Einflüsse auf Schaltungen. Dr. Ulrich Massek Benjamin Fink Sebastian Giehl

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1 Einflüsse auf Schaltungen Dr. Ulrich Massek Benjamin Fink Sebastian Giehl 1

2 1. Signalverarbeitung im AMT 1.1 Signalfluss im AMT Sensoren Vergleich (Signalverstärkung) Anzeige Sensorsignal (Invertiert) Signalweiterleitung zur Digitalplatine Steuersignale von der Digitalplatine Digitalplatine oder Codestecker Motorsteuerung Betriebsspannung für Motoren (optional) Akkus oder Batterien Spannungsregelung auf 5V (für alle Baugruppen, einschließlich Sensorund Digitalplatine) 2

3 Fototransistor Schaltung Sensoren LED weiß Sensorplatine Schwarzer Chip Kurzes Bein = Collector = Pluspol Weißer Chip Kurzes Bein = Kathode = Minuspol Sensoren 3

4 Signale an den Sensoren Kreuzungssensor links Fahrsensor links Fahrsensor rechts Kreuzungssensor rechts Anschlusspin des SV50 Schwarzer Untergrund Sonstiger Unter-grund 5/6 2-5 V 0,4-1,2 V 7/8 2-5 V 0,4-1,2 V 9/ V 0,4-1,2 V 11/ V 0,4-1,2 V 4

5 5

6 Signalverstärker, Vergleicher und Anzeige 6

7 Die LED am jeweiligen OPV- Ausgang leuchtet bei Signalpegel 0, also wenn der AMT die Fahrstrecke verlassen hat. 1,5 V 7

8 Signalverarbeitung am OPV 1,5 V 1,5 V Anschlusspin des SV1 Schwarzer Untergrund Sonstiger Untergrund 5/6 2-5 V 0,4-1,2 V 7/8 2-5 V 0,4-1,2 V 9/ V 0,4-1,2 V 11/ V 0,4-1,2 V (Entspricht dem nichtinvertierenden Eingang des jeweiligen OPV) 1,5 V 1,5 V Die LED am jeweiligen OPV-Ausgang leuchtet bei Signalpegel 0, also wenn der AMT die Fahrstrecke verlassen hat. Ausgang des OPV Schwarzer Untergrund Sonstiger Untergrund 1 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 2 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 13 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 14 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 8

9 Zuordnung Sensor Steckverbinder - OPV Kreuzungssensor links Fahrsensor links Fahrsensor rechts Kreuzungssensor rechts 9

10 1.3 Belegung der Schnittstelle Sensoren Motoren: Anschlussbelegung SV2: 1,2: Masse 3,4: nicht belegt 5,7: Steuerung Motor links 6: Kreuzungssensor links (in Fahrtrichtung gesehen) 8: Fahrbahnsensor links 9,11: Steuerung Motor rechts 10: Fahrbahnsensor rechts 12: Kreuzungssensor rechts 13,14: +5V Sensoren werden auf der Digitalplatine gespiegelt angezeigt!! Pinbelegung des SV2 Schwarzer Untergrund 6 Kreuz links 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 8 Fahr links 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 10 Fahr rechts 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 12 Kreuz rechts 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) Sonstiger Untergrund Pfeil am Wannenstecker = Pin 1 = Rot markierter Leiter am Flachbandkabel 10

11 Zusammenfassung der Signale an den Motoren: Anschlussbelegung SV2: 1,2: Masse 3,4: nicht belegt 5,7: Steuerung Motor links 6: Kreuzungssensor links 8: Fahrbahnsensor links 9,11: Steuerung Motor rechts 10: Fahrbahnsensor rechts 12: Kreuzungssensor rechts 13,14: +5V Motordaten Rot Grün Motor (Blick auf das Ende der Welle) 5V 0V Im UZS 0V 5V Gegen UZS 0V 0V Stopp 5V 5V Bremsen Anschluss der Motoren Motorsteuerung über SV2: Definition der Pins 5 7 linker Motor 0 1 vorwärts 1 0 rückwärts 0 0 Stopp 1 1 Bremsen 9 11 rechter Motor 0 1 vorwärts 1 0 rückwärts 0 0 Stopp 1 1 Bremsen 11

12 1.4 Funktion des Motortreibers Input X Output X Digitale 1 = 5V 5V Input 1 Output 1 Input 4 Output 4 Digitale 0 = 0V 0V Output 2 Input 2 Output 3 Input 3 Rot Grün Motor 5V 0V Im UZS 0V 5V Gegen UZS 0V 0V Stopp 5V 5V Bremsen 12

13 1.5 notwendige Steuersignale der Motoren: Farben der Motoranschlüsse Anliegendes Signal vom Wannenstecker A rot linker Motor A (5) B (7) linker Motor WS 5 = A C = WS 11 B grün 0 1 vorwärts 1 0 rückwärts WS 7 = B Rot Grün Motor 5V 0V Im UZS 0V 5V Gegen UZS 0V 0V Stopp 5V 5V Bremsen D = WS 9 Enable C rot D grün E: Geschwindigkeitsregelung über PWM 0 0 Stopp 1 1 Bremsen rechter Motor C (11) D (9) rechter Motor 1 0 Vorwärts 0 1 rückwärts 0 0 Stopp 1 1 Bremsen 9 und 11 vertauscht!! 13

14 Motor rechts Motor links Externe Zusatzspannung für Motoren Jumper Motorspannung 5V Jumper Motorspannung extern 14

15 Zusammenfassung Signale an der Schnittstelle Sensoren - Motoren: Anschlussbelegung SV2: 1,2: Masse 3,4: nicht belegt 5,7: Steuerung Motor links 6: Kreuzungssensor links 8: Fahrbahnsensor links 9,11: Steuerung Motor rechts 10: Fahrbahnsensor rechts 12: Kreuzungssensor rechts 13,14: +5V Motorsteuerung über SV2: Pinbelegung des SV2 (Sensoren) Schwarzer Untergrund Sonstiger Untergrund 6 Kreuz links 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 8 Fahr links 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 10 Fahr rechts 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 12 Kreuz rechts 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) (LED aus) (LED an) 5 7 linker Motor 0 1 vorwärts 1 0 rückwärts 0 0 Stopp 1 1 Bremsen 9 11 rechter Motor 0 1 vorwärts 1 0 rückwärts 0 0 Stopp 1 1 Bremsen 15

16 1.7 Test der Analog- und Sensorplatine mit Codestecker (einfache Linienverfolgung): Anschlussbelegung SV2: 1,2: Masse 3,4: nicht belegt 5,7: Steuerung Motor links 6: Kreuzungssensor links 8: Fahrbahnsensor links 9,11: Steuerung Motor rechts 10: Fahrbahnsensor rechts 12: Kreuzungssensor rechts 13,14: +5V Pinbelegung des SV2 (Sensoren) Schwarzer Untergrund Sonstiger Untergrund 6 Kreuz links 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 8 Fahr links (fl) 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 10 Fahr rechts (fr) 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) 12 Kreuz links 4V ( 1 ) 0V ( 0 ) (LED aus) (LED an) 5 7 linker Motor 0 1 vorw. 1 0 rückw. 0 0 Stopp 1 1 Stopp 9 11 rechter Motor 0 1 vorw. 1 0 rückw. 0 0 Stopp 1 1 Stopp Link.Mot. AMT(1) AMTA recht.mot. Fahrtrichtung Link.Mot. AMT(3) AMTA recht.mot. Folgerung1: 5 und 9 immer auf 0, also GND => 5 und 9 direkt auf GND legen Folgerung2: AMT kommt nach rechts von Strecke ab (fr=0) linker Motor stopp Folgerung3: AMT kommt nach links von Strecke ab (fl=0) rechter Motor stopp Fall fl(8) fr(10) link.mot. re.mot AMT(1) 1 1 vorw. Vorw. vorw. Vorw AMT(2) 1 0 stopp vorw. Vorw fr fl AMT(3) 0 1 vorw. stopp

17 1.8 Einbindung der Digitalsteuerung: Anschlussbelegung SV2: 1,2: Masse 3,4: nicht belegt 5,7: Steuerung Motor links 6: Kreuzungssensor links 8: Fahrbahnsensor links 9,11: Steuerung Motor rechts 10: Fahrbahnsensor rechts 12: Kreuzungssensor rechts 13,14: +5V 13 oder 14 1 oder Eingänge +5V GND kl fl fr kr Digitalplatine mit Programmierung link.mot. link.mot. recht.mot. recht.mot. Ausgänge PWM PWM Signale werden auf der Digitalplatine gespiegelt angezeigt Vorwärts und Rückwärts in der Anzeige auf der Digitalplatine vertauscht 17

18 Gesamtschaltung Analogplatine 18

19 Platine (Bestückungsplan und Layout) Motor rechts Grün Rot Grün Rot Motor links 19

20 2. Einflüsse auf Schaltungen durch Masseleitungen 20

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22 22

23 erwartetes Signal U ss = 8V angezeigtes Signal Fehler: Messkabel hat beidseitig keine Verbindung zur Leiterplatte U ss = 2mV 23

24 erwartetes Signal U ss = 8V angezeigtes Signal Fehler: Masse des Messkabels nicht angeschlossen U ss = 2V 24

25 erwartetes Signal U ss = 0V angezeigtes Signal Fehler: Erdschleife U ss = 10mV 25

26 Entstehung von Erdschleifen 26

27 3. Einflüsse auf Schaltungen von außen interne Beeinflussung: besteht meist aus unerwünschter Kopplung von einzelnen Bauteilen oder einzelnen Systemkomponenten. externe Beeinflussung: Leitungsgebundene Einwirkung und Aussendung (z.b. durch Spannungspulse bei Schaltvorgängen auf der Leitung) Strahlungsgebundene Einwirkung und Aussendung (z.b. durch hochfrequente Störquellen) Elektrostatische Entladung am Gerät (z.b. durch geladene Körper) 27

28 3.1 Kopplungsmechanismen 28

29 3.2 Galvanische Kopplung Der Strom im Stromkreis A (Digitalschaltung) verursacht an der gemeinsamen Impedanz (Z) einen Spannungsfall. Dieser Spannungsfall macht sich in Stromkreis B (Analogschaltung) als Versorgungsspannungseinbruch bemerkbar. Der Spannungsfall ist um so größer, je größer der Strom und je größer die gemeinsame Koppelimpedanz (Z) ist. 29

30 Abhilfe gegen galvanische Kopplung Vermeiden galvanischer Verbindungen zwischen Systemen, die voneinander unabhängig sind und zwischen denen kein Informationsaustausch vorgesehen ist. Impedanzarme, insbesondere induktivitätsarme Ausführung von Leitungen und Leiterzügen wie Bezugspotentialleiter, Stromversorgungs- und Erdungsleitungen, die zu mehreren Stromkreisen gehören Galvanische Entkopplung wird erreicht durch - Verzicht auf gemeinsamen Rückleiter (beispielsweise PEN-Leiter) - Vermeidung von Koppelimpedanzen zwischen Signal- und Leistungskreisen - sternförmige Zusammenführung der Bezugspotentiale mehrerer Geräte sowie des Schutzleiter- bzw. des Erdungssystems - sternförmige Verkabelung der Stromversorgung - getrennte Stromversorgung von Stellgliedern, Baugruppen usw. Potentialtrennung mittels Trenntransformatoren, Optokopplern und Lichtwellenleitern 30

31 3.3 Kapazitive Kopplung Die Störgröße der kapazitiven Kopplung ist die elektrische Spannung. Zwischen zwei benachbarten Leitern unterschiedlichen Potentials - etwa Starkstromund Signalleitern - tritt kapazitive Kopplung auf. Die Leitungen stellen im weitesten Sinne die Platten eines Kondensators dar. Eine Starkstromleitung (1) und eine Signalleitung (2) liegen parallel. Die parasitäre Koppelkapazität C12 beträgt 100 pf. Beim Schalten einer Spannung von 400 V (du) mit einer Anstiegszeit von 0,1 µs (dt) ergibt sich ein Störstrom von 400 ma. 31

32 Verringerung der kapazitiven Einkopplung - Optimierung des Abstandes der beiden Leiter zueinander - Dichte Verlegung der Leitung an die Massestruktur - Geschirmtes Kabel, einfügen statischer Schirme (Masseflächen) - Räumliche Trennung von empfindlichen und störbehafteten Kreisen 32

33 3.4 Induktive Kopplung Ursache für eine induktive Kopplung ist ein magnetisches Wechselfeld. Um einen stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld aus, das auch benachbarte Leiter durchdringt. Eine Stromänderung bewirkt auch eine Änderung des Magnetfeldes, wodurch dann eine Spannung in den benachbarten Leiter induziert wird. Beispiel: In einer Messleitung (2), die auf 2 m Länge parallel zu einem Motorkabel (1) liegt wird eine überlagernde Störspannung induziert. Die Gegeninduktivität M 12 beträgt 500 nh pro Meter. Wird im Motorkabel (1) ein Strom von 50 A (di) mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 10 µs (dt) geschaltet, so ergibt sich eine Störspannung von Ust = 5 V auf der Messleitung (2). 33

34 Verringerung der induktiven Einkopplung - benachbarte Verlegung von Hin- und Rückleitern, also Minimierung der aufgespannten Fläche (kleinere unsymmetrische Störungen) - Verlegung der Leiter direkt an der Massestruktur (kleinere unsymmetrische Störungen) - di/dt verkleinern - kurze Leitungen - Vermeidung von Parallelführung leitungsverschiedener Kreise - Vermeidung großer Leiterschleifen - Schirmung: niederfrequent = Mumetall, hochfrequent = Kupfer, Aluminium - Verdrillte Leitungen (Twisted Pair) 34

35 3.5 Strahlungskopplung 35

36 HF-Emission von Geräten 36

37 In Geräte eingeleitete HF-Emissionen ESD: Elektrostatische Entladung Surge: Stoßspannung Burst: HF-Störimpuls 37

38 Störquellen (Elektrostatische Entladung) 38