Kurseinheit 7. Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner. 1. Elektronik Der Sperrschicht-Transistor. 3. Software

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1 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Kurseinheit Elektronik Der Sperrschicht-Transistor 2. Mikrorechnertechnik Der PWM-Ausgang 3. Software MotorEinAus: Motor schalten MotorPWM: Motor stufenlos steuern MotorRichtung: Motor in in zwei Richtungen steuern 4. Anhang Transistordaten und Anschlussbelegungen Daten der H-Brücke L298 Axel Schultze, DK4AQ, dk4aq@t-online.de 1

2 Spaß an Technik: Elektronik Elektronik Bauteile,Theorie, Formeln... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 2

3 Der Bipolar-Transistor (1) Spaß an Technik: Elektronik Schaltbilder der Bipolar-Transistoren Transistoren sind wichtige aktive Bauteile, mit denen man mit Eingangssignalen von niedriger Stromstärke große Lastströme schalten kann. Es gibt in der Gruppe der Transistoren die bipolaren Transistoren, bei denen zwei Arten bestehen: Quelle: - NPN-Transistor - PNP-Transistor Die Bezeichnungen resultieren aus der Schichtenfolge im Inneren des Transistors. Jeder der beiden Transistoren kann Lastströme entsprechend der Pfeilrichtung aus dem Schaltbild steuern. Quellealle Bilder: DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 3

4 Spaß an Technik: Elektronik Der Bipolar-Transistor (2) µm Der Sperrschicht-Transistor besteht aus drei dotierten Halbleiterschichten (2 pn- Übergänge). Man kann sich 2 Dioden in Reihe vorstellen. Normalerweise ist die Strecke Collector / Emitter gesperrt. Regt man einen kleinen Strom von der Basis zum Emitter an (NPN), so fließen Löcher in den Emitter und Elektronen in die Basis. Diese Elektronen brauchen eine gewisse Lauflänge bis sie mit den Löchern der Basis rekombineren. In dieser Zeit können sehr leicht durch den zweiten Übergang zum Collector fließen, da ein starkes positives Feld (höhhere Copllector-Basisspannung) auf sie wirkt. Dieser Strom ist viel stärker als der in die Basis eingespeiste Strom. Der Faktor zwischen Collectorstrom und Basisstrom heißt Stromverstärkung B und kann zwischen 30 und 1000 liegen. Damit lassen sich Signale verstärken und starke Leistungen durch geringe Ströme schalten. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 4

5 Der Bipolar-Transistor (3) Spaß an Technik: Elektronik Wir verwenden die Transistoren als Schalter. In diesem Betrieb muss der Eingang (Basis) sicher übersteuert werden, so dass der Transistor durchgesteuert ist. Der minimal notwendige Basisstrom ist der geplante Collectorstrom dividiert durch B, die Stromverstärkung. Zur Sicherheit wird der Strom Faktor größer eingesetzt. Eine Kontrolle, ob der Transistor durchgeschaltet ist, kann eine Messung der Collector- Emtter-Spannung sein. Die Spannung darf U CEsat aus dem Datenblatt nicht überschreiten. 6V U B Beispiel: Anwendung NPN-Transistor R B U CE I C B=100 R B = (6V-0,7V) / 20mA 240 Ohm 0,5V 0,5A U E I BE UBE 5V I BEmin = 0,5A/100 0,7V I BE gewählt 20mA DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 5

6 Der Bipolar-Transistor (4) Spaß an Technik: Elektronik Beispiel: Anwendung PNP-Transistor U E R B I BE U BE U B U CE I C Schalten induktiver Lasten Schutzdiode Stützkondensator z.b. 100µF +U B z.b. Hubmagnet z.b. 1N4001 DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 6

7 Der Bipolar-Transistor (4) Spaß an Technik: Elektronik Die H-Brücke zur Steuerung eines Gleichstrommotors In beide Richtungen A C Ansteuerung z.b. durch Digitalausgänge B M D Steuerung A B C D C Halt Vor Rück C: Entstörkondensator, ca. 100nF keramisch Halt/ Brems DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 7

8 Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik Mikrorechnertechnik Prinzipien,Strukturen, Eigenschaften... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 8

9 Anhang: Beschaltung mit Widerständen PWM Ausgänge (1) Ein häufig angewendetes Verfahren zur Steuerung von Leistungsbauteilen ist die Pulsbreitenmodulation PWM (Pulse Width Modulation). Sie erlaubt eine verlustarme Steuerung duirch eine schnelle Tastung des Lastsignals. Je nach Tastverhältnis kann der Mittelwert des Stroms verändert werden. Wenn die Periodendauer kurz gegenüber der Trägheit des zu steuernden Last ist, lässt sich die Last ohne Nachteile stellen. Quelle: t DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 9

10 Anhang: Beschaltung mit Widerständen PWM Ausgänge (2) Pulsbreitenmodulation wird bei Arduino Hardware (ATmega328) unterstützt durch quarzgetaktete Timer an den Digital- Ausgängen 3, 5, 6, 9, 10 und 11. Der Atmega328 hat 3 Hardware-Timer.(2x 8bit, 1x16bit) Jeder der Timer hat 2 Vergleicher, deren Wert per Software eingestellt werden kann. Mit dieser Kombination kann er 6 Ausgangssignale erzeugen. Arduino-PWM läuft mit einer Frequenz von ca. 490 Hz und kann mit Werten von im Tastverhältnis gesteuert werden. Es kann also besser als 0,5% genau gesteuert werden. Der Aufruf analogwrite(pin, value) erlaubt die Steuerung eines Digital-Ausgangs. Unter sind noch mehr Möglichkeiten zur Nutzung der PWM-Hardware-Struktur auch mit höheren Grundfrequenzen beschrieben. Der Name analogwrite ist eigentlich nicht zutreffend. Man kann jedoch aus einem PWM-Ausgang durch hinzufügen eines RC-Filters mit einer Zeitkonstante von ms der Periodendauer einen sehr genauen (wenn auch langsamen) D/A-Wandler zu machen. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 10

11 Spaß an Technik: Software Software Programmierung, Strukturen, Werkzeuge... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 11

12 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 12

13 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Hier sollen Die 5V Versorgung getrennt werden! MotorEin Netzteil + DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 13

14 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorEinAus(1) DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 14

15 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorEinAus(2) Einschalten des Motors Über eine Schaltschwelle DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 15

16 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorPWM(1) Stufenloser Stellbetrieb Des Motors über Pulsbreitenmodulation PWM-Ausgang wird als normaler Digiotal- Ausgang initialisiert DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 16

17 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorPWM(2) PWM-Ausgabe, der Analogwert ( ) wird vorher durch 4 geteilt, da die Ausgabe-Funktion die Werte benötigt DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 17

18 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Schaltung zur Richtungssteuerung und ggfs. PWM über die Enable-Leitung DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 18

19 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Hier sollen Die 5V Versorgung getrennt werden! Netzteil 5V, 1A DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 19

20 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorRichtung(1) Programm zur Richtungssteuerung über eine H- Brücke DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 20

21 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorRichtung(2) DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 21

22 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorRichtung(3) Erkennung eines Tastendrucks und Entprellung ohne, dass das Programm irgendwo wartet DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 22

23 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorRichtung(4) Erkennung eines Tastendrucks und Entprellung ohne, dass das Programm irgendwo wartet DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 23

24 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorRichtung(5) State Machine zur Realisierung der Ablaufsteuerung auf Knopfdruck, Aufruf von eigenen Funktionen DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 24

25 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorRichtung(6) State Machine zur Realisierung der Ablaufsteuerung auf Knopfdruck, Aufruf von eigenen Funktionen DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 25

26 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner MotorRichtung(7) 4 eigene Funktionen DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 26

27 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Komplexe Bedingungen Verzweigungen und Loops werden durch Bedingungen gesteuert. If ( a == b)... If (a!= b)... If (a > b)... If (a < b)... If (a >= b)... If (a <= b)... If (a & b)... If (a b)... Wenn a gleich b ist dann... Wenn a ungleich b ist dann... Wenn a größer als b ist... Wenn a kleiner als b ist... Wenn a größer oder gleich b ist dann... Wenn a kleiner oder gleich b ist dann... Wenn das Bitmuster a verundet mit dem Bitmuster b gleich 0 ist dann... Wenn das Bitmuster a verodert mit dem Bitmuster b gleich 0 ist dann... Es sind auch Verknüpfungen von Bedingungen möglich: If ((a >b) && (a <= c))... If ((a == c) (d))... Wenn a größer als b ist UND a kleiner oder gleich c ist dann... Wenn a gleich c ist ODER d größer als Null ist... (z.b. Digitaleingang)... Ergebnisse von Bedingungen können wahr (1) oder falsch (0) sein. Daher werden Rechenoperationen für 1-bit-Größen verwendet : UND &&, ODER, NICHT!, XOR ^ Achtung! Typische Fehlerquelle, & bedeutet eine bitweise VerUNDung eines Wortes! DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 27

28 Spaß an Technik: Elektronik Anhang Datenblätter DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 28

29 Spaß an Technik: Elektronik Der Sperrschicht-Transistor Daten (1) BC556: PNP, B = , U CEmax = 65V, I cmax = 100mA, U CEsat = 0,3V 1: Emitter, 2: Basis, 3: Collector Quelle: Datasheet Philips Philips Semiconductors BC337: NPN, B = , U CEmax = 45V, I cmax = 800mA, U CEsat = 0,7V Quelle: Datenblatt Siemens BC137-16: NPN, B = , U CEmax = 60V, I cmax = 1,5A, U CEsat = 0,5V Quelle: Datasheet Philips Semiconductors 1: Emitter, 2: Collector, 3: Basis Quellealle Bilder: DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 29

30 Spaß an Technik: Elektronik Der Sperrschicht-Transistor Daten (2) BD239C: NPN, B > 15, U CEmax = 100V, I cmax = 2A, U CEsat = 0,7V 1: Basis, 2: Collector, 3: Emitter Quelle: Datasheet STMicroelectronics BD240C: PNP, B > 15, U CEmax = 100V, I cmax = 2A, U CEsat = 0,7V Quelle: Datasheet Trans Electronics Limited DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 30

31 H-Brücke L298(1) Spaß an Technik: Elektronik Quelle: Katalogbild Quelle: Datenblatt STMicroelectronics Der L298 iste eine Doppel-H-Brücke und kann zwei Motoren unabhängig steuern. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 31

32 Spaß an Technik: Elektronik H-Brücke L298(2) Ubmax = 46V Imax = 2A (Spitze 3A) Quelle: Datenblatt STMicroelectronics DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 32

33 H-Brücke L298(3) Spaß an Technik: Elektronik Quelle: Datenblatt STMicroelectronics DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 33

34 H-Brücke L298 Spaß an Technik: Elektronik DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 34

35 Ende DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 35