Nebenfachelektrotechnik

Aufbau eines universellen Mess- und Prüfsystems

Messsystem = Arduino + Peripherie
Prüfsystem = Arduino + Peripherie

für die Erkundung von Grundlagen der Elektrotechnik

Diese Seiten führen nicht in den Arduino ein. Einen Link auf gute Einführungen und Tutorials findet man mit wenig Suche auf dieser Webseite    oder auf der Mutterseite der Arduinos www.arduino.cc unter „Learning“ -> „Getting startet“ zum Einrichten der IDE und „Tutorials“-> „Reference“ erschließt die gegenüber „echtem“ C++ geänderte Handhabung und den Programmaufbau.
Alle auf diesen Seiten angesprochenen Aufbauten lassen sich auch mit dem Arduino UNO umsetzen, jedoch bietet die Handhabung eines Arduino-Nano auf einem Steckbrett. Die Positionierung auf dem Steckbrett erlaubt den unmittelbaren Anschluss mehrer Drahtbrücken an einen IO-Port, GND oder 5V-Ausgang des Arduino. Gegenüber dem UNO fehlt dem Nano eine solide Spannungsversorgung. Auch UNO-kompatible Boards sind dem UNO gegenüber gelegentlich in diesem Punkt unterlegen, was in einigen der Versuche (z:B. Auslegung von Spannungsversorgungen) zu Demonstrationszwecken genutzt wird. Die Eingangsspannung darf an der Buchse beim UNO zwischen 6 und 20V betragen (empfholen sind 7-12V). Die Eingangsspannung der Steckbrettstromversorgung ist für 6,5 bis 9V ausgelegt.

YwRobot Breadboard Power Supply  und YwRobot-Stromversorgung

Die Stromversorgung des UNO ist mit 500mA, die des YwRobot-Adapters mit 700mA belastbar. Beide Versorgungen sind über eine einfache Sicherung abgesichert, die Sicherungen bieten aber keinen endgültigen Schutz und sind aber final zerstörbar.

Der Nano ist so auf das Steckbrett zu setzen, dass die beiden Reihen der „Beinchen“ auf entgegengesetzte Seiten der mittleren Vertiefung des Steckbretts in die vorgesehenen Löcher gelanden. Alle Löcher, die senkrecht auf die Mittelvertiefung zulaufen sind untereinander mit einem Kupferleiter verbunden. Das Bild zeigt darum die über und unter dem Nano abgehenden Lochreihen zartgrün hinterlegt. Mehrbeinige Bauteile lassen sich zum Teil nur schwer in das Steckbrett stecken und auch nur schwer aus diesem wieder entfernen. In der oberen Abbildung gibt es zu jedem Ein/Ausgangspin des Nano auf der nach bildoben zeigenden Seite 3 leitende Lochverbindungen und nach unten hin 2 leitende Lochverbindungen zur Mikrocontrolerplatine. Die obige Abbildung zeigt den vollständigen Aufbau zum einsatzbereiten System. Die Stromversorgung versorgt auf diese Weise die beiden oben verlaufenden Stromschienen mit 3,3V (Steckbrücke der Platine steckt erkennbar auf der Einstellung 3,3V) und die beiden unteren Stromschienen werden mit 5V Spannung versorgt. Die jeweils roten Linien markieren dabei die Anode (+) die blauen Linien die Masse (-) oder (GND). Das Beispiel zeigt ein Steckbrett mit durchlaufenden Stromschienen. Um Fehler zu vermeiden, ist stets darauf zu achten, dass die positive Spannung über eine rot gekennzeichnete Schiene und der Massekontakt stets über die blaue gekennzeichnete Schiene verläuft.

Beim Hantieren mit elektronischen Bauteilen ist stets auf eine ausreichende Erdung der handhabenden Personen, Unterlagen und gehandhabten Dinge (Schaltkreise, Bauteile usw.) zu achten. Elektrostatische Aufladungen entstehen leicht an nichtleitenden oder schlechtleitenden Dingen.

Die Trennung von Ladungen kann in Form von Elektrostatik dabei zu einem ernsten Problem werden. Nicht immer muss es der Klassiker mit dem Katzenfell auf Bernstein sein, wenn es um das Entstehen und Prüfen auf mögliche elektrostatische Aufladung geht.

Statt einer Kunstfaserdecke eignet sich auch ein Luftballon zum Nachweis elektrostatischer Aufladung durch Katzenfell.

Unter „Nur noch Katzen haben ein Katzenfell“ gab die Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig 2009 bekannt, mit einem Filzmaterial noch bessere Erfolge und reproduzierbarere Ergebnisse als mit Katzenfell erzielen zu können.

Auszug aus „Technische Regeln für Gefahrstoffe“ der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin www.baua.de

TRGS 727 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen

Prozessoren und Platinen können zumindest Teilweise durch spezielle Schutzschaltungen vor Schäden durch elektrostatische Einflüsse geschützt werden. Dieser Schutz ist nicht absolut und viele Bauteile besitzen keinen Schutz. Geeignete Vorsichtsmaßnahmen sind daher immer geboten. Wie der folgende Youtube-Beitrag stellvertretend für eigene Versuche belegt.

Die elektrischen Feldstärke wird in V / m also Volt pro Meter (bzw. Newton / Coulomb dazu später) angegeben. Eine kleine Ladung erzeugt somit über eine kurze Distanz eine ebenso hohe Feldstärke wie eine gr0ße Ladung über eine große Distanz. Einzelne Ladungen, die zum Beispiel über eine Zellmembran von einer Seite der Membran auf die andere transportiert werden, erzeugen bei einer Dicke der Isolationsschicht (Biomembran, Lipiddoppelschicht) von unter 10 nm, somit eine nicht unerhebliche elektrisches Feld.

Elektronische Bauteile besitzen in ihrem Inneren heute Strukturen mit einer elektrischen Trennschicht von zum Teil 800nm, was schon sehr gering ist. Also können durch elektrische Ladungen im Prozessor hohe Feldstärken entstehen. Während Schaltkreise in der Elektronik derzeit gerne mit Spannungen zwischen 5 und 1,2V betrieben werden, kann sich ein Mensch in einer trockenen Umgebung (<20% relativer Luftfeuchte) durch Reibung bis auf 35 000V aufladen, während die Spannung bei 65% relativer Luftfeuchtigkeit „nur“ 1500V betragen kann, was noch immer das 1000fache der Betriebsspannung darstellt. Bei hohen Feldstärken schlagen Isolationsschichten durch. Defekte / Kurzschlüsse oder Unterbrechungen entstehen. Spezielle (Schutz-)Schaltungen können die Gefahren minimieren helfen.

Elektrostatisch geschützte Bauteile (Electrostatic Discharge protected devices)

Von Inductiveload – self-made,Diese Vektorgrafik wurde mit Inkscape erstellt., Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3100022

Elektrostatisch gefährdete Bauteile

Antistatische Bodenbeläge, Schuhe, Handschuhe in elektrisch leitenden Materialien gefertigt sollen Risiken minimieren helfen. Ableitwiderstände sond dabei meist nicht nahe Null, da eine Funkenentstehung zu vermeiden ist und eine langsame Ableitung dieses Risiko minimiert.

Auch wenn die Prozessoren der Arduino-Serien ESD-geschützte Geräte sind, hat jeder Schutz Grenzen, wie das obige Video zeigt. Durch Kapazitäten (im Video ein Kondensator) sind Ladungen addierbar und somit vergrößert sich ein möglicher Schadeffekt.

Alle Versuche sind unter Berücksichtigung möglicher Risiken für die Bauteile durchzuführen.

Elektrostatik ist (mehr oder weniger) überall und beeinflusst Messungen.

Für die Arbeiten und insbesondere die Dokumentation kann die Verwendung eines geeigneten und flexiblen Terminalprogramms von Vorteil sein. Empfehlenswert und von vielen Quellen zur Mikrocontrollertechnik genutzt ist die freie Software Coolterm, die in Versionen für Mac, Win und Linux verfügbar ist.

Quelle: http://freeware.the-meiers.org/

Beschreibung / Tutorial bei Sparkfun.

Für die ersten Versuche genügt der über die Arduino-IDE verfügbare Serielle-Monitor.

Material:

  • Steckbrett (Breadboard)
  • arduino Nano
  • Steckbrücken
  • Widerstände (5 gleichartige >220 Ohm)

Inbetriebnahme des Arduino-Nano-Aufbaus auf dem Steckbrett. Der auf dem Steckbrett befindliche Arduino ist mit dem beiliegenden Mikro-USB-Kabel mit dem PC zu verbinden.

Zusätzlich zur vollständigen Installation der Arduino-IDE kann es erforderlich sein einen für den Arduino-Nano geeigneten Treiber nachzuinstallieren, wenn auf dem Nano ein USB-Baustein CH340 verbaut wurde, der vom Betriebssystem des PC nicht erkannt wird. Linux-Systeme sollten ohne zusätzliche Installation funktionieren.

www.arduined.eu

Verfügbare Nanos 3.0 gibt es sowohl mit ATmega 328 als auch mit ATmega168. Die Angaben zur CPU und zum verwendeten USB-Port des Rechners müssen korrekt in die Einstellungen der IDE eingegeben werden (Menüpunkt „Werkzeuge“->“Board“ und „Werkzeuge“->“Prozessor“ sowie „Werkzeuge“->“Port“.

Das Funktionieren der Einstellung lässt sich mithilfe des „Blink“-Demoprogramms unter „Datei“ -> „Beispiele“ -> „Basics“ -> „Blink“ überprüfen. Während das Compilieren stets fehlerfrei funktionieren sollte, kann das compilierte Programm nur dann fehlerfrei auf das Prozessorboard geladen werden, wenn alle Einstellungen korrekt ausgeführt wurden.

Durch Verändern des Zahlenwerts „1000“ in den Klammern in „delay(1000)“ und erneutes Compilieren und Hochladen sollte die im Nano fest verbaute LED im neu eingestellten Rhythmus blinken. Der Zahlenwert gibt die Dauer des jeweiligen Verzögerungsvorgangs in Millisekunden an.

Der einwandfreie Verlauf des Funktionstests bestätigt die Eignung des Systems für die weitere Versuche.

Folgeversuche:

Mithilfe des Beispielprogramms „AnalogReadSerial“ sind zunächst die Eigenschaften des Analogeingangs A0 auf sein Verhalten bezüglich elektrostatischer Einflüsse zu prüfen. Ein einfaches Stück Draht, das in ein A0 verbundenes Loch der Steckplatine gesteckt wird, dient als Antenne.

Bei der Identifikation von A0 hilft die Schemazeichnung zu Belegung und Eigenschaften der einelnen Pins des Arduino Nano. Die Schablone verrät zusätzliche Eigenschaften der einzelnen Pins.

Aufgabenstellung:

Keine Dokumentation = kein Ergebnis / nicht erfolgreich durchgeführt

Auch wenn das Programm entsprechend dem Tutorial:

https://www.arduino.cc/en/Tutorial/AnalogReadSerial

aufgebaut ist, wird zunächst kein Widerstand und kein weiteres Bauteil als die Steckbrücke benötigt. Die Ergebnisse der ausgelesenen analogen Schnittstelle erscheinen im seriellen Monitor. Zu diesem Zweck ist dieses Programm aus der IDE heraus zu starten und mit den geeigneten Verbindungsparametern zu versehen. Die im Textfenster ausgegebenen Zahlen entsprechen dem über A0 aufgenommenen Eingangssignal. Da kein Potenzial anliegt, sollten alle Zahlen „0“ sein. Die Dokumentation des realen Ergebnisses erfolgt durch Speichern des Inhalts vom seriellen Monitor in eine Textdatei. Diese ist anschließend mittels geeigneter Umformung, zur Darstellung als xy-Verlaufsgrafik in einer Tabellenkalkulation zu bringen. Das Signal-Zeit-Diagramm stellt die erste Dokumentation / Aufzeichnung dar.

Die Zahlen entsprechen Spannungen von 0V bei der Zahl 0 bis zur Zahl 1023 bei anliegenden 5V. Wie groß sind die Messabstände in mV bei der Aufnahme der Messdaten?

Mit der Steckbrücke ist die Dokumentation der Messung sowohl bei dem mit 5V als auch beim mit 3,3V bezeichneten Pin zu wiederholen.

Eine Kette von 5 gleichgroßen Widerständen ist auf dem Steckbrett so aufzubauen, dass sie eine Reihe bilden. Der Eingang der Kette in Widerstand 1 ist mit GND und der Ausgang der Kette an Widerstand 5 mit 5V zu verbinden. Mithilfe von Steckbrücke und seriellem Monitor können Sie das Potenzial an jeder Verbindung zwischen den Widerständen sowie an GND bestimmen. Das Ergebnis des Versuchs ist als XY-Diagramm so darzustellen, dass das an GND gemessene Potenzial Y auf X=0, das zwischen diesem und dem nächsten Widerstand gemessene Potenzial auf X=1 …. bis zur Messung des Ergebnisses bei 5V aufgetragen wird.

Durch Nutzung der Trend-Funktion kann eine Regressionsgleichung in die Grafik eingefügt werden, die den zahlenmäßigen Zusammenhang zwischen Messwert (Spannung) und Widerstand herstellt. Dies ist zu dokumentieren.

Vorbereitung für den kommenden Versuchstag: Warum spielt die absolute Größe des Widerstands eine untergeordnete Rolle?

Erweiterung / 2. Versuchstag:

Wiederholen Sie das Experiment unter Verwendung eines digitalen Eingangs (zum Beispiel Pin 2). Hierzu ist der Sketch aus dem „DigitalReadSerial“ entsprechend dem vorangegangenen Beispiel anzupassen.