DIY – Frequenzgenerator (PWM)

Vorgeschichte

Meine Leidenschaft für die „Bastelei“ mit Micro-Controllern hat mittlerweile auch in meiner beruflichen Tätigkeit als Prüfstandstechniker Einzug gehalten. So ist innerhalb der letzten Jahre das eine oder andere „Helferlein“ für die Erleichterung unserer täglichen Arbeit und das Meistern von speziellen Mess- und Prüfaufgaben entstanden. Der Anstoß für die Entwicklung eines neuen Gerätes war dabei meist der einfache Fakt, dass für die Umsetzung der benötigten Messungen keine Hardware verfügbar, oder die verfügbare Hardware für die Aufgabe nicht genau passend war. Da dieser Umstand beim Testen von Einzelkomponenten oder Teilgruppen relativ häufig vorkommt, fand ich immer wieder neue Herausforderungen und konnte somit auch Dinge realisieren, welche ich so in dieser Art vorher noch nicht umgesetzt hatte. So war zum Beispiel meine erste CAN-Bus Anwendung eines dieser Bastelprojekte.

Ein weiterer großer Vorteil dieser „Eigenanfertigungen“ ist, dass ich die zum Betrieb benötigten Ein- und Ausgaben direkt an die von unseren Prüfständen zur Verfügung gestellten Eingangs- und Ausgangsschnittstellen anpassen kann. So wurde bei den meisten meiner „schwarzen Kästchen“ die Steuerung per analogem Eingangssignal im Bereich von 0V – 10V realisiert, während die Rückgabe der Einstell- und Messwerte meist per CAN-Bus erfolgte. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass der Treiber des verwendeten Messsystems nur auf dem CAN-Eingang des Prüfstandes lesen, aber nicht senden kann.

 

Anforderung universell einsetzbarer Frequenzgenerator

In der Vergangenheit gab es immer wieder die Anforderung Magnetventile, Motoren oder andere elektrische Komponenten mit einer vorzugebenden Frequenz – Tastverhältniseinstellung, also per Pulsweitenmodulation* / PWM* (https://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0401111.htm), betreiben zu können.

Da die Digitalausgänge unser Prüfstandshardware keine hohen Schaltströme zulassen, wurde für die Ansteuerung von elektrischen Bauteilen meist eine Kombination aus vorgeschaltetem Reed-Relais und nachgeschalteten Kfz-Last-Relais verwendet. Leider ließen sich mit dieser Kombination keine hohen Schaltfrequenzen realisieren (max. ca. 30Hz bis 50Hz), was dazu führte, dass für Schaltanforderungen mit höheren Frequenzen meist Fahrzeugsteuergeräte und Kabelbäume aufgebaut, und die Ansteuerung kompliziert über deren Software realisiert werden musste.

Meine erste Idee war, den Relaisverbund durch ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor* (kurz: MOSFET) zu ersetzen, womit sich die Schaltfrequenz um ein vielfaches erhöhen lässt und einer direkten Ansteuerung nichts mehr im Weg steht. Da ich bereits für andere Schaltaufgaben MOSFETs verwendet hatte, passte ich eine dieser Schaltungen an die neuen Anforderungen an. Als wir diese Schaltung am Prüfstand testeten, stellten wir jedoch fest, dass mit den digitalen Ausgängen der Messkarten keine stabilen Frequenzsignale erzeugt werden konnten. Hierbei liegt das Problem jedoch weniger an der Hardware selbst, sondern eher an dem in der Prüfsoftware eingestellten Software-Takt, welcher bei höherer CPU-Auslastung ab und an ins Stocken geriet. Dies war bei der Ansteuerung eines Magnetventils hörbar und auch in den aufgezeichneten Messdaten sichtbar.

Da man hiermit keine vernünftigen Messergebnisse erzeugen konnte, kam ich auf die Idee, die Ansteuerung von Frequenz und Tastverhältnis über einen Micro-Controller zu realisieren. Dieser sollte auf Grund seiner internen Timer und der hardwarenahen Programmierung problemlos ein stabiles PWM-Signal erzeugen können.

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Funk – Temperatursensoren mit dem Arduino

Vorgeschichte

Nachdem ich meine DIY-Hausautomatisierung* um viele Softwarefunktionen erweitert hatte und der Umstieg auf die Raspberry Pi* mich neugierig auf die Welt der Elektronikbasteleien gemacht hat, empfahl mir ein guter – ebenfalls technikaffiner – Freund, doch mal einen Blick auf das Micro-Controller-Board namens Arduino* zu werfen. Zu diesem Zeitpunkt hatte ich auf Grund meiner Ausbildung zwar bereits ein Grundverständnis von Elektrik und Elektronik, doch Micro-Controller waren komplettes Neuland für mich. Da das Thema aber so interessant war, bestellte ich mir das empfohlene Starter-Kit mit dem Namen Fritzing Creator Kit*, in welchem neben einem Arduino* Uno R3 auch einige elektronische Bauteile, ein Breadboard* und eine Handvoll Verbindungsleitungen zum Anschluss der Bauteile enthalten war. Nach ein wenig Rumspielerei mit den enthaltenen Bauteilen kam mir die Idee dem Micro-Controller eine sinnvolle Aufgabe zu geben. Einen Funk-Temperatursensor für meine Hausautomatisierung hatte ich schon länger auf meiner Nice-To-Have-Liste, doch leider gab es nichts passendes zu kaufen. Jetzt war die Zeit gekommen, es anzugehen diese selbst zu bauen. 

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DIY – Hausautomatisierung

Eines meiner älteren aber immer noch aktuellen Projekte ist meine DIY-Hausautomatisierung mit dem treffenden Namen SHAS für Sepp Home Automation Systems. Die Idee dahinter war unsere Mietwohnung ohne bauliche Veränderungen ein wenig „smarter“ zu machen. Das Verlegen von Bus-Leitungen oder installieren von Unterputz-Schaltaktuatoren war hierfür keine Option, das diese bei einem evtl. Wohnungswechsel zurück gebaut werden müssten. Der Einfall hierzu kam mir im Jahr 2010, als ich einen Bericht über „Das Haus der Zukunft“ im TV gesehen habe. In diesem konnte man per Tablet alle möglichen Funktionen wie Beleuchtung, Jalousien, Kamin, etc. bequem von der Couch aus steuern. Die Steuerung wurde durch einen eigenen Hausserver samt daran angeschlossenen Schaltaktuator realisiert. Ich fand das Thema total spannend, wusste aber sofort, dass so ein Aufbau für eine Mietwohnung schlichtweg nicht praktikabel ist.

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