technik mikrocontroller

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GRATIS-POSTER
Nr. 436
April 2007
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Anfängern schlagen wir vor, mit einem unserer vorteilhaften
Starter Kits zu beginnen. So ein Kit enthält alles, was man für
seine ersten Projekte benötigt. Egal ob Sie nun lernen möchten
wie man AVR-, PIC- oder ARM-Mikrocontroller in C programmiert
oder wie man ein System mit dem Internet verbindet – sogar wenn
Sie CAN-Bus-Systeme selbst entwickeln wollen – wir haben das
passende Starter Kit für Sie. Das Beste daran:
Gegenüber der Einzelbestellung sparen Sie bis zu 35%!
Wenn Sie sich für Ihr Projekt die Komponenten selbst aussuchen
möchten, dann wählen Sie einfach passgenau die Module aus der nachfolgenden Liste und bestellen genau diese!
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21,95
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Switch-Board
Tastatur
Vierfach-7-Segment-Display
X10-Platine für Domotik
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Software (Einzelplatzversionen)
Assembler für PIC-µC
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C für ARM-Mikrocontroller
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C für AVR-Mikrocontroller
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C für PIC-Mikrocontroller
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Flowcode Prof. für PIC-µC
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Progr. Logic Techniques
Neu im Sortiment
Bluetooth-Audio-CODEC-Platine
MIDI-Board
SD/MMC-Cardreader-Platine
Steuerungsplatine
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Mit über 40 Hardware-Modulen, 6 Software-CDs,
50 Sensoren und außergewöhnlich viel Zubehör plus
Hintergrundmaterial dürfte so ziemlich jedes elektronische
Vorhaben leicht mit E-blocks zu realisieren sein.
Module
ARM-Programmer
AVR-Multiprogrammer
Bluetooth-Platine
CAN-Board
CPLD-Board
FPGA-Tochterplatine
Internet-Board
IR-/IRDA-Sender/-Empfänger
LCD-Board
Leistungsplatine
Patch-Feld
PIC-Multiprogrammer
Platine (mit Schraubanschlüssen)
Prototypen-Platine
RS232-Platine
Sensor-Interface
SPI-Speicher- und D/A-Platine
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Active in the sectors Aerospace, Defence and Security, Thales Nederland, with
2,000 employees, is a top-provider of hightech jobs. Striving to constantly innovate
products and take swift advantage of the latest technological opportunities are
the driving forces behind our actions. High-profile examples of our leading-edge
technology are radar, communication and command & control systems for naval
vessels. Thales Nederland is part of the international Thales Group, which
employs over 70,000 staff in more than 50 countries and is thus one of
Europe’s largest electronics enterprises.
OUR CAREER OPPORTUNITIES
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About the department
The Business Line Surface Radar designs radar systems and other
sensors which form part of a complete, integrated defence system.
The Technical Centre (TC) department within Surface Radar is
responsible for the development of new radar and electrooptical systems, from specification to verification, including the controlling of external suppliers. Within TC,
the Technical Unit Radio Frequency (TU RF) is responsible for the development of the radar front-end in the
shape of integrated antennas, comprising the antenna
proper, signal generation, transmitter and receiver
areas. The TU RF is a joint French-Dutch department.
About you
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08-03-2007 15:23:05
elektronik, die begeistert
Warten auf die
Brennstoffzelle
Für dieses Heft zum Thema „Alternative
Energie“ haben wir auf eine Brennstoffzelle gewartet – wie schon einige Male
zuvor in den letzten Jahren. Diesmal
sah es ganz viel versprechend aus:
Ludwig Retzbach, in Modellflugkreisen
bekannter Brushless-Motor- und AkkuExperte und ELEKTOR-Autor, hatte uns
Ende letzten Jahres von einer Brennstoffzelle aus China berichtet, die für ein
Elektroflugmodell geeignet sein sollte.
Natürlich waren wir interessiert und
hofften schon darauf, ein Muster auf
der Embedded World im Februar in
Nürnberg zeigen zu können. Was
daraus geworden ist, können Sie
tatsächlich in dieser Ausgabe auf Seite
13 sehen. Statt der erwarteten Mehrals-100-W-Zelle enthielt das erst kurz
vor Redaktionsschluss eingetroffene
Paket aus China ein Lern-Spielzeugauto
mit einer 240-mW-Brennstoffzelle.
Sicher interessant (und auch ganz nett
gemacht), aber gemessen an den
Erwartungen doch etwas enttäuschend.
Typisch Brennstoffzelle? Trotz aller
Fortschritte, die es gegeben hat, sind
doch die meisten Erwartungen und
Prognosen auf der Strecke geblieben.
Die Hoffnung, dass Wasserstoff und
Brennstoffzellen Energieprobleme lösen
könnten, beruht ohnehin auf einem
(weit verbreiteten) Missverständnis.
Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, der nur benutzt
wird, um Energie zu speichern und zu
transportieren. Man steckt Strom in das
Speichersystem hinein (Strom > Elektrolyse > Wasserstoff) und erhält den
Strom wieder aus dem System heraus
(Wasserstoff > Brennstoffzelle > Strom).
Genau so und auf elektrochemischem
Weg wie bei einem Akku. Ob das System umweltfreundlich und CO2-arm ist,
hängt primär davon ab, in welchem
Kraftwerk der Strom erzeugt wird und
wie hoch der Wirkungsgrad insgesamt
ausfällt. Nicht nur was Letzteres betrifft,
sieht es im Moment für den (LiIon-)Akku
ganz gut aus, wie unser Testbericht auf
Seite 40 aufzeigt. Der stammt übrigens
auch von Ludwig Retzbach.
Ernst Krempelsauer
P.S. Alps entwickelt Mikropumpen und
Mikroventile für Mini-Brennstoffzellen
– und was Alps entwickelt, ist für hohe
Stückzahlen gedacht…
Lader, Entlader,
Kapazitätsme
Die Zahl der mobilen, mit Akkus
betriebenen Geräte wächst unaufhaltsam - und regelmäßig
erscheinen neue Akku-Typen auf dem Markt.
Unsere Akku-Zentrale beseitigt die Unbequemlichkeiten,
die diese Typenvielfalt mit sich bringt. Sie lädt und entlädt alle
gängigen Akkus (NiCd- und NiMH-, LiPo- und LiIon-Akkus),
auch wenn mehrere Zellen in Reihe geschaltet sind.
Darüber hinaus gibt sie Auskunft, wie weit das Akku-Leben
fortgeschritten ist.
Extra-Poster
Mit Früchtetee zur Sonnenzelle
Farbstoff-Solarzellen könnten das
teure Silizium einmal überflüssig und
den Solarstrom weitaus billiger machen.
Diese revolutionären Zellen lassen sich
mit einfachen Mitteln selbst herstellen
- man benötigt nur etwas leitfähig
beschichtetes Glas und ein paar
Chemikalien.
Grundstoffe sind Titandioxid und ein
roter Farbstoff, der zum Beispiel in
Hagebuttentee vorkommt.
Auf unserem Extra-Poster im Inneren
des Heftes finden Sie eine Anleitung
in Wort und Bild - machen Sie mit!
INHALT
38. Jahrgang
April 2007
Nr. 436
Grundlagen
24 Solarkraftwerke für Dummys
Praxis
esser
32
40 Power-LiIon-Akkus im Test
Lithium-Systeme sind schon lange
die Hoffnungsträger unter den Akkus.
Unübertroffen in der Energiedichte,
aber anspruchsvoll und teuer
in der Herstellung, sensibel
in der Anwendung und
langsam beim Laden.
Das soll sich nun durch Nanotechnologie
beim Kathodenmaterial ändern.
Ludwig Retzbach hat für ELEKTOR erste Serienexemplare
der neuen LiIon-Akkus getestet - mit respektablen
bis sensationellen Ergebnissen!
54 Das g-Kraft-Messgerät
Unsere Freescale-MikrocontrollerAnwendung ist gleichermaßen
nützlich und interessant.
Als Fortsetzung der im letzten Monat
gestarteten Serie zeigt sie den
praktischen Umgang mit dem Controller MC9S08 und tritt den Beweis
dafür an, dass mit dem Baustein sehr
preiswerte Hardware-Projekte zu
realisieren sind.
Der Beschleunigungsmesser lässt sich
natürlich im Auto einsetzen - aber
noch an vielerlei Orten mehr.
28 Spannungswandler
von 12 V auf 230 V
32 Lader, Entlader,
Kapazitätsmesser
46 Mini-Projekt: Einfacher Solarlader
48 Freescale-Programmer
54 Das g-Kraft-Messgerät
64 Workshop: Elektronischer Sticker
68 So funktioniert’s
Technik
16 Energiequelle Mensch
40 Nanophosphat-Akkus im Test
45 Entwicklungstipp:
Einfacher Akku-Tester
60 Explorer-16 - Teil 4
70 Laborgeflüster
72 E-blocks: LED-Matrix
Info & Markt
6
8
11
12
84
Impressum
Mailbox
elekTermine
News
Vorschau
Infotainment
20 Auf Spurensuche nach
der „Freien Energie“
76 Synergetischer Transformator
78 Hexadoku
79 Retronik: Einstellbares Netzteil
Abo-Service
Riet Maussen, Marleen Brouwer
E-Mail: [email protected]
Bestellannahme und Bestellservice
Peter Custers
Tel. +49 241 88 909-66
Geschäftszeiten
Montag – Donnerstag von 08:30 bis 17:00 Uhr
Freitag von 08:30 bis 12:30 Uhr
Tel. +49 241 88 909-0
Fax +49 241 88 909-77
Unser Kundenservice berät Sie bei allen Fragen zu Bestellungen,
Lieferterminen und Abonnements. Änderungen, Reklamationen
oder besondere Wünsche (wie z. B. Geschenkabonnement)
richten Sie ebenfalls an den Kundenservice. Vergessen Sie bitte
nicht, Ihre Kundennummer anzugeben – falls vorhanden.
Technische Fragen bitten wir per E-Mail an
[email protected] zu richten.
Einzelheft
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Österreich, Belgien, Luxemburg
Schweiz
€ 6,50
€ 7,15
CHF 12.50
Jahresabonnement-Standard
Deutschland
Schweiz
Andere Länder
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€ 74,00
CHF 130.00
€ 89,00
Jahresabonnement-PLUS
Deutschland
Schweiz
Andere Länder
€ 77,70
€ 83,95
CHF 152.00
€ 98,95
Probeabonnement
Deutschland
Schweiz
Andere Länder
€ 12,50
€ 12,50
CHF 22.00
€ 12,50
(zzgl. Porto)
Studentenabo-Standard
Deutschland
€ 54,20
Studentenabo-PLUS
Deutschland
€ 64,15
Upgrade zum Abo-PLUS
Alle Länder
€ 9,95
Jahres- und Studentenabonnements (11 Hefte) dauern
immer 1 Jahr und verlängern sich automatisch um weitere
12 Monate, wenn nicht spätestens 2 Monate vor Ablauf
schriftlich gekündigt wird. Probeabonnements (3 Hefte) laufen
automatisch aus; sie müssen nicht gekündigt werden.
Preisänderungen vorbehalten.
Bankverbindungen
Commerzbank Aachen
Konto 1 201 102 (BLZ 390 400 13)
IBAN/BIC: DE89 3904 0013 0120 1102 00/COBADEFF
Postgiro Köln
Konto 229 744-507 (BLZ 370 100 50)
IBAN/BIC: DE17 3701 0050 0229 7445 07/PBNKDEFF
Bestellungen & Abos für Österreich
Alpha Buchhandel
Wiedner Hauptstraße 144, 1050 Wien
Tel. 01/585 77 45, Fax 01/585 77 45-20
Internet: www.erb.at
Bestellungen & Abos für die Schweiz
Elektor-Verlag GmbH
Süsterfeldstraße 25, 52072 Aachen
Peter Custers
Riet Maussen, Marleen Brouwer
IMPRESSUM
38. Jahrgang, Nr. 436
April 2007
Technische Redaktion
Ton Giesberts, Paul Goossens,
Luc Lemmens, Christian Vossen
Erscheinungsweise: 11 x jährlich
(inkl. Doppelheft Juli/August)
Grafische Gestaltung und Layout
Giel Dols
ELEKTOR möchte Menschen anregen, sich die Elektronik zu Eigen zu
machen – durch die Präsentation von Projekten und das Aufzeigen von
Entwicklungen in der Elektronik und technischen Informatik.
Geschäftsführer/Herausgeber
Paul Snakkers
ELEKTOR erscheint auch in Englisch, Französisch, Niederländisch und
weiteren Sprachen. ELEKTOR ist in über 50 Ländern erhältlich.
Verlag
Elektor-Verlag GmbH
Süsterfeldstraße 25, 52072 Aachen
Tel. 02 41/88 909-0
Fax 02 41/88 909-77
Technische Fragen bitten wir per E-Mail an
[email protected] zu richten.
Internationaler Chefredakteur
Mat Heffels
Redaktion ELEKTOR Deutschland
Ernst Krempelsauer (Chefredakteur, v.i.S.d.P.)
Jens Nickel
(E-Mail: [email protected])
Internationale Redaktion
Harry Baggen, Thijs Beckers,
Jan Buiting, Guy Raedersdorf
Redaktionssekretariat
Hedwig Hennekens
6
Marketing (Leitung)
Carlo van Nistelrooy
Vertrieb (Leitung)
Margriet Debeij
Anzeigen
ID Medienservice
Tel. 05 11/334 84-36
Fax 05 11/334 84-81
Es gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 37 ab 01.01.2007
Vertriebsgesellschaft
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Postfach 12 11, 53334 Meckenheim
Tel. 0 22 25/88 01-0
Fax 0 22 25/88 01-199
Internet: www.ips-pressevertrieb.de
Vertrieb Österreich
Pressegroßvertrieb Salzburg/Anif
Niederalm 300
Tel. +43/62 46/37 21-0
Der Herausgeber ist nicht verpflichtet, unverlangt eingesandte
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Nimmt der Herausgeber einen Beitrag zur Veröffentlichung an, so erwirbt er gleichzeitig das Nachdruckrecht für alle ausländischen Ausgaben
inklusive Lizenzen. Die in dieser Zeitschrift veröffentlichten Beiträge,
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Die veröffentlichten Schaltungen können unter Patent- oder
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Beiträge ist ausgeschlossen.
© 2007 Segment B.V.
Druck
hoontetijl, Zwolle (NL)
ISSN 0932-5468
elektor - 4/2007
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Hexadoku-Lösung (zu ELEKTOR Februar 2007)
Gesamt-Inhaltsverzeichnis und Jahres-Inhaltsverzeichnisse
Das Gesamtinhaltsverzeichnis über alle 37 ELEKTORJahrgänge (ab Mai 1970!)
wurde von unserem Leser Rolf
Skowronek aus Jülich erstellt
(an dieser Stelle noch einmal
herzlichen Dank!). Es enthält
zu jedem Artikel den Titel, die
Erscheinungsdaten und einige Stichworte (z.B. spezielle
Bauteile). Es enthält jetzt alle
Angaben bis einschließlich
Februar 2007. Diese Datei
bildet auch die Datenbasis
8
für die sehr nützliche ArtikelSuchmaschine unter: www.
smial.prima.de/elektor.html
Dieses Gesamt-Inhaltsverzeichnis steht zusammen mit
den einzelnen Jahresinhaltsverzeichnissen ab 1996 bei
www.elektor.
de zum Download bereit.
Man findet
die Dateien
wie folgt: auf
der ElektorHomepage
in der oberen
Menüleiste
„Zeitschrift“
auswählen
(es erscheint
die Seite zum
aktuellen
Heft), und
wenn man
dann nach
unten scrollt
und in die
linke Spalte
schaut, kann
man es nicht
übersehen…
HAMEG-Funktionsgenerator
Mit großem Interesse habe
ich den Artikel über die Funktionsgeneratoren gelesen.
Ich möchte Ihnen aber einen
Fehler in der Tabelle mitteilen, was die Angaben zum
Generator HM 8030-6 von
HAMEG betrifft. Als Entwickler
dieses Geräts muss ich doch
darauf hinweisen, dass es
sehr wohl einen VCF-Eingang
gibt, der auf der Rückseite
des Basismoduls HM 8001-2
zugänglich ist (diese Funktion
wird selbstverständlich im
Benutzerhandbuch beschrieben). Außerdem gibt es auf
der Rückseite des Basismoduls
auch einen Sägezahnausgang
mit dem Sägezahnsignal des
Wobbelgenerators. Dieses
Signal dient zur korrekten
Triggerung während des
Wobbelvorgangs und ist
zum Beispiel sehr nützlich für
Bandbreitenmessungen.
Michel Waleczek
Sie haben völlig Recht, der VCFEingang hätte in der Tabelle angegeben werden müssen. Die beiden
Ausgänge sind im Handbuch aufgeführt. Wer sich dafür interessiert,
der findet auf der HAMEG-Website
(www.hameg.com) Datenblatt und
Handbuch des HM 8030-6 als
Download im PDF-Format.
Mein “GB60Board” ist auch
mit dem von Ihnen erwähnten
OpenSource-BDM bzw.
SpYder-BDM-Interface kompatibel und damit kinderleicht
in Betrieb zu nehmen. Sollten
sich mehrere Interessenten
finden, würde ich ggf. eine
Sammelbestellung für einen
Satz von GB60Board-Platinen
organisieren. Board (EAGLEProjektfiles inkl. Demo-Firmware) und Kontaktdaten sind
auf meiner Homepage
www.qdev.de zu finden.
Stefan Robl
Falsches Schaltzeichen
in der deutschen Ausgabe
des Februar-Heftes 2007
hat sich ein kleiner Fehler
eingeschlichen:
Wie im Text “Low-Drop-Spannungsregler” richtig angegeben, handelt es sich beim
Transistor BSS139 um einen
so genannten “DepletionMode” MOSFET. Das Schaltzeichen im Bild zeigt jedoch
einen “Enhancement-Mode”
MOSFET.
Reinhardt Weber
Endlich Freescale!
Ich freue mich, dass in Elektor endlich auch einmal die
wirklich sehr interessanten
Mikrocontroller von Freescale
angesprochen werden! Eventuell interessiert es Sie bzw.
andere Leser, dass ich Ende
2006 das komplette Design
eines sehr kompakten und
sehr universell einsetzbaren
Boards auf Basis des Freescale 9S08GB60 auf meiner
Homepage veröffentlicht
habe.
+5VUnreg
+2V5
IC2
LMC6462
IC1
D
3
T1
1
2
G
S
TLE2425
BSS139
R1
+4V55Reg
5k6
R2
6k8
8
C
3
5
6
7
B
2
E
A
4
9
D
0
F
1
C1
10µ
060260 - 11
elektor - 4/2007
USB-Stick reparieren
USB-Stick defekt und Daten
nicht gespeichert? Es gibt
eine Hoffnung: Offenbar
verabschieden sich des öfteren die Quarze in den USBSticks. Dann ist eine Reparatur mit etwas Glück möglich,
wie Steffen Barth auf seiner
„Heimseite“ berichtet. Auch
wer kein Stick-Problem hat,
findet auf dieser Homepage
(sbarth.dyndns.org) in der
Rubrik „Technik“ so einiges
an Nützlichem und Interessanten (auch Schaltungen).
Größtes UAV
Zuerst ein Lob für eure super
Zeitung! Ich lese sie immer
wieder sehr gerne, auch
wenn mir der Wechsel des
Designs schwer fiel. Dennoch: In Heft 02/2007 wird
auf Seite 19 behauptet, dass
das größte unbemannte
Flugobjekt bis dato eine ferngesteuerte Boeing 720 war
(Startgewicht 106 Tonnen).
Dies ist nicht korrekt, da der
sowjetische Buran Gleiter
angedockt an die EnergijaRakete bereits Ende 1988
unbemannt ins All flog. Somit
ist das Gespann Buran/Energija mit fast 60 m Höhe und
einem Startschub von über
40.000 t deutlich “größer”.
Helge Brüggemann
An den Buran hatte ich bei der
Bearbeitung des Artikels natürlich auch gedacht. Nur: Es ging
ja um UAVs (unmanned aerial vehicles), also um Luft- und nicht um
Raumfahrzeuge. Betrachtet man
den Buran in seiner Eigenschaft als
Gleitflugzeug (im aerodynamischen
Flug), so bringt er es auf eine maximale Flugmasse von etwa 80
Tonnen, was doch etwas weniger
ist als bei der B720. Allerdings ist
er damit das größte unbemannte
Flugobjekt, das jemals aerodynamisch kontrolliert und unbeschädigt
auf der Erdoberfläche gelandet ist
(die 720 wurde nicht gelandet, sondern von der NASA gezielt gecrasht,
was auch der Zweck des Experiments
war).
Betrachtet man nur die Startmasse,
so liegen die Saturn V (drei unbemannte Flüge) und die Energija
(zwei Flüge) etwa gleichauf. Der
maximale Startschub der Energija
wird auf etwa 3.500 t beziffert. Für
40.000 t Schub bräuchte man schon
zwei Sixpacks davon…
Ernst Krempelsauer
MailBox
In dieser Rubrik veröffentlichen wir
Kritik, Meinungen, Anregungen, Wünsche
oder Fragen unserer Leser.
Die Redaktion trifft die Auswahl und behält
sich Kürzungen vor.
Bitte geben Sie immer an,
auf welchen Artikel und welche Ausgabe
(Monat/Jahr)
sich Ihr Schreiben oder Mail bezieht.
Sie erreichen uns per E-Mail
([email protected]),
per Fax (02 41/88 909-77)
oder unter der Anschrift:
Redaktion ELEKTOR
Süsterfeldstr. 25
52072 Aachen
4/2007 - elektor
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Siehe Schaltungsausschnitt mit dem
richtigen Symbol. Man beachte den
durchgezogenem Strich zwischen
Drain und Source, der den „selbstleitenden“ FET chrakterisiert, der
schon bei UGS = 0 leitet.
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www.pcTestInstruments.com
* Der Euro-Preis bezog sich auf den aktuellen
Dollarkurs bei Drucklegung und kann durch einen
zwischenzeitlich anderen Wechselkurs höher oder
niedriger liegen. Beim Import nach Deutschland
werden noch ca. 2% Zoll sowie 19% Einfuhrumsatzsteuer erhoben (Unternehmen erhalten die EUSt.
9
vom Finanzamt zurück, Privatpersonen nicht).
INFO & MARKT MAILBOX
Updates und Ergänzungen
WORKSHOP
„Ethermeter“,
MP3-Preamp,
ELEKTOR Februar 2007, Seite 38
ELEKTOR März 2007, Seite 72
100 Ω
R2
Versehentlich wurde im
Artikel nicht die endgültige
Schaltplan-Version abgedruckt. Damit die Schaltung
funktioniert (d.h., mit der
Programmierung der Pins in
der Software übereinstimmt),
muss der Schaltplan (die
Beschaltung des ATTiny) wie
folgt geändert werden:
VCC12
47k
R10
2k
R9
2k
R8
47k
R7
R12
S1
C2
470n
470 Ω
33 Ω
R13
C3
470n
R15
2k2
T2
T1
R16
R17
22k
R18
22k
22k
BC856
BC856
Im Schaltbild (Bild 2) ist ein
Zeichenfehler. Wie der Vergleich mit der Platine zeigt,
ist C3 nicht mit dem Emitter
von T2 verbunden, sondern
mit der Basis dieses Transistors (Anschlusspunkt zwischen R10 und R18). Das gilt
auch für den rechten Kanal
(C12, T6, R31/R40).
Das Platinenlayout enthält einen Fehler, der sich
gehörmässig nicht direkt
bemerkbar macht. Trotzdem
sollte man den Fehler besser
Pin 14 (PB2) wird Pin 6 (PD2)
Pin 18 (PB6) wird Pin 16 (PB4)
Funktional bedeutet dies:
Die Netzwerkbuchse ist nicht
mit PB2 bis PB5 verbunden,
sondern mit PD2 bis PD5.
Außerdem liegt die LED D2
nicht an PB6, sondern an
PB4.
C3
20
100n
1
2
3
RESET
PD0
PB2
PB3
IC1
PD1
PB5
PB6
R1
8
2 TX–
9
3 RX+
6
R2
220
5
6 RX–
15
17
7
PB7
PD5
PB4
PD2
PB1
PD3
PB0
XO
4
D1 R3
470
18
RX
PD4
7
RJ45
14
ATTiny2313
100
1 TX+
4
ELEKTOR März 2007, Seite 75
Im Artikel werden zwei Literaturstellen erwähnt, die Links
am Ende des Artikels sind
aber weggefallen. Sie sind
aber auch der Artikelseite bei
www.elektor.de – und hier:
[1] www.gwup.org/skeptiker/
archiv/1997/2/kalk.html
[2] www.stiftung-warentest.
de/online/umwelt_energie/
test/16891/16891/216891.
html
ELEKTOR Januar 2007, Seite 26
C4
4V5
K1
MINI-PROJEKT „Kampf
dem Kalk“,
Profiler– die
Selbstbau-Fräsmaschine,
+4V5
BT1
gende Widerstand ist R29.
Diese Position ist mit 2 k zu
bestücken. Beim Auslöten der
eventuell schon falsch bestückten Widerstände muss
man vorsichtig vorgehen, um
die Lötinseln (Pads) nicht zu
beschädigen.
19
D2 R4
16
13
12
470
TX
D3 R5
470
XI
X1
5
10
POWER
8
TX pair
UTP
C1
C2
RX pair
22p
20MHz
Im Artikel über die universelle Fräsmaschine ist in
Bild 7 ein überholter Screendump des Konturen-Fräsprogramms für Leiterplatten
gedruckt worden. Das mit
der Fräsmaschine gelieferte
Programm für die PlatinenBearbeitung ist viel umfangreicher. Ein Beispiel zeigt der
hier abgedruckte (richtige)
Screendump.
Fahrtregler (4. Preis im
R8C-Wettbewerb),
ELEKTOR November 2006,
Seite 20
Marc Schneider hat seinen
Modellbau-Fahrtregler noch
weiter verbessert und neue
Eigenschaften implementiert.
Der Update betrifft sowohl
die Hardware als auch die
Software.
Hardware-Erweiterungen:
- Temperaturüberwachung
für bis zu 7 Sensoren Analogeingängen des R8C
- Schaltungsänderung für
den Einsatz einzelner R8Cs
(ohne Glyn-Modul)
- Getrennte Steuer- und
Leistungsteile (damit kann
man Steuerungs- und
Leistungsteil optimal im
Modell verteilen, aber auch
bei Bedarf zusammen
aufbauen)
Software-Erweiterungen:
- Temperaturüberwachung
mit einstellbaren Schwellwerten und Leistungsreduzierung bei Schwellwertüberschreitung (falls es z.B.
den Transistoren zu heiß
wird)
- Neue Störungsunterdrückung mit gleitendem
Durchschnitt (einstellbare
Filterlänge)
Die neue Version ist online
unter: www.elektor.de/R8C/
index.html
22p
075035 - 11
12
34
56
1 = TX+
2 = TX–
3 = RX+
6 = RX–
78
beheben:
Die Bezeichnungen der
SMD-Widerstände R29 und
R32 ist im Bestückungsplan
vertauscht worden. Von C12
aus Richtung S2 gesehen
muss der erste Widerstand
R32 sein, diese Position ist
mit 6k8 zu bestücken. Der
daneben (Richtung S2) lie-
10
elektor - 4/2007
NEWS INFO & MARKT
elekTermine
MÄRZ
28. - 31. Frankfurt, Messegelände
Prolight and Sound
Fachmesse mit den Themenschwerpunkten Licht- und Bühnentechnik, Beschallung,
Veranstaltungstechnik und Kommunikation.
www.prolight-sound.com
31. Steinbach am Taunus, Bürgerhaus
RoboTest
Bei diesem Roboterwettbewerb treten die Maschinen in 10 Disziplinen an.
Anschließend kann mit den (Hobby-)Konstrukteuren gefachsimpelt werden.
www.robotest.de
24. Berlin, Dämeritz Seehotel
GSM/GPRS-Modems und Module
Der Eintages-Workshop wird von Hersteller Wavecom und Distributor Glyn veranstaltet. Thema: Aktuelle und zukünftige Hard- und Software.
www.glyn.de
25. Frankfurt am Main, ZVEI
REACH
Die EU-Richtlinie REACH regelt die Verwendung von chemischen Stoffen. Das ZVEISeminar behandelt die Konsequenzen für die Elektronikindustrie.
www.zvei.org/index.php?id=882
24. - 26. Nürnberg, Messezentrum
SMT/Hybrid/Packaging
Das Spektrum reicht von Design und Entwicklung über Leiterplattenfertigung und
Bestückung bis hin zu Test-Equipment. Mit praxisorientiertem Kongress.
www.smt-exhibition.com
26. Hamburg, Holiday Inn
Zentraleuropäische Display Tage
Kostenloser Entwickler-Informationstag von Distributor Sasco Holz. Themen sind
OLEDs, LEDs für die Hintergrundbeleuchtung und vieles mehr.
www.sascoholz.de/events
MAI
Antriebe und die Kontrolle derselben – einer der Schwerpunkte der Hannover Messe
(Foto: Deutsche Messe AG).
APRIL
16. - 20.
Hannover, Messegelände
Hannover Messe
Die bekannteste Industriemesse der Welt ist ein Besuchermagnet. Auch in 2007
wird wieder der viel beachtete Hermes Award für die beste Innovation verliehen.
www.hannovermesse.de
17. + 18. + 19. Dortmund / Stuttgart / Wien
Power Seminar
Kostenloses Eintages-Stromversorgungs-Seminar von Fairchild und Distributor EBV.
Themen: Halbbrücken-Strukturen, Power MOSFETs, Simulationen.
www.ebv.com/en/
8. - 11. Dresden
DSP for FPGAs
Viertägiger Intensivkurs zur digitalen Signalverarbeitung mit programmierbarer
Logik. Mit praxisnahen Software-Design-Übungen.
www.hueggenberg.com/seminars/seminar_dsp-fpga.htm
7. + 8. + 9. München / Heidelberg / Hannover
Power Supply Design Seminar
Eintages-Seminar zum Thema Stromversorgungs-Design von TI. Auf dem Programm stehen die Grundlagen neuer Konzepte genauso wie Anwendungsbeispiele.
http://focus.ti.com/docs/training/traininghomepage.jhtml
11. - 12. Heidelberg
Eurobot National Cup Deutschland
Deutsche Vorentscheidung zum Eurobot-Finale, das vom 16. bis 20. Mai in
Frankreich stattfindet. Die Roboter treten dieses Jahr zum Müll-Trennen an!
www.eurobot.org
18. - 22. Dortmund, Westfalenhallen
Hobbytronic und Intermodellbau 2007
Verbrauchermesse mit Angeboten aus dem Bereich Computer, elektronische Bauelemente, Digitalkameras, Unterhaltungselektronik und Telekommunikation.
www.hobbytronic.de
19. - 22. Sinsheim, Messegelände
Car & Sound
Hier gibt’s ordentlich was auf die Ohren. Neben Car-Hifi sind auch mobile Multimediageräte, Navigationssysteme und Alarmanlagen ein Thema.
www.carsound-messe.de
23. München
X-Fest
Xilinx und Avnet veranstalten diese eintägige Gratis-Konferenz rund um die FPGAs
und Controller des Herstellers. Danach noch in 5 weiteren deutschen Städten.
http://aux.avnet.com/webdev/em/Paris_Munich_Milan_Oslo_Oxfordshire_v06.pdf
4/2007 - elektor
Auf der Hobbytronic wird’s wieder Einiges zu sehen geben: Hier das „Live-Modding“ eines
PC-Gehäuses (Foto: Westfalenhallen Dortmund GmbH).
11
INFO & MARKT NEWS
Die Gewinner des
RFID-Gewinnspiels
stehen fest!
Im Februarheft haben wir zur
zweiten Runde unseres RFIDGewinnspiels aufgerufen. Die
Resonanz war noch
einmal
gewaltig! Die
Statistik sagt,
dass insgesamt rund
3.000 RFIDKarten
ausgelesen
wurden – mit einem
eigenen Reader oder dem
Lesegerät eines „Unterstützers“.
Bei denjenigen, die anderen
Lesern geholfen haben (so zum
Beispiel über unser Forum)
wollen wir uns nochmals
herzlich bedanken. Darüber
hinaus hatten wir für die Helfer
eine kleine Reise und drei
Elektor-Gutscheine im Wert von
je 100 Euro ausgelobt. Das
Versprechen lösen wir nun ein:
In unsere Verlags-Zentrale im
schönen niederländischen
Limburg ist Wolfram Kurtz
eingeladen. Die Gutscheine
gehen an Andreas Mayr, Hans
Schneider und Marcel Smeets.
Da die Anforderungen des
Gewinnspiels diesmal nicht
ganz so hoch waren wie bei
der ersten Runde (es mussten
nur die ersten vier Hex-Ziffern
der eigenen Karte mit den
ersten vier Hex-Ziffern eines der
Preise übereinstimmen) haben
uns zu jedem der Preise
zwischen zwei und zehn
richtige Einsendungen erreicht,
so dass das Los entscheiden
musste. Und hier sind die
Gewinner:
Visit Elektor/Elektuur
at electronica 2006
and win with this card!
1. Preis:
Der Philips 107-cm-PlasmaFernseher (ermöglicht durch
DHL Global Mail) geht an
Matthias Wurzer aus
Österreich.
Elektor auf der
„Embedded“
2. Preis:
Das Mio-Navigationssystem
C710 (zur Verfügung gestellt
von Conrad Niederlande) geht
an Carl Declercq aus Belgien.
3. Preis:
Ein Liteon-DVD-Rekorder LVW
5045 GDL (zur Verfügung
gestellt von Conrad Niederlande) geht an Wolf-Dieter
Kaczerowski aus Deutschland.
4. bis 7. Preis:
Die E-blocks Starter Kits
Professional gehen an Thierry
Favreau aus Frankreich, Annika
Ganzel aus Deutschland, Hans
Michielsen aus den Niederlanden und Peter Eggleston aus
Großbritannien.
8. und 9. Preis:
Die HD-VMD-Player (zur
Verfügung gestellt von New
Medium Enterprises) gehen an
Jan Ten Dam aus den Niederlanden und Thorsten Rink aus
Deutschland.
10. bis 13. Preis:
Die E-blocks Starter Kits Basic
gehen an John W. Finlayson
aus Norwegen, E. Fontrier aus
Australien, Frank Jessen aus
Deutschland und Erik van der
Veek aus den Niederlanden.
14. und 15. Preis:
Die RFID-Starter-Sets von
Parallax (zur Verfügung gestellt
von Antratek) gehen an Peter
Braunschmid und Thomas
Kuberczyk aus Deutschland.
RFID
Vom 13. bis 15. Februar fand
in Nürnberg die „Embedded
World“ statt - Elektor war
natürlich wie jedes Jahr mit
einem eigenen Stand vertreten.
Besucht haben uns wieder sehr
viele Leser, um sich über die
neuesten Schaltungen zu
informieren und Neuheiten aus
dem Elektor-Buchprogramm
anzusehen. Viel Spaß gemacht
haben uns die Gespräche mit
den oft sehr elektor-treuen und
kreativen Elektronik-Fans.
Dazu gab’s diesmal auch etwas
zu gewinnen – nämlich eine
Flugreise mit der LTU. Beate
Lorenzoni aus Erding erwies
sich beim Hubschrauberflug am
geschicktesten. Sie brachte den
verletzten Bergsteiger mit einem
Wert von 0,106 g sicher und
zügig ins Krankenhaus und darf
sich nun über einen Flug für
zwei Personen nach Mallorca
freuen. Herzlichen
Glückwunsch!
Roboter-Selbstbau-Buch
Roboter sind ein faszinierendes
Gebiet der Elektronik – scheinen
die Maschinen doch manchmal
ihre eigene Intelligenz zu
entwickeln. Wer einen Roboter
selbst bauen und entwerfen will,
wird mitunter allerdings vor
knifflige Aufgaben gestellt. Hier
setzt das neue Buch „Mobile
Roboter selbstgebaut“ aus dem
Elektor-Verlag an. Auf 205
Seiten findet sich eine praxisorientierte Einführung in den
Roboterbau. Es wird zunächst
gezeigt, wie sich ein Roboter
planen und mechanisch
realisieren lässt. Ein besonderer
Schwerpunkt liegt auf der
Entwicklung elektronischer
Steuerungsschaltungen. Hier
werden sehr unterschiedliche
Lösungen, angefangen bei
einfachen analogen Schaltungen bis hin zu Mikrocontroller-
und CPLD-„Gehirnen“ beschrieben. Verschiedene Sensoren
und Aktoren sowie Kommunikation und Datenspeicherung sind
weitere Themen. Das Buch
enthält detaillierte Bauanleitungen für vier verschiedene
Roboter, die nachgebaut und
durch eigene Erweiterungen
ergänzt werden können.
Das Buch ist zum Preis von
34,80 Euro im Elektor-Shop
(siehe hinten im Heft), über
unsere Website www.elektor.de
und im normalen Buchhandel
erhältlich (ISBN
978-3-89576-169-0).
(Munich, November 14-17)
Hall A5, Stand A5.531
Info: www.elektor.com/rfid
12
elektor - 4/2007
NEWS INFO & MARKT
Brennstoffzellen-Racer
Wasserstoffbetriebenes Modellauto
Von Ludwig Retzbach
In voller Größe ist ein Brennstoffzellenauto leider immer noch weit von
der Serienfertigung entfernt. Dafür
gibt es jetzt aber erste bezahlbare
Brennstoffzellen für eigene Experimente und Demonstrationsobjekte
mit Brennstoffzellen. Ein solches
Vorzeigeobjekt ist der H-Racer des
chinesischen Herstellers Horizon aus
Shanghai, der in einer Art Lernbaukasten geliefert wird. Das Set enthält
neben dem Brennstoffzellen-Racer
auch eine mit Solarzellen betriebene
Wasserstoff-Tankstelle.
Kernstück des Sets ist ein Plexiglaschassis (16 cm lang und 7,5 cm
breit) eines Modell-Cars, auf dem vier
gummibereifte Räder, ein DC-Elektromotor mit zweistufigem Getriebe
sowie die benötigte Verkabelung
inklusive Schalter bereits vormontiert
sind. Mit wenigen Handgriffen wird
die beiliegende Mini-Brennstoffzelle
(ca. 53 x 32 x 15 mm) sowie ein
kleiner Wasserstofftank eingeklinkt.
Letzterer besteht aus einem Luftballon
in einem Plexiglas-Druckzylinder. Die
erkennbare Verformung des Ballons
lässt somit gewisse Rückschlüsse auf
den vorhandenen Kraftstoffvorrat zu.
Der Bonsai-Wasserstoffrenner ist funktionsfähig, wenn noch ein seitliches
Betankungsventil eingerastet und die
verbindenden Schläuche aufgeschoben werden. Richtig futuristisch und
rasant wirkt das Ganze nach Montage der Plexiglas- Karosserie, die
durch vier Schrauben mit dem Chassis verbunden wird.
Nun folgt die Betankung des MiniWasserstoffautos. Dieser Schritt zeigt
anschaulich, dass Wasserstoff erst mit
Strom (per Elektrolyse aus Wasser)
erzeugt werden muss, bevor er in der
Brennstoffzelle Strom erzeugen kann.
Bei Sonnenschein liefert das im Set
enthaltene Solarmodul den Strom für
die Elektrolyse-Box, die sich auch mit
zwei Mignon-Zellen zur Notstromversorgung an Regentagen bestücken
lässt. Nach Befüllung mit destilliertem
Wasser und Entlüftung mittels der beiliegenden Injektionsspritze zeigt das
Aufsteigen von Gasblasen die beginnende Wasserstoffproduktion. Damit
es richtig auffällt, blinken im Tank
auch noch zwei blaue LEDs. Kurz
darauf beginnt sich der Ballon auch
schon zu füllen. Nach maximal 20
Minuten ist die Elektrolyse zu beenden, spätestens dann sollte der blaue
Gummisack im Glaszylinder prall an
den Wänden anliegen.
So betankt, flitzt der frontgetriebene
H-Racer dann auch rasant über den
Fußboden und mit Karacho gegen die
nächste Wand – wenn man ihn nicht
vorher abfängt. Eine Lenkung und
(Fern-)Steuerung gibt es nämlich nicht.
Jedenfalls reicht das bisschen Wasserstoff für mehr als 100 m Reichweite.
Laut Anbieterangabe müssten es über
300 m sein (ca. 3 Minuten mit etwa
7 km/h), die drei Minuten Laufzeit
wurden aber in diesem ersten Test
noch nicht erreicht.
Daten und Erhältlichkeit
Technische Daten
Herstellerangaben (Messwerte
und Kommentare des Autors in
Klammern)
Brennstoffzelle im H-Racer
Die Tabelle enthält ein paar technische Daten, wobei die Messungen
(beziehungsweise Kommentare) des
Autors in Klammern angegeben sind.
Eine deutsche Bezugsquelle für den
H-Racer ist unter [1] angegeben
(99 € inklusive Versand). Das gesamte „edukative“ Programm von Horizon [2] ist im Online-Store [3] des
Herstellers zu sehen. Das Angebot
reicht vom „Fuel Cell Car Science Kit“
für 69 US-$ bis zur 300-W-Brennstoffzelle für stolze 2.850 US-$. Was wiederum zeigt, wie weit ein richtiges
Brennstoffzellen-Auto noch von der
Bezahlbarkeit entfernt ist…
Hinweis: Weitere Bilder auf
www.elektor.de (April-Heft)
Abmessungen in mm: 32 x 32 x10
(Grundabmessungen ohne Stromund Gasanschlüsse, real 53 x 32 x
15 mm)
Gewicht: 27,3 g (stimmt)
Ausgangs-Gleichspannung: 0,6 V
(Leerlauf ca. 0,8 V, bei Motorlast typ.
0,35 .. 0,4 V)
Ausgangsstrom: 0,4 A (anfangs bei
hohem Gasdruck ca. 1,25 A für ca.
2 s, danach nur noch ca. 0,3 A - anblasen bringt nichts!)
Ausgangsleistung: 240 mW (eher
weniger)
(070116)
Solarmodul der H2-Tankstelle
Messwerte: Leerlaufspannung ca.
3 V, Kurzschlussstrom ca. 0,3 A (bei
14 °C in der Märzsonne)
[1] www.techgalerie.de
[2] www.horizonfuelcell.com
[3] http://store.horizonfuelcell.com
Anzeige
„Das geht nicht mit
Desktop Prototyping.“
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Die Komplettlösung für Ihr Inhouse Leiterplatten-Prototyping!
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Bohren und chemiefreies Durchkontaktieren.
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4/2007 - elektor
Telefon +49 (0) 51 31-70 95-0
Fax +49 (0) 51 31-70 95-90
[email protected]
www.lpkf.de/prototyping
13
INFO & MARKT NEWS
Entwicklungs-Stick mit
Ethernet
Ultrakompakte und sehr günstige Entwicklungssysteme für
Mikrocontroller liegen im Trend.
(Web-Server, USB, CAN usw.).
Das Ganze kostet 39 Euro plus
Mehrwertsteuer. Rund um den
potenten Stick bietet Hitex auch
Seminare an.
www.hitex.com/str9-comstick
Neue Blackfin-DSPs
Ein besonders leistungsfähiges
Mini-System in USB-Stick-Form,
das sogar einen Ethernet-Anschluss besitzt, haben wir auf
dem Hitex-Stand auf der Embedded World in Nürnberg
entdeckt. Das Herz des „STR9
comStick“ ist ein ARM-basierter STR9 von ST. Von Hitex
wird eine komplette Toolchain
mitgeliefert, unter anderem ist
der „HiTOP Debugger“ und ein
GNU-Compiler dabei. Dazu
gibt’s den Source-Code von
vielerlei Beispiel-Anwendungen
Anzeige
Analog Devices erweitert sein
Angebot an Blackfin®-Prozessoren. Die Familie ADSP-BF52x
ist für performance-hungrige
mobile Geräte wie portable
Multimedia-Player, VoIP-Telefone
und IP-Kameras optimiert. Auch
die englische Firma RadioScape
– bekannt durch die DigitalRadio-Module, die sich unter
anderem im ersten Stand-AloneDRM-Empfänger finden – will
künftig Blackfin-DSPs einsetzen.
Als Grund wurde der optimierte
Stromverbrauch der Prozessoren genannt. So zeichnen sich
die Chips dank eines „dynamischen“ Power-Managements
durch einen Core-Leistungsverbrauch von minimal 0,16
mW/MHz bei 250 MHz aus.
Angeboten wird eine HighPerformance-/Low-Power-Serie
(ADSP-BF527/BF525/BF522)
mit einer Taktfrequenz von 600
MHz sowie eine Ultra-Low-Power-Serie mit bis zu 400 MHz.
Optional sind Peripheriefunktionen wie High-Speed-USB
On-The-Go (OTG), 10/100
Ethernet, Host-DMA-Port,
NAND-Flash-Controller sowie
bis zu 48 General-Purpose-I/
O-Ports (GPIOs) auf dem Chip
integriert. Die Modelle ADSPBF527C/BF525C/BF522C enthalten ferner einen integrierten
Stereo-Audio-CODEC.
www.analog.com/BF52x
USB-Entwicklungskits
von Infineon
Zur „Embedded“ in Nürnberg
hatte Infineon eine Vielzahl von
Evaluationboards mitgebracht.
Verschiedene Starter-/DemoKits, mit denen man vor allem
Umsteiger auf den Geschmack
14
bringen will, markieren hierbei
das untere Ende. Die Hardware
besitzt die Form eines etwas
zu dick geratenen USB-Sticks,
wobei im Unterschied zu vielen ähnlichen Mini-Entwicklungsystemen die wichtigsten
Anschlüsse über eine Stiftleiste nach außen geführt sind.
Die Münchner bieten mehrere
Varianten an. Mittelpunkt des
„XC886CM U CAN Start Kits“
ist ein 8051-kompatibler 8-bitController. Über die zehnpolige Stiftleiste kann das Board
mit zwei CAN-Knoten Kontakt
aufnehmen, darüber hinaus
bietet sich dort auch ein analoger und digitaler I/O-Zugang.
Zu CAN-Demo-Zwecken ist ein
kleines Applikationsprogramm
im Controller geladen, die mitgelieferte CD enthält neben Entwicklungssoftware auch einen
CAN-Viewer für den PC. Das
„XC 866 U-Light“ ist dagegen
für Motorsteuerungsanwendungen gedacht. Herzstück ist hier
der Controller XC800, der unter
anderem über eine CAPCOM6Schnittstelle verfügt.
www.infineon.com/xc886
www.infineon.com/xc866
elektor - 4/2007
Freescale-Controller
mit integrierter
LCD-Ansteuerung
Mit der LC60-Familie bietet
Freescale die ersten S08-basierten MCUs mit Flashspeicher an,
die ein integriertes Modul für
die LCD-Ansteuerung sowie eine
interne Ladungspumpe beinhalten. Die LC60-MCUs unterstützen Displays mit bis zu 160
Elementen (bis zu 16 alphanumerische Zeichen). Sie sind für
Anwendungen wie tragbare
Medizinelektronik, Thermostate, Heimtrainer, Diagnosegeräte, Rechner, Verbrauchszähler,
Wecker, Spielzeuge, Kameras
und dergleichen mehr geeignet.
Die Chips bestehen aus einem
bei niedriger Spannung arbeitenden S08-MCU-Kern, einem
LCD-Ansteuerungsmodul, umfangreicher Kommunikationsperipherie, zwei Flashspeicher-Arrays und einem integrierten programmierbaren Timer. Externe
Displaytreiber, Speicher- und Timingkomponenten können weitgehend und externes EEPROM
gleich ganz entfallen. Die
Controller arbeiten mit 3-V- und
5-V-Displays zusammen; dank
einer internen Ladungspumpe
lässt sich die Anwendung mit
nur einer Betriebsspannung betreiben. Demo-Kits werden zu
einem Preis von 59 US-Dollar
angeboten.
www.freescale.com/files/pr/lc60.
html
Neues NanoBoard von
Altium
Gesehen auf der „Embedded”:
Das „NanoBoard-NB2“ ist eine
High-End-Entwicklungs-Plattform für Prozessor/FPGA-Systeme. Auf der flexibel konfigurierbaren und erweiterbaren
Hardware lassen sich Designs
4/2007 - elektor
Anzeige
verschiedener Prozessor- und
FPGA-Architekturen implementieren und debuggen. Das
Board arbeitet dazu mit dem
Altium Designer zusammen, ein
Elektronik-Entwicklungssystem,
das die Entwicklung von Leiterplatten, FPGAs und Embedded
Software kombiniert.
Seit der Vorstellung des Prototypen im letzten Jahr wurde das
Board mit noch mehr Features
ausgestattet. Ein erheblich verbessertes Audio-Subsystem,
ein SD-Card-Leser, ein USB-Interface, die Möglichkeit der
Infrarot-Fernbedienung und ein
überarbeitetes Daughterboard
zur Unterstützung von deutlich
mehr I/O-Verbindungen zwischen dem Ziel-FPGA und den
angeschlossenen Peripheriefunktionen sind nur einige der
Aufwertungen.
Da das Board nicht nur einsteckbare Daughterboards
und Peripheriekarten, sondern
auch austauschbare Peripherie-Boards unterstützt, steht den
Ingenieuren ein zukunftssicheres
Entwicklungssystem zur Verfügung. Wenn neue Prozessoren,
FPGAs und Peripheriebauteile
auf den Markt kommen, ist kein
Umstieg auf ein neues Entwicklungssystem erforderlich.
Zunächst hat man die Wahl
zwischen Daughterboards mit
FPGAs vom Typ Altera® Cyclone™ II, LatticeECP™ oder
Xilinx® Spartan™-3. Standardmäßig ist das NanoBoard-NB2
mit drei gesteckten PeripherieBoards bestückt - einem Audio/
Video-Connector-Board, einem
CompactFlash/ATA/SD-Card-
Board und einem Communications Board mit USB, IrDA und
Ethernet-Anschlüssen.
www.altium.com/
Products/NanoBoardNB2
15
TECHNIK
ENERGIE
Energiequelle
Mensch
Neue Technologien der
Energiegewinnung
Von Thijs Beckers
Energiesparen heißt das Gebot der Stunde - die hohen Ölpreise
und der Treibhauseffekt sind die stärksten Triebfedern. Schon seit
einiger Zeit wird im niederländischen Eindhoven die Entwicklung
von „Energy scavengers“ vorangetrieben: Energiewandler,
welche die menschliche Körperwärme nutzen. Verglichen mit den
großen Kraftwerken ist deren Leistung zwar winzig, doch dafür
sind diesen Wärmewandlern Belastungen der Umwelt fremd.
Thermische
Energie geht gegenwärtig in großem Umfang ungenutzt verloren. Die gewaltigen Kühltürme der Elektrizitätswerke führen
dies mit ihren riesigen, in den Himmel
aufsteigenden Dampffahnen vor Augen. In wesentlich kleinerem Maßstab
werden bereits Techniken entwickelt,
die dazu beitragen, die Wärmeverschwendung einzudämmen. Sie setzen
Verlustwärme in nutzbare elektrische
Energie um.
Jederzeit Energie
Bild 1. Der Prototyp des Puls-Oximeters ist bereits so klein,
dass er wie eine Armbanduhr getragen werden kann.
16
Elektronik ist ohne Energiequelle nicht
betriebsfähig – Batterien und Akkus
sind hier die wesentlichen Energielieferanten mobiler Systeme. Das könnte
sich mittelfristig durchaus ändern...
Im Holst Centre, gelegen im niederländischen Eindhoven, ist man intensiv mit der Entwicklung so genannter
„Energy scavenger“ (wörtlich: Energie-
Zusammenkehrer) beschäftigt. Ein
energiepolitisch zukunftsweisendes
Forschungsvorhaben hat sich zum Ziel
gesetzt, Verfahren für die Wandlung
piezo-elektrischer, elektrostatischer
und elektromagnetischer Energien sowie von Wärmeenergie in elektrische
Energie zu entwickeln. Insbesondere die Wandlung von Wärmeenergie
ist vielversprechend, denn zahlreiche
Wärmequellen geben ihre Energie
nutzlos in die Umgebung ab. Typische
Beispiele sind Heizöfen aller Art, Kraftfahrzeuge und Maschinen in der Industrie. Auch der menschliche Körper ist
ein Lieferant thermischer Energie.
Zukunftsmusik?
Für mobile Anwendungen ist der menschliche Körper als Energiequelle geradezu ideal. Wir könnten uns zeitlich
unbegrenzt an den Klängen unseres
iPod oder MP3-Players erfreuen, und
unser Mobiltelefon muss nicht mehr an
ein Ladegerät angeschlossen werden.
Doch so weit ist die Entwicklung leider
elektor - 4/2007
Thermoelektrischer
Generator
Energiespeicher
Ladeschaltung
0,7 - 2V
Startschaltung
DC / DCKonverter
2,05V
060317 - 14
Bild 3. Funktionsschema einer thermo-elektrischen
Stromversorgung. Die vom „Energy scavenger“ gewonnene
elektrische Energie ist nicht ohne weitere Maßnahmen zu
nutzen.
2m
m
Das Holst Centre
060317 - 11
Bild 2. Aufbau der Thermo-Batterien in Silizium. Die Wärme (gelbe Pfeile) hat eine Spannung in den thermischen Elementen zur
Folge. Durch Reihenschaltung wird die Spannung auf nutzbare Werte gebracht.
noch nicht fortgeschritten. Die gegenwärtigen mobilen Geräte haben einen
zu hohen Energiebedarf, er kann von
der menschlichen Körperwärme nicht
gedeckt werden. Doch der Prototyp
eines so genannten Puls-Oximeters
(Bild 1) wurde vom Holst Centre bereits vorgestellt. Das System arbeitet
vollständig autonom und nutzt dabei
die Wärme, die die Testperson in Höhe
des Handgelenks abgibt.
Die physikalische Grundlage des Energiewandlers ist nicht neu, hier wird
der bereits 1821 entdeckte Seebeck-Effekt genutzt. Neu ist die Realisierung
des Systems, das der Wärmequelle
die thermische Energie entzieht und
in elektrische Energie wandelt.
Technologie
Die Basis des Wandlers sind so genannte Thermopiles (Bild 2), die in einem Silizium-Kristall aufgebaut sind.
Die Thermopiles bestehen aus Thermoelementen, sie geben bei Temperaturdifferenzen ihrer Berührflächen
geringe Spannungen ab. Durch Hintereinanderschalten von mehreren
Thermoelementen erhält man höhere,
technisch nutzbare Spannungen. Die
resultierende Spannung lässt sich aus
Uo = m ⋅ α ⋅ ∆T berechnen, wobei m
4/2007 - elektor
die Anzahl der Thermoelemente, α die
Seebeck-Konstante und ∆T die Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktflächen des Thermoelements ist. In der
Praxis gibt ein Thermopile eine Spannung von ungefähr 1 mV ab. Für eine
von elektronischen Systemen nutzbare Spannung (etwa ab 1 V) werden
demnach mindestens 1000 Thermopiles benötigt. Wegen des Aufbaus der
thermischen Elemente in einem Silizium-Kristall stellt die Realisierung kein
Problem dar.
In Bild 3 ist das Funktionsschema einer
thermoelektrisch arbeitenden Stromversorgung dargestellt. Bei der Umgebungstemperatur 22 °C strahlt der
menschliche Körper etwa 10 mW/cm2
an Wärme ab, gemessen in der Nähe
einer Körperarterie. Daraus kann der
thermoelektrische Wandler abhängig von den Umgebungsbedingungen
etwa 100...200 µW elektrische Leistung
gewinnen. Über eine Ladeschaltung
wird die umgewandelte Energie in einem Akku oder Kondensator gespeichert. Von dort wird das elektronische
System mit Strom versorgt.
Um die maximale Leistung entnehmen
zu können, muss der Lastwiderstand
gleich dem Innenwiderstand der Thermopiles sein. Abhängig von den Umgebungsbedingungen gibt der „Ener-
Das Holst Centre (www.holstcentre.com)
aus Eindhoven ist ein Zusammenschluss
des niederländischen Zweigs des belgischen Forschungszentrums IMEC und
der niederländischen Forschungsanstalt
TNO. Als unabhängige Forschungs- und
Entwicklungseinrichtung widmet sich das
Holst Centre insbesondere der Entwicklung neuer Technologien für autonome
drahtlose Transducer sowie der „Systemin-foil“-Technik. Die Arbeiten am „Energy
scavenger“ finden bei der IMEC-NL statt.
Ein wichtiger Tätigkeitsbereich des Holst
Centre ist die interaktive Zusammenarbeit mit der Industrie. Die wissenschaftlichen Strategien werden mit den Belangen der Industrie sorgfältig abgestimmt.
Finanzielle Unterstützung von staatlicher
Seite und von der Seite der Industrie
geben dem Holst Centre den nötigen
Rückhalt für dessen wissenschaftliche
Arbeit. Von der Zusammenarbeit mit der
Industrie profitieren beide Seiten. Deutliche
Innovationsvorsprünge auf den bearbeiteten Gebieten und die Behauptung
der daraus entstehenden Produkte am
Markt sind das Ergebnis.
gy scavenger“ des Puls-Oximeters
Leistungen zwischen 100 µW und 600
µW ab. Mit steigender Umgebungstemperatur sinkt die abgegebene
Leistung. Bei ungefähr 36 °C besteht
keine Temperaturdifferenz mehr zwischen Haut und Umgebung. Es kann
dann, wie in Bild 4 dokumentiert, keine elektrische Energie gewonnen werden. Wenn die Temperatur noch höher
steigt, wird zwar wieder Spannung
abgegeben, sie ist jedoch entgegengesetzt gerichtet. Das hat zur Folge, dass
die Haut nun nicht mehr gekühlt, sondern erwärmt wird. Diese zugeführte
Wärmeenergie leitet der Körper an anderer Stelle wieder ab.
17
TECHNIK
ENERGIE
Seebeck-Effekt
Der Seebeck-Effekt wurde 1821 von
Thomas Johann Seebeck entdeckt und
nach ihm benannt. Werden zwei Leiter
aus unterschiedlichen Metallen (oder
zwei unterschiedliche Halbleiter) zu
einem Stromkreis zusammengeschlossen und die beiden Nahtstellen auf
unterschiedliche Temperaturen gebracht, fließt in dem Kreis ein Strom.
Die Umkehrung dieses Effekts ist der
Peltier-Effekt. Hier bewirkt ein hindurchfließender Strom eine Abkühlung einer
Nahtstelle, während sich die andere
Nahtstelle erwärmt. Da beide Effekte auf
den gleichen physikalischen Vorgängen beruhen, werden sie gemeinsam
auch als „Peltier-Seebeck-Effekt“ oder als
„Thermoelektrischer Effekt“ bezeichnet.
1000
2
100
Leistung
1
100
1
17
20
23
26
29
35
32
Umgebungstemperatur [°C]
38
41
44
060317 - 16
Bild 4. Ausgangsleistungen der Thermobatterien. Kurve 1
bezieht sich auf eine sitzende Person, Kurve 2 gehört zu einer
schnell laufenden Person. Die Differenz wird hauptsächlich
durch die höhere, Wärme ableitende Wirkung des Kühlkörpers
verursacht.
Position der Uhr
Nahe der Arterie
Wärmetauscher
Knochen
Arterie
Wärmedurchlasswiderstand
300 cm2K/W
Knochen
Arterie
Wärmedurchlasswiderstand
150 cm2K/W
060317 - 12
Bild 5. Thermischer Widerstand des menschlichen Körpers. Ein
günstiger Ort für den Wärmewandler liegt in der Nähe einer
Körperarterie.
Widerstand
Die Summe der thermischen Widerstände hat großen Einfluss auf die
elektrische Leistung. Mit thermischen
Widerständen sind insbesondere der
menschliche Körper, der thermoelektrische Wandler und die Luft behaftet.
Der thermische Widerstand des Körpers wurde in mehreren Messreihen
untersucht. Der Wärmeübergang ist
18
optimal, wenn sich das Thermoelement in unmittelbarer Nähe einer Körperarterie befindet (Bild 5). In diesem
Fall beträgt der thermische Widerstand
ungefähr 150 cm2 · K/W. Der thermische Widerstand des Wärmewandlers
liegt bei 100 cm2 · K/W, und für die Luft
gilt, dass ihr thermischer Widerstand
stark von den Strömungsverhältnissen
abhängt. Bei einer sitzenden Person
wurden mit dem verwendeten Kühlkörper ca. 500 cm2 · K/W gemessen. Der
gleiche Kühlkörper hat einen thermischen Widerstand von nur 200 cm2 ·
K/W, wenn sich die Person schnell bewegt (vergleiche Bild 4).
Aus den Untersuchungen ergab sich
nebenbei, dass körperliche Anstrengungen der Testperson nicht zu höherer Energieabgabe führen. Der Wärmehaushalt des menschlichen Körpers ist
offensichtlich ein so effizient geregeltes
System, dass die Hauttemperatur nicht
nennenswert ansteigt. Die verfügbare
elektrische Leistung war von körperlichen Aktivitäten der Testperson nahezu unabhängig.
Der Kopf ist bekanntlich die wärmste
Körperpartie des Menschen. Deshalb
ist sie für die Gewinnung elektrischer
Energie nach diesem Verfahren am
besten geeignet. Allerdings sieht die
Umsetzung in die Praxis, wie Bild 6
zeigt, nicht unbedingt besonders attraktiv aus.
„Energieloses“ Messsystem
In dem vom Holst Centre entwickelten
drahtlosen Puls-Oximeters (siehe Bild
1) kommen mehrere neu entwickelte
Technologien zum Einsatz. Das Signal
eines Blutwerte- und Puls-Sensors (für
die Patientenüberwachung in der klinischen Medizin) wird einem System
zugeführt, das von außen betrachtet
entfernte Ähnlichkeit mit einer Armbanduhr hat. Die internen Funktionen
dieses Systems sind schematisch in
Bild 7 dargestellt. Der Wärmewandler
hat seinen Platz über der Schlagader,
er liefert die Energie für den Mess- und
Übertragungsteil des Systems. Die
analoge und digitale Messsignal-Verarbeitung findet vollständig im System
statt. Über eine Bluetooth-Funkverbindung werden die Messdaten einem externen System, zum Beispiel einem PC,
übergeben. Dort können die Daten in
Echtzeit grafisch aufbereitet werden;
von dort ist auch eine Alarmauslösung
bei Über- oder Unterschreiten vorgegebener Messwert-Schwellen möglich.
Alt und gleichzeitig neu
Wie bereits erwähnt, sind die physikalischen Grundlagen des verwendeten
Energiewandlers schon sehr lange bekannt. Die Anwendung scheiterte bisher daran, dass existierende Wandlersysteme wegen ihrer Größe für den mobilen Einsatz nicht praktikabel waren.
Der Schwerpunkt der Forschungen im
Holst Centre liegt deshalb auf der Miniaturisierung vorhandener Technologien. Zur Zeit wird untersucht, wie sich
ein Thermopile am besten in Silizium
realisieren lässt. Auf dem Silizium-Chip
könnte gleichzeitig beispielsweise ein
Mikroprozessor seinen Platz haben, der
Bild 6. Unter so vielen am Kopf befestigten „Scavengern“
leidet möglicherweise die menschliche Attraktivität...
Kommerzieller
Fingerpulsoximeter
Prozessor
ADC
Funk
DSP & Speicher
Schutzschaltung
2,4GHz
MAC
Leistungsmanagement/Energiespeicher
Energie-Konverter
Mittelwert
Thermo-elektrische Energie
060317 - 15
Bild 7. Beim Design des drahtlosen Puls-Oximeters wurde
insbesondere auf Kompaktheit und niedrigen Energiebedarf
geachtet.
seine Energie vom Wärmewandler bezieht. Die Integration beider Systeme
auf einem gemeinsamen Chip würde
sich nicht zuletzt auch kostensparend
auswirken.
Dass dieser Ansatz nicht neu ist,
macht die „Thermic Watch“ [1, 2] von
Seiko deutlich. Diese Uhr nutzt für ihre
Energieversorgung eine identische
Technologie wie das Puls-Oximeter.
Das dort verwendete Thermopile ist
allerdings vergleichsweise groß, da es
aus diskreten Komponenten besteht.
elektor - 4/2007
Dagegen ist die Energieausbeute relativ bescheiden.
Eine andere, sehr bekannte Technologie, die kostenlose Umweltenergie
nutzt, wird durch die Solarzelle verkörpert. In Bild 8 ist ein anschauliches
Beispiel für eine Anwendung wiedergegeben. Weniger bekannt als die Anwendungen der Solarzelle dürften die
drahtlosen Lichtschalter (Bild 9) des
Herstellers EnOcean [3] sein. Der mechanische Druck auf den Taster reicht
aus, um genügend elektrische Energie
für den eingebauten Funksender bereit
zu stellen.
Natürlich existieren noch weitere elektronische und elektrische Systeme, die
mit „menschlicher Energie“ betrieben
Thermoelement
Ein Thermoelement ist eine Kombination von zwei Leitern aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen,
die mechanisch (vorzugsweise durch
Schweißen) zu einem Stromkreis zusammengefügt sind. Wenn zwischen den beiden entstandenen Kontaktflächen eine
Temperaturdifferenz besteht, tritt eine
elektrische Potentialdifferenz auf. Ihre
Höhe hängt von der Temperaturdifferenz
ab, sie liegt in einer Größenordnung von
6...60 µV/°C.
Bild 8. Der „Camel-fridge“ ist ein anschauliches Beispiel für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten alternativer Energiegewinnung
(Foto: Naps Systems Oy).
werden. Als Beispiele seien hier nur die
kleinen mobilen Radios und die AkkuLadegeräte genannt, deren eingebaute
Dynamos mit Kurbeln von Hand betätigt werden müssen.
Energie überall
Den Sensoren, die sich mit Hilfe der
„Energy scavenger“ selbst mit Energie versorgen, steht sehr wahrscheinlich eine aussichtsreiche Zukunft bevor. Ihre größten Pluspunkte sind die
Wartungsfreiheit sowie die drahtlose
Anbindung an übergeordnete Systeme.
Diese Sensoren können in großer Stückzahl in zahllosen Bereichen eingesetzt
werden. Denkbar ist die Anwendung
in Alarmsystemen, in Maschinen der
Industrie, in der Domotik (die lästige
und aufwendige Hausverkabelung entfällt!), in der PC-Technik (drahtlose Tastaturen und Mäuse ohne Batterie oder
4/2007 - elektor
Akku), sowie natürlich in der Medizintechnik, wie am Puls-Oximeter demonstriert. Medizinische Mess- und Überwachungssysteme können mit GSMSendeempfängern gekoppelt werden,
so dass ihr Aktionsradius praktisch unbegrenzt ist.
Ein weiteres, vielfältiges Einsatzgebiet
ist die Kraftfahrzeugtechnik. In den
USA ist die Autoindustrie verpflichtet,
Neufahrzeuge mit Systemen zur kontinuierlichen Überwachung des Reifendrucks auszurüsten. Es ist sicher nicht
zu bestreiten, dass dies während der
Fahrt nur drahtlos möglich ist (siehe
auch „Die Sinnesorgane des Autos“,
ELEKTOR Mai 2005).
Die RFID-Technik, ein ebenfalls passives Verfahren, ist eine Alternative zu
den beschriebenen „Energy scavengern“. Sie haben jedoch den Vorteil,
dass mit ihnen zum Beispiel eine lückenlose Überwachung von Waren mög-
lich ist. So kann beispielsweise die
Temperatur eines Tiefkühlprodukts auf
dem Weg zwischen Hersteller und Verbraucher kontinuierlich gemessen und
protokolliert werden. Ausgehend von
den erfassten Daten kann ein „Paper
display“ auf der Ware die noch verbleibende Haltbarkeitsdauer anzeigen.
Nicht ohne Strom
Die Anzahl der elektronischen Systeme, die unseren Alltag wie selbstverständlich begleiten, steigt buchstäblich von Tag zu Tag. Es existiert kaum
noch ein Lebensbereich, vor dem die
Elektronik Halt macht. Über eine innovative, effiziente Stromversorgung der
vielen elektronischen Systeme wird in
Bild 9. Lichtschalter von EnOcean. Der drahtlose Schalter setzt
die bei der Schalterbetätigung aufgewandte mechanische
Energie in elektrische Energie um. Mit ihr wird ein Sender
betrieben, der ein Relais fernbedient.
zahllosen, über den Globus verteilten
Entwicklungslabors konzentriert nachgedacht. Die Thermopiles des Holst
Centre sind ein vielversprechender Ansatz. Vielleicht ergeben sich daraus sogar Strategien für die Bewältigung der
großen, weltweiten Energieprobleme.
( (060317)gd)
Wir danken Ruud Vullers, Mitarbeiter
des Holst Centre in Eindhoven, für die
tatkräftige Unterstützung.
Die Bilder 1 bis 7 stellte uns freundlicherweise das Forschungszentrum
IMEC-NL zur Verfügung.
Weblinks:
[1] www.roachman.com/thermic
[2] www.natureinterface.
com/e/ni03/P045-049
[3] www.enocean.com
19
INFOTAINMENT ENERGIE
Message
in a bottle
Auf Spurensuche
nach dem „Heiligen Gral“ der
„Freien Energie“
Von Wisse Hettinga
Bild 1. Die „Erdbatterie“ des Nathan Stubblefield.
20
Es gibt sie nicht, es kann sie nicht geben (jedenfalls nicht nach
den Gesetzen der Thermodynamik), aber vielleicht gibt es sie
doch: Die so genannte „Freie Energie“. Bisher gelang es der
Menschheit leider noch nicht, eine effiziente, zuverlässige und
gleichzeitig unerschöpfliche Energiequelle zu erschließen.
Wird die Suche ewig vergeblich bleiben, oder lassen sich bereits
heute Perspektiven erahnen?
Die wissenschaftliche Disziplin der
Thermodynamik lehrt uns, dass einem System nicht mehr Energie entnommen werden kann, als ihm vorher
zugeführt wurde. Diese gesicherte Erkenntnis hält jedoch eine große Enthusiasten-Schar nicht davon ab, viel Zeit
und Geld in die Spurensuche nach der
„Freien Energie“ zu investieren. Sie ist
zum „Heiligen Gral“ des 21. Jahrhunderts geworden. Zahlreiche Menschen,
die sich mit diesem Thema beschäftigen, stellen ihre Überlegungen und
Experimente der Weltöffentlichkeit im
Internet vor. Wer bei Google den Begriff „free energy“ eingibt, dem steht
der Einstieg in die schillernde Welt der
vielen Gläubigen und pseudowissenschaftlich Forschenden bevor. Glücklicherweise sind dort auch „normale“
Menschen vertreten, die sich mit diesem Thema einfach nur aus Spaß an
der Sache beschäftigen. Viele im Internet veröffentlichte „Entdeckungen“ sind so aufgemacht, dass sie den
unbefangenen Leser fast magisch in
ihren Bann ziehen. Man muss schon
einige Willensstärke aufbieten, wenn
man das Thema aus sicherer Distanz
betrachten möchte. Was soll man von
einer gewöhnlichen Glühlampe hal-
ten, die aus dem Nichts zu leuchten
beginnt? Wie glaubhaft ist der Erfinder der „N-Maschine“, und ist die
Brennstoffzelle, die das Auto mit dem
Brennstoff Wasser antreibt, vielleicht
doch keine absolute Utopie?
Über solche und andere Unwägsamkeiten kann man bis jetzt nur spekulieren. Nur eine Tatsache lässt sich
an den zahllosen Beiträgen im Internet klar erkennen: Die Erforscher der
„Freien Energie“ haben mit ihren Forschungen (und manchmal vielleicht
auch mit sich selbst) ihre eigenen Probleme. Im Internet tut sich ein wahrer
Abgrund auf! Hunderte Sites haben
diffuse, unverständliche und bisweilen auch befremdliche Darstellungen
und Beschreibungen zum Inhalt, viele
Sites bieten gleichzeitig auch Videoclips an. Der Betrachter wird zu unbekannten Schauplätzen geführt, an denen unbekannte Personen nicht nachvollziehbare Experimente vorführen. Es
scheint so, als ob dem Thema „Freie
Energie“ gesetzmäßig Unschärfe und
Undeutlichkeit zu eigen sind...
Will sich ELEKTOR nun auch auf diese Schiene begeben? Die Antwort ist:
Nein, bestimmt nicht! Wir werden mit
unseren Lesern keine Reise in fremde
elektor - 4/2007
Welten unternehmen - Welten, in denen heikle Abenteuer locken, deren
Folgen unabsehbar sind. Doch wenn
Voltmeter auf unerklärliche Weise
ausschlagen und Glühlampen mysteriöse Leuchterscheinungen zeigen,
dann steht ELEKTOR ganz vorn in der
ersten Reihe der Beobachter.
NEUES VON GESTERN
Zuerst wollen wir uns auf eine kurze,
sichere Reise durch vergangene Zeiten
begeben. Schon während der Anfänge
der Naturwissenschaften haben sich
zahlreiche nebenberufliche Forscher
mit der „Freien Energie“ beschäftigt.
Überlieferte Beschreibungen von Experimenten belegen, dass es Verbindungen zu okkulten Wissenschaften gab, und auch die Wünschelrutengänger trugen Geheimnisvolles bei.
Kaum spektakulär ist die Entdeckung,
dass die Erde Strom leitet. Diese Eigenschaft war bereits um 1800 bekannt, als Giovanni Aldini entdeckte,
dass eine Ader der Telegrafenleitung
durch die Erde ersetzt werden konnte.
Aldini? Er war der Neffe von Galvani!
Suchen Sie im Internet nach Giovanni
Aldini und lesen sie nach, welche Experimente er durchführte. Außer Berichten darüber, dass die Erde leitet,
finden sich auch Beschreibungen über
spontan fließende elektrische Ströme
sowie über Telegrafenverbindungen,
die ohne jede Energiequelle in Betrieb
waren. Damit wären wir bei den Theorien über vermutete erdeigene Energieströme, den „teluric currents“ angelangt. Von hier ist es nicht mehr weit
bis zu den Wünschelrutengängen, die
vorgeben, Energieströme und Erdstrahlen aufspüren zu können.
Ein höchst bemerkenswerter Beitrag
stammt von Nathan B. Stubblefield,
einem Melonenzüchter aus Murray in
Kentucky, der von 1860 bis 1928 leb-
4/2007 - elektor
te. Seine Vorliebe galt Experimenten
mit Drähten und Spulen, und er verstand es, auf seine Weise Geschichte
zu schreiben - leider ist es eine etwas
tragische Geschichte geworden. Stubblefield wird nachgesagt, dass er der
Urvater des Radios gewesen sei. Die
Legende behauptet, dass ihm schon
vor ziemlich genau hundert Jahren
drahtlose Sprachverbindungen gelungen sind, deren Klarheit und Verständlichkeit bei den Menschen seiner Zeit
Ängste auslöste. Nathan B. Stubblefield war ein Zeitgenosse von Alexander Graham Bell und kannte dessen
Erfindungen. Stubblefield stellte drahtlose Verbindungen auf induktivem Weg
her, genau in der Weise, wie wir es vom
Transformator kennen. Für diese Experimente, und das ist hier spannend,
nutzte er ungewöhnliche Energiequellen: Den Strom lieferten seine so genannten „Erdbatterien“. Das Prinzip,
das dahinter steckt, ist uns allen geläufig. Ein Stab aus Kupfer und ein zweiter
Stab aus Zink werden in die Erde getrieben, und durch Reaktionen mit Stoffen im Erdreich entsteht zwischen den
Stäben eine niedrige elektrische Spannung. Doch bei den Experimenten von
Stubblefield verhielten sich die Dinge
angeblich anders. Hier berichtet die
Überlieferung, dass bei diesen Experimenten große Energiemengen frei
wurden. Für seine „Erdbatterien“ verwendete Stubblefield Spulen (Bild 1),
und die Legende behauptet, dass hohe
Spannungen und Ströme aus der Erde
heraustraten. Stubblefields Experimente fielen völlig aus dem Rahmen seiner
Zeit. Erhalten ist eine Zeichnung, auf
der er skizziert hat, wie eine drahtlose
Verbindung zwischen einem Schiff und
dem Festland zustande kommen kann
(Bild 2). Eine solche Verbindung ist
Stubblefield tatsächlich gelungen. Später ereilte Stubblefield ein eher tragisches Schicksal. Die Geldgeber ließen
ihn im Stich, Stubblefield zog sich einsam in seine Werkstatt zurück. Bevor
er die Welt verließ, vernichtete er seine Versuchsaufbauten, so dass er das
Geheimnis der „Erdbatterie“ ins Grab
mitnahm. Nur eine schlichte Gedenktafel in seinem Wirkungsort Murray in
Kentucky erinnert noch an ihn.
MIT HOCHSPANNUNG
Auf keinen Fall unerwähnt bleiben darf
hier Nikola Tesla, der von 1896 bis 1943
lebte und nicht nur vieles buchstäblich
unter Hochspannung setzte, sondern
auch den Induktionsmotor erfand.
Außer den Experimenten mit Hoch-
Bild 2. Stubblefields drahtlose Verbindung zwischen Schiff und
Festland.
Bild 3. Nikola Tesla wollte mit diesem Empfänger „Freie
Energie“ auffangen.
spannung, die wissenschaftlich erklärbar und reproduzierbar sind, war Tesla
auch eine Art Prophet. Er konfrontierte
seine Zeitgenossen mit der Aussicht,
dass es bald möglich sein werde, über
einen Sendeempfänger, ungefähr so
groß wie eine Uhr, Kontakt mit Personen aufzunehmen, die sich am anderen Ende der Welt aufhalten. Für uns
ist die weltweite mobile Kommunikation zur Alltäglichkeit geworden, doch
sie entwickelte sich anders, als Tesla
es sich vorstellte. Tesla hatte die Idee,
große Energiemengen in den erdumgebenden Raum zu injizieren, sie sollten
die drahtlose Kommunikation und noch
einiges mehr möglich machen. Geplant
und begonnen wurde ein spezielles
Projekt, das den Namen „Wardenclyffe
project“ bekam. Ein sechzig Meter hoher Turm sollte die elektromagnetische
Energie abstrahlen, Teilmengen der
Energie, so war die Vorstellung, sollten an einem beliebigen Ort „aus der
Luft“ abgegriffen werden können. Leider kam vieles anders als erhofft. Das
21
INFOTAINMENT ENERGIE
Entdeckungsreise im Netz
Ob etwas Wahres daran ist oder nicht,
die „Freie Energie“ bleibt spannend. Als
Suchbegriff garantiert „free energy“ viele
Stunden Beschäftigung mit den erstaunlichsten Websites. Einige Websites, die
wir fanden, sollen nicht unerwähnt
bleiben:
www.teslascience.org
- Eine Gruppe von Idealisten setzt sich
dafür ein, das Grundstück und das Gebäude von Teslas „Wardenclyffe“-Projekt zu erhalten.
www.keshetechnologies.com
- Spannendes verspricht schon die Eingangsseite. Wer weiter vorstößt, kann
sich über den aktuellen Stand der Forschungen und Forschungsobjekte (einschließlich Cola-Flasche) von Mehran
Keshe informieren.
www.nuenergy.org/alt/archive.htm
- Dies ist eine bunte Mischung aus Informationen über Projekte, deren Schwerpunkte die alternativen Energien sind.
www.nathanstubblefield.com
- Hommage an Nathan Stubblefield und
seine legendären Erfindungen.
Projekt nahm mit offizieller finanzieller
Unterstützung einen schwungvollen
Anfang, doch dann schlug die Begeisterung in Angst vor den vermuteten
Nebenwirkungen der enormen elektrischen Kräfte um. Teslas Großprojekt
wurde abgebrochen und niemals wieder aufgenommen.
Von Tesla ist auch bekannt, dass er
versuchte, Energie aus dem erdumgebenden Raum zu nutzen. Konkret
bestand seine Idee darin, eine riesige
Metallplatte aufzustellen und ihr die
Energie mit Hilfe eines mechanischen
Gleichrichters zu entnehmen (Bild 3).
In späteren Jahren seines Lebens vereinsamte Tesla (so wie Stubblefield).
Er hielt noch jährliche Tagungen ab, zu
denen er Journalisten einlud und ihnen
ungewöhnliche Experimente vorführte.
Zur Ehre von Nikola Tesla wird heute
die magnetische Flussdichte in der
Einheit „Tesla“ gemessen.
Das alles ist Vergangenheit. Wie schon
erwähnt, erinnert an Stubblefield nur
eine Gedenktafel in Murray, Kentucky,
und zu Teslas Hinterlassenschaft gehören die Ruinen des Wardenclyffe-Projekts auf Long Island.
22
ZURÜCK INS HEUTE
Herausragende Erfinder-Persönlichkeiten wie Tesla und Stubblefield gibt
es heute nur noch höchst selten. Ob
sich die gegenwärtig lebenden Nachfolger, die auf Teslas und Stubblefields
Spuren wandeln, mit jenen messen
können, sei dahingestellt. Wenn man
auf Spurensuche im Internet geht,
erlebt man auch einiges, das weniger überrascht. Es scheint so, als ob
die Mehrzahl der Gurus, die sich mit
„Freier Energie“ beschäftigen, in den
USA beheimatet sind. Doch es gibt
Ausnahmen. Bei meinen nach längerer
Suche nur noch wenig ergiebigen Streifzügen im Internet traf ich unverhofft
und staunend auf eine ungewöhnliche
Website. Ihre Aufmachung war so, wie
ich es von der „Free energy“-Gemeinde kannte. Undurchsichtig und verschwommen, so kam es mir vor, Fotos
mit Leitungen, Kabeln und einem Multimeter auf einem Tisch, Darstellungen
mit blinkenden Lampen - Mr. Keshe
und seine „Message in a bottle“.
MESSAGE IN A BOTTLE!
Es sollte noch einige Monate dauern,
bis ich Gelegenheit erhielt, Mr. Keshe
in Person zu begegnen. Bei der ersten
telefonischen Kontaktaufnahme war
ich von einem Mitarbeiter abgewiesen
worden, mit der Begründung, dass ich
von der Sache sicher nichts verstehe.
Und deshalb hätte es keinen Sinn, dass
ich an Ort und Stelle vorbeischaue. Einige Zeit später war mein Besuch doch
erwünscht. Ich hatte versprechen müssen, Mr. Keshes Forschungen zu unterstützen und für seine Arbeit in der
Öffentlichkeit zu werben. Doch dafür
wollte ich mich nicht so ohne Weiteres
hergeben. Der Kontakt verlief im Sand,
bis ich einige Wochen später noch einmal zum Telefon griff und Mr. Keshe
persönlich erreichte. Ja, so sagte er, er
wolle mich gern empfangen.
Wir vereinbaren ein Treffen in einem
drittklassigen Hotel in Antwerpen, das
bei dem schlechten Wetter noch etwas
trister wirkt. Mr. Keshe ist gebürtiger
Iraner, von Beruf „Nucleair Scientist“,
er studierte am Queen-Mary-College
der Universität London. Sein heutiges Domizil liegt in Belgien, im Gespräch betont er mehrfach, dass er die
Unterstützung der belgischen Regierung genießt. Mr. Keshe präsentiert
mir eine gewöhnliche, aber präparierte Cola-Flasche aus Kunststoff (Bild 4)
und deutet vielsagend an, dass sie
das Geheimnis der zukünftigen Weltenergieversorgung in sich trägt. Ne-
Bild 4. Die Cola-Flasche und die Lösung des Energieproblems
(www.keshetechnologies.com).
benbei löst sie auch das Problem des
weltweiten Klimawandels, sie produziert kostengünstig und auf neuartige
Weise Grundmaterial für die Nanotechnologie, und ferner kann sie flexible einadrige Leitungen in mehradrige Kabel
verwandeln (ich will an dieser Stelle
nicht auch noch über Keshes Ideen zum
Thema „Schwarze Löcher“ und seine
Vorstellungen vom Reisen durch Zeit
und Raum berichten). Die Grundlagen
für seine Entdeckungen und Erfindungen seien die Erkenntnisse, die Keshe
bei seinen Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen Erdmagnetismus
und Schwerkraft gewonnen hat. Meine
Frage, welche grundlegenden Theorien
das Fundament seiner Überzeugungen
sind, beantwortet Keshe nur ausweichend. Er sei zu seinen Erkenntnissen durch intensive Studien und konsequentes Schlussfolgern gekommen.
Keshe wörtlich: „Es ist wirklich nichts
Mysteriöses dabei, es ist bekannt, wie
die Energie der Welt wirkt und wie
das Weltall zusammenhält. Ich habe
mir dies zu eigen gemacht und übertrage es auf gebrauchstaugliche Produkte. Jeder weiß heute, dass täglich
Millionen neuer Sterne im Weltall entstehen, doch wenn ich diesen Prozess
im Mikrokosmos nachvollziehe, stoße
ich auf Ungläubigkeit und Skepsis.“
Mit dem „Nachvollziehen im Mikrokosmos“ kündigt Keshe seine anschließende Demonstration mit der Cola-Flasche
an. Anlässlich unseres Zusammentreffens hat er eine neue Cola-Flasche präpariert, eine handelsübliche Flasche
aus Kunststoff, in die seitlich kleine
kupferne Spieße halb hineingestoßen
sind. Die kupfernen Spieße werden
durch Kunststoffkleber an ihrem Platz
gehalten. Der Clou ist jedoch weniger
die Flasche mit den Spießen, sondern
elektor - 4/2007
Mehra Keshe, Nucleair Scientist.
Bild 5. Zwischen den kupfernen Spießen in der Cola-Flasche sind niedrige elektrische Spannungen messbar.
vielmehr die Spezialflüssigkeit, die
Keshe entwickelt hat. Das Rezept der
Flüssigkeit ist natürlich geheim, Keshe
betont, dass von ihr keine Gefahren
für Mensch und Tier ausgehen. Mr.
Keshe füllt die Cola-Flasche, schüttelt
kurz, legt sie beiseite und setzt das Gespräch mit mir fort. Ich darf noch andere Cola-Flaschen besichtigen, die von
vorangegangen Demonstrationen herrühren. Hier ist unübersehbar, dass die
Flaschenwände an Substanz verloren
haben. Offensichtlich ist der Kunststoff
durch die chemische Reaktion mit der
Flüssigkeit spröde und körnig geworden. „Was Sie hier an den benutzten
Flaschen sehen, ist tatsächlich die
Lösung des CO2-Problems“, sagt Mr.
Keshe mit Nachdruck in der Stimme,
„diese Reaktion wird uns in die Lage
versetzen, Kohlendioxid in Materie
umzuwandeln, die gefahrlos mit dem
Hausmüll entsorgt werden kann.“
„ENERGIEZELLE DER ZUKUNFT“
Inzwischen hat sich in der neuen
Cola-Flasche etwas getan. Die kupfernen Spieße sehen im Flascheninnern schwarz aus. Mr. Keshe öffnet
die Cola-Flasche und gießt die Flüssigkeit in eine andere, gläserne Flasche
zurück. „Diese Cola-Flasche hat in der
letzten halben Stunde um viele hundert Euro an Wert gewonnen“, so sagt
er. Den schwarzen Niederschlag nennt
er „Graphene“, es sei eine Graphit-Substanz mit Nanostruktur. „Gewöhnlich
können Sie solches Material nur unter
extremen Druck- und Temperaturverhältnissen herstellen, hier geschah es
bei Zimmertemperatur.“ Er fügt hinzu,
dass jede Analyse mit speziellen Mess-
4/2007 - elektor
geräten der Diamant-Industrie die Material-Echtheit bestätigt.
Jetzt folgt das nächste Staunen: Die
Cola-Flasche ist leer, der Flaschenverschluss abgeschraubt, Mr. Kleshe greift
zu einem einfachen, ganz gewöhnlichen Digitalmultimeter. Er schließt
die Messclips für einige Sekunden
kurz, um zu demonstrieren, dass das
Gerät null Volt anzeigt. Dann misst
er die Spannung zwischen mehreren
Flaschenspieß-Paaren. Das Multimeter
zeigt einmal 600 mV an, ein anderes
Mal sind es 800 mV (Bild 5). „Na hoppla“, höre ich ganze Leserscharen rufen, „das muss aber näher untersucht
werden!“ Ich stimme mit jedem einzelnen Leser überein, der dieser Ansicht
ist. Auf Grund meiner Fachkenntnisse
und Erfahrungen kann ich bestätigen,
dass das, was ich gerade auf der anderen Tischseite beobachten konnte,
zumindest ungewöhnlich war.
„Nach diesem Prinzip wird die Energiezelle der Zukunft arbeiten“, fügt
Mr. Keshe hinzu. „In nicht allzu ferner
Zukunft wird man für einen Euro eine
Energiezelle kaufen können, deren Lebensdauer prinzipiell unbegrenzt ist.
Heute sind elektronische Schaltungen
und ihre Stromquellen noch voneinander getrennte Systeme. Zukünftig wird
die Energiezelle schon bei der ChipHerstellung auf den Chip aufgedampft
werden, der Chip wird bereits in Funktion sein, wenn er den Produktionsort
verlässt.“
Nicht weniger von Interesse ist für
mich der schwarze Niederschlag in
der Cola-Flasche, denn das Nanotechnik-Material leitet den Strom nicht,
es isoliert. Mr. Keshe demonstriert,
dass eine einfache einadrige Leitung,
die aus vielen miteinander verdrillten Einzeladern besteht, in der ColaFlasche zu einem mehradrigen Kabel
verwandelt wurde. Alle Einzeladern
werden durch den schwarzen Belag
wirksam voneinander isoliert (Bild 6).
Das Multimeter tritt wieder in Aktion,
und in den Ohm-Bereich geschaltet,
beweist es die vollständige Isolation
der Einzeladern.
Der abschließende Teil unseres Gesprächs hat überwiegend die Perspektiven zum Inhalt, die sich aus den von
Mr. Keshe gewonnenen Erkenntnissen
ergeben. Thema sind auch die schwarzen Löcher, die uns umschließen können und mit denen wir zukünftig durch
Raum und Zeit reisen werden, es geht
um Antischwerkraft-Systeme sowie
um Mr. Keshes Ideen zur Lösung sämtlicher (!) Energieprobleme.
Ist Mehran Keshe ein begnadeter Seher und Prophet? Oder habe ich bei
dem Experiment mit der Cola-Flasche etwas übersehen, das das Gesehene ganz einfach erklärt? Habe ich
irgendeinen Grund, die Aufrichtigkeit
dieses Mannes anzuzweifeln? Nach
Keshes Angaben sind zur Zeit mehrere Universitäten und wissenschaftliche Institute damit beschäftigt, seine Erfindungen zu untersuchen. Die
von dort kommenden Rückmeldungen bestätigen, so sagt er, dass die
von ihm propagierten Eigenschaften
zutreffen.
Wie schon oft in der Menschheitsgeschichte wird die Zeit die Wahrheit
ans Licht bringen. Es bleibt die Frage,
weshalb dieser Mann in dieser Manier
in die Öffentlichkeit geht. Dazu sagt
Keshe: „Wenn Sie von Ihren Erkenntnissen überzeugt sind, müssen Sie sie
in jeder Form vertreten“. Mir bleibt nur
übrig, abzuwarten...
(070096)gd
23
TECHNIK SOLARENERGIE
Solarkraftwerke
für Dummys Einfache Photovoltai
Von Dr. Thomas Scherer
und Jens Nickel
Zusammen mit der Wind- und Wasserkraft gehört die Solarenergie zu den so
genannten „Regenerativen Energien“,
deren Nutzung weder CO2-Emissionen
noch radioaktiven Müll verursacht. Im
Kampf gegen den aktuell vieldiskutierten Klimakollaps trägt auch die Photovoltaik - hierbei gewinnen Solarzellen
aus der Sonnenenergie direkt elektrischen Strom - einen kleinen Teil bei
(in Deutschland wurden in 2005 etwa
0,2 % des Strombedarfs photovoltaisch erzeugt [1]). Zwar setzen solche
Zellen nur einen relativ kleinen Bruchteil der Strahlungsenergie (in hiesigen
Breiten erreichen uns bis zu 1000
W/m2) in elektrische Energie um - bei
den gebräuchlichsten Zellen aus polykristallinem Silizium beträgt der Wirkungsgrad zwischen 14 und 17 %. Ein
handelsübliches Großmodul, das aus
solchen Zellen zusammengesetzt ist,
spart in zwei bis drei Jahren dennoch
etwa so viel CO2 ein, wie bei seiner
Herstellung entsteht.
24
Zur Stromversorgung fernab vom Netz bieten sich kleine
Solaranlagen an. Der Aufbau einer solchen Inselanlage ist nicht
schwer – ob als Bausatz oder aus selbst zusammengestellten
Komponenten. Wir geben Tipps zur richtigen Dimensionierung.
KNAPPES SILIZIUM
Wirtschaftlich geht die Rechnung leider noch nicht auf – je nach der Größe
der Solaranlage, der angenommenen
Lebensdauer der Module, den Sonnenstunden im Jahr und einiger weiterer
Parameter kostet eine photovoltaisch
erzeugte Kilowattstunde zwischen
35 und 60 Cent. Denn die Herstellung
und Reinigung des Siliziums ist aufwendig und teuer – schließlich muss
das Material annähernd so rein sein
wie in der Chipindustrie. Um den Solarstrom dennoch zu fördern, haben
einige der EU-Staaten so genannte
Einspeisevergütungen gesetzlich vorgeschrieben, so dass sich der Besitz
oder die Beteiligung an einer Anlage
inzwischen sogar als Geldanlage rentiert. In Deutschland [2] hat das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) [1]
im vorletzten Jahr zu einem weltmeisterlichen Solar-Boom geführt - mit 957
MW kam in der Bundesrepublik mehr
als doppelt so viel Modulleistung hinzu wie in den beiden folgenden Ländern Japan und USA zusammen [3].
Dies mit der Folge, dass die Module
knapp und bei manchen Anbietern bis
zu 30 % teurer geworden sind. Der Flaschenhals bei der Herstellung der Module liegt dabei beim Reinstsilizium
- die Zeiten, in denen man „die paar“
installierten Solarzellen aus den Abfällen der Chipindustrie fertigen konnte,
sind lange vorbei. Erst in 2008 und den
Jahren danach wird wieder mit einer
Entspannung gerechnet. Dann sollen
genügend Fabriken arbeiten, die Solarsilizium herstellen – darüber hinaus
könnten alternative Zellkonzepte (siehe Kasten) zu einer ernstzunehmenden
Konkurrenz werden.
FERNAB VOM NETZ
Von den hohen Preisen der Solarmodule sind leider auch all jene betroffen,
die mit dem Strom kein Geld verdienen, sondern lediglich ein wenig Unabhängigkeit vom Netz erlangen wollen.
Camper, Bootsbesitzer, Gartenhauseigner und experimentierwillige Elektroniker müssen wohl oder übel etwas
tiefer in die Tasche greifen.
Dagegen kann der Rest einer solchen
elektor - 4/2007
k-Inselanlagen
Vor allem in wenig elektrifizierten Regionen spielen
solare Inselanlagen eine bedeutende Rolle.
Hier ein 4,2-kW-Inselsystem in Indonesien
(Foto: Schott Solar GmbH).
Akku
Solarzellen
Last
Laderegler
060313 - 12
Bild 1. Das Prinzipschaltbild einer Inselanlage ist äußerst simpel.
Inselanlage – wenn man von der typischen Leistung von einigen 10 W
bis zu einigen 100 W Spitzenleistung ausgeht - recht einfach und damit preiswert gehalten werden. Die
Systeme eignen sich auch prima zum
Selbstbau.
Da Inselanlagen nicht über komplexe
Einheiten zur Einspeisung überschüssiger Energie in das Wechselstromnetz
verfügen und dementsprechend auch
nicht die strengen Sicherheitsrichtlinien für netzgekoppelte Solaranlagen
einhalten müssen, fällt das Prinzipschaltbild (siehe Bild 1) äußerst simpel
aus. Als Spannungsquelle bzw. Generator dient ein Solarmodul. Da dessen
Ausgangsspannung von einer Vielzahl von Faktoren abhängt (die wichtigsten sind Einstrahlung, Temperatur
und Belastung), kann man das Modul
nicht einfach mit einem passenden
Akku verbinden. Zwischen die beiden
Hauptkomponenten wird mit dem Laderegler ein Stück Elektronik geschaltet, das zwischen dem Energieangebot
und den Erfordernissen des Akkus vermittelt (Bild 2).
4/2007 - elektor
Bild 2. Der Laderegler vermittelt zwischen dem Energieangebot
und den Erfordernissen des Akkus (Foto: Phocos AG).
GLEICH- UND WECHSELSTROM
Um lange Freude an einer Solaranlage zu haben, werden nämlich spezielle Akkus verwendet, die oft sogar
als „Solar-Akkus“ bezeichnet werden
(Bild 3). Dabei handelt es sich allerdings um die altbekannten „wartungsfreien“ und lageunempfindlichen
Blei-Gel-Akkus. Die Wartungsfreiheit
und eine geringe Selbstentladung erkauft man sich im wahrsten Sinne des
Wortes durch einen im Vergleich zu
konventionellen Starterakkus höheren
Preis. Darüber hinaus ist die Belastbarkeit nicht ganz so hoch. Nichtsdestotrotz handelt es sich um einen BleiAkku, der vom Laderegler gegen Überladung, zu hohe Ladeströme und im
Idealfall natürlich auch vor Tiefentladung geschützt werden muss. Auf der
Eingangsseite des Ladereglers hat die
Elektronik dafür zu sorgen, dass die Solarzellen möglichst so belastet werden,
dass sich der optimale Wirkungsgrad
ergibt [4].
Einfache Inselanlagen kommen also lediglich mit drei Komponenten aus, die
bezüglich der benötigten elektrischen
Leistung aufeinander abgestimmt
sein sollten. Im Kleinleistungsbereich
bis hin zu einigen hundert Watt sind
12-V-Solarmodule üblich, die bei Bedarf auch (über Schutzdioden) parallel geschaltet werden können. Schaltregler und Akkus sind meist auch für
12 V ausgelegt. Möchte man ein paar
Lampen und sonstige Verbraucher mit
12 V speisen, war es das auch schon.
Schließlich gibt es für Wohnmobile sogar spezielle 12-V-Kühlschränke und
Niederspannungs-Halogenlampen in
brauchbaren Leistungsklassen. Doch
auch wenn es bereits spezielle „12-VNetzteile“ für Laptops gibt, so lassen
sich doch lange nicht alle elektrischen
Geräte mit 12-V-Gleichspannung betreiben; manchmal ist die Umrüstung
auch zu teuer oder unverhältnismäßig.
Der wahre Luxus ist daher auch bei einer Inselanlage die gewohnte 230-VWechselspannung. Hierzu braucht es
als vierte Komponente einen Wechselrichter. Die Anforderungen an ihn sind
vor allen Dingen ein hoher Wirkungsgrad und eine geringe Ruhestromaufnahme. Mittlerweile gibt es sogar
Laderegler mit integriertem Wechselrichter zu kaufen, was die Dimensionierung und Verkabelung erheblich
einfacher macht (Bild 4). Mit solchen
integrierten Ladereglern ist der Aufbau einer 230-V-Anlage dann fast so
einfach wie der einer 12-V-Anlage – nur
etwas teurer.
25
TECHNIK SOLARENERGIE
EIN PAAR BERECHNUNGEN
Diverse Hersteller bieten sogar komplett aufeinander abgestimmte Bausätze aus Modul(en), Laderegler und Akku
an. Am einfachsten macht man es sich,
wenn man in ein Fachgeschäft geht
und sich beraten lässt. Doch auch da
sind eigene Überlegungen und Überschlagsrechnungen angebracht, will
man die Anlage nicht überdimensionieren oder gar unterdimensionieren,
was durch Sparsamkeit am falschen
Platz teurer als nötig werden kann.
Zwar ist das Internet des Hobby-Solaranlagenbauers Freund und etwas eigene Recherche sei jedem Interessierten
wirklich ans Herz gelegt, doch findet
man innerhalb dieser immensen Fülle an Informationen oft den Wald vor
lauter Bäumen nicht. Von daher gibt es
nachfolgend ein paar Daumenregeln
und Überschlagsrechnungen, welche
die Orientierung erleichtern.
Die maximal benötigte Leistung ergibt
sich aus allen gleichzeitig aktiven Verbrauchern. Für eine Beleuchtung des
Wohnmobils oder Gartenhäuschens
sollte man 50 W veranschlagen. Auch
bei besonders sparsamen Kühlschränken ist mit gut 100 W für den Motor
des Kompressors zu rechnen. An dieser
Stelle zeigt sich übrigens ein wichtiger
Unterschied zwischen der 12-V- und
230-V-Technik. Bei der Hochvoltausführung muss der Wechselrichter im Moment des Anlaufens des Kühlschrankkompressors bis zum Zehnfachen der
reinen Motorleistung liefern können;
andernfalls schaltet der Wechselrichter
ab. Wenn man das Überlastlämpchen
erst abends bemerkt, ist die Wurst
schon schlecht. Einen guten Kompromiss zwischen Strombedarf und Kühlbedürfnis stellen spezielle Kühlboxen
dar – aber nicht die billigen Exemplare
mit Peltier-Element, denn diese saugen wegen des schlechten Gesamtwirkungsgrades einen Akku ruckzuck
leer. Eine gute Kühlbox mit Kompressor
ist eine Art Mini-Kühlschrank, der mit
unter 50 W Motorleistung auskommt.
ENERGIEVERBRAUCH
Üblicherweise wird auch bei langen
Skatnächten nicht die komplette Beleuchtung gleichzeitig eingeschaltet
sein. Mit 50 Wh kann man eine 10-WLampe immerhin fünf Stunden brennen
lassen. Hier sind aus Energiespargründen Leuchtstofflampen jeder Halogenbeleuchtung um mehr als das doppelte überlegen. Mit Kühlschrank explodieren die Anforderungen und in der
Folge die Kosten. Auch richtige Ener-
26
Kleine Zellenkunde
Die kleinste stromerzeugende Einheit einer Solaranlage heißt Solarzelle. Eine solche Solarzelle ist immer aus mindestens zwei verschiedenen Materialien aufgebaut, die häufig als
zwei dünne Schichten übereinander liegen. Eines der beiden Materialien dient bei Lichteinfall als Elektronenlieferant, das andere Material ist dagegen „elektronen-liebend“. Essentiell
ist eine Art Sperre für Elektronen zwischen den beiden Materialien - Resultat ist dann eine
elektrische Spannung. Kontaktiert man nun beide Materialien jeweils mit einer Elektrode aus
einem guten Leiter wie Metall, und verbindet man die Elektroden über einen Verbraucher
„außenherum“, so verrichten die Elektronen „gerne“ die gewünschte Arbeit.
Metallkontakt
Antireflektionsschicht
n-dotierte
Schicht
p-dotiertes
Silizium
Zone des
p-n-Übergangs
Elektron
fehlendes Elektron
("Loch")
Rückseitenkontakt
(vollflächig
060313 - 11
Die mit Abstand gebräuchlichste Solarzelle wird aus einer dünnen Scheibe mono- oder polykristallinen Siliziums gefertigt (polykristalline Zellen zeigen nach dem Sägen und Schleifen
die typische Eisblumenstruktur). Das Silizium ist sehr rein, aber mit einer äußerst geringen
Menge Bor dotiert (gezielt verunreinigt), wobei eine dünne Schicht an der Oberfläche mit
Phosphor dotiert wird [5]. Innerhalb der Zelle entsteht dann ein p-n-Übergang, genau wie
bei einer Diode. Bei Lichteinfall werden in der Zelle Elektronen „frei“; darüber hinaus entstehen auch positive Ladungsträger, nämlich die „Löcher“, welche die Elektronen zurücklassen.
Die Ladungsträger werden im elektrischen Feld des p-n-Übergangs getrennt, was (teilweise)
verhindert, das Elektronen und Löcher gleich wieder rekombinieren. Die Spannung, die man
über (Silber-)Kontakte zwischen der Ober- und Unterseite der Zelle abgreifen kann, beträgt
etwa 0,6 V. Der Strom ist proportional zur Zellenfläche, der einfallenden Lichtenergie und
dem Wirkungsgrad. In unseren Breiten liefert eine handelsübliche polykristalline Zelle ein
paar Ampere. Höhere Spannungen und Ströme erreicht man durch Hintereinanderschalten
von Zellen zu „Strings“ und Parallelschalten solcher Zellenketten innerhalb von Modulen.
Polykristalline Zellen erreichen bis etwa 17 %, monokristalline Zellen bis zu 22 % (auf die
Modulfläche bezogen ist der Wirkungsgrad allerdings niedriger). Noch bessere Wirkungsgrade können Zellen aus Germanium, Galliumarsenid und einigen weiteren Verbindungen
erreichen; sie sind jedoch teurer und werden daher nur für Spezialanwendungen eingesetzt.
Tandem- und Triple-Junction-Zellen bestehen aus mehreren Schichten übereinander, von
denen jede für einen bestimmten Wellenlängenbereich besonders empfindlich ist. Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, das Sonnenlicht durch Linsen auf eine kleinere Fläche zu
konzentrieren. Mit all diesen „Tricks“ ließ sich der Weltrekord beim Wirkungsgrad kürzlich
auf über 40 % steigern [6].
Andere Konzepte zielen weniger auf einen höheren Wirkungsgrad denn auf niedrigere Kosten.
Das Ziel ist, entweder erheblich weniger oder gar kein Reinstsilizium einsetzen zu müssen.
Ein Beispiel sind die so genannten CIS-Module, die zum Beispiel von der Firma Würth gefertigt werden [7], allerdings noch nicht in so großen Stückzahlen, um der Bastion der Siliziumzellen wirklich gefährlich werden zu können. Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium mit Wirkungsgraden bis zu etwa 10 % besitzen mittlerweile ein so gutes Preis-/Leistungsverhältnis, so dass sie sich als Alternative empfehlen. Vorausgesetzt natürlich, dass genug
Fläche für die Aufstellung der Module vorhanden ist.
Noch nicht auf dem Markt sind Farbstoff-Solarzellen, bei denen ein organischer Stoff als
Elektronenlieferant dient (siehe Poster in diesem Heft).
elektor - 4/2007
Solar-Modul mit 50 Wp (das üblicherweise angehängte kleine „p“ bedeutet „peak“ und meint damit die Spitzenleistung) und ein Akku mit 50 Ah
sind genug. Mit Laderegler und 230-VWechselrichter kommt ein solches Paket auf einen Preis von etwa 500 bis
1000 Euro. Der Löwenanteil liegt dabei auf den Solarzellen, was für die Zukunft eher sinkende Preise erwarten
lässt. Für die kühlende Variante mit
ihren geschätzten 150 Wh/Tag wäre
ein 150-Wp-Modul (oder zwei 75-WpModule) plus Akku zwischen 100 und
200 Ah geeignet - und zwischen 1500
und 2000 Euro zu veranschlagen.
4/2007 - elektor
(060313)
WEBLINKS
Bild 3. Gegenüber konventionellen Bleiakkus bieten Solarakkus Wartungsfreiheit und eine geringere Selbstentladung
(Foto: Deutsche Exide GmbH).
DIMENSIONIERUNG
Die Frage, wie groß denn das Solarmodul ausfallen muss, ist nicht einfach
und schon gar nicht „exakt“ zu beantworten. Es spielt eine Rolle, wie hoch
die zu erwartende Sonneneinstrahlung
im Mittel ist, und ob die Gewinnung
der nötigen Energie auch bei leicht bewölktem Himmel garantiert sein soll.
Dann muss man noch die Frage klären,
wie viel Reserve-Energie der Akku bereithalten sollte.
Handelsübliche Bausätze sind normalerweise nach einer Art „1-1-1“-Pi-malDaumen-Regel dimensioniert - und die
passt für die überwiegende Anzahl der
Anwendungen in Mitteleuropa. Gemeint ist damit, dass für einen Energieverbrauch von 1 Wh/Tag ein Akku
mit einer Kapazität von 1 Ah (bei 12 V)
und Solarzellen mit einer Spitzenleistung von 1 Wp ausreichen. Der Akku
kann daher auch schon mal ein paar
schattige Tage überbrücken. Der zugehörige Laderegler wird üblicherweise
deutlich überdimensioniert, damit man
im Bedarfsfall sowohl weitere SolarModule und/oder weitere Akkukapazität nachrüsten kann.
Für die 50-W-50-Wh-Basisvariante ist
die Frage nach dem richtigen Modul
und Akku also schnell beantwortet. Ein
haben Pakete für kleine Solaranlagen
im Programm. Man findet bei diesen
beiden Anbietern sogar Komponenten
für Kleinstanlagen, die für ein Gartenlämpchen oder einen Springbrunnen
im Gartenteich ausreichen. Die kleinsten Inselanlagen sind übrigens diese
billigen Gartenleuchten, welche aus
drei kleinen Solarzellen, einer Diode,
einem Widerstand (= Laderegler) und
einem 1,2-V-NiCd-Akku bestehen. Das
reicht in unseren Breiten immerhin
dazu, eine LED die ganze Nacht leuchten zu lassen.
[1] www.erneuerbare-energien.de
[2] www.solarfoerderung.de
[3] www.photon.de
[4] www.elektor.de/Default.aspx?ta
bid=27&art=5550461&PN=On
(ELEKTOR 6/2005, „Sonnenstrom“)
[5] http://de.wikipedia.
org/wiki/Solarzelle
[6] www.spectrolab.com/com/news/
news-detail.asp?id=172
[7] www.wuerth-solar.de
Anzeige
giesparmodelle (natürlich ohne Gefrierfach und optimal aufgestellt bzw.
eingebaut) schlucken im Sommer leicht
über 300 Wh pro Tag. Eine ausreichend
dimensionierte Inselanlage kann dann
leicht ein paar Tausende kosten. Praxisgerechter und bezahlbarer sind die
oben erwähnten Kühlboxen, die bei
Kompressorbetrieb und guter Platzierung typischerweise mit unter 100 Wh
pro Tag auskommen können.
In der Praxis ergeben sich also grob
unterteilt zwei Typen von Inselanlagen: Einmal die Basisvariante mit ca.
50 W Spitzenleistung und einer projektierten Energiemenge von 50 Wh/
Tag, die für Beleuchtungszwecke und
zum Aufladen von MP3-Playern oder
Kamera-Akkus ausreicht. Und dann
noch die Variante mit Kühlbox, die mit
gut 100 W Maximalleistung und 150
Wh Energiebedarf pro Tag projektiert
sein muss. Falls es im Urlaub und im
Wochenendhäuschen auch Fernsehen geben soll, ist es vernünftig, auf
die kleinen LCD-Fernseher mit einigen
Zoll Bildschirmdiagonale zu setzen,
da diese nur einige wenige Watt verbrauchen. Diagonalen über 10 Zoll erfordern bei der Solaranlage ein Mehrfaches des Gerätepreises extra...
Bild 4. Laderegler mit integriertem Wechselrichter: Der Aufbau
einer 230-W-Anlage ist damit fast so einfach wie der einer
12-V-Anlage (Foto: Fronius International GmbH).
Der Modultyp ist für ökonomisch denkende Menschen übrigens sekundär.
Ob (poly-)kristalline oder amorphe
Zellen – entscheidend ist der Quotient aus Watt und Geld, also das Preis/Leistungsverhältnis. Da es nicht nur
12-V-Ausführungen gibt, muss der Laderegler selbstverständlich mit dem
Spannungsbereich der ausgewählten
Module umgehen können. Und der
Wechselrichter sollte bei Einsatz einer
Kühlbox mindestens 500 W Spitzenleistung abgeben – besser etwas mehr.
Das Angebot ist in jedem Fall extrem
vielfältig: Sogar Conrad und Reichelt
27
PRAXIS STROMVERSORGUNG
Aus Gleichmach Wechselstrom
Spannungswandler von 12
V auf 230 V
Von Reinhardt Weber
([email protected])
Schaltungen, die eine Gleichspannung in eine 50-Hz-Wechselspannung
umwandeln, nennt man auch Wechselrichter.
Während solche Wandler für höhere Leistungen meist nach
dem Prinzip von Schaltnetzteilen arbeiten, kann man für
kleinere Verbraucher wie Fernsehgeräte und Satellitenreceiver auch
einfachere Schaltungen mit einem normalen
50-Hz-Netztrafo einsetzen.
Für die Umsetzung einer Wechselspannung in eine höhere oder niedrigere
verwendet man wegen des guten
Wirkungsgrades und der galvanischen
Trennung Transformatoren. Will man
eine Gleichspannung umsetzen, muss
sie zuerst in eine Wechselspannung
umgewandelt werden. Dazu bedarf es
einer Schaltung, mit deren Hilfe sich
die Polarität der Gleichspannung fortlaufend ändert.
PRINZIP
In der Praxis kommen zwei unterschiedliche Schaltungskonzepte für Wechselrichter zum Einsatz:
- Direkte Wandlung mit 50-Hz-Transformator.
- Wandlung nach dem Schaltnetzteilprinzip.
28
Bei der direkten Konvertierung wird
die 12-V-Gleichspannung 50 Mal pro
Sekunde mit Hilfe von (elektronischen)
Schaltern umgepolt und an die Primärwicklung eines handelsüblichen 50-HzNetztransformators gelegt (Bild 1). Die
Ausgangsspannung ist in diesem Falle
rechteckförmig und hängt vom Übersetzungsverhältnis der Trafowicklungen
ab. Vorteil dieses Schaltungskonzeptes
ist der geringe Schaltungsaufwand.
Nachteilig sind die Größe und das Gewicht eines 50-Hz-Netztransformators,
wodurch diese einfache Lösung für
Leistungen über 200 VA etwas unhandlich wird.
Wandler nach dem Schaltnetzteilprinzip
(Bild 2) schalten die Eingangsgleichspannung ebenfalls. Dies geschieht
jedoch nicht mit 50 Hz, sondern in der
Regel mit 30 bis 100 kHz. Bei dieser ho-
hen Arbeitsfrequenz kann der Transformator sehr klein und damit leicht
ausgelegt werden. Logischerweise hat
auch die Ausgangsspannung dieselbe
hohe Frequenz. Die Ausgangsspannung wird deshalb zuerst gleichgerichtet und auf eine Brückenschaltung mit
vier elektronischen Schaltern gegeben,
welche die Gleichspannung 50 Mal
pro Sekunde umpolt. Hierfür ist ein
beträchtlicher Aufwand an Elektronik
notwendig. Hinzu komm, dass der HFTransformator (Übertrager) nicht von
der „Stange“ gekauft werden kann,
sondern selbst auf einen Ferritkern
gewickelt werden muss. Des Weiteren
sind wegen der bei diesem Konzept
auftretenden hochfrequenten Störspannungen spezielle EMV-Eingangsfilter
erforderlich. Dies alles setzt schon einige Erfahrung in der Elektronik voraus
und ist als Projekt für Newcomer weniger geeignet.
Die hier vorgestellte Schaltung verwendet einen normalen Netztransformator
und hat neben dem einfachen Aufbau
den Vorteil, dass die 50-Hz-Netzfrequenz
quarzgenau erzeugt wird. Es lassen
sich daher auch 230-V-Schaltuhren oder
230-V-Geräte mit netzsynchronisierter
Uhr ohne Probleme mit der Genauigkeit
betreiben.
elektor - 4/2007
I
I
230VAC
230VAC
12VDC
12VDC
STRAIGHTFORWARD
4/2007 - elektor
12V
50Hz
060171 - 11
Bild 1. Prinzip eines Wechselrichters mit Netztrafo. Eine Brückenschaltung mit vier elektronischen Schaltern sorgt dafür,
dass durch die 12-V-Wicklung Strom mit wechselnder Richtung (= Wechselstrom) fließt.
D
I
I
30kHz
230VAC
50Hz
12VDC
Die Konverterschaltung (Bild 3) ist das,
was man im Englischen als „straightforward” bezeichnet, also sehr direkt
und ohne Schnörkel auf die Erfüllung
der Aufgabe ausgerichtet. Die integrierte Schaltung IC1 (74HC4060) enthält eine Oszillatorschaltung mit einem
nachgeschalteten digitalen Teiler. Bei
Verwendung eines Quarzes mit einer
Frequenz von 3,2768 MHz liegt am Ausgang Q14 des ICs ein 200-Hz-Rechtecksignal an. Dieses wird den JK-Flipflops
in IC2 (74HC112) zugeführt. Damit erfolgt eine weitere Teilung durch den
Faktor vier. An den beiden Ausgängen
5 und 6 stehen daher zwei Rechteckspannungen mit einer Frequenz von 50
Hz und einer Phasenverschiebung von
180° an.
Die vier Power-MOSFET-Transistoren V1V4 bilden die elektronischen Schalter
in einer so genannten H-Brücke, in deren Brückenzweig die Primärwicklung
des Netztransformators liegt. Es können sowohl Transformatoren mit einer 12-V-Wicklung als auch solche mit
zwei 6-V-Wicklungen oder zwei 12-VWicklungen verwendet werden. Bei
einem Trafo mit zwei 6-V-Wicklungen
schaltet man die beiden 6-V-Wicklungen phasenrichtig hintereinander (in
Reihe), während man bei einem Trafo
mit zwei 12-V-Wicklungen die beiden
Wicklungen parallel schaltet.
Power-MOSFETs besitzen eine relativ hohe Eingangskapazität von einigen nF. Die beiden Treibertransistorstufen mit Q1 und Q2 sind daher ausgangsmäßig niederohmig konzipiert,
um die Gates der MOSFETs schnell
laden und entladen zu können.
Die Ansteuerung der Treibertransistoren Q1 und Q2 erfolgt durch die
komplementären Ausgänge von IC2A
im Gegentakt. Hier wurde aus besonderem Grund eine Wechselspannungsankopplung über die beiden ElektrolytKondensatoren CE2 und CE3 gewählt.
Versuche haben gezeigt, dass bei zu
niedriger Betriebsspannung der QuarzOszillator aussetzen kann. An den Flipflop-Ausgängen Pin 5 und 6 von IC2A
stehen dann statisch 0 V und +12 V
an. Damit würden bei Gleichstromkopplung zwei diagonal gegenüber liegende MOSFETs durchschalten und die Primär wicklung des Transformators permanent an 12 V legen. Der Strom durch
C
230VAC
230VAC
12V
060171 - 12
Bild 2. Wechselrichter für höhere Leistungen arbeiten mit hoher Schaltfrequenz ähnlich wie Schaltnetzteile und erzeugen zuerst eine
Gleichspannung. Die Brückenschaltung befindet sich hier auf der 230-V-Seite.
die Wicklung wird in diesem Falle so
hoch, dass er die MOSFETs zerstört. Bei
Wechselspannungskopplung können
die „Pull-Up”-Widerstände R8 und R9
dafür sorgen, dass die beiden Transistoren Q1 und Q2 bei Aussetzen der Ansteuerung durchschalten. Jetzt öffnen
nur die MOSFETs V1 und V2, der Trafo
ist dann stromlos.
ERGEBNISSE
Das Oszillogramm in Bild 4 zeigt Spannung und Strom am Ausgang des
Transformators bei ohmscher Belastung (Glühlampe 230 V/60 W). Nach
dem Anschließen des Konverters
an eine voll geladene Autobatterie
(UB=14 V) wurde ein Eingangsstrom
von 4,9 A gemessen. Dies entspricht
einer Eingangsleistung von 67 W. Am
Konverterausgang ergab die Messung
eine Leistung von 54 W (215 V/0,25 A).
Daraus errechnet sich ein Wirkungsgrad der Schaltung von rund 80 %, ein
für einfache Wechselrichter durchaus
akzeptabler Wert!
Bedingt durch die unvermeidlichen
Verluste im Transformator und an den
Leistungshalbleitern wird in der Regel
eine Ausgangsspannung von 230 V
nicht voll erreicht. Die Spannung liegt
aber in der für die meisten Verbraucher
zulässigen Toleranz. Transformatoren
mit einer für 11 V ausgelegten Primärwicklung wären besser geeignet, sind
29
PRAXIS STROMVERSORGUNG
Stückliste
Widerstände:
R1 = 2M2
R2, R8, R9 = 10 k
R3, R5 = 100 k
R4, R6 = 220 Ω
R10 = 22 Ω
Kondensatoren:
C1 = 47 p
C2 = 27 p
C3, C4 = 100 n
CE 1 = 4700 µ/16 V
CE2, CE3 = 100 µ/16 V
Halbleiter:
IC1 = 74HC4060
IC2 = 74HC112
Q1, Q2 = BC547
V1, V2 = IRF4905
V3, V4 = IRF3205
ZD1 = 10 V/0,5 W (Z-Diode)
Außerdem
PL1, PL2 = 2-polige Anschlussklemme
für Platinenmontage
XT1 = 3,2768-MHz-Quarz
15-A-Sicherung mit Halter (siehe Text)
Platine 060171-1
(Layout-Download bei www.elektor.de)
060171 - 13
Bild 3. Die Schaltung verfügt über einen Quarzoszillator, der für eine hohe Genauigkeit und Stabilität der 50-Hz-Frequenz sorgt.
Bild 4. Spannung und Strom am Ausgang des Wechselrichters
bei ohmscher Belastung.
jedoch schwer erhältlich. Mit etwas
Geschick kann man bei RingkernTransformatoren die 12-V-Wicklung
um etwa 10 % abwickeln und so das
Übersetzungsverhältnis entsprechend
erhöhen.
Die verwendeten U-Kühlbleche der
MOSFETs erlauben den Anschluss von
Bild 5. Layout und Bestückungsplan der einseitigen
Platine (verkleinert !).
30
Transformatoren mit einer Leistung
bis ca. 150 VA. Bei entsprechender
Kühlung sind auch höhere Leistungen
möglich, da die MOSFETs laut Datenblatt mehr als 50 A schalten können.
Der Aufbau der Schaltung auf der in
Bild 5 angegebenen einseitigen Platine
im halben Eurokartenformat ist ebenso „geradlinigig” wie die Schaltung
selbst. Es gibt aber zwei Drahtbrücken, die man nicht vergessen darf.
Die ICs kann man auf Fassungen
setzen. Die MOSFETs können ohne
Isolation auf den Kühlkörpern montiert
werden. Man muss nur darauf achten,
dass die Kühlkörper keine leitenden
Schaltungsteile berühren. Für den Anschluss der 12-V-Eingangsspannung
und der Trafo-Primärwicklung sind stabile Anschlussklemmen vorgesehen.
Wichtig ist, dass die 12-V-Leitungen
einen ausreichenden Querschnitt aufweisen und dass in die positive Zuleitung (+12 V) eine 15-A-Sicherung aufgenommen wird.
(060171-I)
elektor - 4/2007
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4/2007 - elektor
31
PRAXIS AKKUS
Lader, Entlader,
Kapazitätsmesser
Akkuzentrale für NiMH/NiCd
und LiPo/Li Ion
Von Florent Coste
Die Zahl der mobilen, mit Akkus betriebenen
Geräte wächst unaufhaltsam. Regelmäßig erscheinen neue
Akku-Typen auf dem Markt, die nur zu bestimmten
Geräten oder einer Gerätegruppe passen.
Unsere Akku-Zentrale beseitigt die
Unbequemlichkeiten, die diese Typenvielfalt
mit sich bringt. Sie lädt und entlädt alle
gängigen Akkus, auch wenn mehrere Zellen
in Reihe geschaltet sind. Darüber hinaus gibt sie Auskunft, wie
weit ein Akku-Leben fortgeschritten ist.
Unsere Akku-Zentrale entstand aus der
Idee, ein vielseitiges und universell
einsetzbares Ladegerät zu entwickeln,
das sowohl NiCd und NiMH-AkkuPacks als auch LiPo (Lithium Polymer)
und LiIon Akkus (Lithium-Ion) lädt und
entlädt. Bei NiCd und NiMH lassen
sich Einzelzellen und Packs mit zwei
bis acht Zellen laden, bei LiPo und LiIon ist die aus zwei Zellen bestehende
Bauform für den Lader geeignet.
Nicht nur Ladegerät
Entwicklungsziel war ein möglichst
effizienter, universeller und gleichzeitig kompakter Lader und Entlader, der
auch den „Gesundheitszustand“ der
Akkus diagnostiziert und die AkkuKapazität misst. Entstanden ist eine
Schaltung, die diese Vorgaben voll erfüllt und ohne schwierig beschaffbare
32
Bauelemente auskommt. Fast alle
Funktionen übernimmt ein einziges
IC, ein Mikrocontroller aus der ST7MCFamilie von ST Microelectronics.
Die diskreten Transistoren und die
übrigen Komponenten sind Standardbauteile, Beschaffungsprobleme
dürfte es nicht geben. Die Schaltung
wird auf zwei kleinen, kompakten Platinen aufgebaut.
Starker Mikrocontroller
Der verwendete Controller wurde von
ST Microelectronics für die Steuerung
bürstenloser Kleinmotoren konzipiert.
In ELEKTOR 02/2006 wurde der Controller bereits im Beitrag „BrushlessController“ vorgestellt. Eine Besonderheit ist die integrierte PWM-Schaltung
(PWM = Puls Width Modulation). Kombiniert mit einer Stromgegenkopplung
ist sie noch bei Frequenzen von bis zu
bis 50 kHz funktionsfähig (Bild 1). Da
auf dem Chip auch ein Opamp integriert ist, lässt sich die Akkuzentrale
ohne externe analoge Komponenten realisieren. Der Controller ist für diesen
Zweck wie maßgeschneidert.
Prinzip der Stromregelung
Da der Controller ST7MC für die Steuerung synchroner und asynchroner
Kleinmotoren ausgelegt ist, verfügt er
über eine integrierte Strommessschaltung zur Überwachung der durch die
Motorwicklungen fließenden Ströme.
Diese periphere Controller-Funktion
eignet ohne Änderungen auch für die
Messung des Akkustroms.
Das Prinzip der Stromregelung ist
leicht zu überschauen: Sobald der Wert
des Stroms den Sollwert erreicht,
elektor - 4/2007
Der Autor
Florent Coste schloss sein technisches Studium am Institut Charles Fabry in Marseille
(Frankreich) im Jahr 2000 als Diplom-Ingenieur im Fach Mikroelektronik ab. Seitdem
ist er bei ST Microelectronics in Hongkong tätig.
Coste hat sich auf die Programmiertechniken von Mikrocontrollern spezialisiert. Er ist
auch mit den Entwicklungen auf der Plattform der ST750-Familie (ARM, 32 bit-Kern)
vertraut. Schwerpunkt seiner beruflichen Tätigkeit ist die Entwicklung von Steuerungen für synchrone und asynchrone Kleinmotoren, die für den asiatischen Markt bestimmt sind. Florent Coste fühlt sich von den neuen Technologien unserer Zeit beflügelt
und herausgefordert. Die hier vorgestellte Akku-Zentrale ist ein Beispiel für seine
Freude an innovativer Elektronik.
Kontakt: [email protected]
Blick auf die Schaltung
Der ST7MC arbeitet mit maximaler
Geschwindigkeit. Eine interne PLL
verdoppelt die Frequenz des 8 MHzQuarzes. Die Frequenz des PWM-Signals, das die Lade und Entladeschaltung steuert, ist fest auf 50 kHz einge-
4/2007 - elektor
ST7MC
clock
PWM
Microcontroller
MCO1 (pin 43)
R
Peripheral
outputs
S
MCO0 (pin 42)
+12V
Level
shifter
Current reference
MCCREF
(pin 22)
PC7
R11
(pin 23)
P MOSFET
Icharge
C11
Motor control
peripheral
PWM
Battery
Idischarge
R8
Current read
(pin 21)
MUX
Uout
OPAMP
Gain: 9.2
Usense
100m Ω
N MOSFET
(T6 & T7)
100m Ω
schaltet der Controller den Ausgang
bis zum folgenden PWM-Zyklus ab.
Falls der Strom den Sollwert längere
Zeit übersteigt, kann sich die Abschaltung auch über mehrere PWM-Zyklen
erstrecken. Der Duty Cycle (Zeitverhältnis) der PWM-Periode wird unmittelbar von der Controller-Hardware gesteuert, er lässt sich von außen nicht
beeinflussen. Aus dieser Eigenschaft
folgt, dass die Stromregelung nach einer daran angepassten Methode arbeiten muss.
In Bild 2 ist der Zusammenhang zwischen dem gemessenen Strom und
dem PWM-Signal am Controller-Ausgang dargestellt. Der im ST7MC integrierte Opamp ist als nicht invertierender Verstärker mit 9,2-facher Verstärkung geschaltet. Da der zur
Messung des Akkustroms verwendete
niederohmige Widerstand (Shunt) nur
ein relativ kleines Messsignal liefert,
wird es vom Opamp verstärkt, bevor es
in den Regelkreis eingeht. Das hat
auch den Vorteil, dass ein teurer HallSensor entbehrlich ist.
C10
050073 - 11
Bild 1. Vereinfachtes Funktionsschema des im ST7MC integrierten Strommessers.
stellt. Bei dieser hohen Frequenz kann
die Induktivität L1 klein sein, außerdem ist ein eventuelles mechanisches
Schwingen unhörbar.
Die Schaltung in Bild 3 lässt sich in
drei Funktionsblöcke unterteilen: Ladeteil, Entladeteil und Steuerung (links
im Bild).
Der Ladeteil ist ein klassischer „Buck“Konverter, zu ihm gehören T1, L1, D2
und die angeschlossene Last in Gestalt
des Akkus. Der Controller stellt das
PWM-Steuersignal an Anschluss 42 bereit (MCO0 = Motor Control Output
Zero). Es wird von einer Pegel-Anpassstufe (Level shifter) vom TTL-Niveau
33
PRAXIS AKKUS
+5V
R15
+5V
2k
R26
1
4
3
E
D4
6
5
R/S
7
D5
10
9
D7
12
8
11
14
13
D6
PWM output
(MCO0 0r MCO1)
R27
E
39
R/W
38
R/S
37
D4
29
D5
30
D6
31
D7
32
16
17
20
21
050073 - 12
18
4
23
+5V
5k
2
3
22
R3
2k2
R19
10k
6k8
Bild 2. Einfluss der Strommessung auf das PWMAusgangssignal des Controllers.
R11 1
9k1
R17
R20
R18
C2
8
24
27
VDD
VAREF
VDD
PE2
PA3/AIN0
PE1
RESET
PD0/AIN11
16V
PB2
PB3
PB5/AIN3
PB4
L1
R4
42
43
BC807-40
FDV301N
D2
5A
K1
B520C
13
16V
T5
14
15
200k
PC3/OAN
PD5
AIN6/OAZ
PD4/AIN14
BATTERY
MUX1
34
33
IRF640N
+5V
PB7/AIN4
ST7FMC2S4
MCES
MCO3
MCO4
MCO2
MCO5
PD6
PD7
VSS
VSSA
7
25
OSC1
OSC2
5
R10
R9
19
40
PE3
PC4/MCCREF
MUX0
11
PB0
PC2/OAP
PC7
R12
R13
2W
2W
C4
C11
C6
470n
10n
330n
33p
FDV301N
LM335
26
FDV301N
T6
C7
R16
1k
33p
PWM FAN
SDA
+12V
K3
R22
+5V
100n
1
2
+12V
3
A0
16V
IC3
A1
A2
C17
C15
C14
1N4001
FAN
5
SDA
T10
6
SCL
T9
R24
R25
7
WC
270 Ω
T8
M24C02
C16
BD138
FDV301N
BUZZER
4
16V
16V
BZ1
8
+5V
K2
0
4k7
IC4
D3
R21
C2
78L05
2W
T7
36
+5V
+12V
2W
IC2
35
VSS
6
8MHz
R7
100n
SCL
C13
R6
C10
44
X1
1k
34
16V
R8
PB6
R23
16V
FDV301N
050073 - 13
Bild 3. Schaltung der Elektronik auf der Hauptplatine.
+5V
+5V
K1
+5V
2
1
R/W
4
3
D4
6
5 R/S
D6
8
7
D5
10
9
D7
12
11
14
13
E
DATA+
S2
D7
D5
D4
E
R/W
R/S
+5V
D6
K2
D1
S1
R1
S3
C1
C2
100n
100n
10k
FUNC+
DATA–
R3
6k8
R2
B–
B+
D6
D5
10 11 12 13 14 15 16
D4
9
D3
8
D2
7
D1
6
D0
5
E
4
R/W
3
RS
2
CST
LCD1
VCC
1
S4
VSS
FUNC–
6k8
auf die Höhe der Betriebsspannung
(normalerweise 12 V) angehoben. Diese Stufe ist mit MOSFET T4 und der
Push-Pull-Kombination T2,/T3 aufgebaut. Schottky-Diode D1 und Widerstand R1 bewirken, dass der Leistungs-MOSFET T1 langsam durchschaltet (über R1) und schnell sperrt
(über den niedrigen dynamischen Widerstand der Schottky-Diode). Induktivität L1 glättet den zum Akku fließenden Ladestrom.
Der Schaltungsteil mit T5 ist der Entladeteil. Anstelle des IRF640N ist für T5
auch jeder äquivalente N-MOSFET verwendbar, dessen thermischer Widerstand ausreichend niedrig ist. Der
niedrige thermische Widerstand ist erforderlich, weil T5 die hohe Akku-Entladeleistung in Wärme umsetzen muss.
Das PWM-Steuersignal MCO1 am Controller-Pin 43 wird vom RC-Glied R8/
C10 integriert, so dass am Gate von T5
praktisch Gleichspannung liegt. T5 arbeitet im linearen Bereich, um einen
variablen Widerstand zu simulieren.
Solange der über R12, R13 gemessene
Strom seinen Sollwert noch nicht erreicht hat, steigt die Spannung am
Gate von T5 an. Umgekehrt bewirkt
das Überschreiten des Sollwerts, dass
die Gate-Spannung sinkt. Die Stromregelung muss eine PI-Regelcharakteristik (proportional-integral) aufweisen.
Wie schon erwähnt, setzt T5 die dem
Akku während der Entladung entnommene die Energie in Wärme um. Unterstützt wird T5 dabei von einem leistungsstarken Kühlkörper mit Lüfter.
Wenn ein 12 V-Akku entladen wird,
dessen Kapazität 4 Ah beträgt, müssen
48 Wh in Wärme umgesetzt werden.
Für die Funktion der Schaltung ist eine
ausreichende Wärmeabfuhr lebenswichtig. Der Temperatursensor IC2
muss sich in unmittelbarer Nähe des
C5
C3
12
PB1
PD3/AIN13
IRF9Z24N
28
MCO1
PD2/AIN12
T3
R5
9
MCO0
PD1
T4
41
VPP
IC1
100n
T1
R1
PA5/AIN1
PE0
C1
D1
BAT54
D7
PWM ON
330n
R2
10
t
PWM OFF
330n
T2
2k
t
2
R/W
C8
6k2
t
+12V
BC817-40
C9
4k7
I (battery)
Motor control
peripheral clock
10k
10k
K4
1k
R28
8k2
R14
4k7
Current
reference
LC DISPLAY 2 x 16
050073 - 14
Bild 4. Schaltung der Bedienelemente (vier Taster) und des Displays.
elektor - 4/2007
Ladeprinzip und Spannungen
Unabhängig davon, ob es um LiPo- oder Li Ion-Akkus geht, das Ladeverfahren ist
bei beiden Typen gleich: Sie müssen mit konstanter Spannung geladen werden,
während eine Strombegrenzung den Ladestrom überwacht. An sich ließe sich beides leicht realisieren, wenn diese Akkus nicht in zweierlei Hinsicht besonders empfindlich wären: Sie vertragen absolut kein Überladen, und die Ladespannung muss
mit hoher Genauigkeit eingehalten werden, da anderenfalls der Ladevorgang abbricht. Die nominale Spannung moderner LiPo und Li Ion-Akkus beträgt 3,7 V, die
Ladespannung der Akku-Zentrale wurde von ihrem Entwickler auf 4,1 V festgelegt.
An der Akku-Zentrale wurden umfangreiche Messungen vorgenommen, die Messwerte wurden in einer Excel-Tabelle dokumentiert. Ihre grafische Darstellung stellt
den Lade und Entladeprozess sehr anschaulich dar. Durch ihre universelle Auslegung ist die Akku-Zentrale sowohl mit NiCd-Akku-Packs kompatibel, die aus acht
Zellen bestehen (Bild a), sie kann in gleicher Weise zweizellige LiPo-Akkus laden
und entladen (Bild b). An den beiden Kurven sind die grundsätzlichen Unterschiede
der Ladeverfahren von NiCd/NiMH und LiPo-Akkus deutlich ablesbar.
Für Li Ion-Akkus ist die Grenzspannung der Akku-Zentrale auf 8,2 V (2 · 4,1 V) eingestellt. Die Spannung 4,1 V ist die maximale Spannung, die von den Akku-Herstellern für eine einzelne Zelle empfohlen wird.
16
Ladeende-Erkennung durch
Spannungsrückgang (Delta-Peak)
14
Programmierte Entladung,
Anfangsstrom 1 A, Endstrom 350 mA
Akkuspannung [V]
12
10
Kurze Entladepulse
(alle 5 s) zur Verhinderung
des Gedächtniseffekts
8
1,125 x Spannungsschwelle:
progressiver Rückgang
des Entladestroms
6
Programmierte
Spannungsschwelle: 6,8 V
4
Laden mit 1,2 A
3 min. Pause
vor dem Ladebeginn
2
0
30 Minuten
1 Stunde
Zeit
050073 - A
Bild a. Kurve eines Entlade- und Ladezyklus mit einem NiCd-Akku (8 Zellen, 1300 mAh).
9
Stabilisierungsteil bei 8,4 V
und Erkennung des Ladeendes bei
einem Strom von 0,1 x
des programmeirten Stroms (130 mA)
1,125 x Spannungsschwelle:
progressiver Rückgang
des Entladestroms
8
Akkuspannung [V]
7
6
Programmierte
Spannungsschwelle: 5,7 V
5
Laden mit 1,3 A
4
3 min. Pause
vor dem Ladebeginn
3
2
Programmierte Entladung,
Anfangsstrom 5 A,
Endstrom 500 mA
1
0
30 Minuten
1 Stunde
Zeit
Bild b. Kurve eines Entlade- und Ladezyklus mit einem LiPo-Akku (2 Zellen, 1400 mAh).
4/2007 - elektor
050073 - B
N-MOSFETs T5 befinden. Labortests
haben gezeigt, dass die Verlustleistung bei angemessener Kühlung problemlos 80 W (16 V, 5 A) betragen
kann. Falls die obere Temperaturgrenze überschritten werden sollte, schützt
eine Thermosicherung die Schaltung
vor Überhitzung.
Mit dem Entladeteil der Schaltung
kann jeder beliebige Akku entladen
werden, solange die gemessene Akkuspannung die Betriebsspannung der
Schaltung nicht übersteigt. Wenn die
Akkuspannung über der Betriebsspannung liegt, fließt über die interne
Diode des P-MOSFET T1 ein Strom
Richtung positive Betriebsspannungsleitung. Das ist für die Bauele mente gefährlich und unbedingt zu
vermeiden!
Die übrigen Schaltungskomponenten
dienen dazu, die diversen Einstellungen zu speichern. Das I2C-EEPROM
IC3 muss mindestens eine Kapazität
von 256 Byte haben. Der 24C02 ist der
richtige Typ, größere kompatible Typen
wie 24C04 und 24C08 sind ebenfalls
geeignet. Im EEPROM können auch
Daten wie der Akku-Typ (NiMH, LiPo
und so weiter), die Typenbezeichnung
und der eingestellte Lade und Entladestrom gespeichert werden.
Die Transistoren T6 und T7 haben beim
Messen des Lade und Entladestroms
die Funktion von Schaltern. Der Ladestrom und der Entladestrom werden
über getrennte Shunt-Widerstände gemessen. Für den Ladestrom sind R6
und R7 zuständig, R12 und R13 haben
diese Funktion für den Entladestrom.
Wenn nur ein Shunt-Widerstand vorhanden wäre, müsste sowohl eine positive als auch eine negative Spannung
gemessen werden. Die Polaritätsumkehrung ist dadurch bedingt, dass der
Strom beim Laden und Entladen in
entgegengesetzte Richtung fließt. Die
Schaltung mit T6 und T7 würde zwar
entfallen, notwendig wäre dann jedoch
ein externer, invertierender Opamp sowie ein DC/DC-Wandler. Nur mit ihrer
Hilfe könnten auch negative Spannungen gemessen werden. Der hier
gewählten Lösung kommt entgegen,
dass die Schalterfunktionen von Kleinsignal-MOSFETs übernommen werden
können. Wenn beispielsweise der
Akku entladen wird, befindet sich T6
im Leitzustand, während T7 sperrt.
Die Gate-Source-Spannung von T7 ist
dann unabhängig von der Höhe des
Entladestroms zu niedrig, um die
Strommessung zu beeinflussen.
Die Akku-Spannung wird über den aus
R14, R15 und R18 bestehenden Span-
35
PRAXIS AKKUS
nungsteiler gemessen.
Die Temperatursicherung arbeitet mit
dem bekannten Temperatursensor
LM335 (IC2), sein Signal wird dem im
Controller integrierten ADC zugeführt.
Der Duty-Cycle des PWM-Signals, das
der Controller an Pin 40 (PE3) bereitstellt, hängt von der in Wärme umzusetzenden Leistung ab. Das PWM-Signal gelangt zum Gate des MOSFET
T10, der über das RC-Filter mit R22,
R24 und C16 den Emitterfolger T9 steuert. Die Spannung am Emitter von T9
ist eine leicht wellige Gleichspannung.
Diese Welligkeit hat keine Auswirkungen auf den Betrieb des angeschlossenen Lüfters (PC-Lüfter, 12 V).
Der Lüfter und der Kühlkörper können
eventuell von einem ausrangierten PCMainboard demontiert werden, um
Kosten zu sparen.
Buzzer BZ1 signalisiert akustisch das
Ende des Lade oder Entladevorgangs.
Das LC-Display wird an die Hauptplatine über ein siebenadriges Kabel angeschlossen. Mehr Adern sind nicht
erforderlich, weil das Display im 4 bitModus arbeitet. Bild 4 zeigt die Schaltung des Bedienteils der AkkuZentrale.
Stückliste
Hauptplatine (050073-1)
Widerstände:
(wenn nicht anders angegeben: SMD 0805)
R1 = 200 Ω
R2 = 1 k
R3 = 2k2
R4,R10,R21 = 4k7
R5,R25 = 270 Ω
R6,R7,R12,R13 = 0Ω2/2 W (nicht SMD!)
R8 = 200 k
R9 = 2 k
R11 = 9k1
R14= 8k2
R15 = 2 k Trimmpotentiometer
R16,R23 = 1 k
R18 = 6k2
R19,R26,R28 = 10 k
R20 = 6k8
R22,R27 = 470 Ω
R24 = 82 Ω
Kondensatoren:
C1, C3, C5 = 2200 µ/16 V stehend (niedriger ESR)
C2,C10,C12 = 100 n
C4 = 10 n
C6, C7 = 33 p
C8,C9,C11 = 330 n
C13 = 470 n
C14...C17 = 22 µ/16 V
Induktivitäten:
L1 = 4 µH/5 A
Halbleiter:
D1 = BAT54
D2 = B520C
D3 = 1N4001
T1 = IRF9Z24N
T2 = BC817-40
T3 = BC807-40
T4,T6...T8,T10 = FDV301N
T5 = IRF640N
T9 = BD138
IC1 = ST7FMC2S4 (SMD, ST Microelectronics, programmiert: EPS 050073-41)
IC2 = LM335 (National Semiconductor)
IC3 = M24C02 (SMD)
IC4 = 78L05
Außerdem:
X1 = Quarz 8 MHz
K2 = Kabelanschluss-Schraubklemme 2
polig, Raster 2,54 mm
K3 = Stiftleiste 3-polig, für den Anschluss
des PC-Lüfters
K4 = Stiftleiste 14 polig, zweireihig
BZ1 = Piezo-Beeper
Kühlkörper mit Lüfter, für T1 und T5
Platine EPS 050073-1 (siehe ELEKTORShopanzeige am Heftende)
+
36
+
+
Zur Akku-Zentrale gehören zwei Platinen, die Hauptplatine mit dem Mikrocontroller sowie die Platine mit den Bedienelementen und dem LC-Display.
Die doppelseitigen Platinen sind im
Elektor-Shop erhältlich, können aber
bei entsprechender Laborausrüstung
auch relativ einfach in Eigenregie gefertigt werden. Der Aufbau beginnt mit
der Montage der SMD-ICs, danach folgen die größeren Bauelemente wie Elkos, 2-W-Widerstände und Kontaktleisten. T1 ist gegen einen äquivalenten
Typ im gleichen Gehäuse (DO-201)
austauschbar.
Bild 5 zeigt Fotos der beiden aufgebauten Platinen. Alle Bauelemente mit
Ausnahme der Leistungstransistoren
T1 und T5 haben ihren Platz auf den
Bestückungsseiten. Ein Testaufbau mit
den Platinen ist in Bild 6 zu sehen.
Die Anschlüsse der Leistungstransistoren T1 und T5 werden so in die vorgesehenen Platinenbohrungen gesteckt, dass die Metallflächen der Gehäuse zur Platinenmitte zeigen. Die
Anschlussdrähte werden jedoch noch
nicht angelötet, sondern zuerst um 90°
gebogen, so dass die Metallflächen der
Transistorgehäuse parallel zur Platine
liegen. Anschließend wird der Kühlkörper über Abstandsbolzen mit der Pla-
+
Aufbau
Bild 5a. Ansicht der bestückten Hauptplatine.
tine verschraubt. Der nächste Schritt
ist das Anzeichnen der Befestigungslöcher für T1 und T5 sowie für Temperatursensor IC2, den LM335. Die notwendige thermische Kopplung ist nur
gewährleistet, wenn der Temperatursensor in unmittelbarer Nähe des NMOSFETs montiert wird. Zur Befestigung des Temperatursensors eignet
sich ein schmaler Nylon-Kabelbinder.
Danach können die Anschlüsse von T1
und T5 verlötet werden.
Wenn die Löcher in den Kühlkörper gebohrt sind, kann die endgültige Kühlkörper-Montage folgen. Vorher muss
noch auf die Gehäuseflächen von T1,
T5 und IC2 Wärmeleitpaste aufgetra-
gen werden. Die Anschlussdrähte von
IC2 werden durch flexible Drähte verlängert, damit sie in die Bohrungen auf
der Platine passen.
Zum Schluss wird das LC-Display
über ein Stück Bandkabel angeschlossen. Wenn das LC-Display mit einer
Hintergrundbeleuchtung ausgestattet
ist, kann über einen Stift der Kontaktleiste K2 eine Verbindung zur Betriebsspannung +5 V verlaufen. Da
die Hintergrundbeleuchtung zusätzlich einigen Strom von etwa 200 mA
aufnimmt, muss für den Spannungsregler IC4 anstelle eines 78L05 ein
1 A-Typ 7805 bestückt werden. Dabei
ist unbedingt die Anschlussreihen-
elektor - 4/2007
Stückliste
LCD-Platine (050073-2)
Widerstände:
R2,R3 = 6k8
Kondensatoren:
C1,C2 = 100 n
Halbleiter:
D1 = LED
Außerdem:
S1...S4 = Drucktaster, z.B. Digitast
K1 = Stiftleiste 14-polig, zweireihig
K2 = doppelte Lötverbindung
LCD1 = LC Display zweizeilig, 2 · 16 Zeichen, mit Controller (z.B. LUMEX S01602
D/A)
Software EPS 050073-11 (Gratis-Download
bei www.elektor.de)
Platine: EPS 050073-2 (siehe ELEKTORShopanzeige am Heftende)
Bild 6. Versuchsaufbau zum Testen der Hard- und SoftwareKonzeption.
Bild 5b. Die Tastatur- und Displayplatine (Layout-Download bei www.elektor.de).
Die wichtigsten Daten
Lader
- Eingangsspannung: 11...16 V
- Ladestrom: Einstellbar von 200 mA bis 4,5 A
- Akku-Typen und Anzahl: 1 bis 8 NiMH- oder NiCd-Zellen, 2 LiPo- oder
Li Ion-Zellen
- „Reflex-Laden bei NiMH und NiCd, kontinuierliches Laden bei LiPo und Li Ion
- Ladeende-Erkennung: Automatisch („Delta-peak“, Empfindlichkeit einstellbar)
Entlader
Entladestrom: Einstellbar von 200 mA bis 5 A, Abschaltspannung ebenfalls
einstellbar
Kapazitätsmesser
- Datenspeicher für 14 Akku-Typen
- Geregelter Lüfter und thermische Sicherung
folge zu beachten, sie ist bei diesen
Typen nicht identisch! Der 7805 muss
eventuell durch einen kleinen Kühlkörper gekühlt werden.
Das LC-Display wird auf der kleineren
Platine neben den Bedientastern montiert. Um unterschiedliche LC-DisplayTypen verwenden zu können, sind auf
der Platine keine Befestigungsbohrungen vorhanden. Beim Bohren ist
4/2007 - elektor
darauf zu achten, dass keine Leiterbahnen beschädigt werden.
Einstellungen und Inbetriebnahme
Bei der ersten Inbetriebnahme sollte
die Schaltung nicht sofort mit einem
12 V-Auto-Akku verbunden werden.
Ein Labornetzteil mit Strombegrenzung hilft bei einem Kurzschluss, Schä-
den zu vermeiden. Ohne Display-Hintergrundbeleuchtung nimmt die Schaltung ungefähr 20 mA auf. Wenn der
Controller das LC-Display nicht erkennt, zum Beispiel wegen einer fehlerhaften Lötstelle, produziert der Beeper
ein regelmäßig durch Pausen unterbrochenes akustisches Signal.
Damit die Schaltung ihren Zweck erfüllt, müssen einige Einstellungen vorgenommen werden. Benötigt werden
eine Betriebsspannung zwischen 12 V
und 16 V (zum Beispiel MotorradAkku) sowie eine weitere Spannung
im Bereich 5...9 V. Diese Spannungsquelle muss Ströme von mindestens
2 A liefern können. Wenn das dafür
verwendete Netzteil eine Einstellung
erlaubt, stellt man die Spannung auf
8,4 V ein. Dies entspricht der Endspannung beim Aufladen von zwei in Reihe
geschalteten LiPo-Zellen.
Beim Einschalten der Betriebsspannung müssen die Taster „FUNC +“
und „FUNC –“ so lange gedrückt gehalten werden, bist auf dem Display
das erste Menü „Calibration #1“
(Spannungskalibrierung) erscheint. An
die Klemmen „BATT +“ und „BATT –“
wird die zweite Spannungsquelle gelegt und parallel dazu ein auf Gleichspannungsmessung eingestelltes Multimeter angeschlossen. Nach diesen
Vorbereitungen stellt man das Trimmpotentiometer R15 so ein, dass die
Spannungsanzeige auf dem LC-Display mit der Multimeter-Anzeige
übereinstimmt.
Für die nächste Messung muss das
Multimeter einen Strom von mindestens 2 A messen können. Für diese
Strommessung wählt man einen passenden Messbereich und schaltet das
Multimeter nun in Reihe mit der Spannungsquelle, die an den Klemmen
„BATT +“ und „BATT –“ angeschlos-
37
PRAXIS AKKUS
Ein Wort zur
Firmware
Die Firmware wurde vollständig in
C geschrieben, die Entwicklungsumgebung war eine Freeware-IDE
(Integrated Development Environment) von SOFTEC (www.softecmicro.com), und als Compiler
wurde der C-Compiler von COSMIC (www.cosmic-software.com)
benutzt. Dieser leistungsstarke
C-Compiler ist in der Freeware-Version auf die Programmlänge 16 KB
beschränkt. Mit der Freeware-Version können jedoch alle Controller
der ST7FMC-Familie programmiert
werden. Das Programm der AkkuZentrale hat eine Länge von ungefähr 14,5 KB. Das Programmieren
wird durch zahlreiche EntwickelTools erleichtert, und ferner ist ein
In-circuit-Debugger preisgünstig
erhältlich (bei SOFTEC, www.softecmicro.com/products.html?type=
detail&title=inDART-STX%2FD oder
bei RAISONANCE, http://www.
raisonance.com/products/ST7.
php#hardware). Interessierte Leser
können den Quellcode von der
ELEKTOR-Website herunterladen.
Der ST7FMC lässt sich (dank seines
Flash-Programmspeichers) bequem
neu programmieren. Dazu muss nur
die SOFTEC-Entwicklungsumgebung
installiert werden, geöffnet wird
dort die zum Projekt gehörende
Konfigurationsdatei. Die Konfigurationseinstellungen sind nach
Wunsch modifizierbar.
sen ist. Nach etwas längerem Drücken
eines beliebigen Tasters erscheint auf
dem Display das Menü für die Stromkalibrierung. Jetzt muss das Trimmpotentiometer R17 so eingestellt werden,
dass die Anzeige auf dem LC-Display
mit dem vom Multimeter gemessenen
Wert übereinstimmt. Anschließend
können beide Spannungsquellen von
der Schaltung getrennt werden.
Das Einstellen weiterer Parameter über
die Anwender-Menüs ist unkompliziert. Nach dem Einschalten der Betriebsspannung erscheint zuerst eine
Willkommensmeldung auf dem Display,
dann wechselt die Anzeige zum Hauptmenü. Mit den Tastern „FUNC +“ und
„FUNC –“ kann zwischen den Parametern navigiert werden, und mit den
Tastern „DATA +“ und „DATA –“ lassen sich die Parameterwerte auf einfache Weise ändern.
Der Datenspeicher hat Platz für die Daten von maximal 14 Akkus. Folgende
Daten sind voneinander unabhängig
einstellbar:
- Bezeichnung des Akkus
- Delta-Peak-Empfindlichkeit (∆P) bei
NiCd/NiMH-Akkus von „L“ (Low) bis
„H“ (High). Höhere Empfindlichkeiten
sollten vorzugsweise bei Akkus mit
wenigen Zellen eingestellt werden,
da bei diesen Akkus am LadezyklusEnde ein relativ niedriger Spannungsrückgang
auftritt (ca. 5...15 mV/Zelle).
- Maximale Ladezeit, so dass zum Beispiel ein schon vorgeschädigter Akku
nicht überladen werden kann. Das
Ladezeit-Ende ist bei solchen Akkus
für die Delta-Peak-Erkennung häufig
nicht messbar.
- Anfangs und Endwert des Entladestroms in Schritten von 50 mA und
100 mA. Die Schaltung kann den Entladevorgang beispielsweise so
steuern, dass er mit einem Entladestrom von 3 A beginnt und mit
200 mA endet. Der Entladevorgang
kann abgebrochen werden, um einen
Ladevorgang auszuführen.
- Ladestrom in Schritten von 50 mA
und 100 mA. Der Ladevorgang kann
abgebrochen werden, um einen Entladevorgang auszuführen.
- Akku-Typ (NiCd/NiMH oder LiIon/LiPo)
- Spannungswert, bei dem der Entladevorgang beendet wird (Ucutoff).
werden.
Während des Entladevorgangs werden
Akku-Spannung und Akku-Kapazität
angezeigt. Wenn beispielsweise ein
voll geladener Akku, Kapazität 1 Ah,
mit 500 mA entladen wird, muss das
Display nach zwei Stunden Entladedauer eine Kapazität von ungefähr
1000 mAh anzeigen.
Die Akku-Zentrale erlaubt zahlreiche
Einstellkombinationen, ihre Auswirkungen können experimentell ergründet werden. Zur Betriebssicherheit
trägt bei, dass alle Lade oder Entladevorgänge jederzeit durch längeres Drücken eines beliebigen Tasters abgebrochen werden können.
Noch zwei wichtige Hinweise
Es ist unbedingt notwendig, dass die
Aderquerschnitte aller Leitungen an
die Maximalwerte der fließenden Ströme angepasst sind. Selbstverständlich
müssen auch die Anschlussstecker den
Strömen gewachsen sein!
Wenn NiCd/NiMH-Akku-Packs mit sieben oder acht Zellen geladen werden
sollen, muss die Eingangsspannung
der Schaltung mindestens 13...15 V betragen. Die Ladespannungen der einzelnen Zellen können während des Ladevorgangs einen Wert von 1,5 V deutlich übersteigen. Die Zellen-Innenwiderstände dürfen nicht vernachlässigt
werden, insbesondere bei hohen Strömen verursachen sie spürbare Spannungsabfälle. Wenn der gemessene
Ladestrom den eingestellten Wert
nicht erreicht, ist das ein sicheres Zeichen dafür, dass die Eingangsspannung zu niedrig ist.
(050073)gd
Weblinks
Datenblatt zum ST7MC2S4:
www.st.com/stonline/products/literature/ds/9721/st7mc2s4.pdf
Application Notes zum ST7MC:
www.st.com/stonline/books/pdf/
docs/10267.pdf
Mehr zum Laden von Li-Ion und
LiPo-Akkus:
www.ni cd.net/accusphp/theorie/
charge/liion.php
Nach einmaliger Eingabe und automatischem Speichern der Daten im EEPROM können der Lade und Entladevorgang (oder nur einer von beiden)
durch langes Drücken des Tasters
„FUNC +“ oder „FUNC –“ gestartet
38
elektor - 4/2007
Datenlogger – 2Gbyte interner Speicher
16-Bit Auflösung – 16 Kanäle – Strom + Spannung + Temperatur + Druck etc.
Einstellbar von 1 M/Tag bis 1000 M/s – RS232 + Modem etc.
ab. 299 EUR
www.hacker-messtechnik.de – Tel.: 02633-200360
Termine für Elektor Nr. 06/2007
Anzeigenschluss:
➔
24.04.2007
Erscheinungstermin:
➔
19.05.2007
Anzeigen:
Verlagsbüro ID • Telefon: (0511) 33 48 436
E-Mail: [email protected] • Internet: www.id-medienservice.de
4/2007 - elektor
39
TECHNIK
AKKUS
Stark im Geben,
hart im Nehmen
Hochlast-Nanophosphat-Akkus im Test
Von Ludwig Retzbach
Lithium-Systeme
sind schon lange die
Hoffnungsträger unter den Akkus.
Unübertroffen in der Energiedichte,
aber anspruchsvoll und teuer in der
Herstellung, sensibel in der Anwendung
und langsam beim Laden.
Das soll sich nun durch Nanotechnologie
beim Kathodenmaterial ändern.
Ludwig Retzbach hat für ELEKTOR erste
Serienexemplare der neuen LiIon-Akkus
getestet – mit durchaus respektablen bis
sensationellen Ergebnissen…
40
Bei den Modellfliegern
sind Lithium-Akkus vom LiPo-Typ (mit
Polymer-Elektrolyt) schon seit Jahren mit hohen Entladeströmen im Einsatz [1]. Die Faktoren Energiedichte
(Wh/kg) und Leistungsdichte (W/kg) sind dabei so
wichtig, dass Kompromisse bei Zuverlässigkeit und
Lebensdauer eingegangen werden, die für industrielle
Anwendungen wie etwa bei Powertools oder Hybridautos
nicht akzeptabel sind. Aus diesem Grund finden sich dort
immer noch andere Technologien – NiCd, NiMH und
sogar Pb (u.a. für Starterbatterien). Seit 2006 fertigt der
US-amerikanische Hersteller A123 Systems eine neue
Hochlast-Zelle in Nanotechnologie in großen Stückzahlen
[2]. Diese Lithium-Akkus verbinden offenbar die Vorteile
von Lithiumzellen mit denen von Nickel-Systemen, ohne
deren Nachteile zu erben. Laut Herstellerdaten (siehe
Tabelle) erhält man einen fast idealen Akku mit folgenden Vorzügen:
- Sicherheit (nicht entflammbar, keine Schutzschaltung
erforderlich)
- Robustheit (hohe Zyklenzahl, einfaches Ladeverfahren)
- hohe Strombelastbarkeit und Schnellladefähigkeit
- konstante Entladespannung (flache Entladekurve)
- hohe Zellenspannung und geringe Selbstentladung
(gegenüber NiMH und NiCd)
- hohe Leistungs- und Energiedichte
Der Preis der in Asien produzierten Zellen ist schon jetzt
auf dem Niveau vergleichbarer LiPo-Zellen und dürfte mit
Zunahme der Stückzahlen bei industriellem Einsatz noch
deutlich sinken. Da alles klingt fast zu schön, um wahr zu
sein – und macht natürlich besonders neugierig auf die
ersten Testergebnisse!
elektor - 4/2007
Technische Daten ANR26650M1
WENIGER IST MEHR?
Über Aufbau und Besonderheiten des neuen Zellentyps
mit FePO4-Kathode (vom Hersteller als „Nanophosphat“
bezeichnet) informiert der Textkasten „Etwas Physik und
Chemie“. Die erste in Serie gefertigte Version ist die
ANR26650M1 (so die vollständige Typenbezeichnung),
eine Rundzelle der durchaus gängigen Größe 26650
(26 mm Zellendurchmesser, 65 mm Zellenhöhe). Bisherige
LiIon-Zellen haben eine Nennspannung von 3,6 V und
eine Ladeschluss-Spannung von 4,1 V (bei einigen Herstellern sind es 3,7 V beziehungsweise 4,2 V). Hier gibt sich
die „Neue“ geradezu bescheiden: 3,3 V Nennspannung
bei auf 3,6 V limitierter Ladespannung. Auch die Nennkapazität von 2,3 Ah ist gegenüber 2,5 bis 2,6 Ah bei
aktuellen LiIon-Zellen vergleichbarer Größe nicht eben
sensationell. Aufhorchen lässt indes der Gewichtsvergleich: Während Vergleichszellen von Sony oder Panasonic 88 bis 93 g wiegen, glänzt die M1 von A123 mit
lediglich 70 g! Der Gehäusebecher ist nämlich nicht aus
Stahlblech, sondern aus Aluminium gefertigt (Bild 1). Das
garantiert neben dem Gewichtsvorteil auch eine hervorragende Wärme(ab)leitung. Entgegen allen bisherigen
Gepflogenheiten stellt der Becher den Pluspol dar. Die
Polkappen tragen zur Kontaktierung dünne Plättchen aus
ferromagnetischem Material (vermutlich Nickel). Für den
Test waren nur Zellenpaare mit verschweißten Ableitern
(Bild 2) verfügbar. Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich die im Folgenden angegebenen Spannungswerte
auf die Reihenschaltung von zwei Zellen.
Nominale Kapazität und Spannung
2,3 Ah, 3,3 V
Interne Impedanz (bei 1 kHz)
typ. 8 mΩ
Gleichstrom-Innenwiderstand (10 A, 1 s)
typ. 10 mΩ
Empfohlene Standard-Ladung
3 A bis 3,6 V (CCCV), 45 min
Empfohlene Schnell-Ladung
10 A bis 3,6 V (CCCV), 15 min
Maximaler Dauer-Entladestrom
70 A (≈ 30 C)
Puls-Entladestrom (max. 10 s)
120 A (≈ 50 C)
Empfohlene Lade-/Entladeschlusspannung bei 25 °C
3,6 V/2 V
Empfohlene Lade-/Entladeschlusspannung bei unter 0 °C 4,2 V/0,5 V
Zyklen bei 10-C-Entladung, 100 % Entladetiefe
> 1000 Zyklen
Betriebstemperaturbereich
-30 °C bis +60 °C
Lagertemperaturbereich
-50 °C bis +60 °C
Abmessungen (Länge/Durchmesser)
65 mm/26 mm
Gewicht ohne Anschlussfahnen
70 g
Restkapazität nach 1000 Zyklen mit 100 % Entladetiefe
- bei 25 ºC, 2,3 A Lade- und Entladestrom
- bei 45 ºC, 3 A Lade- und 5 A Entladestrom
- bei 60 ºC, 3 A Lade- und 5 A Entladestrom
95 %
88 %
77 %
(Quelle: A123 Systems)
Bild 1.
LiIon-FePO4-Einzelzellen
(nur als Muster erhältlich)
und verschweißte und
eingeschrumpfte Akku-Packs.
ERSTE ERGEBNISSE
Um die Datenblattwerte zu verifizieren, ist eine vorsichtige Annäherung an die Grenzwerte angebracht, damit
der Akku nicht schon vorher geschädigt wird. Tatsächlich
verändert jeder Messzyklus den Akku: Mit jedem Lade-/
Entladevorgang wurde ein Rückgang der messbaren Kapazität um ca. 1 mAh festgestellt, was etwa einem halben
Promille der Nennkapazität entspricht. Zu Beginn wurde
mit 1 C (2,3 A) geladen und mit 4 C (9,2 A) entladen.
Die Zellentemperatur blieb beim Laden praktisch unverändert, beim Entladen wurde ein Anstieg von 21 °C auf
31 °C registriert.
Auch die 10-C-Entladung (23 A) verlief unspektakulär,
allerdings stieg die Zellentemperatur schon auf 49 °C.
Bei Entladung bis auf nahezu 4 V (unter Last gemessen)
liefert der Akku eine mittlere Entladespannung (Um) von
5,68 V, was 2,84 V pro Zelle entspricht. Daraus errechnet sich eine Energiedichte von 94 Wh/kg. Die größengleiche Sony US 26650VT liefert bei 10 C zwar eine
etwas höhere mittlere Spannung von 3,24 V, bei der Energiedichte hat die FePO4- Zelle mit 94 Wh/kg gegenüber
89 Wh/ kg die Nase aber erkennbar vorne. Das ist dem
geringeren Zellengewicht zu verdanken, das aber noch
nicht an die in der Modelltechnik etablierten LiPos
(Bild 3) heranreicht. Dort sind heute bei 10 C mittlere
4/2007 - elektor
Bild 2.
Die Achtpunktverschweißung
garantiert einen niedrigen
Übergangswiderstand.
Bild 3.
Nur LiPos im Foliengehäuse
können mit einer noch
höheren Energiedichte
aufwarten.
41
TECHNIK
AKKUS
Spannungswerte von 3,5 V und mehr üblich. Die Energiedichte bewegt sich bei Hochstrom-LiPos schon im Bereich
von 120 bis 170 Wh/kg.
Als Nächstes wurden die Testzellen nach vollständiger
Aufladung mit 1 C auf -8 °C abgekühlt, und zwar gründlich. Die anschließende 10-C-Entladung musste nämlich
wieder unter Arbeitsraumbedingungen (23 °C) durchgeführt werden, wobei die Oberflächentemperatur der Zellen noch vor der Messung schon wieder 9 °C erreichte.
Die Kerntemperatur der Zellen dürfte aber (leider nicht
messbar) noch merklich darunter gelegen haben.
Bild 4 zeigt jedenfalls sehr deutlich, dass die Spannung
der abgekühlten Zellen zuerst tief einbricht, um dann mit
zunehmender Erwärmung fast bis auf den Wert der bei
Raumtemperatur „gestarteten“ Zelle anzusteigen. Der
Unterschied der Zellen-Endtemperatur ist mit 49 zu 47
°C erstaunlich gering. Eine Erklärung ist der temperaturabhängige Innenwiderstand, der bei der anfangs kalten
Zelle eine deutlich höhere Verlustwärme erzeugt.
Beim nächsten Testzyklus wurde der Entladestrom schon
auf 15 C (34,5 A) gesteigert. Die Zellen lieferten bei einem Temperaturanstieg von 23 °C auf 53 °C immer noch
mehr als die volle Nennkapazität. Also nichts wie ran an
die Grenzwerte!
8.0
2S ANR26650 M1 10-C-Entladung (23A)
dem spezifizierten 30-C-Dauer(!)entladestrom (70 A) zu testen. Die Fachwelt ist sich einig, dass eine Entladung spätestens bei Oberflächentemperaturen von 65 °C abzubrechen
sei. Es wurde daher folgender Puls-Messzyklus festgelegt:
10 s Entladung mit 69 A (30 C) (am Beginn einmalig 16 s),
gefolgt von 30 s „Erholung“ bei 11,5 A (5 C). Beendet
wurde die Entladung durch Erreichen der Entladeschlussspannung oder der Temperaturgrenze (wenn früher). Bild 6
zeigt das Ergebnis. In der Hochlastphase fällt die Entladespannung zügig nach unten, was darauf hindeutet, dass
die Lithiumionen im Zelleninneren doch nicht rasch genug
nachfließen. Wie man sieht, kann die „Chemie“ in der
Schwachlastphase aber zügig aufholen. Während die oberen Spannungswerte mit zunehmender Entladetiefe leicht
nach unten streben, werden die Lasteinbrüche mit steigender Zellentemperatur sichtbar geringer, was die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes demonstriert. Bei
halber Entladetiefe wurde dann auch ein Ri(DC) von ca.
11 mΩ ermittelt (Datenblattangabe: typ. 10 mΩ). Die Temperatur stieg bis zum Entladeschluss auf 63 °C. Viel Reserve war also nicht mehr drin, weshalb auf weitere Tests mit
verlängerten Hochlastpulsen verzichtet wurde. Sie hätten
nur bei Zusatzkühlung der Batterie noch Sinn gehabt. Der
Akku hat bei diesem Test 2320 mAh geliefert - immer noch
mehr als Nennkapazität. Beeindruckt hat auch die Symmetrie der Zellenspannungen mit einer Differenz von maximal
10 mV bei allen gemessenen Zyklen. Abgeschaltet wurde
in der Volllast-Phase bei 1 V/Zelle. Eine Minute nach der
Messung pegelten sich beide Leerlaufspannungen wieder
bei 2,74 V/Zelle ein.
Entladespannug [V]
7.0
SCHNELLLADUNG
6.0
Entladespannung bei 23 °C Starttemperatur
Endtemperatur 49 °C
5.0
Entladespannung bei 9 °C Starttemperatur
Endtemperatur 47 °C
4.0
3.0
0
50
100
150
200
250
300
Entladedauer [s]
350
400
070019 - 11
Bild 4. Temperaturverhalten: Die Spannung gekühlter Zellen bricht anfangs ein und
nimmt dann mit der Erwärmung zu.
HOCHSTROMFEST? HOCHSTROMTEST!
Die Messanordnung ist in Bild 5 dargestellt. Das Messen der angegeben Spitzenströme erfordert einen extrem
niederohmigen Mess-Stromkreis. Die Summe aller Widerstände im Messkreis setzte sich aus einem 1-mΩ-Mess-Shunt,
dem eingebauten Shunt der 100-A-Stromsenke mit deren
Restwiderstand, den Kabelwiderständen und den Übergangswiderständen der verwendeten MPX-Stecker zusammen – und war so hoch, dass es eine Einzelzelle auf kaum
mehr als 65 A gebracht hätte. Deshalb wurden auch die
Hochstrommessungen mit zwei Zellen in Reihenschaltung
vorgenommen. Dadurch konnte dann auch mit zwei Multimetern die Spannungssymmetrie der beiden Messzellen
getestet werden.
Mit einem Spitzenstrom von 120 A wäre die vorhandene
Stromsenke überfordert gewesen – aber so weit ist es gar
nicht gekommen. Die bereits bei 15 C aufgetretene Temperaturerhöhung legte es nahe, die Zellen nicht gleich mit
42
Gemessen wurde mit 4 C (9,2 A) ohne elektronische Hilfsmittel (Balancer), aber mit ständiger Einzelspannungsbeobachtung. Wie beim Bleiakku lässt sich bei Lithium-Zellen
nur der Anfangsladestrom einstellen, da die maximale
Ladespannung vom Ladegerät (Bild 7) begrenzt werden
muss. Mit ansteigender Zellenspannung verringert sich der
Ladestrom (I/U-Ladung). Dies geschieht hier nach etwa 10
Minuten, wobei der Shuntwiderstand des Messgeräts einen
etwas verkürzenden Einfluss hat. Dennoch sind nach 20
Minuten Ladedauer schon über 97 % der Nennkapazität
„eingeladen“ und der Ladestrom ist auf 0,5 A abgesunken.
Ein Schnellladegerät dürfte jetzt getrost schon „voll“ signalisieren. Die Einzelzellenspannungen liefen während der
gesamten Schnellladung nur vorübergehend und geringfügig um maximal 20 mV auseinander und erreichten den
Endpunkt fast zeitgleich. Bei Schnellladung ist, wie Bild 8
zeigt, auch eine messbare Erwärmung feststellbar. Sie folgt
dem Ladestrom etwas verzögert und dürfte allein auf die
Verlustleistung am Innenwiderstand zurückzuführen sein.
Bei der ANR26650 M1 scheint die empfohlene Ladeschlussspannung mit 3,6 V definitiv auf der sicheren Seite
zu liegen. Der Autor hat – bei bewusstem Verzicht auf
Sicherheit (Don’t Try This at Home!) die Überladefähigkeit „angetestet“ und die beiden Zellen bis auf 7,8 V
Endspannung (3,9 V/Zelle) geladen. Die Zellenspannungen (Bild 9) ließen sich dabei nicht aus dem Gleichlauf
bringen, es gab keine verdächtigen Geräusche und Gerüche, doch auch der „Lohn der Angst“ hielt sich in Grenzen: Bei der anschließenden 3-C- Entladung kamen gerade
mal 100 mAh mehr auf den Zähler, und auch die mittlere
Entladespannung war nur unmerklich höher. Eine Überladung ergibt eine marginale Zunahme der Energiedichte
von 103,6 Wh/kg auf 104,6 Wh/kg – und stellt somit ein
völlig unnötiges Risiko mit (wahrscheinlich) negativem Einfluss auf die Lebensdauer dar.
elektor - 4/2007
Stromsenke
bzw.Ladegerät
Etwas Physik und Chemie
Zelle 2
www. sm-modellbau.de
Zelle 1
Zelle 1
Spannung
Zelle 2
Spannung
V
V
070019 - 12
Bild 5. Alle Messungen wurden mit zwei in Reihe geschalteten Zellen vorgenommen und
die Messwerte mit dem Unitest2-Logger aufgezeichnet. Die beiden Multimeter zeigen
zusätzlich die einzelnen Zellenspannungen.
8
80
2 S ANR26650 M1 (30 C / 5 C)
Entladespannung
70
6
60
5
50
4
40
3
30
Zellentemperatur
2
1
20
10
Entladestrom
Zeit [s]
300
270
240
210
180
150
120
90
60
0
30
0
070019 - 13
Bild 6. Hochstrom-Entladung mit einem Entladestrom, der zwischen 30 C
und 5 C wechselt.
Bild 7. Dieses Ladegerät von Graupner ermöglicht eine I-/U-Ladung ( Constant
Current/Constant Voltage) mit auf 9,2 A begrenztem Ladestrom und einer maximalen
Ladespannung von 3,6 V/Zelle.
4/2007 - elektor
43
Strom [A], Temperatur [Grad °C]
7
0
Zur Einhaltung solcher Spannungslimits dienen bei
herkömmlichen Lithium-Batterien mit mehreren
Serienzellen elektronische Hilfsmittel wie Balancer,
Equalizer oder (zumindest) exakt arbeitende Spannungsbegrenzer, die mit zunehmender Ladestromhöhe immer aufwendiger werden und immer mit
Energieverlusten verbunden sind. Der Anwender
würde daher gerne darauf verzichten, was natürlich
auch eine gewisse Tiefentladungsresistenz voraussetzt. Weitere Wünsche betreffen das Temperaturverhalten (möglichst großer Betriebstemperaturbereich) und die Möglichkeit der Schnellladung.
Die FePO4-Zelle von A123 Systems stellt sicherlich
einen Fortschritt dar.
Es bleibt aber noch zu klären, wie es um die
Fehlbehandlungstoleranz der ANR26650M1
bestellt ist.
Temperatursensor
UniTest 2
Spannung [V]
Die Nanotechnik soll bei Lithium-Systemen die
reaktiven Oberflächen der Elektroden vergrößern.
Während man im Bereich der Grafit-Anode (Minuselektrode) die Entwicklungspotentiale weitgehend
ausgeschöpft zu haben scheint, bewegt sich ganz
offensichtlich kathodenseitig noch einiges. Dort dienen Verbindungen (meist Oxide) von so genannten
Übergangsmetallen als „Ionenfänger“. Bereits erprobt
und im Serieneinsatz sind Metalle wie Mangan,
Kobalt und Nickel mit spezifischen Vor- und Nachteilen. A123 Systems setzt nun auf Eisen (Fe) als
weiteres Element aus der 4. Periode. Mit Eisenphosphat (FePO4) scheint man ein Kathodenmaterial
gefunden zu haben, das schon bei relativ niedriger
Spannung genug Lithium-Ionen für eine ausreichend
große Systemkapazität aufnimmt. Die nötige chemische Stabilität ist bei LiIon-Akkus grundsätzlich nur in
einem schmalen Spannungsfenster zwischen 2,3 V
und 4,3 V gegeben, wobei sowohl der obere wie
auch der untere Randbereich bereits als standzeitrelevante Kompromisse gelten. Daher werden in der
Praxis bislang 4,2 V als Obergrenze akzeptiert und
4,1 V als lebensverlängernd empfohlen.
Anschlusskabel
(4 mm 2)
TECHNIK
AKKUS
ERSTES FAZIT
Die neuen LiIon-Akkus mit FePO4-Kathode bringen die
Lithium-Technologie der industriellen Hochstromanwendung näher. Dazu trägt eine weitgehend flach verlaufende Entladespannungskennlinie bei. Die Energiedichte
ist zwar noch nicht viel höher als bei bisherigen LiIon-Zellen, die Leistungsdichte ist es aber. Die Kombination von
niedrigem Innenwiderstand mit niedrigem Gewicht bietet
gute Aussichten, die von Nickel- und Blei- Zellen besetzte
Domäne der Poweranwendungen erobern zu können.
Dass 30 C wohl noch nicht wirklich als Dauerlast entnommen werden können, ohne die Zellentemperatur auf ungesunde Höhen zu treiben, ist keine Enttäuschung:
Wer möchte schon seine 2,3-Ah-Zellen mit 70 A – also
in nur zwei Minuten - vollständig entladen? Für so etwas
muss es auch nicht unbedingt Lithium sein…
Hingegen kann es beim Laden oft nicht schnell genug gehen. Auch wenn die A123-Akkus noch nicht in 1-2-3-Minuten geladen sind, reicht bereits der zeitliche Horizont
einer Frühstückspause. Insofern ist es kein Zufall, dass es
bereits Profi-Schlagbohrmaschinen in 36-V-Technik (10
Zellen) mit diesen Akkus gibt [3].
35
2000
25
- Ladung
U- Ladung
1500
20
15
1000
Ende der
Konstantstromladung
10
Ladespannung
500
5
Ladestrom
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Ladezeit [s]
1400
1600
1800
070019 - 14
0
2000
Aufgenommene Ladung [mAh]
Strom [A], Spannung [V], Temperatur [Grad ºC]
aufgenommene Ladung
Zellentemperatur
(070019-I)
Erhältlichkeit
2500
2S ANR26650 M1 4-C-Schnellladung (9,2 A)
30
Am aussichtsreichsten scheint derzeit der Einsatz in Hybridfahrzeugen und 3-Liter-Autos. Eine Starterbatterie aus
vier FePO4-Zellen (13,2 V) ist um 70 % leichter als ein
Bleiakku. Im Hybridauto wird Lithium-Technik bereits ab
2008 erwartet (unter anderem im Toyota Prius III). Bessere
Zyklenfestigkeit und wesentlich höhere Energie- und Leistungsdichte lassen einen Quantensprung in der HybridFahrzeugtechnik mit wesentlich verbesserter „Zero-Emission“-Fähigkeit erwarten. In den USA gibt es eine Reihe
von Projekten für „Plug-In-Hybrids“, deren Akkus sich an
der Steckdose auftanken lassen. A123 kooperiert bereits
mit dem Automobil-Zulieferer Cobasys und ist zusammen
mit Johnsoncontrol (VARTA/SAFT) auch an einem Vertrag
mit General Motors über die Entwicklung eines LithiumAkkus für ein Plug-In-Hybrid-SUV beteiligt. Interessant wird
die Technik sicher auch für noch sparsamere Elektrovehikel, vom spaßbetonten Elektroscooter über den trendigen
Segway bis hin zum Elektrofahrrad, das dann dank der
50-C-Beschleunigungsstöße (10 Sekunden sind genug!)
endlich vom Image des Schleichgang-Seniorenmopeds
wegkommt…
Die verwendeten Testmuster stammen vom deutschen
Akku-Systemanbieter BMZ [4]. BMZ ist unseres
Wissens nach momentan auch der einzige europäische Importeur von A123-Akkus. Die unter dem
Label „BMZ“ und „Konion“ vertriebenen Akkus
werden vom Akku-Service Untermain konfektioniert.
Es ist nicht unwahrscheinlich, dass die Zellen bei
zunehmender Nachfrage auch von Akku-Spezialversendern und Elektronik-Katalog-Distributoren
angeboten werden (dem Vernehmen nach demnächst
bei www.batt-mann.de). A123 Systems selbst bietet
auf der eigenen Website [5] Developer-Kits an.
Auf einer separaten Seite für Modellsportler [6] sind
auch Akkupacks und Ladegeräte zu finden.
Bild 8. Schnellladetest mit 9,2 A Anfangs-Ladestrom (20-minütige Ladung).
Bild 10. Die erste Ausführung der Zelle von A123-Systems.
Bild 9. Selbst die beginnende Überladung bringt die 2-zellige Batterie
nicht aus der Balance.
44
[1] Ulrich Passern: „Super-Lithium-Akkus“,
ELEKTOR 11/2004, S. 16
[2] „Mega-Power mit Nano-Phosphat“,
ELEKTOR 1/2007, S. 14
[3] www.dewalt.com
[4] www.bmz-gmbh.eu
[5] www.a123systems.com
[6] www.a123racing.com
elektor - 4/2007
Mit Früchtetee
zur
Sonnenzelle
Farbstoff-Solarzellen
selbst gebaut
So funktionieren
Farbstoff-Solarzellen
Zutaten und Werkzeug
Gläser (einseitig leitfähig beschichtet): Sie sind in den Kits enthalten,
die man im Internet bestellen kann. Es funktioniert aber auch so genanntes Wärmeschutzglas. Im Allgemeinen können Glaser immer ein paar
Scherben dieser Glassorte abgeben, da daraus wärmedämmende Fenster
gefertigt werden. Fürs Zuschneiden (man benötigt mindestens zwei etwa
5 mal 2 cm große Stückchen einer einzelnen Scheibe) berechnen sie ein,
zwei Euro.
TiO2 + Polyethylenglykol: Das Polyethylenglykol – ein Grundstoff für
allerlei Salben und Cremes - wird zum Aufschlämmen des Titandioxids
verwendet. Man kann beides in der Apotheke erhalten (das Polyethylenglykol muss mit einem Molekulargewicht von ca. 300 ausreichend
dünnflüssig sein, es gibt auch festes!). Bequemer geht alles mit einer fertigen weißen Suspension, die im Internet-Kit enthalten ist. Hier kann man
sich auch darauf verlassen, dass die Korngröße des Titandioxids stimmt
(ca. 20 nm) und das Material fein genug verteilt ist, was beim Selbermachen nicht ganz einfach zu erzielen ist. Wer will, kann auch einmal
weiße Zahnpasta, Tipp-Ex, weiße Wandfarbe oder ähnliches probieren,
in denen TiO2 als Weißmacher drin ist.
Elektrolyt: Ebenfalls in den Internet-Kits enthalten. Wir haben es auch mit
einer Jod-Lösung in 65-prozentigem Ethanol aus der Apotheke versucht,
was immer noch funktioniert, aber nur etwa ein Drittel an Strom liefert.
Früchtetee (z.B. Hagebutte, Hibiskus): Im Internet-Kit enthalten,
aber problemlos auch anderweitig zu beschaffen
Campinggaskocher, Feuerzeug
Stativ / dritte Hand, Gitter (zur Auflage der Gläser beim Backen)
Pipette (das Auftropfen der Titandioxid-Lösung geht aber auch
mit einem Teelöffel)
Pinzette
Wasserkocher
Teekanne
Fön
Klebestreifen (Tesafilm)
Stück Alufolie
Petrischale oder flache Schale/tiefer kleiner Teller
Bleistift
Glas/Karte zum Verstreichen des TiO2
Multimeter
Krokodilklemmen
www.elektor.de
Die Farbstoffsolarzelle besteht aus zwei leitfähig beschichteten
Glasscheiben (als leitfähige Schicht wird ein Metalloxid verwendet).
Zwischen den Glasscheiben befindet sich eine etwa 10 µm dünne poröse
Schicht aus zusammengebackenen, rund 20 nm großen Kristallen aus
Titandioxid. Hieran ist der Farbstoff angelagert - in industriell hergestellten
Farbstoffzellen enthält der Farbstoff das Edelmetall Ruthenium,
für experimentelle Zwecke wird ein natürlich vorkommender roter Farbstoff
verwendet. Dank der winzigen TiO2-Kristalle und den Zwischenräumen ist
die effektive Oberfläche der Struktur sehr groß und die Farbstoffschicht sehr
dünn (dies ist unabdingbar, da der Farbstoff selbst schlecht leitet).
Fällt Licht auf ein Farbstoffmolekül, so injiziert dieses ein Elektron in
das Titandioxid. Die Elektronen sammeln sich in der leitfähigen Schicht,
die sich zwischen dem Titandioxid und einer der Glasplatten befindet
(Arbeitselektrode).
Auf der anderen Seite dient ebenfalls eine leitfähige Schicht als
Gegenelektrode; der Zwischenraum ist mit einer Elektrolytlösung gefüllt.
Für experimentelle Zwecke wird eine einfache Salzlösung (Jod-Jodid)
verwendet, das Acetonitril industrieller Farbstoffsolarzellen ist zu flüchtig
und zu giftig. Trijodid-Moleküle in dieser Lösung reagieren an dieser
Gegenelektrode sehr „gerne“ zu Jodid-Molekülen, vor allem, wenn man
dort noch einen zusätzlichen Katalysator aufbringt (industriell Platin,
experimentell Graphit). Für die Reaktion sind allerdings Elektronen
nötig. Da an der anderen Elektrode aber gerade ein Elektronenüberschuss
herrscht, entsteht eine Spannung, die man abgreifen kann. Verbindet man
die Elektroden „außen herum“ über einen Verbraucher, fließt Strom.
Die Jodid-Moleküle in der Lösung geben schließlich Elektronen an den
Farbstoff ab und reagieren so wieder zu Trijodid-Molekülen
– der (Strom-)Kreis schließt sich.
Von Dr. Axel Werner und Jens Nickel
So genannten Farbstoff-Solarzellen steht
wahrscheinlich eine große Zukunft
bevor – vielleicht wird das teure Silizium
sogar einmal ganz überflüssig.
Kaum zu glauben, dass sich die revolutionären Zellen mit einfachen Mitteln
selbst herstellen lassen.
Glasplatte
e-
leitfähige Schicht
(Elektrode)
e-
aneinander gebackene
TiO2 -Kristalle
eFarbstoff-Moleküle
I 3- eElektrolyt-Lösung
e-
3I-
leitfähige Schicht
und Katalysator
(Gegenelektrode)
060314 - 11
Dass in Pflanzen vorkommende organische
Stoffe Sonnenlicht in nutzbare Energie umwandeln können,
ist vom Chlorophyll (Blattgrün) wohlbekannt.
Weniger bekannt dürfte sein, dass natürlich vorkommende
organische Farbstoffe als Elektronenlieferant in Solarzellen dienen können
(siehe Kasten). Grundbestandteil einer solchen Zelle ist nicht der Halbleiter Silizium,
sondern der Halbleiter Titandioxid (TiO2). TiO2 wird großindustriell hergestellt und
dient zum Beispiel als Weißpigment in Papier, Wandfarbe und Zahnpasta.
Allerdings absorbiert Titandioxid ausschließlich Licht im ultravioletten Bereich,
dessen Anteil im Spektrum des Sonnenlichts gering ist. Um auch das sichtbare
Sonnenlicht absorbieren zu können, wird das TiO2 durch einen organischen
Farbstoff „sensibilisiert“.
An solchen Farbstoff-Solarzellen (nach ihrem Erfinder auch Grätzel-Zellen genannt)
wird weltweit intensiv geforscht [1]. Verglichen mit den Zellen aus dem Halbleiter
Silizium beträgt der Wirkungsgrad mit etwa 7 % zwar nur etwas mehr als ein
Drittel. Doch könnten Solarzellen mit dieser Technologie weitaus billiger werden,
denn die Herstellung der traditionellen Zellen ist aufwendig und teuer.
WEBLINKS
ZELLEN DER ZUKUNFT?
[1] www.farbstoffsolarzelle.de
[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Grätzel-Zelle
[3] www.mansolar.com/deutsch.htm
[4] www.solideas.com/solrcell/iceorder.html
[5] www.elektor.de/Default.aspx?tabid=29
Farbstoff-Solarzellen werden vermutlich erst in wenigen Jahren marktreif sein;
vorher sind noch Probleme wie zum Beispiel die Langzeitstabilität zu lösen, denn
Luftsauerstoff macht die Zellen unbrauchbar [2]. Doch eignet sich das Prinzip prima
zum Selbstbau einer Solarzelle. Der benötigte Farbstoff lässt sich zum Beispiel aus
Himbeeren oder Früchtetee gewinnen. Im Internet werden Kits [3] [4] angeboten,
welche alle benötigten Zutaten enthalten; es macht aber auch Spaß, das Ganze mal
mit Isolierglas-Stückchen vom Glaser und in der Apotheke erstandenem Titandioxid
auszuprobieren. Im Folgenden geben wir eine Anleitung in Wort und Bild
– machen Sie mit!
(060314-I)
9
10
11
12
siehe unsere Zutatenliste auf der übernächsten Seite
Grundlage der Solarzellen ist herkömmliches, etwa 2 mm
dickes Fensterglas, das mit einem Metalloxid (z. B. ZnO)
transparent leitfähig beschichtet wurde.
Dies lässt sich leider nicht selbst machen – das leitfähig
beschichtete Glas ist aber im Internet-Kit enthalten,
das bei Manslar [3] bezogen werden kann (das Bild zeigt einige
der mitgelieferten Zutaten und Tools).
Eine Variante des Kits enthält sogar leitfähig beschichtete Glasstückchen, die schon eine aufgebackene TiO2-Schicht aufweisen.
Während des Backens wird das TiO2 braun, da die organischen
Bestandteile verbrennen (siehe Bild).
Am Ende muss die TiO2-Schicht aber wieder weiß sein.
Das Glas muss nun langsam abkühlen, sonst kann es springen.
Dazu sollte man die Gläser nicht sofort vom heißen Gitter nehmen,
sondern zunächst an den etwas kühleren Rand schieben.
Hier die wichtigsten Zutaten aus dem Internet-Kit (links) und eine
mögliche Alternative (rechts). Eine Alternative zu den Glasstückchen
des Internet-Kits sind Abfälle von Isolierglasscheiben
(siehe Zutatenliste). Das TiO2-Pulver sollte eine Teilchengröße von
15 bis 25 nm aufweisen. Es wird mit einem ölartigen Dispergiermittel (Polyethylenglykol) zu einer dickflüssigen Paste im Verhältnis 1:1
verrührt (siehe Zutatenliste). Den Elektrolyten aus dem Internet-Kit
kann man (mit einem etwas schlechteren Ergebnis) durch eine
Jod-Lösung in Ethanol ersetzen. Probieren Sie es einfach mal aus
– Ergebnisse können gerne im ELEKTOR-Forum [5] gepostet werden.
Nun den Früchtetee kochen (wenig Wasser, mehrere Teebeutel)
und in eine Schale geben. Eine weitere Quelle für den Farbstoff ist
Rote-Beete-Saft, Himbeersaft oder rote Tinte.
Die abgekühlten beschichteten Gläser werden rund 5 Minuten in
der Schale gebadet. In dieser Zeit wird eine weitere Glasscheibe
auf der leitfähigen Seite mit Graphit (Bleistift) bestrichen.
Diese Schicht dient als Katalysator für den Elektronenübergang
von der Elektrode zum Elektrolyten.
Mit Früchtetee
ee
zur Sonnenzelle
Mit einem Ohmmeter misst man, auf welcher Seite der Gläser
sich die leitfähige Schicht befindet.
Ein Glas wird (leitfähige Seite nach oben)
mit drei Klebestreifen auf dem Tisch fixiert.
Farbstoff-Solarzellen selbst gebaut
Farbstoff-Solarzellen könnten das teure Silizium
einmal überflüssig und den Solarstrom weitaus
Mit einer Pipette wird das aufgeschlämmte
Titandioxid aufgenommen. Danach gibt man
einige Tropfen auf die leitfähige Seite des Glases …
Die Gläser aus dem Bad entnehmen (das TiO2 hat jetzt die
Färbung des Tees angenommen, siehe Bildmitte) und mit klarem
Wasser abspülen. Danach mit Fön oder Ähnlichem trocknen.
Alles, was man nun zum endgültigen Zusammenbau der Zelle
benötigt, ist auf dem Bild zu sehen.
Beide Glashälften werden versetzt aufeinander gelegt
(leitfähige/beschichtete Seiten zueinander). Dabei sollte man nicht
verrutschen, da das TiO2 abgekratzt werden könnte.
Die beiden Glashälften werden mit aus Büroklammern gebastelten
Klemmen aneinandergepresst; man kann sie aber auch einfach
mit Tesafilm umwickeln.
billiger machen. Diese revolutionären Zellen lassen
sich mit einfachen Mitteln selbst herstellen
– man benötigt nur etwas leitfähig beschichtetes
Glas und ein paar Chemikalien.
Grundstoffe sind Titandioxid und ein roter Farbstoff,
der zum Beispiel in Hagebuttentee vorkommt.
Rechts finden Sie eine Anleitung in Wort und Bild
… und streicht das Ganze mit einer Karte oder einem weiteren
Glas glatt. Eine gleichmäßige Schicht erreicht man, wenn die Karte
beim Verstreichen auf beiden Seiten auf den Klebestreifen aufliegt.
Rechts zum Vergleich ein fertig beschichtetes Glas aus dem Internet
– so schön bekommt man das natürlich niemals hin …
Mittels Volt- und Amperemeter lässt sich die Spannung (rund 0,3 V)
und der Strom messen (bis rund 1 mA, hier im Fotostudio ist es
natürlich erheblich weniger). Mehrere Zellen kann man mit
Krokodilklemmen in Reihe schalten.
– machen Sie mit!
www.elektor.de
Der Elektrolyt wird zwischen die beiden Glashälften gegeben.
Hierzu einfach einige Tropfen auf eines der Gläser träufeln;
der Elektrolyt wird dann durch die Kapillarkräfte zwischen
die Gläser gezogen.
Die Schicht muss nun im Ofen oder über einer offenen Flamme
(z. B. über einem Campinggaskocher) bei rund 450 °C
gebrannt werden. Hier wird Letzteres verwendet.
Einige Zentimeter oberhalb der Kocherflamme wird
das Auflagegitter angebracht und das TiO2-Glas darauf gelegt.
Auf eine Versiegelung wie bei industriellen Farbstoff-Solarzellen
lässt sich hier verzichten – so können die Gläser sogar recycelt
werden. Dazu trennt man am Ende beide Glasscheiben und wäscht
die Schichten mit Wasser unter etwas Reiben ab. Die Graphitschicht ist eventuell nicht vollständig zu entfernen, weswegen es für
folgende Versuche ratsam ist, die einmal als Gegenelektrode
verwendeten Gläser wieder als Gegenelektrode zu verwenden.
ENTWICKLUNGSTIPPS TECHNIK
Einfacher Akkutester
Von Paul Porcelijn
5Ω
3k
Der „Supersimple Akkutester“ der das Testobjekt als entladen 1-kΩ-Widerstand (R2) zur Begren- lais bei der Akkuspannung 0,8 V
aus der ELEKTOR-Ausgabe vom gilt, beträgt 0,8 V. Wenn die Ak- zung des Basisstroms von T1 vor- abfällt. Es schadet nichts, wenn
Juli/August 2006 (Schaltung kuspannung die untere Grenze handen. T1 und D1...D4 müssen man die Einstellung mehrfach
20) ist tatsächlich supersimpel. erreicht, fällt das Relais ab. Der keine besonderen Anforderungen wiederholt, eventuell mit höheNachteilig ist jedoch, dass die Akku wird von Lastwiderstand erfüllen.
ren Lastwiderstandswerten, zum
am Testobjekt betriebene Uhr R1 getrennt, er kann nicht tiefer Die Schaltung wird nicht aus Beispiel 200 Ω oder 400 Ω.
bereits stehen bleibt, bevor der entladen werden. Die Uhr zeigt dem zu testenden Akku, sondern Der Akkutester eignet sich auch
Akku restlos leer ist. Bei jeder die Entladedauer minutengenau von einem kleinen 5 V-Stecker- zur Kapazitätsmessung von AkkuZeigerbewegung entnimmt das an, so dass eine einfache, nicht netzteil mit Strom versorgt. Eine packs, bei denen mehrere Zellen
Uhrwerk dem Akku impulsar- nur überschlägige Berechnung etwas höhere Spannung hat auf in Reihe geschaltet sind. In diesem
tig Strom. Dem Stromentnahme- der Akkukapazität möglich ist. die Zeitmessung keinen Einfluss. Fall muss der Lastwiderstand anStoß ist der Akku schon einige Steht die Uhr beispielsweise auf Zum Einstellen von P1 auf die Ab- gepasst werden. Auch ist der EiZeit vor dem endgültigen
genschaft Rechnung zu
Aus nicht mehr gewachtragen, dass die Zellen
sen. Die erweiterte Aknicht gleichzeitig die Entkutester-Schaltung trägt
ladeschwelle erreichen.
dem genannten UmWenn die Kapazität eines
stand Rechnung. Zwar
Akkupack mit der Nennist die Konstruktion nun
spannung 7,2 V (sechs
nicht mehr so „supersimZellen) gemessen werden
pel“ wie vorher, doch
soll, wird empfohlen, die
C1
der zusätzliche Aufwand
untere Grenzspannung auf
beseitigt verschiedene
1,0 V zu erhöhen. Für die
Unzulänglichkeiten.
Last 5 Ω pro Zelle (Entla470µ
Vor dem Testlauf muss die
destrom ca. 200 mA)
D2
D3
D4
Uhr von Hand auf 12:00
muss der Lastwiderstand
Uhr gestellt werden.
6 · (1,0 V / 0,8 V) · 5 Ω
Wenn Taster „START“
5 Ω = 32,5 Ω betragen.
R3
D1
gedrückt wird (und der
Die vom Lastwiderstand
1V5
Akku geladen ist!), fließt
in Wärme umgesetzte
in die Basis des TransisLeistung beträgt im Dur5V
RE1
tors T1 Strom. Der Tranchschnitt ungefähr 6 V ·
10 mA
sistor leitet, und das Re200 mA = 1,2 W. Der
1V2
5V
lais zieht an. Dem Akku
Widerstand sollte etwas
0V8
wird über den geschlosbelastbarer dimensioniert
STOP
BT1
senen Relaiskontakt und
sein und 5 W vertragen.
den 5-Ω-Lastwiderstand
Der Akkutester wurde für
S1
(R1) ein Strom von unkleine Akku-Typen konT1
gefähr 200 mA entnomzipiert (AA oder AAA),
R2
men. Der Strom fließt so
er kann durch einen nie1k
lange, bis die Akkuspanderohmigeren LastwiSTART
nung auf einen Wert bei
derstand auch an größeR1
0,8 V gesunken ist. Mit
re Akkus angepasst werBC547
Poti P1 lässt sich die Abden. Dabei ist stets die
P1
schaltschwelle präzise
in Wärme umgesetzte
2k
einstellen.
Leistung zu berücksichtiDie Spannung an der Regen (bei 1 Ω mindestens
laiswicklung ist genügend
2 W), und außerdem
060303 - 11
hoch, um das Uhrwerk in
muss das Relais den
Gang zu halten. Die drei
Strom schalten können
in Reihe geschalteten Di(bei 1 Ω mindestens 2
oden D2, D3 und D4 sorgen zu- 04:30 Uhr, dann beträgt die Ak- schaltschwelle leistet ein fast ent- A). Der Spannungsabfall, der im
sammen mit Widerstand R3 und kukapazität mit guter Näherung ladener Akku gute Dienste. Last- Entladestromkreis auftritt (Akku
Elko C1 dafür, dass die Span- 200 mA · 4,5 h = 900 mAh.
widerstand R1 wird gegen einen Relaiskontakt Lastwiderstand
nung am Uhrwerk genügend Lastwiderstand R1, dessen Wert Widerstand mit höherem Wert Akku), darf nicht vernachlässigt
stabil und impulsbelastbar ist. 5 Ω beträgt, wird durch zwei getauscht, zum Beispiel 100 Ω. werden. Ein zu niedriger LeiterDie Zeiger bleiben genau dann parallel geschaltete 10-Ω-Wi- Der Akku wird mit einem Voltme- querschnitt hat falsche Testergebstehen, wenn die Akkuspan- derstände realisiert. Ferner sind ter verbunden, danach wird auf nisse zur Folge!
nung auf einen definierten Wert eine Schutzdiode parallel zur „Start“ gedrückt. Poti P1 muss so
gesunken ist. Die Schwelle, bei Relaiswicklung (D1) und ein eingestellt werden, dass das Re(060303)gd
4/2007 - elektor
45
PRAXIS
MINIPROJEKT
Einfacher
Solarlader
Verhindert das Überladen von
NiCd/NiMH-Zellen
Von Luc Lemmens
Kleine Solarzellen sind zurzeit recht
preiswert erhältlich – wenn man sie nicht
schon vorher aus einer solarbetriebenen
Gartenleuchte ausgebaut hat.
Doch was macht man damit?
Wie wär’s mit einem Akkulader?
Prinzipiell genügt es, Sonnenzellen über
eine Schottky-Diode an eine Reihe in
Serie geschalteter Akkus anzuschließen.
Der Innenwiderstand eines kleinen
Solarmoduls sorgt zwar dafür, dass der
Ladestrom nicht zu groß werden kann,
aber die Gefahr des Überladens der
Akkus ist dennoch gegeben. Unsere
kleine Ladeschaltung sorgt dafür, dass
dies nicht geschieht (Bild 1).
FUNKTIONSWEISE
Die Schaltung besteht lediglich aus
zwei Transistoren und einigen passiven Bauelementen. Das Prinzip ist
einfach:
Die Spannung des Akku-Packs wird
permanent gemessen. Wird sie zu hoch
(ein Zeichen, dass die Akkus voll geladen sind), so wird ein Leistungswiderstand zum Solarmodul parallel geschaltet. Dadurch sinkt die Spannung
der Solarzellen und die Akkus werden
46
nicht mehr weiter geladen.
Die Spannungsmessung erfolgt mit T2
und seiner Peripherie. Die Z-Diode D2
verleiht dem Emitter von T2 einen Offset von etwa 1,4 V. Sobald an der Basis
von T2 eine Spannung von 2 V anliegt
(1,4 V plus Basis-Emitter-Übergang von
T2), wird der Transistor leitend. T2 erhält über den Spannungsteiler R3, P1
und R6 die Basisspannung zugeführt.
Der Strom aus den Sonnenzellen wird
dann über den Leistungswiderstand
R7 (10 Ω) abgeleitet, was zum Beenden des Ladevorgangs führt. Eine Belastbarkeit von 1 W ist bei diesem Widerstand normalerweise ausreichend.
Bauelemente-Toleranzen innerhalb des
Spannungsteilers sowie von T2 und
D2 lassen sich mit P1 ausgleichen. Mit
diesem Poti kann die Lade-Endspannung der Akkus eingestellt werden.
Normalerweise handelt es sich hierbei um einen Wert von etwa 1,44 V für
eine vollständig geladene Zelle (NiMH
elektor - 4/2007
steht aus acht in Reihe geschalteten
Solarzellen. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung liefert ein solches Modul
etwa 140 mA bei 8 x 0,45 V = 3,6 V.
Man kann natürlich auch größere Module mit einem höheren Nennstrom
verwenden, um die Ladezeit abzukürzen – das ist primär eine Preisfrage.
Bei dem erwähnten 140-mA-Modul
braucht zum Beispiel ein vollständig
entladener 1400-mAh-Akku schon einen vollen Sonnentag (12-14 Stunden)
für eine volle Ladung.
Noch ein Tipp für die Montage der Bauelemente: Eine Z-Diode von 1,4 V besteht meist aus zwei herkömmlichen,
in Reihe geschalteten Dioden. Diese
„Pseudo-Z-Diode“ wird im Gegensatz
zu normalen Z-Dioden nicht in Sperrrichtung, sondern in Durchlassrichtung geschaltet. Die Kathode (der Anschluss mit dem Ring) muss in diesem
Fall also mit Masse verbunden sein.
Das Einstellen der Schaltschwelle geschieht am einfachsten, indem man
die Akkus kurzfristig durch ein
einstellbares Gleichspannungsnetzteil ersetzt. Stellen Sie die
Ausgangsspannung dieses
Netzteils auf einen Wert von
2,88 V ein. Messen Sie als Nächstes die Spannung am Lastwiderstand
R7 mit einem Voltmeter.
Setzen Sie das Solarmodul möglichst
hellem Sonnenlicht aus. Stellen Sie das
Trimmpoti auf maximalen Wert. Drehen Sie nun das Poti langsam so weit
zurück, bis das Voltmeter plötzlich einen Wert von ein paar Volt anzeigt.
Dies ist ein Zeichen dafür, dass T1
leitet.
Der Abgleich ist damit beendet. Das
Netzteil kann nun entfernt und durch
die Akkus ersetzt werden.
Lochrasterplatine aufgebaut werden.
Das Foto zeigt unseren Prototypen.
Für die Ein- und Ausgangsanschlüsse
empfiehlt sich die Verwendung von
Schraubklemmen. Damit lässt sich die
Platine sehr schnell und einfach mit
dem Solarmodul und den Akkus verbinden. Die Nennspannung des Solarmoduls richtet sich nach der Anzahl der
zu ladenden Zellen. Da der typische
Spannungsabfall an der Schottky-Diode
D1 bei 0,3…0,4 V liegt, sollte die Nennspannung des Moduls mindestens um
diesen Betrag höher sein als die mit
P1 eingestellte LadeEndspannung des
Akkus. Ein typisches (preiswertes) Solarmodul
zum Laden von
zwei Zellen be-
(060315)
D1
BAT86
T1
AUFBAU
Da die hier gezeigte Ladeschaltung
mit einer geringen Anzahl von Bauteilen auskommt, kann sie auch auf einer
4/2007 - elektor
R3
22k
R2
8k2
8k2
R1
BT1
P1
R5
K1
K2
10k
T2
10k
BC328
BT2
BC548B
D2
R6
100k
R7
10
oder NiCd), so dass bei zwei in Serie geschalteten Zellen T2 bei einem
Wert von 2,88 V (an K2) durchschalten
muss.
Durch Ändern der Werte des Spannungsteilers lässt sich die Schaltung
auch leicht an andere Akkuspannungen anpassen. Bei einer Serienschaltung von beispielsweise drei oder vier
Akkuzellen genügt eine Erhöhung des
Wertes von R3.
1V4
060315 - 11
Bild 1. Die Schaltung besteht lediglich aus zwei Transistoren, zwei Dioden, einem Poti und sechs Widerständen.
47
PRAXIS MIKROCONTROLLER
Programmer
für den 68HC(9)08
Entwickeln mit 8-bit-Controllern von Freescale
Von Guillaume Dupuis
Freescale ist einer der Marktführer im Bereich von
Mikroprozessoren und Mikrocontrollern. Die Produktentwicklung
wird durch eine breite Palette von leistungsfähigen Support- und
Entwicklungstools unterstützt. Nostalgiker schwärmen noch heute
vom 68HC11, der heutzutage zum Preis einer TTL-Schaltung zu
haben ist. In diesem Artikel wird ein Programmer für den FlashMikrocontroller M68HC08 und die 68HC908-Familie vorgestellt.
Es gibt mehrere Mikrocontroller-Reihen
von Freescale in den gängigen Gehäusebauformen (DIL, SOIC, QFP, LQFP).
Zudem existieren hybride Lösungen
(insbesondere für HF-Anwendungen,
Motorsteuerungen etc.). Unser Interesse gilt hier der 8-bit-Produktreihe
dieses Herstellers, zu der wir einen
geeigneten Programmer vorstellen.
Die Architektur dieser Mikrocontroller
wurde von der 68HC05-Familie übernommen und für die Programmierung
in C optimiert. Insbesondere wurden
Adressierung, Stackzugriff und die Verarbeitung bedingter Verzweigungen
überarbeitet. Die Assembler-Programmierung wird hier nicht behandelt, weil
48
eine Einfügung von Assemblercode in
das C-Programm praktikabler ist. Die
von Freescale verfügbare Software ist
sehr leistungsstark und spart Zeit bei
der Programmentwicklung.
PRODUKTÜBERSICHT
Für Anwendungen mit höherer Performance (Ethernet, IDE, etc.) bietet Freescale die 32-bit-Mikrocontroller-Baureihe ColdFire sowie DSPs.
Vorzugsweise im Automobilbereich
eingesetzt werden die 16-bit-Mikrocontroller der 68HC12-Familie.
In der 8-bit-Kategorie gibt es drei
Baureihen:
68HC908
Dies ist die älteste Baureihe, wes halb hierfür bereits eine große Palette
von Anwendungen existiert. Die Programmierung erfolgt über ein Monitorprogramm im ROM und über eine
RS-232 -Schnittstelle.
68HCS908
Die jüngste Generation verfügt über
eine Vielzahl von Schnittstellen (I²C,
UBS, Seriell, LIN) und über eine erhöhte Taktrate. Zudem zeichnet sie sich
durch eine BDM Schnittstelle [A] [B]
für den Background Debug Mode aus.
68RS08
Die preisgünstigsten Mikrocontroller
von Freescale sind in verschiedenen
elektor - 4/2007
Programmierung in C
Die Sprache C erlaubt die direkte Manipulation im Speicherbereich (mit Hilfe von
Zeigern). Gleichzeitig ermöglicht sie es, auch spezifischen Assemblercode auf dem
Mikrocontroller zu implementieren. Bei der Optimierung erlaubt es C, einen Code
insbesondere über differenzierte Adressierungsmethoden zu beschleunigen. Es ist
jederzeit möglich, Assemblercode zur Optimierung von Funktionen im Sinne der
Beschleunigung in die Programmausführung einzufügen.
Beispiel:
DDRA = 0xFF ;
For (PTA=0 ;PTA !=0xFF;PTA++ )
{PTA++;}
Oder:
DDRA = 0xFF ;
For (PTA=0 ;PTA !=0xFF ;PTA++)
{_asm
INC
PTA;}
Bit-Manipulation in C
ANSI C erlaubt keine Manipulation einzelner Bits in einem Byte. Glücklicherweise
deklariert Freescale den Datentyp Byte als ein Feld von 8 Zeichen (Char).
Beispiel:
x = PTA_PTA2;
x = (PTA & 0x04)>>2;
Die beiden Schreibweisen sind äquivalent, wobei er die erste besser lesbar ist und
das Resultat in einem Stack verarbeitet, was Probleme mit interruptabhängigen
oder rekursiven Funktionen vermeidet.
Varianten mit 6 oder 8 Pins verfügbar.
Der Befehlssatz ist abgespeckt und
viele Hardwarefunktionen (insbesondere Timer und Interrupts) müssen softwaremäßig emuliert werden.
AUSWAHL EINES
68HC908-CONTROLLERS
Die 68HC908-Familie ist eine Großfamilie, die viele Möglichkeiten bietet.
Die Auswahl eines Controllers beginnt man daher am besten mit einer
Liste der Anforderungen, denen der
Mikrocontroller genügen soll. Insbesondere sind folgende Merkmale zu
berücksichtigen:
4/2007 - elektor
Schnittstellen
Welche Schnittstelle braucht die
Anwendung? Seriell synchron oder
asynchron, CAN oder I²C?
USB
Zurzeit ist der Einsatz einer USBSchnittstelle besonders populär. Deshalb verfügen mehrere Controller
aus der Familie über eine integrierte
USB-Schnittstelle.
Spezielle I/O-Schnittstellen
Für einige Applikationen ist die direkte
Steuerung eines Dreiphasenmotors
erwünscht. In diesem Fall können speziell dafür konzipierte Controller aus
der 68HC908MR32-Baureihe eingesetzt
werden. Diese weist sechs integrierte
PWM-Ausgänge (Pulse Width Modulation) zur Steuerung von IGBT-Brücken
auf. Die Frequenz jeder einzelnen
Brücke kann unabhängig voneinander
eingestellt werden, insbesondere in
Bezug auf die Dead Time (Totzeit oder
Antwortzeit der IGBT).
In einigen Baureihen gibt es auch
her ausgeführte Stromschnittstellen
(20-mA-Stromquellen), die sich zur An-
steuerung von LEDs eignen und auch
Ausgänge mit einstellbarem Innenwiderstand (pull-up oder pull-down).
Gehäuse
Die Controller sind im DIP, PSDIP und
LQFP-Gehäuse erhältlich. Die Gehäuseausführung (Pinanzahl) ist auch der
limitierende Faktor bei der Anzahl der
I/O-Ports.
Speicher
Viele pinkompatible Typen unterscheiden sich nur in der Größe des
Flashspeichers und bieten Speicherkapazitäten zwischen 2 und 64 KB. Die
freien Entwicklungstools sind auf eine
Speichergröße von 16 KB begrenzt. Um
diese Begrenzung aufzuheben, ist der
Erwerb einer Lizenz notwendig. Die
Flash-Speicher sind nicht für eine unbegrenzte Anzahl von Lese-/Schreibzyklen ausgelegt. Deshalb verfügt die
68HC908AB32 Familie über einen
EEPROM-Speicher.
Betriebsspannung
Auch bei der Betriebsspannung gibt es
reichlich Auswahl. Es gibt Controller
für 1,8, 2,5, 3,3 und 5 V. Da muss man
49
ausgestattet und hat mehr Speicher
und Schnittstellen (seriell und I²C). Seine wichtigsten Merkmale sind 16 KB
Flash, zwei 16-bit-Timer, dreizehn 10bit-CAN, 26 I/O Ports (davon zehn 20mA-LED-Treiber), 8 Interrupts und eine
serielle und eine I²C-Schnittstelle.
R9
D3
+5V
D1
1N4004
IC3
S1
9V1
+5V
7805T
OSC1
14
K3
1
R3
R5
8
C9
C17
C16
100n
100n
C10
D4
unterschreitet. So können zum Beispiel
Parameter vor dem Aussetzen des
Mikrocontrollers gesichert werden. Einige Mikrocontroller verfügen über einen KBI (KeyBoard Interrupt), eine Anzahl von Interrupteingängen zur Vereinfachung der Keyboardabfrage.
Energiesparmodus
Alle Mikrocontroller verfügen über einen WAIT-Befehl, der es erlaubt, die
CPU bis zum Eintreffen eines Interrupts in den Standby-Modus zu setzen. Zudem existiert auch eine Baureihe, bei der sich alle Peripheriebausteine mit Ausnahme des Interruptmoduls
in den Standby-Modus versetzen lassen, wobei der Stromverbrauch des
Interruptmoduls gegen Null tendiert
(800 nA).
7
MON08-INTERFACE
+5V
C2
+5V
2
8
4
4
9
5
C5
R2OUT
9
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
R1
C2+
1M
IC1.F
15
C2–
V-
SUB D9
4
5
IC1 = 74AC04N
MAX232
5
2
3
1N4148
12
6
13
1
IC1.D
12
9
C3
1
8
BDM-INTERFACE
X1
C1
R8
R2IN
1
10
R7
T2IN
R1OUT
K1
JP1
C6
+5V
22p
22p
060263 - 11
Bild 1. Schaltplan des Programmers. Der Taktoszillator ist wahlweise diskret (mit Quarz) oder integriert (DIL-Bauform) zu bestücken.
schon auf die korrekte Spannung achten. Der in diesem Artikel vorgestellte
Programmer ist nur für Controller mit
5 V Betriebsspannung geeignet.
Spezifischen Anforderungen
Fast alle Controller verfügen über ein
CAN-Interface mit mehreren gemultiplexten Eingängen. Unterschiede gibt
es in der Auflösung (8 oder 10 bit), in
der Akquisitionszeit und in der Anzahl
der gemultiplexten Eingänge. Mit Hilfe von Timern lassen sich Impulszähler
realisieren.
Wir wollen uns hier für eine nähere Betrachtung auf zwei Typen beschränken:
Der 68HC908QY4A ist ein Controller im
kleinen DIL-Gehäuse. Seine wichtigsten Eigenschaften sind ein integrierter
Oszillator, 4 KB Flash, zwei 16-bit-Timer, sechs 10-bit-CAN, 13 I/O Ports.
Der 68HC908JL16 ist umfangreicher
50
Um die unterschiedlichen Programmertypen zu vereinheitlichen, ist ein Übereinkommen über die Steckverbindung
geschlossen worden. In der Herstellerdokumentation ist angegeben, welche
Pinbelegung zu welcher Controllerfamilie gehört (Siehe Bild 3).
1k
8
T2OUT
R1IN
+5V
7
D2
11
2
13
T1IN
1
7
3
T1OUT
R6
7
C1–
1k
14
14
IC1
1k
3
2
16
IC2
4
6
V+
C1+
6
1
3
C4
5
1
R2
10k
K2
+5V
GEMEINSAME 68HC908-MERKMALE
Flash Memory
Der Flashspeicher lässt sich im Prinzip
bearbeiten, während das Programm
läuft. Dazu müssen Schreibroutine und
Daten im RAM gespeichert sein. Es
werden 10.000 Lese-/Schreibvorgänge
und eine maximale Lebensdauer der
abgespeicherten Daten von 10 Jahren
spezifiziert. Die 68HC(S)08-Familie verfügt über einen internen Spannungswandler, der die für das Schreiben des Flashspeichers benötigte
Spannung erzeugt. Der Flashspeicher
kann schreibgeschützt werden, um ein
Löschen oder Überschreiben zu
verhindern.
Spezielle Funktionen
Alle Mikrocontroller verfügen über einen LVI (Low Voltage Inhibit), der einen Interrupt erzeugt, wenn die Betriebsspannung einen Mindestwert
Beim HCS908 und RS908 gibt es ein
Interface für den Background Debug Mode [A], [B]. Im Gegensatz zu
den zahlreichen I/O-Leitungen beim
MON08-Interface gibt es beim BDMInterface nur drei Leitungen: Masse,
Daten und Vap (Flash Memory).
Das BDM-Interface arbeitet über den
USB-Port. Es gibt Programmer-Schaltungen, die aber komplexer sind und
einen eigenen 68HC908 benötigen,
um sowohl die USB-Kommunikation
als auch die BDM-Verbindung zu versorgen. BDM-Programmer kosten etwa
50 US-$ (z.B. bei P&E micro).
AUSBLICK
Im Laufe des Jahres wird Freescale
den ColdFire V1 herausbringen, der
eine 32-bit-CPU mit der Peripherie
des 68HCS908 kombiniert. Die Chips
werden pinkompatibel mit den 8-bitControllern sein.
PROGRAMMER-SCHALTPLAN
Programmer für Mikrocontroller sind
heutzutage meist sehr einfach gestrickt. So auch hier, wie die Bild 1
zeigt. Die Schaltung wird in bewährter
Weise an einer RS-232 Schnittstelle betrieben, weshalb wir hier mit dem
elektor - 4/2007
nur unzureichend mit einem USB/RS232-Adapter harmoniert.
Stückliste
Widerstände:
R1 = 1 M
R2 = 10 k
R3,R5,R9 = 680 Ω
R6…R8 = 1 k
Außerdem:
S1 = Taster
X1 = Quarz 9,8304 MHz
K1 = 2x8-polige Stiftleiste
K2 = 9-polige Sub-D-Buchse
K3 = 1x2-poliger Stiftleiste
JP1 = 3-poliger, 2-reihiger Jumper
Platine 060263-1 (erhältlich im PCBShop“, siehe www.elektor.de)
Kondensatoren:
C1,C6 = 22 p
C2 - C5 = 1 µ/16 V
C9,C10 = 47 µ/16 V
C16,C17 = 100 n
Halbleiter:
D1 = 1N4004
D2 = 1N4148
D3 = Z-Diode 9,1 V/400 mW
D4 = LED rot 5 mm
IC1 = 74AC04N
IC2 = MAX232 (Maxim)
IC3 = 7805
K1
2
1
2,54
16
R6
C4
6
R8
C1
JP1
1
6
F09
R2
14
1
IC2
R7
OSC1 IC1
8
9,1V
D2
7
C5
D3
1F
5
9
C3
R1
C2
R3
R5
IC3
R9
680
K2
D4
1
X1
C6
S1
2
K3
D1
C17
C9
C10 C16
Bild 2. Für den Aufbau genügt eine einseitige Platine. Man beachte die drei Drahtbrücken.
MAX232 (IC 2) einen alten Bekannten
wiederfinden. Ebenso klassisch gestaltet sich die Spannungsversorgung
mit einem integrierten Spannungsregler (IC 3). Die LED D4 signalisiert
das Anliegen der Versorgungsspannung. Ein interessanteres Detail ist die
Funktion von IC 1. Dieser SechsfachInverter dient als Taktoszillator. Da der
Programmer keinen Controller enthält,
muss auf diese Weise ein Taktsignal
erzeugt werden, um die im Monitormodus vom PC erwartete Taktung der
seriellen Schnittstelle zu gewährleisten. Die Taktfrequenz kann auf zweierlei Weise erzeugt werden. Der Schaltplan zeigt die diskrete Methode mit
einem Quarz (X1), zwei Kondensatoren
(C1 und C6) und zwei Invertern aus
IC1. Diese diskreten Komponenten lassen sich durch einen integrierten
Quarzoszillator (OSC1, hier grau ge-
4/2007 - elektor
druckt) ersetzen. Dann entfallen IC 1,
R1, X1, C1 und C6. Taster S1 dient als
Reset-Taster. Über K1 und ein Flachbandkabel mit 16 Adern erfolgt die
Verbindung zum Zielsystem. Am anderen Ende des Flachbandkabels befindet sich ein Adapter, dessen Ausführung von dem zu programmierenden Controller abhängt (siehe Kapitel
„Programmierstecker“).
SERIELLE VERBINDUNG
Der hier vorgestellte Programmer weist
eine RS-232-Schnittstelle auf. Moderne Rechner und Notebooks sind nicht
mehr mit einer solchen Schnittstelle
ausgerüstet. Naheliegend ist dann
die Verwendung eines USB/RS-232Adapters. Allerdings sollte man dann
die Version 3.1 der Entwicklungssoftware verwenden, da die Version 5.1
BAUHINWEISE
Der Aufbau der Schaltung ist dank der
Platine (Bild 2) eine der leichteren
Übungen. Zunächst muss entschieden
werden, ob der Oszillator ein Quarz X1
mit den damit verbundenen Komponenten sein soll, oder ob ein integrierter Oszillator (OSC) verwendet wird
(siehe Kapitel “Schaltplan”). Wenn
man flexibel bleiben möchte, bestückt
man für IC1 eine 14-polige IC-Fassung.
In die Fassung kann man wahlweise
den Quarzoszillator (OSC) oder IC1
einsetzen. Beide Komponenten sind
kompatibel, obwohl der Oszillator
lediglich vier Stifte aufweist. Wenn
man IC1 einsetzt, müssen die Bauteile
R1, X1, C1 und C6 ebenfalls bestückt
werden. Wenn man den OSC1 verwendet, werden diese vier Komponenten
nicht benötigt. Wie üblich werden
zuerst die passiven Komponenten bestückt, zuerst Widerstände und Kondensatoren und danach die Dioden
(Polung der Elkos C2 bis C5, C9 und
C10 sowie der Dioden beachten). Nicht
vergessen darf man die Bestückung
der drei Drahtbrücken. Die Verbindung
zwischen dem Programmer und dem
DIL-Stecker erfolgt über 16-adriges
Flachkabel.
Danach können die IC-Fassungen, der
Quarz, Spannungsregler und Stiftleisten bestückt werden. Der Taster S1
wird direkt auf die Platine gelötet oder
über drei Kabelstücke mit der Platine
verbunden, wenn der Programmer in
ein Gehäuse eingebaut werden soll.
TEST
Nach dem Einschalten der Betriebsspannung sollte die LED leuchten.
Wenn nicht, überprüfen Sie den Anschluss der Versorgungsspannung
und die Polarität der Kondensatoren
und Dioden und die Leiterbahnen und
Lötstellen. Für das Testen der Software verweisen wir auf die betreffende Hilfe-Datei.
PROGRAMMIERSTECKER
Von dem zu programmierenden
Controller hängt es ab, welche I/OLeitungen für die Programmierung verwendet werden. Diese Verbindung ist
sehr einfach umzusetzen, sie besteht
aus einer IC-Fassung und einem 16-poligen MON08-Stecker. Die Verwendung
der MON08-Pinbelegung sorgt dafür,
51
Jumper-Einstellungen JP1
Abhängig von der verwendeten 68HC908-Version muss der Jumper JP1 unterschiedlich gesetzt werden (siehe Bild 3). Hier zwei Beispiele für den Einsatz des JL16 und
des QY4A.
68HC908 JL16
dass der Stecker mit allen Programmern kompatibel ist. Das ist sehr nützlich, wenn man eine QFP- oder ShrinkDIP-Fassung verwendet. Eine andere
Möglichkeit ist die Verwendung einer MON08-Steckverbindung auf der
Zielplatine.
Kommunikation mit 9600 Baud
Fosc
PTB1 PTB2 PTB3
4,9152
1
0
0
9,8304
1
0
1
68HC908 QY4A
Fosc
4,9152
9,8304
PTA1
1
1
PTA4
0
0
Geschwindigkeit
4800 Baud
9600 Baud
TAKTRATE DES PROGRAMMERS
Man kann die Taktrate auf 4,9152 MHz
oder 9,8304 MHz einstellen. Durch einen Jumper kann die Oszillatorfrequenz wahlweise um den Faktor zwei
geteilt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Übertragungsgeschwindigkeit softwaremäßig auf
4800 Baud beziehungsweise 9600 Baud
einzustellen. Die Verwendung eines integrierten Oszillatorsoszillators ist als
Alternative gedacht, wenn ein 9,8304MHz-Quarz nicht zu beschaffen ist.
JL16
1
QY1A
2
1
2
NC
GND
NC
GND
NC
RST
NC
RST
NC
IRQ
NC
IRQ
NC
MON4 = NC
NC
MON4 = PTA0(COM)
NC
MON5 = PTB0(COM)
NC
MON5 = PTA4(0)
NC
MON6 = PTB1(1)
NC
MON6 = PTA1(1)
OSC
MON7 = PTB2(0)
OSC
MON7 = NC
VDD
MON8 = PTB3(DIV)
VDD
MON8 = NC
15 16
15 16
060263 - 12
PROGRAMMER ODER EMULATOR?
Der Programmer stellt beim Debuggen
die Kommunikation mit dem HC908 her
und dient außerdem zum Flashen des
Contollers. Die für Letzteres verwendeten I/O-Leitungen dürfen während des
Debuggens nicht aktiv sein.
Ein Emulator hingegen ist ein viel
komplexeres System, welches die I/OLeitungen durch eine separate Schaltung nachbildet. Deshalb sind alle
I/O-Leitungen während des Debuggens verfügbar, dies hat allerdings
auch seinen Preis.
ENTWICKLUNGSKIT
Freescale bietet Kits an, die aus dem
Programmer und dem Mikrocontroller
auf einer gemeinsamen Karte bestehen.
Die Ein-/Ausgänge sind über einen
Steckverbinder herausgeführt. Diese
Kits kosten jeweils etwa 50 US-$.
DEBUG
Die Software umfasst einen Debugger, der es erlaubt, das Programm
schrittweise auszuführen. Es ist dabei
möglich, jederzeit den Inhalt eines jeden Registers darzustellen. Allerdings
52
Bild 3. Pinbelegung der MON08-Schnittstelle für die Verwendung eines 68HC908JL16QY4A und –JL16-Mikrocontrollers.
nur, so lange im Dialog zwischen dem
Mikrocontroller und Programmer keine
Störungen auftreten.
GRUNDLAGEN DER
PROGRAMMIERUNG
Für das Programmieren muss man die
Schaltung in den Monitormodus versetzen. Dieses geschieht durch Anlegen einer Spannung von 9 V (von
Z-Diode D3) an den IRQ-Pin. Einmal
im Monitormodus, muss die Übertragungsgeschwindigkeit über den Jumper eingestellt werden. Anschließend
sendet man über die RS-232-Schnittstelle Befehle, um den Flashspeicher zu bearbeiten, Registerzustände
sichtbar zu machen oder aber das Programm schrittweise ablaufen zu lassen. (In-Circuit-Debugging).
ANWENDUNGEN
Warum soll man sich mit der Programmierung eines Mikrocontrollers
wie dem 68HC08 auseinanderset-
zen? Freescale hat sich diese Frage
zweifellos auch gestellt und deshalb
Anwendungsbeispiele erstellt. Gemessen am Nutzen sind die Kosten
für die Controller und den Programmer
sehr gering. Beispiele für Anwendungen sind:
Steuerung eines Ventilators
Das Ziel besteht darin, die Drehzahl
mit einem Hall-Sensor zu regeln,
aber ebenfalls bei Überhitzung zu
begrenzen.
Drahtlose Steuerung einer
Klimaanlage
Die Anwendung besteht aus zwei
Modulen. Eines steuer t die Klimaanlage und ein zweites dient als
Infrarot-Fernbedienung.
Der verwendte Mikrocontroller ist eigentlich für die Steuerung eines LCDBildschirms gedacht.
Power-LED-Steuerung
Der Einsatz des Mikrocontrollers
68RS08 ersetzt einen klassischen
Regelkreis. Mit einer leistungsfähigeren Version können industrielle
Anwendungen auch mit einer Mehr-
elektor - 4/2007
Entwicklungshilfen
Freescale bietet mit der Entwicklungsumgebung CodeWarrior drei Utilities zur Beschleunigung der Entwicklung an. Dazu muss zuerst die EDI (integrierte Entwicklungsumgebung) installiert werden.
kanalsteuerung (RGB) realisiert werden. Freescale bietet zudem ZigBeeund Bluetooth-Module für FernsteuerAnwendungen an.
SCHLUSSFOLGERUNG
Die 8-bit-Controller von Freescale haben eine lange Tradition, sind aber in
ihrem heutigen Produktumfang mehr
als nur up to date. Das umfangreiche
Sortiment bietet viele leistungsstarke Controller, die teilweise sehr spezifisch auf industrielle Anwendungen
ausgerichtet sind. Dabei spielt die
Automobilindustrie die größte Rolle. In
dieser Spezialisierung auf bestimmte
Anwendungsbereiche liefern sich die
Hersteller wahre Schlachten. Auch in
dieser Hinsicht eröffnet Freescale mit
dem angekündigten Coldfire V1 neue
Perspektiven.
Bild 4. Eröffnungs-Bildschirm bei der Projektentwicklung mit einem HC08. Die CodeWarrior- Software ist sehr komfortabel.
(060263-I)
Literatur:
[A] SpYder attacks, ELEKTOR März
2007
[B] Das g-Kraft-Messgerät (in dieser
Ausgabe)
In Zusammenarbeit mit Freescale ist
ein spezielles SpYder Discovery Kit für
nur 9,75 € (zuzüglich Versandkosten)
im ELEKTOR-Shop erhältlich.
Weblinks:
[1] www.freescale.com(Englisch)
[2] www.elektor.fr/Hc08/(Französisch)
[3] www.softecmicro.com (Englisch)
[4] www.pemicro.com (Englisch)
[5] www.68hc08.net (Französisch)
https://www.freescale.com/webapp/
search/MainSERP.jsp?SelectedAsset
=Design%20Tools#1694054
Suche nach CWX-HC08-SE (erfordert eine Registrierung vor dem
Download)
4/2007 - elektor
Bild 5. Entwicklung mit dem Processor Expert. Links ist die Beans-Liste und rechts der Ziel-Controller zu sehen.
None
Anlegen eines neuen Projekts inklusive Initialisierung von Registern und der Speicher
und Verzeichnis der Register-Adressen.
Device Initialisation
Mit dieser Utility werden die Register für das Starten des Controllers eingestellt. Das
grafische Interface ist intuitiv bedienbar. Es wird wahlweise C oder ASM eingesetzt,
um die notwendigen Funktionen (z.B. Interrupts) zu erzeugen. Dieser Schritt ist für
den Anwender transparent.
Processor Expert
Dieses Tool erlaubt eine extrem schnelle Problemlösung. Das Prinzip beruht auf dem
Einsatz von Beans in jedem Projekt. Die Funktionen der Beans lassen sich grafisch
auswählen (klicken und ziehen, Häkchen setzen). Das System ist sehr leistungsstark und bietet viele Einstellungsmöglichkeiten. Es ist jederzeit möglich, Funktionen in C oder ASM einzufügen. Puristen werden anmerken, dass dieser Modus in
Bezug auf die Programmcodelänge nicht optimal ist, was durchaus zutrifft. Aber
ist das wirklich ein Problem, wenn man 16 KB Flash-Speicher zur Verfügung hat?
In vielen Fällen ist die Zeitersparnis wichtiger. Bei kleinen Projekten ist es zudem
möglich, eine Applikation zu entwickeln, ohne jemals die Dokumentation gelesen
zu haben!
53
TECHNIK MIKROCONTROLLER
Das g-Kraft-Messgerät
Zweiachsen-Akzelerometer mit
Spyder, Freescale-Controller und LEDs
Von Jan Buiting und Luc Lemmens, in Kooperation mit Inga Harris
(Applikations-Ingenieurin, Freescale Semiconductor Inc.)
Diese Anwendung eines MC9S08Mikrocontrollers ist sowohl nützlich
wie interessant. Als Fortsetzung der
im letzten Monat gestarteten Serie
zeigt sie den praktischen Umgang mit
dem MC9S08 und tritt den Beweis dafür an,
das damit sehr preiswerte Hardware-Projekte zu
realisieren sind.
Diesen Monat verschmelzen Theorie,
kostenlose Bauteile und Software zu
einem Selbstbau-Projekt, das leicht in
verschiedene Anwendungen wie RCModelle oder schnelle Zwei- und Vierräder integriert werden kann. Autotunern kann solch ein Beschleunigungsmesser objektive Daten zum Erfolg
ihrer Bemühungen an die Hand geben.
Alles was man benötigt ist in Tabelle 1 aufgelistet. Da das SpYder-Kit
sehr preiswert ist und man kostenlose Beschleunigungsaufnehmer
als Beigabe zu den beiden Platinen
bekommt, zahlt sich die Kooperation
zwischen ELEKTOR und Freescale zu
Ihren Gunsten aus.
Bild 1. Das SpYder Discovery Kit in finaler Ausführung (letzten
Monat zeigten wir noch die Beta-Version). Die Kooperation von
Freescale Semiconductor und ELEKTOR erlaubt den unverschämt
niedrigen Preis von 9,75 Euro plus Porto. Ein BDM-Kabel ist
hier nicht enthalten - Teile zum Kabel-Selbstbau sind aber
beim Platinensatz dabei!
54
PROJEKT-ZIELE
Neben der Praxistauglichkeit wurde
auch auf die Erhältlichkeit der Bauteile
geachtet. Die folgende Liste stellt die
gefundenen Lösungen kursiv dar:
1. Der verwendete Mikrocontroller sollte preiswert sein. Ein MC9S08-Controller kann für dieses Projekt kostenlos von Freescale bezogen werden.
2. Es sollte eine ausreichende Aus-
stattung mit Programmier- und Debugging-Tools für den Mikrocontroller existieren. CodeWarrior und SpYder USB BDM decken dies voll ab.
3. Es soll technischer Online-Support
verfügbar sein. Für diesen Zweck
existieren von Freescale und ELEKTOR geeignete Foren.
4. Das Projekt sollte nützlich und „offen“ sein. Aller Source-Code, die Datenblätter und technische Unterlagen sind kostenlos und frei verfügbar.
5. Das Projekt sollte nicht nur lehrreich
sein. Ein 2-Achsen-Akzelerometer mit
2g-Messbereich und LED-Anzeige.
6. Damit auch Schüler und Studenten
mithalten können, sollten die Kosten minimal sein. Neben preiswerten
Platinen und dem SpYder Discovery
Kit gibt es den BeschleunigungsSensor und einen MC9S08-Controller
kostenlos
Möglichst niedrige Kosten und ein hoher Nutzen sind zwei Aspekte, die sich
häufig widersprechen. Wir hoffen, dass
wir einen möglichst optimalen Kompromiss realisieren konnten, um den Einstieg in die faszinierende Welt der Mik-
elektor - 4/2007
Komponente
Quelle / Lieferant
Beschreibung
Erhältlich via
Kosten
SpYder Discovery Kit
Elektor
ELEKTOR-Shop 060296-91
9,75 Euro plus Porto
MC9S08QG8CPBE
Freescale
Enthält USB BDM, ein 8-Pin MC9S08Muster, CodeWarrior & Utilities-CD.
Freescale 16-pin PDIP Mikrocontroller
Freescale „free sample service“
kostenlos
Platinensatz
Elektor
ELEKTOR-Shop 060297-71
14,50 Euro plus Porto
MMA7260Q
Elektor
kostenlos
Andere Bauteile
Elektronikladen, Online-Shop
Zwei Stück als kostenlose Zugabe zum
Platinensatz
Örtlicher Laden oder via Conrad,
Reichelt oder Farnell
2 Platinen mit 2 Beschleunigungssensoren als Zugabe + Teile für
BDM-Kabel!
Freescale Beschleunigungssensor auf
Trägerplatine
Bauteile nach Stückliste
Ca. 7,50 Euro
Tabelle 1. Was - Wo - Wie
Überblick über die benötigte Hardware/Software für das Akzelerometer-Projekt.
rocontroller-Programmierung sowohl
interessant als auch sehr preiswert zu
machen. Und ein Akzelerometer macht
auch im kleinsten Auto Eindruck, den
über so etwas verfügt nicht einmal
eine Luxuskarosse.
AKZELEROMETER
Ein Akzelerometer ist ein Messgerät
für Kräfte, die beim Beschleunigen
(+g) oder Bremsen (–g) auftreten. Unser Projekt ermöglicht die Messung
von Beschleunigungen bis hin zu 2 g
in zwei Achsen: vorwärts/rückwärts
und links/rechts.
Die gemessenen Kräfte werden durch
farbige LEDs angezeigt. Der Maximalwert wird dabei durch eine rote LED
signalisiert. Das Messgerät ist batteriebetrieben und passend für den Einbau in ein Auto konstruiert. Es zeigt
dem Fahrer (und den Beifahrern) an,
mit welcher Kraft man gerade in die
Sitze gedrückt wird (was viel über den
Fahrstil aussagt).
SPYDER - SCHRITT FÜR SCHRITT
Bevor Sie Ihren Lötkolben anwerfen,
noch ein Wort zur verwendeten Hardware: SpYder (Bild 1) basiert auf dem
HCS08 und dem RS08 „Background Debug Controller“ (BDC). Dies ermöglicht
einen schnellen und einfachen Weg,
Flash-Speicher von Controllern und anderen Chips zu programmieren. Gleichzeitig ist es das primäre Debug-Interface, da es Zugriff auf Speicher und
CPU-Register bietet sowie das Setzen
von Breakpoints und die Ausführung
von Software im Einzelschritt-Modus
erlaubt. Wer schon einmal mit HC05
oder älteren Freescale-Controllern zu
tun hatte, der wird diesen Fortschritt
zu schätzen wissen.
4/2007 - elektor
SpYder verwendet ein Standard-USBInterface zur Kommunikation mit dem
PC und zweigt daraus die Versorgung
für sich selbst und einen Mikrocontroller ab. Ein Extra-Steckernetzteil ist
nicht nötig. Sogar ein weiteres Board
kann noch mitversorgt werden, solange es nicht mehr als 100 mA benötigt!
Den Betrieb am USB macht vor allem
ein Chip möglich: die MCU MC908JB16
von Freescale. Dieser spezielle Controller verfügt über ein USB-2.0-Interface (low-speed) und begnügt sich mit
den 5 V des USB. RS08-Mikrocontroller benötigen allerdings 12 V zur Programmierung. Der MC908JB16 erkennt
den Ziel-Controller und kann via PTD0
die nötigen 12 V aktivieren, die vom
Gleichspannungskonverter ST662 geliefert werden.
Schritt 1 - SpYder-Board
Die wichtigsten Teile von SpYder sind
schon bestückt, was es zur idealen
Entwicklungsplattform für passend
gesockelte Mikrocontroller macht.
Bei anderen Gehäuseformen oder anderen Ziel-Boards (wie hier beim Akze-
gen nennt, der kann sich leicht ein solches bauen. Man benötigt lediglich
zwei 6-polige IDC-Sockel mit Kabeldurchführungen (Farnell-Nr. 1097021)
und Flachbandkabel mit 1/20“-Teilung (1,27 mm, Farnell-Nr. 9187111).
Die IDC-Steckverbinder werden auf
die Enden des maximal 30 cm langen
Flachbandkabels aufgequetscht und
fertig. Die Teile fürs BDM-Kabel sind
auch beim Platinensatz 060297-71 dabei (siehe Tabelle).
Es darf natürlich nur ein einziger Mikrocontroller angeschlossen werden:
Entweder im Sockel der SpYder-Platine
oder auf einem Ziel-Board.
Schritt 2 - Debugger-Installation
Das CodeWarrior™ Development Studio für Freescale HC(S)08/RS08 v5.1 ist
schon auf der SpYder-CD vorhanden.
Was diese Spezialversion gegenüber
den Standard- und Professional-Ausgaben voraus hat, kann unter www.freescale.com/codewarrior nachgeschaut
werden.
Ohne Lizenz-Schlüssel arbeitet die
Spezialversion als voll funktionsfähige
Die beiden Platinen des Projekts werden dank der
Kooperation von Freescale & ELEKTOR mit zwei
kostenlosen MMA7260-Beschleunigungssensoren
auf kleinen Trägerplatinen geliefert.
lerometer) kann entweder ein 0-Ω-Widerstand oder eine Drahtbrücke für R2
verwendet werden, sodass die Stromversorgung direkt an den BDM-Sockel kommt und ein anderes Ziel-Board
angeschlossen werden kann. Als Resultat wird das SpYder Discovery Kit
in ein BDM-Interface verwandelt - arbeitet aber immer noch als singuläres Entwicklungswerkzeug. Wer noch
kein BDM-kompatibles Kabel sein Ei-
Demo mit auf 1 KB beschränkter CodeGröße. Um die 1-KB-Grenze zu beseitigen, gibt es zwei Möglichkeiten:
1. Man erhält von Freescale auf Anfrage einen kostenlosen Schlüssel, der die
Grenze auf immerhin 16 KB erhöht.
2. Man kann von Freescale auch einen
auf 30 Tage begrenzten Schlüssel bekommen, der den Compiler für diese
Zeit von jeder Beschränkung befreit.
55
Schritt 3 - Treiber
Wenn CodeWarrior installiert ist, muss
man nur noch SpYder anschließen und
dafür sorgen, dass die Kommunikation mit dem Debugger klappt. Hierzu
werden die Treiber von der beiliegenden CD installiert. Eine passende Anleitung findet sich auf dem CD-Cover.
Wenn SpYder zum ersten Mal angeschlossen wird, erkennt Windows ein
neues USB-Gerät und zeigt den entsprechenden Dialog, worin nach dem
passenden Treiber gefragt wird. Man
wählt automatische Installation, bestätigt und ist fertig.
LOS GEHT’S
Es ist wichtig zu verstehen, dass SpYder den Ziel-Mikrocontroller verwendet, um eine so genannte „in-circuit
execution“ und eben keine Emulation
durchzuführen. Die komplette Mikrocontroller-Peripherie (z.B. Timer, A/DKonverter oder serielle Schnittstellen)
wird also nicht in Software nachgebildet oder extern realisiert.
Der Beschleunigungssensor MMA7260Q
Da Freescale auch im Bereich KFZ-Elektronik sehr aktiv ist, verwundert es nicht, wenn sich in der Produktpalette dieses für Mikroprozessoren und Mikrocontroller bekannten Herstellers auch eine ganze
Reihe verschiedener Beschleunigungssensoren findet. Automatische Verzögerungsleuchten in aktuellen Fahrzeugen werden aller Wahrscheinlichkeit nach einen Freescale-Sensor beinhalten!
Auch im Amateur-Bereich fanden die Sensoren von Freescale schnell Freunde, da sie sehr gut bei
Selbstbau-Raketen, RC-Modellen und ähnlichen Einsatzgebieten verwendet werden können. In der MaiAusgabe von ELEKTOR wird eine weitere Anwendung solch eines Sensors beschrieben werden.
Der MMA7260 ist ein preiswerter kapazitiver Beschleunigungssensor mit integrierter Signalverarbeitung, einem Tiefpassfilter erster Ordnung, Temperaturkompensation und der Möglichkeit, zwischen vier
verschiedenen Empfindlichkeiten zu wählen. Der Sensor wird schon bei der Herstellung abgeglichen
und benötigt keine externen Bauteile. Ein Sleep-Mode macht den Sensor zum idealen Kandidaten für
batteriebetriebene Schaltungen.
Der eigentliche Beschleunigungsaufnehmer im MMA7260Q ist eine mit den typischen Verfahren der
Halbleiterherstellung erzeugte mechanische Struktur aus Polysilizium. Eine bewegliche Masse mit zwei
planen Flächen ist zwischen zwei fixen Flächen so angebracht,
dass das Ersatzschaltbild zwei seriellen (von der Beschleunigung abhängigen) Kondensatoren entspricht.
Beschleunigung
060297 - 13
Im Prinzip erhöht sich die Kapazität zwischen der beweglichen Fläche und der Seite, der
sich die bewegliche Fläche annähert. Gegenüber der anderen Fläche reduziert sich die
Kapazität dementsprechend. Die Kapazitätsveränderungen korrespondieren also mit den Abständen der Flächen und somit mit der auf die bewegliche bzw. verbiegbare Fläche einwirkenden
Beschleunigungskraft.
C = A∑ / D
Bild 2. In CodeWarrior muss die richtige DebuggingVerbindung zum PC ausgewählt werden.
Bei der ersten Debugging-Sitzung öffnet sich ein Dialog zur Konfiguration
der MCU und der Auswahl der Debugging-Hardware. Hier sollte der Verbindungs-Typ “USBSPYDER08” ausgewählt werden (Bild 2). An diesem Punkt
löscht und reprogrammiert CodeWarrior den Speicher und trimmt den Oszillator, wenn dieses Feature von der
verwendeten MCU unterstützt wird.
Nun kann es mit dem Debuggen losgehen. CodeWarrior ermöglicht eine Vielzahl von Methoden zur Analyse eines
Programms durch den Einsatz von so
genannten Breakpoints, Watchpoints
und einem Trace-Buffer. All diese Features nutzen die Debugging-Peripherie
des Ziel-Controllers.
Zu sehen ist:
56
wobei A der geometrischen Fläche, ∑ der dielektrischen Konstante und D dem Abstand der Flächen
entspricht. Ein auf dem Chip untergebrachtes ASIC misst diese Kapazitäten und extrahiert daraus die
Beschleunigung als Differenz der beiden Kapazitäten. Das ASIC übernimmt auch die komplette weitere
Signalverarbeitung und generiert so ein stabiles lineares Signal, das der Beschleunigung proportional
ist.
Mit dem Platinensatz werden zwei MMA7270Q-Sensoren auf kleinen Trägerplantinchen mitgeliefert.
Wenn Sie den Listenpreis von ca. 5 Euro pro Stück bei einer Abnahme von 1000 Stück ohne Trägerplatine betrachten, dann wird Ihnen klar, dass entweder die Platinen umsonst oder die Sensoren umsonst
sind und dass wir uns auf jeden Fall alle Mühe gegeben haben, das Projekt für unsere Leser so preiswert wie möglich zu machen. Das Datenblatt zu den Sensoren ist in der Datei mit den Unterlagen zum
Projekt schon enthalten.
Weitere Informationen (und Videos!) hierzu finden sich unter:
www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MMA7260QT&nodeId=01126911184209
• ein Source-Fenster mit dem Code;
• ein Assembler-Fenster, das zeigt,
was der Compiler aus dem Code
gemacht hat;
• ein Register-Fenster mit den
CPU-Registern;
• ein Speicher-Fenster, mit dem man
den Speicher nicht nur inspizieren,
sondern auch verändern kann;
• weitere Fenster mit Daten, Prozeduren und Kommandos.
elektor - 4/2007
D12
Stückliste
D11
D4
Widerstände:
D9
D6
D2
D3
D8
D10
D5
IC1
TS2950CT-3.3
R1 = 10Ω
R2 = 4k7
R3...R7, R9, R12 ,R13 = 1k
R8, R10, R11 = 100Ω
D7
VCC
R1
K1
10 Ω
D13
D1
C6
C7
100n
100n
R8
100 Ω
18V
LEFT
RIGHT
FORWARD
BACK
D3
D2
D4
D5
D8
D6
D11
D7
D10
D9
D12
D13
VCC
GREEN
R10
Kondensatoren:
100 Ω
Halbleiter:
4
3
6
5
C2
R2
1
2
13
R4
VCC
1k
16
15
R3
100 Ω
RESET
PB0
BKGD
PB1
SLEEP
PB2
PB3
PA0
PB4
PA1
PB5
PB6
R5
14
1k
100n
R11
3
1k
C3
AMBER
100n
IC2
VCC
PA2
PB7
12
RED
11
10
T1
R13
9
1k
8
T2
R7
7
1k
6
T3
R9
5
1k
T4
R12
IC3
S2
C4
C5
100n
100n
4
S1
C1
1k
4x
BC547
HC9S08QGC
100n
SENSITIVITY
ON/OFF
MMA7260Q
060297 - 12
Bild 3. Schaltung des Akzelerometers mit zwei Achsen und 2g-Messbereich.
K2
Außerdem:
060297-1
T4
D10
T3
R6
IC3
D12
D11
D4
D7
D2
IC2
R8
R10
K1
K3
IC1
1-792060
D6
D13
D5
D9
C2
R2
C1
+
R12
R9
R7
R11
R1
D1
C6
S2
D3
T1
K4
T2
D8
S1
C4
C3
R3
060297-1
1-792060
R5
C5
R13
R4
T
K1 = zweipoliger Pfostenstecker
K2 = sechspoliger BDM-Steckverbinder
K3 = 9-polige einreihige Stiftleiste
K4 = 9-polige einreihige Buchsenleiste
S1, S2 = Taster, Schließer, 6 mm
4 Abstandsbolzen 10 mm
Platinensatz 060297-71 mit zwei kostenlosen MMA7260Q Beschleunigungssensoren (IC3)
Software und Dokumente zum Projekt: kostenloser Download der Datei
060297-11.zip von www.elektor.de
1k
1
C7
D1 = Zenerdiode 18V/500 mW
D2...D5 = grüne LED, low current, 3
mm
D6, D7, D8, D11 = gelbe LED, low current, 3 mm
D9, D10, D12, D13 = rote LED, low
current, 3 mm
T1...T4 = BC547
IC1 = TS2950CT-3.3
IC2 = MC9S08QG8CPBE (16-Pin PDIP;
Freescale, kostenloses Muster)
IC3 = MMA7260Q Beschleunigungssensor auf Trägerplatine (kostenlose
Zugabe zu den Platinen)
R6
K2
2
4k7
C1...C7 = 100n
Bild 4. Platinen-Layout und Bestückungsplan der beiden Platinen des Akzelerometers.
Das Datenformat und die Aktualisierungsrate der Daten kann via Rechtsklick verändert werden. Änderungen
können via „File→Save Configuration“
gesichert werden. Nach ein paar Minuten des Herumspielens sollte die Bedeutung von Start/Continue, Single
Step, Step Over, Step Out, Assembly
Step, Halt und Reset Target klar sein.
Diese beiden Dokumente: AN3335 - Introduction to HCS08 Background Debug Mode und AN2616 - Getting Started with HCS08 sowie CodeWarrior
Using C sind eine gute Quelle zur Beantwortung von Fragen, die beim Debuggen auftreten können.
Wenn man sehen möchte, was für Signale beim Debuggen so auftreten, kann
man auch einmal testweise ein Oszilloskop an die entsprechenden Lötstifte
der Platine anschließen.
4/2007 - elektor
DAS ERSTE PROJEKT - EIN
AKZELEROMETER
Die Schaltung des auf dem Chip
MC9S08 basierenden Akzelerometers
ist in Bild 3 dargestellt. IC2 ist ein 16Pin-PDIP-Mikrocontroller, welcher kostenlos von Freescale erhältlich ist (siehe die Hinweise im Start-Artikel dieser
Serie vom letzten Monat). Der Controller wird „leer“ geliefert – das passende
Programm muss erst noch in seinen internen Speicher „geflasht“ werden. An
dieser Stelle kommt SpYder zum Zug.
Der für das Akzelerometer benötigte Sensor vom Typ MMA7260Q ist
ein SMD-Bauteil, das speziell für dieses ELEKTOR-Projekt auf einer kleinen 12×12 mm Trägerplatine geliefert
wird. Zusammen mit den Platinen für
dieses Projekt erhält man gleich zwei
dieser Sensoren völlig kostenlos. Sehr
viel mehr ist nicht notwendig: Zwölf
LEDs in einer Kreuz-Anordnung werden in einer Matrix von PB0…PB6 des
MC9S08 angesteuert.
Die komplette Schaltung kann von Batterien (mindestens 4,5 V) versorgt werden. Drei Stück vom Typ AA oder AAA
genügen, da der Stromverbrauch bei
nur 25 mA liegt, wenn drei LEDs in einer Reihe leuchten. Der Spannungsregler IC1 macht aus der Batteriespannung stabile 3,3 V. Der Taster S1 schaltet ein und aus. Mit S2 lässt sich die
Empfindlichkeit des Akzelerometers
umschalten. Dank cleverem Design
benötigt der Mikrocontroller für die
beiden Taster nur einen Eingang.
Das komplette Projekt benötigt zwei
keine Platinen, die mit 10-mm-Ab-
57
Modifikationen!
Das Akzelerometer kann bezüglich seiner Messbereiche leicht an eigene Bedürfnisse angepasst werden. Hierzu
öffnet man wie zuvor beschrieben die Projekt-Datei in CodeWarrior. Der eigentliche Quelltext ist in der Datei
„main.c“ enthalten.
Alles was man für andere Empfindlichkeiten ändern muss, ist die „Byte2LED“-Funktion. Der folgende CodeAbschnitt kann das Original ersetzen:
void Byte2LED(char Val, char Dir, char SenMode){
/* Positive Green */
if ((Val < PosA[SenMode])&&(Val >= PosG[SenMode])) {
//if (PosA[SenMode] > Val >= PosG[SenMode]) {
LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[NegYLED + Dir]);
if(LEDMag[PosYLED + Dir] > LEDMax[PosYLED + Dir]) {
LEDMax[PosYLED + Dir] = LEDG;
}
LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDG | LEDMax[PosYLED + Dir]);
}
Der Code verwendet den übergebenen Parameter
„Val“ für den Bereich des G-Spektrums und findet
so heraus, ob eine neutrale, positive oder negative
Anzeige erforderlich ist (der Wert kann jeweils
hoch=„red“, mittel=„amber“ oder gering=„green“
sein). Wenn der richtige Bereich erkannt wurde,
wird die andere Achse gelöscht und lediglich die
Maximum-LED bleibt angezeigt. Nun wird untersucht,
ob Val ein neues Maximum ist und die Anzeige ein
Update braucht. Anschließend wird das Maximum auf
dieser Achse angezeigt.
/* Positive Amber */
if ((Val < PosR[SenMode])&&(Val >= PosA[SenMode])) {
//if (PosR[SenMode] > Val >= PosA[SenMode]) {
if (LEDMag[PosYLED + Dir] > LEDMax[PosYLED + Dir]) {
LEDMax[PosYLED + Dir] = LEDA;
}
LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDGA | LEDMax[PosYLED + Dir]);
}
Denken Sie an neue LED-Bitmap-Definitionen in der
Header-Datei und LEDMax-Bitmaps bei den globalen
Variablen in „main.c“.
/* Positive Red */
if (Val >= PosR[SenMode])
LEDMag[NegYLED + Dir] =
LEDMag[PosYLED + Dir] =
LEDMax[PosYLED + Dir] =
}
Anschließend kann das Projekt unter anderem Namen
gesichert werden, falls man nicht riskieren möchte,
das Originalprojekt versehentlich zu überschreiben.
Man kann die einzelnen Source-Dateien via File
Save As… sichern, wenn man sich im Source-CodeFenster befindet.
/* Negative Green */
if ((Val < NegG[SenMode])&&(Val >= NegA[SenMode])) {
//if (NegG[SenMode] > Val >= NegA[SenMode]) {
LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[PosYLED + Dir]);
if (LEDMag[NegYLED + Dir] > LEDMax[NegYLED + Dir]) {
LEDMax[NegYLED + Dir] = LEDG;
}
LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDG | LEDMax[NegYLED + Dir]);
}
Nach einer Veränderung des Source-Codes muss
das Projekt selbstverständlich neu kompiliert
werden. Falls keine Fehlermeldungen erscheinen,
kann das Debugging starten (grüner Pfeil mit dem
Insekten-Symbol).
/* Negative Amber */
if ((Val < NegA[SenMode])&&(Val >= NegR[SenMode])) {
//if (NegA[SenMode] > Val >= NegR[SenMode]) {
if (LEDMag[NegYLED + Dir] > LEDMax[NegYLED + Dir]) {
LEDMax[NegYLED + Dir] = LEDA;
}
LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDGA | LEDMax[NegYLED + Dir]);
}
Stellen Sie sicher, dass „USBSpYder08“ als HardwareModell und „MC9S08QG8“ als Mikrocontroller
ausgewählt ist. CodeWarrior kann dann den
Speicher des Mikrocontrollers löschen und/oder neu
programmieren.
Falls bei der „Byte2LED“-Funktion via Rechtsklick ein
Breakpoint beim ersten Ausdruck platziert wird, stoppt
CodeWarrior die Programmausführung, wenn dieser
Punkt erreicht wird. Im Daten-Fenster kann nun der
Wert von „Val“ überprüft werden und gegebenenfalls
im Einzelschritt-Modus die restlichen Befehle dieser
Funktion durchgefahren werden, um die richtige
Arbeitsweise für jeden Befehl einzeln überprüfen zu
können. Selbstverständlich kann man an anderen
Stellen noch weitere Breakpoints setzen.
58
{
(LEDOFF | LEDMax[NegYLED + Dir]);
LEDGAR;
LEDR;
/* Negative Red */
if (NegR[SenMode] >= Val)
LEDMag[PosYLED + Dir] =
LEDMag[NegYLED + Dir] =
LEDMax[NegYLED + Dir] =
}
{
(LEDOFF | LEDMax[PosYLED + Dir]);
LEDGAR;
LEDR;
/* Neutral */
if ((Val < PosG[SenMode])&&(Val > NegG[SenMode])) {
//if (PosG[SenMode] > Val > NegG[SenMode]) {
}
}
elektor - 4/2007
standsbolzen übereinander verschraubt
werden. Auch wenn die Bilder 4a und
4b das Layout beider Platinen zeigen,
ist das Selberätzen angesichts des niedrigen Preises und der kostenlos beigelegten Sensoren dieses Mal keine so
gute Idee.
Um die Bestückung zu erleichtern,
wurde auf SMD-Bauteile zu Gunsten
eines Mikrocontrollers im fast antiken
PDIP-16-Pin-Gehäuse und „richtigen“
Widerständen verzichtet. Auf diese
Weise kommt man mit zwei simplen
einseitigen Platinen mit je 55 mm Kantenlänge aus.
Die Mini-Platine des Sensors wird
im Bereich von „IC3“ platziert. K2 ist
die sechspolige BDM-Verbindung zu
SpYder.
Die LED/Taster-Platine wird nach Bestückung mit Abstandsbolzen über der
Controller-Platine montiert. Die elektrische Verbindung zwischen beiden Platinen erfolgt über einen neunpoligen
SIL-Pfostenstecker (K5 und K6). Der
komplett zusammengebaute Prototyp
ist im illustrierenden Foto zu sehen und
die einzelnen Platinen zeigt Bild 5.
PROGRAMMIERUNG
Ob Sie es glauben oder nicht: Es ist die
Wahrheit und nichts als die, dass uns
hin und wieder Briefe des Inhalts erreichen, dass ein ELEKTOR-Projekts nicht
funktioniert, obwohl ein „nagelneuer
Mikrocontroller“ gekauft wurde und in
der richtigen Fassung steckt. Auch wurden Lötstellen und alle anderen Bauteile mehrfach und peinlich genau von einem Freund mit 50 Jahren Löterfahrung
inspiziert und auch dieser konnte keinen Fehler finden. Daran, dass ein neuer
Mikrocontroller - frisch aus der Antistatik-Verpackung - noch kein Programm
enthält, wurde nicht gedacht ;-)
Damit Sie uns nicht so einen Brief
schreiben müssen, sollten Sie die Datei 060297-11.zip von der ELEKTORWebsite laden und in ein Verzeichnis
mit geeignetem Namen entpacken.
Bild 5. Bestückte Platinen kurz vor dem Zusammenbau als Sandwich-Konstruktion.
Dann SpYder an den PC und die Akzelerometer-Hardware an SpYder anschließen. Schließlich CodeWarrior
starten und via File → Open ‘Project’
zum eben angelegten Verzeichnis navigieren und die Datei „Accel Proj.mcp“
laden. Nun den richtigen Controller
auswählen (MC9S08QG), kompilieren,
Object-Code erzeugen und mit diesem
den Controller des Akzelerometers via
BDM-Link programmieren. Hat man
das geschafft, beherrscht man die
wichtigsten Arbeitsschritte. Fehler
sind nicht so schlimm, da der Speicher
im Mikrocontroller ja jederzeit gelöscht
und neu programmiert werden kann.
Notfalls können Sie sich über Ihre Erfahrungen mit anderen Tüftlern im
ELEKTOR-Forum austauschen.
PRAXIS
Zum Einschalten drückt man S1 solange, bis eine LED aufleuchtet. Zur Begrüßung aktiviert der Mikrocontroller
ein Lauflicht. So weiß man, dass die
Schaltung funktioniert und man kann
sehen, ob alle LEDs in Ordnung sind.
Jetzt ist die Schaltung voll funktionsfähig. Etwas Schütteln mit der Hand
sollte genug Beschleunigung erzeugen, um die LEDs der entsprechenden
Achse(n) leuchten lassen.
Mit S2 kann zwischen drei verschiedenen Empfindlichkeiten umgeschaltet
werden:
Zum Ausschalten wird S1 solange
gedrückt, bis die LEDs kreuzförmig
leuchten.
Genauere Details zur Software des Akzelerometers finden sich in einem Extra-Dokument, das ebenfalls von der
ELEKTOR-Webseite geladen werden
kann. Mit Hilfe der darin gemachten
Angaben dürften Erweiterungen und
Veränderungen kein Problem sein.
FAZIT
Wenn Sie das Akzelerometer gebaut
haben, dann haben Sie gleichzeitig
eine Tour durch das SpYder Discovery
Kit unternommen und seine Flexibilität
und Einfachheit kennen gelernt. Dieses
Paket aus Hardware und Software eignet sich eben prima zur Entwicklung
von Applikationen rund um die 8-PinMikrocontroller der S08-Familie von
Freescale. CodeWarrior selbst ist ein
sehr mächtiges Werkzeug, das einen
Anfänger mit seinem Funktionsumfang leicht erschlagen kann. Geht man
wie beschrieben vor, kann man spielerisch nach und nach die diversen Spezialitäten und Möglichkeiten der Software erforschen. Außerdem kann man
auf den Webseiten von Freescale noch
diverse unterstützende Dokumente
und Übungseinheiten aufstöbern. Und
weitere Projekte auf der Basis von SpYder hat das ELEKTOR-Labor schon in
Arbeit.
(060297-I)
Empfindl.
Grün an
Gelb an
Rot an
4/2007 - elektor
Min.
0,45g
0,80g
1,15g
Med.
0,29g
0,53g
0,97g
Max.
0,15g
0,27g
0,39g
59
Explorer-16 (4)
Teil 4: Ausbau des sprechenden
Thermometers
Von Jan Buiting und Luc Lemmens,
in Zusammenarbeit mit Microchip Technology und Labcenter Electronics
In diesem letzten Teil der Serie werden die Informationen von Teil 2 und Teil 3 zu einem System mit
mehr Speicher und größerer Flexibilität kombiniert. Damit lässt sich mehr Text verwenden und/oder
sogar die Grundlage für Mehrsprachigkeit und einen deutlich größeren Wortschatz legen.
DAS KRYPTO-PUZZLE
Bild 1. Demo4 für MPLAB / VSM fasst die Erkenntnisse der beiden vorhergehenden Teile zusammen.
Es lässt sich sicherlich ein sprechendes
Thermometer chinesischer Provenienz
finden, das weniger kostet als die Lösung mit Explorer-16. Leider werden Sie
bei einem fernöstlichen Produkt nichts
über Mikrocontroller lernen und nichts
abändern können. Dafür werden Sie mit
Realsatire in Form eines via Babelfish
60
übersetzten Handbuch entschädigt, das
zu verstehen mindestens so anspruchsvoll ist wie ein Hexadoku...
Übrigens erfreute sich das Explorer-16Vorteilspaket großer Beliebtheit. Die erste Auflage ist ausverkauft! Doch eventuell kommt Nachschub.
Das kryptografische Puzzle vom letzten Monat hat viele Leser in seinen
Bann gezogen. Offenbar hat es Spaß
gemacht, den geheimen Code des Geheimagenten zu knacken. Die Lösung
wurde mit großem Einsatz schon einen
Tag nach Erscheinen des Artikels und
der Verfügbarkeit der zugehörigen
Downloads gefunden. Es zeigte sich,
dass nicht einmal die kleinen Hinweise
zur richtigen Lösung nötig gewesen
wären.
Um das Rätsel zu lösen, musste man
den Inhalt von „CFIMAGE.BIN“ mit
Hilfe eines Hex-Editors inspizieren und
den Verzeichnis-Eintrag oder gleich
den Text von „ENCODE.C“ finden.
Damit war der Krypto-Algorithmus aufgedeckt. Schließlich war es dann nur
noch eine leichte Übung, den Code in
„DEMO3.C“ so zu verändern, dass
„SECRET.DAT“ korrekt gelesen, dekodiert und in der Simulationsumgebung
angezeigt werden konnte.
Der Algorithmus selbst bestand aus
einer relativ einfachen XOR-Maske in einer Schleife. Die Methode ist symmetrisch, weshalb man mit der gleichen
Schleife sowohl dekodieren als auch kodieren kann. CIA-mäßige Kryptografiekenntnisse oder gar die Hilfe von Hackern
waren also nicht unbedingt notwendig,
um das Rätsel zu lösen. Schließlich sollte
die Knobelei ja Spaß machen!
elektor - 4/2007
Die Lösung bestand in der E-Mail-Adresse
„[email protected]“,
an welche die Lösungsdetails entsprechend den Teilnahmebedingungen geschickt werden sollten. Der Wettbewerb ist jetzt natürlich beendet. Das
zur Verschlüsselung verwendete Programm kann in Form der Datei „Krypto.zip“ von der Explorer-16-Projektseite
herunter geladen werden.
den kann. Die Datei „DE100.dat“ ist
daher die Datei, die den Begriff „Einhundert“ enthält. Beim Benennen der
aufgenommenen Sound-Daten sollte
das Präfix berücksichtigt werden: Jetzt
bleiben von den ursprünglich acht vorgesehenen Buchstaben nur noch sechs
für die eindeutige Bezeichnung übrig.
NICHT SO EINFACH
Für diesen letzten Artikel der Serie haben Microchip und Labcenter ein weiteres Demo-File erstellt: Auf der Basis
des Explorer-16-Vorteilspakets zeigt
der Inhalt von „Demo4.zip“ sehr schön,
wie nahtlos ein PIC24F und Proteus
VSM interagieren. Das Bildschirmfoto
von Bild 1 zeigt Demo4 in Aktion.
Für die Simulation wurden weitere DIPSchalter im Design-File hinzugefügt,
die in der Explorer-16-Hardware überhaupt nicht existieren! Die Schalter sollen lediglich die Simulation vereinfachen und können, falls man wirklich
eine Platine herstellen möchte, ganz
einfach exkludiert werden. Das geschieht ganz ähnlich, wie man ein für
die Simulation nützliches virtuelles
Man hat es schon mit einem Stück
Komplexität zu tun, wenn man dem
Thermometer mehrere Sprachen beibringen und seinen Wortschatz erweitern will. Das macht auch Sinn, denn
so lernt man weitere Aspekte strukturierter Programmierung und den Umgang mit Dateien besser kennen.
Außerdem ist die Explorer-16-Umgebung eine Herausforderung an sich –
zumindest wenn es über den DemoLevel hinausgeht.
Englisch, Niederländisch und Deutsch
sind so genannte germanische Sprachen, die etliche Eigenschaften bei
Satzbau, Betonung und Morphologie
gemeinsam haben. Französisch ist als
romanische Sprache schon ein Stück
anders und die Hinzunahme von Französisch erfordert folglich mehr logische
Konstrukte im Source-Code. Interessanterweise zeigt sich, dass der französische Wortschatz kleiner ausfallen
kann.
MPLAB/VSM SIMULATION NR. 4
mulation und realer Hardware machen
kann. Wenn man noch die von MPLAB
ermöglichten Debug-Features berücksichtigt, hat man einen richtig leistungsfähigen Werkzeugkasten zusammen.
Die zusätzlichen DIP-Schalter erlauben
die Aktivierung der Batch-Mode-Simulation und die Generierung der Sprachausgabe. Der Batch-Modus ist eine
spezielle Simulationsvariante, die dem
Anwender keinen Eingriff (kein Tastendruck etc.) während des Ablaufs der
Simulation gestattet. Von daher sind
spezielle Stimuli notwendig, um das
gewünschte Verhalten zu erzwingen.
Im Prinzip wurde diese Methode schon
bei Demo2 angewendet, wo ein Stimulus-Eingang die Betätigung des Tasters
S4 simuliert, um den A/D-Converter zu
triggern und die entsprechende Datenausgabe zu veranlassen. In gleicher
Art und Weise werden die DIP-Schalter
hier dazu verwendet, die Funktionen
von S3...S6 zu simulieren und so die
Sprache auszuwählen. Die voreingestellte Sprache ist Englisch. Versuchen
Sie einmal heraus zu bekommen, wie
diese Voreinstellung geändert werden
kann.
GRENZEN
Um den Aufwand zu begrenzen, ist die
Größe einer Datei auf der CF-Karte auf
4 KB limitiert (siehe Teil 3). Diese Grenze kann man auch erhöhen, falls längere Phrasen am Stück aufgezeichnet
werden sollen, allerdings fällt dann die
Pufferung mit dem Mikrocontroller
komplexer aus. Zu Gunsten besserer
Verständlichkeit beschäftigen wir uns
nun lediglich mit Dateien < 4 KB. Diese Größe steht in einem guten Verhältnis zum verfügbaren RAM des Controllers und so bleibt der Code überschaubar. Gleichzeitig vereinfacht das den
Zugriff auf den Flash-Speicher. Bei der
Verwendung eines Controllers mit
mehr RAM können auch größere Dateien einfach gehandhabt werden.
Das Format des neuen Vokabulars
entspricht weitgehend dem des ursprünglich rein englischen Vokabulars.
Es kommt lediglich ein Präfix für die
jeweilige Sprache hinzu, damit diese
entsprechend einfach ausgewählt wer-
4/2007 - elektor
Bild 2. PICtail-CF/MMC-Board und Compact-Flash-Karte (nicht
in AC16412 enthalten).
Voltmeter von der Übertragung in eine
reale Schaltung ausschließt. Gleichzeitig lernt man so ein weiteres nützliches
Feature der VSM-Umgebung kennen,
die auf der Basis derselben DesignFiles einen Unterschied zwischen Si-
61
HARDWARE…
Wenn Sie das Projekt real in Hardware
testen wollen, dann müssen Sie die
PICtail-Audio-Plus-Platine anstecken
und die CF-Karte beim Explorer-16Board hinzufügen. Letzteres erfordert
das Produkt Nr. AC164122, das PICTailBoard für SD- & MMC-Karten von Microchip Direct (siehe Bild 2). Hierzu
muss man einen zweiten PICtail-BusSteckverbinder (Slot) beim Entwicklungs-Board bestücken. Der Steckverbinder ist ein MEC1-160-02-S-D-A von
Samtec, und bei Digikey unter der
Nummer SAM8121-ND erhältlich. Den
kompletten Hardware-Aufbau zeigt
Bild 3. Der rechtwinklige Pfostenstecker der PICtail-Tochterplatinen erlaubt
den Betrieb mit Controllern der 18F-Serie mit dem Standard-PICtail-Board. Da
diese Pins aber dem JTAG-Stecker auf
dem Explorer-16-Entwicklungsboard
gefährlich nahe kommen, entschieden
wir, diese zu kürzen. Der Card-EdgeStecker des PICtail-CF/MMC-Boards
passt sowohl in das zweite als auch
das dritte Segment des Slots auf der
Basis-Platine. Dies erlaubt den Betrieb
mit SPI1 oder SPI2. Die FAT-Software
verwendet SPI1.
Die Sprache wird dadurch ausgewählt,
dass der entsprechende Taster
während eines Resets gedrückt wird.
Während des Programmlaufs kann die
Sprache nicht verändert werden.
Selbstverständlich können Sie die
Sprachauswahl so verändern, dass sie
jederzeit und evtl. auch via serielle
Schnittstelle vorgenommen werden
kann und die Auswahl dann via LCD
angezeigt wird. Ihrer Kreativität sind
keine Grenzen gesetzt.
EIGENE SOUND-DATEIEN
Die Erstellung eigener Sound-Dateien
ist nicht ganz trivial. Aus diesen Gründen wurde die Schritt-für-Schritt-Anleitung hierzu in eine Datei ausgelagert,
die von den Explorer-16-Seiten herunter geladen werden kann (siehe im
Download-Bereich die Sektion Teil 4).
Bild 4 zeigt einen Ausschnitt dieser
PDF-Datei, die auch Einblicke in den
Umgang mit Sound-Dateien im Allgemeinen gibt.
Der beschriebene Schritt mit dem MPFSUtility kann bei den Speicherkarten
übersprungen werden. Stattdessen
können mit „FATUtil“ (ebenfalls kostenlos im Download-Bereich herunterzuladen) die komprimierten ADPCMDateien (.dat) vom binären Image der
Karte im Design-Verzeichnis von Pro-
62
KRYPTO-PUZZLE
EINE LÖSUNG
ELEKTOR-Leser sind besonders clevere Zeitgenossen. Hier zeigt
stellvertretend ein Leser - der gerne anonym bleiben möchte - wie
er das Explorer-16-Krypto-Puzzle gelöst hat. Doch lassen Sie sich
nicht irritieren, wenn Sie anders vorgegangen sind: Es gab viele
unterschiedliche Lösungsstrategien. Wir waren richtig beeindruckt!
1. Ich kopierte die Datei mit dem CF-Image auf eine SD-Karte, da ich keine CF-Karte zur
Verfügung hatte.
2. Beim Auslesen der SD-Karte fielen mir zwei Dateien auf: ENCODE.C und SECRET.DAT
3. Daraufhin programmierte ich das:
// Speichere das Zeichen in buffer unter Verwendung
// eines einfachen XOR-Entschlüsselungs-Schemas
buffer[pos++] = c ^ mask;
mask++;
4. Ent- und Verschlüsselung nutzen dieselbe Methode
buffer[pos++] = c ^ mask;
mask++;
5. Ich nahm Winhex zu Hilfe und wandelte den Inhalt von „secret.dat“ in ein C-Array
(siehe „xorc.txt“)
Als Nächstes verwendete ich c++ zur Behandlung des Arrays in einer For-Schleife
unsigned char data[1130] = {
0x56, 0x67, 0x6F, 0x68, 0x25, 0x62, 0x68, 0x66, 0x6C, 0x2B, 0x06, 0x06,
0x20, 0x04, 0x56, 0x7F, 0x64, ........
outFile = fopen(“c:\xor.txt”, “w+b”);
for (i = 0; i < 1130; i++) {
fputc((data[i]^(i+1)), outFile);
}
fclose(outFile);
Das Explorer-Board wurde eingesetzt, um die Datenbanken passend für das große Array (1130) zu
kombinieren. Dann wurde eine SD-Karte an dspic angeschlossen.
Zunächst wurde die Datei gelesen (fopen secret.dat) und dann die Datei auf der Karte mit dem
konvertierten Array-Inhalt überschrieben (fwrite character, was denselben Effekt wie fputc hat). Dann
wurde der Array-Inhalt wieder eingelesen (fread character)
for (i = 0; i < 1130; i++) {
data[i]=fread; //asuming fread will point to next character each time
when calling
}
fclose
fopen secret.dat
for (i = 0; i < 1130; i++) {
fputc((data[i]^(i+1));
}
fclose;
Für die Lösung benötigte ich also einige Zeit, da ich einen Workaround mit sdcard.c realisieren
musste (und ich nur begrenzte Erfahrung in der Anwendung von Proteus habe).
Well done!
You have successfully deciphered the secret message stored on the compact
flash card.
A prize will be awarded for the first 12 correct solutions.
To enter the competition you must email
[email protected]
with the following
a) A brief description of the method you used to
extract the secret message, including any code you used.
b) Your contact details include name, physical address
telephone number and email address.
Entered solutions will be judged to be valid or otherwise at the sole
discretion of Microchip Technology. All solutions will be acknowledged
with an indication of whether they were valid or not, and whether you were
among the first 12 correct entries.
By entering the competition you agree that you may be contacted by
employees of Elektor, Microchip or Labcenter Electronics for research and
marketing purposes. However, you may be assured that your details will NOT
be passed to any other parties.
You also agree that your solution may be published by Elektor either in
print on their Website.
elektor - 4/2007
teus hinzugefügt werden. Wenn diese
Dateien auf eine Flash-Karte sollen, um
sie mit der Hardware einzusetzen,
kann man die Dateien schlicht auf die
Karte kopieren. Die einzige Bedingung
ist, dass alle Dateien im Wurzelverzeichnis der Karte zu liegen kommen,
da der Demo-Code keine Verzeichnisse
unterstützt.
Noch ein Hinweis: Der FAT16Code
wurde noch im Beta-Stadium herausgegeben, um diese Artikelserie zu unterstützen und zukünftige Erweiterungen zu ermöglichen. Im Moment wird
der Code noch nicht offiziell durch das
Microchip-Support-Netzwerk unterstützt. Er wurde lediglich für ELEKTOR
vorzeitig freigegeben. Wenn der Code
das Beta-Stadium verlassen hat, wird
er natürlich voll unterstützt werden.
Bis dahin erhält man Support im entsprechenden Teil des ELEKTOR-Forums.
TIPPS & TRICKS
Ein paar Kleinigkeiten sollten noch erwähnt sein - insbesondere für die Leser, welche die Hinweise der Explorer1-Projekt-Seiten und des ELEKTOR-Forums nicht verfolgt haben:
• Bei der Einlösung des C30-DiscountCoupons aus dem Explorer-16-Vorteilspaket via www.microchipdirect.
com sollte die richtige Nationalität
gewählt werden und am Ende der
Bestellformalitäten für den C30-Compiler wird man nach der „Voucher Reference Number“ gefragt. Hier sollte
„ELEKTOR“ nebst der abschließenden Zahl eingegeben werden.
• Der zentrale Pin beim Anschluss
der Stromversorgung des Explorer16-Entwicklungs-Boards ist positiv
(9...15 V Gleichspannung
unstabilisiert).
• Labcenter hat spezielle Angebote
für einige Simulations-Module für
Proteus VSM (URL: www.labcenter.
co.uk/products/elektoroffer.htm).
• Weitere PIC24F/H- und dsPIC33PIMs sind via www.microchipdirect.
com verfügbar (die richtige Nationalität auswählen).
• Die Beispiele und Simulationen
laufen weder auf einem Atari ST noch
auf einem PC unter Windows 98 ;-)
FAZIT
Wir hoffen, dass Sie mit dieser vierteiligen Artikelserie einen interessanten
Einblick in die Welt der PIC24-Mikrocontroller erhalten haben. Wie Sie sicherlich bemerkt haben, gehen die
Möglichkeiten der Werkzeug-Kombina-
4/2007 - elektor
Bild 3. Das Audio-Plus-Board und CF/MMC-Board stecken beide in den PICtail-Slots des Explorer-16-Entwicklungs-Boards.
tion aus MPLAB und Proteus VSM noch
weit darüber hinaus. Diese Software
ermöglicht den ELEKTOR-Lesern immerhin die kostenlose Simulation kompletter Mikrocontroller-Schaltungen.
Sie werden in Zukunft sicherlich noch
hier und da in ELEKTOR von diesem
Software-Gespann hören.
Zum Schluss gilt unser Dank den Experten von Microchip Technology und
Labcenter Electronics, die sich sehr
viel Mühe gegeben haben, zusammen
mit ELEKTOR dieses einzigartige Paket
aus Hard- und Software zu schnüren.
Wo nicht speziell angegeben: Microchip Technology ist Inhaber der Handelsmarken (™)
und der Copyrights (©) für die Produkte PIC,
dsPIC und MPLAB.
Neuigkeiten, kostenlose Downloads und Updates gibt es auf den Explorer-16-Projektseiten unter:
www.elektor.de/explorer-16
und unter „Explorer-16“ im Forum:
www.elektor.de/default.
aspx?tabid=29&view=topics&forumid=30
(060280-IV)
Explorer-16-Vorteilspaket
Das Explorer-16 Value Pack enthält vier
Bestandteile in einer Verpackung:
1.
2.
3.
4.
Explorer-16-Demo-Board
PICKit-2-Starter Kit
Audio-PICtail-Plus-Tochterplatine
20%-Rabatt-Gutschein für MPLAB
C30
1. Auf
ausve lage
rkauft
Das Paket ist für 179 Euro von ELEKTOR bzw.
über die ELEKTOR-Webseite erhältlich.
Von Labcenter Electronics gibt es zurzeit spezielle
Proteus-VSM-Angebote für ELEKTOR-Leser unter der URL:
www.labcenter.co.uk/products/elektoroffer.htm.
63
PRAXIS WORKSHOP
Elektronischer Sticker
Michael Gaus & Thijs Beckers
Der Markt des digitalen Schnickschnacks blüht wie nie zuvor und
scheint kaum noch zu toppen. Lohnt sich da der Selbstbau noch? Auf
jeden Fall: Das hier vorgestellte Handy-Display zum Anzeigen von
bunten Bildern und Schildern eignet sich nicht nur für die mobile
Dia-Show am Revers, sondern lässt auch das Herz eines jeden
Casemodders höher schlagen.
Kleine Displays, auf denen Texte und Bilder den Besucher
eines Messestandes über die Vorzüge der ausgestellten
Produkte informieren, kennt wohl jeder. Wie man sie für
eigene Zwecke nutzt, zeigt der folgende Beitrag. Es wäre
doch gelacht, wenn dies mit einem Display aus einem älteren Siemens-Handy nicht funktionieren würde.
SCHÖN BUNT
Die Displays von Handys werden immer besser: Dominierte früher noch schwarzweiß, so gehört heute
Farbe zum Standard. Wir müssen jedoch trotzdem
nicht unser allerneuestes Handy zerlegen, um in den
Besitz eines brauchbaren Displays zu gelangen: Ein älteres Modell tut’s auch; zum Beispiel das Siemens C60,
das bei Ebay zurzeit für weniger als 10 Euro erhältlich ist
(Bild 2). Das darin enthaltene Display mit der Typennummer LM15GFNZ07 besitzt eine Auflösung von 101 mal
80 Pixel, kann 4096 Farben darstellen und arbeitet mit
einem SPI-Bus. Mit diesen Kenntnissen gelang es uns, einen AVR-Mikrocontroller (ATMega8) zur Ansteuerung des
Displays einzusetzen.
Nun brauchten wir nur noch einen Speicher für die darzustellende Grafik. Dazu verwendeten wir eine SD-Karte.
Mit MMC funktioniert es auch, da hier die gleichen Abmessungen und Pin-Anschlüsse vorliegen. Der AVR liest
die Dateien aus der Speicherkarte und zeigt sie auf dem
Display, und dies sogar als Diashow mit einstellbarer
Intervallzeit.
HARD- UND SOFTWARE
Bild 2. Das C60-Display von Siemens. Für 10 Euro ein Schnäppchen.
64
Im Schaltbild (Bild 1) ist zu erkennen, dass genau acht
diskrete Bauelemente benötigt werden. Hinzu kommen
noch zwei ICs. Das Herz der Schaltung ist ohne Zweifel
der AVR-Mikrocontroller, dessen Programmspeicher mit
4089 Bytes zu 99,8 % gefüllt ist. Nur ganze 14 Bytes
bleiben noch übrig.
Wir denken übrigens sogar schon an ein Nachfolgemodell: Beim pinkompatiblen ATMega168 ist ein einfaches
Debugging über den Reset-Ausgang möglich.
Zur Stabilisierung und Konditionierung der Versorgungsspannung wird der Low-drop-Spannungsstabilisator ADP
3303 von Analog Devices verwendet. Kleiner Tipp: Als
Sample ist dieses IC von Analog Devices auch gratis frei
Haus erhältlich.
elektor - 4/2007
470n
NR
GND
/ERR
J4
10k
29
R3
V+
6
470n
ADP3303AR-3.0
GND
J3
C2
GND
8
7
20
18
21
VCC
C1
100n
4
3
6
5
GND
19
22
VCC
GND
GND
R5
IC1
RESET
XTAL2
XTAL1
AREF
AVCC
AGND
VCC
GND
VCC2
GND2
ADC6
ADC7
VCC
(SCK)PB5
(MISO)PB4
(MOSI)PB3
(SS)PB2
(OC1)PB1
(ICP)PB0
(ADC5)PC5
(ADC4)PC4
(ADC3)PC3
(ADC2)PC2
(ADC1)PC1
(ADC0)PC0
(AIN1)PD7
(AIN0)PD6
(T1)PD5
(T0)PD4
(INT1)PD3
(INT0)PD2
(TXD)PD1
(RXD)PD0
ATMEGA8_TQFP
17
16
15
14
13
12
VCC
10k
4
3
R4
C3
IN1
IN2
VCC
1
2
OUT1
OUT2
SD_SOCKET
7
8
/SD
1
2
3
4
5
6
7
V+
IC2
J2
5
/SD_CS
SD_DI
SD_GND
SD_VCC
SD_CLK
SD_GND
SD_DO
Handy-LCD mit Diashow
*
J1
J1X
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
R1 150Ω
28
27
26
25
24
23
V+
R2 150Ω
LCD
/LCD_CS
/LCD_RESET
LCD_RS
LCD_CLK
LCD_DATA
LCD_VCC
LCD_GND
LCD_LED1_A
LCD_LED_K
LCD_LED2_A
LM15SGFNZ07
GND
11
10
9
2
1
32
31
30
VCC = 3,0 V
V+ = 4,5 V
S1
GND
075043 - 11
Bild1. Klein aber fein: Das Schaltbild des auch als Sticker verwendbaren Displays. Das muss auch so sein, denn wer läuft schon gerne mit einer großen Platine am Revers durch die
Gegend. (*: siehe Text).
Bild 3. Der Prototyp. Der Bildschirm befindet sich an der anderen Seite.
4/2007 - elektor
Bild 4. Drähte gestaffelter Länge erleichtern die Durchführung.
65
PRAXIS WORKSHOP
Die LEDs der Display-Hintergrundbeleuchtung werden
über R1 und R2 direkt an die 4,5-V-Spannung angeschlossen. Natürlich funktioniert die Schaltung nur nach vorheriger Programmierung des AVR.
Der Quellcode im Hex-Format kann von der ELEKTORWebsite heruntergeladen werden. Die Speicherkarte muss
eine Information enthalten, die angibt, wie lange ein Bild
(in Millisekunden) gezeigt wird, bevor das nächste Bild
erscheint. Diese Daten wurden aus Gründen der Vereinfachung zusammen mit den Hex-Daten gezippt.
VORBEREITUNGEN
Bild 5.
Der LCD-Bildschirm
funktioniert jedenfalls
recht gut.
Die Bitmap-Dateien müssen einige Bedingungen erfüllen:
Das Bildformat muss 101 Pixel horizontal und 80 Pixel
vertikal betragen. Farbtiefe: 16,7 Millionen. Anhand dieser Vorgaben besteht jedes Bitmap-Bild inklusive Header
aus genau 24374 Bytes. Der Mikrocontroller nimmt immer die ersten vier Bits von jeder der möglichen Farben
rot, grün und blau.
Das Bild wird von unten nach oben aufgebaut und muss
daher zuerst horizontal gespiegelt werden. Dies hängt mit
der Arbeitsweise des AVR zusammen und soll an dieser
Stelle nicht näher erläutert werden.
Die Speicherkarte muss im FAT16-Format formatiert sein,
was mit einem Standard-Kartenleser kein Problem sein
dürfte. Diese Formatierung begrenzt die maximale Anzahl
der im Root-Verzeichnis stehenden Einträge auf einen
Wert von 512.
In Anbetracht der durch die Config-Datei gemachten Vorgaben und unter der Voraussetzung, dass keine Verzeichnisstrukturen existieren, lassen sich genau 511 Bilder in
der Speicherkarte unterbringen. Das dürfte für normale
Anwendungen zumindest vorläufig mehr als ausreichend
sein. Die Daten dürfen auch nicht fragmentiert sein. Dies
wird vermieden, indem man die Karte zuerst formatiert
und dann alle BMPs in einem Rutsch auf die Karte bringt.
Die Bilder werden in der Reihenfolge gezeigt, in der sie
auch auf der Karte gespeichert sind. Ihre Dateinamen
müssen das vom alten DOS bekannte 8.3-Format aufweisen. Längere Namen werden nicht unterstützt.
AUFBAU
Figure 6.
Bild 6. Die Fusebits müssen
natürlich richtig eingestellt
werden.
66
Bild 3 zeigt die für diese Schaltung auf die Schnelle entworfene Platine, die es uns ermöglichte, das Display auch
auf Messen bestaunen zu lassen.
Bei der Montage der Bauteile beginnt man am besten
mit dem Mikrocontroller ATMega8. Anschließend ist der
Halter für die Speicherkarte an der Reihe. Dann folgt der
Rest. Vergessen Sie nicht die im Schaltbild als R5 bezeichnete Drahtbrücke.
Zur Befestigung des Displays empfiehlt sich Kupferlackdraht (Bild 4). Wenn Sie die Drähte in verschiedenen
Längen schneiden, lassen sie sich recht einfach durch die
Löcher der Platine führen. Mit einem Stück doppelseitigem
Klebeband kann das Display dann noch an seiner Vorderseite positioniert werden (Bild 5).
Wird die Schaltung als Sticker getragen, so empfiehlt sich
eine aus drei Batterien zusammengesetzte Versorgungsspannung von 4,5 V. Die wandelt der Stabilisator in eine
Spannung von 3 V zur Versorgung des Prozessors um. Ist
der Prozessor erst einmal mit Spannung versorgt, so kann
er programmiert werden. Dies geschieht mittels ISP (In
System Programming), wobei zwei verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung stehen:
elektor - 4/2007
SD-Programmieradapter
Aus einem Transflash-SD-Adapter kann ganz leicht
ein SD-Programmieradapter gemacht werden. Die
Anschlusspins werden einfach an den sechspoligen
Stecker des Atmel AVR-ISP In-system-Programmers
(um ein Beispiel zu nennen) angeschlossen. Öffnen
Sie dazu ganz vorsichtig den Adapter, so dass die
Anschlüsse des Transflash-Kartenhalters zugänglich
sind. Verbinden Sie nun die Anschlüsse mit einer
kleinen Platine, auf der ein ISP-Stecker angelötet
ist. Diese Platine kann auf dem Adapter festgeklebt
werden.
die SD-Karte ein (Karte NIEMALS einstecken oder herausziehen, wenn die Schaltung mit Spannung versorgt wird).
Nach erneutem Anschließen der Batterien erscheinen wieder die vier Balken. Danach beginnt die Diashow.
Zur Einstellung des Kontrastes muss S1 während des
Einschaltens der Spannung gedrückt werden. Daraufhin
erscheint ein Menü, in welchem der Kontrast ausgewählt werden kann (Bild 8). Mit einem kurzen Druck auf
S1 kann durch das Menü gescrollt werden (< 500 ms).
Wird S1 länger als 500 ms gedrückt, so wird ein Eintrag
ausgewählt.
Es wäre zu schade, die leistungsfähige Schaltung nur als
Namensschild zu „missbrauchen“. Die Palette der Anwendungsmöglichkeiten ist groß und nur durch die Phantasie des Anwenders begrenzt. Vor allem die Freunde des
Casemoddings dürften bei dieser Schaltung mit einer
Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten konfrontiert sein.
Zur Darstellung bewegter Bilder ist der Mikrocontroller allerdings nicht schnell genug.
(075043)
Die richtigen Verbindungen lauten:
SD DI ➔ MOSI
SD DO ➔ MISO
SD CLK ➔ SCK
SD VCC ➔ VCC
SD GND ➔ GND
An den Reset-Anschluss wird eine Messspitze
angeklemmt und mit dem Reset-Anschluss des
ATMega8 (oder R3) verbunden.
Eine Drahtschleife an der richtigen Stelle von R3
schützt vor Verwechslungen.
Bild 7.
Nach dem ersten
Einschalten erzeugt der AVR
ein Testbild.
1. Löten Sie Kabel an die Programmieranschlüsse des AT
Mega8 (MOSI, MISO, SCK, /RESET, VCC und GND)
und verbinden Sie diese mit den entsprechenden Anschlüssen des AVR-ISP van Atmel.
2. Bauen Sie einen SD-Adapter auf (siehe Kasten).
Achten Sie beim Programmieren gut auf die FusebitEinstellungen (Bild 6).
PRAXIS
Am besten testet man die Schaltung zunächst ohne SDKarte. Achten Sie beim Anschluss der Batterie auf die
richtige Polung, da kein Verpolungsschutz vorhanden ist.
Nach dem Einschalten werden auf dem Display vier farbige Balken sichtbar: weiß, rot, grün und blau. Außerdem
erscheint die Versionsnummer der Firmware und der Text:
„No SD card” (Bild 7).
Wenn bis zu diesem Punkt alles funktioniert, können die
Batterien wieder abgeklemmt werden. Stecken Sie nun
4/2007 - elektor
Bild 8.
Der AVR ist sogar für den
Kontrast zuständig.
67
PRAXIS SO FUNKTIONIERT’S
MiniDrehfeldgenerator
Frischer Wind im PC
Von Harry Baggen
In jedem PC drehen kleinere und größere Lüfter ihre Runden,
damit die diversen Hochleistungs-Chips, die Festplatte und das sonstige
Interieur kühlen Kopf bewahren. Die Lüfterkonstruktionen mögen auf den
ersten Blick simpel erscheinen, doch hinter den Kulissen ist mehr oder weniger
komplexe Regelungselektronik am Werk.
Bild 1. Auf der Motor-Platine befinden sich vier Anker. Ein Drehfeldgenerator steuert die
Ströme durch die Wicklungen.
Die Lüfter, die in den PC-Gehäusen für Durchzug sorgen,
gehören eher zu den unscheinbaren Bauteilen, doch ihre
Dienste sind unverzichtbar. Ohne kühlende Frischluftzufuhr würde manche Hightech-Komponente schnell den
vorzeitigen Hitzetod sterben. Schon lange bauen die Lüfter-Hersteller elektronische Komponenten in die elektromechanischen Konstruktionen ein. Die Elektronik steigert die
Motor-Lebensdauer drastisch, nicht zuletzt dient sie auch
der Betriebssicherheit. Gleichstrom-Motoren mit mecha-
68
nischen Rotorkontakten sind seit Jahrzehnten nicht mehr
Stand der Technik.
Wir haben einige PC-Lüfter auseinander genommen und
nachgeschaut, was sich dahinter verbirgt. Heutige PC-Lüfter gehören zur Kategorie der so genannten „Bürstenlosen
Gleichstrom-Motoren“ (DC brushless motor). Wie Bild 1
zeigt, besteht der unbewegliche Teil des von uns demontierten Motors aus vier geschichteten Blechpaketen. Die
Blechpakete tragen Kupferdrahtwicklungen, sie bilden
vier kreissymmetrisch angeordnete Anker. Auf dem Rotor,
dem beweglichen Teil des Motors, ist ein runder Permanentmagnet angebracht. Die vier Nord- und Südpole des
Permanentmagneten sind ebenfalls kreissymmetrisch angeordnet. Die Motor-Elektronik steuert die Ströme durch
die Ankerwicklungen in der Weise, dass ein magnetisches Drehfeld entsteht. Das Drehfeld versetzt den Rotor
in Drehbewegung, wobei die mechanische Drehzahl von
der Drehgeschwindigkeit des magnetischen Drehfelds
abhängt. Die Rotorposition wird von einem magnetempfindlichen Hall-Sensor erfasst. Das Auswerten dieser Information stellt sicher, dass der Rotor aus dem Stand anläuft
und unter den verschiedenen Betriebsbedingungen in
Drehbewegung bleibt. In Lüfter-Motoren heutiger Generation ist die gesamte Elektronik einschließlich Hall-Sensor
in einem einzigen Schaltkreis mit wenigen Anschlüssen
integriert (Bild 2). Zum Vergleich zeigt Bild 3 ein demontiertes Exemplar aus früheren Jahren, hier besteht die
Elektronik aus wesentlich mehr Bauelementen.
Alles auf dem Chip
Die Funktionen der vollintegrierten Motor-Elektronik mit
vier Anschlüssen sind blockschematisch in Bild 4 dargestellt. Hier handelt es sich um den Typ ATS276 von Anachip, von anderen Herstellern sind zahllose vergleichbare
elektor - 4/2007
Hall-Sensoren
Die Funktionsweise von Hall-Sensoren beruht auf dem so
genannten „Hall-Effekt“. Dieser Effekt wurde 1879 von
dem amerikanischen Physiker Edwin Hall entdeckt.
Wenn Strom durch ein geeignetes Material fließt, das sich
in einem magnetischen Feld befindet, tritt senkrecht zum
magnetischen Feld eine Potentialdifferenz auf. Die Potentialdifferenz ist ein Maß für die Stärke des magnetischen
Feldes. In einem Hall-Element befindet sich eine dünne
Scheibe aus Halbleitermaterial, durch die Strom fließt.
Ein senkrecht zur Scheibenfläche gerichtetes Magnetfeld
bewirkt eine Stromverschiebung. Die Folge ist ein Gefälle
der Ladungsträgerdichte senkrecht zur Stromrichtung. Die
entstehende Potentialdifferenz wird als „Hall-Spannung“
bezeichnet. Ausgangsmaterialien für Hall-Sensoren sind
unter anderem Indiumantimonid (InSb) und Indiumarsenid
(InAs).
B
a
B
b
I
I
c
I
UH
UH
UH
070022- 12
Bild 2. Die gesamte Elektronik einschließlich Hall-Sensor steckt in dem vierpoligen IC.
Nur der Elko ist zusätzlich erforderlich.
1
VCC
DO
2
REG.
Hall Plate
DOB
Amp
3
GND
4
070022 - 11
Bild 4. Funktionsschema des ATS276 von Anachip. Das IC steuert unmittelbar die MotorWicklungen bis zu Strömen von 0,4 A.
Bild 3. Die Elektronik eines älteren Lüfter-Modells ist mit diversen diskreten
Komponenten aufgebaut.
Typen auf dem Markt. Ein integrierter Spannungsregler
(„Reg“) versorgt die Motor-Elektronik mit stabiler Betriebsspannung. Das Signal des Hall-Sensors wird dem Eingang
eines Differenzverstärkers („Amp“) zugeführt. Der Differenzverstärker steuert über eine Hystereseschaltung die
Treiber-Transistoren, die direkt die Motor-Ströme schalten.
Der ATS276 ist vergleichsweise einfach aufgebaut. Komplexere Typen erkennen Blockaden des Rotors. Sie liefern
ein zur Drehzahl proportionales Ausgangssignal und sind
ferner gegen thermische Überlastung gesichert.
Das schwächste Glied eines Lüfter-Motors ist höchst selten
seine Steuerelektronik, sondern meistens die Lagerung
des Rotors. Meistens sind preisgünstige Motor-Modelle
mit einfachen Gleitlagern ausgestattet, die schon nach
kurzer Zeit zu Lagerspiel neigen. Aufwendigere Modelle
sind kugelgelagert, was sich natürlich im Preis bemerkbar
macht. Zu erwähnen ist noch, dass in den letzten Jahren
spezielle Schmiermittel und Schmiertechniken entwickelt
wurden, die den Lüftern zu erstaunlicher Geräuscharmut
und höherer Lebenserwartung verhelfen.
(070022)
4/2007 - elektor
69
TECHNIK
LABORGEFLÜSTER
Mein Mikrocontroller
weigert sich...
Was wäre die Elektronik ohne Mikrocontroller? Wo vor Zeiten kaum überschaubare kombinatorische
und sequentielle Schaltnetze ihren Dienst taten, genügt schon längst ein einziger programmierbarer
Chip. Er führt die Befehle aus, die ihm der Programm-Entwickler aufträgt – jedenfalls sollte es so sein.
Von Luc Lemmens
Im Lauf der Entwicklungsphase
eines Mikrocontroller-Systems
passiert es nicht selten, dass
der Controller absolut keine Aktivitäten zeigen will. Aus „unerklärlichen“ Gründen ist der Controller abgestürzt, er hat sich aufgehängt, oder jedenfalls scheint
es so. Bei älteren Controller-Typen mit externem Programmspeicher kann ein Oszilloskop oder
ein Logiktester Licht ins Dunkel
bringen. Bewegungen auf dem
Adress und Datenbus sind hier
schnell feststellbar. Moderne
Mikrocontroller haben ihren Programmspeicher an Bord, so dass
der Daten und Adressbus von
außen nicht zugänglich ist. Die
I/O-Leitungen können nicht immer darüber Aufschluss geben,
ob sich der Controller überhaupt
von der Stelle rührt.
Glücklicherweise (?) arbeiten die
Taktoszillatoren größerer Controller genau wie in alten Zeiten mit externen Komponenten.
Hier lässt sich leicht prüfen, ob
wenigstens das Taktsignal vorhanden ist. Kleinere ControllerTypen der jüngeren Generation
sind oft vollständig integriert, so
dass auch das Taktsignal im Verborgenen bleibt.
Ob der Taktoszillator arbeitet
und ein Controllerprogramm im
Prinzip laufen kann, lässt sich
vergleichsweise einfach feststellen. Vor das Programm wird
eine einfache Routine gesetzt,
die eine bestimmte Portleitung einige Male abwechselnd und verzögert auf „0“ und „1“ schaltet.
Für diesen Zweck bietet sich eine
Portleitung an, die in der Schaltung eine LED steuert. Sie lässt
durch Blinken eindeutig erkennen, dass der Controller arbeitet.
Das Oszilloskop braucht nicht in
Aktion zu treten. Das Schalten
70
der LED sollte nicht von einem
äußeren Ereignis abhängig gemacht werden, zum Beispiel
von einer Tasterbetätigung oder
einem Signal an einem seriellen
Eingang. Wenn die LED ihren
Zustand partout nicht ändern
will, ist die Wahrscheinlichkeit
hoch, dass ein Konfigurationsfehler vorliegt. Vorausgesetzt
natürlich, dass vorangegangene elementare Prüfungen, zum
Beispiel der Betriebsspannung
und des Signals auf der ResetLeitung keine Besonderheiten ergeben haben.
Die ersten Hauptverdächtigen
sind die Konfigurationsbits des
Controllers. Das Verhalten vieler moderner Mikrocontroller
wird von ihren „Fuse bits“ mitbestimmt, schon in einem früheren „Laborgeflüster“ war davon
die Rede. Wenn der Controller
seinen Dienst verweigert, liegt
zuerst der Verdacht nahe, dass
die Bits des Taktoszillators (In-
tern/Extern, Frequenzbereich)
falsch gesetzt sind. In der Mehrzahl der Fälle läuft bei falscher
Einstellung absolut nichts. Der
zweite Hauptverdächtige ist, sofern vorhanden, der WatchdogTimer. Wenn er aktiv ist und vom
Programm nicht regelmäßig und
rechtzeitig rückgesetzt wird, löst
er periodisch Resets aus. Der
Controller hat dann keine Chance, das Programm wie vorgesehen auszuführen. Der dritte Verdächtige ist die Steuerung der
externen Resetleitung. Bei einigen Controller-Typen hat man die
Wahl zwischen einem internen
Resetsignal und dem externen Reset. Das zum Controller gehörende Datenblatt gibt Auskunft, wie
der Reset ausgelöst wird und wie
das externe Resetsignal beschaffen sein muss.
Oft ist es hilfreich, die im Programm festgelegten Konfigurationseinstellungen noch einmal
nachzuvollziehen. Manchmal
muss der Controller anders konfiguriert werden als man nach
menschlicher Logik annimmt.
Wenn überhaupt nichts hilft,
bleibt nur noch übrig, sämtliche
Einstellkombinationen der Reihe
nach zu testen. Das ist sicher
nicht der eleganteste Weg, doch
leider ist er manchmal unumgänglich. Zum Glück ist das
Neuprogrammieren von Mikrocontrollern heute keine zeitraubende Prozedur mehr.
Eine simple, wie auch immer geartete Startmeldung zu Beginn
der Applikation kann viel Zeit
und Ärger sparen. Sie ist ein sicheres äußeres Zeichen dafür,
dass kein Fehler in der Hardware
vorliegt, dass das Programm im
Programmspeicher steht und
dass die Konfigurationsbits richtig gesetzt sind. Gegebenenfalls
können die Programmzeilen der
Startmeldung später wieder entfernt werden.
(070101-I)
elektor - 4/2007
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71
TECHNIK E-BLOCKS
E-blocks
LED-Matrix
Das Bessere ist
des Guten Feind!
Von Jean-Paul Brodier
Es stimmt: Das E-blocks LED-Lauflicht
vom Februar 2007 war ein bisschen simpel.
Diesen Monat komplizieren wir die Sache. Genauer:
Wir erheben das Lauflicht in die zweite Dimension!
R1
22
R2
22
J3B
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10
D11
D12
D13
D14
D15
D16
D17
D18
D19
D20
D21
D22
D23
D24
D25
D26
D27
D28
D29
D30
D31
D32
D33
D34
D35
D36
D37
D38
D39
D40
D41
D42
D43
D44
D45
D46
D47
D48
D49
D50
D51
D52
D53
D54
D55
D56
D57
D58
D59
D60
D61
D62
D63
D64
1
6
R3
22
2
7
11
3
8
10
R4
22
4
9
5
R5
22
SUB D9
R6
22
+5V
R7
22
J7B
R8
22
16
+5V
J2B
1
11
6
1
2
2
7
3
3
DX
0
G 0_7
1
2
8
10
72
6
5
5
4
1
2
4
&
5
6
7
15
MATRIX
Jede LED kann via Reihe und Spalte individuell angesprochen werden, ganz wie beim Spiel „Schiffe versenken“
oder bei einer Tabellenkalkulation. Wenn eine Reihe auf
logisch 1 (high) und eine Spalte auf logisch 0 (low) liegt,
dann wird die LED im Schnittpunkt von Reihe und Spalte
leuchten, wenn ihre Anode mit dieser Reihe und ihre Kathode entsprechend mit der Leitung der Spalte verbunden
ist. Hört sich soweit ganz einfach an.
14
13
12
DEKODIERUNG
11
10
9
7
SUB D9
8
Bild 1. 64 LEDs in
Matrixanordnung von acht
Reihen und acht Spalten.
4
9
0
U1
74HC138 3
Normalerweise braucht man 64 Leitungen um 64 LEDs
anzusteuern. Mit einem 18-Pin-Mikrocontroller wie dem
PIC16F88 ist das eigentlich unmöglich. Das Unmögliche
wird wahr, indem die LEDs in einer Matrix aus acht Spalten und acht Zeilen angeordnet werden, wie in Bild 1
dargestellt.
075032 - 11
Die Reihen werden durch die acht Leitungen von PORT B
gebildet. Da von den 18 Pins (minus 8 von PORT B minus
Stromversorgung minus Takt etc. und pp.) leider keine
weiteren acht Leitungen mehr frei sind, reicht es leider
elektor - 4/2007
nicht mehr, um die Spalten direkt anzusteuern. Deshalb
werden die Dienste eines 74HC138 in Anspruch genommen. Dabei handelt es sich um einen 8-aus-3-BCD-Dekoder. Ein 3-Bit-Signal am Eingang dieses ICs wird in acht
einzelne Ausgangsleitungen übersetzt. Und freundlicherweise sind die Ausgänge „active low“, was sie als Treiber
für die Spalten prädestiniert.
Zur Auswahl der richtigen SPALTE muss jetzt einfach
deren Nummer binär an den Eingang des Dekoders gelegt werden, wozu drei Leitungen von PORT A genügen.
Die Spalten-Nummer kann durch die Befehle SPALTE =
SPALTE + 1 inkrementiert werden. Ein Überlauf wird
durch Begrenzung auf den Wert 7 mittels der Operation
Modulo 8 verhindert.
Starten wir mit einer neuen Datei, der Einfachheit halber
„Ch2D0.fcf“ genannt („2D“ als Indikator für die zweite
Dimension).
Die erste Aufgabe besteht in der Erzeugung der Variablen
SPALTE und den entsprechenden Variablen für die
Reihen (siehe Bild 2). Hierzu platziert man ein rechteckiges Berechnungs-Icon zwischen ANFANG und ENDE
und editiert seine Eigenschaften. Neue Variablen werden
hinzugefügt, indem man auf die Schaltfläche Variablen...
klickt und im nun erscheinenden Variablen-Manager auf
Füge neue Variable hinzu.
Sobald eine neue Variable angelegt wurde, kann sie auch
im Programm verwendet werden. Nach Anlegen von
SPALTE kann diese inkrementiert und ihr Wert dem PORT
A zugewiesen werden, um der Reihe nach alle Spalten
zu aktivieren. Etwas komplizierter wird der entsprechende
Reihenwert dann PORT B zugewiesen.
DIE SPRACHE C
Die Verwendung der Programmiersprache C empfiehlt
sich immer da, wo der Einsatz von Symbolen ein Flussdiagramm unnötig kompliziert macht. Wenn nur eine mathematische Operation benötigt wird, ist C die Methode der
Wahl.
Der erste „C-Code“ im Programm hat den Titel Modulo
8 (Bild 3) und besteht lediglich aus einer einzigen CAnweisung (Rechtsklick → Eigenschaften):
FCV_SPALTE= FCV_SPALTE % 8;
Das Präfix FCV_ bei der Variable SPALTE zeigt dem
Compiler, dass diese Variable in Flowcode definiert wurde. Das Präfix ist Pflicht für die Verwendung in C.
Das entsprechende Präfix für die Verwendung in Assembler lautet _FCV_.
Das %-Zeichen steht für die Modulo-Operation, die den
Rest einer Division (in diesem Fall durch 8) zurückgibt.
Die Variable SPALTE wird bei jedem Schleifendurchlauf
um 1 erhöht. Wenn sonst nichts weiter unternommen würde, dann würde sich der Wert von SPALTE bis zu 255
erhöhen, um dann wieder bei 90 zu landen. Das ist ein
normales Verhalten für ein 8-bit-Register, aber leider nicht
kompatibel mit den nur drei nutzbaren Bits von PORT
A. SPALTE darf nur Werte zwischen 0 und 7 inklusive
annehmen.
Wenn SPALTE den Wert 8 erreicht, dann wird die Operation Modulo 8 daraus wieder eine 0 machen und die
Zählerei kann wieder von vorne starten.
Die gleiche Funktionalität erreicht man durch die Maskierung mit 7 = binär 111 (via logische UND-Operation).
Damit werden alle Bits oberhalb der drei niedrigwertigsten ausgeblendet und die C-Zeile lautet:
Bild 2. Neue Variablen werden erzeugt und mit initialen Werten vorbesetzt.
FCV_SPALTE= FCV_SPALTE & 7;
In C entspricht dem &-Zeichen die logische
UND-Operation.
Der Transfer des Werts von SPALTE zu PORT A kann
nicht direkt erfolgen. Damit die Leitungen RA3...RA7
nicht gestört werden, müssen sie bei der Wertzuweisung ausmaskiert werden. Bild 4 zeigt das Eigenschaften-Fenster des ersten OUTPUT-Symbols (Rechtsklick →
Eigenschaften). Verwende Maskierung und die Bits 0, 1
und 2 müssen angehakt sein.
Bei jedem Schleifendurchlauf wird ein neuer Reihenwert
an PORT B ausgegeben, der die Reihen eine nach der
anderen kurz aktiviert. Diese Aufgabe wird wiederum in
C erledigt. Der Wert von PUFFER (eine Art Zwischenspeicher) wird abhängig vom Wert von SPALTE verändert und dann nach PORT B übertragen. Entsprechend
seiner Bezeichnung wird der Wert von PUFFER also erst
später verwendet.
Wenn das Programm den Compiler fehlerfrei durchlaufen
hat, dann kann es via Chip → Kompiliere nach Chip zum
Ziel-Controller übertragen werden. Nun kann man einen
leuchtenden Punkt diagonal durch die 8x8-Matrix wandern sehen. Diese Lösung taugt also lediglich zur DarstelBild 3. Das Testprogramm
lung von einem Punkt gleichzeitig.
Möchte man z.B. eine Zeile sehen, dann müssten eigent- der Matrix.
lich alle LEDs der Diagonale gleichzeitig leuchten. Das
dürfte kaum so einfach funktionieren. Schon mit zwei
LEDs (A1 und B2) gleichzeitig wird das schwierig. Wenn
Bild 4. Der Wert der Variablen SPALTE wird an PORT A übergeben.
4/2007 - elektor
73
TECHNIK E-BLOCKS
die beiden Reihen A und B sowie die Spalten 1 und 2
aktiviert sind, dann leuchten gleich vier LEDs, nämlich A1,
A2, B1 und B2. Die Lösung liegt in der schnell aufeinander folgenden Nichtgleichzeitigkeit. A1 und B2 werden
mit hoher Frequenz einzeln für kurze Zeit selektiert. Für
die Trägheit des Auges wirkt das wie gleichzeitiges Leuchten. Das Verfahren nennt sich Multiplexing.
Nun kommen Änderungen, die Multiplexing implementieren. Hierfür ist es zweckmäßig, eine neue Datei namens
„Ch2D1.fcf“ anzulegen.
INTERRUPTS
Bild 7. Die sehr einfach
gestrickte InterruptRoutine.
Bild 5. Interrupt-Konfiguration.
Bild 6. Der in der Interrupt-Routine enthaltene C-Code.
Die Abtastfrequenz für flackerfreies Multiplexing muss
ganz schön hoch liegen. Für diese Routine-Aufgabe, die
keine großartigen Berechnungen erfordert, eignet sich
am Besten eine so genannte Interrupt-Routine. Diese wird
dann von einem Timer des Controllers getriggert.
Nun wird ein Interrupt-Icon nach der Variablen-Initialisierung platziert und wie in Bild 5 konfiguriert.
Jedes Mal wenn TMR0 den Wert 0 erreicht (ca. 300 Mal
pro Sekunde), triggert er eine Routine, die im Flowcode-Sprachgebrauch als MAKRO bezeichnet wird. Hier
handelt es sich um das Makro INTERRUPT_TMR0. Jetzt
müssen nur noch alle Bestandteile des vorherigen Hauptprogramms in das Flussdiagramm des Makros platziert
werden. Hierzu klickt man im Menü auf Makro → Show
und holt sich via „drag and drop“ die passenden Teile
vom vorherigen Programm.
Um das Rad nicht zweimal erfinden zu müssen, empfiehlt es sich, die alte Datei „Ch2D0.fcd“ zu öffnen, die
entsprechenden Blöcke im Flussdiagramm mit der Maus
zu selektieren und via Ctrl-C und Crtl-V (bzw. Strg-C und
Strg-V) Stück für Stück an die entsprechende Stelle des
neuen Makro-Flussdiagramms zu kopieren, bis die Sache
ANSI-Standard und die in MPLAB
verwendete C-Variante
Die von MPLAB (Entwicklungswerkzeug von Microchip) unterstützte Programmiersprache C entspricht dem ANSIStandard nicht vollständig.
Die Maskierungs-Operation kann z.B. so geschrieben werden:
FCV_SPALTE &= 7;
C-Programmierer haben gewöhnlich eine besondere Vorliebe für diese Art gedrängter Schreibweise, da sie für Anfänger extra schwer zu lesen ist und daher gegenüber den Beherrschern dieses Kauderwelsch besondere Bewunderung an den Tag gelegt wird (böse Unterstellung). Unabhängig von diesen Motiven weist der C-Compiler den
Ausdruck:
FCV_COLUMN %= 8;
als unverständlich zurück, obwohl er vollkommen ANSI-konform ist.
Bild 8. Demonstration
des Multiplexing: Eine
diagonale Linie wird
angezeigt.
Eigentlich machen moderne Editoren und IDEs das Programmieren so bequem, dass es nicht zwingend darauf
ankommt, jeden möglichen Tastendruck zu sparen. Etwas mehr Redundanz ist oft besser verständlich. Egal ob
verkürzt oder ausführlich geschrieben, das kompilierte Resultat ist das gleiche, wovon man sich leicht überzeugen
kann, wenn man die resultierende .LST-Datei inspiziert. Wenn der Compiler eine Zeile C oder Assembler nicht
versteht, dann weist er lediglich darauf hin, ohne seine Gründe darzulegen. Hier hilft gelegentlich ebenfalls ein
Blick in die entsprechende .LST-Datei, da sie die Details des Programms in Assembler enthält.
Ein weiterer kleiner Unterschied zwischen ANSI und MPLAB: In letzterem müssen Variablen-Namen in
Großbuchstaben geschrieben werden, während ANSI Groß- und Kleinschreibung nicht nur zulässt, sondern sogar
unterscheidet.
74
elektor - 4/2007
so aussieht wie in Bild 7. Das fertige Multiplex-Demo-Programm sollte dann Bild 8 entsprechen.
TANZENDE LICHTPUNKTE!
Das Aufleuchten einer diagonalen Linie ist nun möglich.
Wie wäre es mit einer zweiten Linie? Hierzu braucht es
Version Ch2D2.
Als erste Maßnahme werden die Initialwerte der REIHEVariablen so modifiziert, dass zwei LEDs zugleich leuchten. Die primäre Schleife verschiebt dann den Inhalt aller
Register.
Die sukzessiven hexadezimalen Werte von REIHE0 bis
REIHE3 sind 0x11, 0x22, 0x44 und 0x88. Diese vier
Werte werden für REIHE4 bis REIHE7 einfach wiederholt.
Da Flowcode keine hexadezimale Notation versteht (weder C-typische 0x11 noch Intel-artige 11h), müssen diese
Werte dezimal als 17, 34, 68 und 136 geschrieben
werden.
Die Verschiebung geschieht durch einfaches Multiplizieren mit dem Faktor 2, was direkt einer binären Verschiebung um eine Stelle entspricht. Der Vorteil der Methode
ist, dass bei einem Überlauf (z.B. beim Verschieben des
Werts 136) das links „herausfallende“ Bit rechts wieder
auftaucht (10001000 wird zu 00010001 = dezimal 17).
Je nach exaktem Zeitpunkt ergibt das sogar drei oder vier
gleichzeitig erscheinende Linien (Bild 9).
Auf die gleiche Art und Weise kann man nun die initialen
Werte wieder so verändern, dass nur eine Linie entsteht
(1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 und 128). Je nach Experimentierfreude sind vielleicht gebrochene Linien erwünscht. Je
nach Spaß an der Sache kann man die Werte auch zwischendrin einfach ändern und so diverse Muster ablaufen
lassen.
Auch wenn es sich beim verwendeten Mikrocontroller
um ein kleines Exemplar handelt, wird sein Speicher
mit 391 von 4096 Worten doch nur zum Bruchteil
genutzt.
KONSTRUKTION
Man kann die komplette Schaltung auf einem Stück
Lochrasterplatine realisieren oder die schönere
Platinenversion von Bild 10 verwenden. Die Platine
verfügt über zwei Sub-D-Stecker (J2B und J3B), die
genau zu den Buchsen J2 (PORT A) und J3 (PORT B)
der Multiprogrammer-Platine der E-blocks-Reihe passen.
Die +5-V-Stromversorgung wird vom +V-Anschluss der
Schraubklemme J7 abgegriffen, da Masse ja schon
über die Sub-D-Steckverbindungen vorhanden ist.
Die 22-Ω-Widerstände sind eigentlich nur Zierde, da
der Strom durch die LEDs von den Fähigkeiten der
Controller-Ausgänge begrenzt wird. Der maximale
Gesamtstrom der acht Ausgänge von PORT B liegt bei
ca. 100 mA-. Die Verwendung von Low-Current-LEDs ist
also keine schlechte Idee.
Es muss nicht zwingend eine zweiseitige Platine verwendet werden. Die Leiterbahnen auf der Bestückungsseite können auch leicht durch ein passendes Stück
Draht realisiert werden. Man verzinnt hierzu die LEDAnoden und fädelt den dünnen Draht schlangenlinienförmig durch die Anschlüsse. Jeweils ein Stubser mit
Lötkolben und Zinn genügen dann für eine leitfähige
Verbindung. Spezieller Wire-Wrap-Draht macht die
Sache noch einfacher, da sein Lack an ungelöteten Stellen isoliert.
Bild 9. Die Einfachheit des
Flussdiagramms wird durch
einzelne Einschübe in C
erreicht.
(075032-I)
Stückliste
Widerstände:
R1...R8 = 22Ω
Halbleiter:
D1...D64 = LED, 3 oder 5 mm
IC1 = 74HC138
Außerdem:
J2B, J3B = 9-polige Sub-Stecker für Platinenmontage
J7B = 2-polige Schraubklemme für Platinenmontage
Platine 075032-1 erhältlich bei www.thepcbshop.com
Bild 10.
Die Platine kann mit etwas Geschick auch einseitig ausgeführt werden. Bei der Menge
von LEDs muss man aufpassen, dass man alle richtig gepolt bestückt. Das Platinenlayout
kann unter www.elektor.de heruntergeladen werden.
4/2007 - elektor
75
PRAXIS THEMA
Sensationell:
Synergetischer
Transformator
Von Prof. Dr.-Ing. Heinz van der Broeck und Prof. Dr.-Ing. Martin Ossmann
Als erster Fachzeitschrift weltweit ist
es ELEKTOR gelungen,
über die bahnbrechende Erfindung
eines „synergetischen Transformators“
berichten zu können.
Bild 1. Wechselrichter mit schlechtem Wirkungsgrad. Die Lampe leuchtet nur schwach.
Dieses neue Bauteil wird die
Leistungselektronik wahrscheinlich
revolutionieren.
Wir stellen hier die ersten zur
Veröffentlichung freigegebenen
Resultate vor.
Bild 2. Ohne Kern: Keine Kernverluste – und Super-Wirkungsgrad!
76
elektor - 4/2007
Eisenloser Trafo überträgt Gleichstrom
Alles begann vor etwa einem Jahr (am 1.4.2006, um genau zu sein) mit dem Versuchsaubau eines kleinen Wechselrichters mit Transformator, bei dem der Wirkungsgrad
ungewöhnlich niedrig ausfiel (siehe Bild 1).
Der Entwickler hatte den Trafo im Verdacht. Dabei hatte
er extra schon eine Wicklung mit HF-Litze ausgeführt, um
Wicklungsverluste auszuschließen. Um den Trafo neu zu
wickeln, entfernte er zuerst den Ferrit-Kern. Dabei war
die Schaltung (unvorsichtigerweise!) noch in Betrieb. Dies
führte zu einem überraschenden Phänomen: Ohne Ferritkern arbeitete der Transformator anscheinend um Klassen
besser. Wie Bild 2 zeigt, brennt die Lampe sehr viel
heller.
Dass die Ummagnetisierung im Trafo Verluste verursacht,
ist bekannt. Dabei ist die Abhilfe offenbar ganz einfach:
Wo kein Eisen, da keine Eisenverluste! Auch wenn alle
Lehrbücher behaupten, ein Trafo funktioniere nur mit Kern
gut, war hier das Gegenteil zu sehen: Zur Probe wurde
der Kern noch einmal eingeschoben, und tatsächlich wurde die Lampe sofort wieder dunkel. Möglicherweise war
man hier einem neuartigen Transformatorkonzept auf der
Spur. Wenn sich schon der Nachteil der Eisenverluste beseitigen lässt, kann dieser Transformator ja vielleicht noch
mehr…
330
330
1N4007
6V
0A3
Synergetischer
Trafo
GLEICHSTROMTRANSFORMATOR
Bild 3. Beschaltung des synergetischen Transformators.
S1
Uout
+6V
+6V
1n
120k
2M2
Ein weiterer Nachteil klassischer Trafos ist, dass sie nur
Wechselstrom übertragen können. Zur Untersuchung des
Gleichstromverhaltens wurde unser Trafo wie in Bild 3
angegeben beschaltet. Die LEDs zeigen an, ob Gleichspannung anliegt - und mit welcher Polarität.
Der Transformator wird von einer einfachen Schaltung
(Bild 4) mit Strom versorgt. Dabei erzeugt ein Vollbrücken-IC L293D eine rechteckförmige Wechselspannung,
deren Frequenz von dem CMOS-Oszillator vorgegeben
wird. Die Frequenz wurde durch Schließen des Schalters
S1 von zuvor 4 kHz auf 2 Hz (das ist fast Gleichspannung!) reduziert.
Und wieder ist das Ergebnis eine Überraschung: Beide
LEDs blinken im Takt der 2-Hz-Spannung, und zwar sogar
abwechselnd. Der Transformator dreht also die Polarität
um, was insbesondere bei dem in Bild 1 erkennbaren
Wicklungssinn enorm verwundert. Auch für noch niedrigere Frequenzen bis hin zum Gleichstrom arbeitet die
Schaltung einwandfrei. Endlich ist der Gleichstromtransformator erfunden!
060385 - 11
- 6V
IC1.A
1
2
&
IC1.B
3
5
6
&
IC1.C
8
4
9
&
IC1.D
10
12
13
&
11
Uout
14
SYNERGETISCH
IC1 = CD4011
Noch nicht gefunden wurden die theoretischen Zusammenhänge, denn ein gleichspannungsdurchlässiger Trafo
ohne Eisen ist mit klassischem Wissen nicht zu erklären.
Da hier anscheinend viele Mechanismen zusammenwirken, wurde der Transformator „synergetisch“ genannt.
Die Forschungsarbeiten halten an, und vielleicht sind die
Autoren schon bald in der Lage, in ELEKTOR eine reproduzierbare Bauanleitung für einen synergetischen Trafo
zu veröffentlichen. Dann könnten alle Leser diese erstaunlichen Experimente demonstrieren und nach Erklärungen
suchen. Man darf gespannt sein!
IC1
L293D
7
060385 - 12
Bild 4. Wechselspannungsgenerator.
(060385e)
4/2007 - elektor
77
INFOTAINMENT RÄTSEL
Hexadoku
EINSENDEN
Schicken Sie die Lösung (die Zahlen
in den grauen Kästchen) per EMail, Fax oder Post an:
Sudoku für Elektroniker
Hier präsentieren wir wieder ein neues Hexadoku-Rätsel – aber Achtung, Sie lassen
sich wieder auf einige Stündchen Denksport ein. Doch es könnte sich lohnen: Auch
dieses Mal warten nämlich wieder ein E-blocks Starter Kit Professional und drei
F
3
D
8
5
2
0
4 x 4 Kästchen (markiert durch
die dickeren schwarzen Linien)
genau einmal vorkommen.
Einige Zahlen sind bereits eingetragen, was die Ausgangssituation des Rätsels bestimmt. Wer das
Rätsel löst – sprich die Zahlen in
den grauen Kästchen herausfindet – kann wie jeden Monat
einen Hauptpreis oder einen von
drei Trostpreisen gewinnen!
A C
8
5
1 6
1
2
9
F B
F C B 8
D
2 4
9
E
7
9
E F 0
1
4 D
3 0
B
4
A
A 8
0 7
7
5 6
6
9 C
D
A
Als Betreff bitte nur die Ziffern der
Lösung angeben!
Einsendeschluss ist der
1. Mai 2007.
Elektor-Gutscheine auf die Gewinner!
Die Regeln dieses Rätsels sind
ganz einfach zu verstehen: Bei
einem Hexadoku werden die
Hexadezimalzahlen 0 bis F verwendet, was für Elektroniker
und Programmierer ja durchaus
passend ist. Füllen Sie das Diagramm mit seinen 16 x 16 Kästchen so aus, dass alle Hexadezimalzahlen von 0 bis F (also 0 bis
9 und A bis F) in jeder Reihe, jeder Spalte und in jedem Fach mit
Elektor
Redaktion
Süsterfeldstr. 25
52072 Aachen
Fax: 0241 / 88 909-77
Die Gewinner des Februar-Hexadokus (Lösung in
der Rubrik Mailbox in diesem Heft) stehen fest!
Die richtige Lösung ist: 9BC24.
Das E-blocks Starter Kit
Professional geht an:
Gutscheine über je 50 €
gehen an: Torsten Clever,
Herwig Frank und Olaf Kuntze.
Jens Orf aus Tann.
Herzlichen Glückwunsch!
(075044)
5 3
E
F
9
C
9
0
3 6 D 8
3 8
6
1
A
4
E 9
7 8 E C
F
1
B A C
D 5 3
0 9 7 6
2 A
F C
B 8
9
2 5 4
F
8
5 7
D 3 9
E 5
F
D 4
3 A
6 5
9
0 1
Mitmachen
und gewinnen!
Unter allen Einsendern mit
der richtigen Lösung
verlosen wir ein
E-blocks
Starter Kit Professional
im Wert von 365,75 €
und drei
ELEKTOR-Gutscheine
im Wert von je 50 €.
Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. Mitarbeiter der in der Unternehmensgruppe Segment B.V. zusammengeschlossenen Verlage und deren Angehörige sind
von der Teilnahme ausgeschlossen.
(c) PZZL.com
78
elektor - 4/2007
RETRO-TRONICA INFOTAINMENT
Einstellbares Netzteil für hohe Spannungen (1961)
partout weder eine Ausgangsspannung anzeigen noch eine
liefern. Nähere Untersuchungen
führten zu einer durchgebrannten
150-mA-Sicherung. Eine neue
Sicherung - und das Netzteil
funktionierte wieder.
Stabilisierte und einstellbare
Netzteile sind eigentlich nichts
Besonderes. Ausgesprochen
schwierig wird es aber, wenn
Von Jan Buiting
Da hatte ich mich getäuscht, als
ich dieses Gerät bei einem
freundlichen Leser abholte, der
seine Sammlung wegen Auswanderung auflöste: Ich dachte,
diese Blechkiste würde ganz
schön schwer sein. War sie aber
nicht. Mit gerade etwas über
13 kg konnte ich sie an ihren
verchromten Griffen bequem von
dannen tragen. Aber man erwartet einfach Masse, wenn sich
ein solcher Anblick bietet: (1) Ein
19-Zoll-Gehäuse mit „schönem“
grauem Lack, (2) der Schriftzug
„Power Supply“ auf der Frontplatte und (3) durch den Deckel
oben sichtbare große Röhren.
Man versteht unmittelbar, warum
Amerikaner solches Equipment
respektlos als „Bootsanker“
bezeichnen.
Laut Handbuch ist das „Van der
Heem type 8619 power supply“
dazu gedacht, Gleichspannungen niedriger Quell-Impedanz
für experimentelle Aufbauten,
zur Kalibrierung von Instrumenten und für viele weitere Anwendungen in Labor und Industrie zu erzeugen.
Die stabilisierte Ausgangsspannung lässt sich in drei Bereichen
stufenlos einstellen: 0-35 V, 20190 V und 180-350 V. Der Ausgangsstrom kann in allen Bereichen bis zu 150 mA betragen.
Weiter bietet das Netzteil noch
unstabilisierte Spannungen von
245 V, 375 V und 540 V.
Neben den obligatorischen 6,3 V
wird auch noch eine Wechselspannung von 4 V zur Röhrenheizung geboten. Das Tüpfelchen
auf dem i ist eine einstellbare
negative Ausgangsspannung im
Bereich von 0 bis –40 V.
Die komplette Elektronik befindet
sich in einem 22 cm hohen 19Zoll-Gehäuse im typischen HighEnd-Grau der Laborgeräte der
60er Jahre. Die Frontplatte ist
m i t „W u n d e r “ - S o c k e l n ,
Zeigerknöpfen, Knebelschaltern
und einem Drehspul-Instrument
mit kombinierter V/mA-Skala bestückt. Das Ganze macht einen
überaus soliden Eindruck. Nach
der notwendigen Staubentfernung war ich zuversichtlich, das
8619 wieder zum Leben erwecken zu können – nach einem
„Soft-Start“, um die Elkos nicht
zu beschädigen.
Der Trick bei der Wiederbelebung prähistorischer Elektronik,
die man aus Staubsedimenten
freigelegt hat, ist die Verwendung eines Stelltransformators.
Man beginnt für einige Stunden
mit etwa 50 % bis 75 % der
Nominalspannung. Diese
Maßnahme erlaubt es alten, chemisch veränderten ElektrolytKondensatoren, sich zu „reformieren“. Auch für Röhren gestaltet
sich der Wiedereinstieg ins
glühende Leben dadurch etwas
verträglicher.
Obwohl ich mich dieser schlafenden Schönheit mit Geduld
genähert und sie sanft zurück ins
Leben geküsst hatte, wollte sie
man ein Exemplar für hohe Ausgangsspannungen sucht, wie es
für Basteleien und Reparaturen
an Röhrengeräten gebraucht
wird. Von daher ist es nur logisch, dass das 8619 selbst mit
Röhren arbeitet. Glücklicherweise
sogar mit üblichen Typen wie der
EL34 (6CA7), der EF94 (6AU6),
der OA2 und der 85A2. Die
vereinfachte Schaltung der Stabilisierung enthält sieben Widerstände (inklusive Poti und Trimmpoti für den Abgleich), die den
Spannungsteiler zwischen der
Referenzspannung (–85 V) und
der stabilisierten Ausgangsspannung bilden. Mit dem Potentiometer wird die gewünschte
Ausgangsspannung eingestellt.
Das Steuer-Gitter der Verstärkerröhre EF94 ist mit einer Anzapfung des Spannungsteilers verbunden. Durch die hohe
Schleifen verstärkung und der
folglich großen Gegenkopplung
erzeugt die EF94 ein konstantes
Potential gegenüber Masse.
Unser Dank gilt Herrn Cor de
Boer, der uns dieses seltene
Gerät überlassen hat.
(075036-I)
In der Rubrik “Retronik” stellen wir Historisches und Antikes aus der Welt der Elektronik vor – darunter natürlich auch legendäre ELEKTOR-Projekte aus dem vorigen
Jahrhundert. Beiträge, Vorschläge und Anfragen sind willkommen.
Bitte senden Sie Ihre E-Mail mit dem Betreff “Retronik” an: [email protected]
4/2007 - elektor
79
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Elektor-Verlag GmbH
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beschreibt dieses Buch den Selbstbau
eines Diagnose-Interface und welche
Fertiglösungen es am Markt gibt.
Ein weiteres Projekt beschäftigt sich mit
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einzusteigen, werden die gängigen
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neu konfiguriert werden.
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Vom Detektorzum DRM-Empfänger
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Lange Zeit war das Radiobasteln der
Einstieg in die Elektronik. Inzwischen
gibt es zwar auch andere Wege, vor
allem über Computer, Mikrocontroller
und die Digitaltechnik. Allerdings
kommen die analogen Wurzeln der
Elektronik oft zu kurz. Die Radiotechnik eignet sich besonders gut
als Lernfeld der Elektronik, weil man
hier mit den einfachsten Grundlagen
beginnen kann.
1
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Domotik
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Freescale-MC9S08-Projekt
060297-11
060297-71
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060025-9-11
Software-CD
g-Kraft-Messer, Platinensatz mit 2 gratis MMA7260-Sensoren und
Teile für BDM-Kabel
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Akku-Lader/Entlader/Kapazitätsmesser
050073-1
050073-2
050073-11
050073-41
Hauptplatine
Tastatur/Display-Platine
Software-CD
Programmierter ST7FMC2S4-Controller
14,95
14,95
7,50
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MÄRZ 2007 (Nr. 435)
Freescale-MC9S08-Projekt
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Software-CD (mit Sourcecode)
Programmierter Controller (ATmega32-16PC)
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050402-1
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Platine iDwaRF-Prototypingboard
iDwaRF-168 Funkmodul (bestückt und getestet)
iDwaRF-NodeBoard (bestückt und getestet)
iDwaRF-HubBoard (bestückt und getestet)
12,00
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24,95
Handy-LCD am PC
060184-1
060184-11
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Interface-Platine
Software-CD
Programmierter Controller (ATmega16-16PC)
siehe www.thepcbshop.com
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Anti-Kalk (Mini-Projekt)
070001-1
Platine
FEBRUAR 2007 (Nr. 434)
Rocketronik
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Sender-Platine
Empfänger-Platine
MP3-Vorverstärker
060237-1
Platine
Funkuhr mit CPLD
050311-1
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Platine
Programmierter CPLD-Chip
ELEK UK 0505 1-1 shop.indd 1
7,50
050018-1
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050018-41
Platine
Programmierter Controller
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Hebinck-Uhr
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Trinär-Uhr
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AVR-USB-Board
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060276-11
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JANUAR 2007 (Nr. 433)
Sputnik-Uhr
51,50
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DEZEMBER 2006 (Nr. 432)
Kurzwellen-Empfänger mit DDS
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Rotierendes LED-Display
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NOVEMBER 2006 (Nr. 431)
USB-Stick mit ARM und RS232
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Bestückte und getestete Platine
Software-CD
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OKTOBER 2006 (Nr. 430)
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Roboter können sich selbständig bewegen und
scheinen manchmal sogar eigene Entscheidungen zu treffen.
Dieser Grenzbereich zwischen Technologie und „echter“ Intelligenz
ist besonders faszinierend. Aus diesem Grund entsteht bei vielen
der Wunsch nach einem eigenen Roboter, sei es für praktische
Aufgaben oder einfach nur zum Experimentieren und Spielen.
Der Weg zur Entwicklung und dem Aufbau eines eigenen Roboters ist
aber nicht ganz einfach. Man sollte sich jedoch von anfänglichen Misserfolgen nicht abschrecken lassen, denn es macht wirklich Spaß, einen
selbst entworfenen Roboter zum ersten Mal in Funktion zu sehen!
Das Buch enthält detaillierte Bauanleitungen für vier verschiedene Roboter.
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4/2007 - elektor
83
INFO & MARKT
VORSCHAU
Software Defined Radio mit USB-Interface
Ein Software Defined Radio (SDR) hat den großen Vorteil, dass mit sehr geringem Schaltungsaufwand ein
Empfänger realisiert werden kann, der an Ausstattung und Bedienungskomfort der Luxusklasse unter den “Weltempfängern”
entspricht –und zusätzlich auch noch den digitalen DRM-Empfang bietet!
Der Trick dabei ist der, dass der größte Teil der Verarbeitung des empfangenen Signals nach der Digitalisierung durch Software erfolgt.
Das SDR-Projekt in der Mai-Ausgabe ermöglicht die Realisierung eines solchen Konzepts in einer Qualität, die den schon legendären
DRM-Empfänger von ELEKTOR noch übertrifft. Der ELEKTOR-SDR-Empfänger ist sehr vielseitig: Empfangsbereich 150 kHz bis 30 MHz
für AM, DRM, SSB und CW. Die Empfänger-Schaltung wird vom PC oder Notebook aus über den USB-Port abgestimmt und auch mit
Strom versorgt. Der Ausgang der Schaltung wird einfach an den Stereo-Line-Eingang der PC-Soundkarte angeschlossen – alles weitere
erledigt die SDR/DRM-Software.
Universeller JTAG-Programmer
Programmierbare Logik-ICs der Gattung CPLD, EPLD, uPSD und MSPS sind zwar sehr leistungsfähig, aber durch ihre unterschiedlichen Hardware-Konzepte nicht austauschbar. Daher benötigt man im Prinzip jeweils eine andere Programmierschaltung. Zum Glück hat sich mit der
JTAG-Schnittstelle der Joint Test Action Group aber ein Standard etabliert, mit dem sich alle genannten PLD-IC-Gattungen in-circuit-programmieren lassen. Der in ELEKTOR vorgestellte JTAG-Programmer lässt sich in verschiedenen Konfigurationen aufbauen und eignet sich für CPLD
und EPLD (Altera, Xilinx), PSD, uPSD, DSM (STMicroelectronics) und auch MSP430 (Texas Instruments).
RC-Flugsimulator via USB
Auch Modellflieger haben Ihre Flugsimulationsprogramme, und
wie bei großen Flugzeugen ermöglicht die Simulation kostengünstiges Üben ohne Risiko. Dazu kommt natürlich auch noch ein
nicht zu unterschätzender Spaßfaktor. Richtig optimal ist die
Simulation aber erst dann, wenn das Modellflugzeug auf dem
Bildschirm nicht mit Maus, Tastatur und/oder Joystick, sondern
mit einem echten Fernsteuersender geflogen wird. Genau das
ermöglicht unser USB-Interface für handelsübliche Funk-Fernsteuersender. Die Schaltung lässt sich mit einem PIC 16C745 mit
6 MHz oder einem 18F2550 mit 8 MHz bestücken.
Magnetometer/
Seismograf
Diese kleine, aber sehr empfindliche Schaltung misst Erschütterungen mit Hilfe eines Trafos und eines Dauermagneten. Je
nach Dimensionierung können unterschiedliche Vibrationen
gemessen werden. So eignet sich das Prinzip nicht nur als Seismometer, sondern auch als Diebstahlsicherung für Autos.
Änderungen vorbehalten!
ELEKTOR MAI ERSCHEINT AM 25. APRIL 2007.
ELEKTOR gibt es im Bahnhofsbuchhandel, Elektronik-Fachhandel,
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