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--- elektronik_labor:tipps_fuer_komplexere_aufbauten [2020/03/31 00:40]
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+++ elektronik_labor:tipps_fuer_komplexere_aufbauten [2024/09/24 00:45] (aktuell)
mexleadmin [Tabelle]
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-====== Systemdesign ======
 ===== Allgemeines =====
-  * __**Schaltung modularisieren**__  : Bei Schaltungen und Software bietet es sich an, stark zu modularisieren. Ziel ist dann unter anderem die einzelnen Module separat entwickeln und testen zu können. Dazu sollte gewährleistet werden, dass die Module auch tatsächlich einzeln testbar sind. Hierfür können niederohmige Widerstände ("0 Ohm") oder Lötjumper genutzt werden. Mit diesen lassen sich Teile der Schaltung bei Bedarf separieren oder verbinden.
+  * __**Schaltung modularisieren**__  : Bei Schaltungen und Software bietet es sich an, stark zu modularisieren. Ziel ist dann unter anderem die einzelnen Module separat entwickeln und testen zu können. Dazu sollte gewährleistet werden, dass die Module auch tatsächlich einzeln testbar sind. Hierfür können niederohmige Widerstände ("$0 ~\rm\Omega$") oder Lötjumper genutzt werden. Mit diesen lassen sich Teile der Schaltung bei Bedarf separieren oder verbinden.
   * __**Komponenten suchen**__: Falls Sie noch nicht wissen, wie Ihre gesuchte Komponente heißt, sollten Ihnen folgende Tipps helfen:
     * Suchen Sie die Komponente nicht (nur) auf deutsch. Die Ergebnisse vermehren sich um ein Vielfaches, wenn in Englisch gesucht wird.
     * Nutzen Sie die Bildersuche, wenn Sie den genauen Begriff nicht kennen.
-    * Bei unklaren Begriffen, bieten sich auch folgende Suchworte an: // "Arduino" + <englische Übersetzung von dem "Ding" was gesucht wird> + ggf. "Project"//. Alternativ bietet sich statt Arduino auch //AVR// oder //Atmel// an Häufig hilft auch die Suche nach //"IC" + <..>// für integrierte Schaltkreise.
+    * Bei unklaren Begriffen, bieten sich auch folgende Suchworte an:  ''Arduino'' + //<englische Übersetzung von dem "Ding" was gesucht wird> // + ggf. ''Project''. Alternativ bietet sich statt Arduino auch ''AVR'' oder ''Atmel'' an. Häufig hilft auch die Suche nach ''IC'' + //<..>// für integrierte Schaltkreise. Als Quelle bietet sich häufig Github an. Dies kann bei der Suche über ''site:github.com'' berücksichtigt werden.
   * __**Eignung der gefundenen Komponenten überprüfen**__: Mouser und TME bieten eine gute Detailsuche für bekannte Komponenten. Diese lässt eine Eingrenzung der Komponenten durch die Auswahl von Eigenschaften zu. Nutzen sie diese, wenn Sie auf der Suche nach neuen Komponenten sind.
     * Wählen Sie bei der Suche auch "auf Lager" aus, damit nur die vorhandenen Komponenten angezeigt werden.
     * Wichtig ist bei einem geeigneten Bauteil immer der Blick ins Datenblatt. Die Suchmaschinen verwenden gelegentlich veraltete und falsche Angaben.
-  * __**Blick in Datenblätter**__ : Prüfen Sie
+  * __**Blick in Datenblätter der ICs**__ : Prüfen Sie
-      * den elektrischen Arbeitsbereich. Die "**Absolute maximum ratings**" sind absolute Grenzen! D.h. in der Regel keine Spannungen, Ströme und Temperaturen für den Normalgebrauch. Um die Komponente für den Normalgebrauch auszulegen, ist die Betrachtung der "**Electric Characteristics**" besser geeignet. Bitte den Fokus auf typical und nicht min/max Ratings legen.
+    * den elektrischen Arbeitsbereich. Die "**Absolute maximum ratings**" sind absolute Grenzen! D.h. in der Regel keine Spannungen, Ströme und Temperaturen für den Normalgebrauch. Um die Komponente für den Normalgebrauch auszulegen, ist die Betrachtung der "**Electric Characteristics**" besser geeignet. Bitte den Fokus auf typical und nicht min/max Ratings legen.
-      * ob die Komponente für Ihre **Versorgungsspannung **geeignet ist
+    * ob die Komponente für Ihre **Versorgungsspannung **geeignet ist.
-      * ob das **Packaging**  für Ihre Platine geeignet ist (THT oder SMD?),
+    * ob das **Packaging** gerade noch handlötbar und analysierbar ist: Es sollen bevorzugt SMD-Komponenten genutzt werden (keine THT), die ICs sollten Beinchen haben, also kein ...GA ("... __g__rid __a__rray"), kein ...CSP ("... __c__hip __s__cale __p__ackage"), kein ...FN ("... __F__lat __N__o Leads").
-      * welche **weiteren Komponenten **  (Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten, Dioden etc) benötigt werden,
+    * welche **weiteren Komponenten **  (Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten, Dioden etc) benötigt werden,
-      * bei **Strommess-Widerständen ** (auch Shunt, Rsense) nicht nur die Formel im Datenblatt des Treibers zu berücksichtigen, sondern auch die maximale Leistung des Widerstands. Wenn z.B. 0.2 $\Omega$ Widerstände nur bis 0.2 Watt Maximalleistung verfügbar sind, so wäre der Maximalstrom: $I = \sqrt{P \over R} = 1 A$
+    * bei **Strommess-Widerständen ** (auch Shunt, Rsense) nicht nur die Formel im Datenblatt des Treibers zu berücksichtigen, sondern auch die maximale Leistung des Widerstands. Wenn z.B. $0.2 ~\rm\Omega$ Widerstände nur bis $0.2 ~\rm W$ Maximalleistung verfügbar sind, so wäre der Maximalstrom: $I = \sqrt{P \over R} = 1 ~\rm A$
-      * verschiedene Größen bei **Induktivitäten:**  Achten Sie darauf, dass Induktivitäten **ab 10..100 µH **nicht mehr günstig in einem kleinen Formfaktor (z.B. 0603 oder 0402) erhältlich sind. Diese benötigen somit eine **größere Fläche **auf dem Board. Weiterhin haben Induktivitäten häufig ein Strom-begrenzenden Widerstand, u.a. um eine Sättigung zu vermeiden. Beachten Sie die begrenzte Auswahl der Distributoren!
+    * die **Schnittstellen:** Nicht nur der Footprint einer Komponente ist wichtig, sondern auch die Belegung.
-      * verschiedene Größen bei **Kapazitäten:** Auch Kapazitäten **ab 10 µF **sind nicht mehr günstig in einem kleinen Formfaktor (z.B. 0603 oder 0402) erhältlich. Gelegentlich werden für Anwendungen oder Bauteile bestimmte, teurere [[https://de.wikipedia.org/wiki/Keramikkondensator#Spannungsabhängigkeit_der_Kapazität|Dielektrika]] (z.B. NP0) benötigt. Hier ist das Datenblatt / die Anwendung auf Hinweise zu überprüfen (Frequenzbereich, Relevanz von Alterung und Temperatur-/Spannungsabhängikeiten, ..).
+    * Insbesondere bei **Operationsverstärkern** ist folgendes zu beachten:
-      * die **Schnittstellen:** Nicht nur der Footprint einer Komponente ist wichtig, sondern auch die Belegung.
+      * nur "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sind für Spannungswerte ausgelegt, die von der negativen bis zur positiven Versorgungsspannung reichen. \\ Dabei wird gelegentlich unterschieden, ob nur die Eingangswerte in diesem Bereich sein dürfen (Rail-to-Rail Input OpAmp bzw. Full-Swing OpAmps) oder ob auch der Ausgangswert diesen Spannungsbereich abdeckt (Rail-to-Rail Input/Output OpAmps).
-  * Wenn Sie die Komponenten gesucht haben, sollten Sie die Kosten und Verfügbarkeit prüfen (z.B. sind nur noch 10 beim Distributor verfügbar?). Es sind Komponenten aus dem Elektroniklager (siehe [[http://141.7.22.10/part-db/startup.php|Part-DB]]) zu bevorzugen. Sind Ihre gewünschten Komponenten nicht vorhanden, suchen Sie diese bei [[elektronik_labor:hardware_fuer_schaltungserstellung|unseren Lieferanten]] und geben Sie dem Betreuer bescheid.
+      * Nicht alle OpAmps können mit unipolar versorgt werden, d.h. z.B. mit GND und 3.3V. Um dies aus dem Datenblatt herauszulesen sollte nach "Single supply", "single supply operation" oder "unipolar" gesucht werden. Wenn in den Tabellen und Beispielschaltungen nur bipolare Angaben gemacht werden (z.B. $V_{\rm S} = \pm 2.5 ~\rm V$) sollte intensiv gesucht werden, ob dieser OpAmp nur ein "dual supply" Verstärker ist
+  * __**Vogelfutter heraussuchen**__ :
+    * verschiedene Größen bei **Induktivitäten:**  Achten Sie darauf, dass Induktivitäten **ab $10..100 ~\rm\mu H$ **nicht mehr günstig in einem kleinen Formfaktor (z.B. 0603 oder 0402) erhältlich sind. Diese benötigen somit eine **größere Fläche **auf dem Board. Weiterhin haben Induktivitäten häufig ein Strom-begrenzenden Widerstand, u.a. um eine Sättigung zu vermeiden. Beachten Sie die begrenzte Auswahl der Distributoren!
+    * verschiedene Größen bei **Kapazitäten:** Auch Kapazitäten **ab ca $40 ~\rm\mu F$ **sind nicht mehr günstig in einem kleinen Formfaktor (z.B. 0603 oder 0402) erhältlich. Gelegentlich werden für Anwendungen oder Bauteile bestimmte, teurere [[https://de.wikipedia.org/wiki/Keramikkondensator#Spannungsabhängigkeit_der_Kapazität|Dielektrika]] (z.B. NP0) benötigt. Hier ist das Datenblatt / die Anwendung auf Hinweise zu überprüfen (Frequenzbereich, Relevanz von Alterung und Temperatur-/Spannungsabhängigkeiten, ..).
+  * __**Verfügbarkeit prüfen**__: Wenn Sie die Komponenten gesucht haben, sollten Sie die Kosten und Verfügbarkeit prüfen (z.B. sind nur noch 10 beim Distributor verfügbar?). Es sind Komponenten aus dem Elektroniklager (siehe [[http://141.7.22.10/part-db/startup.php|Part-DB]]) zu bevorzugen. Sind Ihre gewünschten Komponenten nicht vorhanden, suchen Sie diese bei [[elektronik_labor:hardware_fuer_schaltungserstellung|unseren Lieferanten]] und geben Sie dem Betreuer bescheid.
-===== Motoren =====
+===== Spezielle Anwendungen =====
+==== Filter ====
+Zur Auslegung eines Filters bieten sich verschiedene Filterdesign-Programme an:
+  * [[https://webench.ti.com/|WEBENCH Power Designer]] von Texas Instruments
+  * [[https://tools.analog.com/en/filterwizard/|Analog Filter Wizard]] von Analog Devices
+  * weitere Tools sind erlaubt, sollten aber angegeben werden
+Falls Sie einen Filter auslegen, so beschreiben Sie bitte die Auslegung. Dazu könnte helfen:
+    - Begründung der Auswahl
+    - Darstellung und Beschreibung des Bodediagramms
+    - Darstellung und Beschreibung des Gruppendelay
+    - Sprungantwort und Darstellung des Ausgangssignals, je für PWM mit $50~\rm Hz$, $100~\rm Hz$, $500~\rm Hz$, $1~\rm kHz$, $7~\rm kHz$, $10~\rm kHz$, $40~\rm kHz$, $50~\rm kHz$
+==== Motoren ====
 Soll ein Motor verwendet werden, so muss eine sinnvolle Auswahl des Motors getroffen werden. Dabei ist folgendes zu beachten:
-^   ^Schrittmotor^Gleichstrommotor^Servoantrieb^Synchronmotor^Asynchronmotor|
+^                                     ^ Schrittmotor                                                  ^ Gleichstrommotor           ^ Servoantrieb                                   ^ Synchronmotor  ^ Asynchronmotor  ^
-^Alternative Bezeichnungen|Steppermotor|DC-Motor|Servo|PSM, ESM|ASM|
+^ Alternative Bezeichnungen           | Steppermotor                                                  | DC-Motor                   | Servo                                          | PSM, ESM       | ASM             |
-^Positioniergenauigkeit (open loop)|hoch, wenn ohne Überlast betrieben \\ (Teilschritte möglich)|niedrig|mittel-hoch \\ (abhängig vom internen Regler)|niedrig|niedrig|
+^ Positioniergenauigkeit (open loop)  | hoch, wenn ohne Überlast betrieben \\ (Teilschritte möglich)  | niedrig                    | mittel-hoch \\ (abhängig vom internen Regler)  | niedrig        | niedrig         |
-^Drehzahlbereich|niedrig (bis ca. 20 Hz)|hoch (bis 1000 Hz)|mittel|hoch|hoch|
+^ Drehzahlbereich                     | niedrig (bis ca. $20 ~\rm Hz$)                                | hoch (bis $1000 ~\rm Hz$)  | mittel                                         | hoch           | hoch            |
-^Drehmoment|hoch  |hoch|niedrig|hoch|hoch|
+^ Drehmoment                          | hoch                                                          | hoch                       | niedrig                                        | hoch           | hoch            |
-^Wirkungsgrad|niedrig|mittel|mittel|hoch|hoch|
+^ Wirkungsgrad                        | niedrig                                                       | mittel                     | mittel                                         | hoch           | hoch            |
-Gelegentlich werden bei Schrittmotoren 2 weitere Spulen mit höherem Widerstand verbaut (z.B. 2x 1 Ohm und 2x 10 Ohm). Es werden nur 2 Spulen mit gleichem Widerstand zum Betrieb benötigt.
+Gelegentlich werden bei Schrittmotoren 2 weitere Spulen mit höherem Widerstand verbaut (z.B. 2x $1 ~\rm \Omega$ und 2x $10 ~\rm \Omega$). Es werden nur 2 Spulen mit gleichem Widerstand zum Betrieb benötigt.
 Weiterhin gibt es mechanische Möglichkeiten die o.g. Eigenschaften zu ändern (z.B. DC-Motor mit 1:1000 Getriebe). Dabei ist zu beachten, dass diese i.d.R. in Akustik und im Wirkungsgrad negative Einflüsse zeigen. Zusätzlich muss speziell bei der Verwendung eines Schneckengetriebe beachtet werden, dass eine Selbsthemmung auftritt - Die Achse lässt sich nicht freidrehen.
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 Die Ansteuerung von Schrittmotor, Gleichstrommotor, Synchronmotor und Asynchronmotor geschieht über ein Leistungsendstufen. Details zu den Konzepten der Halb- und Vollbrücken finden Sie z.B. auf [[https://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM|mikrocontroller.net]]. Heutzutage bietet es sich aber an die Leistungselektronik nicht mehr diskret aufzubauen, sondern integrierte Komponenten zu verwenden (siehe [[elektronik_labor:hardware_fuer_schaltungserstellung#motoren_und_treiber|motoren_und_treiber]]).
-===== Motorelektronik =====
+==== Motorelektronik ====
   - Außer bei Servomotoren und einigen BLDC-Motoren, ist das Ansteuern des Motors nicht direkt über die Pins des Mikrocontrollers möglich. Bei Schrittmotoren und DC-Motoren muss dazu hinreichend Strom zur Verfügung gestellt werden. Dies geschieht über folgende notwendige Komponenten:
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   - Es kann sich anbieten bei Leistungselektronik-Komponenten - auch beim DRV88xx - eine Möglichkeit des Austauschs vorzusehen, z.B. über einen Sockel. Dazu müssen die Komponenten als [[https://de.wikipedia.org/wiki/Chipgeh%C3%A4use#Bauformen_f%C3%BCr_Through_Hole_Technology_(THT)|Through Hole Device]] ausgelegt werden.
-====== Auswahl des Prozessors ======
+==== Auswahl des Prozessors ====
-===== für die Veranstaltungen EST, Elektronik und ES an der HS Heilbronn =====
+=== für die Veranstaltungen EST, Elektronik und ES an der HS Heilbronn ===
-  * Als Microcontroller wird ein 8bit AVR Microchip Chip (ehemals ATMEL AVR) empfohlen. Auf diesem Chipsatz wurde in Microcontrollertechnik aufgebaut. Im Elektronik-Lager stehen einige ATmega32x8 zur Verfügung.
+  * Als Microcontroller wird ein 8bit AVR Microchip Chip (ehemals ATMEL AVR) empfohlen. Auf diesem Chipsatz wurde in Microcontrollertechnik aufgebaut. Im Elektronik-Lager stehen einige ATmega 328 zur Verfügung.
-  * In den grundlegenden 1×1 MexlePlatinen ([[https://redmine.hs-heilbronn.de/projects/microcontroller-grundplatinen/repository/show/MEXLE microController PCBs/MmC1x1 328_1.x|MmC1x1 328_1.x]], [[https://redmine.hs-heilbronn.de/projects/microcontroller-grundplatinen/repository/show/MEXLE microController PCBs/MmC1x1 328_2.x|MmC1x1 328_2.x]], [[https://redmine.hs-heilbronn.de/projects/microcontroller-grundplatinen/repository/show/MEXLE microController PCBs/MmC1x1 32U4|MmC1x1 32U4]]) sind ATmega32xx verbaut, welche prinzipiell mit 5 V oder 3,3 V betrieben werden können. Die gesamte Schaltung sollte aber auf 3,3 V ausgelegt werden. Damit ist die Verwendung aktueller Sensoren möglich.
+  * In den grundlegenden 1×1 MexlePlatinen (hier die [[mexle2020:mmc_1x1_328pb|MmC1x1 328_2.x]]-Platine) sind ATmega32xx verbaut, welche prinzipiell mit $5 ~\rm V$ oder $3.3 ~\rm V$ betrieben werden können. Die gesamte Schaltung sollte aber auf $3.3 ~\rm V$ ausgelegt werden. Damit ist die Verwendung aktueller Sensoren möglich.
   * Für die Auswahl eines Chips für Zusatzplatinen ist auf der Herstellerseiten von [[https://www.microchip.com/design-centers/8-bit/avr-mcus|AVR]] eine übersichtliche Tabellen zu finden. Für ATtiny104, ATmega88, ATmega32xx ist Prototypen-Equipment vorhanden.
       * Die Chip-Varianten mit "U" haben dabei direkt eine Möglichkeit einen USB-Anschluss direkt zu nutzen
-===== für weitere Projekte =====
+=== für weitere Projekte ===
 Um den geeigneten Mikrocontroller für ein eigenes Projekt herauszusuchen sollten folgende Fragen geklärt werden:
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       * Pre-programmed lieferbar?
-\\
+Nachdem durch diese Fragen der notwendige Bereich geklärt wurde, können durch verschiedene Webseiten die geeigneten Chips eingegrenzt werden. \\
+z.B.:
+  * [[https://www.microchip.com/maps/microcontroller.aspx|MICROCHIP ADVANCED PART SELECTOR]]
+  * {{http://www.technoblogy.com/show?3UKF|Übersicht der Peripherals speziell der "neuen" ATtiny Serie (ATtiny202...ATtiny3227)}}
+  * {{https://github.com/SpenceKonde/DxCore/blob/master/README.md#supported-parts-click-link-for-pinout-diagram-and-details|Übersicht der Peripherals speziell der "neuen" AVRxxYYzzz Serie (AVR8EB32...AVR128DA64) über Arduino Support}}