden Sie dort auch einige passende Hintergrundartikel unter anderem über die Kühlung von Leistungshalbleitern, Farbcodes und Bauformen von Halbleitern. Damit genug der Vorrede; bleiben mir noch einige technischen Anmerkungen zur Energieversorgung der Schaltungen.

20 Prolog 19 Spannungsversorgung der Schaltungen Sowohl bei TTL als auch bei CMOS treten bei Schaltvorgängen Spitzen in der Stromaufnahme auf. Diese Lastspitzen sind steilflankig und bewegen sich zeitlich im Nanosekundenbereich. Unter solchen Verhältnissen stellen die Versorgungsleitungen zum einzelnen Gatter oder zu sonstigen Bausteinen bereits nennenswerte Induktivitäten dar mit dem Resultat, dass die Versorgung des ICs kurzzeitig einbricht (Dip). Nach einigen Nanosekunden erfolgt ein Überschwingen in der Gegenrichtung (Spike). Beides kann zu Störungen im Ablauf des Schaltnetzes oder des Schaltwerks führen. Daher muss jedes IC mit einem Abblock-Kondensator versehen werden (20 bis 100 nf), der durch möglichst kurze Leitungen oder Leiterbahnen mit den beiden Versorgungsanschlüssen (+Vcc und Masse) verbunden ist. Es kann auch nicht schaden, für die gesamte Schaltung einen Elko mit 47 bis 100 µf vorzusehen. Für fast alle Anwendungen wird eine stabilisierte Gleichspannung benötigt, für die meistens integrierte Festspannungsregler zum Einsatz gelangen. Sie enthalten eine interne Regelstufe für eine bestimmte Spannung (daher der Name). Zusätzlich haben sie eine interne Strombegrenzung, die bei Überlastung und Kurzschluss einsetzt. Bei einem Kurzschluss regelt der Festspannungsregler seine Ausgangsspannung automatisch herunter. Wird der Kurzschluss aufgehoben, stabilisiert sich die Ausgangsspannung wieder auf ihren festen Wert. Eine thermische Schutzschaltung verhindert die Zerstörung des Bausteins durch Überhitzung. Die bekanntesten Festspannungsregler sind die 78xx-Serie für positive und die 79xx-Serie für negative Spannungen. Die Ausgangsspannungen dieser Bausteine können 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 oder 24 Volt betragen. Damit die Spannungsregler einwandfrei arbeiten, sollte die Eingangsspannung mindestens zwei bis drei Volt über der gewünschten Ausgangsspannung liegen. Die Eingangsspannung darf niemals mehr als 36 Volt betragen. Die Differenz der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung sollte jedoch nicht zu hoch sein, da sonst die Verlustleistung am Festspannungsregler zu groß wird (Wärmeentwicklung). Wenn zum Beispiel beim 1-A-Regler die Eingangsspannung 12 V und die Ausgangsspannung 5 V beträgt, müssen 7 W Verlustleistung über einen passenden Kühlkörper abgeführt werden. Als Faustregel für die Trafospannung gilt: Ausgangsspannung +4 Volt. Die Kapazität des Lade-Elkos in µf kann man mit C = 4000 Ausgangsstrom veranschlagen. Tabelle 1: Festspannungsregler Bezeichnung 78Lxx 78Mxx 78xx 78Sxx 78Txx 78Hxx Stromentnahme 0,1 A 0,5 A 1 A 2 A 3 A 5 A

21 20 Prolog Die einzelnen Typen unterscheiden sich nicht nur durch die Ausgangsspannung, sondern auch durch ihren Maximalstrom. In Tabelle 1 ist die Stromentnahme bei ausreichender Kühlung durch einen passenden Kühlkörper angegeben. Ohne Kühlung ist nur etwa die Hälfte der Stromentnahme möglich (eher weniger). Das xx bezeichnet den Wert der Ausgangsspannung in zwei Zahlen. 05 steht demnach für 5 Volt, 15 für 15 Volt. Tipp Normalerweise reicht für alle Schaltungen in diesem Buch ein Steckernetzteil mit maximal 1 A Ausgangsstrom. Es gibt im Handel recht kleine Schaltnetzteile mit einstellbarer, geregelter Spannung, die zwar etwas mehr kosten als entsprechende Varianten mit Trafo, dafür aber kleiner und leichter sind. Wenn zusätzliche Spannungen benötigt werden, können Sie diese mit Hilfe eines Spannungsreglers aus der Gleichspannung des Netzteils gewinnen. In der Regel wird im Buch die 1-A-Version des Spannungsreglers im TO-220- Gehäuse verwendet (Bild 1), die Pinbelegung der anderen Varianten lassen sich den Datenblättern der Hersteller (z. B. National Semiconductor, siehe Links im Anhang) entnehmen. Lediglich dort, wo eine Referenzspannung benötigt wird und nur wenige Milliampere Strom fließen, wird die Variante im TO92-Gehäuse eingesetzt. Bild 1: Pinbelegung von Festspannungsreglern Einzige notwendige Beschaltung des Festspannungsreglers sind zwei Kondensatoren, die Regelschwingungen verhindern sollen. Jeweils am Eingang und am Ausgang müssen diese möglichst nahe am Baustein zwischen Eingang bzw. Ausgang und Masse liegen (Wert: 0,33 bis 1 µf). Bild 2 zeigt eine typische Schaltung. Vor dieser Schaltung befindet sich die Gleichrichterschaltung mit Ladekondensator. Als Block- und Lade-Elektrolytkondensatoren sollten Standard-Typen verwendet werden. Wenn es unbedingt Tantal-Elkos sein müssen, ist auf gute Spannungs- und Schaltfestigkeit zu achten. Bild 2 zeigt außerdem die Version eines dreibeinigen einstellbaren Spannungsreglers. Die Ausgangsspannung wird mit R1 und R2 dimensioniert. Sie ergibt sich zu Ua = 1.25 (1 + R2 R1 ) (1) Die Diode D1, welche zwischen Ein- und Ausgang in Sperrrichtung geschaltet ist, schützt den Baustein. Wird die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung (etwa durch Entladen von Schaltungskapazitäten über den Regler nach dem

22 Prolog 21 Bild 2: Beschaltung von Festspannungsreglern Abschalten der Versorgungsspannung), gibt es einen Kurzschluss im Spannungsregler. Gleichzeitig gelangt auch die ungeregelte Versorgungsspannung an den Rest der Schaltung. Die Diode verhindert diesen GAU. Für die hier verwendeten Spannungsregler gilt eine minimale Stromlast, ohne die der interne Regler des Chips nicht immer einwandfrei arbeitet. Als typische Minimallast gilt 5, besser 10 ma. Bei den Lowpower-Versionen ist der Minimalstrom noch geringer, dafür liefern sie aber auch weniger Maximalstrom. Gegebenenfalls hilft ein Blick in die Datenblätter. Neben den typischen Festspannungsreglern werden verschiedene Low-Drop- Typen angeboten, bei denen die Eingangsspannung nur knapp 1 Volt höher als die gewünschte Ausgangsspannung sein muss (beim 78xx sind es ca. 3 Volt). Bei höherem Strombedarf könnte man einen Schaltregler einsetzen, dessen Verlustbilanz wesentlich besser aussieht. Den LM 2576 von National Semiconductor gibt es beispielsweise für 3,3 V, 5 V, 12 V oder 15 V. Er liefert einen Ausgangsstrom von bis zu drei Ampere. Sicherheitshinweise Beim Umgang mit Produkten, die mit elektrischer Spannung in Berührung kommen, müssen die gültigen VDE-Vorschriften beachtet werden, insbesondere VDE 0100, VDE 0550/0551, VDE 0700, VDE 0711 und VDE Vor allem für Spannungen über 24 Volt gilt: Vor Öffnen eines Gerätes stets den Netzstecker ziehen oder sicherstellen, dass das Gerät stromlos ist. Bauteile, Baugruppen oder Geräte dürfen nur in Betrieb genommen werden, wenn sie vorher berührungssicher in ein Gehäuse eingebaut wurden.

23 22 Prolog Während des Einbaus müssen sie stromlos sein. Werkzeuge dürfen bei Geräten, Bauteilen oder Baugruppen nur benutzt werden, wenn sichergestellt ist, dass die Geräte von der Versorgungsspannung getrennt sind und elektrische Ladungen, die in den im Gerät befindlichen Bauteilen gespeichert sind, vorher entladen wurden. Spannungsführende Kabel oder Leitungen, mit denen das Gerät, ein Bauteil oder eine Baugruppe verbunden sind, müssen stets auf Isolationsfehler oder Bruchstellen hin untersucht werden. Die Inbetriebnahme darf grundsätzlich nur erfolgen, wenn die Schaltung absolut berührungssicher in ein Gehäuse eingebaut ist. Sind Messungen bei geöffnetem Gehäuse unumgänglich, so muss aus Sicherheitsgründen ein Trenntrafo zwischengeschaltet oder die Spannung über ein geeignetes Netzteil (das den Sicherheitsbestimmungen entspricht) zugeführt werden. Alle Verdrahtungsarbeiten dürfen nur im spannungslosen Zustand ausgeführt werden. Vor der Inbetriebnahme eines Gerätes ist generell zu prüfen, ob dieses Gerät oder diese Baugruppe grundsätzlich für den jeweiligen Anwendungsfall und Einsatzort geeignet ist bzw. eingesetzt werden kann. Im Zweifelsfall sind unbedingt Rückfragen bei Fachleuten, Sachverständigen oder den Herstellern der verwendeten Baugruppen notwendig! Campari Punch 3 cl Campari 2 cl Cointreau 2 cl Zitronensaft 4 cl Orangensaft 4 cl Grapefruitsaft Alle Zutaten zusammen im Shaker mit Eis schütteln und in ein Ballonglas gießen.