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

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Folgende Änderungen sind eingeflossen:

Von 1.4.0 auf 1.5.0:
BUGFIX: Es wurden nur die ersten 100 Bestellungen geladen
BUGFIX: „Germanized Pro“ Shipping API Problem. UserAgent bei Upload geändert
BUGFIX: „OTHER_TAX“ wurde auf „false“/“true“ statt auf „0“/“1″ gesetzt
BUGFIX: Diverse Fehlermeldungen wurden präzisiert
BUGFIX: Nach dem Drucken der Packliste wurden in der Bestellübersicht keine Info angezeigt.
Pagination (Max Pages) angepasst. Bessere Kompatiblität zu einigen Hostern.
Steuerelemente „Interval/Anzahl/Typ“ sind nun beim Download einer Bestellung gesperrt
Anzahl der Bestellungen um „1000000000“ (Unbegrenzt) ergänzt
Neue UiqueID (über Emailadresse) eingefügt. Alte Einträge können über CAO Export/Import konvertiert werden.
Verantwortliche Person wird in den Shop übertragen (Ab CAO 1.5.1.33 – WC „Germanized Pro“ Plugin benötigt)
Es wird das richtige Herstellerland in den Shop übertragen (Ab CAO 1.5.1.28 – WC „Germanized Pro“ Plugin benötigt)

Die letzte Version des „CAO_WC_Servers“ findet Ihr natürlich wieder in unseren Downloads .

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Folgende Änderungen sind eingeflossen:

Von 1.3.0 auf 1.4.0:
BUGFIX: Die Combobox „Varianten importieren“ im Reiter „Produkte zu CAO“ wurde nicht vorbelegt.
BUGFIX: Diverse Textkorrekturen
BUGFIX: Es wurde der Shop Offset der FatherId beim Variantentextupload nicht abgezogen
BUGFIX: Es wurde der Shop Offset der Produkte nicht dazugerechnet
BUGFIX: Bei gewissen Konstellationen wurde ein leerer Variantenname beim Vaterartikel heruntergeladen
BUGFIX: AutoClear und AutoDelete Verzeichnisse wurde nicht gespeichert
BUGFIX: Produktsichtbarkeit im Shop wurde nicht zu CAO übertragen
BUGFIX: Zeichenfehler beim Import von Varianten
BUGFIX: Zu lange Variantentexte: Shoptexte und Kurztexte wurden aus dem Hauptartikel greiert.
Up/Downloaden von Herstellern laut EU-Produktsicherheitsverordnung (GPSR) hinzugefügt (WC „Germanized Pro“ Plugin benötigt)
Up/Downloaden von Sicherheitsinformationen laut EU-Produktsicherheitsverordnung (GPSR) hinzugefügt (WC „Germanized Pro“ Plugin benötigt)
Up/Downloaden der verantwortlicher Person laut EU-Produktsicherheitsverordnung (GPSR) hinzugefügt (WC „Germanized Pro“ Plugin benötigt)
Die Eigenschaften des Produktes beim Produktuploads von CAO zu CAO_WC_SERVER nun frei selektierbar
Bei den Bestellungen kann nun die Leitweg ID des Kunden mitimportiert werden (Ab CAO 1.5.1.24)
Diverse Fehlertexte ergänzt und hinzugefügt
Bei der Warnmeldung für den Lizenzablauf wird nun die Lizenznummer mitangegeben
AutoClear und AutoDelete Verzeichnisse von zwei auf vier Stück erweitert
Alle Landesspezifische Texte werden nun mit der Landes ID 2 zu CAO übertragen
ACHTUNG: nach dem Update, die Eigenschaften des Produktes beim Produktuploads kontrollieren

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Folgende Änderungen sind eingeflossen:

Von 1.2.0 auf 1.3.0:
BUGFIX: Webserverfehler wurden in einigen Fällen falsch geparsed
BUGFIX: „ot_tax“ bei den Ordern nun statt Steuersumme in Prozent
BUGFIX: Es werden nun alle Produkte/Varianten im Shop direkt gelöscht
BUGFIX: Sonderzeichen im Variantentext wurden bei Produktneuanlage nicht mit übertragen
BUGFIX: Wurden die Produkte nach Stückzahl sortiert, kam es zum Fehler
SSH Tunnel inklusive Portforwarding für Datenbankverbindungen zu CAO eingebunden
Bei der Debugmail muss jetzt ein Grund eingegeben werden
Sortierreihenfolge bei Varianten wird nun unterstützt
„Standard-Formularwert“ bei Varianten wird nun unterstützt (Sortierung der Variante MUSS 999 sein)
Bei Produktfelder bei Upload aus CAO, werden automatisch die Leerzeichen entfernt
Ist der CAO_WC_SERVER bereits gestartet, so wird dieser bei einem zweiten Start angezeigt
Dummy ID für den Hersteller nun frei einstellbar
Es können nun die Zahl- und Lieferarten (für Bestellungen) aus dem Shop abgerufen werden
ACHTUNG: Die Lieferarten in den CAO-Shopeinstellungen sind nun in Klartext zugeordnet
ACHTUNG: Die Zahlarten in den CAO-Shopeinstellungen sind nun in Klartext zugeordnet

ACHTUNG: Sollte sich der Installer mit Verweis der falschen Windowsversion nicht starten lassen, so kann dieser mit Vorgabe einer anderen Version im Kompatibilitätsmodus gestartet werden:

Die letzte Version des „CAO_WC_Servers“ findet Ihr natürlich wieder in unseren Downloads .

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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

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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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