Der Pegelwandler und Frequenzteiler von Ramser Elektrotechnik ist ein kompaktes Modul zur zuverlässigen Aufbereitung digitaler Signale.
Er ermöglicht die sichere Anpassung von Signalpegeln sowie die Teilung von Frequenzen.
Ideal für den Einsatz zwischen Sensoren, SPS und Auswerteelektronik.

Inhaltsübersicht

• Typische Anwendungen
• Aufgabenstellung
• Lösungskonzept
• Technische Umsetzung
• Frequenzteilung mit CD4040
• Pegelwandlung und Ausgangsstufe
• Schaltplan
• Zusammenbau

Typische Anwendungen

• Signalaufbereitung für kapazitive oder digitale Sensoren
• Frequenzanpassung für Mikrocontroller-Eingänge
• Impulszählung mit reduzierter Taktfrequenz
• Entkopplung von Sensor- und Logikebene
• Vorverarbeitung von Mess- und Triggersignalen

Der Pegelwandler und Frequenzteiler stellt damit ein vielseitiges Hilfsmodul für Entwickler, Techniker und Automationsprojekte dar, bei denen saubere digitale Signale entscheidend sind.

Aufgabenstellung

In vielen Elektronik- und Automationsprojekten entstehen digitale Signale, die:

• zu hohe Frequenzen für nachfolgende Auswerteelektronik besitzen
• nicht kompatible Pegel (z. B. Open-Collector, Sensor-Logik, CMOS) aufweisen
• nicht direkt an Mikrocontroller- oder Steuereingänge von SPSen angeschlossen werden können

Ziel war die Entwicklung eines universellen Moduls, das diese Signale frequenzmäßig reduziert und gleichzeitig sauber auf definierte Pegel wandelt.

Lösungskonzept

Der Pegelwandler und Frequenzteiler kombiniert zwei Funktionen in einem Modul:

• Frequenzteilung über einen binären Zähler (CD4040)
• Saubere Pegelanpassung über Transistor-Ausgangsstufe

Das Modul eignet sich damit ideal zur Signalaufbereitung von Sensoren, Impulsgebern oder digitalen Ausgängen, bevor diese an Mikrocontroller, Zähler oder Logikschaltungen weitergegeben werden.

Technische Umsetzung

Die Versorgung des CD4040 erfolgt mit 5 V DC, welches durch das Sensorsignal gewonnen werden.
Dazu wird Eingangssignal (SOUT) über eine Shottkydiode (BAS40) auf einen Kondensator geführt, welcher für die Spannungsversorgung des CD4040 sorgt.

Das 5V Eingangssignal (SOUT) wird weiters auf den Takteingang des CD4040 binären Zählers zugeführt.

Frequenzteilung mit CD4040

Der CD4040 ist ein 12-stufiger binärer Ripple-Counter.
Mit jedem eingehenden steigenden Taktimpuls erhöht sich der Zählerstand um eins.
Die einzelnen Ausgänge Q1 bis Q12 liefern dabei Eingangsfrequenz, die jeweils durch eine Zweierpotenz geteilt sind:

• Q1 → f / 2
• Q2 → f / 4
• Q3 → f / 8
• Q4 → f / 16
• …

Im nachfolgend gezeigten Schaltplan sind die Zählerausgäng für die Teilung durch 4,8,16,128 herausgeführt, und werden via Lötjumper (:4 / :8 / :16 /:128) auf den nachfolgenden Pegelwandler geführt. Dadurch entsteht eine definierte geteilte Frequenz, die für nachfolgende Elektronik leicht auswertbar ist.

Der Reset-Eingang des CD4040 ist fest auf Masse gelegt, sodass der Zähler im Normalbetrieb kontinuierlich arbeitet.

Pegelwandlung und Ausgangsstufe

Das via Lötjumper ausgewählte Zählersignal steuert über einen Basiswiderstand (R1) einen NPN-Transistor (BC847).
Diese Transistorstufe übernimmt zwei Aufgaben:

• Pegelwandlung auf definierte Ausgangsspannung
• Entkopplung der Logik von der Last

Der Ausgang arbeitet als Open-Collector-ähnlicher Schaltausgang mit Pull-Up-Widerstand (R2).
Dadurch wird das Ausgangssignal flexibel an die jeweilige Versorgungsspannunge angepasst.

Das Ergebnis ist ein sauberes, störarmes Rechtecksignal mit reduzierter Frequenz und klar definiertem Pegel.

Schaltplan

Zusammenbau

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Verlöten Sie R1,R2 (Widerstand: 2,2 kOhm – Beschriftung: 222 oder 2201), C1 (Kapazität: 10 µF – Beschriftung: 106), die Schottkydiode D1 (Type: BAS40-7/BAS40-047 – Beschriftung: 43t,43-,43p,43W,K44), den NPN Transistor T1 (Type: BC847 – Beschriftung: 1F,1FW,1Fs,1Ft,1F-) und den Zählerbaustein IC1 (Type: 74HC4040 – Beschriftung: 74HC4040).
Wählen die den Teilerfaktor für die Ausgangsfrequenz mittels Lötjumper. In diesem Fall ist der Teilerfaktor 128.

Viel Spass beim Löten 🙂

Der Bausatz des Pegelwandler und Frequenzteiler kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr eueren Kommentar absetzen

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Inhaltsübersicht

• Aufgabenstellung
• Umsetzung und Sensorkonzept
• Messtechnik und Funktionsprinzip
• Funktionsweise des Oszillators
• Schaltung und Integration
• Zusammenbau

Aufgabenstellung

Konventionelle, resistive Bodenfeuchtesensoren sind stark korrosionsanfällig und liefern langfristig unzuverlässige Messwerte.

Gesucht wurde daher ein Sensor, der:

• ohne Elektrodenkorrosion auskommt
• dauerhaft im Boden verbleiben kann
• stabile und reproduzierbare Messwerte liefert
• einfach mit Mikrocontrollern oder SPS auswertbar ist
• Integrierten Spannungsregler für IC Versorgung

Umsetzung und Sensorkonzept

Der Gies-O-mat arbeitet nach dem kapazitiven Messprinzip.
Dabei wird nicht der elektrische Widerstand, sondern die dielektrische Eigenschaft des Bodens ausgewertet.
Die Sensorfläche bildet einen Kondensator, dessen Kapazität sich abhängig vom Wassergehalt der Erde verändert.
Der Sensor ist unbeschichtet ausgeführt und eignet sich dadurch ideal für Experimente, Kalibrierungen und kundenspezifische Anpassungen.

Das Ergebnis ist ein verschleißfreies, langzeitstabiles Messverfahren, ideal für automatische Bewässerungssysteme.

Messtechnik und Funktionsprinzip

Die Bodenfeuchte beeinflusst die effektive Kapazität des Sensors.
Je feuchter der Boden, desto höher die Kapazität zwischen den Sensorflächen (OSC1 und OSC2).
Je trockener der Boden, desto geringer die Kapazität.
Da ein RC‑Oszillator verwendet wird, ändern sich die Lade- und Entladezeiten des Kondensators – und damit die Oszillatorfrequenz.

Frequenzabhängigkeit

Die Frequenz ergibt sich aus der Periodendauer t:
f = 1 / t

Für Schmitt‑Trigger‑Oszillatoren gelten folgende Näherungsformeln:
HC‑Typen: f = 1 / (0.8 · R · C)
HCT‑Typen: f = 1 / (0.67 · R · C)

Damit gilt: Je größer die Kapazität (feuchter Boden), desto kleiner die Frequenz.
Je kleiner die Kapazität (trockener Boden), desto höher die Frequenz.

Funktionsweise des Oszillators (74HC14D)

Der 74HC14 enthält invertierende Schmitt‑Trigger‑Gatter.
Diese besitzen eine obere und eine untere Schaltschwelle und eignen sich ideal für RC‑Oszillatoren.
Die Sensorflächen OSC1 und OSC2 bilden den Kondensator.

Ausgang von IC1D ist HIGH (≈ 5 V DC)
Der Eingang von IC1D liegt auf LOW.
Durch die Invertierung gibt IC1D am Ausgang 5 V aus.
Über R3 wird der Sensor‑Kondensator aufgeladen.
Die Spannung am Kondensator steigt langsam an.

Erreichen der oberen Schaltschwelle
Die Kondensatorspannung erreicht die obere Schaltschwelle.
IC1D kippt um und der Ausgang geht auf LOW.

Ausgang von IC1D ist LOW
Der Kondensator wird über R3 entladen.
Die Spannung sinkt langsam ab.

Erreichen der unteren Schaltschwelle
Die Spannung fällt unter die untere Schaltschwelle.
IC1D kippt erneut und der Ausgang geht wieder auf HIGH.

Ergebnis
Der Zyklus aus Aufladen → Schaltschwelle → Entladen → Schaltschwelle wiederholt sich ständig.
Die Periodendauer hängt direkt von der Kapazität ab:

Hohe Kapazität (feuchter Boden): langsameres Laden/Entladen → niedrigere Frequenz
Niedrige Kapazität (trockener Boden): schnelleres Laden/Entladen → höhere Frequenz

Damit wird die Bodenfeuchte über die Frequenz messbar.

Schaltung und Integration

Der Gies-O-mat Sensor kann direkt an digitale Eingänge von Arduino-, Mikrocontroller- oder SPS Systemen angeschlossen werden.

In Kombination mit dem Gies-O-Shield entsteht ein vollständiges, modulares Bewässerungssystem.

Der einfache elektrische Aufbau ermöglicht eine schnelle Integration in bestehende Steuerungskonzepte.

Direkte 5V DC Versorgung:

Der Sensor kann auch direkt mit 5V DC versorgt werden.
Dadurch wird der Linearregler auf der Platine nicht benötigt.
Der T1,R1 und D1 dürfen dazu nicht bestückt werden.

Zusammenbau

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
• Schritt 2
Verlöten Sie die Bauteile, wie auf der Platine angegeben.

Viel Spass beim Löten 🙂

Die Platine des Gies-O-mat Sensors kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr eueren Kommentar absetzen

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Inhaltsübersicht

• Aufgabenstellung
• Umsetzung und verwendete Hardware
• Technische Umsetzung
• Schaltplan
• Zusammenbau
• Funktion der Software

Aufgabenstellung

Ziel war die Entwicklung einer robusten Steuerplatine, mit der sich Bewässerungsprozesse mit dem Gies-O-mat Sensor automatisieren lassen.
Die Lösung sollte:

• Mit einem Arduino UNO kompatibel sein
• Sensorwerte von 4 Gies-O-mat Sensoren auswerten
• 2 Aktoren wie Magnetventile oder Pumpen sicher schalten
• Für den Dauerbetrieb im Außen- oder Gewächshausbereich geeignet sein
• Software Opensource mit Terminalfunktion

Umsetzung und verwendete Hardware

Als zentrale Steuereinheit kommt ein Arduino Uno zum Einsatz.
Das Gies-O-Shield wird direkt aufgesteckt und erweitert den Arduino um folgende Funktionen:

• 2 Leistungsausgänge zur Ventil- oder Pumpensteuerung
• 4 Anschlussmöglichkeiten für externe Sensoren
• Versorgungstrennung zwischen Logik und Last
• Multiplexer um die Auswertung mit einem Pin zu realisieren

Durch die Shield-Bauform entfällt zusätzliche Verdrahtung, wodurch sich das System besonders für kompakte Installationen eignet.

Technische Umsetzung

Die Bewässerungslogik basiert auf der kontinuierlichen Erfassung von Sensordaten.
Unterschreitet die gemessene Bodenfeuchte einen definierten Schwellwert, aktiviert der Mikrocontroller den entsprechenden Ausgang.

Die Ausgänge sind so ausgelegt, dass auch induktive Lasten sicher geschaltet werden können. Schutzbeschaltungen verhindern Schäden durch Rückspannungen.

Die modulare Struktur ermöglicht es, das System sowohl in einem Terminalmodus als auch via serieller Schnittstelle zu bedienen.

Schaltplan

Das Gies-O-Shield wird als Bausatz geliefert und kann einfach bestückt werden. Der Schaltplan ist übersichtlich aufgebaut und folgt einer klaren Trennung zwischen Logik- und Leistungsbereich.

Nach dem Aufstecken auf den Arduino sind lediglich die Sensoren und Aktoren anzuschließen. Zusätzliche Konfigurationen erfolgen softwareseitig.

Zusammenbau

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Bestücken Sie zuerst die Widerstände R1,R2,R3,R4 (Widerstand 560R – Farbcodierung: Gn/Bu/Bk/Bk/Br), die beiden Freilaufdioden D1, D2 (Type: 1N4007 – Beschriftung: 1N4007) und den Pufferkerko C1 (Kapazität: 100 nF – Beschriftung: 104).

• Schritt 3
Verlöten Sie die Widerstände R5, R6 (Widerstand 10k – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Rd/Br) und den Multiplexer IC1 (Type: 74HC151 – Beschriftung: 74HC151).

ACHTUNG: Beachten Sie die Ausrichtung der IC-Sockel. Diese muss dem Bestückungsdruck auf der Platine entsprechen:

• Schritt 4
Bestücken Sie die zweipoligen Schraubklemmen P1,P2,P3 und die dreipoligen Schraubklemmen SE1,SE2,SE3,SE4.

• Schritt 5
Es werden noch die zwei N-Channel MOSFET Q1,Q2 (Type: IRLZ44N – Beschriftung: IRLZ44N) die Stiftleisten bestückt und das Shield ist fertig für die Inbetriebnahme.

Softwarefunktion des Gies-O-shields

Die Software des Gies-O-shields übernimmt die Erfassung der Sensorsignale, die Steuerung der beiden Ausgänge sowie die Kommunikation mit einem angeschlossenen PC oder der seriellen Ansteuerung.
Sie arbeitet in einem festen Sekundentakt und führt dabei alle notwendigen Mess‑ und Steueraufgaben automatisch aus.

Sensorerfassung

Die vier Bodenfeuchtesensoren werden über einen Multiplexer nacheinander mit dem internen Timer des Mikrocontrollers verbunden.
Nach einer kurzen Stabilisierungspause misst die Software die Frequenz des jeweils ausgewählten Sensors und speichert den Wert im internen Speicher.
Dieser Vorgang wird einmal pro Sekunde für alle Sensoren wiederholt.
Die ermittelten Frequenzen stehen anschließend sowohl für die automatische Ausgangssteuerung als auch für die Ausgabe an den PC zur Verfügung.

Ausgangssteuerung

Jeder der beiden Ausgänge kann unabhängig konfiguriert werden.
Die Software erlaubt die Zuordnung eines Sensors sowie die Einstellung von Ein‑ und Ausschalt‑Schwellwerten, die eine Hysterese bilden.
Wird der Einschaltwert überschritten, aktiviert die Software den Ausgang.
Fällt die Frequenz unter den Ausschaltwert, wird er deaktiviert.
Zusätzlich lassen sich Mindest‑Ein‑ und Mindest‑Aus‑Zeiten festlegen, die ein zu häufiges Schalten verhindern.
Während eine Mindestzeit aktiv ist, blockiert die Software weitere Schaltvorgänge.
Neben dem Automatikbetrieb stehen manuelle Betriebsarten zur Verfügung, in denen der Ausgang dauerhaft ein‑ oder ausgeschaltet bleibt.
Für den zweiten Ausgang existiert außerdem ein Modus, die dem exakten Zustand von Ausgang 1 folgt.

Bedienmodi

Das Shield kann im Terminalmodus oder im Konsolenmodus betrieben werden.
Im Terminalmodus sendet das Gerät jede Sekunde die aktuellen Sensorwerte und Ausgangszustände über UART an einen PC.
Der PC kann Konfigurationsbefehle im Format command;value; senden, um sämtliche Parameter auszulesen oder zu ändern.
Der genaue Syntax und die Funktion der Befehle ist HIER beschrieben.
Im Konsolenmodus erscheint ein textbasiertes Menü im seriellen Monitor.

Über einfache Zahleneingaben können Sensorzuordnungen, Schwellwerte, Mindestzeiten und Betriebsarten eingestellt werden.
Nach jeder Eingabe wird das Menü automatisch aktualisiert.

Speicherung der Einstellungen

Alle Konfigurationsparameter werden dauerhaft im EEPROM abgelegt.
Beim Start prüft die Software, ob gültige Daten vorhanden sind, lädt diese oder setzt bei Bedarf Standardwerte.
Nach jeder Änderung werden die Werte gespeichert, wobei die Mindestzeiten zurückgesetzt werden, um einen definierten Startzustand sicherzustellen.

Ablauf der Software

Der Hauptablauf besteht aus dem regelmäßigen Erfassen der Sensoren, dem Herunterzählen der Mindestzeiten, der Steuerung der Ausgänge und der Auswertung eingehender Befehle.
Dadurch arbeitet das Shield vollständig autonom und reagiert zuverlässig auf die gemessenen Sensorwerte sowie auf Benutzereingaben.

Viel Spass beim Löten 🙂

Der Bausatz des Gies-O-shield kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr eueren Kommentar absetzen

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Eine stabile Stromversorgung ist die Grundlage für zuverlässige Embedded-, IoT- und Server-Systeme. Gerade beim Raspberry Pi führen kurze Spannungseinbrüche oder der Ausfall einer Stromquelle schnell zu Abstürzen, Dateisystemfehlern oder unkontrollierten Neustarts.

Das USB Redundanzmodul wurde genau für diese Anforderung entwickelt: Es kombiniert zwei unabhängige USB-Stromquellen zu einem einzigen, ausfallsicheren 5-V-Ausgang – ohne Umschaltzeiten, ohne Rückspeisung und mit minimalem Spannungsabfall.

Übersicht

• Grundidee & Einsatzbereich
• Elektrischer Aufbau des Redundanzmoduls
• Die ideale Diode – Funktionsprinzip im Detail
• Strompfade & Priorisierung
• Schutzbeschaltungen & Betriebssicherheit
• Typische Anwendungen
• Die Schaltung
• Zusammenbau

Grundidee & Einsatzbereich

Das USB Redundanzmodul ermöglicht den gleichzeitigen Anschluss von zwei unabhängigen 5-V-USB-Versorgungen (z. B. Netzteil + Powerbank). Der Verbraucher – typischerweise ein Raspberry Pi – wird automatisch aus der jeweils verfügbaren Quelle versorgt.

Ein manuelles Umschalten oder eine externe Logik ist nicht erforderlich. Der Übergang erfolgt unterbrechungsfrei und transparent für das angeschlossene System.

Elektrischer Aufbau des Redundanzmoduls

Jeder Eingang ist identisch aufgebaut und vollständig voneinander entkoppelt:

• USB-Eingang (Micro-USB oder USB-B)
• Feinsicherung (2 A flink)
• TVS-Diode zur Überspannungsbegrenzung
• Ideale-Dioden-Schaltung mit P-MOSFET
• Status-LED zur Spannungsanzeige

Die beiden Strompfade werden erst nach den idealen Dioden zusammengeführt. Dadurch ist eine Rückspeisung zwischen den Eingängen physikalisch ausgeschlossen.

Die ideale Diode – Funktionsprinzip im Detail

Kernstück des Redundanzmoduls ist die sogenannte ideale Diode.

LT Spice Simulationsdateien dafür sind HIER frei zugänglich.

Im Gegensatz zu einer klassischen Silizium- oder Schottky-Diode entsteht hier nahezu kein Spannungsabfall.

Realisiert wird dies durch einen P-Kanal-MOSFET (IRF4905), dessen Body-Diode und Kanal gezielt ausgenutzt werden.

Funktionsablauf Schritt für Schritt

1. Spannung liegt an Eingang an:
   Die Eingangsspannung speist über die Body-Diode des MOSFETs zunächst den Ausgang.
2. Gate-Steuerung über Transistorstufe:
   Ein NPN-Transistor (2N3906) überwacht die Eingangsspannung und zieht das Gate des MOSFETs gegen Masse.
3. MOSFET schaltet durch:
   Sobald V_GS negativ genug ist, wird der MOSFET leitend. Der Strom fließt nun über den niederohmigen Kanal – nicht mehr über die Diode.
4. Minimaler Spannungsabfall:
   Der Spannungsabfall reduziert sich auf R_DS(on) · I, typischerweise nur wenige Millivolt selbst bei mehreren Ampere.
5. Spannung fällt weg:
   Sinkt die Eingangsspannung, sperrt der MOSFET sofort. Eine Rückspeisung vom Ausgang zum Eingang ist unmöglich.

Das Ergebnis ist eine verlustarme, schnelle und rückstromfeste Entkopplung, ideal für redundante Versorgungssysteme.

Strompfade & automatische Priorisierung

Sind beide Eingänge gleichzeitig aktiv, übernimmt automatisch die Quelle mit der höheren Spannung die Versorgung.

Die zweite Quelle bleibt vollständig entkoppelt. Es findet kein Spannungsausgleich zwischen den Eingängen statt.

Fällt die aktive Quelle weg, übernimmt die zweite Quelle nahtlos, ohne Spannungseinbruch oder Umschaltverzögerung.

Schutzbeschaltungen & Betriebssicherheit

Für einen robusten Dauerbetrieb sind mehrere Schutzmechanismen integriert:

• TVS-Dioden an Ein- und Ausgang zum Schutz vor Überspannung
• Feinsicherungen pro Eingang (2 A flink)
• Pufferkondensatoren (2 × 220 µF) zur Abfangung von Lastspitzen
• Status-LEDs zur visuellen Kontrolle der aktiven Versorgung

Diese Kombination macht das Modul besonders geeignet für Dauerbetrieb, unbeaufsichtigte Systeme und industrielle Umgebungen.

Typische Anwendungen

• Raspberry-Pi-Server mit Powerbank-Backup
• IoT-Gateways mit redundanter Stromversorgung
• Smart-Home-Zentralen
• Mess- und Überwachungssysteme
• Embedded-Linux-Systeme mit hoher Verfügbarkeit

Die Schaltung

Zusammenbau

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Verlöten Sie die Widerstände: R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7 (Widerstand 4k7 – Farbcodierung: Ye/Vi/Bk/Br/Br).

• Schritt 3
Verlöten Sie die TVS Dioden D1,D2,D3 (Type: P6KE6.8A – Beschriftung: P6KE6.8A)

• Schritt 4
Bestücken Sie die PNP Transistoren Q2,Q3,Q5,Q6 (Type: 2N3906 – Beschriftung: 2N3906)

• Schritt 5
Danach folgen die Mosfet Q1,Q4 (Type: IRF4905 – Beschriftung: IRF4905) und die USB Ausgangsbuchse.

• Schritt 6
Verlöten Sie die Kondensatoren C1,C2 (Kapazität: 220 µF / 16 V), die Sicherungen F1,F2 und die drei grünen LEDs LED1,LED2,LED3.

• Schritt 7
Nur bei Artikelnummer 002132:
Bestückung mit den zwei Micro USB Buchsen

• Schritt 7
Nur bei Artikelnummer 002131:
Bestückung mit den zwei USB B Buchsen

FAQ
Hier werden wir natürlich gerne die meistgefragten Fragen beantworten.

Der Bausatz des „USB Redundanzmoduls“ kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr euren Kommentar absetzen.

The post USB Redundanzmodul für IoT und Kleinrechner appeared first on Ramser Elektrotechnik.

Modbus RTU und RS485 sind seit Jahrzehnten bewährte Standards in der Industrie- und Gebäudeautomation. Trotzdem zählen Kommunikationsprobleme auf dem Bus nach wie vor zu den häufigsten Fehlerquellen in der Praxis.

Ein oft unterschätzter Punkt dabei ist die korrekte Terminierung und Vorspannung (Bias) der Datenleitungen. Genau hier setzt unser aktiver Modbus Terminator an.

Warum überhaupt ein Modbus Terminator?

RS485 ist ein differentielles Bussystem, das speziell für längere Leitungen und mehrere Teilnehmer ausgelegt ist. Damit das zuverlässig funktioniert, muss der Bus an den Enden korrekt abgeschlossen werden.

Fehlt dieser Abschluss oder ist er falsch dimensioniert, kommt es zu:

• Signalreflexionen
• undefinierten Pegeln im Ruhezustand
• sporadischen Kommunikationsfehlern
• instabilen oder nicht reproduzierbaren Busproblemen

Passiver vs. aktiver Abschluss

Ein klassischer passiver Abschlusswiderstand (typisch 120 Ω) reduziert zwar Reflexionen, löst jedoch nicht das Problem schwebender Pegel, sobald kein Teilnehmer aktiv sendet.

Der aktive Modbus Terminator kombiniert daher zwei Funktionen:

• saubere Leitungsanpassung
• aktive Bias-Vorspannung der Datenleitungen

Dadurch befindet sich der Bus auch im Leerlauf in einem klar definierten logischen Zustand.

Ein Blick auf die Schaltung

Die Schaltung des aktiven Modbus Terminators besteht aus mehreren funktionalen Blöcken:

• Abschlusswiderstände zur Impedanzanpassung
• Bias-Widerstände zur Pegeldefinition
• RC-Tiefpass zur Filterung von Störungen

Die Vorspannung der Modbus-Leitungen A und B erfolgt über eine externe Versorgungsspannung (typisch 24 V).

Der integrierte Tiefpass – warum er so wichtig ist

Um Störungen aus der Versorgungsspannung und hochfrequente Einkopplungen zu unterdrücken, ist die Bias-Schaltung mit einem RC-Tiefpass versehen.

Berechnung der Grenzfrequenz des RC-Tiefpasses

Die Grenzfrequenz f_c eines RC-Tiefpasses berechnet sich nach folgender Formel:

$$f_c = \frac{1}{2 \cdot \pi \cdot R \cdot C}$$Einzusetzende Werte:$$R = 120\ \Omega$$$$C = 100\ \mu\text{F} = 100 \cdot 10^{-6}\ \text{F}$$

Einsetzen in die Formel:$$f_c = \frac{1}{2 \cdot \pi \cdot 120 \cdot 100 \cdot 10^{-6}}$$

Ergebnis:$$f_c \approx 13{,}3\ \text{Hz}$$
Damit werden schnelle Störungen zuverlässig gedämpft, während die DC-Bias-Spannung stabil erhalten bleibt. Das sorgt für einen ruhigen und definierten Buszustand, selbst in elektrisch rauen Umgebungen.

Störungen auf RS485-Bussen

In der Praxis wirken unterschiedliche Störarten auf einen Modbus-Bus ein.
Besonders relevant sind dabei zwei Formen:

Gleichtaktstörungen (Common-Mode)

Bei Gleichtaktstörungen werden beide Leitungen A und B gleichzeitig in die gleiche Richtung beeinflusst. Typische Ursachen sind:

• Schaltnetzteile
• Motoren und Frequenzumrichter
• Erdpotenzialunterschiede
• lange parallele Leitungsführungen

RS485-Empfänger können solche Störungen grundsätzlich gut unterdrücken – allerdings nur innerhalb ihres zulässigen Gleichtaktbereichs.

Gegentaktstörungen (Differential-Mode)

Gegentaktstörungen wirken entgegengesetzt auf A und B und sind besonders kritisch, da sie direkt das Nutzsignal verfälschen können.

Ursachen sind unter anderem:

• fehlende oder falsche Terminierung
• Reflexionen am Leitungsende
• unsymmetrische Leitungsimpedanzen

Genau hier zeigt der aktive Modbus Terminator seine Stärke: Er reduziert Reflexionen und stabilisiert den Buspegel auch im Ruhezustand.

Gleichtakt- und Gegentaktstörungen im Vergleich

Die folgende Grafik verdeutlicht den Unterschied zwischen Nutzsignal, Gleichtakt- und Gegentaktstörungen auf einem RS485-Bus:

Während Gleichtaktstörungen auf beide Leitungen gleichermaßen wirken, ist das Nutzsignal ein differentielles Signal zwischen A und B. Der aktive Terminator trägt dazu bei, beide Störarten wirkungsvoll zu minimieren.

Wichtiger Hinweis zur Installation

Der aktive Modbus Terminator darf nur einmal pro Busende eingesetzt werden. Mehrere aktive Bias-Module im selben Bus können die Pegel verfälschen und die Kommunikation beeinträchtigen.

Die Platzierung sollte daher immer am physikalischen Ende des RS485-Busses erfolgen.

Das heisst, wieder eine Platine zu entwerfen, welches die Aufgabe verlässlich erledigt:

Dann heisst es warten bis die Platinen aus einem regionalen Betrieb eintreffen.
Sind die Platinen eingetroffen, kann mit der Bestückung begonnen werden.

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Verlöten Sie die Widerstände R1, R8 (Widerstand 120R – Farbcodierung: Br/Rd/Bk/Bk/Br).

• Schritt 3
Verlöten Sie den Widerstand R7 (Widerstand 3k32 – Farbcodierung: Or/Or/Rd/Br/Br) und den Kondensator C1 (Kapazität: 100 µF / 35 V)

• Schritt 4
Verlöten Sie nun den Widerstand R9 (Widerstand 390R – Farbcodierung: Or/Wh/Bk/Bk/Br) und die 4 polige Schraubklemme und die Platine ist fertig bestückt.

Nachdem Zusammenbau sollte noch einige Messungen durchgeführt werden
Anbei eine Messwerttabelle bei Versorgung mit 24V DC.
Die Messungen dürfen/können um 10% abweichen.

Viel Spass beim Löten und Blitz detektieren 🙂

Der Bausatz des aktiven Modbus Terminators kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr eueren Kommentar absetzen

The post Aktiver RS-485 Modbus Terminator appeared first on Ramser Elektrotechnik.

Vor einiger Zeit hatte ich schon den Potzblitz R2 vorgestellt.
Leider ist das verwendete Gehäuse nicht mehr lieferbar.
Darum hier nun das Makeover des Potzblitz R2:

Standalone Gitterwarner ohne Handyempfang und Internet benötigt?

Blitz und Donner haben mich schon immer fasziniert.
Nächtelang könnte ich zusehen, wenn sich die statischen Ladungen der Wolken Ihren Weg zur gegenüberliegenden Kondensatorfläche (Erde) suchen.
Aber immer sind diese nicht erwünscht.
Zum Beispiel, wenn man gemütlich im Freibad sitzt und sich nicht sicher ist ob ein Gewitter auf der Anreise ist, oder nicht???
Klar doch. Am Handy gibt es diverse freie Seiten und auch bezahlte Dienste.
Und da ist schon der Haken -> Handy -> Internet !!!
Also muss etwas her, das vernünftig funktioniert und auch lange hält (Energiemäßig).

Wie immer versuche ich das Projekt so sauber wie möglich zu dokummentieren und fange wieder mit den Basics an, das dem Umfang und die Funktion des Gerätes wiederspiegelt.

Überlegungen zu diesem Vorhaben:
Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter detektieren?
Physik: Mit welchen Problemen / Einschränkungen ist zu rechnen?
Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
Hardware: Welchen Mikrocontroller benutzen?
Hardware: Die Bestückung
Hardware: Einbau ins Gehäuse
Software: Welche Sprache, Librarys vorhanden?
Software: Weitere Optimierungen / Änderungen
Software: Firmware / Funktion
Testen der Funktion

Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter detektieren?
Zunächst sollte man sich im klaren sein was ein Blitz ist, wie er entsteht und welche verschiedenen Arten es gibt.
Hierzu möchte ich nicht nur auf Wikipedia verweisen sondern auch auf Seiten, welche mir verschiedene Möglichkeiten aufzeigten, wie man das Problem mit der Detektierung angehen kann:
http://www.elektronik-labor.de/Projekte/Blitzwarner10.html

Wie sollte der Blitzdetektor arbeiten?
Entlädt sich ein Blitz, sendet dieser bandbreitige Radiowellen aus, welche sich hauptsächlich im AM Band befinden.
AM lässt sich leicht verarbeiten. Im Grunde reicht eine Diode aus, um ein Audion zu bauen.
Ich bin immer ein Freund von bereits vorhandenen Schaltkreisen, da Diese auch nicht einfach mal so an einem Tag erfunden wurden und Ihre Berechtigung haben.
In diesem Projekt werden wir den AM Empfänger IC TA7642 benutzen, um die Nähe eines Gewitter zu ermitteln.

Dies erfolgt auf folgende Weise:
Die Funkwellen der Blitze werden vom TA7642 empfangen, vorverstärkt, demoduliert und mit einem BC550C NPN Transistor danach nochmals verstärkt.
Dies ergibt pro Blitzentladung eine Flanke, welche sich über einen µC auswerten lässt.

Umso mehr Flanken, umso mehr Entladungen, umso näher das Gewitter.
Die Amplitude des Signals ist mir in diesem Projekt egal!

Als Schaltung für den BC550C NPN Endverstärker wähle ich die Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung, da diese eine hohe Verstärkung und mittleren Eingangwiderstand aufweist.
Die Spannungsgegenkopplung dient dabei den Temperatureinfluss und die Exemplarstreuung zu reduzieren.
Der Rückkoppelwiderstand sollte dabei etwa beta * Kollektorwiderstand betragen.

Die Verstärkung des TA7642 wird dabei mittels geglätteter Spannung eines PWM Signals geregelt.

Ja, richtig gelesen! Sie wird nicht gesteuert, sondern geregelt. Mehr dazu später.

Beim Blitzwarner des Elektroniklabors wurde der normale Logiklevel des Portpins gewählt, um einen Interrupt auszulösen.
Bei meinem Blitzdetektor wird der im PIC integrierte, einstellbare Comparator verwendet!
Dadurch kann die PWM Dynamisierung für den AGC besser angepasst werden!

Physik: Mit welchen Problemen / Einschränkungen ist zu rechnen?
Generell können einige Sachen / Quellen den Empfang stören / zunichte machen:
Problem: Menschenverursachte Signale, wie die schönen Schaltnetzteile in den LEDs vom Chinamann.
Lösung: Softwareseitig.

Problem: Starke Funksignale im AM Band (werden weniger).
Lösung: Es wird ein selteneres Band benutzt (500khz)

Problem: Das PWM Signal könnte auf das Signal aufmoduliert bzw. eingekoppelt werden.
Lösung: Ein doppeltes Siebglied und eine PWM Frequenz von 1964 Hz.

Problem: Woher soll die Energie bezogen werden. Batterien werden gerne mal leer.
Lösung: Der Mikrocontroller wird bei Inaktivität in den Schlafmodus gelegt und per Interrupt wieder aufgeweckt. In Verbindung mit Low Current LEDs wird so wenig Energie verbraucht wie nötig.

Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
Aus den vorherigen Gedanken haben sich schon einige Voraussetzugnen ergeben:

• Mobil
• Kein teuerer Spezial IC, welcher kaum noch lötbar ist!
• Klein und handlich
• Energiesparend
• Platinenentwurf mit Eagle
• Geringer Bauteilaufwand
• Für leichten Nachbau sollen nur bedrahtete Bauteile Einsatz finden.
• Software leicht verständlich und open source
• WAF
• Es soll ein Bausatz werden
• Leichte Ankopplung an PC / Raspberry PI / Arduino möglich
• Versorgung über Ankopplung an PC / Raspberry PI / Arduino möglich

Hardware: Welchen Mikrocontroller benutzen?
Der Mikrocontroller sollte einige einfache Voraussetzungen erfüllen:
Kleiner Footprint
Händisch lötbar
Mindestens einen PWM Ausgang
Mindestens einen Comparator Eingang
Versorgungsspannung zwischen 2,5V bis 3,6V DC.

Dadurch, dass ich sehr viel mit den PIC Controllern der Firma Microchip arbeite, fiel meine Wahl auf den PIC12LF1572.
Der grösste Auswahlpunkt war, dass bereits die ganze Toolchain vorhanden ist und nicht neu erworben werden muss.

Ausserdem: Die Schaltschwelle des Comparators kann beim PIC12LF1572 eingestellt werden. Dies ermöglicht eine sehr feingranulare Anpassung an Batteriespannung und PWM Pegels für die Versorgung des TA7642.

OK. Lets go …. Der frühe Wurm fängt den Vogel

Am Anfang wird einmal ein Schaltplan gezeichnet und eine Platine designt.

Dann heisst es warten bis die Platinen aus einem regionalen Betrieb eintreffen.
Sind die Platinen eingetroffen, kann mit der Bestückung begonnen werden.

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Verlöten Sie die Widerstände: R2,R6,R7,R8,R9,R11 (Widerstand: 1kOhm – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Br/Br), die 1N4148 Diode und eine der Empfangsspulen L2 (Induktivität: 150 µH – Farbcodierung: Br/Gr/Br/Go).

• Schritt 3
Verlöten Sie die Widerstände: R1,R4,R10 (Widerstand: 100 kOhm – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Or/Br),
den Kondensator C1 (Kapazität: 270 pF – Beschriftung: 271) und den Transistor Q1 (Type: BC550C – Beschriftung: BC550C)

• Schritt 4
Verlöten Sie die Keramik Kondensatoren: C6, C7 (Kapazität: 470nF – Beschriftung: 474), die zweite Eingangsspule L1 (Induktivität: 220 µH), die Kondensatoren C2,C3,C4,C7 (Kapazität: 100 nF – Beschriftung: 104) und den AM Empfänger IC1 (Type: TA7642 – Beschriftung: TA7642)

• Schritt 5
Verlöten Sie die Kondensatoren C5,C6,C8 (Kapazität: 100 µF / 35 V), den µController IC2 mit dem Sockel (Type: PIC12LF1572 – Beschriftung: PIC12LF1572),sowie den Widerstand R3 (Widerstand: 1 MOhm – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Ye/Br)
ACHTUNG: Beachten Sie die Ausrichtung der IC-Sockel.
Diese muss dem Bestückungsdruck auf der Platine entsprechen:

• Schritt 6
Es werden nun die drei LEDs LD1 (Farbe: Rot),LD2 (Farbe: Geld),LD3 (Farbe: Grün) verlötet.
Es empfiehlt sich, vor dem Löten die LEDs abzuwinkeln.

Der Pluspol der LEDs (Langer Draht) ist auf der Platine mit der Bezeichnung „LL“ gekennzeichnet.

• Schritt 7
Der Bausatz ist nun fertig bestückt.

• Schritt 8
Optional: Schiebeschalter einlöten
Optional kann noch ein Schiebeschalter des Typs SS-12F23-G ergänzt werden.
Dieser wird nicht mitgeliefert!

• Schritt 8
Optional: 5V Spannungsregler bestücken
Aufgrund des optional bestückbaren Spannungsreglers kann der Potzblitz auch mit einem 9V Block betrieben werden.
Dazu muss zuerst der Jumper im Kästchen „Optional“ durchtrennt werden.
Wird das nicht gemacht, liegen 9V am Mikrocontroller an!

Für den Betrieb mit einem 9V Block muss der 9V Batterieclip bestückt werden

• Schritt 9
Optional: Einbau in das Gehäuse
Einbau in das Gehäuse mit Versorgung mit zwei Stück AA Zellen
Hier mit der transparent blauen Version (1553BTBUBKBAT).
Es können auch die graue (1553BGYBAT) oder sonstige Varianten gewählt werden.

Dafür werden die Drähte für die Batterieclips abgelegt:

Nach dem Ablängen der Drähte werden Diese an die Batterieclips gelötet

Danach werden die Drähte mit der Platine verlötet.

Der Bausatz wurde nun fertig gelötet und in das Gehäuse montiert.

Software / Firmware:

Software: Welche Sprache, Librarys vorhanden?
Hier fiel meine Wahl auf Mikrobasic Pro von der Firma Mikroe.
Bis 2kB ist die Demoversion frei und dadurch für dieses Projekt mehr als ausreichend.
Basic ist auch für Anfänger meist selbsterklärend und leicht lernbar.
(Vielleicht übersetze ich die Software einmal bei Bedarf nach C.)

Software: Weitere Optimierungen / Änderungen
Da die Firmware Open Source ist, kann es natürlich jederzeit weiter entwickelt werden.
Mir würden folgende Änderungen einfallen (Mangels Zeit NICHT getestet!!):

• Werden im Interrupt mehr als 8 Pulse / Sekunden registriert, kann die PWM / AGC abgesenkt werden, da der TA7642 zu empfindlich ist. (Bereits in die Firmware 8 eingeflossen)
• Das Eingangssignal in einem Buffer mitteln und danach mit z.Bsp. 110% vom Mittelwert vergleichen. Vorteil: Gleitenter Mittelwert. Daher Batterie und Umweltstörungs unempfindlicher?
• Arduino Shield entwickeln? Shield für Arduino UNO und Arduino Nano verfügbar)
• Firmware in C konvertieren?

Generell habe ich mich bei der Software an den Gewitterwarner vom Elektronik Labor gehalten.
Ein paar Dinge wurden aber noch weiter verbessert bzw. angepasst:

• Es wurde ein PIC12LF1572 verwendet.
  Der Vorteil: Der Speicher wird nur zu circa. ein Drittel verwendet.
  Dadurch kann jeder seinem Geist freien lauf lassen 😉
• Es wurde Mikrobasic verwendet. Warum? Siehe oben.
• Die „Warnleds“ leuchten nicht immer, sondern blinken.
  Dadurch kann der Stromverbrauch im Betrieb nochmals um 50% gedrückt werden.
• Wird ein Blitz detektiert, so leuchtet kurz die rote LED auf.
• Alle vier Sekunden blitzt die grüne LED kurz auf, um zu signalisieren, das der Gewitterwarner auch wirklich in Betrieb ist.

Die Firmware ist Open Source und in der Downloadabteilung verfügbar.

Erkennungsalgorithmus:
Bei jedem erkannten Blitz (max.8 pro Sekunde) wird ein Interrupt ausgelöst, und ein „Strikecount“ hochzählt.
Der „Strikecount“ wird jede Sekunde auf ein „Level“ aufsummiert.
Jede Sekunde wird von diesem „Level“ ein Anteil (Decay) abgezogen.
Umso höher das „Level“, umso mehr Blitze sind „in der Nähe“ -> Umso näher ist ein Gewitter.
Ab FW Revision 8: Werden mehr als 8 Blitze pro Sekunde detektiert, ist von (starken) Umgebungsstörungen auszugehen.
Darum wird der PWM Wert gesenkt.

Aufbau der Software:

• HardwareInit
• AGC /PWM Justierung für die Empfindlichkeit
• Interrupt mit Detektierung
• Mainloop mit Auswertung

HardwareInit

Der Hardware Init werden alle Hardwarefunktionen zugewiesen und die Referenzspannungsquelle und die Comparatorschwelle gesetzt.
(Mehr dazu beim „Interrupt mit Detektierung“)

AGC /PWM Justierung für die Empfindlichkeit

Diese Funktion ist eine der wichtigsten Funktionen des Blitzwarners.

Mit der Funktion „AdjustAGC“ wird der PWM Wert (und somit die Spannungsversorgung des TA7642) solange erhöht, bis die Schaltschwelle des Comparators erreicht ist. Dadurch ist die maximale Verstärkung des Hintergrundrauschens gegeben.

Natürlich ist der TA7642 bei dieser Spannung viel zu empfindlich.
Um die Verstärkung wieder ein wenig zu senken, wird einfach ein experimentell ermittelter Wert abgezogen.

Auf dem Oszilloskop sieht das wie folgt aus:

Die gelbe Linie ist dabei die geglättete Versorgungsspannung des TA7642 und die grüne Linie der Comparatoreingang des PICs.
Bei etwa 1.6V ist der beste Arbeitspunkt.

Ab FW Revision 8:
Wird der erforderliche PWM Wert nicht erreicht, wird die Schwelle des Komparators gesenkt.
Wird der Komparator bei der PWM Ermittlung nicht (Nichmehr) erreicht, ist die Batterie leer ->
Die gelbe LED leuchtet durchgängig.

Dies führt uns schon zum nächsten Punkt:

Interrupt mit Detektierung

Dieser ist einer der kleinsten aber wesentlichsten Programmteile der Firmware.
Jedes mal wenn der Comparator auslöst,  wird der normale Programmablauf unterbrochen und hier her gesprungen.
Es also ein sogenanter Interrupt ausgelöst.

Aber warum wird der Comparator ausgelöst?
Der Comparator wird mittels des eingehenden Signals des TA7642 ausgelöst, wenn Dieses höher ist als die eingestellte Schaltschwelle ist.
Die Schaltschwelle wird mittels des DAC_out eingestellten Wertes gesetzt.
Als Referenzwert des DAC_out wird die interne Spannungsreferenz FVR_buffer2 verwendet, welche auf 2,048V eingestellt ist.
DAC_out kann von 0 bis 31 eingestellt werden, was also einen Einstellwert von 0V bis 2,048V entspricht.
Für die FW 0.7 wurde der Wert auf 1,048V festgelegt. (Siehe HardwareInit in den FW Sourcen)

„Elektrisch“ würde das wie folgt aussehen:

Hier ist also neben der PWM Regelung noch mal eine riesige Schraube, an der gedreht werden kann !!! (Ich sag nur Analogpin,…Mittelwert,…Digitaler Bandpass,…Zukunftsgespinste)

Mainloop mit Auswertung

In der Mainloop wird die Auswertung für die LEDS ausgeführt.
Alle 32 Sekunden wird der aktuelle Warnlevel und der PWM Duty über die serielle Schnittstelle ausgegeben, damit Diese mit dem VB Programm schön am PC ausgewertet werden können.
(Siehe Downloadabteilung!!!)
Wenn Decay 0 ist, bedeutet das, dass schon längere Zeit keine Aktivität mehr vorgeherrscht hat -> Kein Gewitter weit und breit. -> Controller wird in den Sleep Mode versetzt um Energie zu sparen.
Sind 96 Sekunden vorbei, geht der Controller wieder in den Mainloop über.
Sind 9 Stunden vorbei, wird die PWM / AGC wieder neu angepasst um die bestmöglichste Einstellung unabhängig vom aktuellen Batteriezustand zu erzielen.

Die Versorgungsspannung des TA7642 sieht dann wie folgt aus:

Die Software inklusive Sourcecode könnt Ihr natürlich im Downloadbereich herunterladen.
Wenn Ihr die Software weiterverbreitet, bitte einen Link auf meine Seite setzen 😉

Ein Bausatz des Blitzdetektors R3 kann in unserem Shop bezogen werden.

TIPP:
Die Funktion kann mit unserem „Blitzsimulator“ Blitz / Gewittersimulator getestet werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr eueren Kommentar absetzen

The post Potzblitz R3 der Gewitterwarner appeared first on Ramser Elektrotechnik.

Vor geraumer Zeit habe ich euch den Gewitterdetektor Potzblitz und den Blitz-O-shield für Arduino UNO und für den Blitz-O-shield für den Arduino NANO vergestellt.
Bei der Entwicklung gab es immer wieder das Problem, dass wenn ein Gewitter benötigt wird, gerade keines in der Nähe ist.
Doch wie kann ich einen Blitz simulieren?

Dafür gabe es einige Ansätze:
Piezoanzünder aus Feuerzeug (Mein Favorit)
Verwenden eines Starters einer Leuchtstoffröhre
Piezoanzünder aus diversen Öfen
KFZ Zündkerze mit Zündspule

Alle Ansätze hatten ein Problem: Nicht praktikabel und/oder nicht reproduzierbar.
Also musste eine andere Lösung her: Ein „Blitzsimulator“

Überlegungen zu diesem Vorhaben:

• Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter erzeugen?
• Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
• Designen des Schaltung
• Zusammenbau der Schaltung
• Die Funktionsweise der Software
• FAQ
  

Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter erzeugen?
Einfache Antwort: Gar nicht.
Dafür bräuchte es eine kraftvolle Influenzmaschine oder einen anderwärtigen HV Generator.
Also muss ich mich mit einem Simulator begnügen.
Was macht einen Blitz aus / welche Eigenschaften hat er?
Nun ja. Ein Blitz ist genaugenommen eine elektrostatische Entladung, welcher eine hochfrequente Funkwelle aussendet.
Genau das Prinzip verwende ich.
Ich erzeuge eine Funkwelle, welcher von den Gewitter und Blitzdetektoren als Blitz wahrgenommen wird.
Erzeugen will ich das mit einem Transistor und einer Spule, welche schlagartig entladen wird und dabei eine magnetische Welle (Funk) aussendet.

Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
Umbedingt standalone, damit es mit einer Powerbank o.ä. betrieben werden kann.
Zum Takten der Spule/Transistorkombination verwende ich abermals einen PIC12F1572.

Designen der Schaltung
Am Anfang wird wieder ein Schaltplan gezeichnet und eine Platine designt.

Zusammenbau der Schaltung
Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Verlöten Sie die Widerstände: R1,R2 (Widerstand 470R – Farbcodierung: Ye/Vi/Bk/Bk/Br) und den Kondensator C3 (Kapazität: 220 nF – Beschriftung: 224).

• Schritt 3
Gefolgt von den beiden Schottky Dioden D1,D2 (Type: BAT42 – Beschriftung: BAT42), den Widerstand R3 (Widerstand 160R – Farbcodierung: Br/Bu/Bk/Bk/Br) und den Kondensator C1 (Kapazität: 100 nF – Beschriftung: 104).

• Schritt 4
Verlöten Sie nun den Transistor Q1 (Type: BC325 – Beschriftung: BC325), die weisse LED LD1 und die drei Taster S1 (Weiss), S2 (Weiss) und S3 (Rot).
Der rote Taster S3 muss dabei bei der USB Buchse sein!

• Schritt 5
Als nächstes wird die Spule L1, die USB Buchse X2 und den µController IC1 (Type: PIC12F1572 – Beschriftung: PIC12F1572) verlötet.
ACHTUNG: Beachten Sie die Ausrichtung der IC-Sockel.
Diese muss dem Bestückungsdruck auf der Platine entsprechen:

Der Bausatz ist nun fertig verlötet und bereit für die Inbetriebnahme.

Die Funktionsweise der Software
Die Software ist ganz einfach gestrickt.
In Abhängigkeit des gedrückten Tasters, werden verschieden viele Impulse ausgegeben.
Wird derselbe Taster zweimal gedrückt, stoppt die Ausgabe.
Wird ein anderer Taster gedrückt, so wird die Pulszahl gemäß dem gedrückten Tasters ausgegeben.
Die Taster haben dabei folgende Funktion:
Taster S1 (Weiss): 1 Impuls / Sekunde
Taster S2 (Weiss): 4 Impuls / Sekunde
Taster S3 (Rot): 10 Impuls / Sekunde (Störfeld, es gibt fast nie 10 I/Sek.)

Die Software kann frei in unserem Downloadbereich heruntergeladen werden.
Es gibt eine Version in MikroC und MikroBasic.
Wenn Ihr die Software weiterverbreitet, bitte einen Link auf meine Seite setzen 😉

FAQ
Hier werden wir natürlich gerne die meistgefragten Fragen beantworten.

Der Bausatz des „Blitzsimulator“ Blitz / Gewittersimulator kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr euren Kommentar absetzen.

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Schon vor einiger Zeit habe ich euch den Potzblitz Gewitterdetektor vorgestellt.
Nach zig Nachfragen habe ich beschlossen, den PotzBlitz Gewitterdetektor auf die Arduino Uno (oder kompatibel ) Plattform zu portieren.
Nachher folgte ein Shield für den Arduino Nano welcher mit einem optionalen DIL switch ergänzt wurde. Dieser DIL Switch wurde nun auch in der Revision 2 des Blitz-O-shield UNO Bausatzes ergänzt.

Wie immer Schritt für Schritt erklärt .

Überlegungen zu diesem Vorhaben:

• Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter detektieren?
• Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
• Designen des Shields
• Zusammenbau des Shields
• Die Funktionsweise der Software
• FAQ
  

Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter detektieren?
Zunächst sollte man sich im klaren sein was ein Blitz ist, wie er entsteht und welche verschiedenen Arten es gibt.
Hierzu möchte ich nicht nur auf Wikipedia verweisen sondern auch auf Seiten, welche mir verschiedene Möglichkeiten aufzeigten, wie man das Problem mit der Detektierung angehen kann:
http://www.elektronik-labor.de/Projekte/Blitzwarner10.html

Wie sollte der Blitzdetektor arbeiten?
Entlädt sich ein Blitz, sendet dieser breitbandige Radiowellen aus, welche sich hauptsächlich im AM Band befinden.
AM lässt sich leicht verarbeiten. Im Grunde reicht eine Diode aus, um ein Audion zu bauen.
Ich bin immer ein Freund von bereits vorhandenen Schaltkreisen, da Diese auch nicht einfach mal so an einem Tag erfunden wurden und Ihre Berechtigung haben.
In diesem Projekt werden wir den AM Empfänger IC TA7642 benutzen, um die Nähe eines Gewitter zu ermitteln.

Dies erfolgt auf folgende Weise:
Die Funkwellen der Blitze werden vom TA7642 empfangen, vorverstärkt, demoduliert und verstärkt.
Danach wird der Ausgang auf den Analogeingang A0 des Arduino UNO geführt.
Dies ergibt pro Blitzentladung einen „Spannungeinbruch“ der Spannung am A0 Arduino Eingang, welche sich auswerten lässt.
Umso mehr „Spannungeinbrüche“ am Analogeingang, umso mehr Entladungen, umso näher das Gewitter.
Die Amplitude des Signals ist in diesem Projekt egal!

Beim Blitzwarner des Elektroniklabors wurde der normale Logiklevel des Portpins gewählt, um einen Interrupt auszulösen.
Bei meinem Blitzdetektor wird der ADC des Arduino UNO verwendet.
Dadurch kann die PWM Dynamisierung für den AGC besser angepasst werden!

Die Verstärkung des TA7642 wird mittels geglätteter Spannung eines PWM Signals geregelt. Ja, richtig gelesen! Sie wird nicht gesteuert, sondern geregelt. Mehr dazu später.

Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
Bei diesem Projekt soll ein standardmässiges Arduino UNO kompatibles Board benutzt werden, das mittels Shield erweitert wird.
Dieses Blitz-O-Shield besitzt die ganze Hardware, um die Blitze bzw. Gewitter zu detektieren.
Die Arduino IDE ist Freeware und das Sketch kann auch frei heruntergeladen werden.

Designen des Shields
Am Anfang wird wieder ein Schaltplan gezeichnet und eine Platine designt.

Dann heisst es warten bis die Platinen eintreffen.
Sind die Platinen eingetroffen, kann mit der Bestückung begonnen werden.

Zusammenbau des Shields
Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Bestücken Sie zuerst die Widerstände R3,R7,R8,R9,R10 (Widerstand 160R – Farbcodierung: Br/Bu/Bk/Bk/Br).

• Schritt 3
Danach folgen die Widerstände R2,R5,R6 (Widerstand 1k – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Br/Br) und die Diode D1 (Type: 1N4148 – Beschriftung: 1N4148)

• Schritt 4
Dann können schon die LEDs LD1 (Farbe: Weiss),LD2 (Farbe: Grün),LD3 (Farbe: Gelb),LD4 (Farbe: Rot) die Spule L2 (Induktivität: 150 µH – Farbcodierung: Br/Gr/Br/Go) eingelötet werden. Gefolgt vom Widerstand R1 (Widerstand 100K – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Or/Br).

Der Pluspol der LEDs (Langer Draht) ist auf der Platine mit der Bezeichnung „LL“ gekennzeichnet.

• Schritt 5
Danach wird die zweite Spule L1, der DIP Switch, der Optokoppler OK1 (Type: 4N35 – Beschriftung: 4N35) und die Kondensatoren C2,C3 (Kapazität: 100 nF – Beschriftung: 104) bestückt.

• Schritt 6
Nun kann der Kondensator C1 (Kapazität: 270 pF – Beschriftung: 271), der AM Empfänger (Type: TA7642 – Beschriftung: TA7642) und die beiden Elkos C5,C6 (Kapazität: 100 µF / 35 V) platziert werden.

• Schritt 7
Noch die Stiftleisten und der Bausatz ist fertig montiert.

Euer Blitz-O-Shield UNO kann nun auf dem Arduino UNO montiert und softwaremässig in Betrieb genommen werden.

Die Software:
Sie kann natürlich wieder vollkommen frei in unserem Download Bereich downgeloaded werden und kann in der Arduino IDE geöffnet werden.

Die Funktionsweise der Software
Bei Start wird die Spannung des TA7642 so lange erhöht, bis eine gewisse Grundspannung am TA7642 anliegt.
Dies dient dazu, die Exemplarstreuung auszugleichen.
Anschliessend wird zyklisch ein laufender Mittelwert gebildet, um Störeinflüssen entgegenzuwirken.
Trifft ein Blitzevent auf (Spannung bricht am A0 ein), so wird einer Countervariable erhöht.
Nach einer gewissen Zeit wird der Wert natürlich wieder dekrementriert.
Abhängig vom Wert, werden die LEDs angesteuert.

Viel Spass beim Löten und Blitz detektieren 🙂

FAQ
Für was ist der DIL Switch?
Der DIL Switch ist als reine Reserve konzipiert und kann von euch verwendet werden,für was immer ihr wollt.
In der Standardsoftware hat er keine Funktion.

Der Bausatz des Blitz-O-Shield UNO kann in unserem Shop bezogen werden.

TIPP:
Die Funktion kann mit unserem „Blitzsimulator“ Blitz / Gewittersimulator getestet werden.

PS: Aufbau/Test von unabhängigen Personen (Rev.1):
https://draeger-it.blog/blitz-o-shield-von-ramser-elektronik/
https://www.aeq-web.com/ramser-blitz-o-shield-arduino-blitzdetektor/

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr eueren Kommentar absetzen

The post Blitz-O-shield UNO Rev.2 der Gewitter Detektor appeared first on Ramser Elektrotechnik.

Schon vor einiger Zeit habe ich euch den Potzblitz Gewitterdetektor vorgestellt.
Kurz danach wurde ein Shield entworfen, dass zur Arduino Uno (oder kompatibel) Plattform kompatibel ist.

Auf Anfrage, wurde das Shield für den Arduino Nano (oder kompatibel ) adaptiert:

Überlegungen zu diesem Vorhaben:

• Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter detektieren?
• Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
• Designen des Shields
• Zusammenbau des Shields
• Die Funktionsweise der Software
• FAQ

Physik: Wie kann ich einen Blitz / ein Gewitter detektieren?
Zunächst sollte man sich im klaren sein was ein Blitz ist, wie er entsteht und welche verschiedenen Arten es gibt.
Hierzu möchte ich nicht nur auf Wikipedia verweisen sondern auch auf Seiten, welche mir verschiedene Möglichkeiten aufzeigten, wie man das Problem mit der Detektierung angehen kann:
http://www.elektronik-labor.de/Projekte/Blitzwarner10.html

Wie sollte der Blitzdetektor arbeiten?
Entlädt sich ein Blitz, sendet dieser breitbandige Radiowellen aus, welche sich hauptsächlich im AM Band befinden.
AM lässt sich leicht verarbeiten. Im Grunde reicht eine Diode aus, um ein Audion zu bauen.
Ich bin immer ein Freund von bereits vorhandenen Schaltkreisen, da Diese auch nicht einfach mal so an einem Tag erfunden wurden und Ihre Berechtigung haben.
In diesem Projekt werden wir den AM Empfänger IC TA7642 benutzen, um die Nähe eines Gewitter zu ermitteln.

Dies erfolgt auf folgende Weise:
Die Funkwellen der Blitze werden vom TA7642 empfangen, vorverstärkt, demoduliert und verstärkt.
Danach wird der Ausgang auf den Analogeingang A0 des Arduino Nano geführt.
Dies ergibt pro Blitzentladung einen „Spannungeinbruch“ der Spannung am A0 Arduino Eingang, welche sich auswerten lässt.
Umso mehr „Spannungeinbrüche“ am Analogeingang, umso mehr Entladungen, umso näher das Gewitter.
Die Amplitude des Signals ist in diesem Projekt egal!

Beim Blitzwarner des Elektroniklabors wurde der normale Logiklevel des Portpins gewählt, um einen Interrupt auszulösen.
Bei meinem Blitzdetektor wird der ADC des Arduino verwendet.
Dadurch kann die PWM Dynamisierung für den AGC besser angepasst werden!

Die Verstärkung des TA7642 wird mittels geglätteter Spannung eines PWM Signals geregelt. Ja, richtig gelesen! Sie wird nicht gesteuert, sondern geregelt. Mehr dazu später.

Hardware: Welche Voraussetzungen sollen erfüllt werden?
Bei diesem Projekt soll ein standardmässiger Arduino Nano benutzt werden, der mittels Shield erweitert wird.
Dieses Blitz-O-Shield besitzt die ganze Hardware, um die Blitze bzw. Gewitter zu detektieren.
Die Arduino IDE ist Freeware und das Sketch kann auch frei heruntergeladen werden.

Designen des Shields
Am Anfang wird wieder ein Schaltplan gezeichnet und eine Platine designt.

Dann heisst es warten bis die Platinen eintreffen.
Sind die Platinen eingetroffen, kann mit der Bestückung begonnen werden.

Zusammenbau des Shields
Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Bestücken Sie zuerst die Widerstände R3,R7,R8,R9,R10 (Widerstand 160R – Farbcodierung: Br/Bu/Bk/Bk/Br).

• Schritt 3
Danach folgen die Widerstände R2,R5,R6 (Widerstand 1k – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Br/Br).

• Schritt 4
Dann können schon die LEDs LD1 (Farbe: Weiss),LD2 (Farbe: Grün),LD3 (Farbe: Gelb),LD4 (Farbe: Rot) die Kondensatoren C2,C3 (Kapazität: 100 nF – Beschriftung: 104) und die Diode D1 (Type: 1N4148 – Beschriftung: 1N4148) bestückt werden. Ebenso die Spule L2 (Induktivität: 150 µH – Farbcodierung: Br/Gr/Br/Go).

Der Pluspol der LEDs (Langer Draht) ist auf der Platine mit der Bezeichnung „LL“ gekennzeichnet.

• Schritt 5
Danach wird die zweite Spule L1, der AM Empfänger (Type: TA7642 – Beschriftung: TA7642) und der DIP Switch bestückt.
Gefolgt vom Widerstand R1 (Widerstand 100K – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Or/Br).
Achtung: Der Widerstand R1 muss vor dem Einlöten auf das richtige Rastermass 5,08mm gebogen werden.

• Schritt 6
Nun kann noch der Optokoppler OK1 (Type: 4N35 – Beschriftung: 4N35), der Kondensator C1 (Kapazität: 270 pF – Beschriftung: 271) und die beiden Elkos C5,C6 (Kapazität: 100 µF / 35 V) platziert werden.
Achtung: C5 wird liegend eingelötet.

• Schritt 7
Noch die Buchsenleisten und der Bausatz ist fertig montiert.

• Schritt 8
Euer Blitz-O-Shield Nano kann nun den Arduino Nano aufnehmen und softwaremässig in Betrieb genommen werden.

Die Software:
Sie kann natürlich wieder vollkommen frei in unserem Download Bereich downgeloaded werden und kann in der Arduino IDE geöffnet werden.

Die Funktionsweise der Software
Bei Start wird die Spannung des TA7642 so lange erhöht, bis eine gewisse Grundspannung am TA7642 anliegt.
Dies dient dazu, die Exemplarstreuung auszugleichen.
Anschliessend wird zyklisch ein laufender Mittelwert gebildet, um Störeinflüssen entgegenzuwirken.
Trifft ein Blitzevent auf (Spannung bricht am A0 ein), so wird einer Countervariable erhöht.
Nach einer gewissen Zeit wird der Wert natürlich wieder dekrementriert.
Abhängig vom Wert, werden die LEDs angesteuert.

Ihr seht, wie simple die Welt sein kann.
Viel Spass beim Löten und Blitz detektieren 🙂

FAQ

Für was ist der DIL Switch?
Der DIL Switch ist als reine Reserve konzipiert und kann von euch verwendet werden, für was immer ihr wollt.
In der Standardsoftware hat er keine Funktion.

Der Bausatz des Blitz-O-Shield Nano kann in unserem Shop bezogen werden.

TIPP:
Die Funktion kann mit unserem „Blitzsimulator“ Blitz / Gewittersimulator getestet werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr eueren Kommentar absetzen

The post Blitz-O-shield NANO der Gewitter Detektor appeared first on Ramser Elektrotechnik.

1wire Sensor DS18B20 an analogen Eingang betreiben?
1wire Sensor DS18B20 an SPS anschließen?
1wire Sensor DS18B20 auf 0-10V Messumformer?

Der 1Wire2Voltage PWM-Konverter bietet eine universelle Lösung zur digitale 1wire Sensor zu Analog-Transformation mit hoher Präzision, geringer Restwelligkeit und breitem Einsatzspektrum in der Automations- und Prozesswelt.
Herzstück der Umsetzung ist ein PWM-gesteuerter D/A-Konverter mit anschließender Glättung.
Diese Bauweise erlaubt eine hochpräzise, temperaturunabhängige Analogspannung für Regel- und Automationssysteme.

Inhaltsübersicht

• Zielsetzung und Einsatzgebiet
• Anwendungsbeispiele
• Funktionsprinzip des PWM-Konverters
• Glättung und Filtertechnik
• Softwareintegration und PWM-Steuerung
• Schaltung
• Zusammenbau
• Inbetriebnahme

Zielsetzung und Einsatzgebiet

Der 1Wire2Voltage wurde entwickelt, um Sensordaten aus dem weit verbreiteten 1-Wire-Bus (z. B. DS18B20 Temperatur) in ein sauberes, geregeltes 0–10 V Analogsignal zu wandeln.
Dies ist eine zentrale Anforderung in der Gebäude- und Industrieautomation, wo klassische Analogeingänge (0–10 V) zur Ansteuerung von Steuerungen, Regelventilen oder aktiven Elektroniken verwendet werden.

Viele Steuerungen können keine digitalen 1-Wire-Signale auswerten.
Dort kommt der 1Wire2Voltage zum Einsatz, indem er die PWM eines Mikrocontrollers zur Erzeugung einer Analogspannung nutzt.

Anwendungsbeispiele

• Anbindung digitaler 1-Wire-Sensorik an klassische Gebäude-Regler
• Integration in SPS-, HLK- oder Energiemanagementsysteme
• Zuverlässige Signalaufbereitung ohne zusätzliche D/A-Wandler-ICs
• Billige Alternative zu teuren PT100 Sensoren
• PIC12F1572 mit 16Bit PWM Ausgänge (Frequenz: 16kHz)

Funktionsprinzip des PWM-Konverters

Der Konverter arbeitet auf dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM).
Ein Mikrocontroller erzeugt eine Rechteckspannung mit variabler Tastbreite (Duty Cycle).
Diese PWM repräsentiert über das Verhältnis von „HIGH“ zu „LOW“ den gewünschten Analogwert zwischen 0 % und 100 %.

Beispiel: Ein PWM-Signal mit 50 % Duty-Cycle liefert im zeitlichen Mittel halb so viel Energie wie ein Dauersignal. Nach Glättung entspricht dies etwa 5 V bei einer Referenz von 10 V.

Der 1Wire2Voltage nutzt diese PWM, um eine Spannung proportional zum Sensormesswert zu erzeugen. Mittels RC-Filter wird das PWM-Rechteck in eine Analogspannung zwischen 0 und 10V DC umgewandelt.

Glättung und Filtertechnik

Damit aus dem PWM-Signal eine stabile Analogspannung wird, ist ein Glättungs-Filter notwendig.
Die Schaltung verwendet ein passives RC-Netzwerk, das aus einem Widerstand und einem Kondensator besteht.

Die Grenzfrequenz des Filters sollte so gewählt werden, dass sie deutlich unter der PWM-Frequenz liegt, aber hoch genug, um schnelle Änderungen im Messwert ohne Verzögerung verarbeiten zu können.

Berechnung des RC-Tiefpasses

Ein RC-Tiefpass glättet PWM-Impulse gemäß der Formel:

f_c = 1 / (2·π·R·C)

Dabei gilt:

• f_c = Grenzfrequenz des Filters
• R = Widerstandswert
• C = Kapazität des Kondensators

Im 1Wire2Voltage ist ein RC-Filter dimensioniert auf ca. 10 Hz. Beispielrechnung:

• R = 4,7 kΩ
• C = 220 µF

Einsetzen in die Formel ergibt:

f_c ≈ 1 / (2·π·4 700·0,00022) ≈ 1,54 Hz

Diese Frequenz ist weit unter typischen PWM-Frequenzen und sorgt für eine sehr geringe Restwelligkeit (Ripple) im Ausgangssignal, gleichzeitig bleibt der Regelkreis schnell genug für Messwertänderungen. Dadurch entsteht ein sauberes 0–10 V DC Ausgangssignal, trotz digitaler PWM-Erzeugung.

Restwelligkeit (Ripple)

Die Restwelligkeit kann über das Verhältnis von PWM-Frequenz zu Filter-Grenzfrequenz abgeschätzt werden. Je höher die PWM-Frequenz und je tiefer die Filter-Grenzfrequenz, desto geringer ist das Rest-Ripple am Ausgang.

Softwareintegration und PWM-Steuerung

Die Funktion des PWM-Konverters wird softwareseitig durch die Firmware gesteuert.
Ein Mikrocontroller (z. B. PIC oder AVR) liest Periodisch die Sensordaten (z. B. DS18B20 Temperatursensor) aus und berechnet daraus den gewünschten PWM-Duty-Cycle.

Die zugehörige Software ist im Downloadpaket enthalten und implementiert:

• 1-Wire Bus-Initialisierung
• Temperaturmessung
• Berechnung des PWM-Duty-Cycles proportional zum Messwert
• Ausgabe des PWM-Signals an den Glättungs-Filter

Durch die PWM-Erzeugung in Software ist der Konverter vollständig anpassbar.

Die Firmware ist Open Source und in der Downloadabteilung verfügbar.
Achtung: Die Firmware, welche mit der „Setter“ Software kompatibel ist, muss ich leider als Closed Source herausgeben, da wir einfach nicht die Manpower haben um Fehler zu suchen, die bei einer Erweiterung des SourceCode durch den Endbenutzer mit eingeflossen sind.

Die Standardskalierung ist in der „Setter“ Software jeweils der Sensortyp 13.
Dies entspricht jeweils einen Eingangsbereich von -20°C bis +80°C und einen Ausgangsspannungsbereich von 0V – 10V.
Bei einem Fühlerfehler oder Aderbruch zum Sensor, wird der Ausgang automatisch auf 0V gesetzt.
Als DutyCyle, wurde als Maximum, 1000 festgelegt, was einer theoretischen PWM Frequenz von 16kHz entspricht.

Schaltung

Zusammenbau

Der Bausatz wurde wieder so dimensioniert, das ein Zusammenbau für Anfänger genauso möglich ist, wie für den Vollprofi.

Also lasst uns beginnen.

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Es wird mit den zwei 1k Widerständen R4 und R8 (Widerstand 1k – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Br/Br) begonnen.

• Schritt 3
Danach kommen die Widerstände R1,R2,R5,R6,R9,R10,R11 (Widerstand 4k7 – Farbcodierung: Ye/Vi/Bk/Br/Br).

• Schritt 4
Gefolgt von den Kondensatoren C6, C7 (Kapazität: 470 nF – Beschriftung: 474).

• Schritt 5
Danach C2,C3,C4 (Kapazität: 100 nF – Beschriftung: 104) und der Spannungsregler IC1 (Type: 7805/LP2950 – Beschriftung: 7805/LP2950)

• Schritt 6
Bestücken Sie die Potentiometer R3,R7 (Widerstand: 10 kOhm – Beschriftung: 103), die Elektrolytkondensatoren C1,C5 (Kapazität: 100 µF / 35 V) und den 2 poligen Jumper „ADJ“ für die spätere Justage.

• Schritt 7
Bestücken Sie noch den Mikrocontroller IC2 (Type: PIC12F1572 – Beschriftung: PIC12F1572), den Operationsverstärker IC3 (Type: LM358 – Beschriftung: LM358), die 3 poligen Schraubklemmen X1 und X3, sowie die 4 polige Schraubklemme X3.
Der Bausatz ist nun fertig für die Inbetriebnahme.

ACHTUNG: Beachten Sie die Ausrichtung der IC-Sockel. Diese muss dem Bestückungsdruck auf der Platine entsprechen:

• Schritt 8
DIN Schienenhalterung (Optional)
Bei Bedarf kann noch gleich der DIN-Schienen Halter mit montiert werden.

Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme erfolgt in zwei Teilen.
Justage / Kalibrierung
Messung

Justage/Kalibrierung:
Steckt den Jumper „ADJ“ neben dem ICSP Sockel.
Durch drehen des jeweiligen Potis, wird nun am Ausgang 7.5V eingestellt (messen!).
Out 1 = R3, Out 2 = R7

Für den richtigen Betrieb ist es wichtig, das der Jumper „ADJ“ wieder entfernt wird.

Messung:
Hierfür wird Out 1 und GND mit meinem neuen Handhelp Oszi verbunden, um zu kontrollieren, wie die Signale aussehen.

Messung 1: PIN5 = PWM3 Ausgang des PICs
Hier ist das PWM Signal sehr schön zu erkennen.

Messung 2: Out1 Ausgang des Moduls
Hier ist noch die Restwelligkeit des PWM Signal zu erkennen.
Da diese unter 0.2V (=0.2°C) liegt ist mein Auftrag geglückt!

EDIT: Wollt ihr das Schwingen im Ausgangssignal verkleinern, so kann dies durch Ergänzung eines externen 10µF Kondensator von Out1 (oder Out2) gegen GND erfolgen.

Die Firmware ist Open Source und in der Downloadabteilung verfügbar.
Es gibt eine Version in MikroC und MikroBasic.
Wenn Ihr die Software weiterverbreitet, bitte einen Link auf meine Seite setzen 😉

Achtung: Die Firmware, welche mit der „Setter“ Software kompatibel ist, muss ich leider als Closed Source herausgeben, da wir einfach nicht die Manpower haben um Fehler zu suchen, die bei einer Erweiterung des SourceCode durch den Endbenutzer mit eingeflossen sind.

Der Bausatz des „1wire2Voltage Konverters“ kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr euren Kommentar absetzen.

Wenn Ihr die Skalierung des Moduls anpassen wollt, so kann dafür die „Setter“ Software verwendet werden. Eine Anleitung dazu findet ihr hier.

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