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STM32 für Einsteiger

2022-07-27T01:51:29Z

Hegy: /* Die Arbeit mit dem STM32 */

Immer wiederkehrend hier im Forum "Mit welchem Mikrocontroller anfangen?". Es gibt eine große Auswahl und eben so viele Empfehlungen. In diesem Artikel soll zu erst geholfen werden ob ein Cortex-M3/M4 Kern überhaupt der Richtige für den Start ist.
Nicht für jeden ist der [[Cortex]] zu empfehlen, denn die Anforderungen und Wünsche die man realisieren möchte, sowie die eigenen Fähigkeiten sind verschieden.

Es werden meist die Prozessoren [[AVR]], [[PIC]], [[Arduino]], [[MSP430]], [[LPC1xxx]] und [[STM32]] empfohlen. Seltener auch 8051 und M16C. Alle haben Vorzüge und ebenso auch Nachteile.

[[Bild:STM32F407SB.jpg|thumb|right|340px|STM32F417 auf einem Selbstbau-Board]]

= Eigene Fähigkeiten und Wünsche =

Dieser Artikel geht davon aus, dass bereits Elektronikkenntnisse vorhanden sind. Wenn nicht dann sollte man erst einmal den Artikel "[[Absolute Beginner]]" durcharbeiten, sowie die anderen Artikel aus der Kategorie "[http://www.mikrocontroller.net/articles/Kategorie:Grundlagen Grundlagen]".
 Weitere Artikel die andere Prozessoren näher darstellen da sich dieser Artikel hauptsächlich auf [[STM32]] konzentriert: [[Entscheidung Mikrocontroller]] und [[Mikrocontroller Vergleich]]. Die Seiten [[AVR]], [[MSP430]], [[LPC1xxx]] und [[PIC]] zeigen mehr Details über diese µC. Hier werden nur grob ein paar Tabelle zum Vergleichen gezeigt.

Zu erst einmal die Randbedingungen, mit der man sich selbst zu erst einmal einschätzen sollte:
{| {{Tabelle}}
|- bgcolor="#d0d0ff"
! Fähigkeit || [[Cortex]] || [[AVR]] || [[Arduino]] || colspan="3" | [[PIC]] || [[MSP430]]
|-
| Bitbreite, jedoch unwichtig für Einsteiger || align="center" | 32-bit || colspan="2" align="center" | 8-bit || align="center" | 8-bit (PIC18) || align="center" | 16-bit (PIC24) || align="center" | 32-bit (PIC32) || align="center" | 16-bit
|-
| Neueinsteiger, kaum Elektronikkenntnisse, noch nie programmiert
| align="center" | O
| align="center" | O <ref name="AVR_TUT1">[http://www.rn-wissen.de/index.php/AVR-Einstieg_leicht_gemacht], RoboterNetz: AVR-Einstieg leicht gemacht</ref><ref name="AVR_TUT2">[http://www.avr-asm-tutorial.net/avr_de/], Tutorial für das Erlernen der Assemblersprache von AVR-Einchip-Prozessoren</ref>
| align="center" | X
| colspan="3" align="center" | O
| align="center" | O
|-
| Wunsch ist SD-Card oder Grafik-Display
| align="center" | X
| colspan="2" align="center" | O
| align="center" | O <ref name="PIC_SD">[http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2680&dDocName=en537999], Microchip Memory Disk Drive File System for PIC18 PIC24 dsPIC PIC32</ref> || align="center" | X<ref name="PIC_SD" /><ref name="PIC_LCD">[http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/technology/graphics/], Microchip Graphics Library</ref> || align="center" | X<ref name="PIC_SD" /><ref name="PIC_LCD" />
| align="center" | X
|-
| Wunsch ist TCP/IP Netzwerk
| align="center" | X
| colspan="2" align="center" | O
| colspan="3" align="center" | X <ref name="PIC_TCP">[http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2505&param=en535724], Microchip TCP/IP stack</ref>
| align="center" | O
|-
|-
| Wunsch ist Kamera und Video-/Bildbearbeitung
| align="center" | X
| colspan="2" align="center" | -
| align="center" | - || align="center" | - || align="center" | X
| align="center" | -
|-
| Möchte die Erkenntnisse beruflich nutzen
| align="center" | X
| align="center" | X
| align="center" | -
| colspan="3" align="center" | X
| align="center" | X
|-
| Stromsparende Anwendungen
| align="center" | - 300 nA Sleep<ref name="STM_Power">[http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1295], [[STM32]] L1 series of ultra-low-power MCUs</ref> 230 μA/MHz
| align="center" | - 100 nA Sleep<ref name="AVR_Power1">[http://www.atmel.com/technologies/lowpower/default.aspx], Atmel picoPower Technology</ref> <ref name="AVR_Power2">[http:/www.futurlec.com/News/Atmel/PicoPower.shtml], Atmel Releases New picoPower AVR Microcontrollers</ref> 340 μA/MHz
| align="center" | -
| colspan="2" align="center" | X 9 nA Sleep<ref name="PIC_XLPvsTI">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39989A.pdf], The Truth about Power Consumption in PIC® MCUs with
XLP Technology vs. TI’s MSP430</ref><ref name="PIC_XLP">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30009941F.pdf], nanoWatt XLP eXtreme Low Power PIC® Microcontrollers</ref> 35 μA/MHz || align="center" | -
| align="center" | X 100 nA Sleep<ref name="TI_Power1">[http://www.ti.com/lit/wp/slay015/slay015.pdf], Texas Instruments: Ultra-Low Power Comparison: MSP430 vs. Microchip XLP</ref><ref name="TI_Power2">[http://www.ti.com/ww/mx/multimedia/webcasts/Aspectos_Generales_MSP430.pdf], Texas Instruments: Meet MSP430</ref> 100 μA/MHz
|-
| Multithreading, RTOS, Schedulern
| align="center" | X
| align="center" | - <ref name="AVR_RTOS1">[http://www.freertos.org/a00098.html], Atmel AVR freeRTOS port</ref><ref name="AVR_RTOS2">[http://www.femtoos.org/], Femto OS: RTOS for small MCU's like AVR</ref>
| align="center" | -
| align="center" | - <ref name="PIC_RTOS2">[http://www.freertos.org/a00097.html], Microchip PICmicro (PIC18) freeRTOS Port</ref> <ref name="PIC_RTOS3">[http://www.pumpkininc.com/], Salvo RTOS</ref>|| align="center" | X<ref name="PIC_RTOS">[http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en531543&redirects=rtos], 3rd Party RTOS selection guide</ref> || align="center" | X<ref name="PIC_RTOS" />
| align="center" | X <ref name="TI_RTOS">[http://processors.wiki.ti.com/index.php/MSP430_Real_Time_Operating_Systems_Overview], TI Wiki: MSP430 Real Time Operating Systems Overview</ref>
|-
| Besonders große, speicherintensive Programme z.B. Grafiken, Fonts
| align="center" | bis 2MB Flash bis 1024kB SRAM <ref name="STM32Ueb">[http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169], Übersicht aller verfügbaren [[STM32]] µC von ST</ref>
| colspan="2" align="center" | bis 256kB Flash bis 16kB SRAM
| align="center" | bis 128kB Flash bis 4kB SRAM || bis 2MB Flash bis 98kB SRAM || bis 2MB Flash bis 512kB SRAM + 32MB DRAM (PIC32MZ DA)
| align="center" | bis 512KB Flash bis 66kB SRAM
|-
| Sehr viel PWM mit komplexem Timing
| align="center" | X
| align="center" | AT90Spwm
| align="center" | -
| align="center" | - || align="center" | X || align="center" | X
| align="center" | O
|-
| Deutschsprachige Community
| align="center" | O
| align="center" | X
| align="center" | X
| align="center" | X <ref name="PIC-Projekte">[http://pic-projekte.de/], pic-projekte.de</ref> <ref name="SPRUT">[http://www.sprut.de/], sprut.de</ref> || align="center" | - || align="center" | -
| align="center" | -
|-
| Anzahl möglicher HW-Breakpoints
| align="center" | 4 bis 6
| colspan="2" align="center" | 2
| align="center" | 1 bis 5 <ref name="PIC_HWBP">[http://www.microchip.com/stellent/groups/SiteComm_sg/documents/DeviceDoc/en556761.pdf], PIC Hardware Breakpoints (Seite 6)</ref> || align="center" | 1 bis 10 <ref name="PIC_HWBP"/> || align="center" | 6<ref name="PIC_HWBP"/>
| align="center" | 2
|}
* X = ja
* O = Teilweise, Einschränkungen
* - = nicht empfohlen
Nur um nicht zu verwirren, auch wenn Teile "nicht empfohlen" sind, heißt das nicht dass es mit dem Prozessor nicht geht, vielmehr dass es mehr Aufwand ist das zu realisieren oder mehr Einschränkungen hat.
Viele Eigenschaften weisen nur bestimmte Modelle einer Mikrocontrollerfamilie auf. Der Wechsel innerhalb einer Familie gestaltet sich jedoch oft einfach (z.B. innerhalb [[STM32]] oder innerhalb PIC24).

Die Spalte Cortex zeigt die Prozessorfamilie von STM32F0xx bis STM32F4xx mit einem Cortex-M0 oder M3/M4 Kern. Die technischen Daten sind ähnlich anderer Hersteller die auch einen Cortex-Mx Kern verbauen wie z.B. NXP ([[LPC1xxx]]), Freescale, Atmel, TI, Toshiba, usw. Jedoch bietet ST mit dem [[STM32]] eine hohe Flexibilität an Gehäuse-Variationen (vergleichbar mit NXP [[LPC1xxx]]) und ist privat recht leicht beschaffbar. Übersicht aller verfügbaren [[STM32]] µC von ST<ref name="STM32Ueb">[http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169], Übersicht aller verfügbaren [[STM32]] µC von ST</ref>.

Der STM32Fxxx ist in der Tat nicht der beste in der Kategorie "Stromsparend", die neueren STM32L0xx und STM32L4xx sind deutlich sparsamer, besonders bei hohen Temperaturen. Eine interessante Alternative mit Cortex-Mx Kern:
 "EFM32" von Silabs<ref name="EFM32">[http://www.silabs.com/products/mcu/lowpower/Pages/efm32-energy-modes.aspx], EFM32, der Stromsparende mit Cortex-Mx Kern</ref> benötigt nur 0,9 µA im Sleep Mode.

Die Spalte PIC zeigt die Eigenschaften der 8-Bit PIC18 (vergleichbar mit [[AVR]]), 16-Bit [[PIC24]]/[[dsPIC]] (vergleichbar mit [[MSP430]]) und 32-Bit [[PIC32]] (vergleichbar mit [[STM32]]). Ein Wechsel des Mikrocontrollers innerhalb der Familien ist Codetechnisch problemlos möglich. <ref name="PIC_codeswitch">[http://www.elektor.nl/Uploads/Files/PIC24FIntro_5f082806.pdf], Microchip: Introduction to the 16-bit PIC24F Microcontroller Family</ref> Hardwaretechnisch sind verschiedene Modelle gleicher Familie zudem auch meist Pin-Kompatibel <ref name="PIC_PinCompatibility">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/00148m.pdf], Microchip: 2007 Product Selector Guide (Seite 114 ff.)</ref> sodass ohne Design-Änderung zwischen verschiedenen Modellen gewechselt werden kann.
Ein Wechsel zwischen den Familien ist Architekturbedingt aufwendiger, vor allem von 8-Bit auf 16/32-Bit. <ref name="PIC_8to16Migration">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39764a.pdf], Microchip: PIC18F to PIC24F Migration: An Overview</ref> Aufgrund gleichbleibender IDE (Mplab) sowie gleichbleibenden Libraries bei Verwendung einer Hochsprache (C) jedoch vor allem zwischen 16-Bit und 32-Bit ohne weitere Probleme möglich <ref name="PIC_16to32Migration">[http://www.embedded.com/design/mcus-processors-and-socs/4007683/Practical-migration-from-8-16-to-32-bit-PIC], Artikel: Practical migration from 8-/16- to 32-bit PIC</ref>.
 Ein PIC10/12/16 ist für den Einstieg nicht empfohlen, da diese Architekturbedingt viele Einschränkungen haben, die eher hinderlich für das Lernen sind.

Der "[[Arduino]]" ist kein eigenständiger Prozessor, sondern ein fertiges Board (mit z.B. einem AVR oder STM32 Prozessor) und einer "[[Arduino]]" Programmierumgebung, extra geschaffen für Einsteiger. Allerdings ist da der Lerneffekt viel geringer da man den Prozessor mit der [[Arduino]]-Software programmiert und nicht direkt die Register. Anderseits ist der Arduino besser für jemanden geeignet, der eigentlich nicht lernen möchte, sondern nur mal schnell etwas steuern/basteln will und so ohne großartige µC Kenntnisse zum Ziel kommt. Für diese Zielgruppe ist der Arduino perfekt.

<references />

= Unwichtige Randbedingungen =

Oftmals werden fälschlicherweise Argumente für oder gegen eine µC-Familie ausgesprochen, die in der Praxis '''zum Einstieg''' (bei konkreten Anwendungen kann das anders aussehen) eher unwichtig sind.

* Spannungsversorgung 3,3V / 5V (Wobei z.B Atmel XMega keine 5V Tolerante Eingänge besitzt)
* 8 (z.B. [[AVR]]), 16 (z.B. [[MSP430]]) oder 32 (z.B. [[STM32]]) Bit
* Prozessorkern Cortex-M0/M3/M4, MIPS, ARM7/9/..., AVR-RISC, PIC-RISC, 8051, ...
* Interrupt System mit mehr oder weniger Features
* Programmiersprache (Assembler, Basic, C, C++, Pascal)
* Programmierumgebung - ist ohnehin Geschmackssache
* Assembler verstehen (Sollte nur theoretisch verstanden werden, ein Programm sollte in einer Hochsprache geschrieben sein)
* DIL Gehäuse - steckbretttauglich ([[STM32]]-Prozessoren gibt es auch fertig gelötet auf einem steckbretttauglichen Board)
* Programmieradapter - solange er auch debuggen kann
* zu 90% reicht doch ein kleiner Prozessor ([[AVR]]/PIC), andererseits sind STM32 Modelle nicht wesentlich teurer.

= Kosten =

Grobe Abschätzung was das alles denn kosten wird. Hier sind nur einige Beispiele gezeigt (Einzelpreise bei Bezugsquellen in Deutschland).

{| {{Tabelle}}
|- bgcolor="#d0d0ff"
! Board || [[STM32]] || [[AVR]] || PIC18/24/32 || [[MSP430]]
|-
| Demo-Board
| align="center" | Nucleo64 Boards<ref name="NUCLEO64">[https://www.mouser.de/new/stmicroelectronics/stm-nucleo-development-boards/] Nucleo64</ref> und STM32 Discovery Boards<ref name="STM32F4DISCOVERY"> [http://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32-mcu-discovery-kits.html?querycriteria=productId=LN1848] STM32 Discovery</ref> ab 15€ (incl. Debugger)
| align="center" | [[Arduino]] Uno clone ab 9€ || align="center"| Microchip Demoboard<ref name="PICDEMOBOARD">[http://www.microchipdirect.com/ProductDetails.aspx?Catalog=BuyMicrochip&Category=Starter%20Kits&mid=1&lmid=610] Microchip Demoboard</ref> ab 18€ (Für 16 und 32bit auch mit integriertem Debugger)
| align="center" | MSP430 Demoboard <ref name="MSP430DEMOBOARD">[http://www.ti.com/tool/msp-exp430fr5739] MSP430 Demoboard</ref> ~35€
|-
| Steckbrettaugliches Board
| align="center" | Blue-Pill Board <ref name="BLUEPILL">[http://wiki.stm32duino.com/index.php?title=Blue_Pill] Blue-Pill Board</ref> ab 1,50€, S64DIL-405 <ref name="STM32F405Board">[http://re.reworld.eu/de/produkte/s64dil-405/index.htm] S64DIL-405</ref> mit STM32F405 30€
| align="center" | [[Arduino]] Nano clone ab 2€
| align="center" | PIC Microstick
| align="center" |
|-
| Einzelchip (Einzelstückpreise)
| align="center"| 1..15€ nur SMD (TSSOP..LQFP..BGA)
| align="center"| 0,6..15€ SMD + DIP
| align="center"| 0,5..15€ SMD + DIP
| align="center"|
|-
| Programmieradapter mit Debugger
| align="center" | ST-Link clone 2,50€ ST-Link original 48€ Segger J-LINK EDU <ref name="JLINKEDU"> [http://www.segger.com/j-link-edu.html] Segger J-LINK EDU</ref> 50€
| align="center" | Atmel AVR Dragon 40€ Atmel ICE ohne Gehäuse ab 99€
| align="center" | PICkit 3 clone 8€ Microchip PICkit 3 original 90€
| align="center" |
|}

Das Demo-Board sollte preisgünstig sein, um eventuelle Verluste bei falscher Benutzung gering zu halten. Wenn einem der Prozessor gefällt, so kann man später immer noch auf ein umfangreicheres Board (z.B. mit Display) umsteigen.

Zum Debuggen von STM32 Mikrocontrollern benötigt man einen Programmieradapter mit SWD oder JTAG Protokoll. Die meisten Demo Boards von ST enthalten bereits einen SWD fähigen ST-Link Adapter. Aktuell (2022) z.B. [https://www.st.com/en/development-tools/stlink-v3set.html STLINK-V3SET] und [https://www.st.com/en/development-tools/stlink-v3mini.html STLINK-V3MINI]

Der Segger J-LINK EDU ist zwar nicht der günstigste Programmieradapter/Debugger, hat jedoch einen guten Ruf und ist nutzbar für praktisch alle Prozessoren mit ARM-Kern. Der Hersteller bewirbt ihn als besonders schnell.

<references />

= Programmierumgebungen=

Bei den Programmierumgebungen gibt es zu allen Prozessorfamilien kostenlose und leistungsfähige Software.

Aktuell (2022) ist für den Einstieg die [https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html STM32CubeIDE] und [https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html STM32CubeMX] zu empfehlen. STM32CubeIDE ist die IDE für die SW Entwicklung in C und C++ inkl. Debugging. STM32CubeMX ist ein grafisches Tool zur Konfiguration des Controllers (IO's, Timer, Interrupts, Clocktree, ...) mit automatischer Codegenerierung, Energieverbrauchsberechung und Visualisierung und enthält auch die Downloadmöglichkeit für viele Beispielprogramme in Abhängigkeit von der verwendeten MCU.

STM32CubeIDE basiert auf Eclipse, OpenOCD und GCC und läuft unter Linux und Windows. Unter Linux beträgt die Installationsgröße für STM32CubeIDE ca. 2,5 GB auf der Systempartition (/opt/stm32cubeide), für STM32CubeMX knappe 700 MB (/opt/stm32cubemx). Zusätzlicher Plattenplatz wird für Examples, Demos, Treiber (Hardware Abstraction Layer (HAL), Low-Level (LL), Board Supported Packages (BSP)) usw. benötigt und wird projektspezifisch von der verwendeten MCU im Ordner des Benutzers abgelegt. Hier sollte man ein paar hundert MB für reservieren.

Der vollständigkeithalber sei noch erwähnt, dass die beiden IDE's [https://atollic.com/ TrueStudio] der Fa. Attolic und CooCox tot sind. True Studio ist in der STM32CubeIDE aufgegangen, CooCox ist bereits vor Jahren komplett eingestellt worden, auch ist die Homepage zu dem Projekt nicht mehr existent.

Alte Projekte von True Studio lassen sich so einfach leider nicht in STM32CubeIDE importieren, hier muss manuell nachgearbeitet werden..

Im professionellen Umfeld sind die folgenden Entwicklungsumgebungen verbreitet: [http://www.keil.com/product/ Keil], [https://www.iar.com/ IAR]. Das [https://www.segger.com/products/development-tools/embedded-studio/ Segger Enbedded Studio] ist mit Einschränkungen kostenlos verwendbar.

= Dokumentation=

Bevor man sich für einen Prozessor entscheidet, sollte man unbedingt deren Dokumentation mal zumindest überfliegen und auch deren Errata lesen. Nicht dass man eine Anwendung erstellen möchte und stellt hinterher fest, dass genau dieser Teil so buggy ist, dass er nicht genutzt werden kann.

Beim [[STM32]] hat die Dokumentation doch recht viele Seiten, viel mehr als bei einem [[AVR]] oder PIC, dabei ist vieles eher knapp beschrieben. Der Aufbau der [[STM32]] Dokumentation ist [http://www.mikrocontroller.net/articles/STM32#Struktur_der_Dokumentation: hier] beschrieben.
 Bei den PICs ist die Dokumentation wiederum anders strukturiert, [http://www.mikrocontroller.net/articles/PIC#Dokumenatation siehe im PIC Artikel].

Für die [[STM32]], [[AVR]] und [[PIC]] Mikrocontroller gibt es zudem viele, auch deutschsprachige Einsteiger Hilfestellungen und Tutorials.

Parallel zur Dokumentation sollte man sich auch die Demo-Beispiele der Hersteller anschauen, dann wird vieles gleich verständlicher.

Eine Übersicht über die Funktionen gibt es im Artikel: [[STM32]]

= Die Arbeit mit dem [[STM32]]=

Zu erst einmal SOOO groß sind die Unterschiede zwischen den einzelnen Prozessoren nicht. Alle haben Ein-/Ausgänge und um mittels einem Port-Pin eine LED ansteuern zu können, muss bei jedem Prozessor der Pin erst einmal parametriert werden, egal ob das jetzt ein [[STM32]] oder ein [[AVR]] oder ein [[MSP430]] ist. Nur hat man bei einem [[STM32]] doch einige Funktionen mehr, z.B. zuschaltbarer Pull-Up oder Pull-Down Widerstand und spezielle Setz-/Rücksetzregister, die andere Prozessoren nicht haben, jedoch das Programmieren vereinfachen.
Der Hauptunterschied zu den anderen Prozessoren ist, dass der [[STM32]] so viele Peripherie-Module beherbergt, dass man die einzeln immer mit einem Clock aktivieren muss, denn damit lässt sich viel Strom sparen.

Und mal ganz ehrlich, die Diskussion, welcher µC einfacher zu konfigurieren ist, ist doch absoluter Unsinn. Der Weg ist immer der Gleiche:
*1. Blick ins Datenblatt, welche Register für diese Funktion benötigt werden.
*2. Werte ermitteln, die in die Register eingetragen werden.
*3. Werte ins Register schreiben. Da machte es GAR KEINEN UNTERSCHIED, ob es ein [[AVR]], 8051/2, [[ARM]], ... ist.

Noch einfacher und wesentlich schneller geht die Konfiguration mit dem STM32CubeMX Tool mit anschließender Codegenerierung, sofern die Konfiguration von STM32CubeMX geprüft und für OK befunden wurde.

Es stimmt schon, es gibt Unterschiede. Die Register haben anderen Namen, andere Adressen, andere Bitbedeutungen, ...
Aber es steht doch alles im Datenblatt. Und ob ich jetzt einen [[AVR]] oder einen [[ARM]] das erste Mal vor mir liegen hab. Ich brauch in allen Fällen die oben beschriebenen Schritte.

Das Interruptsystem (NVIC, Nested Vectored Interrupt Controller) ist bei einem [[STM32]] zusätzlich priorisiert. Damit kann man festlegen, welcher Interrupt vorrangig bearbeitet wird. Die Prioritätenvergabe ist auch kein Hexenwerk. Hier kann STM32CubeMX ein große Hilfe sein.

Zu allen Prozessoren liefern die jeweiligen Hersteller umfangreiche Demo-Codes und Libraries mit. Meist sind alle in C geschrieben, daher sollte auch die Programmiersprache C oder C++ verwendet werden. Vor allem auch wenn man berufliche Absichten verfolgt.

Und wenn man einen [[STM32]] kann, dann ist ein Umstieg auf einen [[LPC1xxx]] (NXP) oder andere Hersteller überhaupt kein Problem (*), denn die bieten ebenfalls Prozessoren mit verschiedenen Cortex-M Kernen und man kann diese mit der gleichen Programmierumgebung programmieren. Somit ist man nicht zwingend herstellerabhängig. (* jeder Hersteller verbaut seine eigene Peripherie, die andere Funktionalitäten haben.)

Mit der [[STM32]] Serie kann man nahezu alle Anwendungen realisieren. Die STM32-Serie hat genügend RAM, FLASH Speicher und eine entsprechende Anzahl an verschiedenste IO's, von einfachen GPIO's über SPI/I2C über I2S, SD-Card und USB, und auch ausreichend Geschwindigkeit und viele Gehäuse-Varianten. Viele Schnittstellen sind im Artikel [[STM32]] beschrieben.

Für den Einstig gibt es diverse, auch deutschsprachige, Tutorials im Netz. Eine Übersicht ist [http://www.mikrocontroller.net/articles/STM32#Weblinks.2C_Foren.2C_Communities.2C_Tutorials hier auf der STM32 Seite]. (Beispiel: [http://diller-technologies.de/stm32_wide.html STM32 Tutorial in Deutsch von Diller Technologies])
 Wobei dazugesagt werden muss, dass diese meist auf die Standard ST-Libs aufbauen. Diese Libs vereinfachen zum einen das Ansteuern/die Benutzung der Peripheriefunktion zum anderen muss man diese erst einmal kennenlernen. Vereinfacht wird das da ALLE [http://www.st.com/stonline/stappl/productcatalog/app?page=partNumberSearchPage&levelid=SS1577&parentid=1743&resourcetype=SW ST-Demo-Codebeispiele] ebenfalls auf diesen Lib's basieren und somit wird der Wechsel innerhalb der [[STM32]] Familie deutlich vereinfacht.
 STM32F4xx Library von ST: [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF257901# "STSW-STM32065 STM32F4 DSP and standard peripherals library"] incl. Dokumentation und Demo-Projekte zu allen CPU-Funktionen.

Der einzige Nachteil beim [[STM32]]: Man muss etwas mehr lesen, da eine Peripherie doch viel mehr Funktionalität hat (sofern man das Modul überhaupt benötigt). Ansonsten kenne ich nicht wirklich einen Grund, warum man als Neueinsteiger sich nicht für einen [[STM32]] entscheiden sollte.

Wichtige Dokumente sind:
* User Manual zum verwendeten Board (Discovery Boards (grün), Nucleo Boards (weiß), ...)
* Getting started with .... (Application Note, AN....)
* Programming Manual STM32... (PM...)
* Reference Manual (RMxxxx)
* Datasheet zum Prozessor
* diverse User Guides für Examples, Treiber (BSP, HAL, LL), RTOS, FAT-FS, ...

Die Seitenzahl der Dokumente zusammen beträgt einige tausend. Es sind aber keine "Lesebücher", die von vorn bis hintengelesen werden möchten, sondern Nachschlagewerke. Man ließt im Grunde nur den Teil, der gerade interessant ist.

= Programmiersprachen =
* Wie bei vielen anderen Controllern wird beim [[STM32]] auch hauptsächlich C und C++ verwendet. aber auch Pascal oder Basic ist problemlos möglich (z.B. von mikroe). Kennen sollte man die Programmiersprache C schon, wenn man davon noch keine Ahnung hat sollte man erst mal mittels einem Tutorial auf einem PC ein Konsoleprogramm schreiben, sodass man es einigermaßen kennen lernt. Hier im Forum gibt es ebenfalls Artikel dazu. Zielt man auf die (spätere) Anwendung in der Industrie, sollte aufgrund der Verbreitung auf jeden Fall C (oder C++) gewählt werden; außerdem sind die meisten verfügbaren Libraries in C geschrieben.
* Assembler sollte man nur grob verstehen, Details wie ein Befehl arbeitet ist unwichtig. Selbst wenn man die Zyklen für einen Funktionsaufruf wissen will, so bietet der [[STM32]] (Cortex-M3) einen Cycle-Counter den man auslesen kann; durch die komplexere Pipeline und Cache-Effekte sind die Laufzeiten allerdings nicht genau vorhersehbar. Wird zyklengenaues Timing benötigt, sollten Timer verwendet werden - davon hat der [[STM32]] genug.

Der 32 Bit-Adressraum, der RAM, Flash und I/O-Register vereinheitlicht ansprechen kann im Gegensatz z. B. zum [[AVR]], ist ideal für eine Verwendung durch Hochsprachen. Bei Pointern muss keine zusätzliche Information verwaltet werden, in welche Art Speicher sie zeigen. Die Adresse gibt dies eindeutig an (es gibt nur '''eine''' Adresse 42, und nicht 2 wie z.B. beim [[AVR]] (Flash, RAM & I/O)) und die Hardware spricht automatisch den richtigen Speicher an. Die Möglichkeiten zur Offset-Adressierung, der Barrel-Shifter, Divsions-Einheit, die FPU (bei STM32F4), Interrupt-Modell etc. begünstigen ebenfalls die Erzeugung effizienteren Codes. Außerdem haben die [[STM32]] einfach mehr "rohe Leistung", d.h. mehr Flash/RAM-Speicher und höhere Taktfrequenzen. 
 
'''Folgerung''': Die Programmierung in Hochsprachen ist '''bequemer als bei 8-Bittern''', denn man muss sich einfach weniger Gedanken machen, ob der Compiler ein Programm nun effizent umsetzen kann (kann man natürlich trotzdem machen, um noch mehr Leistung "herauszuquetschen", wenn man will).

= Weitere Randbedingungen für die Entscheidung=

Der wichtige Punkt, der oftmals auch vergessen wird: die Beschaffbarkeit. Wenn jemand einen Renesas M16C oder Fujitsu empfiehlt, dann sucht man erst mal und findet nur wenige vereinzelte die man privat kaufen kann.

Oder auch die Unterstützung im Internet - ist bei einigen Exoten spärlich. Dieses Forum bietet die beste Hilfe für [[AVR]], PIC, [[MSP430]], [[LPC1xxx]] und [[STM32]].

Andere Prozessoren sind schon sehr alt bzw. nicht mehr modern, da deren Peripherie zum Teil doch recht eingeschränkte Funktionalität bietet wie z.B. viele 8051 Typen oder PIC16 (oder auch dsPIC30). Die mögen für Mini-Anwendungen gut sein, aber wer will denn schon gerne sich extra für eine Kleinanwendung mit einem kleinen µC auseinandersetzen, wenn man schon einen [[STM32]] kennt, mit dem man vieles machen kann und sich vllt. bereits gute Funktionen geschrieben hat?

Daher mein Resümee: Wer nicht gerade auf den Kopf gefallen ist, der kann getrost mit einem [[STM32]] starten. Ein [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM116/SC959/SS1532/PF252419?s_searchtype=keyword STM32F4DISCOVERY] Board kostet nur ca. 20 EUR - und mehr muss für den ersten Start nicht investiert werden - wenn es doch zu komplex sein sollte gibt es hier im Forum auch viel Hilfe. Jedenfalls sind diese 20 EUR wirklich eine gute Investition.
 Wer berufliche Absichten verfolgt, sollte zu einem späteren Zeitpunk sich unbedingt auch mit einem zweiten, anderen Prozessor beschäftigen um so die nötigen Erfahrungen zu gewinnen.

Ein paar Forenbeiträge:
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/317792#3481048 "Klein anfangen!" heisst die Devise]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/312330#3483218 Einen 8-Bitter nehme ich nur noch aus "Nostalgiegründen"]

= Übersicht CPU Funktionalitäten=

In diesem Abschnitt ist kurz gezeigt welche Möglichkeiten die CPUs bei den oben empfohlenen Einsteigerboards haben.

=== STM32F407 - vom STM32F4DISCOVERY Board ===

{| class="wikitable"
|-
| [[Datei:STM32F407.png|mini|x400px]]
| [[Datei:stm32f4_discovery2.png|mini|x400px]]
|-
| [http://www.st.com/web/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1577/LN11/PF252140?s_searchtype=partnumber Blockdiagramm STM32F407]
| [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM116/SC959/SS1532/PF252419 STM32F4DISCOVERY Demoboard]
|}

Es sind sehr viele Peripheriemodule im µC implementiert. Jedes einzelne Peripherie-Modul (z.B. Ethernet, USB, CAN, Timer, AD-Wandler, usw.) kann aktiviert werden, indem der Clock freigeschaltet wird. So lange der Clock nicht aktiviert wurde verhält sich das Modul so als ob es nicht vorhanden wäre und beeinträchtigt in keiner Weise den Prozessor. Somit lässt sich der Stromverbrauch senken.

Eine ganze Auflistung der Einzelmodule steht im Artikel: [[STM32]] und [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169 auf der Homepage von ST]

Zu Anfang mag vielleicht die interne Busstruktur verwirren, jedoch braucht man diese nicht beachten. Wenn nun die CPU auf UART4 zugreifen möchte, so gehen die Daten durch die Busse "AHB1" -> "ABH/APB1-Bridge" -> "APB1". Dies erledigt der µC ganz von alleine. Diese Unterteilung ist technisch nötig, da die Peripheriebusse nicht mit dem gleichen Prozessortakt betrieben werden (wie z.B. bei [[MSP430], siehe Schaubild unten), die "Bridge" managt ganz alleine das Handling und generiert automatisch Wait-Befehle für die CPU.
 Die "AHB-Bus-Matrix" ist ebenfalls für den Anwender meist uninteressant. ST hat damit ein System geschaffen, damit die CPU, DMAs und Displaycontroller gleichzeitig auf die verschiedenen RAM-Bereiche zugreifen können um mehr Daten parallel zu verarbeiten. Somit braucht man diese Matrix erst mal nicht beachten.

Ebenso braucht man zu Anfang sich auch keine Gedanken um den Prozessortakt machen, wenn man nichts initialisiert so läuft der STM32F4xx mit dem internen RC-Oszillator von 16 MHz und die Peripheriebusse laufen ebenfalls mit der gleichen Geschwindigkeit. Erst wenn man später umfangreichere Applikationen schreibt, bei der die 16MHz nicht mehr reichen, so kann man die PLL aktivieren und die Taktrate flexibel bis auf 168 MHz hochsetzen. (Siehe Demo-Projekt von [[STM32 CooCox Installation]].)

=== LPC1x d.h. Cortex -M0 & -M3 Familie von NXP ===
Details können aus dem Leitartikel [[LPC1xxx]] und den darin verlinkten Artikeln entnommen werden.

= Tipps und Tricks bei der Programmierung=

===Interruptcontroller vom Cortex-M3/M4===

Der "Nested Vectored Interrupt Controller" (NVIC) ist eine Funktion der ARMv7M Architektur und ist über die CMSIS verwendbar.

Beim STM32 hat jeder Interrupt eine Priorität von 4 Bit (bei ARMv7M je nach Implementation bis 8bit möglich). Diese 4 Bit können in eine "pre-emption priority" und "subpriority" unterteilt werden.

Beispiel 2 Bit zu 2 Bit Unterteilung:
<syntaxhighlight lang="c">
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 2 Bits für pre-emption priority
</syntaxhighlight>

Somit kann "pre-emption priority" den Wert 0..3 und "subpriority" auch 0..3 erhalten. Um so kleiner die Zahl ist um so höherwertig ist der Interrupt.

Beispiel:
 ISR1 Pre 2 / Sub 1
 ISR2 Pre 1 / Sub 1
 ISR3 Pre 1 / Sub 2

Wenn jetzt ISR1 kommt, dann wird der aufgerufen. Kommt während dem ein ISR2 dann darf der den ISR1 unterbrechen, da er eine höhere "pre-emption priority" Wertigkeit hat.

Wenn ISR2 bereits aktiv ist, so darf ISR3 diesen nicht unterbrechen, ISR1 ebenfalls nicht.

Wenn ISR2 und ISR3 gleichzeitig kommen, so wird zu erst ISR2 bearbeitet, anschließend ISR3 da beide die gleiche "pre-emption priority" haben fällt die Entscheidung anhand der "subpriority".

Beispiel Interrupt Konfiguration für USART1 mittels CMSIS-Funktionen:
<syntaxhighlight lang="c">
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitSt;
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3; // << Tiefe Prio
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitSt);
</syntaxhighlight>

=== Taktzeitberechnung und Überwachung===

Bei zeitkritischen Applikationen stellt sich immer wieder die Frage wie viele Prozessortakte nun die Funktion verbraucht. Ist der Interrupt auch wirklich nicht zu lange und wie viel Reserve gibt es noch?
 Der ARMv7M -Kern hat dafür extra einen Takt-Zähler in der DWT-Einheit implementiert, den man mittels der CMSIS nutzen kann:

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdint.h> // für die Standard-Typen uint32_t etc.
#include <stm32f4xx.h> // hier die Header-Datei der CMSIS für die jeweilige Familie verwenden

// DWT-Einheit aktivieren
inline void DWT_Enable() {
CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
}

// Takt-Zähler - Messen der Anzahl der Befehle des Prozessors:
inline void DWT_CycCounterEn () {
DWT->CTRL = 0x40000001;
}

inline void DWT_CycCounterDis () {
DWT->CTRL = 0x40000000;
}

inline uint32_t DWT_CycCounterRead () {
return DWT->CYCCNT;
}

inline void DWT_CycCounterClear () {
DWT->CYCCNT = 0;
}

int main () {
// ... Programmcode ...

// Systick-Zähler benutzen
DWT_Enable(); // DWT-Einheit aktivieren
DWT_CycCounterEn (); // Zähler aktivieren
DWT_CycCounterClear (); // Zähler löschen
// ... Programmbearbeitung ...
uint32_t iZ = DWT_CycCounterRead (); // Zähler auslesen

// ... weiterer Programmcode ...
}
</syntaxhighlight>

In iZ steht nun wie viele Maschinentakte der Prozessor für die Bearbeitung benötigt hat und kann mit folgender Formel umgerechnet werden:

Zeit in µSec = iZ / CPU-Takt in MHz

= FAQ - Anfängerfragen=

* Was brauche ich zum Programmieren/Debuggen? - Alle STM32 Mikrocontroller können über die SWD Schnittstelle programmiert und debuggt werden. Auch die JTAG Schnittstelle eignet sich dazu, benötigt aber etwas mehr Leitungen. Geeignete Adapter findet man zum Beispiel unter dem Namen ST-Link oder J-Link. Alle Discovery Boards und Nucleo Boards von ST enthalten bereits einen ST-Link Adapter. Bei den Nucleo-64 Boards ist er sogar abtrennbar und einzeln nutzbar. Alle neueren STM32 besitzen einen internen Bootloader, so dass sich dieser per SPI, UART oder USB bespielen lässt. Wenn Debuggen per Printausgabe reicht und sowieso eine eine USB Schnittstelle vorhanden sein soll, kann auf extra Programmierhardware komplett verzichten und braucht nur einen Jumper am Boot Pin bestücken.
* Ich möchte eine eigene Platine entwickeln, jedoch der 20polige [[JTAG]]-Anschluss ist mir zu groß, gibt es eine Alternative? - Ja, [http://www.mikrocontroller.net/articles/JTAG#Der_10-polige_JTAG_Stecker_von_mmvisual "Der 10-polige JTAG Stecker von mmvisual"]

= Links =
* [[STM32]] Hauptartikel, [http://www.mikrocontroller.net/articles/STM32#Weblinks.2C_Foren.2C_Communities.2C_Tutorials dortige Linksammlung]
* Anleitung: [[STM32 Eclipse Installation]]
* Anleitung: [http://stefanfrings.de/stm32/index.html STM32 Anleitungen und ein kleines Buch für den Einstieg]
* Diskussion: [https://www.mikrocontroller.net/topic/423300#new Totzeitrechner für STM32]

<references/>
[[Kategorie:ARM]]
[[Kategorie:STM32]]
[[Kategorie:Mikrocontroller]]

STM32 für Einsteiger

2022-07-27T01:49:42Z

Hegy: Details zu CooCox und Truestudio entfernt, weil beide tot, Rechtschreibfehler korrigiert, Ergänzungen, ...

Immer wiederkehrend hier im Forum "Mit welchem Mikrocontroller anfangen?". Es gibt eine große Auswahl und eben so viele Empfehlungen. In diesem Artikel soll zu erst geholfen werden ob ein Cortex-M3/M4 Kern überhaupt der Richtige für den Start ist.
Nicht für jeden ist der [[Cortex]] zu empfehlen, denn die Anforderungen und Wünsche die man realisieren möchte, sowie die eigenen Fähigkeiten sind verschieden.

Es werden meist die Prozessoren [[AVR]], [[PIC]], [[Arduino]], [[MSP430]], [[LPC1xxx]] und [[STM32]] empfohlen. Seltener auch 8051 und M16C. Alle haben Vorzüge und ebenso auch Nachteile.

[[Bild:STM32F407SB.jpg|thumb|right|340px|STM32F417 auf einem Selbstbau-Board]]

= Eigene Fähigkeiten und Wünsche =

Dieser Artikel geht davon aus, dass bereits Elektronikkenntnisse vorhanden sind. Wenn nicht dann sollte man erst einmal den Artikel "[[Absolute Beginner]]" durcharbeiten, sowie die anderen Artikel aus der Kategorie "[http://www.mikrocontroller.net/articles/Kategorie:Grundlagen Grundlagen]".
 Weitere Artikel die andere Prozessoren näher darstellen da sich dieser Artikel hauptsächlich auf [[STM32]] konzentriert: [[Entscheidung Mikrocontroller]] und [[Mikrocontroller Vergleich]]. Die Seiten [[AVR]], [[MSP430]], [[LPC1xxx]] und [[PIC]] zeigen mehr Details über diese µC. Hier werden nur grob ein paar Tabelle zum Vergleichen gezeigt.

Zu erst einmal die Randbedingungen, mit der man sich selbst zu erst einmal einschätzen sollte:
{| {{Tabelle}}
|- bgcolor="#d0d0ff"
! Fähigkeit || [[Cortex]] || [[AVR]] || [[Arduino]] || colspan="3" | [[PIC]] || [[MSP430]]
|-
| Bitbreite, jedoch unwichtig für Einsteiger || align="center" | 32-bit || colspan="2" align="center" | 8-bit || align="center" | 8-bit (PIC18) || align="center" | 16-bit (PIC24) || align="center" | 32-bit (PIC32) || align="center" | 16-bit
|-
| Neueinsteiger, kaum Elektronikkenntnisse, noch nie programmiert
| align="center" | O
| align="center" | O <ref name="AVR_TUT1">[http://www.rn-wissen.de/index.php/AVR-Einstieg_leicht_gemacht], RoboterNetz: AVR-Einstieg leicht gemacht</ref><ref name="AVR_TUT2">[http://www.avr-asm-tutorial.net/avr_de/], Tutorial für das Erlernen der Assemblersprache von AVR-Einchip-Prozessoren</ref>
| align="center" | X
| colspan="3" align="center" | O
| align="center" | O
|-
| Wunsch ist SD-Card oder Grafik-Display
| align="center" | X
| colspan="2" align="center" | O
| align="center" | O <ref name="PIC_SD">[http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2680&dDocName=en537999], Microchip Memory Disk Drive File System for PIC18 PIC24 dsPIC PIC32</ref> || align="center" | X<ref name="PIC_SD" /><ref name="PIC_LCD">[http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/technology/graphics/], Microchip Graphics Library</ref> || align="center" | X<ref name="PIC_SD" /><ref name="PIC_LCD" />
| align="center" | X
|-
| Wunsch ist TCP/IP Netzwerk
| align="center" | X
| colspan="2" align="center" | O
| colspan="3" align="center" | X <ref name="PIC_TCP">[http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2505&param=en535724], Microchip TCP/IP stack</ref>
| align="center" | O
|-
|-
| Wunsch ist Kamera und Video-/Bildbearbeitung
| align="center" | X
| colspan="2" align="center" | -
| align="center" | - || align="center" | - || align="center" | X
| align="center" | -
|-
| Möchte die Erkenntnisse beruflich nutzen
| align="center" | X
| align="center" | X
| align="center" | -
| colspan="3" align="center" | X
| align="center" | X
|-
| Stromsparende Anwendungen
| align="center" | - 300 nA Sleep<ref name="STM_Power">[http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1295], [[STM32]] L1 series of ultra-low-power MCUs</ref> 230 μA/MHz
| align="center" | - 100 nA Sleep<ref name="AVR_Power1">[http://www.atmel.com/technologies/lowpower/default.aspx], Atmel picoPower Technology</ref> <ref name="AVR_Power2">[http:/www.futurlec.com/News/Atmel/PicoPower.shtml], Atmel Releases New picoPower AVR Microcontrollers</ref> 340 μA/MHz
| align="center" | -
| colspan="2" align="center" | X 9 nA Sleep<ref name="PIC_XLPvsTI">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39989A.pdf], The Truth about Power Consumption in PIC® MCUs with
XLP Technology vs. TI’s MSP430</ref><ref name="PIC_XLP">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30009941F.pdf], nanoWatt XLP eXtreme Low Power PIC® Microcontrollers</ref> 35 μA/MHz || align="center" | -
| align="center" | X 100 nA Sleep<ref name="TI_Power1">[http://www.ti.com/lit/wp/slay015/slay015.pdf], Texas Instruments: Ultra-Low Power Comparison: MSP430 vs. Microchip XLP</ref><ref name="TI_Power2">[http://www.ti.com/ww/mx/multimedia/webcasts/Aspectos_Generales_MSP430.pdf], Texas Instruments: Meet MSP430</ref> 100 μA/MHz
|-
| Multithreading, RTOS, Schedulern
| align="center" | X
| align="center" | - <ref name="AVR_RTOS1">[http://www.freertos.org/a00098.html], Atmel AVR freeRTOS port</ref><ref name="AVR_RTOS2">[http://www.femtoos.org/], Femto OS: RTOS for small MCU's like AVR</ref>
| align="center" | -
| align="center" | - <ref name="PIC_RTOS2">[http://www.freertos.org/a00097.html], Microchip PICmicro (PIC18) freeRTOS Port</ref> <ref name="PIC_RTOS3">[http://www.pumpkininc.com/], Salvo RTOS</ref>|| align="center" | X<ref name="PIC_RTOS">[http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en531543&redirects=rtos], 3rd Party RTOS selection guide</ref> || align="center" | X<ref name="PIC_RTOS" />
| align="center" | X <ref name="TI_RTOS">[http://processors.wiki.ti.com/index.php/MSP430_Real_Time_Operating_Systems_Overview], TI Wiki: MSP430 Real Time Operating Systems Overview</ref>
|-
| Besonders große, speicherintensive Programme z.B. Grafiken, Fonts
| align="center" | bis 2MB Flash bis 1024kB SRAM <ref name="STM32Ueb">[http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169], Übersicht aller verfügbaren [[STM32]] µC von ST</ref>
| colspan="2" align="center" | bis 256kB Flash bis 16kB SRAM
| align="center" | bis 128kB Flash bis 4kB SRAM || bis 2MB Flash bis 98kB SRAM || bis 2MB Flash bis 512kB SRAM + 32MB DRAM (PIC32MZ DA)
| align="center" | bis 512KB Flash bis 66kB SRAM
|-
| Sehr viel PWM mit komplexem Timing
| align="center" | X
| align="center" | AT90Spwm
| align="center" | -
| align="center" | - || align="center" | X || align="center" | X
| align="center" | O
|-
| Deutschsprachige Community
| align="center" | O
| align="center" | X
| align="center" | X
| align="center" | X <ref name="PIC-Projekte">[http://pic-projekte.de/], pic-projekte.de</ref> <ref name="SPRUT">[http://www.sprut.de/], sprut.de</ref> || align="center" | - || align="center" | -
| align="center" | -
|-
| Anzahl möglicher HW-Breakpoints
| align="center" | 4 bis 6
| colspan="2" align="center" | 2
| align="center" | 1 bis 5 <ref name="PIC_HWBP">[http://www.microchip.com/stellent/groups/SiteComm_sg/documents/DeviceDoc/en556761.pdf], PIC Hardware Breakpoints (Seite 6)</ref> || align="center" | 1 bis 10 <ref name="PIC_HWBP"/> || align="center" | 6<ref name="PIC_HWBP"/>
| align="center" | 2
|}
* X = ja
* O = Teilweise, Einschränkungen
* - = nicht empfohlen
Nur um nicht zu verwirren, auch wenn Teile "nicht empfohlen" sind, heißt das nicht dass es mit dem Prozessor nicht geht, vielmehr dass es mehr Aufwand ist das zu realisieren oder mehr Einschränkungen hat.
Viele Eigenschaften weisen nur bestimmte Modelle einer Mikrocontrollerfamilie auf. Der Wechsel innerhalb einer Familie gestaltet sich jedoch oft einfach (z.B. innerhalb [[STM32]] oder innerhalb PIC24).

Die Spalte Cortex zeigt die Prozessorfamilie von STM32F0xx bis STM32F4xx mit einem Cortex-M0 oder M3/M4 Kern. Die technischen Daten sind ähnlich anderer Hersteller die auch einen Cortex-Mx Kern verbauen wie z.B. NXP ([[LPC1xxx]]), Freescale, Atmel, TI, Toshiba, usw. Jedoch bietet ST mit dem [[STM32]] eine hohe Flexibilität an Gehäuse-Variationen (vergleichbar mit NXP [[LPC1xxx]]) und ist privat recht leicht beschaffbar. Übersicht aller verfügbaren [[STM32]] µC von ST<ref name="STM32Ueb">[http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169], Übersicht aller verfügbaren [[STM32]] µC von ST</ref>.

Der STM32Fxxx ist in der Tat nicht der beste in der Kategorie "Stromsparend", die neueren STM32L0xx und STM32L4xx sind deutlich sparsamer, besonders bei hohen Temperaturen. Eine interessante Alternative mit Cortex-Mx Kern:
 "EFM32" von Silabs<ref name="EFM32">[http://www.silabs.com/products/mcu/lowpower/Pages/efm32-energy-modes.aspx], EFM32, der Stromsparende mit Cortex-Mx Kern</ref> benötigt nur 0,9 µA im Sleep Mode.

Die Spalte PIC zeigt die Eigenschaften der 8-Bit PIC18 (vergleichbar mit [[AVR]]), 16-Bit [[PIC24]]/[[dsPIC]] (vergleichbar mit [[MSP430]]) und 32-Bit [[PIC32]] (vergleichbar mit [[STM32]]). Ein Wechsel des Mikrocontrollers innerhalb der Familien ist Codetechnisch problemlos möglich. <ref name="PIC_codeswitch">[http://www.elektor.nl/Uploads/Files/PIC24FIntro_5f082806.pdf], Microchip: Introduction to the 16-bit PIC24F Microcontroller Family</ref> Hardwaretechnisch sind verschiedene Modelle gleicher Familie zudem auch meist Pin-Kompatibel <ref name="PIC_PinCompatibility">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/00148m.pdf], Microchip: 2007 Product Selector Guide (Seite 114 ff.)</ref> sodass ohne Design-Änderung zwischen verschiedenen Modellen gewechselt werden kann.
Ein Wechsel zwischen den Familien ist Architekturbedingt aufwendiger, vor allem von 8-Bit auf 16/32-Bit. <ref name="PIC_8to16Migration">[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39764a.pdf], Microchip: PIC18F to PIC24F Migration: An Overview</ref> Aufgrund gleichbleibender IDE (Mplab) sowie gleichbleibenden Libraries bei Verwendung einer Hochsprache (C) jedoch vor allem zwischen 16-Bit und 32-Bit ohne weitere Probleme möglich <ref name="PIC_16to32Migration">[http://www.embedded.com/design/mcus-processors-and-socs/4007683/Practical-migration-from-8-16-to-32-bit-PIC], Artikel: Practical migration from 8-/16- to 32-bit PIC</ref>.
 Ein PIC10/12/16 ist für den Einstieg nicht empfohlen, da diese Architekturbedingt viele Einschränkungen haben, die eher hinderlich für das Lernen sind.

Der "[[Arduino]]" ist kein eigenständiger Prozessor, sondern ein fertiges Board (mit z.B. einem AVR oder STM32 Prozessor) und einer "[[Arduino]]" Programmierumgebung, extra geschaffen für Einsteiger. Allerdings ist da der Lerneffekt viel geringer da man den Prozessor mit der [[Arduino]]-Software programmiert und nicht direkt die Register. Anderseits ist der Arduino besser für jemanden geeignet, der eigentlich nicht lernen möchte, sondern nur mal schnell etwas steuern/basteln will und so ohne großartige µC Kenntnisse zum Ziel kommt. Für diese Zielgruppe ist der Arduino perfekt.

<references />

= Unwichtige Randbedingungen =

Oftmals werden fälschlicherweise Argumente für oder gegen eine µC-Familie ausgesprochen, die in der Praxis '''zum Einstieg''' (bei konkreten Anwendungen kann das anders aussehen) eher unwichtig sind.

* Spannungsversorgung 3,3V / 5V (Wobei z.B Atmel XMega keine 5V Tolerante Eingänge besitzt)
* 8 (z.B. [[AVR]]), 16 (z.B. [[MSP430]]) oder 32 (z.B. [[STM32]]) Bit
* Prozessorkern Cortex-M0/M3/M4, MIPS, ARM7/9/..., AVR-RISC, PIC-RISC, 8051, ...
* Interrupt System mit mehr oder weniger Features
* Programmiersprache (Assembler, Basic, C, C++, Pascal)
* Programmierumgebung - ist ohnehin Geschmackssache
* Assembler verstehen (Sollte nur theoretisch verstanden werden, ein Programm sollte in einer Hochsprache geschrieben sein)
* DIL Gehäuse - steckbretttauglich ([[STM32]]-Prozessoren gibt es auch fertig gelötet auf einem steckbretttauglichen Board)
* Programmieradapter - solange er auch debuggen kann
* zu 90% reicht doch ein kleiner Prozessor ([[AVR]]/PIC), andererseits sind STM32 Modelle nicht wesentlich teurer.

= Kosten =

Grobe Abschätzung was das alles denn kosten wird. Hier sind nur einige Beispiele gezeigt (Einzelpreise bei Bezugsquellen in Deutschland).

{| {{Tabelle}}
|- bgcolor="#d0d0ff"
! Board || [[STM32]] || [[AVR]] || PIC18/24/32 || [[MSP430]]
|-
| Demo-Board
| align="center" | Nucleo64 Boards<ref name="NUCLEO64">[https://www.mouser.de/new/stmicroelectronics/stm-nucleo-development-boards/] Nucleo64</ref> und STM32 Discovery Boards<ref name="STM32F4DISCOVERY"> [http://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32-mcu-discovery-kits.html?querycriteria=productId=LN1848] STM32 Discovery</ref> ab 15€ (incl. Debugger)
| align="center" | [[Arduino]] Uno clone ab 9€ || align="center"| Microchip Demoboard<ref name="PICDEMOBOARD">[http://www.microchipdirect.com/ProductDetails.aspx?Catalog=BuyMicrochip&Category=Starter%20Kits&mid=1&lmid=610] Microchip Demoboard</ref> ab 18€ (Für 16 und 32bit auch mit integriertem Debugger)
| align="center" | MSP430 Demoboard <ref name="MSP430DEMOBOARD">[http://www.ti.com/tool/msp-exp430fr5739] MSP430 Demoboard</ref> ~35€
|-
| Steckbrettaugliches Board
| align="center" | Blue-Pill Board <ref name="BLUEPILL">[http://wiki.stm32duino.com/index.php?title=Blue_Pill] Blue-Pill Board</ref> ab 1,50€, S64DIL-405 <ref name="STM32F405Board">[http://re.reworld.eu/de/produkte/s64dil-405/index.htm] S64DIL-405</ref> mit STM32F405 30€
| align="center" | [[Arduino]] Nano clone ab 2€
| align="center" | PIC Microstick
| align="center" |
|-
| Einzelchip (Einzelstückpreise)
| align="center"| 1..15€ nur SMD (TSSOP..LQFP..BGA)
| align="center"| 0,6..15€ SMD + DIP
| align="center"| 0,5..15€ SMD + DIP
| align="center"|
|-
| Programmieradapter mit Debugger
| align="center" | ST-Link clone 2,50€ ST-Link original 48€ Segger J-LINK EDU <ref name="JLINKEDU"> [http://www.segger.com/j-link-edu.html] Segger J-LINK EDU</ref> 50€
| align="center" | Atmel AVR Dragon 40€ Atmel ICE ohne Gehäuse ab 99€
| align="center" | PICkit 3 clone 8€ Microchip PICkit 3 original 90€
| align="center" |
|}

Das Demo-Board sollte preisgünstig sein, um eventuelle Verluste bei falscher Benutzung gering zu halten. Wenn einem der Prozessor gefällt, so kann man später immer noch auf ein umfangreicheres Board (z.B. mit Display) umsteigen.

Zum Debuggen von STM32 Mikrocontrollern benötigt man einen Programmieradapter mit SWD oder JTAG Protokoll. Die meisten Demo Boards von ST enthalten bereits einen SWD fähigen ST-Link Adapter. Aktuell (2022) z.B. [https://www.st.com/en/development-tools/stlink-v3set.html STLINK-V3SET] und [https://www.st.com/en/development-tools/stlink-v3mini.html STLINK-V3MINI]

Der Segger J-LINK EDU ist zwar nicht der günstigste Programmieradapter/Debugger, hat jedoch einen guten Ruf und ist nutzbar für praktisch alle Prozessoren mit ARM-Kern. Der Hersteller bewirbt ihn als besonders schnell.

<references />

= Programmierumgebungen=

Bei den Programmierumgebungen gibt es zu allen Prozessorfamilien kostenlose und leistungsfähige Software.

Aktuell (2022) ist für den Einstieg die [https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html STM32CubeIDE] und [https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html STM32CubeMX] zu empfehlen. STM32CubeIDE ist die IDE für die SW Entwicklung in C und C++ inkl. Debugging. STM32CubeMX ist ein grafisches Tool zur Konfiguration des Controllers (IO's, Timer, Interrupts, Clocktree, ...) mit automatischer Codegenerierung, Energieverbrauchsberechung und Visualisierung und enthält auch die Downloadmöglichkeit für viele Beispielprogramme in Abhängigkeit von der verwendeten MCU.

STM32CubeIDE basiert auf Eclipse, OpenOCD und GCC und läuft unter Linux und Windows. Unter Linux beträgt die Installationsgröße für STM32CubeIDE ca. 2,5 GB auf der Systempartition (/opt/stm32cubeide), für STM32CubeMX knappe 700 MB (/opt/stm32cubemx). Zusätzlicher Plattenplatz wird für Examples, Demos, Treiber (Hardware Abstraction Layer (HAL), Low-Level (LL), Board Supported Packages (BSP)) usw. benötigt und wird projektspezifisch von der verwendeten MCU im Ordner des Benutzers abgelegt. Hier sollte man ein paar hundert MB für reservieren.

Der vollständigkeithalber sei noch erwähnt, dass die beiden IDE's [https://atollic.com/ TrueStudio] der Fa. Attolic und CooCox tot sind. True Studio ist in der STM32CubeIDE aufgegangen, CooCox ist bereits vor Jahren komplett eingestellt worden, auch ist die Homepage zu dem Projekt nicht mehr existent.

Alte Projekte von True Studio lassen sich so einfach leider nicht in STM32CubeIDE importieren, hier muss manuell nachgearbeitet werden..

Im professionellen Umfeld sind die folgenden Entwicklungsumgebungen verbreitet: [http://www.keil.com/product/ Keil], [https://www.iar.com/ IAR]. Das [https://www.segger.com/products/development-tools/embedded-studio/ Segger Enbedded Studio] ist mit Einschränkungen kostenlos verwendbar.

= Dokumentation=

Bevor man sich für einen Prozessor entscheidet, sollte man unbedingt deren Dokumentation mal zumindest überfliegen und auch deren Errata lesen. Nicht dass man eine Anwendung erstellen möchte und stellt hinterher fest, dass genau dieser Teil so buggy ist, dass er nicht genutzt werden kann.

Beim [[STM32]] hat die Dokumentation doch recht viele Seiten, viel mehr als bei einem [[AVR]] oder PIC, dabei ist vieles eher knapp beschrieben. Der Aufbau der [[STM32]] Dokumentation ist [http://www.mikrocontroller.net/articles/STM32#Struktur_der_Dokumentation: hier] beschrieben.
 Bei den PICs ist die Dokumentation wiederum anders strukturiert, [http://www.mikrocontroller.net/articles/PIC#Dokumenatation siehe im PIC Artikel].

Für die [[STM32]], [[AVR]] und [[PIC]] Mikrocontroller gibt es zudem viele, auch deutschsprachige Einsteiger Hilfestellungen und Tutorials.

Parallel zur Dokumentation sollte man sich auch die Demo-Beispiele der Hersteller anschauen, dann wird vieles gleich verständlicher.

Eine Übersicht über die Funktionen gibt es im Artikel: [[STM32]]

= Die Arbeit mit dem [[STM32]]=

Zu erst einmal SOOO groß sind die Unterschiede zwischen den einzelnen Prozessoren nicht. Alle haben Ein-/Ausgänge und um mittels einem Port-Pin eine LED ansteuern zu können, muss bei jedem Prozessor der Pin erst einmal parametriert werden, egal ob das jetzt ein [[STM32]] oder ein [[AVR]] oder ein [[MSP430]] ist. Nur hat man bei einem [[STM32]] doch einige Funktionen mehr, z.B. zuschaltbarer Pull-Up oder Pull-Down Widerstand und spezielle Setz-/Rücksetzregister, die andere Prozessoren nicht haben, jedoch das Programmieren vereinfachen.
Der Hauptunterschied zu den anderen Prozessoren ist, dass der [[STM32]] so viele Peripherie-Module beherbergt, dass man die einzeln immer mit einem Clock aktivieren muss, denn damit lässt sich viel Strom sparen.

Und mal ganz ehrlich, die Diskussion, welcher µC einfacher zu konfigurieren ist, ist doch absoluter Unsinn. Der Weg ist immer der Gleiche:
*1. Blick ins Datenblatt, welche Register für diese Funktion benötigt werden.
*2. Werte ermitteln, die in die Register eingetragen werden.
*3. Werte ins Register schreiben. Da machte es GAR KEINEN UNTERSCHIED, ob es ein [[AVR]], 8051/2, [[ARM]], ... ist.

Noch einfacher und wesentlich schneller geht die Konfiguration mit dem STM32CubeMX Tool mit anschließender Codegenerierung, sofern die Konfiguration von STM32CubeMX geprüft und für OK befunden wurde.

Es stimmt schon, es gibt Unterschiede. Die Register haben anderen Namen, andere Adressen, andere Bitbedeutungen, ...
Aber es steht doch alles im Datenblatt. Und ob ich jetzt einen [[AVR]] oder einen [[ARM]] das erste Mal vor mir liegen hab. Ich brauch in allen Fällen die oben beschriebenen Schritte.

Das Interruptsystem (NVIC, Nested Vectored Interrupt Controller) ist bei einem [[STM32]] zusätzlich priorisiert. Damit kann man festlegen, welcher Interrupt vorrangig bearbeitet wird. Die Prioritätenvergabe ist auch kein Hexenwerk. Hier kann STM32CubeMX ein große Hilfe sein.

Zu allen Prozessoren liefern die jeweiligen Hersteller umfangreiche Demo-Codes und Libraries mit. Meist sind alle in C geschrieben, daher sollte auch die Programmiersprache C oder C++ verwendet werden. Vor allem auch wenn man berufliche Absichten verfolgt.

Und wenn man einen [[STM32]] kann, dann ist ein Umstieg auf einen [[LPC1xxx]] (NXP) oder andere Hersteller überhaupt kein Problem (*), denn die bieten ebenfalls Prozessoren mit verschiedenen Cortex-M Kernen und man kann diese mit der gleichen Programmierumgebung programmieren. Somit ist man nicht zwingend herstellerabhängig. (* jeder Hersteller verbaut seine eigene Peripherie, die andere Funktionalitäten haben.)

Mit der [[STM32]] Serie kann man nahezu alle Anwendungen realisieren. Die STM32-Serie hat genügend RAM, FLASH Speicher und eine entsprechende Anzahl an verschiedenste IO's, von einfachen GPIO's über SPI/I2C über I2S, SD-Card und USB, und auch ausreichend Geschwindigkeit und viele Gehäuse-Varianten. Viele Schnittstellen sind im Artikel [[STM32]] beschrieben.

Für den Einstig gibt es diverse, auch deutschsprachige, Tutorials im Netz. Eine Übersicht ist [http://www.mikrocontroller.net/articles/STM32#Weblinks.2C_Foren.2C_Communities.2C_Tutorials hier auf der STM32 Seite]. (Beispiel: [http://diller-technologies.de/stm32_wide.html STM32 Tutorial in Deutsch von Diller Technologies])
 Wobei dazugesagt werden muss, dass diese meist auf die Standard ST-Libs aufbauen. Diese Libs vereinfachen zum einen das Ansteuern/die Benutzung der Peripheriefunktion zum anderen muss man diese erst einmal kennenlernen. Vereinfacht wird das da ALLE [http://www.st.com/stonline/stappl/productcatalog/app?page=partNumberSearchPage&levelid=SS1577&parentid=1743&resourcetype=SW ST-Demo-Codebeispiele] ebenfalls auf diesen Lib's basieren und somit wird der Wechsel innerhalb der [[STM32]] Familie deutlich vereinfacht.
 STM32F4xx Library von ST: [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF257901# "STSW-STM32065 STM32F4 DSP and standard peripherals library"] incl. Dokumentation und Demo-Projekte zu allen CPU-Funktionen.

Der einzige Nachteil beim [[STM32]]: Man muss etwas mehr lesen, da eine Peripherie doch viel mehr Funktionalität hat (sofern man das Modul überhaupt benötigt). Ansonsten kenne ich nicht wirklich einen Grund, warum man als Neueinsteiger sich nicht für einen [[STM32]] entscheiden sollte.

Wichtige Dokumente sind:
* User Manual zum verwendeten Board (Nucleo Boards (weiß), Evaluation Board (grün), ...)
* Getting started with .... (Application Note, AN....)
* Programming Manual STM32... (PM...)
* Reference Manual (RMxxxx)
* Datasheet zum Prozessor
* diverse User Guides für Examples, Treiber (BSP, HAL, LL), RTOS, FAT-FS, ...

Die Seitenzahl der Dokumente zusammen beträgt einige tausend. Es sind aber keine "Lesebücher", die von vorn bis hintengelesen werden möchten, sondern Nachschlagewerke. Man ließt im Grunde nur den Teil, der gerade interessant ist.

= Programmiersprachen =
* Wie bei vielen anderen Controllern wird beim [[STM32]] auch hauptsächlich C und C++ verwendet. aber auch Pascal oder Basic ist problemlos möglich (z.B. von mikroe). Kennen sollte man die Programmiersprache C schon, wenn man davon noch keine Ahnung hat sollte man erst mal mittels einem Tutorial auf einem PC ein Konsoleprogramm schreiben, sodass man es einigermaßen kennen lernt. Hier im Forum gibt es ebenfalls Artikel dazu. Zielt man auf die (spätere) Anwendung in der Industrie, sollte aufgrund der Verbreitung auf jeden Fall C (oder C++) gewählt werden; außerdem sind die meisten verfügbaren Libraries in C geschrieben.
* Assembler sollte man nur grob verstehen, Details wie ein Befehl arbeitet ist unwichtig. Selbst wenn man die Zyklen für einen Funktionsaufruf wissen will, so bietet der [[STM32]] (Cortex-M3) einen Cycle-Counter den man auslesen kann; durch die komplexere Pipeline und Cache-Effekte sind die Laufzeiten allerdings nicht genau vorhersehbar. Wird zyklengenaues Timing benötigt, sollten Timer verwendet werden - davon hat der [[STM32]] genug.

Der 32 Bit-Adressraum, der RAM, Flash und I/O-Register vereinheitlicht ansprechen kann im Gegensatz z. B. zum [[AVR]], ist ideal für eine Verwendung durch Hochsprachen. Bei Pointern muss keine zusätzliche Information verwaltet werden, in welche Art Speicher sie zeigen. Die Adresse gibt dies eindeutig an (es gibt nur '''eine''' Adresse 42, und nicht 2 wie z.B. beim [[AVR]] (Flash, RAM & I/O)) und die Hardware spricht automatisch den richtigen Speicher an. Die Möglichkeiten zur Offset-Adressierung, der Barrel-Shifter, Divsions-Einheit, die FPU (bei STM32F4), Interrupt-Modell etc. begünstigen ebenfalls die Erzeugung effizienteren Codes. Außerdem haben die [[STM32]] einfach mehr "rohe Leistung", d.h. mehr Flash/RAM-Speicher und höhere Taktfrequenzen. 
 
'''Folgerung''': Die Programmierung in Hochsprachen ist '''bequemer als bei 8-Bittern''', denn man muss sich einfach weniger Gedanken machen, ob der Compiler ein Programm nun effizent umsetzen kann (kann man natürlich trotzdem machen, um noch mehr Leistung "herauszuquetschen", wenn man will).

= Weitere Randbedingungen für die Entscheidung=

Der wichtige Punkt, der oftmals auch vergessen wird: die Beschaffbarkeit. Wenn jemand einen Renesas M16C oder Fujitsu empfiehlt, dann sucht man erst mal und findet nur wenige vereinzelte die man privat kaufen kann.

Oder auch die Unterstützung im Internet - ist bei einigen Exoten spärlich. Dieses Forum bietet die beste Hilfe für [[AVR]], PIC, [[MSP430]], [[LPC1xxx]] und [[STM32]].

Andere Prozessoren sind schon sehr alt bzw. nicht mehr modern, da deren Peripherie zum Teil doch recht eingeschränkte Funktionalität bietet wie z.B. viele 8051 Typen oder PIC16 (oder auch dsPIC30). Die mögen für Mini-Anwendungen gut sein, aber wer will denn schon gerne sich extra für eine Kleinanwendung mit einem kleinen µC auseinandersetzen, wenn man schon einen [[STM32]] kennt, mit dem man vieles machen kann und sich vllt. bereits gute Funktionen geschrieben hat?

Daher mein Resümee: Wer nicht gerade auf den Kopf gefallen ist, der kann getrost mit einem [[STM32]] starten. Ein [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM116/SC959/SS1532/PF252419?s_searchtype=keyword STM32F4DISCOVERY] Board kostet nur ca. 20 EUR - und mehr muss für den ersten Start nicht investiert werden - wenn es doch zu komplex sein sollte gibt es hier im Forum auch viel Hilfe. Jedenfalls sind diese 20 EUR wirklich eine gute Investition.
 Wer berufliche Absichten verfolgt, sollte zu einem späteren Zeitpunk sich unbedingt auch mit einem zweiten, anderen Prozessor beschäftigen um so die nötigen Erfahrungen zu gewinnen.

Ein paar Forenbeiträge:
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/317792#3481048 "Klein anfangen!" heisst die Devise]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/312330#3483218 Einen 8-Bitter nehme ich nur noch aus "Nostalgiegründen"]

= Übersicht CPU Funktionalitäten=

In diesem Abschnitt ist kurz gezeigt welche Möglichkeiten die CPUs bei den oben empfohlenen Einsteigerboards haben.

=== STM32F407 - vom STM32F4DISCOVERY Board ===

{| class="wikitable"
|-
| [[Datei:STM32F407.png|mini|x400px]]
| [[Datei:stm32f4_discovery2.png|mini|x400px]]
|-
| [http://www.st.com/web/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1577/LN11/PF252140?s_searchtype=partnumber Blockdiagramm STM32F407]
| [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM116/SC959/SS1532/PF252419 STM32F4DISCOVERY Demoboard]
|}

Es sind sehr viele Peripheriemodule im µC implementiert. Jedes einzelne Peripherie-Modul (z.B. Ethernet, USB, CAN, Timer, AD-Wandler, usw.) kann aktiviert werden, indem der Clock freigeschaltet wird. So lange der Clock nicht aktiviert wurde verhält sich das Modul so als ob es nicht vorhanden wäre und beeinträchtigt in keiner Weise den Prozessor. Somit lässt sich der Stromverbrauch senken.

Eine ganze Auflistung der Einzelmodule steht im Artikel: [[STM32]] und [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169 auf der Homepage von ST]

Zu Anfang mag vielleicht die interne Busstruktur verwirren, jedoch braucht man diese nicht beachten. Wenn nun die CPU auf UART4 zugreifen möchte, so gehen die Daten durch die Busse "AHB1" -> "ABH/APB1-Bridge" -> "APB1". Dies erledigt der µC ganz von alleine. Diese Unterteilung ist technisch nötig, da die Peripheriebusse nicht mit dem gleichen Prozessortakt betrieben werden (wie z.B. bei [[MSP430], siehe Schaubild unten), die "Bridge" managt ganz alleine das Handling und generiert automatisch Wait-Befehle für die CPU.
 Die "AHB-Bus-Matrix" ist ebenfalls für den Anwender meist uninteressant. ST hat damit ein System geschaffen, damit die CPU, DMAs und Displaycontroller gleichzeitig auf die verschiedenen RAM-Bereiche zugreifen können um mehr Daten parallel zu verarbeiten. Somit braucht man diese Matrix erst mal nicht beachten.

Ebenso braucht man zu Anfang sich auch keine Gedanken um den Prozessortakt machen, wenn man nichts initialisiert so läuft der STM32F4xx mit dem internen RC-Oszillator von 16 MHz und die Peripheriebusse laufen ebenfalls mit der gleichen Geschwindigkeit. Erst wenn man später umfangreichere Applikationen schreibt, bei der die 16MHz nicht mehr reichen, so kann man die PLL aktivieren und die Taktrate flexibel bis auf 168 MHz hochsetzen. (Siehe Demo-Projekt von [[STM32 CooCox Installation]].)

=== LPC1x d.h. Cortex -M0 & -M3 Familie von NXP ===
Details können aus dem Leitartikel [[LPC1xxx]] und den darin verlinkten Artikeln entnommen werden.

= Tipps und Tricks bei der Programmierung=

===Interruptcontroller vom Cortex-M3/M4===

Der "Nested Vectored Interrupt Controller" (NVIC) ist eine Funktion der ARMv7M Architektur und ist über die CMSIS verwendbar.

Beim STM32 hat jeder Interrupt eine Priorität von 4 Bit (bei ARMv7M je nach Implementation bis 8bit möglich). Diese 4 Bit können in eine "pre-emption priority" und "subpriority" unterteilt werden.

Beispiel 2 Bit zu 2 Bit Unterteilung:
<syntaxhighlight lang="c">
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 2 Bits für pre-emption priority
</syntaxhighlight>

Somit kann "pre-emption priority" den Wert 0..3 und "subpriority" auch 0..3 erhalten. Um so kleiner die Zahl ist um so höherwertig ist der Interrupt.

Beispiel:
 ISR1 Pre 2 / Sub 1
 ISR2 Pre 1 / Sub 1
 ISR3 Pre 1 / Sub 2

Wenn jetzt ISR1 kommt, dann wird der aufgerufen. Kommt während dem ein ISR2 dann darf der den ISR1 unterbrechen, da er eine höhere "pre-emption priority" Wertigkeit hat.

Wenn ISR2 bereits aktiv ist, so darf ISR3 diesen nicht unterbrechen, ISR1 ebenfalls nicht.

Wenn ISR2 und ISR3 gleichzeitig kommen, so wird zu erst ISR2 bearbeitet, anschließend ISR3 da beide die gleiche "pre-emption priority" haben fällt die Entscheidung anhand der "subpriority".

Beispiel Interrupt Konfiguration für USART1 mittels CMSIS-Funktionen:
<syntaxhighlight lang="c">
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitSt;
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3; // << Tiefe Prio
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitSt.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitSt);
</syntaxhighlight>

=== Taktzeitberechnung und Überwachung===

Bei zeitkritischen Applikationen stellt sich immer wieder die Frage wie viele Prozessortakte nun die Funktion verbraucht. Ist der Interrupt auch wirklich nicht zu lange und wie viel Reserve gibt es noch?
 Der ARMv7M -Kern hat dafür extra einen Takt-Zähler in der DWT-Einheit implementiert, den man mittels der CMSIS nutzen kann:

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdint.h> // für die Standard-Typen uint32_t etc.
#include <stm32f4xx.h> // hier die Header-Datei der CMSIS für die jeweilige Familie verwenden

// DWT-Einheit aktivieren
inline void DWT_Enable() {
CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
}

// Takt-Zähler - Messen der Anzahl der Befehle des Prozessors:
inline void DWT_CycCounterEn () {
DWT->CTRL = 0x40000001;
}

inline void DWT_CycCounterDis () {
DWT->CTRL = 0x40000000;
}

inline uint32_t DWT_CycCounterRead () {
return DWT->CYCCNT;
}

inline void DWT_CycCounterClear () {
DWT->CYCCNT = 0;
}

int main () {
// ... Programmcode ...

// Systick-Zähler benutzen
DWT_Enable(); // DWT-Einheit aktivieren
DWT_CycCounterEn (); // Zähler aktivieren
DWT_CycCounterClear (); // Zähler löschen
// ... Programmbearbeitung ...
uint32_t iZ = DWT_CycCounterRead (); // Zähler auslesen

// ... weiterer Programmcode ...
}
</syntaxhighlight>

In iZ steht nun wie viele Maschinentakte der Prozessor für die Bearbeitung benötigt hat und kann mit folgender Formel umgerechnet werden:

Zeit in µSec = iZ / CPU-Takt in MHz

= FAQ - Anfängerfragen=

* Was brauche ich zum Programmieren/Debuggen? - Alle STM32 Mikrocontroller können über die SWD Schnittstelle programmiert und debuggt werden. Auch die JTAG Schnittstelle eignet sich dazu, benötigt aber etwas mehr Leitungen. Geeignete Adapter findet man zum Beispiel unter dem Namen ST-Link oder J-Link. Alle Discovery Boards und Nucleo Boards von ST enthalten bereits einen ST-Link Adapter. Bei den Nucleo-64 Boards ist er sogar abtrennbar und einzeln nutzbar. Alle neueren STM32 besitzen einen internen Bootloader, so dass sich dieser per SPI, UART oder USB bespielen lässt. Wenn Debuggen per Printausgabe reicht und sowieso eine eine USB Schnittstelle vorhanden sein soll, kann auf extra Programmierhardware komplett verzichten und braucht nur einen Jumper am Boot Pin bestücken.
* Ich möchte eine eigene Platine entwickeln, jedoch der 20polige [[JTAG]]-Anschluss ist mir zu groß, gibt es eine Alternative? - Ja, [http://www.mikrocontroller.net/articles/JTAG#Der_10-polige_JTAG_Stecker_von_mmvisual "Der 10-polige JTAG Stecker von mmvisual"]

= Links =
* [[STM32]] Hauptartikel, [http://www.mikrocontroller.net/articles/STM32#Weblinks.2C_Foren.2C_Communities.2C_Tutorials dortige Linksammlung]
* Anleitung: [[STM32 Eclipse Installation]]
* Anleitung: [http://stefanfrings.de/stm32/index.html STM32 Anleitungen und ein kleines Buch für den Einstieg]
* Diskussion: [https://www.mikrocontroller.net/topic/423300#new Totzeitrechner für STM32]

<references/>
[[Kategorie:ARM]]
[[Kategorie:STM32]]
[[Kategorie:Mikrocontroller]]

Operationsverstärker-Grundschaltungen

2020-09-14T23:39:20Z

Hegy: /* Weblinks */

== Idealisiertes Modell eines OPV==

=== Anschlüsse ===
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

=== Spannungsversorgungen ===
Die Spannungsversorgungen sollen zunächst nicht interessieren. Sie
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet.
In der Praxis ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) liegt. Die Ausgangsspannung des OPV kommt schließlich dadurch zustande, dass der Ausgang über einen Transistor mehr oder weniger hochohmig mit den beiden Versorgungsspannungen verbunden wird.

Wenn man einen OPV also mit +5V versorgt, so kann der OPV im besten Fall am Ausgang +5V erzeugen. Man würde in diesem Fall von einem "Rail-to-Rail" Operationsverstärker sprechen.
Bei vielen Operationsverstärkern ist die maximal mögliche Ausgangsspannung geringer als die Versorgungsspannung. Ein mit +5V Spannungsversorgung beschalteter OPV kann dann beispielsweise nur +4V Ausgangsspannung erzeugen.

| \
| \
-- | - \
| \_______
| /
-- | + /
| /
| /

=== Ausgang ===
Der Ausgang des OPV ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, dass die
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV
angeschlossen wird.
In der Praxis gilt dieses Modell häufig nur bei "sinnvollen Anwendungen". So ist beispielsweise der Ausgangsstrom des OPV nach oben begrenzt (typischerweise im mA-Bereich), und manche OPV schwingen sehr leicht, wenn man sie kapazitiv belastet.

=== Eingänge ===
Die Eingänge eines OPV sind hochohmig, d. h., es handelt sich nur um "Messfühler", die keinen Strom führen.
Achtung: Die Eingangsschutzbeschaltung (Dioden von GND und gegen VCC) bei manchen OPVs kann jedoch dazu führen, dass Strom in den Eingang fliesst, wenn dessen Betriebsspannung z.B. abgeschaltet ist.

=== Funktionsweise ===
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz <math>U_D = U(+) - U(-)</math> der
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die
Ausgangsspannung.

Das Ergebnis dieses Vorgangs wird häufig über die Gleichung:

<math>U_a = v \cdot U_D</math>

beschrieben, wobei <math>v</math> eine sehr große Zahl (10^4...10^6) ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Funktionsweise lassen sich alle grundlegenden Schaltungen herleiten.

=== Beispiel ===

Betrachtet wird die invertierende Grundschaltung nach Abbildung a) im Abschnitt [[Operationsverstärker-Grundschaltungen#Verstärkergrundschaltungen|Verstärkergrundschaltungen]].

[[Bild:Op-verstaerker-a.png]]

Für die Pfeilrichtungen der Spannungen und Ströme gilt:

<math>U_e</math>: von oben nach unten

<math>I_{R3}</math>: von links nach rechts

Die Spannung am (+)Eingang ist gleich Null. Die Spannung am (-)Eingang wird durch die Spannungsquelle <math>U_e</math> und durch die im OPV befindliche und mit dem Ausgang verbundene Spannungsquelle des OPV manipuliert.

* Ist die Spannung am (-)Eingang negativ, so erhöht der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird durch die Rückführung über den Widerstand auch die Spannung am (-)Eingang positiver. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.
* Ist die Spannung am (-)Eingang positiv, so vermindert der Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird durch die Rückführung über den Widerstand auch die Spannung am (-)Eingang negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung am (-)Eingang gleich groß ist, wie die Spannung am (+)Eingang, also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-) angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang verbunden ist. Der Trick in dieser Schaltung besteht darin, dass von der Ausgangsspannung nur ein Teil wieder rückgeführt wird. Die Spannung U_e ist daher höher, als der Teil der benötigt wird, um die Spannungen an den Eingängen aneinander anzugleichen.
Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Da an (+) Massepotential anliegt, wird somit auch (-) daran angeglichen, und so liegt an <math>R_3</math> die Spannung <math>U_e</math> an. Daher gilt:
<math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}.</math>

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt <math>I_{R3}</math> über <math>R_4</math> weiter zum OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse am (-)Eingang.
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur
virtuellen Masse an (-)!)

Mit Hilfe von <math>I_{R3}=\frac{U_e}{R_3}</math> ergibt sich:

<math>U_a = -R_4 \cdot I_{R3} = -{{R_4} \over {R_3}} \cdot U_e.</math>

Die Energie für den Stromtransport über <math>R_4</math> stammt vom OPV! Sobald die Ladungen ausgehend von der Spannungsquelle <math>U_e</math> die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat <math>U_e</math> seine gesamte Energie abgegeben.

== Reale OPVs / Kennwerte ==
Abweichend vom idealen OPV besitzen reale OPVs diverse Einschränkungen und Kennwerte, die sie für verschiedene Einsätze mehr oder weniger prädestinieren.

=== Leerlaufverstärkung ===
Die Leerlaufverstärkung gibt an, wie stark sich das Ausgangssignal i.A. der Änderung eines Eingangsignals statisch ändert, bzw nach dem Einschwingen erreichen könnte, wenn es nicht durch die Betriebsgrenzen limitiert wäre.

=== Verstärkungs-Bandbreiteprodukt ===
Das Verstärkungs-Bandbreiteprodukt gibt an, bei welcher Verstärkung welche Bandbreite erreicht werden kann. Durch Rückkopplung kann die Verstärkung eingestellt werden. Bei kleinerer Verstärkung ergibt sich somit eine höhere Bandbreite, wenn das Produkt aus beiden konstant ist. Die Bandbreite bei der Verstärkung eins heißt Transitfrequenz (englisch "Unity Gain Frequency"). Das Verstärkungs-Bandbreiteprodukt ist entscheidend für das Kleinsignalverhalten.

=== Anstiegsgeschwindigkeit ===
Bestimmend für das Großsignalverhalten ist neben dem Verstärkungs-Bandbreiteprodukt die Anstiegsgeschwindigkeit (slew rate), da bei hohen Ausgangsamplituden die Ausgangskurve eventuell zu steil wird, um richtig wiedergegeben zu werden.

=== Gleichtaktverstärkung ===
Infolge des inhomogenen Aufbaus der internen Verstärkerstufen werden die beiden Eingangssignale nicht exakt gleich verstärkt, was in einen Gleichanteil und einen Differenzanteil aufgeteilt werden kann. Die nicht erwünschte Gleichtaktverstärkung bzw. ihr Gegenstück, die Gleichtaktunterdrückung (engl. ''common mode rejection ratio, CMRR'') ist dabei ein Maß für die Qualität des OPVs. Klassische (VFB) OPV haben immer ein mit der Frequenz fallendes (-20 dB/Dekade) CMRR.

=== Ein- und Ausgangsbereich ===
Wie weiter oben schon angesprochen ist die Ausgangsspannung eines OPVs begrenzt von der Versorgungsspannung und dem internen Aufbau des OPVs. Standard-OPV erreichen meist einen Ausgangsbereich, der bis circa 1-2 V an Versorgungsspannungen heran reicht, während sogenannte Rail-to-Rail (R2R) OPV sehr nah (bei niedriger Last bist auf wenige mV) an die Versorgungsspannungen herankommt. Das ist jedoch mit Abstrichen verbunden, sodass es in der Regel besser ist R2R OPV nur wenn nötig zu verwenden.

Ähnliche Beschränkungen gibt es auch für die Eingänge eines OPVs, hier werden im Wesentlichen drei Arten unterschieden:

* Klassisch: Eingangsspannung darf nur bis wenige Volt an die Versorgung herankommen.
* Ground-Sensing: Die Eingangsspannung darf bis zur negativen Versorgung heruntergehen, klassische Vertreter sind LM324/LM358.
* Rail-to-Rail Input/Output (RRIO): R2R OPV, wo sowohl Eingänge als auch Ausgänge bis an die Versorgungsspannungen reichen.

Bei klassischen Operationsverstärkern ist zu beachten, dass manche ein Verhalten namens ''phase reversal'' (Phasenumkehr) zeigen, wenn die Eingangsspannung den zulässigen Bereich überschreitet. Bei der Phasenumkehr dreht sich die Phase in der Eingangsstufe des OPVs um 180° und Rückkopplung wird zur Mitkopplung. Ein bekannter Vertreter dieser Art ist die TL06x/TL07x/TL08x Familie von OPV.

== Verstärkergrundschaltungen ==
=== Grundbeschaltung mit Berechnung ===
[[Bild:Op-verstaerker-a.png]] [[Bild:Op-verstaerker-b.png]]

In a) und b) verwenden wir den OPV als Verstärker und nutzen hier die Möglichkeit der Gegenkopplung, um definierte Verstärkungen zu erhalten. Wir gehen wieder davon aus, dass der OPV ein ideales Bauteil ist und daher seine Leerlaufverstärkung unendlich ist. Ebenso betrachten wir den Eingangswiderstand als unendlich.

In '''a)''' ist ein invertierender Verstärker mit einem OPV dargestellt. Durch die Widerstände R3 und R4 wird die Verstärkung bestimmt:

:<math>V = \frac{U_a}{U_e} = -\frac{R_4}{R_3}</math>

Das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt also die Verstärkung und somit die Ausgangsspannung:

:<math>U_a = -\frac{R_4}{R_3} \cdot U_e </math>

oder auch

:<math>U_a = V \cdot U_e</math>

Das negative Vorzeichen drückt aus, dass es sich um einen invertierenden Verstärker handelt.

Beim nichtinvertierenden Verstärker '''b)''' finden wir auch eine Rückkopplung über R6 zum invertierenden Eingang des OPVs. Die Verstärkung wird durch das Gegenkopplungsnetzwerk R6 und R7 bestimmt. Hier ist:

:<math>V = 1 + \frac{R_6}{R_7}</math>

Eine Verstärkung von 1 ist sinnvoll, wenn eingangsseitig eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand verwendet wird. Für <math>\frac{R_6}{R_7} \to 0</math> heißt die Schaltung "Spannungsfolger".

Kleinere Werte als 1 lassen sich nicht realisieren. Die Ausgangsspannung errechnet sich also so:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )</math>

Beispiel: Eine Eingangsspannung von 0,5 V soll auf den Wert 5 V verstärkt werden, es ist also eine Verstärkung V von 10 benötigt. R7 ist mit 10 kΩ vorgegeben. Also ist das Verhältnis

:<math>\frac{R_6}{R_7} = V - 1</math>

Bei einem Wert von 10 kΩ für R7 errechnet sich R6 zu

:<math>
R_6 = (V - 1) \cdot R_7
= (10 - 1) \cdot 10\,\mathrm{k\Omega}
= 90\,\mathrm{k\Omega}
</math>

Die Ausgangsspannung Ua wird also:

:<math>
U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_6}{R_7}\right )
= 0{,}5\,\mathrm{V} \cdot \left (1 + \frac{90\,\mathrm{k\Omega}}{10\,\mathrm{k\Omega}}\right)
= 5\,\mathrm{V}
</math>

=== Nichtinvertierender Verstärker mit Offset ===
Eine Abwandlung des nichtinvertierenden Verstärkers erlaubt es, einen konstanten Offset vorzugeben. D.h. von der zu verstärkenden Eingangsspannung U(e) wird eine konstante Spannung U(o) abgezogen und die Differenz verstärkt. Auf der Ausgangsspannung U(a) findet sich die Offsetspannung U(o) allerdings wieder.
[[Bild:Op-verstaerker-offset.png]]

Es gilt:

Offsetspannung:
:<math>
U_o = U_V \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}
</math>
mit U(V) = Versorgungsspannung an R1

Verstärkung:
:<math>
V = 1 + \frac{R_3}{\frac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2}}
</math>

Ausgangsspannung:
:<math>
U_a = (U_e - U_o) \cdot V + U_o
</math>

Der Vorteil dieser Schaltung ist, daß nur die Differenz verstärkt wird. Damit kann eine größere Verstärkung gewählt werden. Zu berücksichtigen ist dabei, daß die Ausgangsspannung U(a) um die Offsetspannung U(o) überlagert ist.

=== Spannungsfolger (Impedanzwandler) ===

[[Bild:Op-spannungsfolger1.png]]

Eine Abart des nichtinvertierenden Verstärkers stellt der Spannungsfolger dar. Beim nichtinvertierenden Verstärker errechnet sich die Ausgangsspannung aus:

:<math>U_a = U_e \cdot \left (1 + \frac{R_2}{R_1}\right )</math>

Wenn wir R2 auf 0Ω (mit R1 > 0) oder R1 auf unendlich (mit R2 < ∞) ändern, erhalten wir daher:

:<math>V = 1 + \frac{R_2}{R_1} = 1</math>

Ein Spannungsfolger hat also eine Verstärkung V von 1.

Umgezeichnet sieht die Schaltung so aus:

[[Bild:Op-spannungsfolger2.png]]

Was soll das nun? Wir nutzen die Eigenschaft, dass ein idealer OP einen unendlichen Eingangswiderstand und einen Ausgangswiderstand von 0Ω hat. Real sieht das natürlich anders aus: so liegt der Eingangswiderstand Re bei normalen OPs in der Größenordnung von 1MOhm bis <math>10^{15} \Omega</math>, der Ausgangswiderstand Ra im Bereich 20Ω bis 1kOhm. Deshalb spricht man bei dieser Schaltung von einem Impedanzwandler. Eine solche Schaltung kann also aus einer relativ hochohmigen Spannungsquelle eine niederohmige, durch Folgeschaltungen belastbare Spannungsquelle machen.

[[Bild:Op-spannungsfolger3.png|left]]

In dem nebenstehenden Beispiel ist eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer Referenzspannung gezeigt. Es kommt eine normale Stabilisierungsschaltung mit einer Zenerdiode zur Anwendung, die aber nicht mehr die schlechten Eigenschaften der Standardbeschaltung mit lediglich Widerstand und Zenerdiode hat. Bei einer Zenerdiode hängt die genaue Spannung davon ab, welcher Strom durch sie fliesst. Dieser Strom (und damit auch die Höhe der Zenerspannung) würde sich aber ändern, wenn ein Verbraucher die Zenerdiode direkt mit seinem Stromfluss belasten würde. Als Folge davon würde die Spannungslage der Zenerdiode je nach Verbraucher leicht schwanken. Durch den Spannungsfolger wird das verhindert, weil der jetzt den vom Verbraucher gezogenen Strom bereitstellt.

{{Clear}}

[[Bild:Op-spannungsfolger4.png|left]]

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre das hochohmige Auskoppeln einer Brückenspannung. Die Brückenschaltung selbst wird durch Folgeschaltungen nicht mehr belastet, alle anderen Eigenschaften bleiben erhalten.

{{Clear}}

=== Der Komparator ===

[[Bild:Op-komp-a.png]] [[Bild:Op-komp-b.png]]

In der einfachsten Beschaltung des Operationsverstärkers erhält man einen Komparator. Es fällt auf, dass kein Gegenkopplungsnetzwerk vorhanden ist. Der OP arbeitet daher mit seiner vollen Leerlaufverstärkung Vo. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Eingangsspannung genügt, um den OP in die Begrenzung zu treiben. Das heißt, die Ausgangsspannung Ua wird annähernd die Betriebsspannung erreichen.

Achtung: nicht jeder OP ist als Komparator verwendbar! Manche haben Schutzdioden zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang, die bei einem zu großen Spannungsunterschied das Signal kurzschließen. Ob das bei einem konkreten OP-Typ der Fall ist, findet man im Datenblatt: bei den absolute maximum ratings ist die "Differential Input Voltage" angegeben. Wenn dort nur 1 bis 2 Volt stehen, ist der OP nicht als Komparator einsetzbar.
Die sichere Alternative ist jedoch, einen speziellen Komparator-IC zu verwenden. Diese sind im Grunde auch nur OPs, aber für den Komparator-Betrieb optimiert.

Beim Komparator gibt es zwei Möglichkeiten der Beschaltung: die invertierende nach a) und die nichtinvertierende Beschaltung nach b).

'''Berechnungsbeispiel für Schaltung b)'''

Angenommen die Leerlaufverstärkung Vo von 40000 und eine Eingangsspannung von 0,1 Volt. Die Betriebsspannungen Vcc und Vee legen wir auf +/- 24 V fest. Damit ergibt sich theoretisch für Ua:

:<math>U_a = V_0 \cdot U_e = 40000 \cdot 0{,}1\,\mathrm{V} = 4000\,\mathrm{V}</math>

Das ist natürlich ein unrealistischer Wert, da Ua nicht höher sein kann als die Betriebsspannung. Also anders ausgedrückt: Bei welcher Spannung Ue erreicht der OP seine Aussteuerungsgrenze?

:<math>U_e = V_{cc} / V_0 = 24\,\mathrm{V} / 40000 = 0{,}6\,\mathrm{mV}</math>

Das bedeutet, dass eine Spannung von 0,6 mV ausreicht um den Komparator in die Begrenzung zu treiben.

Das gleiche gilt auch für den invertierenden Komparator, allerdings wird hier der OP in die negative Begrenzung gebracht.

:<math>-U_a = V_0 \cdot U_e</math>

Diese beiden einfachsten Komparatorschaltungen werden so nur sehr selten verwendet, weil sie keine Hysterese haben. D.h. es gibt nur eine Umschaltschwelle. Dadurch kann der Ausgang schwingen, wenn das Eingangssignal sehr nah an der Umschaltschwelle liegt, weil kleinste Störungen im Signal den Komparator mehrfach schalten lassen (dafür reichen wenige mV!). Ausserdem sind Operationsverstärker als Komparator relativ langsam, das liegt am inneren Aufbau. Echte Komparatoren sind deutlich schneller und sie haben auch kein Problem damit, wenn der Ausgang in die Sättigung geht. Darum beschaltet man einen OPV bzw. Komparator meistens mit Hysterese. Das nennt man dann einen [[Schmitt-Trigger]].

=== Der Addierer (Summierverstärker) ===

[[Bild:Op-addierer.png]]

Ein als invertierender Verstärker beschalteter OP lässt sich so beschalten, dass ein Summensignal aus den Eingangsspannungen gebildet wird. Um die Funktion deutlich zu machen, ist eine Betrachtung der einzelnen Ströme nötig.

In einem invertierenden Verstärker wird sich die Ausgangsspannung immer so einstellen, dass der invertierende Eingang Massepotential hat. Die virtuelle Masse (VM) unterscheidet sich von einer "normalen" Masse dadurch, dass das Potential durch einen Regelungsvorgang zustande kommt.
An der virtuellen Masse (VM) gilt die Knotenpunktregel, wonach die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist.

:<math>I_1 + I_2 = -I_3</math>

Sofern <math>U_{e1}</math> und <math>U_{e2}</math> bekannt sind, lässt sich die Gleichung umformen in:

:<math>\frac{U_{e1}}{R_1} + \frac{U_{e2}}{R_2} = -\frac{U_a}{R_3}</math>

Nach Ua aufgelöst ergibt sich:

:<math>-U_a = \left (U_{e1} \cdot \frac{R_3}{R_1}\right ) + \left (U_{e2} \cdot \frac{R_3}{R_2}\right ) + ... + \left (U_{en} \cdot \frac{R_3}{R_n}\right )</math>

Einen Sonderfall gibt es, wenn die Widerstände R1 und R2 gleich sind. Dann gilt

:<math>R_1 = R_2 = R_x</math>

und damit

:<math>-U_a = \frac{R_3}{R_x} \cdot (U_{e1} + U_{e2})</math>.

=== Der Subtrahierer (Differenzverstärker) ===

[[Bild:Op-subtrahierer.png]]

Ein Subtrahierer ist die Zusammenschaltung eines invertierenden und eines nichtinvertierenden Verstärkers. Schliessen wir Punkt Ue1 nach Masse kurz und steuern Ue2 an, arbeitet die Schaltung als nichtinvertierender Verstärker. Wird Ue2 nach Masse verbunden und Ue1 angesteuert, verhält sich die Schaltung als invertierender Verstärker (R7 vorerst nicht beachten).

Für den 1. Fall (nichtinvertierender Verstärker) gilt:

:Ua = Ue2 (1 + R6\R4 )

Für den 2. Fall (invertierender Verstärker) gilt:

:Ua = -Ue1 R6\R4

Der dritte Fall ist die Ansteuerung beider Eingänge:

:Ua = -Ue1 R6\R4 + Ue2 (1 + R6\R4 )

Diese Schaltung ist gut für eine Erklärung, praktisch aber taugt sie nichts. Denn liegen an den Eingängen gleiche Spannungen an, ist die Ausgangsspannung nicht 0, wie eigentlich zu vermuten wäre. Deshalb ändern wir die Schaltung und fügen R7 ein. Jetzt stellt sich am Punkt + des OPs die Spannung

:Ue2+ = Ue2 R7\(R5 + R7)

ein. Wenn wir das berücksichtigen, erhalten wir endlich einen richtigen Subtrahierer:

:Ua = Ue2 (1 + R6\R4 ) R7\(R5 + R7) - R6\R4 Ue1

Dies gilt für alle Subtrahierer, obwohl es natürlich auch hier wieder zwei Sonderfälle gibt; nämlich a) wenn alle Gegenkopplungswiderstände gleich sind:

:R6 = R7 = R4 = R5

dann ist

:Ua = Ue2 - Ue1

oder b) wenn die Widerstandsverhältnisse gleich sind :

:R6\R4 = R7\R5

Dann ergibt sich für Ua:

:Ua = (Ue2 R7\R5 ) - (Ue1 R6\R4 )

oder noch einfacher:

:Ua = (Ue2 -Ue1) R6\R4

=== Addierer/Subtrahierer mit unterschiedlichen Faktoren ===
Legt man nicht den + sondern den - Eingang des Operationsverstärkers als Bezugspunkt zur Masse mit einem Widerstand fest, übernimmt der Vorwiderstand vom - Eingang, R4 die Aufgabe von R5.

[[Bild:Op-addsub.png]]

Hier die Schaltung die addieren und subtrahieren kann, mit unterschiedlichen Faktoren.
Sie kann verwendet werden für Aufgaben wie: Gesucht ist eine Schaltung, die aus 0...2.56 V eine Spannung von -10V...10V macht. Für dieses Beispiel wird hier die Dimensionierung durchgeführt:

{| class="wikitable" style="text-align: left"
|<math>U_{e1} = 5\,\mathrm{V}</math>
|Einfach festgelegt, muss nur ein positiver Wert sein
|-
|<math>R_6 = 200\,\mathrm{k\Omega}</math>
|Einfach festgelegt, könnte auch 100k oder 500k sein
|-
|<math>U_{e2i} = 0\,\mathrm{V},\, U_{ai} = -10\,\mathrm{V}</math>
|gewählter momentaner ''Zustand 1'', Ue2 = 0V ist günstig für Berechnung, Ua ist die dazupassende Ausgangsspannung
|-
|<math>U_{e2ii} = 2{,}56\,\mathrm{V},\, U_{aii} = 10\,\mathrm{V}</math>
|gewählter beliebiger ''Zustand 2''
|-
|<math>U_m = U_{e2}</math>
|Gleichgewicht am Eingang
|-
|<math>I_a + I_b = I_c</math>
|In den Eingang fließt "kein" Strom
|-
|<math>\frac{U_a-U_{e2}}{R_6} + \frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_4} = \frac{U_{e2}}{R_c}</math>
|Gleichung mit den Unbekannten R4 und Rc
|-
|<math>\frac{U_{ai}-U_{e2i}}{R_6} + \frac{U_{e1}-U_{e2i}}{R_4} = \frac{U_{e2i}}{R_c}</math>
|Variablen für ''Zustand 1'' eingesetzt, bildet 1. Gleichung
|-
|<math>\frac{U_{aii}-U_{e2ii}}{R_6} + \frac{U_{e1}-U_{e2ii}}{R_4} = \frac{U_{e2ii}}{R_c}</math>
|Variablen für ''Zustand 2'' eingesetzt, bildet 2. Gleichung
|-
|<math>R_4=-\frac{R_6\cdot U_{e1}}{U_{ai}}</math>
|2 Gleichungen mit 2 Unbekannten, Lösung durch Umformen der 1. Gleichung nach R4 und einsetzen von Ue2i=0 (freundlicherweise fällt die 2. Unbekannte dabei raus)
|-
|<math>R_4 = 100\,\mathrm{k\Omega}</math>
|restliche Werte eingesetzt
|-
|<math>R_c=\frac{R_6\cdot U_{e1}\cdot U_{e2ii}}{U_{aii}\cdot U_{e1}-U_{ai}\cdot (U_{e1}-U_{e2ii})-U_{e1}\cdot U_{e2ii}}</math>
|Ergebnis für R4 in die 2. Gleichung einsetzen und Umformen nach Rc
|-
|<math>R_c = 41{,}6\,\mathrm{k\Omega}</math>
|Werte eingesetzt
|}

=== Der Instrumenten-Verstärker ===

[[Bild:Instrument.png]]

Ein Nachteil des Subtrahierers ist sein geringer Eingangswiderstand. Um den nahezu unendlichen Eingangswiderstand des verwendeten Operationsverstärkers zu erreichen, kann man einfach vor beide Eingänge je einen Impedanzwandler vorschalten.
Die hier beschriebene Schaltung ist um drei Widerstände erweitert und ermöglicht die Einstellung der Differenz-Verstärkung über nur einen Widerstand, nämlich R2.

Am invertierenden Eingang von IC1A gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a1}-U_{e1}}{R_1}-\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Am invertierenden Eingang von IC1C gilt (Knotenregel):

:<math>\frac{U_{a2}-U_{e2}}{R_1}+\frac{U_{e1}-U_{e2}}{R_2}=0</math>

Subtrahiert man die beiden Gleichungen voneinander, erhält man:

:<math>U_{a2}-U_{a1}=(U_{e2}-U_{e1})\cdot\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Letztere Differenz ist die Eingangsspannung eines normalen Subtrahierers mit der Verstärkung 1.

Also ergibt sich als Ausgangsspannung:

:<math>U_a=(U_{e2}-U_{e1}) \cdot \left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2}\right )</math>

Die Differenzverstärkung beträgt demnach:

:<math>V=\left (1+\frac{2\cdot R_1}{R_2} \right )</math>

Anwendung: Auswertung von Brückenschaltungen, wie Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen, die durch den Eingangswiderstand der Messschaltung nicht belastet werden dürfen. 
Instrumenten-Verstärker kann man auch fertig kaufen. Im INA102 ist die komplette Schaltung integriert. Für R2 sind 3 verschiedene Werte eingebaut, die bei passender Verschaltung eine Verstärkung von 1, 10, 100 oder 1000 ermöglichen.

Da die Gleichtaktunterdrückung hauptsächlich von der Übereinstimmung der Widerstände abhängt, sind für viele Standardanwendungen, insbesondere solche mit niedriger erforderlicher Bandbreite, integrierte Instrumentenverstärker zu bevorzugen.

=== Der Multiplizierer (Mischer) ===

=== Der Potentialdifferenzverstärker ===

[[Datei:Potentialdifferenzverstärker.png|400px]]

Der Potentialdifferenzverstärker ist eine OPV-Schaltung zum gewichteten Addieren und Subtrahieren beliebiger Spannungen.

Falls die Bedingung
<math>
\sum\frac{R_{0}}{R_{i}}=\sum\frac{R_{0}^{'}}{R_{i}^{'}}
</math>
erfüllt ist, vereinfacht sich der Term für die Ausgangsspannung zu folgendem Term:

<math>
U_{a}=\sum\frac{R_{0}^{'}}{R_{i}^{'}}U_{i}^{'}-\sum\frac{R_{0}}{R_{i}}U_{i}
</math>

=== Der Logarithmierer ===
Logarithmierer werden mit der Kennlinie einer Diode konstruiert, die einen eingeprägten Strom in eine Spannung übersetzt.

= Spannungsversorgung und Beschaltung =

== Betrieb mit einfacher Versorgungsspannung ==

Häufig möchte man eine Wechselspannung wie z.B. ein Audiosignal, das auch negative Spannungen enthält, mit einem Opamp verstärken, hat aber nur eine einfache, in Bezug zu Masse positive Versorgungsspannung zur Verfügung. Dafür bieten sich folgende Schaltungen an, die in der Literatur leider häufig vernachlässigt werden.

Durch die Kondensatoren können die Operationsverstärker in geeigneten Arbeitspunkten betrieben werden, obwohl die Eingangs- und Ausgangsspannungen echte Wechselspannungen sind. Nachteil ist die Hochpasswirkung der Kondensatoren in Verbindung mit den verwendeten Widerständen. Die Grenzfrequenz der Hochpässe muss tief genung gewählt werden, um den gewünschten Frequenzbereich verstärken zu können. Zur Verstärkung von Gleichspannungen (z.B. aus Temperatursensoren) sind diese Schaltungen nicht geeignet.

=== Nichtinvertierender Verstärker ===

[[Bild: Ss_opamp1.png]]

Der positive Eingang wird mit einem Spannungsteiler (R3 und R5) auf die halbe Betriebsspannung gelegt. Dieser Spannung wird dann die zu verstärkende Eingangswechselspannung überlagert. Mit den Kondensatoren am Eingang (C1) und Ausgang (C2) wird der Gleichspannungsanteil abgekoppelt.

Die Verstärkung hat in diesem Beispiel für Wechselspannung den Wert 11 (Formel wie oben), für Gleichspannung aber den Wert 1, da C4 für Gleichspannung einen unendlichen Widerstand darstellt. C3 sollte dorthin führen, wo das Eingangssignal seinen Bezugspunkt hat, also die Abschirmung der Cinch-Buchse, während R5 dorthin führt, von wo der Operationsverstärker seine negative Versorgungsspannung bekommt, falls das nicht die gleichen Potentiale, hier GND, sein sollten.

=== Invertierender Verstärker ===

Das Prinzip funktioniert analog auch für die invertierende Beschaltung:

[[Bild: Ss_opamp2.png]]

== Betrieb mit negativer Hilfsspannung ==

Alternativ lässt sich auch eine negative Hilfsspannung erzeugen. Damit bekommt der Operationsverstärker seine "Plus-Minus"-Versorgung, und er kann Wechselspannungen um das Ground-Potential herum problemlos verstärken.

Die negative Hilfsspannung erzeugt man zweckmässigerweise mit einer Ladungspumpe. Dazu bieten sich zwei Möglichkeiten an:

* einen speziellen IC nach der Art eines ICL 7660
* eine Rechteckspannung auf einen Spannungsverdoppler geben. Dieser besteht aus 2 Dioden und 2 Kondensatoren. Die Konfiguration sollte natürlich so sein, dass eine negative Hilfsspannung erzeugt wird. Schaltbeispiele gibt's im Netz. Als Rechteckspannung kann ein unbenutzter PWM-Ausgang dienen, der mit 50% Tastverhältnis läuft.

Ein Ripple auf der negativen Hilfsspannung wird von modernen Operationsverstärkern wirkungsvoll unterdrückt. Die PSRR (power supply rejection ratio) weist oft Werte um 120 dB auf (bei 120 Hz, darüber fällt sie meist mit 20 dB/Dekade).

Siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungspumpe#Negative_Ausgangsspannungen

= Kaufempfehlung =
LM358 2 OPs in einem Gehäuse oder
LM324 4 OPs in einem Gehäuse

MCP6001/6004 CMOS OPs mit Rail to Rail Input und Output, tiefem Stromverbrauch, und geringer Versorgungsspannung

Preis jeweils ca. 0,30€ aus Deutschland oder ca. 2 bis 4 cent aus China (AliExpress, ebay, …).

Siehe auch [[Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker|Standardbauelemente - Operationsverstärker]].

Wer Audio OpAmps sucht - tangentsoft.net hat mal welche unter die Lupe genommen: [http://www.tangentsoft.net/audio/opamps.html Notes on Audio OpAmps]

= Weblinks =
*[http://www.ti.com/ww/en/bobpease/assets/AN-31.pdf] - National Semiconductor Application Note 31 mit vielen weiteren OP-Schaltungen
*[https://e2echina.ti.com/cfs-file/__key/telligent-evolution-components-attachments/00-52-01-00-00-04-59-46/OP-amp-for-everyone.pdf Op Amps for Everyone] - englischsprachiges, sehr umfangreiches Dokument zu OPV und deren Anwendung (464 Seiten) 
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm Operationsverstärker im ElKo]
*[http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7a.pdf OP Teil 1], [http://www.inf.fu-berlin.de/lehre/WS00/peg/folien/Peg_v7b.pdf OP Teil 2] - OP-Schaltungen (deutsch)
* [http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker RN-Wissen Operationsverstärker]
* [http://www.national.com/AU/design/0,4706,268_0_,00.html Online Seminar] von National Semiconductor
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin/grundlagen-und-ausbildung/operationsverstaerker/der-operationsverstaerker ELO-Online-Magazin, Franzis-Verlag], [http://www.franzis.de/online-shop/elektronik/lernpakete-elektronik/lernpaket-elektronik-mit-ics Lernpaket Elektronik mit ICs] "Elektronische Experimente mit integriertem Schaltkreis", Kasten mit Steckbrett/Bauelementen (ca. 40EUR),
* [[Schmitt-Trigger]]
* [[Aktiver RC-Bandpass|Aktiver RC-Bandpass auf Operationsverstärker-Basis]]
* [http://sound.whsites.net/appnotes/an001.htm Präzisionsgleichrichter], engl.
* [https://web.archive.org/web/20130828131053/http://elektronikwissen.net/opamp/9-opamp-wissen.html OpAmp Praxis], Praktikertipps + schwingende Operationsverstärker in den Griff bekommen 
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_multiplier Frequenzvervielfacher]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Bauteile]]
* [https://play.google.com/store/apps/details?id=com.wdcreative.elektropro ElektroEasy-App (Automatische Berechnung von OPs)]
* [http://www.elektronikinfo.de/strom/operationsverstaerker.htm Grundlagen Operationsverstärker]
* [http://www.elektronikinfo.de/strom/op_rauschen.htm Rauschverhalten von OpAmps]

STM32 CooCox Installation

2017-02-06T21:49:24Z

Hegy: Vorabinfo zugefügt

Dieser Artikel beschreibt, wie man CooCox unter Windows installiert und für den Prozessor STM32 einrichtet, so dass ein Debuggen möglich ist.

'''Vorab:''' Die letzte brauchbare Version von CooCox ist die Version 1.7.8. Die Nachfolgeversion V2 Beta ist nicht zu gebrauchen und lt. [https://www.mikrocontroller.net/topic/417275#4872635 Forumsbeitrag] ist damit auch das Ende von CooCox gekommen. Auch die [http://www.coocox.org/ Homepage] ist offline und dementsprechend sind unten genannte Links offline.

= Installation von CooCox unter Windows=

Zunächst müssen ein paar Programme, Tools und Bibliotheken aus dem Internet geladen und installiert werden. Zudem ist es von Vorteil wenn man bereits ein STM32F4DISCOVERY Board besitzt, denn das gezeigte Demo-Blink LED Programm nutzt dieses Board. Es kann natürlich auch jedes andere Board genutzt werden, das einen STM32F2xx oder STM32F4xx Prozessor beinhaltet.

Die ersten Downloads - die IDE sowie der GCC Compiler:

* [http://www.coocox.org/download/Tools/CoIDE-1.7.7.exe 1. CooCox CoIDE 1.7.7] laden (Die V2Beta-Version unterstützt weniger µCs als V1.7.7)
* [https://launchpad.net/gcc-arm-embedded/+download 2. GCC Toolchain] (In diesem Beispiel "gcc-arm-none-eabi-4_8-2013q4-20131204-win32.zip", das ZIP Archiv, nicht die EXE)

Die Installation der CoIDE nach z.B. C:\CooCox ausführen.

Den Ordner C:\CooCox\CoIDE\gcc-arm-none-eabi-4.8 anlegen und die Dateien aus dem zweiten Download dort hinein entpacken. (Das ZIP reicht, da GCC weder Einträge in Systemverzeichnisse noch Registry benötigt.)

Nun muss der GCC Compiler in die CoIDE eingebunden werden. Das ist gut in der Doku von CooCox beschrieben: [http://www.coocox.org/book/coocox/coide-dev-manual/1-Quickstart/1.2-Compiler-Setting "Select Toolchain Path"]

= Das erste Projekt =

Hierbei hilft der [http://www.coocox.org/book/coocox/coide-dev-manual/1-Quickstart/1.1-CoIDE-Quickstart Quickstart-Guide] von CooCox ebenfalls weiter.

* Auswahl "ST"
* Auswahl STM32F407VG (der Prozessor vom STM32F4DISCOVERY Board)
* Auswahl der Peripheriefunktionen, für das BlinkLED wird nur GPIO benötigt
* Frage: "Do you want create a new project now?" mit Yes beantworten
* Projektname: "BlinkLED" eingeben
* Nun hat die CoIDE bereits ein Projekt angelegt und noch weitere Häkchen automatisch gesetzt

[[Datei:CooCox_STM32_Start.png]]

= Einstellung der Konfiguration=

In der Konfigurations-Ansicht werden erst mal keine Änderungen vorgenommen. Da per Default als Debugger schon der Adapter ST-Link eingetragen ist.

[[Datei:CooCox_STM32_Config1.png]]

[[Datei:CooCox_STM32_Config2.png]]

= Die Programmierung=

Im linken Baum sind nun einige Dateien enthalten. Die wichtigste ist wohl die "stm32f4xx.h", denn darin sind alle Deklarationen der Prozessor Peripherieregister. Diese Datei ist mehrere 1000 Zeilen groß. Die Bezeichnungen stimmen mit der Dokumentation von ST überein. CoIDE kann diese Datei jedoch nicht komplett darstellen, da nach der Installation nur 5000 Codezeilen berücksichtigt werden und diesen Parameter muss man ändern: Menü "Edit" > "Preferences":

[[Datei:CooCox_STM32_Preferences.png]]

Das eigene Programm beginnt in der Datei "main.c". Diese wird mit Doppelklick geöffnet und es erscheint eine leere main() Routine, mit einer Endlos-While-Schleife. Nach dem Start vom Prozessor wird CooCox diesen schon automatisch initialisieren (Variablen) und anschließend wird in main() gesprungen, ab da ist man selbst für alles weitere was geschieht verantwortlich.

[[Datei:CooCox_STM32_Prog1.png]]

Das Programm:

Wir wollen auf dem Discovery Board nun LEDs blinken lassen, in der der Doku vom Discovery Board sieht man wo die 4 LEDs angeschlossen sind: an PortD 12..15

Zu erst muss die Datei "stm32F4xx.h" in main.c mit eingebunden werden, damit man Zugriff auf die Peripheriefunktionen hat.

Anschließend wird der Takt für Port D aktiviert und erst danach (ganz wichtig!) wird der Port initialisiert. Solange die Peripherieeinheit keinen Takt hat verhält sie sich so, als wenn sie nicht existent wäre.

In der while(1) Scheife werden die LEDs gelöscht und nacheinander wieder gesetzt. Da der Prozessor mit gefühlter Lichtgeschwindigkeit das machen würde muss die Ausgabe mit einem Delay() verzögert werden.

Der Code:
<syntaxhighlight lang="c">
// Demo Blink-LED für STM32F4xx mit einem STM32F4DISCOVERY Board
// (c) 2013, Markus Müller
// Dieser Code darf frei verwendet, modifiziert und kopiert werden. Benutzung auf eigene Gefahr.
#include "stm32f4xx.h" // Deklaration der Peripheriefunktionen

void Delay(long i);

// Haupt-Programmschleife
int main(void)
{

RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIODEN; // Clock für Port D aktivieren

GPIOD->MODER = 0x55000000; // Pin 12..15 als Ausgang deklarieren

while(1) // Endlos SChleife
{
GPIOD->BSRRH = 0xF000; // Alle LEDs aus
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x1000; // LED 1 ein
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x2000; // LED 2 ein
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x4000; // LED 3 ein
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x8000; // LED 4 ein
Delay(1000000);
}
}

// Delay für Verzögerungen
void Delay(long i)
{
volatile long iZ = i;
while (iZ--);
}
</syntaxhighlight>

Nun kann das Programm mit der Taste "Build" (F7) übersetzt werden. Es öffnet sich unten ein Console-Fenster und wenn alles richtigt abgetippt wurde erscheint "BUILD SUCCESSFUL". Ab nun ist das geschriebene Programm übersetzt in ein Binärformat das in den Prozessor geladen werden kann.

=== Das Demo-Projekt===

[[Media: BlinkLED_CooCox.zip | Hier kann das Demo-Projekt geladen werden.]]

= Einspielen in das Board=

== Den ST-LINK zum ersten mal benutzen ==

Zu erst einmal muss das Board STM32F4DISCOVERY mit dem PC verbunden werden. Dazu nimmt man ein USB Kabel Mini-USB Stecker steckt das im Stecker "CN1" der Platine ein. Der Stecker ist der Anschluss vom ST-LINK, also dem Debugger vom STM32F407 Chip. Vor dem ersten einstecken muss zu nächst ein USB Treiber installiert werden. Da der ST-LINK von ST kommt muss auch von deren Homepage der Treiber erst geladen werden:

* [http://www.st.com/web/catalog/tools/FM146/CL1984/SC724/SS1677/PF251168 3. ST-LINK/V2 Utility] > STSW-LINK004 (Version 3.2.1)

Dieses Setup wird am besten nach "C:\CooCox\STM32 ST-LINK Utility" installiert, dann ist alles was CooCox benötigt in einem Ordner.

Nun kann das DISCOVERY Board eingesteckt werden, es wird automatisch der Gerätetreiber für den ST-LINK installiert. Wenn man doch schon vorher das Board einmal eingesteckt hatte, so installiert das doofe Windows einen NULL-Treiber den man im Gerätemanager (beim eingestecktem Discovery-Board) wieder löschen muss.

Nun sollte man auf dem Discovery Board den ST-LINK erst einmal updaten, da er vermutlich eine alte Firmware hat: "C:\CooCox\STM32 ST-LINK Utility\ST-LINK Utility\ST-LinkUpgrade.exe" erledigt das. "Device Connect" findet den ST-LINK und "YES >>>>" macht einen Upgrade.

== Jetzt geht's los==

Das STM32F4DISCOVERY Board ist eingesteckt, und somit hat auch die Ziel-CPU eine Stromversorgung.

In CoIDE wird nun die Debug-Sitzung mit Ctrl+F5 gestartet. Damit wird CoIDE automatisch das Projekt übersetzen und mittels J-LINK in die CPU laden und startet die CPU. Ein Breakpoint ist beim main() gesetzt die CPU (CoIDE) wartet auf weitere Befehle vom Anwender.

Die Taste "Run" (F5) startet anschließend das Programm.

Nun müssten die LED's nacheinander aufleuchten und wieder alle aus gehen.

Mit "Pause" (F9) kann man ein programm jederzeit anhalten. Dabei zeigt CoIDE automatisch die Programmposition. Mit dem Fahren der Maus über Variablen wird deren Inhalt gezeigt. "Run" (F5) führt die Bearbeitung fort.

Jederzeit kann man mittels Doppelklick am linken Editor-Rand einen Breakpoint setzen. Sobald die CPU an der Programmposition vorbei kommt bleibt diese stehen und dies wird in CoIDE gezeigt. Mit F10/F11 kann man in Einzelschritten weiter steppen.

[[Datei:CooCox_STM32_Prog2.png|thumb|left]]

= Clock auf 168MHz einstellen =

Nun da das erste BlinkLED läuft ist der erste Schritt getan und ohne Takt Initialisierung läuft der STM32F4xx mit dem HSI 16MHz (interner RC-Oszillator). Mit Aufruf der Funktion "SystemInit();" aus der ST Library wird:
* HSE aktivieren (externer Quarz)
* PLL aktivieren
Da ST jedoch nicht weiß welcher Quarz am Borad angeschlossen ist, so ist in der Datei "system_stm32f4xx.c" der Quarz auf 25MHz voreingestellt. Diese Einstellung muss man ändern indem man die Datei "system_stm32f4xx.c" öffnet und das "#define PLL_M" auf die richtige Quarzfrequenz einstellt. Beispiel:
* PLL_M 25 << Quarz mit 25MHz
* PLL_M 8 << Quarz mit 8MHz
In der Datei "main.c" wird nun noch die h-Datei mit eingebunden:
 
<syntaxhighlight lang="c">#include "system_stm32f4xx.h"</syntaxhighlight>
Und zu Anfang in der Routine main() der Aufruf
 
<syntaxhighlight lang="c">SystemInit();</syntaxhighlight>
mit hinzugefügt. Nun sollte das Blink-LED Demo in etwa der 10-Fachen Geschwindigkeit laufen.

Damit die anderen ST-Lib Funktionen korrekt funktionieren muss in "stm32f4xx.h" folgenden Wert auf den Quarz geändert werden (Eingabe in Hz):

<syntaxhighlight lang="c">#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000)</syntaxhighlight>

= Weblinks, Foren, Communities =
* Artikel [[STM32]]
* Artikel [[STM32 Eclipse Installation]]
* [http://mikrocontroller.bplaced.net/wordpress/?page_id=2708 CoIDE und STM32F429]

<references/>
[[Kategorie:ARM]]
[[Kategorie:STM32]]

STM32 CooCox Installation

2016-09-19T20:39:53Z

Hegy: Link geupdated

Dieser Artikel beschreibt, wie man CooCox unter Windows installiert und für den Prozessor STM32 einrichtet, so dass ein Debuggen möglich ist.

= Installation von CooCox unter Windows=

Zunächst müssen ein paar Programme, Tools und Bibliotheken aus dem Internet geladen und installiert werden. Zudem ist es von Vorteil wenn man bereits ein STM32F4DISCOVERY Board besitzt, denn das gezeigte Demo-Blink LED Programm nutzt dieses Board. Es kann natürlich auch jedes andere Board genutzt werden, das einen STM32F2xx oder STM32F4xx Prozessor beinhaltet.

Die ersten Downloads - die IDE sowie der GCC Compiler:

* [http://www.coocox.org/download/Tools/CoIDE-1.7.7.exe 1. CooCox CoIDE 1.7.7] laden (Die V2Beta-Version unterstützt weniger µCs als V1.7.7)
* [https://launchpad.net/gcc-arm-embedded/+download 2. GCC Toolchain] (In diesem Beispiel "gcc-arm-none-eabi-4_8-2013q4-20131204-win32.zip", das ZIP Archiv, nicht die EXE)

Die Installation der CoIDE nach z.B. C:\CooCox ausführen.

Den Ordner C:\CooCox\CoIDE\gcc-arm-none-eabi-4.8 anlegen und die Dateien aus dem zweiten Download dort hinein entpacken. (Das ZIP reicht, da GCC weder Einträge in Systemverzeichnisse noch Registry benötigt.)

Nun muss der GCC Compiler in die CoIDE eingebunden werden. Das ist gut in der Doku von CooCox beschrieben: [http://www.coocox.org/book/coocox/coide-dev-manual/1-Quickstart/1.2-Compiler-Setting "Select Toolchain Path"]

= Das erste Projekt =

Hierbei hilft der [http://www.coocox.org/book/coocox/coide-dev-manual/1-Quickstart/1.1-CoIDE-Quickstart Quickstart-Guide] von CooCox ebenfalls weiter.

* Auswahl "ST"
* Auswahl STM32F407VG (der Prozessor vom STM32F4DISCOVERY Board)
* Auswahl der Peripheriefunktionen, für das BlinkLED wird nur GPIO benötigt
* Frage: "Do you want create a new project now?" mit Yes beantworten
* Projektname: "BlinkLED" eingeben
* Nun hat die CoIDE bereits ein Projekt angelegt und noch weitere Häkchen automatisch gesetzt

[[Datei:CooCox_STM32_Start.png]]

= Einstellung der Konfiguration=

In der Konfigurations-Ansicht werden erst mal keine Änderungen vorgenommen. Da per Default als Debugger schon der Adapter ST-Link eingetragen ist.

[[Datei:CooCox_STM32_Config1.png]]

[[Datei:CooCox_STM32_Config2.png]]

= Die Programmierung=

Im linken Baum sind nun einige Dateien enthalten. Die wichtigste ist wohl die "stm32f4xx.h", denn darin sind alle Deklarationen der Prozessor Peripherieregister. Diese Datei ist mehrere 1000 Zeilen groß. Die Bezeichnungen stimmen mit der Dokumentation von ST überein. CoIDE kann diese Datei jedoch nicht komplett darstellen, da nach der Installation nur 5000 Codezeilen berücksichtigt werden und diesen Parameter muss man ändern: Menü "Edit" > "Preferences":

[[Datei:CooCox_STM32_Preferences.png]]

Das eigene Programm beginnt in der Datei "main.c". Diese wird mit Doppelklick geöffnet und es erscheint eine leere main() Routine, mit einer Endlos-While-Schleife. Nach dem Start vom Prozessor wird CooCox diesen schon automatisch initialisieren (Variablen) und anschließend wird in main() gesprungen, ab da ist man selbst für alles weitere was geschieht verantwortlich.

[[Datei:CooCox_STM32_Prog1.png]]

Das Programm:

Wir wollen auf dem Discovery Board nun LED's blinken lassen, in der der Doku vom Discovery Board sieht man wo die 4 LED's angeschlossen sind: an PortD 12..15

Zu erst muss die Datei "stm32F4xx.h" in main.c mit eingebunden werden, damit man Zugriff auf die Peripheriefunktionen hat.

Anschließend wird der Takt für Port D aktiviert und erst danach (ganz wichtig!) wird der Port initialisiert. Solange die Peripherieeinheit keinen Takt hat verhält sie sich so, als wenn sie nicht existent wäre.

In der while(1) Scheife werden die LED's gelöscht und nacheinander wieder gesetzt. Da der Prozessor mit gefühlter Lichtgeschwindigkeit das machen würde muss die Ausgabe mit einem Delay() verzögert werden.

Der Code:
<syntaxhighlight lang="c">
// Demo Blink-LED für STM32F4xx mit einem STM32F4DISCOVERY Board
// (c) 2013, Markus Müller
// Dieser Code darf frei verwendet, modifiziert und kopiert werden. Benutzung auf eigene Gefahr.
#include "stm32f4xx.h" // Deklaration der Peripheriefunktionen

void Delay(long i);

// Haupt-Programmschleife
int main(void)
{

RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIODEN; // Clock für Port D aktivieren

GPIOD->MODER = 0x55000000; // Pin 12..15 als Ausgang deklarieren

while(1) // Endlos SChleife
{
GPIOD->BSRRH = 0xF000; // Alle LED's aus
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x1000; // LED 1 ein
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x2000; // LED 2 ein
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x4000; // LED 3 ein
Delay(1000000);
GPIOD->BSRRL = 0x8000; // LED 4 ein
Delay(1000000);
}
}

// Delay für Verzögerungen
void Delay(long i)
{
volatile long iZ = i;
while (iZ--);
}
</syntaxhighlight>

Nun kann das Programm mit der Taste "Build" (F7) übersetzt werden. Es öffnet sich unten ein Console-Fenster und wenn alles richtigt abgetippt wurde erscheint "BUILD SUCCESSFUL". Ab nun ist das geschriebene Programm übersetzt in ein Binärformat das in den Prozessor geladen werden kann.

=== Das Demo-Projekt===

[[Media: BlinkLED_CooCox.zip | Hier kann das Demo-Projekt geladen werden.]]

= Einspielen in das Board=

== Den ST-LINK zum ersten mal benutzen ==

Zu erst einmal muss das Board STM32F4DISCOVERY mit dem PC verbunden werden. Dazu nimmt man ein USB Kabel Mini-USB Stecker steckt das im Stecker "CN1" der Platine ein. Der Stecker ist der Anschluss vom ST-LINK, also dem Debugger vom STM32F407 Chip. Vor dem ersten einstecken muss zu nächst ein USB Treiber installiert werden. Da der ST-LINK von ST kommt muss auch von deren Homepage der Treiber erst geladen werden:

* [http://www.st.com/web/catalog/tools/FM146/CL1984/SC724/SS1677/PF251168 3. ST-LINK/V2 Utility] > STSW-LINK004 (Version 3.2.1)

Dieses Setup wird am besten nach "C:\CooCox\STM32 ST-LINK Utility" installiert, dann ist alles was CooCox benötigt in einem Ordner.

Nun kann das DISCOVERY Board eingesteckt werden, es wird automatisch der Gerätetreiber für den ST-LINK installiert. Wenn man doch schon vorher das Board einmal eingesteckt hatte, so installiert das doofe Windows einen NULL-Treiber den man im Gerätemanager (beim eingestecktem Discovery-Board) wieder löschen muss.

Nun sollte man auf dem Discovery Board den ST-LINK erst einmal updaten, da er vermutlich eine alte Firmware hat: "C:\CooCox\STM32 ST-LINK Utility\ST-LINK Utility\ST-LinkUpgrade.exe" erledigt das. "Device Connect" findet den ST-LINK und "YES >>>>" macht einen Upgrade.

== Jetzt geht's los==

Das STM32F4DISCOVERY Board ist eingesteckt, und somit hat auch die Ziel-CPU eine Stromversorgung.

In CoIDE wird nun die Debug-Sitzung mit Ctrl+F5 gestartet. Damit wird CoIDE automatisch das Projekt übersetzen und mittels J-LINK in die CPU laden und startet die CPU. Ein Breakpoint ist beim main() gesetzt die CPU (CoIDE) wartet auf weitere Befehle vom Anwender.

Die Taste "Run" (F5) startet anschließend das Programm.

Nun müssten die LED's nacheinander aufleuchten und wieder alle aus gehen.

Mit "Pause" (F9) kann man ein programm jederzeit anhalten. Dabei zeigt CoIDE automatisch die Programmposition. Mit dem Fahren der Maus über Variablen wird deren Inhalt gezeigt. "Run" (F5) führt die Bearbeitung fort.

Jederzeit kann man mittels Doppelklick am linken Editor-Rand einen Breakpoint setzen. Sobald die CPU an der Programmposition vorbei kommt bleibt diese stehen und dies wird in CoIDE gezeigt. Mit F10/F11 kann man in Einzelschritten weiter steppen.

[[Datei:CooCox_STM32_Prog2.png|thumb|left]]

= Clock auf 168MHz einstellen =

Nun da das erste BlinkLED läuft ist der erste Schritt getan und ohne Takt Initialisierung läuft der STM32F4xx mit dem HSI 16MHz (interner RC-Oszillator). Mit Aufruf der Funktion "SystemInit();" aus der ST Library wird:
* HSE aktivieren (externer Quarz)
* PLL aktivieren
Da ST jedoch nicht weiß welcher Quarz am Borad angeschlossen ist, so ist in der Datei "system_stm32f4xx.c" der Quarz auf 25MHz voreingestellt. Diese Einstellung muss man ändern indem man die Datei "system_stm32f4xx.c" öffnet und das "#define PLL_M" auf die richtige Quarzfrequenz einstellt. Beispiel:
* PLL_M 25 << Quarz mit 25MHz
* PLL_M 8 << Quarz mit 8MHz
In der Datei "main.c" wird nun noch die h-Datei mit eingebunden:
 
<syntaxhighlight lang="c">#include "system_stm32f4xx.h"</syntaxhighlight>
Und zu Anfang in der Routine main() der Aufruf
 
<syntaxhighlight lang="c">SystemInit();</syntaxhighlight>
mit hinzugefügt. Nun sollte das Blink-LED Demo in etwa der 10-Fachen Geschwindigkeit laufen.

Damit die anderen ST-Lib Funktionen korrekt funktionieren muss in "stm32f4xx.h" folgenden Wert auf den Quarz geändert werden (Eingabe in Hz):

<syntaxhighlight lang="c">#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000)</syntaxhighlight>

= Weblinks, Foren, Communities =
* Artikel [[STM32]]
* Artikel [[STM32 Eclipse Installation]]
* [http://mikrocontroller.bplaced.net/wordpress/?page_id=2708 CoIDE und STM32F429]

<references/>
[[Kategorie:ARM]]
[[Kategorie:STM32]]

Schaltungssimulation

2016-01-25T00:28:51Z

Hegy: Link zum PDF "Kleine Einführung" korrigiert/geupdated.

==Analog==
Für Analogsimulation und Mixed-Mode (Digital/Analog) ist Spice State-of-the-art. Spice ist inzwischen von vielen Herstellern erhältlich.

Siehe auch:
* [http://bwrcs.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE/ The Spice Page] des EECS Department of the University of California at Berkeley.


=== eispice ===

http://www.thedigitalmachine.net/eispice.html

SPICE ähnlicher Schaltungssimulator mit Python Interface

===GeckoCIRCUITS===

http://www.gecko-simulations.com

* Java-Basierter Schaltungssimulator, speziell für Leistungselektronik geeignet
* Veröffentlicht unter der Gnu Public License (Open-Source)
* Kostenlos
* Wahlweise ausführbar als Java-Applet (Online-Simulation) oder als Download
* Multi-Domain Simulation: Schaltung/Thermische Netzwerke/Regelungstechnik
* Kopplungsmöglichkeit zu Matlab/Simulink
* Skriptsteuerung möglich
* ideale Schalter, Verlustberechnung möglich
* Sehr einfach zu bedienen und anwenderfreundlich, extrem schnell

=== GNU Octave ocs Paket ===

http://octave.sourceforge.net/ocs/index.html

* Ein Paket für GNU Octave zur Simulation im Zeitbereich
* Praktisch nicht dokumentiert
* Es bietet sich stattdessen an die eigentliche Simulation mit einer Version von SPICE durchzufuehren und die Ergebnisse (Raw-File) in Octave einzulesen. Beispielsweise [http://ngspice.sourceforge.net/octavespice.html Octave Spice] für ngSpice.

===Gnucap===
* http://www.geda.seul.org/tools/gnucap/
* [http://sourceforge.net/projects/gspiceui/ GSpiceUI - A graphic interface] (Linux)

=== lcfilter ===
http://www-users.cs.york.ac.uk/~fisher/lcfilter/
Online-Filterberechnung L-C-Filter

===LTspice/SwitcherCAD===
[[Datei:LTspice4-screenshot.png|miniatur|300px|Screenshot von LTspice IV]]
http://www.linear.com/designtools/software/#LTspice

* Kostenlos und beliebt

* Keinerlei Einschränkungen bezüglich Anzahl der Bauteile oder Knotenzahl

* SPICE-Simulator integriert unter einer graphischen Oberfläche zum Zeichnen von zu simulierenden Schaltungen

* Zum Einstieg empfehlenswert, da sehr übersichtlich. Erfordert allerdings mittelfristig detailliertere SPICE-Kenntnisse, da nicht alle SPICE-Funktionen hinter der graphischen Oberfläche versteckt sind.

* Das Programm heißt inzwischen offiziell LTspice IV. Man findet oft noch die älteren Bezeichnungen LTspice/SwitcherCAD, LTspice/SwitcherCAD III, SwitcherCAD/LTspice, SwCAD oder LTspice in älteren Unterlagen.

* Windows-Software (98, 2000, XP, Vista, 7, 8, 10), läuft mit WINE unter Linux

* Native Version für Mac OS X 10.7+ seit Ende 2013 erhältlich. Diese Version hat gegenüber der Windows-Version eine massiv geänderte Benutzeroberfläche. Linear hat angekündigt in Zukunft auch die Windows-Oberfläche dahingehend zu ändern. Dann soll LTspice hauptsächlich mit Tastaturkürzeln bedient werden.

* Von einem Halbleiterhersteller ([http://www.linear.com/ Linear Technology]). Kommt daher mit einer großen Anzahl von Modellen für Linear Technology-Bauelemente und vielen Beispielen für diese. Darüber hinaus erlaubt LT die Verwendung als allgemeines Werkzeug zum Schaltplan-Zeichnen und zur SPICE-Simulation.
: Andere Halbleiterhersteller liefern normalerweise keine explizit für LTspice vorgesehenen oder getesteten Modelle, da sie logischerweise keinen Mitbewerber (Linear Technologies) unterstützen wollen. LTspice versteht jedoch normale SPICE-Modelle (.SUBCKT, .MODEL, usw.). Da LTspice weitgehend die SPICE-Erweiterungen von PSPICE versteht, können auch PSPICE-Modelle verwendet werden. Allerdings muss man eventuell, wie bei reinen SPICE-Textmodellen, ein eigenes Schaltzeichen-Symbol für das Bauteil erstellen (LTspice versteht diesen Teil von PSPICE nicht).

: '''Das Einbinden von Fremdmodellen''' wird im Handbuch / der Programm-Hilfe von LTspice erklärt. Jedoch nicht im Hauptteil, sondern versteckt '''im Kapitel ''FAQ''''', wo die Erklärungen gerne übersehen werden.

* Die meisten von Linear gelieferten Spice-Modelle ihrer ICs sind verschlüsselt und können nur mit LTspice verwendet werden. Man ist daher bei der Verwendung von Linear Technology Produkten in Simulation auf LTspice angewiesen. Das geht so lange gut, bis man eine Simulation erstellen möchte die zusätzlich verschlüsselt Modelle anderer Hersteller enthält, die LTspice natürlich nicht entschlüsseln kann.

* Handbuch (entspricht der Programm-Hilfe): http://cds.linear.com/docs/ltspice/LTspiceHelp.chm

* Kleine Einführung: https://w3-mediapool.hm.edu/mediapool/media/fk04/fk04_lokal/labore_3/_schaltungstechnik/spice_infos/ltspice_info.pdf

* Längere, empfehlenswerte Einführung und zugehörige Beispielschaltungen: http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0073106941/student_view0/lt_spice_instructions_and_support_files.html

* International User Group: http://groups.yahoo.com/group/LTspice/
: Die User Group erfordert eine Anmeldung bei Yahoo und eine Zulassung zur Gruppe.

: Eine Liste von Bauteilen, die aus verschiedenen Quellen stammen, ist nach Anmeldung in der obigen User Group zu bekommen. Dort gibt es auch die Modelle zum Download. Die erste Anlaufquelle, um häufig eingesetzte Bauteile zu finden.

: Die Diskussion undokumentierter Befehle und Modelle sowie die Untersuchung der internen Funktionsweise wird konsequent unterbunden.

* Blog des Herstellers http://www.linear.com/solutions/ltspice
* Eine Menge Modelle und eine gute Einführung http://www.elektronikschule.de/~krausg/

* [http://ltwiki.org/index.php5?title=Main_Page LT Wiki Tipps, Tricks, undokumentierte Befehle] (englisch)

* Regelungstechnik-Modelle http://home.scarlet.be/nap0/ltspice/

* [http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/index_LTSwitcherCAD.html Leichter Einstieg in die SPICE-Schaltungssimulation mit LTspice IV]

===ngSpice===

http://ngspice.sourceforge.net/
* Open Source (BSD-Lizenz)
* Kommandozeilenorientiert, mit graphischer Ausgabe
* Erweitert Berkeley spice3f5 [http://ngspice.sourceforge.net/extras.html um viele zusätzliche Möglichkeiten]
* für Linux, Windows, MacOS
* integriert XSPICE, daher auch für Mixed-Signal-Simulation geeignet
* eigene XSPICE code models können erstellt werden
* integriert TclSpice, eine tcl/tk-Schnittstelle
* ausführliches Manual mit Einführung, Beipielen und allen aktuellen Features unter http://ngspice.sourceforge.net/docs/ngspice-manual.pdf
* Anleitung für gEDA und Spice http://www.brorson.com/gEDA/SPICE/t1.html
* [http://sourceforge.net/projects/gspiceui/ GSpiceUI - A graphic interface for SPICE] (Linux)

===NI MultiSim / Electronics Workbench===

http://www.ni.com/multisim/
http://www.electronicsworkbench.com/edu/eduhom.html

* Electronics Workbench wurde von National Instruments aufgekauft. In NIs MultiSim aufgegangen.
* 30-Tage Testversionen erhältlich
* nur für Windows
* Ab Wine 1.0 und bis MultiSim 9 auch auf Linux lauffähig

===PLECS===

http://www.plexim.com/de/plecs

* Die Simulationsplattform für leistungselektronische Systeme
* als MATLAB Toolbox und Standalone erhältlich
* freie Version je nach Universität erhältlich
* 30 Tage Testversion erhältlich
* Schaltung mit elektrischer, magnetischer, mechanischer und thermischer Domain

===PSpice===

http://www.orcad.com/products/orcad-ee-designer/overview
* http://www.flowcad.de/PSpice.htm (deutsche Produktbeschreibung vom Händler)
* nur für Windows
* kostenlos mit Größeneinschränkung
* Version 16.6 ist die aktuelle Version
* Einführungen
** http://www.flowcad.de/Schnellstart_PSpice_16_6.pdf
** http://people.fh-landshut.de/~wlf/Pspice/Einfuehrung/Einfuehrung.pdf
** http://www.elektronikschule.de/~krausg/ (links im Menü "Einstieg in PSpice leichtgemacht")
** [http://www.spicelab.de/index.htm Robert Heinemanns PSPICE-Seiten]

===qucs===
http://qucs.sourceforge.net/
* freie Software
* für Linux, Windows, OS X
* viele Modelle aus dem HF-Bereich

===SIMetrix===
http://www.simetrix.co.uk/
* kostenlose Version verfügbar, beschränkt auf 140 Nodes
* ab Windows Vista, Support für virtualisierte oder emulierte Systeme eingeschränkt, siehe http://www.simetrix.co.uk/site/system-requirements.html

===Simplorer===

http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Electronics/Electromechanical/ANSYS+Simplorer
*kostenlose Studentenversion
*Anmeldung erforderlich
*Besondere Eignung für Leistungselektronik
*Möglichkeit den Simulationsablauf durch Zustandsgraphen zu steuern
*Besonders einfache Möglichkeit Kennlinien zur Parametersteuerung zu verwenden
*Integration verschiedener physikalischer Domänen möglich (Mechanik, Hydraulik, Elektrik (...) )

Beispiel für die Leistungselektronik und Domänenübergriff: Mit den integrierten Mos-Fet Modellen (Level 1-3) wird eine B6 Brücke aufgebaut. Über die Zustandsgraphen kann eine
Raumzeigermodulation programmiert werden die über alpha-beta Koordinaten gesteuert
wird. Die Brücke steuert einen Asynchronmotor (Flussmodell) an diesem ist eine
Mechanische Last angeschlossen, z.B ein Feder-Dämpfer-System. Nun kann der Einfluss der Feder-Komponente auf die Zwischenkreisspannung analysiert werden.

Simplorer wird überwiegend im Mechatronischen Bereich eingesetzt. Die Studentenversion ist leider Stark eingeschränkt.

=== Solve Elec ===

With [http://www.physicsbox.com/indexsolveelec2en.html Solve Elec] you can:
* draw and analyze electrical circuits functioning in direct or alternating current
* get literal formulas and values for current intensities and voltages defined in the circuit.
* verify circuit related equations.
* draw graphs.
* get the equivalent circuit of displayed circuit
* browse an integrated documentation
* edit, save and print reports made of various elements displayed in main window
(MacOSX, Windows, Free)

===TCLSpice===

http://tclspice.sourceforge.net/

* TclSpice ist eine verbesserte Version von Berkeley Spice und benutzt die Tcl/Tk Skript Sprache.
* open-source (BSD Lizenz) basierend auf NG-Spice Quellcode

===Tina===
http://www.tina.com/
* sehr eingeschränkte Demo-Version (PCB Layout nur mit weniger als 50 Pads erlaubt)
* [http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/tina-ti.html Tina-TI Version von Texas Instrument] ähnlich dem LTSpice von Linear Technology, ebenfalls kostenlos.

=== Yenka Analogue Electronics ===

[http://www.yenka.com/ Yenka] is a simulator for designing circuits using analogue electronic components. Mac OS X or Windows XP/Vista. You can use all Yenka products free of charge at home.

==Digital==

===simulator.io===
https://simulator.io/
* Modern simulation program for logic circuits. Based on HTML5.

===Simulo===
http://www.codeplex.com/simulo (Link is dead)
* Simple and modern digital simulation program. It's based upon .NET Framework 3.5 SP1 and WPF.

===DigitalSimulator===
http://bsuri.educanet2.ch/simulator/
* Windows Variante verfügbar

=== HADES ===
http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/html/index.html
* betriebssystemunabhängig (Java)

=== mkfilter ===
http://www-users.cs.york.ac.uk/~fisher/mkfilter/
Online-Digitalfilterberechnung FIR, IIR

=== edef ===
[http://edef.sourceforge.net/ edef] - A simple discrete event simulation. The edef framework can be used to simulate typical logical circuits, autoregressive processes or digital controller circuits and maybe some more. It is designed to be simple enougth for use in schools or other educational context. It is also truly easy to extend.

=== TkGate ===
[http://www.tkgate.org/ TkGate] is a event driven digital circuit simulator with a tcl/tk-based graphical editor. (GPL)

=== Atanua ===

[http://atanua.org/ Atanua ] is a real-time logic simulator, designed to help in learning of basic boolean logic and electronics. It uses OpenGL hardware-accelerated rendering and a custom UI designed for a fast workflow and a very low learning curve, letting the students concentrate on learning the subject instead of spending time learning the tool. (Personal non-commercial license: Free. Andere Nutzungen: siehe Webseite)

=== MMLogic ===

[http://www.softronix.com/logic.html MMLogic] is a MultiMedia Logic Design System for Windows (NT/2K/Xp/95/98/ME, now Freeware)

=== WireItUp ===

[http://www.wireitup.de WireItUp] is a Digital Logic Simulator especially made for educational purposes.(Windows 8/7/Vista/XP, Freeware)

=== Yenka Digital Electronics ===

[http://www.yenka.com/ Yenka] is a simulator for designing circuits using digital 4000 and 7400 series electronic components. Mac OS X or Windows XP/Vista. You can use all Yenka products free of charge at home.

=== KSimus ===

[http://ksimus.berlios.de/ KSimus] is a simulator for KDE.

=== Digital Simulator ===

[http://www.mit.edu/~ara/ds.html Digital Simulator] has a toolbar of digital circuit elements, including logic gates, flip-flops, switches, and indicators. Drawing a circuit with Digital Simulator is like using a paint program. You click the element's icon on the toolbar, then click where you want the element to go. You use a similar procedure to draw wires and indicate connections. It's that simple. Free for educational institutions or students. (Windows 3.1, 95/NT)

=== KLogic ===

[http://www.a-rostin.de/indexd.html KLogic] ist eine Anwendung zum einfachen Entwurf und zur Simulation von Digitalschaltungen. KLogic ermöglicht einen einfachen Aufbau von Schaltungen aus Standardkomponenten wie UND, ODER, XOR, und Flipflops wie RS und JK. Um komplexere und wiederverwendbare Schaltungen zu entwerfen, können Teilschaltungen gespeichert und wiederverwendet werden. (Linux, GPL)
Die letzte Version stammt aus dem Jahr 2006 und läuft leider recht instabil. Es gibt mittlerweile jede Menge grafisch unschöne Stellen und, schlimmer noch, auch diverse Bugs, die einen Crash verursachen.

=== Logic Simulator ===

With [http://www.tetzl.de/java_logic_simulator.html LogicSim] you can design and simulate digital logic circuits with logic gates like AND, OR, FlipFlop, etc.

=== HS-FIR-Compiler ===
[http://www.steepestascent.com/content/default.asp?page=s2_22 steepestascent.com]
14 day evaluation license:
The High Speed FIR Filter Compiler is a standalone utility that automatically generates VHDL code for fast and efficient FIR filters and is ideal for both FPGA and ASIC implementation.

=== Interactive 595 Shift Register Simulator ===

[http://conductiveresistance.com/interactive-595-shift-register-simulator/ Interactive 595 Shift Register Simulator]

=== Logic Circuit ===

[http://www.logiccircuit.org/ Logic Circuit] is free, open source educational software for designing and simulating digital logic circuits. Intuitive graphical user interface, allows you to create unrestricted circuit hierarchy with multi bit buses, debug circuits behavior with oscilloscope, and navigate running circuits hierarchy. (GPLv2, Windows: .NET 4.0 erforderlich)

== Mixed Analog-Digital ==

===SPECTRE===

Der [http://www.cadence.com/products/rf/spectre_circuit/pages/default.aspx Cadence Virtuoso Spectre Circuit Simulator] ist ein Mixed AD-Simulator auf der Basis von Spice. (Kommerziell)

===HSPICE===

[http://www.synopsys.com/Tools/Verification/AMSVerification/CircuitSimulation/HSPICE/Pages/default.aspx HSPICE] ist ein PSpice-ähnlicher Simulator, der sowohl ABM-Modelle, als auch eigens erstellte library-Modelle verarbeiten kann. (Kommerziell)

===XSPICE===
http://users.ece.gatech.edu/~mrichard/Xspice/

===ngSpice===

http://ngspice.sourceforge.net/
* Open Source (BSD-Lizenz)
* Kommandozeilenorientiert, mit graphischer Ausgabe
* Erweitert Berkeley spice3f5 [http://ngspice.sourceforge.net/extras.html um viele zusätzliche Möglichkeiten]
* für Linux, Windows, MacOS
* integriert XSPICE, daher auch für Mixed-Signal-Simulation geeignet
* eigene XSPICE code models können erstellt werden
* ausführliches Manual mit Einführung, Beipielen und allen aktuellen Features unter http://ngspice.sourceforge.net/docs/ngspice-manual.pdf

=== SMASH from DOLPHIN INTEGRATION ===
http://www.dolphin.fr/index.php/eda_solutions/products/smash/overview
* SMASH from Dolphin Integration is a mixed-signal, multi-language simulator for IP and IC designs. It uses [[SPICE]] syntax for analog descriptions, [[Verilog]]-HDL and [[VHDL]] for digital, Verilog-A/AMS, VHDL-AMS and ABCD (a combination of SPICE and C) for analog behavioral, and C for [[DSP]] algorithms.
* Logik, Analog und Mixed-Simulation
* Für Linux und Windows
* Engeschränkte Evaluationsversion erhältlich

===Micro-Cap===

http://www.spectrum-soft.com
* nur für Windows
* Evaluation Version (mit Einschränkungen) nach Registrierung erhältlich

===GNU-Radio===
http://gnuradio.org/redmine/wiki/gnuradio
GNU Radio is a free software development toolkit that provides the signal processing runtime and processing blocks to implement software radios using readily-available, low-cost external RF hardware and commodity processors. It is widely used in hobbyist, academic and commercial environments to support wireless communications research as well as to implement real-world radio systems.

=== Oregano ===

http://oregano.gforge.lug.fi.uba.ar/

Beschreibung von [http://elettrolinux.com/Simulations/oregano-an-electrical-tool.html elettrolinux.com]:

'''Oregano''' is a LINUX application for schematic capture and simulation of electronic circuits. Oregano has an user friendly graphic interface that allows to design and describe the circuit to simulate. It provides a wide variety of component libraries, including CMOS, TTL, lineal, operational amplifiers, and a lot more! Oregano lets you simulate the designed circuits. The actual simulation is performed by Berkeley Spice BSIM, GnuCAP or the new generation NGSpice. Oregano is licensed under the terms of the GNU GPL.

=== VirtualBreadboard ===

[http://www.virtualbreadboard.com/ VirtualBreadboard] is an easy to use simulation and modelling tool that can be used in place of a real breadboard for quickly performing experiments and testing out electronic and microcontroller ([[PIC]]) powered 'embedded' applications. (Seit Version 3.3.12 11 July 2009 Freeware, Windows)

=== BasicDSP ===
[http://www.vf.utwente.nl/~ptdeboer/ham/basicdsp/ von Pieter-Tjerk de Boer, PA3FWM, und Niels Moseley, PE1OIT]
A program for experimenting with simple audio DSP algorithms

===LTspice/SwitcherCAD===
http://www.linear.com/designtools/software/#LTspice

Hauptsächlich für die Simulation analoger Schaltungen verwendet, enthält LTspice doch einig digitale Grundfunktionen. Diese sind nur zum Teil im Handbuch als A-Schaltungselemente (''Circuit Elements'' --> ''A. Special Functions'') beschrieben.

==Hochfrequenztechnik==

=== Linksammlungen ===

* [http://www.circuitsage.com/tline.html Transmission Line Design and Analysis]
* [http://www.mwrf.com/Articles/Print.cfm?ArticleID=22572 Übersichtsartikel der Microwave & RF] [http://www.mwrf.com/Articles/Print.cfm?ArticleID=22809 und hier]

=== Ansoft ===
*Maxwell SV: Simulation von elektrischen und magnetischen Feldern (2D)
*Simplorer SV: Schaltungssimulation
*PExprt SV: Berechung von Schaltnetzteilen

Wurde 2008 von [http://www.ansys.com/ Ansys] gekauft,
http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Electromagnetics

die kostenlose Studentenversion "Ansoft Designer" gibts nur noch von G.Kraus:
http://www.gunthard-kraus.de
[http://www.gunthard-kraus.de/Ansoft%20Designer%20SV/DesignerSV050610.exe Download exe-File]
=== ARRL Radio Designer ===
für 169€ bei http://www.ukw-berichte.de erhältlich http://www.arrl.org
* Amateurversion der amerikanischen Design-Software Super Compact.
* Mittlerweile durch Ansoft Designer (ehem. Ansoft Serenade) überholt

=== AADE Filter Design ===
Homepage: http://www.aade.com/filter.htm

kostenlose Analog-Filterberechnung:
* Butterworth, Chebyshev, Elliptic (Cauer), Bessel, Legendre and Linear Phase
* low-pass, high-pass, band-Pass, and band-reject filters.
* Coupled Resonator band-pass filters
* Crystal Ladder band-pass filters using identical crystals

=== ActiveFilterDesign ===
Active Filter Design für Matlab, kostenloser Download: http://academics.vmi.edu/ee_js/Research/Programs/materials/AFD12.zip

Handbuch: http://academics.vmi.edu/ee_js/Research/Programs/materials/Analog%20Filter%20Designer.pdf

* FIR, IIR, analoge Filter, Synthese und Analyse

=== atlc - Arbitrary Transmission Line Calculator ===

* freie Software (Gnu General Public License)

Übertragungsleitungen (und eingeschlossen Richtkoppler) können mit der Open Source Software auf ihre Impedanz, aber nicht ihre Dämpfung berechnet werden.
Dabei ist die Form und Anordnung der Leiter und Dielektrica beliebig, aber die Anzahl der Leiter ist auf maximal Drei beschränkt. Es können keine Hohlleiter berechnet werden. Die üblichen Anordnungen auf Leiterplatten werden aber abgedeckt. Es wird eine Bitmap erstellt, die geometrischen und elektrischen Eigenschaften des Leitungsquerschnits als Farbe codiert enthält. Diese Bitmap wird dann vom Programm bearbeitet. Die Methode, die das Programm benutzt, ist die der [http://de.wikipedia.org/wiki/Finite-Differenzen-Methode finiten Differenzen]. Autor des Programmes ist Dr. David Kirkby alias G8WRB.
Das Programm ist in den meisten gängigen Linux Distributionen als Package erhältlich. Die Homepage mit Anleitungen, FAQ und Beispielen findet sich hier:
http://atlc.sourceforge.net/

=== Avago AppCAD Design Assistant ===
Der Hersteller von HF-Dioden und Transistoren bietet das kostenlose Programm AppCAD zur Berechnung von Transistorarbeitspunkten, Leitungsgeometrien usw. an.
http://www.avagotech.com/pages/appcad
Leider nicht lauffähig unter Windows 7.

=== AWR ===
http://web.awrcorp.com/

free trial versions erhältlich für:
* ANALOG OFFICE - High-Frequency Design Software for Analog and RFICs
* APLAC - Harmonic balance simulation engine
* AXIEM - 3D Planar Electromagnetic Software for Antennas and Passives
* MICROWAVE OFFICE - RF and Microwave Design Software for MMIC, RF PCB and Modules
* VISUAL SYSTEM SIMULATOR - Wireless Communication System Design Software

* TxLine [http://web.awrcorp.com/Usa/Products/Optional-Products/TX-Line/ free Transmission Line Calculator]

=== CST STUDIO SUITE™ ===
http://www.cst.com/

...deckt alles ab, 3D-EM Simulation für elektrostatische Probleme bis Hochfrequenz, Zeit- und Frequenzbereich, Fernfelder, EMV, Spice-Ersatzmodelle, PCBs, Partikelsimulation, Co-Simulation mit thermischen und mechanischen Problemen, Raytraycing.

=== Elsie ===
http://www.tonnesoftware.com/elsie.html
a Windows electrical filter design and analysis program handling all of the usual options (family, topology, bandwidth, etc.). It has a nice toolbox including real-time tuning modes and optimization. Outputs are presentation quality. Student edition is free.

=== FastHenry ===
Windowsversion http://www.fastfieldsolvers.com/

* open source
* Impedanzextraktion (R und L) aus 3D-Geometrieen
* Erfasst Skin-, Proximity-Effekte, magnetische Kopplungseffekte
* Erstellung von Spice-Modellen möglich

=== FilterFree ===
http://www.nuhertz.com/filter/

Filter Free is the free version of Filter Solutions and Filter Light. Functionality is limited 3rd order analog and IIR filters, and 10 tap FIR filters. Filters are synthesized. Frequency, time, and reflection analysis are performed on the ideal, unmodified filters only. Transfer functions are displayed in standard form only.

=== HP AppCAD ===
http://www.hp.woodshot.com/

RF design software is provided free of charge by Agilent Technologies
as a service to the RF and microwave design community

Läuft unter Windows ab 95c/NT4

=== Nova.exe ===
http://www.pcb-pool.com/ppde/service_downloads.html

NOVA is a program that can be used to analyze most linear (AC) circuits. It
can calculate voltage, phase, and delay at any circuit point (node) at any
frequencies. Most (AC) circuit analysis programs can only give useful results
for low frequencies (below 10 Mhz). NOVA can do this but it can also be used
for RF and microwave circuits. Microwave circuits require the analysis be done
in terms of S-parameters, rather then AC voltages. NOVA does AC, time domain,
and S-parameter analysis.This version of NOVA has circuit tweaking while in the graph mode. You may find it extremely useful. Vary a component and watch the response, return loss, and delay change.

Gutes altes DOS-Programm, AC- oder S-Parameter-Darstellung.
Ausdruck unter WinXP nur mit Screenshot-Programm möglich, getestet z. B. mit Snarf15: http://www.idcomm.com/personal/lorenblaney/SNARF15.ZIP

=== PUFF - Microwave Design Software ===
für 22€ bei http://www.ukw-berichte.de/ erhältlich
* altes DOS-Programm für HF-Simulation und Platinenentwurf
* Microstrip HF-Berechnungen, Smith-Diagramm
* in den UKW-Berichten standen schon mehrere Artikel mit Beispielen
* zur Nutzung einer Kombination aus PUFF und Ansoft SV (=Studentenversion)

Seit Anfang 2010 wird PUFF unter der GPLv3 License geführt. Der Pascal Quelltext mit Linux Package und Handbuch ist frei verfügbar. [http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/puff/ PUFF microwave CAD software on Linux]

=== RF-Sim 99 ===
kostenlos z. B. von: http://www.janson-soft.de/amateurfunk/rfsim99/rfsim99.htm

oder neben anderen PDFs zur HF-Technik: http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/
* Berechnung aktiver und passiver Filter einschließlich Schaltplaneingabe
* Ausgabe von Frequenz- und Phasengang, Smith-Diagramm

=== Smith Plot ===
Neben diversen Mathcad-Beispielen und Skripten aus der HF-Technik eine Smith-Chart-Software:
http://www.fritz.dellsperger.net/downloads.htm

=== Sonnet Lite ===
Sonnet Lite provides a full-wave EM solution for 3D planar circuits
A fully functional and powerful EM analysis software.
Get started on your EM analysis within the next 30 minutes by downloading SONNET Lite!
http://www.sonnetsoftware.com/products/lite/
http://www.sonnetsoftware.com/

===qucs===
http://qucs.sourceforge.net/
* freie Software
* für Linux, Windows, OS X
* hervorragende technische Dokumentation
* Impedanzrechenfunktionen für Strip- und Microstripleitungen
* Filterberechnungstool

===ADS (Advanced Design System)===
http://www.keysight.com/en/pc-1297113/advanced-design-system-ads?&cc=DE&lc=ger

http://de.wikipedia.org/wiki/Advanced_Design_System

Advanced Design System, kurz ADS, ist eine spezielle Simulationssoftware der Firma Keysight (ehemals Agilent) zur Simulation von elektrischen Schaltungen für die Hochfrequenztechnik und stellt in diesem Segment einen Industriestandard dar.

==Antennensimulation==

=== cocoaNEC ===
Homepage: http://homepage.mac.com/chen/w7ay/cocoaNEC/index.html
* Design und modulierung von Antennen
* MacOS X (PowerPC und Intel)
* Frei erhältlich (mit Quellcode)

=== EZ-NEC ===
Homepage: http://eznec.com/
* Antennenberechnung
demo program allows only 20 segments, which limits the complexity of antenna
you can analyze. (EZNEC 4.0 allows 500 )

=== MiniNEC ===
Homepage: http://www.emsci.com/ '''(2013-05-01 Seite nicht mehr vorhanden)'''
* Antennenberechnung mittels "Momentenmethode" (Zerlegung der Antenne in kleine Segmente, Überlagerung der Teilfelder)
* eingeschränkte Studenten/Amateurversion erhältlich
* NEC = Numerical Electromagnetics Code

=== SuperNEC ===
Homepage: http://www.supernec.com/
* Antennenberechnung mittels "Momentenmethode"
* 30-Tage-Testversion sowie unbegrenzt lauffähige Studentenversion (gegen Nachweis) erhältlich

=== MMANA ===
Homepage (deutsche Version) : http://dl2kq.de/mmana/4-7.htm

Kostenlose Antennen-Analysesoftware, auf der mit MININEC Version 3 eingeführten Momentenmethode basierend

=== RadioMobile ===
Hochfrequenz-Ausbreitungssimulation
* [http://www.cplus.org/rmw/english1.html Hauptseite]
* [http://www.cplus.org/rmw/rme.html Beispielbilder]
* [http://www.cplus.org/rmw/dataen.html dazu erforderliche Kartendaten]
* [http://de.wikipedia.org/wiki/SRTM-Daten Wikipedia zum SRTM-Kartendatenformat]

== Sonstige ==

=== FEMM ===
* [http://www.femm.info/wiki/HomePage Finite Element Method Magnetics] (FEMM)

=== GALEMU ===

[http://bu3sch.de/joomla/index.php/galpal-emulator Galemu] is a [[GAL]]/[[PAL]] chip emulator. (GPL)

==Numerische Berechnungswerkzeuge==

===Derive===
http://education.ti.com

===FreeMat===
http://freemat.sourceforge.net
* freier MatLab-Clone
* für Windows, Linux, Mac OS X

===GAUSS===
Wissenschaftliche Simulationssoftware zur Berechung 3-dimensionaler Ladungsverteilungen in z. B. Halbleitern. Kann aus Geometrie und Dotierungsprofilen die Halbleitergleichungen ableiten.

===GnuPlot===
http://www.gnuplot.info/
* freie Software
* für Linux, Windows und weitere
* sehr mächtiges Tool, aber eher im Bereich der Datenauswertung (Diagramme)
* [http://ttsiodras.googlepages.com/gnuplotStreaming.html Visualize real-time data streams with Gnuplot] (Perl)

===Maple===
http://www.maplesoft.com/
* Wissenschaftliche Analyse und Simulationssystem zur Lösung komplexester Aufgaben der Mathematik. Lizenzpflichtig.

===JMathLib===
http://mathlib.sourceforge.net
* freier Matlab-Clone in 100% Java
* für Windows, Linux, ...

===MatLab===
http://www.mathworks.com/

===MuPAD===

Seit 2008 nur noch als Symbolic Math Toolbox für MATLAB erhältlich.

http://de.mathworks.com/products/symbolic/

===Mathcad===
http://www.mathsoft.com/ http://www.ptc.com/appserver/mkt/products/home.jsp?k=3901
* rechnen mit Formeln wie auf dem Papier

===Maxima===
http://maxima.sourceforge.net/
* freie Software für Linux, OSX, Windows

===Octave===
http://www.octave.org/
* freier MatLab-Clone. Die Syntax ist überwiegend identisch
* für Linux, Windows, OSX

===GNU R===
http://www.r-project.org/
* freier S-Clone. Die Syntax ist überwiegend identisch
* für Linux, Windows, OSX

===SciLab===
http://www.scilab.org/
* freie Software
* für Linux, Windows, MacOS
* stellt eine C++ Library bereit, die in eigene DSP-Systeme eingebunden werden kann

===scipy===
scipy [http://www.scipy.org/] ist eine Erweiterung der Skriptsprache Python [http://www.python.org] mit numerischen Funktionen
* freie Software
* für Linux, Windows, OSX

===SMathStudio===
SMathStudio [http://www.smathstudio.com/] ist ein an MathCad angelehntes numerischer Berechnungs-, Visualisierungs-, und Dokumentationstool. Die Software ist Freeware/Donationware. Sie ist ins deutsche übersetzt, wird derzeit (Stand 26.06.2012) aktiv weiterentwickelt und supported im eigenem Forum

== Online Schaltungssimulatoren ==

* [https://easyeda.com EasyEDA - Online-Schaltungssimulator]
* [https://simulator.io/ simulator.io - Simulator für Logikschaltungen]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/79658#664688 Diskussion im Forum]
* http://www.falstad.com/circuit/
* [http://www.intersil.com/isim/ Intersil’s iSim]
* [http://smile.hsu-hh.de/Schaltungen/Index.htm WSPICE] (fixe Schaltungen)
* [http://micropci1.imtek.uni-freiburg.de/svs/ spicy VOLTsim]
* [http://www.gecko-simulations.com/geckocircuits.html GeckoCIRCUITS]
* [https://www.circuitlab.com CircuitLab]
* [http://www.poweresim.com/ PowerEsim] - Free SMPS Switching Power Supply / Transformer Design Software

== Tutorials ==

* [http://www.elektronikschule.de/~krausg/ Elektronikschule.de von Gunthard Kraus] (ORCAD-PSPICE, LTspice IV)

[[Kategorie:Entwicklungstools]]
[[Kategorie:Schaltplaneditoren]]

Drucker und Material für Platinenlayouts

2015-08-11T23:58:24Z

Hegy: Laserdrucker Brother MFC-9840CDW zugefügt

== Einleitung ==
Steht man vor der Entscheidung sich einen Drucker anzuschaffen, mit dem man auch Layouts für die eigene Platinenherstellung erstellen möchte, stellt sich die grundlegende Frage, welche Geräte überhaupt geeignet sind. Auch wer schon im Besitz eines Druckers ist, erlebt nicht selten Überraschungen wenn es an das Testen neuer Materialien wie Folie, Papier, Toner oder Tinte geht.

Dieser Artikel soll eine Plattform für diejenigen darstellen, die schon die ein oder anderen positiven wie auch negativen Erfahrungen gesammelt haben und diese weitergeben möchten. Dies können Empfehlungen für Drucker, Kombinationen von Drucker und Material oder auch Erfahrungen bei der Vorgehensweise sein.
Allein die Suche nach der perfekten Treibereinstellung ist oft lästig und kann hier durch niedergeschriebene Erfahrungswerte für andere vereinfacht werden.

Jeder kann/soll seinen Beitrag leisten, d.h. wenn man selbst gute oder schlechte Erfahrungen mit bestimmten Geräten, Einstellungen, Materialien oder deren Kombination gesammelt hat, sollte man keine Scheu zeigen diese hier niederzuschreiben.
Auch Fotos von Ergebnissen sind natürlich erwünscht.

Mir kommen die Angaben hier merkwürdig vor, denn zwei von den Druckern besitze ich selber und würde sie anders einstufen. Es fehlt an einer objektiven Skala, die leicht nachzuvollziehen ist. Daher schlage ich vor: Blickdichtheit: Sehr gut sind Reprofilme. Alles was gegen das Sonnenlicht gehalten irgendwelches Licht durchlässt kann nur gut sein. Alles was auf weissen Untergrund schwarz erscheint kann befriedigend sein. Und alles was auf eine Zeitung gelegt bei guter Beleuchtung die Schrift durchscheinen lässt ist ungenügend. Je schlechter die Vorlage ist, um so kritischer ist gleichmässige Ausleuchtung und passende Belichtungszeit nach Belichtungsreihe. Bessere Drucker wie Canon mit 5 Patronen kennen opak pigmentiertes Schwarz für Textdruck und lasierendes Schwarz welches durchscheinend ist und beim Bilderdruck benötigt wird. Nur pigmentiertes Schwarz ist gut. Bei der Randschärfe spielt vor allem das Papier eine Rolle. Fasern ziehen Farbe. Nur Gelatine erlaubt randscharfe Bilder. Man wird einige eingetragene Drucker objektiver bewerten müssen.

Die optimale Aufteilung und Struktur wird sich sicherlich mit der Zeit noch ergeben.

== Tintenstrahldrucker nach Hersteller ==

=== Allg. (Forum) ===
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/148901 welcher tintenpisser schafft Leiterzüge 0.254mm?]

=== Canon ===
==== Pixma IP7250 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltinte
| Zweckform 2503 Inkjet Folie
|
*Druckqualität = Benutzerdefiniert (Fein)
*Farbe = Graustufen
*Papiertyp = Fotoglanzpapier Plus II
*Kontrast = Hoch
*Sättigung = Hoch
| gut
| sehr gut
| 8 mil Leiterbahnen können zuverlässig gedruckt werden. Kleiner wurde noch nicht getestet. Die Blickdichte ist nicht perfekt aber vollkommen ausreichend.

Einziger Nachteil: Der Drucker hat keinen Direkteinzug und zieht durch das Kassettenfach nur Folien mit einer mindestlänge von 1/2 DIN A4 zuverlässig ein. Sind die Folien kürzer bleiben sie im Drucker hängen.
|}
==== Pixma IP5200 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltinte
| Zweckform 2503 Inkjet Folie
|
*Folie
*Druckqualität = Hoch
*Farbe = Automatisch
| sehr gut
| sehr gut
| Getestet anhand eines TQFP100 Adapters. Die SMD-Pads sehen beim Schwarzweißdruck etwas unscharf aus. Ich empfehle den Druck mit Farbtinte. Diese lieferte definitiv das bessere Ergebnis.
|}
==== Pixma IP4200 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltinte
| Canon Inkjet Folie
|
*Folie
*Druckqualität = Hoch
*Farbe = manuell (alles auf Maximum, Foto dunkel), Graustufen
| sehr gut
| sehr gut
| Einfach bedruckt schon fast perfekt blickdicht. Perfekte Ergebnisse mit Bungardmaterial und Lötstop. Für Teinting Resist doppelt bedrucken. Einzug arbeitet perfekt, kein Versatz erkennbar (auch nicht mit Lupe).
|-
| Originaltinte
| Conrad OH1
|
*Professional Fotopapier
*Druckqualität = Hoch
*Farbe = manuell (alles auf Maximum, Foto dunkel)
| sehr gut
| sehr gut
| Einfach bedruckt schon fast perfekt blickdicht.
|-
| komp. Tinte CLC500B
| HP 51630S Folie
|
*Folie
*Druckqualität = Hoch
| sehr gut
| sehr gut
| Einfach bedruckt leider nicht blickdicht. Da der Einzung jedoch perfekt arbeitet, bedrucke ich einfach jede Folie 3x. Dabei ist kein Versatz erkennbar und das Ergebnis wird absolut blickdicht. Auch feinste Strukturen werden perfekt (getestet 0,05mm !!!). Es kann auch etwas länger belichtet werden, als eigendlich nötig. Selbst dabei entstehen beim Ätzen keine Löcher in der Kupferschicht.
|}
==== Pixma MG5250 (Multifunktionsgerät) ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltinte
| Zweckform 2503 Inkjet Folie
|
*Fotoglanzpapier Plus II
*Druckqualität = Hoch
*Farbe = Manuell, Intensität "dunkel"
| gut - sehr gut
| sehr gut
| Getestet mit 0,3mm Leiterbahen, 0,3mm Abstand, auch mit Lupe betrachtet noch scharf. Erster Ausdruck nicht perfekt Lichtdicht, jedoch völlig ausreichend für Belichtungen (wie sehr stark getönte Sonnenbrille). Falls das jemanden stört: Der Einzug arbeitet perfekt und mehrmaliges drucken ist absolut kein Problem. Kanten bleiben nach 2fachem Druck auch unter der Lupe noch scharf.
|}
==== Pixma MG5550 (Multifunktionsgerät) ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltinte
| Zweckform 2503 Inkjet Folie
|
*Fotoglanzpapier Plus II
*Druckqualität = Hoch
*Intenstität = Manuell, Intensität "+50", Kontrast "+50"
| sehr gut
| sehr gut
| Getestet mit 5mil Leiterbahen, 5mil Abstand, auch mit Lupe betrachtet noch scharf. Erster Ausdruck ausreichend Lichtdicht. Da der Einzug perfekt arbeitet und mehrmaliges drucken dadurch sogar mit 5mil Leiterbahnen möglich sind, kann man die Folie zweimal bedrucken um 100%'ige Lichtdichtheit zu haben. Kanten bleiben nach 2fachem Druck auch unter der Lupe noch scharf.
|}

=== Epson ===
==== Epson Stylus C62 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| MVCD www.mvcd.com
| HP Premium Transparentfolien inkjet 0,13mm
|
*Premium Glossy Photo Paper
*Optimales Foto
*Nur schwarze Tinte
*Gamma 2,2
*Helligkeit -25
*Sättigung +25
| sehr gut
| sehr gut
| Getestet bis 0,2 mm Breite/Abstand. Kleiner sicherlich möglich. Foto liegt leider nicht vor.
|}
==== Epson Stylus C70 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Original und Billignachbau
| Zweckform Inkjetfolien 2503
|
*Premium Glossy Photo Paper
*Optimales Foto
*Nur schwarze Tinte
*Gamma 2,2
*Helligkeit -25
*Sättigung +25
| befriedigend
| sehr gut
| Für Bungard Platinenmaterial gut allerdings für Lötstop oder Teinting-Resist einfach zu durchlässig.
|}
==== Epson Stylus D88 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Billignachbau (Die-Patrone)
| Sattelford OHP Folie
|
*Epson Matte
*Optimales Foto
*Nur schwarze Tinte
*Schnell: Aus
*Gamma 2,2
*Helligkeit -25
*Kontrast +25
| gut-sehr gut
| sehr gut
| Sehr gute Ergebnisse
|}

==== (Epson Stylus Photo 750) ====

* http://www.mikrocontroller.net/topic/93261#801235

==== Epson Stylus Photo R300 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Schwarz: Original, Farbe: Nachbau
| Overhead-Folien, Avery Zweckform 2502
|
*Premium Hochglanz-Fotopapier
*Optimales Foto
*Schnelldruck: ein
*Graustufen: aus (Einstellung eher aus Unwissenheit und dann aber immer so gelassen)
*Gamma: 1,8 (default)
*Farbmodus: Epson-Leuchtend (default)
* Regler alle auf 0 (default)
| sehr gut
| sehr gut
| Der Drucker liefert sehr gute Belichtungsvorlagen, die auch bei langen Belichtungszeiten funktionieren. Eine einzelne Folie einfach bedruckt reicht vollkommen aus. Die Schärfe war anfangs sehr gut, nimmt jedoch mit zunehmenden Alter des Druckkopfes deutlich ab. Es zeigen sich dann ausgefranste Ränder, die bei einem SMD Pad-Raster von 0,5 mm problematisch werden können. Die Treibereinstellungen müssen nicht die besten sein, ich habe dann aufgehört zu experimentieren, da ich nie Probleme mit den Vorlagen hatte. Billig Tinte auf billig Folie hat jedoch keine guten Ergebnisse gebracht.
|}

==== Epson Stylus Photo R3000 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Schwarz: "High Density Black Dye Tinte" der Firma Farbenwerk. Noch nicht offiziell im Programm. Ansprechpartner für dieses Produkt dort ist ein Herr Columbus. Die Tinte ist im Black Matte Kanal installiert.
| Agfa COPYJET Film EL8CN, DIN-A4
|
*Unter Mac OSX Treiber 9.00
*Farbanpassung: EPSON Modus
*Medium: Archival Matte
*Farbe: Schwarzweißfoto
*Farbton: Feineinstellung
*Qualität: SuperFoto 5760dpi
*Schnell: off
*Bild spiegeln: off
*Feinste Details: on
*Erweiterte Farbeinstellungen...
*Farbton: Feineinstellung
*Mittelwert: Dunkelste
*Helligkeit: -25%
*Kontrast: +25%
*Schatten-Tönung: 0
*Spizlichter-Tönung: 0
*Max. optische Dichte: 0
*Spitzlichter verschieben: Aus
*Papierkonfiguration....
*Farbdichte: +50%
*Trocknungszeit: +35
*Walzenabstand: Breit
*Papierstärke: 5
| Perfect, besser als bei einem von mir getesteten Belichtungsservice
| excellent
| Hervorragende Ergebnisse auf Bungard Material bis runter auf 5 Mil Strukturen. Belichtet mit 400W Hg Hochdruck UV Lampe 40s. Entwickelt in 1,3% NaOH. Wichtig ist die lange Trocknungszeit im Drucker von +35, da ansonsten die kleinen Zahnrädchen der Walzen in die noch nicht ganz trockene Tinte kleine "Lichtlöcher" stanzt.
|}

==== Epson Workforce WF-3520 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Orginal-Tinte
| Zweckform 2503
|
*Epson Matte
*Stark
*Graustufen
| schlecht
| schlecht
| Die Folie wird nicht erkannt, deswegen wurde für die Versuche Druckerpaper mit Tesafilm dahintergeklebt.

In der obengenannten Einstellung wird die Tinte nach dem Drucken rissig. Druckereinstellungen mit weniger Deckung sind sehr durchscheinend.
Darüberhinaus erscheinen beim Druck geschlossener Flächen Artefakte (Punktlinienmuster in Einzugrichtung).

Alles in allem scheint der Drucker für Foliendruck völlig ungeeignet.
|}

==== Epson Workforce WF-2010 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Orginal-Tinte
| AVERY ZWECKFORM 2504
|
*Epson Photo Glossy
*Stark
*Graustufen
| schlecht
| schlecht
|
In der obengenannten Einstellung wird die Tinte nach dem Drucken (nach 3 min.) rissig.
Darüberhinaus erscheinen beim Druck geschlossener Flächen Artefakte (Punktlinienmuster von der Zahnkranzrolle).

Der Drucker ist für Foliendruck völlig ungeeignet.
|}

=== HP ===
==== (HP Deskjet 970Cxi) ====

* http://www.mikrocontroller.net/topic/93261#800835
** sehr erfolgreich
** Zweckform Inkjet-Folien 1440 Dpi
** 1 Druckgang, 1200x1200 Dpi, schwarz, aus Eagle 4.16.
** Bisher feinste Struktur war SOT553-5 Package
** Bei 600x600 Dpi ist die Deckung der Farbe nicht mehr gesichert. Man sieht auch feine Streifen.

==== HP C4580 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Original 350 Tinte schwarz
| Normales Transparent(paus)papier aus dem Schreibwarenhandel
|
* Anderes Spezialpapier (oder so ähnlich)
* Druck: Optimal (600dpi)
* Tintenmenge +1 erhöhen
* schwarz/weiß Druck (keine Farbe!!!)
| sehr gut
| sehr gut
|
* Mit Bungard Basismaterial probiert (2 Minuten mit LED UV-Belichter)
* Das Papier vorher gut trocknen lassen (mind. 20 Minuten!)
|}

==== HP C4580 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Original 350 Tinte schwarz
| Normales Transparent(paus)papier aus dem Schreibwarenhandel
|
* Anderes Spezialpapier (oder so ähnlich)
* Druck: Optimal (600dpi)
* Tintenmenge +1 erhöhen
* schwarz/weiß Druck (keine Farbe!!!)
| sehr gut
| sehr gut
|
* Mit Bungard Basismaterial probiert (2 Minuten mit LED UV-Belichter)
* Das Papier vorher gut trocknen lassen (mind. 20 Minuten!)
|}

==== HP ENVY 4500 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Original HP301 Tinte schwarz
| Normales NoName Folie aus dem Internet / Ebay
|
* Grußkarte, glänzend
* Druck: Optimal
* schwarz/weiß Druck (keine Farbe!!!)
| sehr gut (10 mil Bahnen bei 8 mil Abstand ohne Probleme)
| sehr gut
|
* Mit Bungard Grundmaterial probiert
* Evtl. mit der Belichtung etwas übertreiben, damit die Zwischenräume sauber belichtet werden.
* Ich habe gute Ergebnisse bei 3 Minuten und mehr, mit Gesichtsbräuner mit 4 UV Röhren bei 8cm Abstand
* Unbedingt auf den "seitenverkehrten" Druck achten, so daß die bedruckte Seite direkt auf der Platine sitzt
* Die Folie min. 5 Minuten Trocknen lassen, dann kann man Sie ein 2. mal bedrucken. Beide Drucke sind dann deckungsgleich und man hat ein sehr Blickdichtes Schwarz !
|}

==== HP PSC 2105 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Original 56er Tinte schwarz und 57er Tinte Farbe
| Normales Transparentpapier 110g/m² (beginnt sich nicht so stark zu wellen) aus dem Schreibwarenhandel
|
* HP Inkjetpapier, Hochweiß
* Druck: Optimal
Zusätzliche Einstellungen (holt noch das letzte Quäntchen heraus)
in "Digiale Fotografie":
*Kontrastverbesserung: Hoch
*Digitaler Blitz: Aus
*Schärfe: Hoch
*Glätten: Aus
*Smart Focus: Ein
in Reiter "Farbe":
*Sättigung: Leuchtend (Schieberegler max)
*Helligkeit: Dunkler (Schieberegler min)
*Farbton: mitte

| sehr gut (getestet bis auf 8 mil Bahnen und 8 mil Abstand ohne Probleme, geht vielleicht noch kleiner)

| sehr gut
|
*Zuvor habe ich mit Laser (Kyocera FS1000) und Tonerverdichter gedruckt, nicht vergleichbar, bezüglich Auflösung und Blickdichte. Hier ist der Tintenspritzer klar im Vorteil.
* Mit Bungard Grundmaterial probiert
* Sollte mit jedem HP Drucker funktionieren, der die 56er Tinte verwendet
* Farbtinte ist vielleicht nicht unbedingt nötig
* Unbedingt auf den "Seitenverkehrten" Druck achten, so daß die bedruckte Seite direkt auf der Platine sitzt
* Das Papier vorher gut trocknen lassen (mind. 30 Minuten!)
*Belichtet mit 6 UV-Röhren (Gesichtsbräuner Phillips) 12cm Abstand 130sec, durch 4mm Glasplatte (Beschwerung)
|}

==== (HP Deskjet F380) ====

* http://www.mikrocontroller.net/topic/93261#801047
* 0,18mm Strukturen mit 0,2mm Clearance, siehe [[STK500USB-Adapter]]

==== HP Business Inkjet K8500 ====
{| border=1
| '''Tinte'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| HP Original
| Zweckform 3491
| Tintensparmodus aus, Qualität normal oder hoch
| gut
| gut
| Bei der Blickdichtheit machen sich einzelne verstopfte Düsen im Druckkopf sofort bemerkbar, bei normalen Ausdrucken fallen diese nicht weiter auf. Der Drucker hat einzeln wechselbare Druckköpfe mit separaten Tintentanks.
Es kann bei zu viel Tinte zu Bläschenbildung auf der Folie kommen.
Trocknungszeit mindestens 15 Minuten, auch nach mehreren Stunden noch nicht 100% wischfest.
Bei normaler Tintenmenge keine Probleme mit Verlaufen.
|-
| HP Original
| NoName Inkjet Folien
| Tintensparmodus aus, Qualität normal
| schlecht
| gut
| Bei klaren Inkjet-Folien neigt die Tinte zur Tröpchenbildung. Stellt man viel Tinte ein ergibt sich ein Tintensee der verlaufen kann und zur Rissbildung neigt. Bei Laserfolien ist dieser Effekt noch schlimmer, die sind glatt und können die Tinte gar nicht aufnehmen.
|}

=== Brother MFC260C ===

*bisher nichts brauchbares erzielt.
*Getestet: Zweckform Inkjetfolie, nahezu alle Einstellungen.Nie annähernd blickdicht, größere Flächen stellenweise fast durchsichtig.

== Laserdrucker nach Hersteller ==

===Hewlett Packard===

* [http://www.atx-netzteil.de/anfertigung_platinenlayout.htm#Drucker Website mit Hinweisen zu LaserJet-Druckern]

==== HP Laserjet 5200 ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Berolina (war dabei bei gebrauchten Drucker)
| A4 Overheadfolie (OHP Transparentfolie Transparentpapier) für s/w Laserdrucker und Kopierer
von LabelOcean (R)
| AUFLÖSUNG: PRORES1200
RET : DUNKEL
ECONOMODE: AUS
TONERDICHTE: 5
| schlecht
| sehr gut
| nicht lichtdicht, sehr schlecht bei Flächen
|-
| Originaltoner von HP (Q7516A)
| A4 Overheadfolie (OHP Transparentfolie Transparentpapier) für s/w Laserdrucker und Kopierer
von LabelOcean (R)
| AUFLÖSUNG: PRORES1200
RET : DUNKEL
ECONOMODE: AUS
TONERDICHTE: 5
| sehr gut
| sehr gut
| Unterschied wie Tag und Nacht im Vergleich zu Berolina
|}

==== HP Laserjet 2200 ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Laserfolie von Geha und Staples
| 600dpi
| schlecht
| sehr gut
| Leiterbahnen ok, Flächen angeätzt wegen fehlender Blickdichte (Geätzt wurde mit HCL+H2O2)
|-
| Originaltoner
| Zweckform 3491
| 600dpi
| mangelhaft
| gut
| nicht lichtdicht bei Flächen
|}

==== HP LaserJet P2055d ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Laserfolie Zweckform 3491
| ProRes 1200, Transparentfolie, leiser (langsamer) Modus
| befriedigend
| sehr gut
|
|-
| Originaltoner
| Laserfolie Zweckform 3491
| ProRes 1200, Transparentfolie, leiser (langsamer) Modus
| sehr gut
| sehr gut
| mit Huber Tonerverdichter LF-A
|}

==== HP LaserJet 5 Si/MX ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Zweckform 3491
| 600dpi, TonerSave aus, Grafikmodus: Raster
| mangelhaft, mit Tonerverdichter LF-A befriedigend-gut
| sehr gut
| Nach der Anwendung von Tonerverdichter gab es nur noch vereinzelte durchscheinende Stellen in großen Masseflächen. Die Folien verziehen sich in der Breite um etwa 1mm pro 10cm beim Durchlauf (A3 Drucker, Folien laufen quer durch).
Mit den Originaltreibern aus Windows 7 und Grafikmodus HP/GL wurden Pads in Eagle generell gefüllt gedruckt, mit Grafikmodus Rasterung trat das nicht auf.
|}

===Kyocera===
==== Kyocera Mita FS1000+ ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Tonermethode: Reicheltpapier oder billiges Papier von MM (Gelbe Verpackung "Copy Extra")
Belichtung: Laserfolie von Octamex.de oder FOLIE 3555 von Reichelt. Wenn die Folie noch mit Tonerverdichter eingesprüht wird, ist die Folie sehr lichtdicht (auch große Masseflächen sehr gut) (getestet mit FS1030D)
| 600dpi, kein Sparmodus (ausschalten nur per ETH oder extra SW für WindowsNT 4.0 möglich) als Medium "Folie" einstellen
| sehr gut
| sehr gut
| Keine Probleme bis 0,1er Leiterbahnen,Cups Standardtreiber; mit Windows ebenso
|}

==== Kyocera Mita MFC3940 ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Zweckform 3491
| 1200dpi, langsam, EcoPrint aus
| mangelhaft
| gut
| Gedruckt mittels Kyocera KX-Treiber. Deckungsprobleme bei großen Flächen. Sollte sich mit Tonerverdichter in den Griff bekommen lassen.
|}

==== Kyocera FS-C5250dn ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| FOLIE 3555 von Reichelt (Avery Zweckform 3555)
| Folie, s/w, EcoPrint aus
| ok, nach Behandlung mit Tonerverdichter gut
| gut
| Gedruckt mittels Kyocera KX-Treiber. Es sollten 2 Folien übereinandergelegt werden, sonst ist die Lichtdichheit nicht so berauschend.
|}

===Brother===

====DCP-9010cn====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Overheadfolie
| egal
| schlecht
| gut
| mit keiner Einstellung konnte ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden
|-
| Originaltoner
| Transparentpapier
| egal
| schlecht
| gut
| mit keiner Einstellung konnte ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden
|}

====HL-1430====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Overheadfolie Zweckform
| Folie, nicht Graustufen verbessern
| sehr gut*
| sehr gut
|Belichten: 4 UV-Röhren 300s, Leiterbahnabstand 0,2mm kein Problem. *Tonerverdichtung mit Etikettenlöser "Solvent 50"
|-
| Originaltoner
| Reichelt-Katalogpapier
| Normalpapier, nicht Graustufen verbessern
| -
| mittel
| Toner breitet sich beim Aufbügeln sehr auf
|}

====HL-5030====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Overheadfolie Zweckform 3491
| 600dpi, Schwärzungsgrad hoch
| gut
| sehr gut
| Belichten: 4 UV-Röhren 45s, Leiterbahnen mit 0,4mm kein Problem, mit ein wenig Erfahrung sind auch 0,3mm möglich.
|}
====HL-2040====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Transparentpapier 85g/m^2
| 600dpi, Schwärzungsgrad: Maximum, Einstellung: Dickes Papier
| gut
| sehr gut
| Belichten: 4 UV-Röhren 110s, Leiterbahnen mit 8mil kein Problem, mit ein wenig Erfahrung sind auch 6mil möglich. Auch gut für die Tonertransfermetode geeignet (Katalogpapier auf Normalpapier aufgeklebt).
|}
====HL-2030====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Sigel Transparent-Folie für S/W-Laser
| 600dpi, Schwärzungsgrad: Maximum, Einstellung: Folie
| gut
| sehr gut
| Belichten: 4 UV-Röhren 120s, [http://s207.photobucket.com/albums/bb49/higedigdag/Videos/?action=view&current=pcbdoublesided.flv Video einer doppelseitigen Platine]
|-
| Originaltoner
| No Name Folie für S/W-Laser
| 1200dpi, Einstellung: Folie
| schlecht
| gut
|
|-
| Original & Nachbau
| PEARL-Folie für S/W-Laser
| 600dpi, Einstellung: Folie
| sehr schlecht
| gut
|
|-
|}

====HL-2140====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| S/W-Laser Folie von Octamex.de, Hahnemühle FineArt Glatt,Hochtransparent(Ebay 50Blatt/5eur inkl.)
| HQ1200, Schwärzungsgrad: HQ, Einstellung: Normal Papier
| gut
| sehr gut
| Getestet unter Linux (Treiber auf der CD)
|-
| Originaltoner
| Overhead Folien, Avery Zweckform 3562
| Papierart: kaum Einfluss (getestet: "Dickeres", "Umschlag", "Transparenzfolie"), HQ1200, Dichteanpassung: 6
| gut
| sehr gut
| Gedruckt mit Windows; Eine einzelne Folie reicht aus, wenn mit der geringsten Belichtungszeit belichtet wird und relativ starker Entwickler verwendet wird (Bungard-Basismaterial, 20 g/l NaOH). Tonerverdichter wurde nicht verwendet.
|}

====MFC-9840CDW====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Pollin-Katalogpapier und andere glatte Papiere
| Einstellung: Normal Papier, S/W-Druck, [X] Enhance Black Printing
|
|
| Ergebnis nicht zu gebrauchen, 20mil-Leiterbahnen fehlen oder sind sehr lückenhaft, selbst 40mil Leiterbahnen zeigen Lücken, Ursache: orig. Brother-Toner ist wegen der hohen Schmelztemperatur für das Tonertransferverfahren nicht geeignet. Der Drucker ist übrigens Baujahr 2010.
|}

===Epson===
==== C1100 (Farblaser) ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Normalpapier, mit Öl transparent gemacht
| Druckqualität = Hoch
| gut
| sehr gut
| Bei 4x15W UV Belichtungszeit über 4 Minuten. Abstände von 0,635mm/25mil sind kein Problem, 16mil geht gerade noch. Daher vor allem für bedrahtete Sachen geeignet, wo sich so sehr niedrige Druckkosten ergeben.
[http://img47.imageshack.us/img47/8416/uwegwminbotplatinefertig0az.jpg Foto meiner ersten Platine]
--[[Benutzer:Uwegw|Uwegw]] 11:35, 19. Mai 2006 (CEST)

Platinenbelichtung mit einem auf Folie gedruckten Entwurf klappt auch bei mir sehr gut. Das Toner-Direktverfahren habe ich jedoch nicht hinbekommen. - PJ
|
|-
| Originaltoner
| Overheadfolie
| fein 600dpi
| sehr gut
| sehr gut
| Bei 8x15W UV Belichtungszeit 90sek; 12mil Leiterbahnen und 8mil Abstand, wenn man ordentlich arbeitet
--[[Benutzer:pw-sys|pw-sys]]

|}

===Samsung===
==== ML1610 ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| billiges (=ziemlich dünnes) Fotopapier, mit Öl transparent gemacht
| 600dpi, kein Sparmodus, CUPS mit Treiber "Samsung ML-1510 Foomatic/gdi"
| sehr gut
| sehr gut
| TQFP64 kein Problem, allerdings die Pads etwas schmaler machen als norma (so 10mil Breite), da sonst die Abstände zu klein werden. Linien bis 3 mil gut aufgelöst. Der Linux-Treiber von der CD liefert schlechtere Ergebnisse als der bei CUPS mitgelieferte für den ML1510. Keine Erfahrung mit Windows.

Sehr günstiger Drucker (neu <90EUR), mittlerweile ersetzt durch den Nachfolger ML2010.

--[[Benutzer:R2D2|R2D2]] 17:50, 22. Sep 2007 (CEST)
|}
==== CLP-321/315 ====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
| Originaltoner
| Overheadfolie
| Graustufen, Höchste Qualität"
| schlecht (durchscheinend mit Löchern)
| gut
| -

Zur Platinenherstellung nicht empfehlenswert, bei Farbdruck etwas besser, dafür Versatz und dadurch fehlende Kantenschärfe.
|}

===IBM===
====PagePrinter 3116====
{| border=1
| '''Toner'''
| '''Druckmedium'''
| '''Treibereinstellung'''
| '''Lichtdichtheit'''
| '''Schärfe'''
| '''Kommentar'''
|-
|Originaltoner
|Tonermethode auf Reicheltpapier
|1200dpi
|sehr gut, große Masseflächen einwandfrei
|sehr gut
|4mil Leiterbahn mit 8mil Abstand sind gut machbar, gedruckt mit cups und ps2 Treiber. Belichten durch Normalpapier+Öl ging auch ganz gut (TSSOP ohne Probleme).
|}

== Tonerverdichter ==
{| border=1
| '''Marke'''
| '''Lieferant'''
| '''Kommentar'''
|-
| Huber Tonerverdichter LF-A
| Reichelt
| Gute Ergebnisse mit HP-Toner, normale Leiterbahnen im Bereich weniger mm sind komplett Lichtdicht. Große Masseflächen können stellenweise noch kleine (im Bereich von 1/10mm) durchscheinende Punkte haben, bei der Belichtung fallen die aber nicht mehr weiter ins Gewicht.
|-
| Kontakt Chemie Solvent 50, Etikettenlöser
| Reichelt
| Empfehlung aus einem der Thread irgendwo im Forum. Der Tonerverdichter-Effekt tritt ein, allerdings nicht so kräftig wie mit LF-A. Kosten sind ähnlich.
|}

[[Kategorie:Platinen]]
[[Kategorie:Verbrauchsmaterial]]

== Folien ==

=== Für Laserdrucker ===
*Avery Zweckform Inkjet-Folien No: 3491 A4 (210X297mm)

=== Für Tintenstrahldrucker ===

*Avery Zweckform Inkjet-Folien No: 2503 A4 (210X297mm) (10 Stück)
*Avery Zweckform Inkjet-Folien No: 2504 A4 (210X297mm) (50 Stück)
*EPSON Inkjet Transparencies No: S041063 A4 (210X297mm / 8.3X11.7") (30 Stück)

Platinenherstellung mit der Tonertransfermethode

2015-08-11T23:37:41Z

Hegy: /* Notizen zu Druckern */ Negative Erfahrung zu Brother MFC-9840 (u. a.) zugefügt

Ohne die Zwischenschritte des Belichtens und Entwickelns können [[Platine]]n schneller und günstiger hergestellt werden, indem der Toner eines Laserdruckers oder Kopierers als Ätzmaske verwendet wird. Der Toner wird beim Erhitzen weich und haftet so am Kupfer der Platine.

Die erreichte Qualität hängt - wie auf dem konventionellen Wege auch - von vielen Faktoren ab, ist daher nicht unbedingt reproduzierbar, und meistens nicht so hoch wie die durch die optische Methode erreichte. 0,2 mm Leiterbahnbreite sind möglich (KM FS-1020D), durch den minimalen Tonerauftrag kommt es dabei allerdings u.U. zu kleinsten Löchern, die in dieser Größenordnung schon schaden können.

== Material ==
* Laserdrucker oder Kopierer
* Transfer-Medium (Zeitschriftenpapier, Reichelt-Katalogseite, glänzende Seite Geschenkpapier, Spezialpapier)
* kupferbeschichtete Platine (ohne! Fotolack und sonstige Beschichtungen)
* Stahlwolle oder Glitzi-Schwamm zum mechanischen Reinigen der Platine
* Aceton zum Entfetten der Platine
* Handelsübliches Bügeleisen, Laminator (ca. 180°C)
* Temperaturunempfindliche, glatte Oberfläche
* Ätzmittel

== Vorgehen ==

=== Drucken ===
Das Layout wird mit einem Laserdrucker (hier: Samsung ML4600) auf ein geeignetes Transfer-Medium (hier: Reichelt-Katalogseite) gedruckt. Am besten für den Transfer eignen sich beschichtete Hochglanzpapiersorten aus Katalogen oder Zeitschriften.

Bei SMD-Projekten (Leiterbahnen auf der Bestückungsseite) muß darauf geachtet werden, daß spiegelverkehrt gedruckt wird. Sollen sich die Leiterbahnen auf der Rückseite befinden, müßte 2x gespiegelt werden, was sich wieder aufhebt. Nur eventueller Text für die Rückseite muß dann gespiegelt werden. Zur Kontrolle kann der Vordruck durch Auflegen auf die Platine geprüft werden.

=== Platine reinigen ===
Die Platine ist ausgiebig zu reinigen. Dazu eignen sich Scheuermilch, ein Stahlwolle-Topfreiniger und am Ende Aceton zum Entfetten (Brennspiritus geht im Prinzip auch, hinterläßt aber immer einen (sehr) dünnen Fettfilm). Der Stahlwolle-Topfreiniger eignet sich auch sehr gut dazu, die Toner-Reste bei einem Fehlschlag wieder von der Platine herunter zu bekommen. Ein Glitzi-Schwamm ist weniger effektiv, geht aber auch (Glitzi-Schwamm = Küchen-Schwamm mit einseitiger Scheuerbeschichtung).

Es ist wichtig, eventuelle Verunreinigungen zu entfernen bis das Kupfer gleichmäßig glänzt, jedoch sollte man keinesfalls zu kräftig schrubben. Zu tiefe Furchen in der Kupferfläche führen beim Übertragen des Toners dazu, dass dieser in die Furchen verläuft. Leiterbahnen fransen dann aus, schmale Leiterbahnen könnten unterbrochen werden. Ein kurzes anätzen in der Ätzlösung mattiert die Oberfläche zusätzlich und sorgt für den Toner für besseren halt, er verläuft nicht so leicht.

=== Übertragen ===
Ein einfaches Bügeleisen bringt ausreichende Hitze. Die nötige Bügelzeit liegt bei etwa 5 Minuten, aber je nach Toner können auch bereits nach kürzerer Zeit (Bügeleisen max!) gute Ergebnisse erreicht werden. Zu langes Bügeln führt zu zunehmendem Verfließen des Toners.

Entscheidend ist, daß auf alle Bereiche Druck ausgeübt wird. Da Bügeleisen-Unterseite, Platine und Unterlage nie ganz eben sind, reicht es nicht, das Bügeleisen nur auf den Stapel draufzustellen und darauf zu drücken. Auch untergelegte Stoffe verteilen den Druck erfahrungsgemäß nicht ganz gleichmäßig.

Der Toner verklebt Blatt und Platine nach kurzer Zeit ausreichend gut (ggf. einen Rahmen um das gesamte Projekt drucken) so daß man nach kurzer Zeit den Stapel vorsichtig bewegen kann.

Bewährt hat es sich, den Stapel aus einer Lage Alufolie (als Gleithilfe), der Platine, dem Papier und dem Bügeleisen mehrfach über die Kante eines auf einer glatten Oberfläche (hier: Ceran-Kochfeld) liegenden Küchenhandtuchs gleiten zu lassen. Bei zu hohem Druck können die Leiterbahnen aber in die Breite gehen und natürlich darf der Stapel dabei nicht verrutschen!

[[Bild:Tonertransfer0.jpg|thumb|center|Übertragen]]

Laminiergeräte sind zum Aufbringen des Toners auf die Platine möglicherweise auch geeignet. Siehe dazu den Artikel [[Platinenlaminator]].

=== Papier abwaschen ===
Katalogpapiere können durch Einweichen in warmem Seifenwasser und sanftes Abreiben mit den Fingern entfernt werden, so dass nur der Toner auf der Platine verbleibt. Der Toner verbindet sich in der Regel bei gleichmäßigem Druck sehr gut mit der Kupferschicht, man kann überraschend beherzt vorgehen.

Mit handelsüblichen Badreiniger und einer Zahnbürste kann man die noch verbliebenden Papierfasern gut lösen. Das ist besonders dann wichtig, wenn man die "drill-aid.ulp" verwendet, weil Papierfasern häufig die kleinen Poren, die beim Zentrieren des Bohrers auf dem Pad helfen, verstopfen. Um dies zu korrigieren sprüht man die Platine mit Badreiniger ein und schrubbt mit der Zahnbürste, bis alle Papierfasern entfernt werden konnten.

[[Bild:Tonertransfer1.jpg|thumb|center|Nach dem Aufbügeln]]

=== Korrekturen ===

Man kann Fehler (z. B. Löcher in Leiterbahnen) im Aufdruck auf der Platine beheben. Mit einem wasserfesten Edding oder wasserfesten Folienstift kann man die betreffende Stelle bemalen. Die dünne Partikelschicht reicht aus, um das Kupfer vor dem Ätzmittel zu schützen.

Kleine Löcher (besonders in größeren Flächen) kann man möglicherweise durch "Einbrennen" schließen, wie auf [http://thomaspfeifer.net/platinen_aetzen.htm http://thomaspfeifer.net/platinen_aetzen.htm] beschrieben.

=== Ätzen ===

Nach dem Ätzen mit Eisen(III)-chlorid (FeCl3) oder Natriumpersulfat (Na2S2O8) (einzelne Papierfasern stören nicht, können aber feine Löcher verstopfen und verhindern, dass dort geätzt wird) sieht die Platine aus wie auf dem Bild. Die Kupferschicht verschwindet nach einiger Ätzzeit überall recht zügig. Man erkennt gut, wo noch Kupfer weggeätzt werden muss. Lieber ewtas länger als etwas zu kurz ätzen!

[[Bild:Tonertransfer2.jpg|thumb|center|Nach dem Ätzen]]

Danach wird der Toner mit Aceton entfernt. Ungiftiges mechanisches Entfernen des Toners funktioniert auch. Dazu rubbelt man mit der rauhen Seite eines Glitzi-Schwammes oder einem Stahlwolle-Topfreiniger (wirkungsvoller!) so lange auf der Platine herum, bis keine Tonerreste mehr zu sehen sind. Alternativ zum Schwamm eignet sich auch super ein "Schleifpad" aus dem Bau-/Sanitärmarkt, welches normalerweise zur Lötstellenreinigung von Kupferrohren verwendet wird.

[[Bild:Tonertransfer3.jpg|thumb|center|Gereinigte Platine]]

Aceton gibt es im Baumarkt (unbedingt Sicherheitsvorschriften beachten!)

=== Bestückungsdruck ===

Übrigens eignet sich die Tonertransfermethode auch hervorragend, um einen Bestückungsdruck auf der anderen Seite der Platine herzustellen. Dazu wird der Plan spiegelverkehrt gedruckt und auf die Platinenoberseite gebügelt. Am Besten gelingt die Positionierung auf einer bereits gebohrten Platine, die mit dem Papier gegen das Licht gehalten und auf die Bohrlöcher fixiert wird.

Der Toner hält auch auf der Vorderseite der Platine sehr gut (Epoxydharzplatinen), die Bestückung sollte der Druck auf jeden Fall überstehen. Man kann den Bestückungsdruck auch mit Lack vor Beschädigung schützen. "Plastik 70 - Schutzlack" eignet sich dazu beispielsweise hervorragend. Durch den Lack fallen zudem etwaige Papierfasern nicht mehr auf und die Platine glänzt schön.

[[Datei:bestueckungsdruck.jpg|thumb|center|lackierter Bestückungsdruck]]

Tip: Nach dem ersten Bügeldurchlauf abkühlen lassen und ein zweites mal darüber bügeln. Das macht dem Toner beständiger (gilt auch für den Toner auf der Kupferschicht).

Es ist u.U. auch möglich, das Einweichen in Wasser zu umgehen, indem man in Graustufen druckt - durch die Rasterung des Laserdruckers ist die Verbindung des Transfermediums mit der Leiterplatte auf Tonerpunkte begrenzt, die beim Abziehen eher auf der Platine verbleiben, als auf dem Transfermedium.

== Getestete Folien und Papiere ==

* Transparente Folie für Laserdrucker von NOBO (z.B. bei Staples, 13,99€ = ca. 28 Cent pro Folie)
** keine Papierrückstände nach dem Bügeln
** sehr gut zu positionieren bei doppelseitigen Platinenlayouts
** Bügeleiseneinstellung genau zwischen Baumwolle und Seide bringt beste Ergebnisse
* Seiten aus einem Reichelt-Katalog gehen super!!!
* Pollin-Katalog (Das Format lässt sich gut direkt bedrucken)
* Avery Zweckform Laser A4
* Injet Glossy Paper (Lidl) (Hochglanzfotopapier für Tintenstrahler) ist super gut!
* Papier aus einem ELV-Katalog/Focus/Spiegel (möglichst schwarz/weiße Seiten nehmen)
* Laminierfolie - http://www.mikrocontroller.net/topic/39028#288853
* Thermo-Papier (Fax-Papier) auf der glatten Seite
* Werbung/Heft, das es beim EDEKA an der Kasse umsonst gibt - top Ergebnis, keine Papierrückstände beim Abziehen!
* TPI Fotopapier, 5014, 10 x 15 cm, 240 g/m², Hochglanz, 100 Blatt (Conrad 4€)
** sehr gute Deckung
** braucht > 45min im Wasserbad
** keine Papierreste
** Bügeleisen auf MAX
* Spiegel-Papier, am besten nur mit Text, nur abziehen kein rubbeln nötig

== Notizen zu Druckern ==

Kyocera-Mita FS-1020D mit Reichelt-Katalogpapier
Kyocera-Mita FS-820 schluckt kein Reichelt-Papier, ist zu dünn.
Brother HL-1230 auch nicht, was sich aber umgehen lässt, indem man ein Seite Normalpapier unter die Katalogseite legt und den Durchzug des Druckers nutzt.

An sich gut geeignet ist der LBP3010, da dieser den Toner nicht sonderlich gründlich einbrennt. Bei Hochglanzpapier lässt sich der Toner sogar weitgehend vom Papier abwischen. Für einen besseren Einzug kann daher das Hochglanzpapier mit (original) Tesafilm auf einem normalen Blatt Papier fixiert werden, ohne dass der Drucker dadurch schaden nimmt*.

(*Angabe ohne Gewähr; für etwaige Schaden ist jeder selbst verantwortlich)

<nowiki>Hier den unformatierten Text eingeben</nowiki>== Druckerdatenbank ==
'''''HP:'''''
* '''LaserJet 4:''' Mit Reicheltpapier alleine bekommt man Papierstau.
* '''LaserJet 4100:''' Mit Reicheltpapier auf Papier geklebt funktioniert alles recht problemlos (Direkteinzug von Reichelt-Papier noch nicht ausprobiert).
* '''LaserJet 5MP:''' Reicheltpapier aus manueller Papierzufur geht problemlos
* '''LaserJet 6P:''' Ersatztoner von Reichelt, Druck auf (fast) DinA-4 Seiten aus Pollin Katalog - Problemfrei wenn man die hintere Umlenkklappe des Drucker (Gitter) öffnet und das Papier hier entnimmt!
* '''ColorJet 2550N:''' Toner haftet nur sehr schlecht auf Reicheltpapier. Selbe Einzugsprobleme wie der LJ4, doch mit einem A4 Papier als "Träger" umgehbar. Dazu einfach mit Prittstift an den oberen Ecken der kleineren Reicheltseite auf der A4 Kopierpapierseite fixieren. '''Kein Tesafilm - Drucker wird sonst beschädigt!'''
* '''Color LaserJet 2605dn:''' Toner haftet gut auf Reicheltpapier. Keine Einzugsprobleme wenn man verfährt wie beim 2550N.
* '''LaserJet 2200D:''' Zerknittert Reicheltpapier beim Einzug, lässt sich aber durch aufkleben auf ein DIN A4 Blatt trotzdem bedrucken.Druckergebnisse sind gut.
* '''LaserJet 1018:''' Geht mit aufgeklebter Reichelt Seite auf DINA4 Blatt
* '''LaserJet 1320:''' Schluckt eine Seite Reichelt Katalogpapier ohne Probleme. Bei größeren schwarzen Flächen leider unzureichende Deckkraft. Papiersorte "Rau" in den Druckereinstellungen bringt zwar Verbesserung, Tonerdichte jedoch immer noch nicht perfekt. Leiterbahnen jedoch sind kein Problem.

Manche Laser-Drucker (HP Laserjet 5MP) sparen (auch im nicht-Econo-Mode) bei großen Flächen offenbar stark an Toner. Große schwarze Flächen konnte ich nicht zuverlässig transferieren, Leiterbahnen in deren Nähe auch nicht.

'''''Epson:'''''
* '''AcuLaser C2000:''' Reichelt Papier auf Din A4 (mit Kreppklebeband) oder als Din A5 zurecht geschnitten ist kein Problem. Sehr gute Deckung, große Masseflächen sind kein Problem. Auch detaillierte farbige Zeichnungen lassen sich sehr gut transferieren (Alu Platten). Alles mit billig Toner.
* '''EPL-3000:''' Reichelt Papier geht direkt(Treiber HP-LJ4L), Hörzu (auf Din A4 geklebt) ist kein Problem. Sehr gute Deckung. Allerdings hat der Drucker nur 300dpi, daher sind feine Strukturen ein wenig problematisch.

* '''AcuLaser C4000:''' verwendet wurde 100g Papier auf Din A4 Das Papier ist schwerer aber auch sehr viele stabieler als das Papier aus einem Katalog.
Auch mit Katalog-Papier habe ich meine Erfahrungen gamacht. Leider waren die auf Papierstaus begrenzt.
Bei den ersten Tests hatte ich das Gefühl, das nicht genügend Toner auf´s Papier gebracht wurde und ein unterätzen eigesetzt hat. Darauf hin habe ich den selben Ausdruck zwei bzw. derei mal auf das selbe Blatt gebracht.
Wichtig ist dabei, das man das Papier auch beim ersten Ausdruck über einen gut justierten Einzelplatteinzug zuführt. So ist gewährleistet, dass das Papier genau auf die selbe Stelle in den Drucker führt wird und sich keine Schattenbilder ausbilden. So habe ich auch sehr feine Strukturen auf die Platine gebracht.

'''''Minolta:'''''
* '''PagePro 1200W:''' Reichelt Papier mit einem normalen Din A5 Papier als Träger (angeklebt) und über den manuellen Einzug, funktioniert ohne Probleme mit Nachfülltoner. Auf Backpapier haftet der Toner allerdings kaum
* '''KM bizhub C253:''' Verknittert das Reichelt-Papier recht gern, mit etwas Geduld kann man aber auch brauchbare Vorlagen produzieren.

'''''Lexmark:'''''
* '''Optra S 1650:''' Reichelt Papier auf Din A4 Träger: Druckt sehr dicht (Deckung auf Max. stellen), lässt sich gut auf die Platine übertragen. Super Ergebnisse.

* '''E120N:''' Sehr gute Erfolge mit Reichelt Papier auf Din A4 Träger: Druckt sehr dicht (Deckung auf Max. stellen), lässt sich gut auf die Platine übertragen. Super Ergebnisse. (Original Toner)

'''''Kyocera:'''''
* '''FS-400 / FS-400A:''' Reicheltpapier aus manueller Papierzufur geht, lässt sich gut auf die Platine übertragen. Super Ergebnisse. (Original Toner)
* '''FS-1000+''' Reicheltpapier vorher auf eine A4 Seite kleben am besten nur an der einzugseite befestigen sonst wellt es Poligone werden in mittleren teil sehr dünn gedruckt da am besten das Papier nicht abrubbeln. Hinterher noch die Platine mit der unbedruckten seite 5min aufs Bügeleisen legen dann werdenden die Polygone auch dicht.
*'''FS-3800''' Reicheltpapier alleine wickelt sich um die Tonertransferrolle, und verfängt sich in der Reinigungsmechanik. Tonertransfereinheit ist danach Schrott. DinA4-Träger habe ich dann nichtmehr probiert.
*'''FS-1800''' Reicheltpapier alleine wickelt sich um die Tonertransferrolle, entfernung nur mit massivem Aufwand und Gefahr des Defektes der Trommel möglich. Reichelt-Papier mit einem Klebestift der oberen Kante des Papiers (in Druckrichtung obere Kante ist gemeint) auf normales Papier kleben und manuell zuführen funktioniert.

'''''Brother:'''''
* '''HL-5250DN:''' Reichelt-Papier ohne Träger in der manuellen Papierzufuhr führt zu einem Papierstau. Mit DIN A4-Träger lässt sich das Layout jedoch problemlos mit Originaltoner drucken. Ergebnisse nach dem Bügeln sind erstaunlich gut. Leiterbahnen mit 6 mil Breite ließen sich ohne Unterbrechung herstellen.
* '''HL-1030:''' Mit Reichelt- oder Pollin-Papier kriegt man sehr gute Ergebnisse, der Toner ist bereits nach 2-3 mal Drübergehen mit nem Bügeleisen auf Stufe 2,5 sauber auf der Platine, Papier löst sich unter gewöhnlichem Wasser sehr leicht ab. Dünnes Katalogpapier kann man nur über den manuellen Papiereinzug verwenden, mit normalem Papier als Unterlage, das Katalog- und normale Papier müssen jedoch nicht verklebt werden. Toner gut abwaschbar mit Universalverdünnung.
* '''HL-1430:''' Sehr gute Ergebnisse mit Reicheltkatalogpapier, das mit Klebestift auf der Einzugseite auf normales Druckerpapier aufgeklebt ist. Der Toner läßt sich sehr gut mit "Solvent 50" entfernen.
* '''HL-2035:''' Getestet mit Fotopapier für Inkjets. Keine Probleme, eng beieinander liegende Strukturen müssen aber per Zahnstocher oder einer feinen Nadel von hängengebliebender Beschichtung befreit werden.
* '''MFC-9840 CDW:''' und wahrscheinlich noch andere der MFC-Serie und darüber hinaus, getestet in einigen Durchgängen mit Pollin-Papier und anderen glatten Papieren, KATASTROPHE! Mit dem original Brother-Toner kommt leider nichts vernünftiges bei raus. Um überhaupt ein evtl. brauchbares Ergebnis zu bekommen, müssen die Leiterbahnen mindestens ca. 1mm (ca. 40 mil) breit sein.

'''''Samsung:'''''
* '''ML-1520:''' Reichelt-Papier mit manuellen Einzug funktioniert wunderbar. Gute Ergebnisse mit Originaltoner.
* '''ML-1710:''' Reichelt-Papier mit manuellen Einzug funktioniert wunderbar. Gute Ergebnisse mit Originaltoner.
* '''ML-1915:''' Reichelt-Papier mit manuellen Einzug funktioniert wunderbar. Gute Ergebnisse mit Originaltoner.
* 3185FN: Reichelt-Papier Akzeptable Ergebnisse Besser wird es mit einem dicken glänzendem Papier. (Sühac Katalog)
Siehe auch http://www.heringshome.de/tutorials/aetzen-mit-der-direct-toner-methode.html
* '''ML-2250:''' Orginaltoner; Spiegel-Papier in A5 auf eine A4 Seite geklebt, Papier 5min einweichen,abziehen rubbeln nicht notwendig, Masse manchmal mit Löcher sonst 16mil kein Problem
* '''xpress C1810w:''' Toner von Ampertec. 100g/m² schweres, hochweißes, hochsatiniertes Papier (bei mir von Neusiedler) geht sehr gut. Mit etwas längere Einweichzeit in kaltem! Wasser direkt nach dem Laminieren bleibt kein Toner am Papier hängen. Einstellungen: manuell auf höchste Qualität. Reichelt Papier oder ähnliches geht nicht, Drucker hat damit ständig Papierstau.

'''''IBM:'''''
* '''PagePrinter 3116:''' Mit Reichelt-Papier gibt's Papierstau, aufkleben auf normales Papier funktioniert aber einwandfrei. 4mil Leiterbahn mit 8mil Abstand sind reproduzierbar, selbst riesige Masseflächen satt schwarz.

'''''Tektronix:'''''
* '''Phaser 740P:''' Mit Reichelt-Papier aufgeklebt (mit Klebestift) auf 80g/m^2 Papier und Originaltoner geht wunderbar, gibt aber manchmal Falten je nachdem wie man es angeklebt hat.

'''''Canon:'''''
* '''LBP2900:''' Mit Reichelt-Papier aufgeklebt (Tesa-Film, manchmal auch Iso-Band) auf 80g/m^2 Papier und Originaltoner. Eco-Mode aus, Kontrast voll aufgedreht. Helligkeit auf dunkelste Einstellung. Qualität reichte für TQFP100 aus. Dichte war in Ordnung. Auch größere Flächen meist ohne Probleme im Bezug auf Tonerdichte gedruckt und geätzt.
* '''IR1018:''' Mit Reichelt Papier im seitlichen Einzug. ECO Mode aus, Orginaltoner. Sehr gute Ergebnisse.

''''' OKI '''''
* '''MC342:''' TPI Fotopapier, 5014, 10 x 15 cm, 240 g/m², Hochglanz, manueller Einzug. Originaltoner, Sehr fein, Toner Sparen = aus. Sehr gutes Ergebniss
* '''B4250:''' relativ dickes Plakatpapier, Hochglanz, manueller Einzug. Originaltoner, Toner Sparen = ohne, angelaufene Platine mit Metallpolitur und Aceton gereinigt

== Links ==

* Ausführliche Diskussion verschiedener Varianten in [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-40012.html diesem Thread] im Mikrocontroller.net-Forum.
* http://www.fullnet.com/u/tomg/gooteepc.htm
* http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Platinenherstellung
* http://thomaspfeifer.net/platinen_aetzen.htm (Die Methode Schritt für Schritt erklärt mit Bildern und Video) + Regelung für Laminiergerät
* http://www.die-wuestens.de/dindex.htm?/platine.htm (spezielle Drucktransferfolie)
* http://members.aon.at/gwiesner/tho/tt/tonertransfermethode-0_4.pdf
* [http://www.pbase.com/mark10970/e260_modification Direct PCB Printing with a Laser Printer] (Umbau des Laserdruckers, zu bedruckendes PCB wird elektrisch negativ aufgeladen)
* http://hackaday.com/2006/05/27/pcb-fuser-for-toner-transfer-etching/
* [http://www.instructables.com/id/Toner-transfer-for-PCB-Flamethrower-Style Toner transfer for PCB: Flamethrower Style] (Sondermethode wenn man einen Brother-Laserdrucker hat und der Toner nicht mitspielt)

=== Im Forum ===
*http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-40012.html
*http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-261025.html - Umbau Laminiergerät
*[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-284891.html Forum - Tonertransfer mit Reichelt-Katalog 2006]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/335876#new Tonertransfer - so geht es! ]
[[Category:Platinen]]

Platinenherstellung mit der Tonertransfermethode

2015-08-11T23:06:17Z

Hegy: Links überarbeitet, 3 tote Links raus, ein Link geändert, einen für Schwierigkeiten mit Brother-Toner zugefügt

Ohne die Zwischenschritte des Belichtens und Entwickelns können [[Platine]]n schneller und günstiger hergestellt werden, indem der Toner eines Laserdruckers oder Kopierers als Ätzmaske verwendet wird. Der Toner wird beim Erhitzen weich und haftet so am Kupfer der Platine.

Die erreichte Qualität hängt - wie auf dem konventionellen Wege auch - von vielen Faktoren ab, ist daher nicht unbedingt reproduzierbar, und meistens nicht so hoch wie die durch die optische Methode erreichte. 0,2 mm Leiterbahnbreite sind möglich (KM FS-1020D), durch den minimalen Tonerauftrag kommt es dabei allerdings u.U. zu kleinsten Löchern, die in dieser Größenordnung schon schaden können.

== Material ==
* Laserdrucker oder Kopierer
* Transfer-Medium (Zeitschriftenpapier, Reichelt-Katalogseite, glänzende Seite Geschenkpapier, Spezialpapier)
* kupferbeschichtete Platine (ohne! Fotolack und sonstige Beschichtungen)
* Stahlwolle oder Glitzi-Schwamm zum mechanischen Reinigen der Platine
* Aceton zum Entfetten der Platine
* Handelsübliches Bügeleisen, Laminator (ca. 180°C)
* Temperaturunempfindliche, glatte Oberfläche
* Ätzmittel

== Vorgehen ==

=== Drucken ===
Das Layout wird mit einem Laserdrucker (hier: Samsung ML4600) auf ein geeignetes Transfer-Medium (hier: Reichelt-Katalogseite) gedruckt. Am besten für den Transfer eignen sich beschichtete Hochglanzpapiersorten aus Katalogen oder Zeitschriften.

Bei SMD-Projekten (Leiterbahnen auf der Bestückungsseite) muß darauf geachtet werden, daß spiegelverkehrt gedruckt wird. Sollen sich die Leiterbahnen auf der Rückseite befinden, müßte 2x gespiegelt werden, was sich wieder aufhebt. Nur eventueller Text für die Rückseite muß dann gespiegelt werden. Zur Kontrolle kann der Vordruck durch Auflegen auf die Platine geprüft werden.

=== Platine reinigen ===
Die Platine ist ausgiebig zu reinigen. Dazu eignen sich Scheuermilch, ein Stahlwolle-Topfreiniger und am Ende Aceton zum Entfetten (Brennspiritus geht im Prinzip auch, hinterläßt aber immer einen (sehr) dünnen Fettfilm). Der Stahlwolle-Topfreiniger eignet sich auch sehr gut dazu, die Toner-Reste bei einem Fehlschlag wieder von der Platine herunter zu bekommen. Ein Glitzi-Schwamm ist weniger effektiv, geht aber auch (Glitzi-Schwamm = Küchen-Schwamm mit einseitiger Scheuerbeschichtung).

Es ist wichtig, eventuelle Verunreinigungen zu entfernen bis das Kupfer gleichmäßig glänzt, jedoch sollte man keinesfalls zu kräftig schrubben. Zu tiefe Furchen in der Kupferfläche führen beim Übertragen des Toners dazu, dass dieser in die Furchen verläuft. Leiterbahnen fransen dann aus, schmale Leiterbahnen könnten unterbrochen werden. Ein kurzes anätzen in der Ätzlösung mattiert die Oberfläche zusätzlich und sorgt für den Toner für besseren halt, er verläuft nicht so leicht.

=== Übertragen ===
Ein einfaches Bügeleisen bringt ausreichende Hitze. Die nötige Bügelzeit liegt bei etwa 5 Minuten, aber je nach Toner können auch bereits nach kürzerer Zeit (Bügeleisen max!) gute Ergebnisse erreicht werden. Zu langes Bügeln führt zu zunehmendem Verfließen des Toners.

Entscheidend ist, daß auf alle Bereiche Druck ausgeübt wird. Da Bügeleisen-Unterseite, Platine und Unterlage nie ganz eben sind, reicht es nicht, das Bügeleisen nur auf den Stapel draufzustellen und darauf zu drücken. Auch untergelegte Stoffe verteilen den Druck erfahrungsgemäß nicht ganz gleichmäßig.

Der Toner verklebt Blatt und Platine nach kurzer Zeit ausreichend gut (ggf. einen Rahmen um das gesamte Projekt drucken) so daß man nach kurzer Zeit den Stapel vorsichtig bewegen kann.

Bewährt hat es sich, den Stapel aus einer Lage Alufolie (als Gleithilfe), der Platine, dem Papier und dem Bügeleisen mehrfach über die Kante eines auf einer glatten Oberfläche (hier: Ceran-Kochfeld) liegenden Küchenhandtuchs gleiten zu lassen. Bei zu hohem Druck können die Leiterbahnen aber in die Breite gehen und natürlich darf der Stapel dabei nicht verrutschen!

[[Bild:Tonertransfer0.jpg|thumb|center|Übertragen]]

Laminiergeräte sind zum Aufbringen des Toners auf die Platine möglicherweise auch geeignet. Siehe dazu den Artikel [[Platinenlaminator]].

=== Papier abwaschen ===
Katalogpapiere können durch Einweichen in warmem Seifenwasser und sanftes Abreiben mit den Fingern entfernt werden, so dass nur der Toner auf der Platine verbleibt. Der Toner verbindet sich in der Regel bei gleichmäßigem Druck sehr gut mit der Kupferschicht, man kann überraschend beherzt vorgehen.

Mit handelsüblichen Badreiniger und einer Zahnbürste kann man die noch verbliebenden Papierfasern gut lösen. Das ist besonders dann wichtig, wenn man die "drill-aid.ulp" verwendet, weil Papierfasern häufig die kleinen Poren, die beim Zentrieren des Bohrers auf dem Pad helfen, verstopfen. Um dies zu korrigieren sprüht man die Platine mit Badreiniger ein und schrubbt mit der Zahnbürste, bis alle Papierfasern entfernt werden konnten.

[[Bild:Tonertransfer1.jpg|thumb|center|Nach dem Aufbügeln]]

=== Korrekturen ===

Man kann Fehler (z. B. Löcher in Leiterbahnen) im Aufdruck auf der Platine beheben. Mit einem wasserfesten Edding oder wasserfesten Folienstift kann man die betreffende Stelle bemalen. Die dünne Partikelschicht reicht aus, um das Kupfer vor dem Ätzmittel zu schützen.

Kleine Löcher (besonders in größeren Flächen) kann man möglicherweise durch "Einbrennen" schließen, wie auf [http://thomaspfeifer.net/platinen_aetzen.htm http://thomaspfeifer.net/platinen_aetzen.htm] beschrieben.

=== Ätzen ===

Nach dem Ätzen mit Eisen(III)-chlorid (FeCl3) oder Natriumpersulfat (Na2S2O8) (einzelne Papierfasern stören nicht, können aber feine Löcher verstopfen und verhindern, dass dort geätzt wird) sieht die Platine aus wie auf dem Bild. Die Kupferschicht verschwindet nach einiger Ätzzeit überall recht zügig. Man erkennt gut, wo noch Kupfer weggeätzt werden muss. Lieber ewtas länger als etwas zu kurz ätzen!

[[Bild:Tonertransfer2.jpg|thumb|center|Nach dem Ätzen]]

Danach wird der Toner mit Aceton entfernt. Ungiftiges mechanisches Entfernen des Toners funktioniert auch. Dazu rubbelt man mit der rauhen Seite eines Glitzi-Schwammes oder einem Stahlwolle-Topfreiniger (wirkungsvoller!) so lange auf der Platine herum, bis keine Tonerreste mehr zu sehen sind. Alternativ zum Schwamm eignet sich auch super ein "Schleifpad" aus dem Bau-/Sanitärmarkt, welches normalerweise zur Lötstellenreinigung von Kupferrohren verwendet wird.

[[Bild:Tonertransfer3.jpg|thumb|center|Gereinigte Platine]]

Aceton gibt es im Baumarkt (unbedingt Sicherheitsvorschriften beachten!)

=== Bestückungsdruck ===

Übrigens eignet sich die Tonertransfermethode auch hervorragend, um einen Bestückungsdruck auf der anderen Seite der Platine herzustellen. Dazu wird der Plan spiegelverkehrt gedruckt und auf die Platinenoberseite gebügelt. Am Besten gelingt die Positionierung auf einer bereits gebohrten Platine, die mit dem Papier gegen das Licht gehalten und auf die Bohrlöcher fixiert wird.

Der Toner hält auch auf der Vorderseite der Platine sehr gut (Epoxydharzplatinen), die Bestückung sollte der Druck auf jeden Fall überstehen. Man kann den Bestückungsdruck auch mit Lack vor Beschädigung schützen. "Plastik 70 - Schutzlack" eignet sich dazu beispielsweise hervorragend. Durch den Lack fallen zudem etwaige Papierfasern nicht mehr auf und die Platine glänzt schön.

[[Datei:bestueckungsdruck.jpg|thumb|center|lackierter Bestückungsdruck]]

Tip: Nach dem ersten Bügeldurchlauf abkühlen lassen und ein zweites mal darüber bügeln. Das macht dem Toner beständiger (gilt auch für den Toner auf der Kupferschicht).

Es ist u.U. auch möglich, das Einweichen in Wasser zu umgehen, indem man in Graustufen druckt - durch die Rasterung des Laserdruckers ist die Verbindung des Transfermediums mit der Leiterplatte auf Tonerpunkte begrenzt, die beim Abziehen eher auf der Platine verbleiben, als auf dem Transfermedium.

== Getestete Folien und Papiere ==

* Transparente Folie für Laserdrucker von NOBO (z.B. bei Staples, 13,99€ = ca. 28 Cent pro Folie)
** keine Papierrückstände nach dem Bügeln
** sehr gut zu positionieren bei doppelseitigen Platinenlayouts
** Bügeleiseneinstellung genau zwischen Baumwolle und Seide bringt beste Ergebnisse
* Seiten aus einem Reichelt-Katalog gehen super!!!
* Pollin-Katalog (Das Format lässt sich gut direkt bedrucken)
* Avery Zweckform Laser A4
* Injet Glossy Paper (Lidl) (Hochglanzfotopapier für Tintenstrahler) ist super gut!
* Papier aus einem ELV-Katalog/Focus/Spiegel (möglichst schwarz/weiße Seiten nehmen)
* Laminierfolie - http://www.mikrocontroller.net/topic/39028#288853
* Thermo-Papier (Fax-Papier) auf der glatten Seite
* Werbung/Heft, das es beim EDEKA an der Kasse umsonst gibt - top Ergebnis, keine Papierrückstände beim Abziehen!
* TPI Fotopapier, 5014, 10 x 15 cm, 240 g/m², Hochglanz, 100 Blatt (Conrad 4€)
** sehr gute Deckung
** braucht > 45min im Wasserbad
** keine Papierreste
** Bügeleisen auf MAX
* Spiegel-Papier, am besten nur mit Text, nur abziehen kein rubbeln nötig

== Notizen zu Druckern ==

Kyocera-Mita FS-1020D mit Reichelt-Katalogpapier
Kyocera-Mita FS-820 schluckt kein Reichelt-Papier, ist zu dünn.
Brother HL-1230 auch nicht, was sich aber umgehen lässt, indem man ein Seite Normalpapier unter die Katalogseite legt und den Durchzug des Druckers nutzt.

An sich gut geeignet ist der LBP3010, da dieser den Toner nicht sonderlich gründlich einbrennt. Bei Hochglanzpapier lässt sich der Toner sogar weitgehend vom Papier abwischen. Für einen besseren Einzug kann daher das Hochglanzpapier mit (original) Tesafilm auf einem normalen Blatt Papier fixiert werden, ohne dass der Drucker dadurch schaden nimmt*.

(*Angabe ohne Gewähr; für etwaige Schaden ist jeder selbst verantwortlich)

<nowiki>Hier den unformatierten Text eingeben</nowiki>== Druckerdatenbank ==
'''''HP:'''''
* '''LaserJet 4:''' Mit Reicheltpapier alleine bekommt man Papierstau.
* '''LaserJet 4100:''' Mit Reicheltpapier auf Papier geklebt funktioniert alles recht problemlos (Direkteinzug von Reichelt-Papier noch nicht ausprobiert).
* '''LaserJet 5MP:''' Reicheltpapier aus manueller Papierzufur geht problemlos
* '''LaserJet 6P:''' Ersatztoner von Reichelt, Druck auf (fast) DinA-4 Seiten aus Pollin Katalog - Problemfrei wenn man die hintere Umlenkklappe des Drucker (Gitter) öffnet und das Papier hier entnimmt!
* '''ColorJet 2550N:''' Toner haftet nur sehr schlecht auf Reicheltpapier. Selbe Einzugsprobleme wie der LJ4, doch mit einem A4 Papier als "Träger" umgehbar. Dazu einfach mit Prittstift an den oberen Ecken der kleineren Reicheltseite auf der A4 Kopierpapierseite fixieren. '''Kein Tesafilm - Drucker wird sonst beschädigt!'''
* '''Color LaserJet 2605dn:''' Toner haftet gut auf Reicheltpapier. Keine Einzugsprobleme wenn man verfährt wie beim 2550N.
* '''LaserJet 2200D:''' Zerknittert Reicheltpapier beim Einzug, lässt sich aber durch aufkleben auf ein DIN A4 Blatt trotzdem bedrucken.Druckergebnisse sind gut.
* '''LaserJet 1018:''' Geht mit aufgeklebter Reichelt Seite auf DINA4 Blatt
* '''LaserJet 1320:''' Schluckt eine Seite Reichelt Katalogpapier ohne Probleme. Bei größeren schwarzen Flächen leider unzureichende Deckkraft. Papiersorte "Rau" in den Druckereinstellungen bringt zwar Verbesserung, Tonerdichte jedoch immer noch nicht perfekt. Leiterbahnen jedoch sind kein Problem.

Manche Laser-Drucker (HP Laserjet 5MP) sparen (auch im nicht-Econo-Mode) bei großen Flächen offenbar stark an Toner. Große schwarze Flächen konnte ich nicht zuverlässig transferieren, Leiterbahnen in deren Nähe auch nicht.

'''''Epson:'''''
* '''AcuLaser C2000:''' Reichelt Papier auf Din A4 (mit Kreppklebeband) oder als Din A5 zurecht geschnitten ist kein Problem. Sehr gute Deckung, große Masseflächen sind kein Problem. Auch detaillierte farbige Zeichnungen lassen sich sehr gut transferieren (Alu Platten). Alles mit billig Toner.
* '''EPL-3000:''' Reichelt Papier geht direkt(Treiber HP-LJ4L), Hörzu (auf Din A4 geklebt) ist kein Problem. Sehr gute Deckung. Allerdings hat der Drucker nur 300dpi, daher sind feine Strukturen ein wenig problematisch.

* '''AcuLaser C4000:''' verwendet wurde 100g Papier auf Din A4 Das Papier ist schwerer aber auch sehr viele stabieler als das Papier aus einem Katalog.
Auch mit Katalog-Papier habe ich meine Erfahrungen gamacht. Leider waren die auf Papierstaus begrenzt.
Bei den ersten Tests hatte ich das Gefühl, das nicht genügend Toner auf´s Papier gebracht wurde und ein unterätzen eigesetzt hat. Darauf hin habe ich den selben Ausdruck zwei bzw. derei mal auf das selbe Blatt gebracht.
Wichtig ist dabei, das man das Papier auch beim ersten Ausdruck über einen gut justierten Einzelplatteinzug zuführt. So ist gewährleistet, dass das Papier genau auf die selbe Stelle in den Drucker führt wird und sich keine Schattenbilder ausbilden. So habe ich auch sehr feine Strukturen auf die Platine gebracht.

'''''Minolta:'''''
* '''PagePro 1200W:''' Reichelt Papier mit einem normalen Din A5 Papier als Träger (angeklebt) und über den manuellen Einzug, funktioniert ohne Probleme mit Nachfülltoner. Auf Backpapier haftet der Toner allerdings kaum
* '''KM bizhub C253:''' Verknittert das Reichelt-Papier recht gern, mit etwas Geduld kann man aber auch brauchbare Vorlagen produzieren.

'''''Lexmark:'''''
* '''Optra S 1650:''' Reichelt Papier auf Din A4 Träger: Druckt sehr dicht (Deckung auf Max. stellen), lässt sich gut auf die Platine übertragen. Super Ergebnisse.

* '''E120N:''' Sehr gute Erfolge mit Reichelt Papier auf Din A4 Träger: Druckt sehr dicht (Deckung auf Max. stellen), lässt sich gut auf die Platine übertragen. Super Ergebnisse. (Original Toner)

'''''Kyocera:'''''
* '''FS-400 / FS-400A:''' Reicheltpapier aus manueller Papierzufur geht, lässt sich gut auf die Platine übertragen. Super Ergebnisse. (Original Toner)
* '''FS-1000+''' Reicheltpapier vorher auf eine A4 Seite kleben am besten nur an der einzugseite befestigen sonst wellt es Poligone werden in mittleren teil sehr dünn gedruckt da am besten das Papier nicht abrubbeln. Hinterher noch die Platine mit der unbedruckten seite 5min aufs Bügeleisen legen dann werdenden die Polygone auch dicht.
*'''FS-3800''' Reicheltpapier alleine wickelt sich um die Tonertransferrolle, und verfängt sich in der Reinigungsmechanik. Tonertransfereinheit ist danach Schrott. DinA4-Träger habe ich dann nichtmehr probiert.
*'''FS-1800''' Reicheltpapier alleine wickelt sich um die Tonertransferrolle, entfernung nur mit massivem Aufwand und Gefahr des Defektes der Trommel möglich. Reichelt-Papier mit einem Klebestift der oberen Kante des Papiers (in Druckrichtung obere Kante ist gemeint) auf normales Papier kleben und manuell zuführen funktioniert.

'''''Brother:'''''
* '''HL-5250DN:''' Reichelt-Papier ohne Träger in der manuellen Papierzufuhr führt zu einem Papierstau. Mit DIN A4-Träger lässt sich das Layout jedoch problemlos mit Originaltoner drucken. Ergebnisse nach dem Bügeln sind erstaunlich gut. Leiterbahnen mit 6 mil Breite ließen sich ohne Unterbrechung herstellen.
* '''HL-1030:''' Mit Reichelt- oder Pollin-Papier kriegt man sehr gute Ergebnisse, der Toner ist bereits nach 2-3 mal Drübergehen mit nem Bügeleisen auf Stufe 2,5 sauber auf der Platine, Papier löst sich unter gewöhnlichem Wasser sehr leicht ab. Dünnes Katalogpapier kann man nur über den manuellen Papiereinzug verwenden, mit normalem Papier als Unterlage, das Katalog- und normale Papier müssen jedoch nicht verklebt werden. Toner gut abwaschbar mit Universalverdünnung.
* '''HL-1430:''' Sehr gute Ergebnisse mit Reicheltkatalogpapier, das mit Klebestift auf der Einzugseite auf normales Druckerpapier aufgeklebt ist. Der Toner läßt sich sehr gut mit "Solvent 50" entfernen.
* '''HL-2035:''' Getestet mit Fotopapier für Inkjets. Keine Probleme, eng beieinander liegende Strukturen müssen aber per Zahnstocher oder einer feinen Nadel von hängengebliebender Beschichtung befreit werden.

'''''Samsung:'''''
* '''ML-1520:''' Reichelt-Papier mit manuellen Einzug funktioniert wunderbar. Gute Ergebnisse mit Originaltoner.
* '''ML-1710:''' Reichelt-Papier mit manuellen Einzug funktioniert wunderbar. Gute Ergebnisse mit Originaltoner.
* '''ML-1915:''' Reichelt-Papier mit manuellen Einzug funktioniert wunderbar. Gute Ergebnisse mit Originaltoner.
* 3185FN: Reichelt-Papier Akzeptable Ergebnisse Besser wird es mit einem dicken glänzendem Papier. (Sühac Katalog)
Siehe auch http://www.heringshome.de/tutorials/aetzen-mit-der-direct-toner-methode.html
* '''ML-2250:''' Orginaltoner; Spiegel-Papier in A5 auf eine A4 Seite geklebt, Papier 5min einweichen,abziehen rubbeln nicht notwendig, Masse manchmal mit Löcher sonst 16mil kein Problem
* '''xpress C1810w:''' Toner von Ampertec. 100g/m² schweres, hochweißes, hochsatiniertes Papier (bei mir von Neusiedler) geht sehr gut. Mit etwas längere Einweichzeit in kaltem! Wasser direkt nach dem Laminieren bleibt kein Toner am Papier hängen. Einstellungen: manuell auf höchste Qualität. Reichelt Papier oder ähnliches geht nicht, Drucker hat damit ständig Papierstau.

'''''IBM:'''''
* '''PagePrinter 3116:''' Mit Reichelt-Papier gibt's Papierstau, aufkleben auf normales Papier funktioniert aber einwandfrei. 4mil Leiterbahn mit 8mil Abstand sind reproduzierbar, selbst riesige Masseflächen satt schwarz.

'''''Tektronix:'''''
* '''Phaser 740P:''' Mit Reichelt-Papier aufgeklebt (mit Klebestift) auf 80g/m^2 Papier und Originaltoner geht wunderbar, gibt aber manchmal Falten je nachdem wie man es angeklebt hat.

'''''Canon:'''''
* '''LBP2900:''' Mit Reichelt-Papier aufgeklebt (Tesa-Film, manchmal auch Iso-Band) auf 80g/m^2 Papier und Originaltoner. Eco-Mode aus, Kontrast voll aufgedreht. Helligkeit auf dunkelste Einstellung. Qualität reichte für TQFP100 aus. Dichte war in Ordnung. Auch größere Flächen meist ohne Probleme im Bezug auf Tonerdichte gedruckt und geätzt.
* '''IR1018:''' Mit Reichelt Papier im seitlichen Einzug. ECO Mode aus, Orginaltoner. Sehr gute Ergebnisse.

''''' OKI '''''
* '''MC342:''' TPI Fotopapier, 5014, 10 x 15 cm, 240 g/m², Hochglanz, manueller Einzug. Originaltoner, Sehr fein, Toner Sparen = aus. Sehr gutes Ergebniss
* '''B4250:''' relativ dickes Plakatpapier, Hochglanz, manueller Einzug. Originaltoner, Toner Sparen = ohne, angelaufene Platine mit Metallpolitur und Aceton gereinigt

== Links ==

* Ausführliche Diskussion verschiedener Varianten in [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-40012.html diesem Thread] im Mikrocontroller.net-Forum.
* http://www.fullnet.com/u/tomg/gooteepc.htm
* http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Platinenherstellung
* http://thomaspfeifer.net/platinen_aetzen.htm (Die Methode Schritt für Schritt erklärt mit Bildern und Video) + Regelung für Laminiergerät
* http://www.die-wuestens.de/dindex.htm?/platine.htm (spezielle Drucktransferfolie)
* http://members.aon.at/gwiesner/tho/tt/tonertransfermethode-0_4.pdf
* [http://www.pbase.com/mark10970/e260_modification Direct PCB Printing with a Laser Printer] (Umbau des Laserdruckers, zu bedruckendes PCB wird elektrisch negativ aufgeladen)
* http://hackaday.com/2006/05/27/pcb-fuser-for-toner-transfer-etching/
* [http://www.instructables.com/id/Toner-transfer-for-PCB-Flamethrower-Style Toner transfer for PCB: Flamethrower Style] (Sondermethode wenn man einen Brother-Laserdrucker hat und der Toner nicht mitspielt)

=== Im Forum ===
*http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-40012.html
*http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-261025.html - Umbau Laminiergerät
*[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-284891.html Forum - Tonertransfer mit Reichelt-Katalog 2006]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/335876#new Tonertransfer - so geht es! ]
[[Category:Platinen]]

AVR-Dragon

2014-06-11T15:23:26Z

Hegy: Link zu AVR-Dragon Seite korrigiert

[[Datei:AVR Dragon.jpg|400px|Ein AVR-Dragon der ersten Generation]][[Datei:dragon_bottom.jpg|400px|Ein AVR-Dragon der ersten Generation (Rückseite)]]
[[Bild:dragon_box.jpg|290px|right|miniatur|z. B. mit Kassettenhülle als Gehäuse und aufgesetztem [http://www.mikrocontroller.net/topic/136702#1330420 Dragonlair], in welches auch noch ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/136702#1539194 USB<->Seriell Wandler] mit [http://www.ftdichip.com/Products/FT2232C.htm FT2232RL] und ein USB-Hub passt, an dem er direkt angeschlossen ist, um eine Überstrombegrenzung zu haben, falls der PC diese nicht hat.]]
== Allgemeines zum AVR-Dragon ==

Der '''[http://www.atmel.com/AVRDRAGON AVR-Dragon]''' ist ein preiswerter [[AVR In System Programmer|ISP]] und ICE (OCD) von [[Atmel]], der aufgrund seines Preis/Leistungs-Verhältnisses schnell populär wurde. Atmel wurde von dieser Popularität überrascht, da der Dragon wohl ursprünglich nur als ein "Gimmick" zur Verbreitung von AVRs in Asien gedacht war.

Die großen Vorteile des Dragons sind, dass er alle Programmiermodi beherrscht, mit Ausnahme von TPI, aber inklusive PDI (XMEGAs) und High-Voltage Parallel Programming (mit [http://www.mikrocontroller.net/topic/66241 Adaptern], "verfuste" AVRs retten), dass er ein natives USB-Interface hat, von AVR-Studio unterstützt wird, und sogar [[JTAG]] und [[debugWIRE]] On-Chip-Debugging (OCD) unterstützt (bei den AVRs die dies können).

Auch eine Stromversorgung bis maximal 300mA (strombegrenzend wirkt, wenn dann der USB-Hub) ist integriert, wobei der Strom über die USB-Schnittstelle bezogen wird. Es lassen sich trotzdem auch Boards mit ihrer eigenen Stromversorgung betreiben. Hierbei darf allerdings keine Verbindung zur Stromversorgung des AVR-Dragon bestehen. Ein Levelconverter passt die Spannungen für JTAG, ISP, PDU und dW an, so dass beispielsweise auch das Programmieren und Debuggen von 3,3 V Schaltungen möglich ist.

Zu den größten bekannten Nachteilen gehören, dass der Dragon völlig "nackt" kommt. Kein USB-Kabel, kein Gehäuse, nicht einmal Abstandsbolzen unter der Platine, keine Patchkabel und nicht einmal die Fassungen zum Einstecken von AVRs sind bestückt. Eine gedruckte Anleitung gibt es auch nicht. Daneben wird aufgrund des Stromverbrauchs des Dragon ein USB-Hub mit Netzteil benötigt.

Weiter ist der Dragon dafür bekannt, empfindlich auf statische Aufladungen zu reagieren. Ein Spannungsregler und ein Ausgangstreiber gehen dabei besonders gerne kaputt. Ein gerne von Anfängern gemachter Fehler ist es, den Dragon im Betrieb auf dem mitgelieferten "Schaumstoff" aus der Verpackung liegen zu lassen. Das ist jedoch kein Schaumstoff, sondern leitendes Moosgummi. Atmel verwendet hier ein ungewöhnlich niederohmiges Material, dass die Platine im Betrieb nicht darauf gelegt werden sollte. Schäden sind zwar nicht zu erwarten, Fehlfunktionen sind allerdings sehr wahrscheinlich.
(Die bei einem im Juli 2010 bei Reichelt bestellten AVR Dragon beiligenden Anti-Statik-Matten weisen ca. 3-10 kOhm pro cm bei ca. 1 mm² Kontaktfläche der Messspitzen auf, die gelieferte Platine hat bereits die Befestigungsbohrungen und die Revisionsnummer A08-0396.D)

== Debuggen ==

Durch die integrierte JTAG und debugWire-Schnittstelle ist On-Chip-Debuggen (OCD) von unterstützten Mikrocontrollern möglich.

Ursprünglich hatte Atmel die Debugmöglichkeiten künstlich auf AVRs mit bis zu 32 KB Flash-Speicher begrenzt. Mit einer mit AVR Studio 4.18 mitgelieferten Dragon-Firmware wurde diese künstliche Einschränkung fallen gelassen.

== Hardware-Generationen ==

Es sind mindestens zwei unterschiedliche Hardware-Generationen des Dragon bekannt. Die ursprüngliche Hardware (siehe Bild am Anfang dieser Seite) und eine neuere Version. Die neuere Version tauchte erstmals Ende 2008, Anfang 2009 auf. Man kann sie daran erkennen, dass die Platine vier Befestigungslöcher (jedoch immer noch keine Abstandsbolzen) und ein anderes Layout der Stromversorgung enthält. Die geänderte Stromversorgung lässt darauf schließen, dass Atmel die immer wieder auftretenden Probleme mit den defekten Stromversorgungen der ersten Hardware-Generation bekannt sind.

Diese neue Hardware-Generation hat von Atmel keinen eigenen Namen bekommen und lässt sich auch nicht durch die Verpackung von alten Dragons unterscheiden.

== Vorteile ==
* Programmierung und Debugging von Tiny, Mega, XMEGA und AVR32 MCUs

* USB-Anschluss, den alle neueren PCs/Laptops haben

* gute Transportierbarkeit, da kein Netzteil benötigt wird (was dadurch aufgehoben wird, dass man einen Dragon nur an einem USB-Hub mit eigenem Netzteil (self-powered, mindestens 500 mA), nie direkt am PC oder an einem USB-Hub ohne eigenes Netzteil (bus-powered) betreiben sollte[http://support.atmel.no/knowledgebase/avrstudiohelp/mergedProjects/AVRDragon/AVRDragon.htm], da zumindest die Dragons der ersten Generation einen Spannungswandler besitzen, der sehr empfindlich gegenüber Unterspannung sein soll).

* vergleichsweise geringer Preis

* viele Schnittstellen, dadurch viele AVRs programmierbar und debugbar

* Unterstützung durch AVR-Studio in Windows

* Unterstützung durch [[avrdude]] unter Linux

* Firmware-Updates lassen sich mittels einer proprietären Atmel-Software unter Windows einspielen, die als Teil von AVR Studio geliefert wird. Des Weiteren bietet das AVR32 Studio die Möglichkeit Updates für den Dragon einzuspielen. Somit ist ein Update auch unter Linux möglich.

== Nachteile ==

* Der Dragon wird ohne Gehäuse und Kabel geliefert. Zum Teil sind Header nicht bestückt. Ebenso sind die IC-Fassungen nicht bestückt.
**Hardware der ersten Generation hatte nicht einmal Montagelöcher, so dass die Befestigung in einem eigenen Gehäuse ein Abenteuer war.
**Die fehlenden Kabel stören Anfänger. Das fehlende USB-Kabel hat man vielleicht noch in der Kramkiste. Die fehlenden ISP- und JTAG-Anschlusskabel lassen sich noch selber aus Flachbandkabel und IDC-Buchsen quetschen. Wobei die 6-poligen IDC-Buchsen für ISP schon nicht in jedem Elektronikladen erhältlich sind (Bezugsquelle zum Beispiel [http://www.reichelt.de/?ARTICLE=53153;GROUPID=3231; Reichelt Pfostenbuchse PFL 6]). Die fehlenden Jumper-Kabel sind jedoch wirklich ärgerlich, da sie käuflich sehr schwer erhältlich sind. Für die Herstellung eignen sich die gedrehten Kontakte aus Präzisions-Buchsenleisten sehr gut. Dazu benötigt man noch möglichst verschiedenfarbige Litzen und Schrumpfschläuche. Insgesamt sollte man 8 einpolige und 8 zweipolige Kabel anfertigen, um auch die parallele Hochspannungsprogrammierung nutzen zu können (zum Beispiel bei verfusten Controllern).
**Der Header zur HV-Programmierung und der Header zum Patchen der Anschlussbelegung der ebenfalls nicht bestückten IC-Fassungen, sind nicht bestückt.
**Die sogenannte Prototypen-Area spottet ihrer Bezeichnung: Hier handelt es sich nur um einen Platz für zwei IC-Fassungen, deren Anschlüsse auf eine 2x20polige Stiftleiste geführt sind. Durch Jumperkabel lassen sich hier verschiedene Anschlussbelegungen zu den Headern patchen, um verschiedene Controller programmieren zu können. Als IC-Fassung sollte man einen ZIF Testsockel wie den [http://www.conrad.de/ce/de/product/189324/ IC-TESTSOCKEL PRÄZISION 40POLIG von Conrad] verwenden, denn dieser kann sowohl DIP40, als auch kleine DIP8-Gehäuse aufnehmen. Der [http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=21317;PROVID=2402 Testsockel TEX 40 von Reichelt] kann dies augenscheinlich nicht, da sein Mittelsteg zu breit ist.

* Empfindliche Hardware
** Der Dragon hat den Ruf empfindlich gegenüber elektrostatische Entladungen zu sein (Abhilfe mittels [http://www.mikrocontroller.net/topic/136702#1330420 Aufbau] des [http://www.aplomb.nl/TechStuff/Dragon/Dragon.html Dragonlair], wobei man sich überlegen muss, ob es sich bei den Kosten für einen Dragon lohnt den zusätzlichen Aufwand zu betreiben)
** Besonders die Hardware der ersten Generation hat den Ruf, dass der Spannungswandler sowohl durch einfaches Berühren im Betrieb kaputt gehen kann, als auch schon durch zu geringe Spannung am USB-Port bei Bus-powered Hubs oder schlechten(dünnen) USB-Kabeln.
::Atmel hat es nie für nötig befunden, zu den Problemen Stellung zu nehmen. Angeblich soll Atmel eine Zeit lang defekte Dragons umgetauscht haben. Offiziell gab es dazu von Atmel nie Informationen und man musste oder muss wohl Beziehungen zu Atmel haben, die Hobbyisten im Normalfall nicht haben.

* Ursprünglich künstliche Beschränkung der Debugging-Fähigkeiten, die sich durch ein Firmware-Update mit AVR-Studio 4.18 oder neuer beseitigen lässt.

* Vermutlich um potentielle Interessenten zum Kauf des mit ca. 300€ wesentlich teureren JTAG ICE mkII Debug-Interfaces zu verleiten, stellt Atmel die aktuelle Dokumentation und Beschreibung des Dragon (um 50€) nur als Teil der Online-Hilfe der AVR-Studio Software unter Windows zur Verfügung. Die Version auf [http://support.atmel.no/knowledgebase/avrstudiohelp/mergedProjects/AVRDragon/AVRDragon.htm] ist normalerweise veraltet.

== Links ==
* [http://www.atmel.com/tools/avrdragon.aspx Atmels AVR-Dragon Seite]
* [http://support.atmel.no/knowledgebase/avrstudiohelp/mergedProjects/AVRDragon/AVRDragon.htm Atmels Online-Hilfe. Die Hilfe in AVR-Studio ist normalerweise aktueller]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/72561#1575443 Außenmaße und Befestigungslochpositionen]
* [http://www.imgbox.de/users/public/images/rJwP3coBpV.jpg Ansicht oben(Kauf 02/12 Rei..) FW bei Lieferung 6.b. Update durch AVR Studio5 auf 7.e(17.02.12)]
* [http://www.imgbox.de/users/public/images/mqjO4wQsL6.jpg Ansicht unten (Kauf 02/12 Rei..)]
[[Kategorie:AVR-Programmer und -Bootloader]]

Stromsenke

2013-10-20T20:13:22Z

Hegy: /* Linearität */

Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Überstromerkennung im abschließenden Funktionstest in der Produktion von Netzgeräten, die Bestandteil eines Gesamtgerätes waren.

= Einleitung =

Die Stromsenke musste wie oben erwähnt spezielle Anforderungen erfüllen hinsichtlich der galvanischen Trennung, der Ansteuerung und der Zuverlässigkeit.

'''Features:'''

* galvanische Trennung von Steuersignal und Last
* Verpolschutz
* Soll-/Ist-Vergleich
* lineare PWM-Ansteuerung
* Übertemperaturabschaltung
* selbstregelnd

'''Daten:'''
* 0 bis 5A, auch höher möglich
* max. Leistungsaufnahme je nach Kühlung bis 150W möglich
* für Spannungen bis 40V geeignet
* Auflösung je Prozentpunkt der PWM 50 mA (also 50mA Schritte)

= Aufbau =
Die Stromsenke besteht aus folgenden Einzelkomponenten

* Verpolschutz
* galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last
* galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis
* Tiefpassfilter 2. Ordnung
* Spannungsteiler mit Abschaltfunktion
* Regel- und Ansteuerstufe
* Leistungsstufe
* Spannungsverstärker für Messgerät (Kontrolle)
* Temperaturüberwachung
* Spannungsstabilisierung

'''Schaltplan'''

[[Bild:PWM-Stromsenke-2.png|500px|gesamter Schaltplan]]

== Verpolschutz ==
Der Verpolschutz besteht aus den drei Bauteilen T1 (N-Kanal MOSFET, IRF530), Z-Diode D1 und Vorwiderstand R5. Bei richtiger Polung ist immer ein Stromfluss möglich. Dieses
geschieht durch die immer vorhandene parasitäre Diode innerhalb des MOSFET, die für ca. 2A ausgelegt ist. Daher muss bei höheren Strom auch die Spannung höher sein um die
Source-Drain-Strecke durchzuschalten. Je nach Typ liegt die Mindestspannung bei ca. 3,5V (BUK754R3) bzw. 4,5V (IRF1404). In entgegengesetzter Richtung ist Diode gesperrt
und auch wird über die Gate-Spannung der MOSFET nicht durchgeschaltet. Bei Spannungen unter diesen Werten empfiehlt es sich, den Verpolschutz durch eine entsprechende
(Shottky-)Leistungsdiode zu ersetzen. Allerdings muß diese dann gekühlt werden. Die Verlustleistung am MOSFET-Verpolschutz beträgt nur einige Milliwatt.

Sollte die Spannung am Eingang über 15V steigen, wird durch den Vorwiderstand und der Z-Diode sichergestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung von +/-20V nicht überschritten wird.

== galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last ==
Die Trennung der beiden Potentiale wird durch den Optokoppler CNY17F realisiert. Der Eingang ist mit einem 470R Widerstand so ausgelegt, dass eine PWM mit
einem Spannungshub von 0 bis 5V ausreicht. Der Ausgang mit dem Widerstand R2 (2,1k) ist so ausgelegt, dass die Spannung hier für den nachgeschalteten
Tiefpassfilter passend ist.

== Sallen-Key Tiefpassfilter ==
Die eingehende PWM wird am Sallen-Key-Filter, ein aktiver Tiefpass 2. Ordung, geglättet. Selbst beim kritischen duty-cycle von 50% sind am Ausgang keine nennenswerten Schwankungen
sichtbar (s. Messwerte), sofern die PWM-Frequenz über 2kHz liegt. Die Ausgangsspannung des Filters steigt linear von 0V bis ca. 8,2V an. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt
bei 160Hz. Die Grenzfrequenz errechnet sich aus

<math>f_o = \frac{1}{2 \pi R C}</math> mit R = R3 = R4 und C = C1 = C2.

Die Gesamtverstärkung des Filters liegt bei eins. Werte höher drei bringen den Tiefpass zum schwingen.

== Spannungsteiler mit Schaltfunktion ==
Nach dem Tiefpass muss die Ausgangsspannung auf das Niveau abgesenkt werden, die auch die Regel- und Ansteuerstufe als Feedback über die Shuntwiderstände erhält. Daher wird mit
dem Spannungsteiler aus R6 und R7 parallel mit R8 auf 250mV +/-5mV abgesenkt. Die beiden parallelgeschalteten Widerstände R7 und R8 sind zusätzlich noch mit einem
MOSFET überbrückt. Dieser schaltet die Widerstände kurz, sollte die Temperatur am Kühlkörper zu hoch werden. Dann beträgt die Eingangsspannung der Regel- und Ansteuerstufe 0V und die
Leistungsstufe wird abgeschaltet.

Sollte aufgrund von Toleranzen die Spannung des Spannungsteilerausgang nicht auf 250mV kommen, kann Widerstand (R22) zu R6 parallel geschaltet werden.

== Regel- und Ansteuerstufe ==
An dieser Stufe werden höhere Anforderungen gestellt als an den Tiefpass, weswegen ein höherwertiger OP zum Einsatz kommt (IC2A, LT1013). Diese Stufe steuert zum einen den
Leistungs-MOSFET an und zum anderen wird der Soll- und Istwert verglichen und ggf. nachgeregelt. Dazu steht am nicht-invertierenden Eingang die Sollspannung an.
Daraus bildet sich dann die Ausgangsspannung, die noch abhängig ist von der Ist-Spannung am invertierenden Eingang. Steuert der Ausgang die Endstufe auf ein bestimmtes Niveau
an, wird der MOSFET soweit durchgesteuert, dass an den im Source-Kreis liegenden Shuntwiderständen die gleiche Spannung abfällt wie am nicht-invertierenden Eingang anliegt.
Daraus ergibt sich auch das Regelverhalten, sollte der Laststrom schwanken durch z. B. schwankende Übergangswiderstände in der Peripherie oder Spannungsswankungen vom zu
testenden Netzteil. Geht der Strom zurück, verringert sich am invertierenen Eingang ebenfalls die Spannung. Durch die Invertierung wird eine höhere Ausgangsspanung generiert,
die den sinkenden Strom entgegen wirkt. Daher ist die Differenzspannung an den beiden OP-Eingängen bei Null, bei dem verwendeten OP im µV-Bereich, beim einem LM324 einige mV,
wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.

Um Schwingungen zwischen OP-Ausgang und den Gate des MOSFET zu verhindern ist hier ein Widerstand zwischengeschaltet (R10). Vermutlich verursacht die Restwelligkeit des Tiefpasses
ein ständiges auf- und entladen des Gate, wodurch die Schwingungen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz entstehen. Um die gesamte Regelung nicht zum Schwingen zu bringen,
ist zusätzlich noch der Kondensator C3 vorhanden.

== Leistungsstufe ==
Die Leistungsstufe ist mit einem MOSFET (T3) realisiert um eine möglichst genaue Einstellung zu bekommen. Bei bipolaren Transistoren käme noch der Störfaktor des Basisstroms dazu.
Auch bei Darlington-Transistoren ist der Strom durch den letzten Transistor nicht zu vernachlässigen. Der Basisstrom, der über den Emitter und damit über die Shuntwidestände fließt,
würde die Genauigkeit und Linearität beeinflussen. Allerdings haben bipolare Transistoren den Vorteil, dass diese für größere Ströme bzw. Leistungen parallel geschaltet werden
können. Nachteilig wäre aber eine zusätzliche Treiberstufe, da der Ausgangsstrom des OP nicht ausreicht um mehrer Transistoren anzusteuern. Mit MOSFETs ist das nicht möglich, da
schon geringste Abweichungen in der Ansteuercharakteristik, d. h. die Übertragungsfunktion aus dem Spannungsverhältnis <math>U_{GS}</math> und <math>U_{DS}</math> nur
einen von mehreren MOSFET zum durchschalten bringt. Diese minimalen Spannungsdifferenzen zwischen zwei MOSFETs sind auch nicht kompensierbar. Vorteilhaft ist aber der nicht
vorhandene Gate-Strom, der sich nicht auf die Linearität und Präzision auswirkt. Zwischen Source und GND befinden sich die beiden Shuntwiderstände R11 und
R12 von jeweils 0,1R. Bei einem Strom von 5A fallen hier dann 0,25V ab, was einer Gesamtleistung von 1,25 Watt entspricht.

== Spannungsverstärker für Messgerät ==
Zur Kontrolle des tatsächlichen Stromflusses erfolgt über den Shuntwiderständen der Abgriff zur indirekten Strommessung. Die am Shunt abfallende Spannung wird um den
Faktor 20 verstärkt. Damit ergibt sich bei 50mR und 20-facher Verstärkung eine Strom-Spannung-Zuordnung von 1:1, d. h. ein Strom von 5A verursacht eine Ausgangsspannung von
<math>{U_{A_{DMM}}} = 5V. </math>

== Kühlkörper-Temperaturüberwachung ==
Eine Überhitzung des Leistungs-MOSFET ist gerade unter den knappen räumlichen Bedingungen gut möglich, weil der notwendige Kühlkörper mit entsprechender Ventilation kaum Platz
hat. Bei einem kleineren Kühlkörper würde daher eine Überhitzung möglich werden. Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca. 8K/W erwärmt sich bei 63 Watt abzuführender
Leistung (4,54A bei 14V Klemmenspannung) innerhalb von ca. 27 Sekunden um ca. 60K, was einer Endtemperatur von 85°C entspricht. Bei mehr Leistung ist daher innerhalb von Sekunden
die max. Temperatur des MOSFET erreicht (Halbleitertemperatur 175°C).

Als Temperaturfühler dient ein KTY81-122, der zusammen mit den Leistungs-MOSFET auf den Kühlkörper montiert wird. Erreicht der Temperaturfühler eine Temperatur von ca. 85°C
schaltet der Schmitt-Trigger über T2 den unteren Teil des Spannungsteiler kurz und die Ansteuerspannung des Leitsungs-MOSFET geht auf Null und damit ist kein Stromfluss mehr
vorhanden. Hat sich der Temperaturfühler auf ca. 58°C abgekühlt, wird der Leistungs-MOSFET wieder angesteuert. Die Temperaturgrenzen und die Hysterese errechnen sich folgendermaßen:

<math>U_{aus} = U_{A_{max}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{ein} = U_{A_{min}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{hyst} = \Delta U_e = (U_{A_{max}} - U_{A_{min}}) \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{aus}</math> ist die Ausschaltspannung des Komparators, <math>U_{ein}</math> die Einschaltspannung und <math>U_{hyst}</math> die Hysterese (Spannungs- bzw. Temperaturdifferenz
der Ein- und Ausschaltschwellen). Die Angaben <math>U_{A_{min}}</math> und <math>U_{A_{max}}</math> sind die maximale und minimale Ausgangsspannungen des Komparators. Bei 10V
Versorgungsspannung liegt die maximale Ausgangsspannung des LM324 bei ca. 8,2V.

== galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis ==
Damit der Lastkreis keine Verbindung zur Versorgung und damit zum Rest des Equipments hat, muss diese durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt werden. Durch die hohen Schaltfreuquenzen
ergeben sich am Ausgang kurze Spannungsspitzen. Durch das Snubber-Gleid, bestehend aus R20 und C6 werden diese minimiert. Dadurch, dass die gesamte Schaltung eine Stromaufnahme nur
im mA-Bereich hat, reicht ein DC/DC-Wandler von einem Watt Leistung völlig aus.

== Spannungsstabilisierung ==
Die Versorgungsspannung hat einen essentiellen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Eine Spannungsänderung beeinflusst die Ausgangsspanung des Optokopplers, unabhängig davon auch
die Ansteuerspannung der Treiberstufe und die Schaltschwellen des Schmitt-Trigger. Mit einem Standard-Linearregler vom Typ 78L10 ist die Stabilität ausreichend.

= Messwerte =

== Übertemperaturabschaltung ==
Bei 14V Klemmenspannung und 4,54A (= 63 Watt) und ca. 1cm über der Befestigungsschraube des Transistors schaltet die Übertemperatursicherung nach ca. 27 Sekunden ab.
Wärmewiderstand des Kühlkörpers <math>R_{th} = 8 K/W</math>
(z. B. [http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A04/Strangk%C3%BChlk%C3%B6rper%20f%C3%BCr%20Leiterplattenmontage/PR/SK104_63.5_/index.xhtml SK104, R_th = 8 K/W])

== Restwelligkeit des Tiefpasses ==
Vergleich der Ausgangsspannung (Restwelligkeit) des Tiefpasses bei 1,5kHz und 4kHz.

[[Datei:screen-547x391-1,5kHz-MWC-neg.png]]

Die größte Restwelligkeit entsteht bei einem duty-cycle von 50%. Bei ca. 1,5kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang 126mV bei einer Ausgangsspannung
von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 2,9%.

[[Datei:screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png]]
Bei ca. 4kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang nur noch 15,3mV bei einer Ausgangsspannung von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 0,35%.

Bei Frequenzen über 4kHz sinkt die Ausgangsspannung ab. Grund ist die Trägheit des OP's. Daher sollte die PWM-Frequenz im Bereich 2kHz bis 4kHz liegen.

== Linearität ==
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung <math>U_{A_{TP}}</math> des Tiefpasses vom PWM-Verhältnis.

[[Bild:331.png|miniatur]]

Das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilter. Die Y-Werte sind die Spannungen direkt am Ausgang des Tiefpasses ohne Spannungsteiler.
Je nach verwendeten OP können sich hier andere Werte ergeben. Hier wurde der LM324 (4-fach OP) verwendet.

Die Abhängigkeit des Stroms <math>I_{Last}</math> und der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> vom PWM-Verhältnis.

[[Bild:332.png|miniatur]]

Die Linearität der Laststufe bzw. des Gesamtsystems. Die vereinzelten roten Punkte sind die Messwerte der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> zur Kontrolle
bzw. zum gegenmessen des tatsächlichen Stroms. Die Punkte mit Y-Werten von 0 sind nicht gemessen worden.

Die Messwerte in Zahlen:

{| border="1" class="wikitable"
|- style="background-color:#0d0f0d;"
! duty- cycle || Strom || Tiefpass || Ausgang
|-
| style="text-align:center"| % || style="text-align:center"| <math>I</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{TP}}</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{DMM}}</math>
|-
| style="text-align:right"| 0 || style="text-align:right"| 0,000 A || style="text-align:right"| 0,96 mV || style="text-align:right"| 13 mV
|-
| style="text-align:right"| 4,5 || style="text-align:right"| 0,262 A || style="text-align:right"| 0,423 V || style="text-align:right"| 0,261 V
|-
| style="text-align:right"| 8,4 || style="text-align:right"| 0,420 A || style="text-align:right"| 0,676 V ||
|-
| style="text-align:right"| 10,6 || style="text-align:right"| 0,613 A || style="text-align:right"| 0,936 V || style="text-align:right"| 0,613 V
|-
| style="text-align:right"| 15,0 || style="text-align:right"| 0,836 A || style="text-align:right"| 1,342 V ||
|-
| style="text-align:right"| 19,6 || style="text-align:right"| 1,12 A || style="text-align:right"| 1,793 V ||
|-
| style="text-align:right"| 24,5 || style="text-align:right"| 1,36 A || style="text-align:right"| 2,163 V || style="text-align:right"| 1,36 V
|-
| style="text-align:right"| 30,0 || style="text-align:right"| 1,66 A || style="text-align:right"| 2,66 V ||
|-
| style="text-align:right"| 35,6 || style="text-align:right"| 1,98 A || style="text-align:right"| 3,17 V ||
|-
| style="text-align:right"| 40,6 || style="text-align:right"| 2,21 A || style="text-align:right"| 3,56 V ||
|-
| style="text-align:right"| 45,5 || style="text-align:right"| 2,51 A || style="text-align:right"| 4,03 V ||
|-
| style="text-align:right"| 50,5 || style="text-align:right"| 2,765 A || style="text-align:right"| 4,42 V || style="text-align:right"| 2,76 V
|-
| style="text-align:right"| 55,4 || style="text-align:right"| 2,99 A || style="text-align:right"| 4,80 V ||
|-
| style="text-align:right"| 60,4 || style="text-align:right"| 3,25 A || style="text-align:right"| 5,22 V ||
|-
| style="text-align:right"| 64,6 || style="text-align:right"| 3,455 A || style="text-align:right"| 5,55 V ||
|-
| style="text-align:right"| 70,1 || style="text-align:right"| 3,74 A || style="text-align:right"| 6,00 V ||
|-
| style="text-align:right"| 75,0 || style="text-align:right"| 3,96 A || style="text-align:right"| 6,36 V || style="text-align:right"| 3,97 V
|-
| style="text-align:right"| 80,4 || style="text-align:right"| 4,24 A || style="text-align:right"| 6,81 V ||
|-
| style="text-align:right"| 85,4 || style="text-align:right"| 4,45 A || style="text-align:right"| 7,15 V ||
|-
| style="text-align:right"| 90,4 || style="text-align:right"| 4,68 A || style="text-align:right"| 7,52 V ||
|-
| style="text-align:right"| 95,3 || style="text-align:right"| 4,95 A || style="text-align:right"| 7,91 V || style="text-align:right"| 4,95 V
|-
| style="text-align:right"| 100,0 || style="text-align:right"| 5,08 A || style="text-align:right"| 8,18 V || style="text-align:right"| 5,09 V
|}

= Funktionskontrolle =
Für eine einwandfreie Funktion bietet sich folgende Vorgehensweise an.

# Der PWM-Eingang bleibt offen = duty-cycle 0%
# am DC/DC-Konverter Versorgungsspannung anlegen, am Ausgang des DC/DC-Konverters müssen min. 13V gemessen werden, nach dem Spannungsregler 10,0V
# am Spannungsteilerausgang müssen 0V zu messen sein
# den Lastkreis mit einem Netzgerät verbinden, Einstellung 5V und mind. 6A (kleinere Spannungen könnten den Verpolschutz nicht ausreichend durchschalten)
# der Stromfluss im Lastkreis muß bei 0mA liegen
# folgende Punkte sollten zügig durchgeführt werden:
## am Eingang des Optokopplers eine Gleichspannung von 5V anlegen oder den Ausgang des Optokopplers überbrücken = duty-cycle 100%
## der Strom im Lastkreis sollte im Bereich von 5A liegen
## die Spannung am Spannungsteilerausgang messen, Sollwert 250mV +/-5mV
## die Spannungsdifferenz am Eingang des IC2A (LT1013) messen, Sollwert 0mV (nur im Lastfall)
## Netzgerät trennen
# bei ausreichendem Kühlkörper sollte die Übertemperaturabschaltung nicht aktiviert werden (Leistungsaufnahme 30 Watt)
# sollte die Spannung am Spannungsteiler bei 100% PWM nicht 250mV +/-5mV betragen, den Spannungsteiler anpassen; dies kann ohne Laststrom erfolgen
# der Test der Linearität wird mit PWM-Generator durchgeführt, dazu gerade die Endwerte 0 bis 20% und 80% bis 100% kontrollieren durch Messung der Spannung am Spannungsteilerausgang,
# sollte die Linearregler unzureichend sein, ggf. den Wiederstand R2 am Optokoppler ändern
# Netzgerät wieder zuschalten, Einstellung 14V und mind. 6A
# PWM duty-cycle liegt noch bei 100% d. h. der Stromfluss beträgt ca. 5,0A +/-100mA
# je nach Kühlkörpergröße sollte sich dieser schnell erhitzen und nach einer Zeit sollte die Übertemperaturabschaltung aktiviert werden, Netzteilstrom geht auf 0mA zurück
# Richtwert zur Dauer bis zum Abschalten: ca. 30 Sek. bei einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 8K/W

= Schaltplan =

[[Datei:PWM-Stromsenke-2.png|400px]]

= Lochraster-Layout :D =
Das "Dink" lass ich mal weg. Den losen Aufbau baut eh keiner nach.

= Siehe auch =
* Diskussion zu diesem Projekt: https://www.mikrocontroller.net/topic/311706#new

[[Kategorie: Spannungsversorgung und Energiequellen]]

Stromsenke

2013-10-20T20:12:21Z

Hegy: /* Linearität */

Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Überstromerkennung im abschließenden Funktionstest in der Produktion von Netzgeräten, die Bestandteil eines Gesamtgerätes waren.

= Einleitung =

Die Stromsenke musste wie oben erwähnt spezielle Anforderungen erfüllen hinsichtlich der galvanischen Trennung, der Ansteuerung und der Zuverlässigkeit.

'''Features:'''

* galvanische Trennung von Steuersignal und Last
* Verpolschutz
* Soll-/Ist-Vergleich
* lineare PWM-Ansteuerung
* Übertemperaturabschaltung
* selbstregelnd

'''Daten:'''
* 0 bis 5A, auch höher möglich
* max. Leistungsaufnahme je nach Kühlung bis 150W möglich
* für Spannungen bis 40V geeignet
* Auflösung je Prozentpunkt der PWM 50 mA (also 50mA Schritte)

= Aufbau =
Die Stromsenke besteht aus folgenden Einzelkomponenten

* Verpolschutz
* galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last
* galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis
* Tiefpassfilter 2. Ordnung
* Spannungsteiler mit Abschaltfunktion
* Regel- und Ansteuerstufe
* Leistungsstufe
* Spannungsverstärker für Messgerät (Kontrolle)
* Temperaturüberwachung
* Spannungsstabilisierung

'''Schaltplan'''

[[Bild:PWM-Stromsenke-2.png|500px|gesamter Schaltplan]]

== Verpolschutz ==
Der Verpolschutz besteht aus den drei Bauteilen T1 (N-Kanal MOSFET, IRF530), Z-Diode D1 und Vorwiderstand R5. Bei richtiger Polung ist immer ein Stromfluss möglich. Dieses
geschieht durch die immer vorhandene parasitäre Diode innerhalb des MOSFET, die für ca. 2A ausgelegt ist. Daher muss bei höheren Strom auch die Spannung höher sein um die
Source-Drain-Strecke durchzuschalten. Je nach Typ liegt die Mindestspannung bei ca. 3,5V (BUK754R3) bzw. 4,5V (IRF1404). In entgegengesetzter Richtung ist Diode gesperrt
und auch wird über die Gate-Spannung der MOSFET nicht durchgeschaltet. Bei Spannungen unter diesen Werten empfiehlt es sich, den Verpolschutz durch eine entsprechende
(Shottky-)Leistungsdiode zu ersetzen. Allerdings muß diese dann gekühlt werden. Die Verlustleistung am MOSFET-Verpolschutz beträgt nur einige Milliwatt.

Sollte die Spannung am Eingang über 15V steigen, wird durch den Vorwiderstand und der Z-Diode sichergestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung von +/-20V nicht überschritten wird.

== galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last ==
Die Trennung der beiden Potentiale wird durch den Optokoppler CNY17F realisiert. Der Eingang ist mit einem 470R Widerstand so ausgelegt, dass eine PWM mit
einem Spannungshub von 0 bis 5V ausreicht. Der Ausgang mit dem Widerstand R2 (2,1k) ist so ausgelegt, dass die Spannung hier für den nachgeschalteten
Tiefpassfilter passend ist.

== Sallen-Key Tiefpassfilter ==
Die eingehende PWM wird am Sallen-Key-Filter, ein aktiver Tiefpass 2. Ordung, geglättet. Selbst beim kritischen duty-cycle von 50% sind am Ausgang keine nennenswerten Schwankungen
sichtbar (s. Messwerte), sofern die PWM-Frequenz über 2kHz liegt. Die Ausgangsspannung des Filters steigt linear von 0V bis ca. 8,2V an. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt
bei 160Hz. Die Grenzfrequenz errechnet sich aus

<math>f_o = \frac{1}{2 \pi R C}</math> mit R = R3 = R4 und C = C1 = C2.

Die Gesamtverstärkung des Filters liegt bei eins. Werte höher drei bringen den Tiefpass zum schwingen.

== Spannungsteiler mit Schaltfunktion ==
Nach dem Tiefpass muss die Ausgangsspannung auf das Niveau abgesenkt werden, die auch die Regel- und Ansteuerstufe als Feedback über die Shuntwiderstände erhält. Daher wird mit
dem Spannungsteiler aus R6 und R7 parallel mit R8 auf 250mV +/-5mV abgesenkt. Die beiden parallelgeschalteten Widerstände R7 und R8 sind zusätzlich noch mit einem
MOSFET überbrückt. Dieser schaltet die Widerstände kurz, sollte die Temperatur am Kühlkörper zu hoch werden. Dann beträgt die Eingangsspannung der Regel- und Ansteuerstufe 0V und die
Leistungsstufe wird abgeschaltet.

Sollte aufgrund von Toleranzen die Spannung des Spannungsteilerausgang nicht auf 250mV kommen, kann Widerstand (R22) zu R6 parallel geschaltet werden.

== Regel- und Ansteuerstufe ==
An dieser Stufe werden höhere Anforderungen gestellt als an den Tiefpass, weswegen ein höherwertiger OP zum Einsatz kommt (IC2A, LT1013). Diese Stufe steuert zum einen den
Leistungs-MOSFET an und zum anderen wird der Soll- und Istwert verglichen und ggf. nachgeregelt. Dazu steht am nicht-invertierenden Eingang die Sollspannung an.
Daraus bildet sich dann die Ausgangsspannung, die noch abhängig ist von der Ist-Spannung am invertierenden Eingang. Steuert der Ausgang die Endstufe auf ein bestimmtes Niveau
an, wird der MOSFET soweit durchgesteuert, dass an den im Source-Kreis liegenden Shuntwiderständen die gleiche Spannung abfällt wie am nicht-invertierenden Eingang anliegt.
Daraus ergibt sich auch das Regelverhalten, sollte der Laststrom schwanken durch z. B. schwankende Übergangswiderstände in der Peripherie oder Spannungsswankungen vom zu
testenden Netzteil. Geht der Strom zurück, verringert sich am invertierenen Eingang ebenfalls die Spannung. Durch die Invertierung wird eine höhere Ausgangsspanung generiert,
die den sinkenden Strom entgegen wirkt. Daher ist die Differenzspannung an den beiden OP-Eingängen bei Null, bei dem verwendeten OP im µV-Bereich, beim einem LM324 einige mV,
wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.

Um Schwingungen zwischen OP-Ausgang und den Gate des MOSFET zu verhindern ist hier ein Widerstand zwischengeschaltet (R10). Vermutlich verursacht die Restwelligkeit des Tiefpasses
ein ständiges auf- und entladen des Gate, wodurch die Schwingungen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz entstehen. Um die gesamte Regelung nicht zum Schwingen zu bringen,
ist zusätzlich noch der Kondensator C3 vorhanden.

== Leistungsstufe ==
Die Leistungsstufe ist mit einem MOSFET (T3) realisiert um eine möglichst genaue Einstellung zu bekommen. Bei bipolaren Transistoren käme noch der Störfaktor des Basisstroms dazu.
Auch bei Darlington-Transistoren ist der Strom durch den letzten Transistor nicht zu vernachlässigen. Der Basisstrom, der über den Emitter und damit über die Shuntwidestände fließt,
würde die Genauigkeit und Linearität beeinflussen. Allerdings haben bipolare Transistoren den Vorteil, dass diese für größere Ströme bzw. Leistungen parallel geschaltet werden
können. Nachteilig wäre aber eine zusätzliche Treiberstufe, da der Ausgangsstrom des OP nicht ausreicht um mehrer Transistoren anzusteuern. Mit MOSFETs ist das nicht möglich, da
schon geringste Abweichungen in der Ansteuercharakteristik, d. h. die Übertragungsfunktion aus dem Spannungsverhältnis <math>U_{GS}</math> und <math>U_{DS}</math> nur
einen von mehreren MOSFET zum durchschalten bringt. Diese minimalen Spannungsdifferenzen zwischen zwei MOSFETs sind auch nicht kompensierbar. Vorteilhaft ist aber der nicht
vorhandene Gate-Strom, der sich nicht auf die Linearität und Präzision auswirkt. Zwischen Source und GND befinden sich die beiden Shuntwiderstände R11 und
R12 von jeweils 0,1R. Bei einem Strom von 5A fallen hier dann 0,25V ab, was einer Gesamtleistung von 1,25 Watt entspricht.

== Spannungsverstärker für Messgerät ==
Zur Kontrolle des tatsächlichen Stromflusses erfolgt über den Shuntwiderständen der Abgriff zur indirekten Strommessung. Die am Shunt abfallende Spannung wird um den
Faktor 20 verstärkt. Damit ergibt sich bei 50mR und 20-facher Verstärkung eine Strom-Spannung-Zuordnung von 1:1, d. h. ein Strom von 5A verursacht eine Ausgangsspannung von
<math>{U_{A_{DMM}}} = 5V. </math>

== Kühlkörper-Temperaturüberwachung ==
Eine Überhitzung des Leistungs-MOSFET ist gerade unter den knappen räumlichen Bedingungen gut möglich, weil der notwendige Kühlkörper mit entsprechender Ventilation kaum Platz
hat. Bei einem kleineren Kühlkörper würde daher eine Überhitzung möglich werden. Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca. 8K/W erwärmt sich bei 63 Watt abzuführender
Leistung (4,54A bei 14V Klemmenspannung) innerhalb von ca. 27 Sekunden um ca. 60K, was einer Endtemperatur von 85°C entspricht. Bei mehr Leistung ist daher innerhalb von Sekunden
die max. Temperatur des MOSFET erreicht (Halbleitertemperatur 175°C).

Als Temperaturfühler dient ein KTY81-122, der zusammen mit den Leistungs-MOSFET auf den Kühlkörper montiert wird. Erreicht der Temperaturfühler eine Temperatur von ca. 85°C
schaltet der Schmitt-Trigger über T2 den unteren Teil des Spannungsteiler kurz und die Ansteuerspannung des Leitsungs-MOSFET geht auf Null und damit ist kein Stromfluss mehr
vorhanden. Hat sich der Temperaturfühler auf ca. 58°C abgekühlt, wird der Leistungs-MOSFET wieder angesteuert. Die Temperaturgrenzen und die Hysterese errechnen sich folgendermaßen:

<math>U_{aus} = U_{A_{max}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{ein} = U_{A_{min}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{hyst} = \Delta U_e = (U_{A_{max}} - U_{A_{min}}) \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{aus}</math> ist die Ausschaltspannung des Komparators, <math>U_{ein}</math> die Einschaltspannung und <math>U_{hyst}</math> die Hysterese (Spannungs- bzw. Temperaturdifferenz
der Ein- und Ausschaltschwellen). Die Angaben <math>U_{A_{min}}</math> und <math>U_{A_{max}}</math> sind die maximale und minimale Ausgangsspannungen des Komparators. Bei 10V
Versorgungsspannung liegt die maximale Ausgangsspannung des LM324 bei ca. 8,2V.

== galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis ==
Damit der Lastkreis keine Verbindung zur Versorgung und damit zum Rest des Equipments hat, muss diese durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt werden. Durch die hohen Schaltfreuquenzen
ergeben sich am Ausgang kurze Spannungsspitzen. Durch das Snubber-Gleid, bestehend aus R20 und C6 werden diese minimiert. Dadurch, dass die gesamte Schaltung eine Stromaufnahme nur
im mA-Bereich hat, reicht ein DC/DC-Wandler von einem Watt Leistung völlig aus.

== Spannungsstabilisierung ==
Die Versorgungsspannung hat einen essentiellen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Eine Spannungsänderung beeinflusst die Ausgangsspanung des Optokopplers, unabhängig davon auch
die Ansteuerspannung der Treiberstufe und die Schaltschwellen des Schmitt-Trigger. Mit einem Standard-Linearregler vom Typ 78L10 ist die Stabilität ausreichend.

= Messwerte =

== Übertemperaturabschaltung ==
Bei 14V Klemmenspannung und 4,54A (= 63 Watt) und ca. 1cm über der Befestigungsschraube des Transistors schaltet die Übertemperatursicherung nach ca. 27 Sekunden ab.
Wärmewiderstand des Kühlkörpers <math>R_{th} = 8 K/W</math>
(z. B. [http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A04/Strangk%C3%BChlk%C3%B6rper%20f%C3%BCr%20Leiterplattenmontage/PR/SK104_63.5_/index.xhtml SK104, R_th = 8 K/W])

== Restwelligkeit des Tiefpasses ==
Vergleich der Ausgangsspannung (Restwelligkeit) des Tiefpasses bei 1,5kHz und 4kHz.

[[Datei:screen-547x391-1,5kHz-MWC-neg.png]]

Die größte Restwelligkeit entsteht bei einem duty-cycle von 50%. Bei ca. 1,5kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang 126mV bei einer Ausgangsspannung
von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 2,9%.

[[Datei:screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png]]
Bei ca. 4kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang nur noch 15,3mV bei einer Ausgangsspannung von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 0,35%.

Bei Frequenzen über 4kHz sinkt die Ausgangsspannung ab. Grund ist die Trägheit des OP's. Daher sollte die PWM-Frequenz im Bereich 2kHz bis 4kHz liegen.

== Linearität ==
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung <math>U_{A_{TP}}</math> des Tiefpasses vom PWM-Verhältnis.

[[Datei:331.png|miniatur]]

Das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilter. Die Y-Werte sind die Spannungen direkt am Ausgang des Tiefpasses ohne Spannungsteiler.
Je nach verwendeten OP können sich hier andere Werte ergeben. Hier wurde der LM324 (4-fach OP) verwendet.

Die Abhängigkeit des Stroms <math>I_{Last}</math> und der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> vom PWM-Verhältnis.

[[Datei:332.png|miniatur]]

Die Linearität der Laststufe bzw. des Gesamtsystems. Die vereinzelten roten Punkte sind die Messwerte der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> zur Kontrolle
bzw. zum gegenmessen des tatsächlichen Stroms. Die Punkte mit Y-Werten von 0 sind nicht gemessen worden.

Die Messwerte in Zahlen:

{| border="1" class="wikitable"
|- style="background-color:#0d0f0d;"
! duty- cycle || Strom || Tiefpass || Ausgang
|-
| style="text-align:center"| % || style="text-align:center"| <math>I</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{TP}}</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{DMM}}</math>
|-
| style="text-align:right"| 0 || style="text-align:right"| 0,000 A || style="text-align:right"| 0,96 mV || style="text-align:right"| 13 mV
|-
| style="text-align:right"| 4,5 || style="text-align:right"| 0,262 A || style="text-align:right"| 0,423 V || style="text-align:right"| 0,261 V
|-
| style="text-align:right"| 8,4 || style="text-align:right"| 0,420 A || style="text-align:right"| 0,676 V ||
|-
| style="text-align:right"| 10,6 || style="text-align:right"| 0,613 A || style="text-align:right"| 0,936 V || style="text-align:right"| 0,613 V
|-
| style="text-align:right"| 15,0 || style="text-align:right"| 0,836 A || style="text-align:right"| 1,342 V ||
|-
| style="text-align:right"| 19,6 || style="text-align:right"| 1,12 A || style="text-align:right"| 1,793 V ||
|-
| style="text-align:right"| 24,5 || style="text-align:right"| 1,36 A || style="text-align:right"| 2,163 V || style="text-align:right"| 1,36 V
|-
| style="text-align:right"| 30,0 || style="text-align:right"| 1,66 A || style="text-align:right"| 2,66 V ||
|-
| style="text-align:right"| 35,6 || style="text-align:right"| 1,98 A || style="text-align:right"| 3,17 V ||
|-
| style="text-align:right"| 40,6 || style="text-align:right"| 2,21 A || style="text-align:right"| 3,56 V ||
|-
| style="text-align:right"| 45,5 || style="text-align:right"| 2,51 A || style="text-align:right"| 4,03 V ||
|-
| style="text-align:right"| 50,5 || style="text-align:right"| 2,765 A || style="text-align:right"| 4,42 V || style="text-align:right"| 2,76 V
|-
| style="text-align:right"| 55,4 || style="text-align:right"| 2,99 A || style="text-align:right"| 4,80 V ||
|-
| style="text-align:right"| 60,4 || style="text-align:right"| 3,25 A || style="text-align:right"| 5,22 V ||
|-
| style="text-align:right"| 64,6 || style="text-align:right"| 3,455 A || style="text-align:right"| 5,55 V ||
|-
| style="text-align:right"| 70,1 || style="text-align:right"| 3,74 A || style="text-align:right"| 6,00 V ||
|-
| style="text-align:right"| 75,0 || style="text-align:right"| 3,96 A || style="text-align:right"| 6,36 V || style="text-align:right"| 3,97 V
|-
| style="text-align:right"| 80,4 || style="text-align:right"| 4,24 A || style="text-align:right"| 6,81 V ||
|-
| style="text-align:right"| 85,4 || style="text-align:right"| 4,45 A || style="text-align:right"| 7,15 V ||
|-
| style="text-align:right"| 90,4 || style="text-align:right"| 4,68 A || style="text-align:right"| 7,52 V ||
|-
| style="text-align:right"| 95,3 || style="text-align:right"| 4,95 A || style="text-align:right"| 7,91 V || style="text-align:right"| 4,95 V
|-
| style="text-align:right"| 100,0 || style="text-align:right"| 5,08 A || style="text-align:right"| 8,18 V || style="text-align:right"| 5,09 V
|}

= Funktionskontrolle =
Für eine einwandfreie Funktion bietet sich folgende Vorgehensweise an.

# Der PWM-Eingang bleibt offen = duty-cycle 0%
# am DC/DC-Konverter Versorgungsspannung anlegen, am Ausgang des DC/DC-Konverters müssen min. 13V gemessen werden, nach dem Spannungsregler 10,0V
# am Spannungsteilerausgang müssen 0V zu messen sein
# den Lastkreis mit einem Netzgerät verbinden, Einstellung 5V und mind. 6A (kleinere Spannungen könnten den Verpolschutz nicht ausreichend durchschalten)
# der Stromfluss im Lastkreis muß bei 0mA liegen
# folgende Punkte sollten zügig durchgeführt werden:
## am Eingang des Optokopplers eine Gleichspannung von 5V anlegen oder den Ausgang des Optokopplers überbrücken = duty-cycle 100%
## der Strom im Lastkreis sollte im Bereich von 5A liegen
## die Spannung am Spannungsteilerausgang messen, Sollwert 250mV +/-5mV
## die Spannungsdifferenz am Eingang des IC2A (LT1013) messen, Sollwert 0mV (nur im Lastfall)
## Netzgerät trennen
# bei ausreichendem Kühlkörper sollte die Übertemperaturabschaltung nicht aktiviert werden (Leistungsaufnahme 30 Watt)
# sollte die Spannung am Spannungsteiler bei 100% PWM nicht 250mV +/-5mV betragen, den Spannungsteiler anpassen; dies kann ohne Laststrom erfolgen
# der Test der Linearität wird mit PWM-Generator durchgeführt, dazu gerade die Endwerte 0 bis 20% und 80% bis 100% kontrollieren durch Messung der Spannung am Spannungsteilerausgang,
# sollte die Linearregler unzureichend sein, ggf. den Wiederstand R2 am Optokoppler ändern
# Netzgerät wieder zuschalten, Einstellung 14V und mind. 6A
# PWM duty-cycle liegt noch bei 100% d. h. der Stromfluss beträgt ca. 5,0A +/-100mA
# je nach Kühlkörpergröße sollte sich dieser schnell erhitzen und nach einer Zeit sollte die Übertemperaturabschaltung aktiviert werden, Netzteilstrom geht auf 0mA zurück
# Richtwert zur Dauer bis zum Abschalten: ca. 30 Sek. bei einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 8K/W

= Schaltplan =

[[Datei:PWM-Stromsenke-2.png|400px]]

= Lochraster-Layout :D =
Das "Dink" lass ich mal weg. Den losen Aufbau baut eh keiner nach.

= Siehe auch =
* Diskussion zu diesem Projekt: https://www.mikrocontroller.net/topic/311706#new

[[Kategorie: Spannungsversorgung und Energiequellen]]

Datei:332.png

2013-10-20T20:11:48Z

Hegy:

2013-10-17T00:32:06Z

Hegy: /* Übertemperaturabschaltung */

Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Überstromerkennung im abschließenden Funktionstest in der Produktion von Netzgeräten, die Bestandteil eines Gesamtgerätes waren.

= Einleitung =

Die Stromsenke musste wie oben erwähnt spezielle Anforderungen erfüllen hinsichtlich der galvanischen Trennung, der Ansteuerung und der Zuverlässigkeit.

'''Features:'''

* galvanische Trennung von Steuersignal und Last
* Verpolschutz
* Soll-/Ist-Vergleich
* lineare PWM-Ansteuerung
* Übertemperaturabschaltung
* selbstregelnd

'''Daten:'''
* 0 bis 5A, auch höher möglich
* max. Leistungsaufnahme je nach Kühlung bis 150W möglich
* für Spannungen bis 40V geeignet
* Auflösung je Prozentpunkt der PWM 50 mA (also 50mA Schritte)

= Aufbau =
Die Stromsenke besteht aus folgenden Einzelkomponenten

* Verpolschutz
* galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last
* galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis
* Tiefpassfilter 2. Ordnung
* Spannungsteiler mit Abschaltfunktion
* Regel- und Ansteuerstufe
* Leistungsstufe
* Spannungsverstärker für Messgerät (Kontrolle)
* Temperaturüberwachung
* Spannungsstabilisierung

'''Schaltplan'''
[[Bild:PWM-Stromsenke-2.png|1200px|gesamter Schaltplan]]

== Verpolschutz ==
Der Verpolschutz besteht aus den drei Bauteilen T1 (N-Kanal MOSFET, IRF530), Z-Diode D1 und Vorwiderstand R5. Bei richtiger Polung ist immer ein Stromfluss möglich. Dieses
geschieht durch die immer vorhandene parasitäre Diode innerhalb des MOSFET, die für ca. 2A ausgelegt ist. Daher muss bei höheren Strom auch die Spannung höher sein um die
Source-Drain-Strecke durchzuschalten. Je nach Typ liegt die Mindestspannung bei ca. 3,5V (BUK754R3) bzw. 4,5V (IRF1404). In entgegengesetzter Richtung ist Diode gesperrt
und auch wird über die Gate-Spannung der MOSFET nicht durchgeschaltet. Bei Spannungen unter diesen Werten empfiehlt es sich, den Verpolschutz durch eine entsprechende
(Shottky-)Leistungsdiode zu ersetzen. Allerdings muß diese dann gekühlt werden. Die Verlustleistung am MOSFET-Verpolschutz beträgt nur einige Milliwatt.

Sollte die Spannung am Eingang über 15V steigen, wird durch den Vorwiderstand und der Z-Diode sichergestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung von +/-20V nicht überschritten wird.

== galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last ==
Die Trennung der beiden Potentiale wird durch den Optokoppler CNY17F realisiert. Der Eingang ist mit einem 470R Widerstand so ausgelegt, dass eine PWM mit
einem Spannungshub von 0 bis 5V ausreicht. Der Ausgang mit dem Widerstand R2 (2,1k) ist so ausgelegt, dass die Spannung hier für den nachgeschalteten
Tiefpassfilter passend ist.

== Sallen-Key Tiefpassfilter ==
Die eingehende PWM wird am Sallen-Key-Filter, ein aktiver Tiefpass 2. Ordung, geglättet. Selbst beim kritischen duty-cycle von 50% sind am Ausgang keine nennenswerten Schwankungen
sichtbar (s. Messwerte), sofern die PWM-Frequenz über 2kHz liegt. Die Ausgangsspannung des Filters steigt linear von 0V bis ca. 8,2V an. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt
bei 160Hz. Die Grenzfrequenz errechnet sich aus

<math>f_o = \frac{1}{2 \pi R C}</math> mit R = R3 = R4 und C = C1 = C2.

Die Gesamtverstärkung des Filters liegt bei eins. Werte höher drei bringen den Tiefpass zum schwingen.

== Spannungsteiler mit Schaltfunktion ==
Nach dem Tiefpass muss die Ausgangsspannung auf das Niveau abgesenkt werden, die auch die Regel- und Ansteuerstufe als Feedback über die Shuntwiderstände erhält. Daher wird mit
dem Spannungsteiler aus R6 und R7 parallel mit R8 auf 250mV +/-5mV abgesenkt. Die beiden parallelgeschalteten Widerstände R7 und R8 sind zusätzlich noch mit einem
MOSFET überbrückt. Dieser schaltet die Widerstände kurz, sollte die Temperatur am Kühlkörper zu hoch werden. Dann beträgt die Eingangsspannung der Regel- und Ansteuerstufe 0V und die
Leistungsstufe wird abgeschaltet.

Sollte aufgrund von Toleranzen die Spannung des Spannungsteilerausgang nicht auf 250mV kommen, kann Widerstand (R22) zu R6 parallel geschaltet werden.

== Regel- und Ansteuerstufe ==
An dieser Stufe werden höhere Anforderungen gestellt als an den Tiefpass, weswegen ein höherwertiger OP zum Einsatz kommt (IC2A, LT1013). Diese Stufe steuert zum einen den
Leistungs-MOSFET an und zum anderen wird der Soll- und Istwert verglichen und ggf. nachgeregelt. Dazu steht am nicht-invertierenden Eingang die Sollspannung an.
Daraus bildet sich dann die Ausgangsspannung, die noch abhängig ist von der Ist-Spannung am invertierenden Eingang. Steuert der Ausgang die Endstufe auf ein bestimmtes Niveau
an, wird der MOSFET soweit durchgesteuert, dass an den im Source-Kreis liegenden Shuntwiderständen die gleiche Spannung abfällt wie am nicht-invertierenden Eingang anliegt.
Daraus ergibt sich auch das Regelverhalten, sollte der Laststrom schwanken durch z. B. schwankende Übergangswiderstände in der Peripherie oder Spannungsswankungen vom zu
testenden Netzteil. Geht der Strom zurück, verringert sich am invertierenen Eingang ebenfalls die Spannung. Durch die Invertierung wird eine höhere Ausgangsspanung generiert,
die den sinkenden Strom entgegen wirkt. Daher ist die Differenzspannung an den beiden OP-Eingängen bei Null, bei dem verwendeten OP im µV-Bereich, beim einem LM324 einige mV,
wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.

Um Schwingungen zwischen OP-Ausgang und den Gate des MOSFET zu verhindern ist hier ein Widerstand zwischengeschaltet (R10). Vermutlich verursacht die Restwelligkeit des Tiefpasses
ein ständiges auf- und entladen des Gate, wodurch die Schwingungen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz entstehen. Um die gesamte Regelung nicht zum Schwingen zu bringen,
ist zusätzlich noch der Kondensator C3 vorhanden.

== Leistungsstufe ==
Die Leistungsstufe ist mit einem MOSFET (T3) realisiert um eine möglichst genaue Einstellung zu bekommen. Bei bipolaren Transistoren käme noch der Störfaktor des Basisstroms dazu.
Auch bei Darlington-Transistoren ist der Strom durch den letzten Transistor nicht zu vernachlässigen. Der Basisstrom, der über den Emitter und damit über die Shuntwidestände fließt,
würde die Genauigkeit und Linearität beeinflussen. Allerdings haben bipolare Transistoren den Vorteil, dass diese für größere Ströme bzw. Leistungen parallel geschaltet werden
können. Nachteilig wäre aber eine zusätzliche Treiberstufe, da der Ausgangsstrom des OP nicht ausreicht um mehrer Transistoren anzusteuern. Mit MOSFETs ist das nicht möglich, da
schon geringste Abweichungen in der Ansteuercharakteristik, d. h. die Übertragungsfunktion aus dem Spannungsverhältnis <math>U_{GS}</math> und <math>U_{DS}</math> nur
einen von mehreren MOSFET zum durchschalten bringt. Diese minimalen Spannungsdifferenzen zwischen zwei MOSFETs sind auch nicht kompensierbar. Vorteilhaft ist aber der nicht
vorhandene Gate-Strom, der sich nicht auf die Linearität und Präzision auswirkt. Zwischen Source und GND befinden sich die beiden Shuntwiderstände R11 und
R12 von jeweils 0,1R. Bei einem Strom von 5A fallen hier dann 0,25V ab, was einer Gesamtleistung von 1,25 Watt entspricht.

== Spannungsverstärker für Messgerät ==
Zur Kontrolle des tatsächlichen Stromflusses erfolgt über den Shuntwiderständen der Abgriff zur indirekten Strommessung. Die am Shunt abfallende Spannung wird um den
Faktor 20 verstärkt. Damit ergibt sich bei 50mR und 20-facher Verstärkung eine Strom-Spannung-Zuordnung von 1:1, d. h. ein Strom von 5A verursacht eine Ausgangsspannung von
<math>{U_{A_{DMM}}} = 5V. </math>

== Kühlkörper-Temperaturüberwachung ==
Eine Überhitzung des Leistungs-MOSFET ist gerade unter den knappen räumlichen Bedingungen gut möglich, weil der notwendige Kühlkörper mit entsprechender Ventilation kaum Platz
hat. Bei einem kleineren Kühlkörper würde daher eine Überhitzung möglich werden. Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca. 8K/W erwärmt sich bei 63 Watt abzuführender
Leistung (4,54A bei 14V Klemmenspannung) innerhalb von ca. 27 Sekunden um ca. 60K, was einer Endtemperatur von 85°C entspricht. Bei mehr Leistung ist daher innerhalb von Sekunden
die max. Temperatur des MOSFET erreicht (Halbleitertemperatur 175°C).

Als Temperaturfühler dient ein KTY81-122, der zusammen mit den Leistungs-MOSFET auf den Kühlkörper montiert wird. Erreicht der Temperaturfühler eine Temperatur von ca. 85°C
schaltet der Schmitt-Trigger über T2 den unteren Teil des Spannungsteiler kurz und die Ansteuerspannung des Leitsungs-MOSFET geht auf Null und damit ist kein Stromfluss mehr
vorhanden. Hat sich der Temperaturfühler auf ca. 58°C abgekühlt, wird der Leistungs-MOSFET wieder angesteuert. Die Temperaturgrenzen und die Hysterese errechnen sich folgendermaßen:

<math>U_{aus} = U_{A_{max}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{ein} = U_{A_{min}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{hyst} = \Delta U_e = (U_{A_{max}} - U_{A_{min}}) \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{aus}</math> ist die Ausschaltspannung des Komparators, <math>U_{ein}</math> die Einschaltspannung und <math>U_{hyst}</math> die Hysterese (Spannungs- bzw. Temperaturdifferenz
der Ein- und Ausschaltschwellen). Die Angaben <math>U_{A_{min}}</math> und <math>U_{A_{max}}</math> sind die maximale und minimale Ausgangsspannungen des Komparators. Bei 10V
Versorgungsspannung liegt die maximale Ausgangsspannung des LM324 bei ca. 8,2V.

== galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis ==
Damit der Lastkreis keine Verbindung zur Versorgung und damit zum Rest des Equipments hat, muss diese durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt werden. Durch die hohen Schaltfreuquenzen
ergeben sich am Ausgang kurze Spannungsspitzen. Durch das Snubber-Gleid, bestehend aus R20 und C6 werden diese minimiert. Dadurch, dass die gesamte Schaltung eine Stromaufnahme nur
im mA-Bereich hat, reicht ein DC/DC-Wandler von einem Watt Leistung völlig aus.

== Spannungsstabilisierung ==
Die Versorgungsspannung hat einen essentiellen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Eine Spannungsänderung beeinflusst die Ausgangsspanung des Optokopplers, unabhängig davon auch
die Ansteuerspannung der Treiberstufe und die Schaltschwellen des Schmitt-Trigger. Mit einem Standard-Linearregler vom Typ 78L10 ist die Stabilität ausreichend.

= Messwerte =
== Übertemperaturabschaltung ==
Bei 14V Klemmenspannung und 4,54A (= 63 Watt) und ca. 1cm über der Befestigungsschraube des Transistors schaltet die Übertemperatursicherung nach ca. 27 Sekunden ab.
Wärmewiderstand des Kühlkörper ca. 8K/W
(z. B. [http://Http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A04/Strangk%C3%BChlk%C3%B6rper%20f%C3%BCr%20Leiterplattenmontage/PR/SK104_25.4_/index.xhtml SK104, R_th = 8 K/W])

== Restwelligkeit des Tiefpasses ==
Vergleich der Ausgangsspannung (Restwelligkeit) des Tiefpasses bei 1,5kHz und 4kHz.

[[Datei:screen-547x391-1,5kHz-MWC-neg.png]]

Die größte Restwelligkeit entsteht bei einem duty-cycle von 50%. Bei ca. 1,5kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang 126mV bei einer Ausgangsspannung
von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 2,9%.

[[Datei:screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png]]
Bei ca. 4kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang nur noch 15,3mV bei einer Ausgangsspannung von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 0,35%.

Bei Frequenzen über 4kHz sinkt die Ausgangsspannung ab. Grund ist die Trägheit des OP's. Daher sollte die PWM-Frequenz im Bereich 2kHz bis 4kHz liegen.

== Linearität ==
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung <math>U_{A_{TP}}</math> des Tiefpasses vom PWM-Verhältnis.

\readdata[ignoreLines=1,nStep=1]{\Daten}{data-files/Messwerte-3.txt}
\psset{xunit=1mm, yunit=10mm,yAxisLabel={},xAxisLabel={}}
\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 9, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1](0,0)(100,9){80mm}{72mm}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=2,plotNoMax=3]{\Daten}
\uput{0}[0](-8,9.7){<math>U_{A_{TP}} [V]</math>}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\endpsgraph

Das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilter. Die Y-Werte sind die Spannungen direkt am Ausgang des Tiefpasses ohne Spannungsteiler.
Je nach verwendeten OP können sich hier andere Werte ergeben. Hier wurde der LM324 (4-fach OP) verwendet.

Die Abhängigkeit des Stroms <math>I_{Last}</math> und der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> vom PWM-Verhältnis.

\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 6, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1]{}(0,0)(100,6){90mm}{54mm}
\uput{0}[0](-5,7.2){\textcolor{blue}{$\mathrm{I_{Last} [A]}$}}
\uput{0}[0](-5,6.7){\textcolor{red}{$\mathrm{U_{A_{DMM}} [V]}$}}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=1,plotNoMax=3]{\Daten}
\listplot[plotstyle=dots,showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=red,plotNo=3,plotNoMax=3]{\Daten}
\endpsgraph

Die Linearität der Laststufe bzw. des Gesamtsystems. Die vereinzelten roten Punkte sind die Messwerte der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> zur Kontrolle
bzw. zum gegenmessen des tatsächlichen Stroms. Die Punkte mit Y-Werten von 0 sind nicht gemessen worden.

Die Messwerte in Zahlen:

{| border="1" class="wikitable"
|- style="background-color:#0d0f0d;"
! duty- cycle || Strom || Tiefpass || Ausgang
|-
| style="text-align:center"| % || style="text-align:center"| <math>I</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{TP}}</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{DMM}}</math>
|-
| style="text-align:right"| 0 || style="text-align:right"| 0,000 A || style="text-align:right"| 0,96 mV || style="text-align:right"| 13 mV
|-
| style="text-align:right"| 4,5 || style="text-align:right"| 0,262 A || style="text-align:right"| 0,423 V || style="text-align:right"| 0,261 V
|-
| style="text-align:right"| 8,4 || style="text-align:right"| 0,420 A || style="text-align:right"| 0,676 V ||
|-
| style="text-align:right"| 10,6 || style="text-align:right"| 0,613 A || style="text-align:right"| 0,936 V || style="text-align:right"| 0,613 V
|-
| style="text-align:right"| 15,0 || style="text-align:right"| 0,836 A || style="text-align:right"| 1,342 V ||
|-
| style="text-align:right"| 19,6 || style="text-align:right"| 1,12 A || style="text-align:right"| 1,793 V ||
|-
| style="text-align:right"| 24,5 || style="text-align:right"| 1,36 A || style="text-align:right"| 2,163 V || style="text-align:right"| 1,36 V
|-
| style="text-align:right"| 30,0 || style="text-align:right"| 1,66 A || style="text-align:right"| 2,66 V ||
|-
| style="text-align:right"| 35,6 || style="text-align:right"| 1,98 A || style="text-align:right"| 3,17 V ||
|-
| style="text-align:right"| 40,6 || style="text-align:right"| 2,21 A || style="text-align:right"| 3,56 V ||
|-
| style="text-align:right"| 45,5 || style="text-align:right"| 2,51 A || style="text-align:right"| 4,03 V ||
|-
| style="text-align:right"| 50,5 || style="text-align:right"| 2,765 A || style="text-align:right"| 4,42 V || style="text-align:right"| 2,76 V
|-
| style="text-align:right"| 55,4 || style="text-align:right"| 2,99 A || style="text-align:right"| 4,80 V ||
|-
| style="text-align:right"| 60,4 || style="text-align:right"| 3,25 A || style="text-align:right"| 5,22 V ||
|-
| style="text-align:right"| 64,6 || style="text-align:right"| 3,455 A || style="text-align:right"| 5,55 V ||
|-
| style="text-align:right"| 70,1 || style="text-align:right"| 3,74 A || style="text-align:right"| 6,00 V ||
|-
| style="text-align:right"| 75,0 || style="text-align:right"| 3,96 A || style="text-align:right"| 6,36 V || style="text-align:right"| 3,97 V
|-
| style="text-align:right"| 80,4 || style="text-align:right"| 4,24 A || style="text-align:right"| 6,81 V ||
|-
| style="text-align:right"| 85,4 || style="text-align:right"| 4,45 A || style="text-align:right"| 7,15 V ||
|-
| style="text-align:right"| 90,4 || style="text-align:right"| 4,68 A || style="text-align:right"| 7,52 V ||
|-
| style="text-align:right"| 95,3 || style="text-align:right"| 4,95 A || style="text-align:right"| 7,91 V || style="text-align:right"| 4,95 V
|-
| style="text-align:right"| 100,0 || style="text-align:right"| 5,08 A || style="text-align:right"| 8,18 V || style="text-align:right"| 5,09 V
|}

= Funktionskontrolle =
Für eine einwandfreie Funktion bietet sich folgende Vorgehensweise an.

* Der PWM-Eingang bleibt offen = duty-cycle 0%
* am DC/DC-Konverter Versorgungsspannung anlegen, am Ausgang des DC/DC-Konverters müssen min. 13V gemessen werden, nach dem Spannungsregler 10,0V
* am Spannungsteilerausgang müssen 0V zu messen sein
* den Lastkreis mit einem Netzgerät verbinden, Einstellung 5V und mind. 6A (kleinere Spannungen könnten den Verpolschutz nicht ausreichend durchschalten)
* der Stromfluss im Lastkreis muß bei 0mA liegen
* folgende Punkte sollten zügig durchgeführt werden:
** am Eingang des Optokopplers eine Gleichspannung von 5V anlegen oder den Ausgang des Optokopplers überbrücken = duty-cycle 100%
** der Strom im Lastkreis sollte im Bereich von 5A liegen
** die Spannung am Spannungsteilerausgang messen, Sollwert 250mV +/-5mV
** die Spannungsdifferenz am Eingang des IC2A (LT1013) messen, Sollwert 0mV (nur im Lastfall)
** Netzgerät trennen
* bei ausreichendem Kühlkörper sollte die Übertemperaturabschaltung nicht aktiviert werden (Leistungsaufnahme 30 Watt)
* sollte die Spannung am Spannungsteiler bei 100% PWM nicht 250mV +/-5mV betragen, den Spannungsteiler anpassen; dies kann ohne Laststrom erfolgen
* der Test der Linearität wird mit PWM-Generator durchgeführt, dazu gerade die Endwerte 0 bis 20% und 80% bis 100% kontrollieren durch Messung der Spannung am Spannungsteilerausgang,
* sollte die Linearregler unzureichend sein, ggf. den Wiederstand R2 am Optokoppler ändern
* Netzgerät wieder zuschalten, Einstellung 14V und mind. 6A
* PWM duty-cycle liegt noch bei 100% d. h. der Stromfluss beträgt ca. 5,0A +/-100mA
* je nach Kühlkörpergröße sollte sich dieser schnell erhitzen und nach einer Zeit sollte die Übertemperaturabschaltung aktiviert werden, Netzteilstrom geht auf 0mA zurück
* Richtwert zur Dauer bis zum Abschalten: ca. 30 Sek. bei einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 8K/W

= Schaltplan =

[[Datei:PWM-Stromsenke-2.png|400px]]

= Lochraster-Layout :D =
Das "Dink" lass ich mal weg. Den losen Aufbau baut eh keiner nach.

Stromsenke

2013-10-17T00:31:31Z

Hegy: /* Übertemperaturabschaltung */

Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Überstromerkennung im abschließenden Funktionstest in der Produktion von Netzgeräten, die Bestandteil eines Gesamtgerätes waren.

= Einleitung =

Die Stromsenke musste wie oben erwähnt spezielle Anforderungen erfüllen hinsichtlich der galvanischen Trennung, der Ansteuerung und der Zuverlässigkeit.

'''Features:'''

* galvanische Trennung von Steuersignal und Last
* Verpolschutz
* Soll-/Ist-Vergleich
* lineare PWM-Ansteuerung
* Übertemperaturabschaltung
* selbstregelnd

'''Daten:'''
* 0 bis 5A, auch höher möglich
* max. Leistungsaufnahme je nach Kühlung bis 150W möglich
* für Spannungen bis 40V geeignet
* Auflösung je Prozentpunkt der PWM 50 mA (also 50mA Schritte)

= Aufbau =
Die Stromsenke besteht aus folgenden Einzelkomponenten

* Verpolschutz
* galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last
* galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis
* Tiefpassfilter 2. Ordnung
* Spannungsteiler mit Abschaltfunktion
* Regel- und Ansteuerstufe
* Leistungsstufe
* Spannungsverstärker für Messgerät (Kontrolle)
* Temperaturüberwachung
* Spannungsstabilisierung

'''Schaltplan'''
[[Bild:PWM-Stromsenke-2.png|1200px|gesamter Schaltplan]]

== Verpolschutz ==
Der Verpolschutz besteht aus den drei Bauteilen T1 (N-Kanal MOSFET, IRF530), Z-Diode D1 und Vorwiderstand R5. Bei richtiger Polung ist immer ein Stromfluss möglich. Dieses
geschieht durch die immer vorhandene parasitäre Diode innerhalb des MOSFET, die für ca. 2A ausgelegt ist. Daher muss bei höheren Strom auch die Spannung höher sein um die
Source-Drain-Strecke durchzuschalten. Je nach Typ liegt die Mindestspannung bei ca. 3,5V (BUK754R3) bzw. 4,5V (IRF1404). In entgegengesetzter Richtung ist Diode gesperrt
und auch wird über die Gate-Spannung der MOSFET nicht durchgeschaltet. Bei Spannungen unter diesen Werten empfiehlt es sich, den Verpolschutz durch eine entsprechende
(Shottky-)Leistungsdiode zu ersetzen. Allerdings muß diese dann gekühlt werden. Die Verlustleistung am MOSFET-Verpolschutz beträgt nur einige Milliwatt.

Sollte die Spannung am Eingang über 15V steigen, wird durch den Vorwiderstand und der Z-Diode sichergestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung von +/-20V nicht überschritten wird.

== galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last ==
Die Trennung der beiden Potentiale wird durch den Optokoppler CNY17F realisiert. Der Eingang ist mit einem 470R Widerstand so ausgelegt, dass eine PWM mit
einem Spannungshub von 0 bis 5V ausreicht. Der Ausgang mit dem Widerstand R2 (2,1k) ist so ausgelegt, dass die Spannung hier für den nachgeschalteten
Tiefpassfilter passend ist.

== Sallen-Key Tiefpassfilter ==
Die eingehende PWM wird am Sallen-Key-Filter, ein aktiver Tiefpass 2. Ordung, geglättet. Selbst beim kritischen duty-cycle von 50% sind am Ausgang keine nennenswerten Schwankungen
sichtbar (s. Messwerte), sofern die PWM-Frequenz über 2kHz liegt. Die Ausgangsspannung des Filters steigt linear von 0V bis ca. 8,2V an. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt
bei 160Hz. Die Grenzfrequenz errechnet sich aus

<math>f_o = \frac{1}{2 \pi R C}</math> mit R = R3 = R4 und C = C1 = C2.

Die Gesamtverstärkung des Filters liegt bei eins. Werte höher drei bringen den Tiefpass zum schwingen.

== Spannungsteiler mit Schaltfunktion ==
Nach dem Tiefpass muss die Ausgangsspannung auf das Niveau abgesenkt werden, die auch die Regel- und Ansteuerstufe als Feedback über die Shuntwiderstände erhält. Daher wird mit
dem Spannungsteiler aus R6 und R7 parallel mit R8 auf 250mV +/-5mV abgesenkt. Die beiden parallelgeschalteten Widerstände R7 und R8 sind zusätzlich noch mit einem
MOSFET überbrückt. Dieser schaltet die Widerstände kurz, sollte die Temperatur am Kühlkörper zu hoch werden. Dann beträgt die Eingangsspannung der Regel- und Ansteuerstufe 0V und die
Leistungsstufe wird abgeschaltet.

Sollte aufgrund von Toleranzen die Spannung des Spannungsteilerausgang nicht auf 250mV kommen, kann Widerstand (R22) zu R6 parallel geschaltet werden.

== Regel- und Ansteuerstufe ==
An dieser Stufe werden höhere Anforderungen gestellt als an den Tiefpass, weswegen ein höherwertiger OP zum Einsatz kommt (IC2A, LT1013). Diese Stufe steuert zum einen den
Leistungs-MOSFET an und zum anderen wird der Soll- und Istwert verglichen und ggf. nachgeregelt. Dazu steht am nicht-invertierenden Eingang die Sollspannung an.
Daraus bildet sich dann die Ausgangsspannung, die noch abhängig ist von der Ist-Spannung am invertierenden Eingang. Steuert der Ausgang die Endstufe auf ein bestimmtes Niveau
an, wird der MOSFET soweit durchgesteuert, dass an den im Source-Kreis liegenden Shuntwiderständen die gleiche Spannung abfällt wie am nicht-invertierenden Eingang anliegt.
Daraus ergibt sich auch das Regelverhalten, sollte der Laststrom schwanken durch z. B. schwankende Übergangswiderstände in der Peripherie oder Spannungsswankungen vom zu
testenden Netzteil. Geht der Strom zurück, verringert sich am invertierenen Eingang ebenfalls die Spannung. Durch die Invertierung wird eine höhere Ausgangsspanung generiert,
die den sinkenden Strom entgegen wirkt. Daher ist die Differenzspannung an den beiden OP-Eingängen bei Null, bei dem verwendeten OP im µV-Bereich, beim einem LM324 einige mV,
wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.

Um Schwingungen zwischen OP-Ausgang und den Gate des MOSFET zu verhindern ist hier ein Widerstand zwischengeschaltet (R10). Vermutlich verursacht die Restwelligkeit des Tiefpasses
ein ständiges auf- und entladen des Gate, wodurch die Schwingungen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz entstehen. Um die gesamte Regelung nicht zum Schwingen zu bringen,
ist zusätzlich noch der Kondensator C3 vorhanden.

== Leistungsstufe ==
Die Leistungsstufe ist mit einem MOSFET (T3) realisiert um eine möglichst genaue Einstellung zu bekommen. Bei bipolaren Transistoren käme noch der Störfaktor des Basisstroms dazu.
Auch bei Darlington-Transistoren ist der Strom durch den letzten Transistor nicht zu vernachlässigen. Der Basisstrom, der über den Emitter und damit über die Shuntwidestände fließt,
würde die Genauigkeit und Linearität beeinflussen. Allerdings haben bipolare Transistoren den Vorteil, dass diese für größere Ströme bzw. Leistungen parallel geschaltet werden
können. Nachteilig wäre aber eine zusätzliche Treiberstufe, da der Ausgangsstrom des OP nicht ausreicht um mehrer Transistoren anzusteuern. Mit MOSFETs ist das nicht möglich, da
schon geringste Abweichungen in der Ansteuercharakteristik, d. h. die Übertragungsfunktion aus dem Spannungsverhältnis <math>U_{GS}</math> und <math>U_{DS}</math> nur
einen von mehreren MOSFET zum durchschalten bringt. Diese minimalen Spannungsdifferenzen zwischen zwei MOSFETs sind auch nicht kompensierbar. Vorteilhaft ist aber der nicht
vorhandene Gate-Strom, der sich nicht auf die Linearität und Präzision auswirkt. Zwischen Source und GND befinden sich die beiden Shuntwiderstände R11 und
R12 von jeweils 0,1R. Bei einem Strom von 5A fallen hier dann 0,25V ab, was einer Gesamtleistung von 1,25 Watt entspricht.

== Spannungsverstärker für Messgerät ==
Zur Kontrolle des tatsächlichen Stromflusses erfolgt über den Shuntwiderständen der Abgriff zur indirekten Strommessung. Die am Shunt abfallende Spannung wird um den
Faktor 20 verstärkt. Damit ergibt sich bei 50mR und 20-facher Verstärkung eine Strom-Spannung-Zuordnung von 1:1, d. h. ein Strom von 5A verursacht eine Ausgangsspannung von
<math>{U_{A_{DMM}}} = 5V. </math>

== Kühlkörper-Temperaturüberwachung ==
Eine Überhitzung des Leistungs-MOSFET ist gerade unter den knappen räumlichen Bedingungen gut möglich, weil der notwendige Kühlkörper mit entsprechender Ventilation kaum Platz
hat. Bei einem kleineren Kühlkörper würde daher eine Überhitzung möglich werden. Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca. 8K/W erwärmt sich bei 63 Watt abzuführender
Leistung (4,54A bei 14V Klemmenspannung) innerhalb von ca. 27 Sekunden um ca. 60K, was einer Endtemperatur von 85°C entspricht. Bei mehr Leistung ist daher innerhalb von Sekunden
die max. Temperatur des MOSFET erreicht (Halbleitertemperatur 175°C).

Als Temperaturfühler dient ein KTY81-122, der zusammen mit den Leistungs-MOSFET auf den Kühlkörper montiert wird. Erreicht der Temperaturfühler eine Temperatur von ca. 85°C
schaltet der Schmitt-Trigger über T2 den unteren Teil des Spannungsteiler kurz und die Ansteuerspannung des Leitsungs-MOSFET geht auf Null und damit ist kein Stromfluss mehr
vorhanden. Hat sich der Temperaturfühler auf ca. 58°C abgekühlt, wird der Leistungs-MOSFET wieder angesteuert. Die Temperaturgrenzen und die Hysterese errechnen sich folgendermaßen:

<math>U_{aus} = U_{A_{max}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{ein} = U_{A_{min}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{hyst} = \Delta U_e = (U_{A_{max}} - U_{A_{min}}) \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{aus}</math> ist die Ausschaltspannung des Komparators, <math>U_{ein}</math> die Einschaltspannung und <math>U_{hyst}</math> die Hysterese (Spannungs- bzw. Temperaturdifferenz
der Ein- und Ausschaltschwellen). Die Angaben <math>U_{A_{min}}</math> und <math>U_{A_{max}}</math> sind die maximale und minimale Ausgangsspannungen des Komparators. Bei 10V
Versorgungsspannung liegt die maximale Ausgangsspannung des LM324 bei ca. 8,2V.

== galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis ==
Damit der Lastkreis keine Verbindung zur Versorgung und damit zum Rest des Equipments hat, muss diese durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt werden. Durch die hohen Schaltfreuquenzen
ergeben sich am Ausgang kurze Spannungsspitzen. Durch das Snubber-Gleid, bestehend aus R20 und C6 werden diese minimiert. Dadurch, dass die gesamte Schaltung eine Stromaufnahme nur
im mA-Bereich hat, reicht ein DC/DC-Wandler von einem Watt Leistung völlig aus.

== Spannungsstabilisierung ==
Die Versorgungsspannung hat einen essentiellen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Eine Spannungsänderung beeinflusst die Ausgangsspanung des Optokopplers, unabhängig davon auch
die Ansteuerspannung der Treiberstufe und die Schaltschwellen des Schmitt-Trigger. Mit einem Standard-Linearregler vom Typ 78L10 ist die Stabilität ausreichend.

= Messwerte =
== Übertemperaturabschaltung ==
Bei 14V Klemmenspannung und 4,54A (= 63 Watt) und ca. 1cm über der Befestigungsschraube des Transistors schaltet die Übertemperatursicherung nach ca. 27 Sekunden ab.
Wärmewiderstand des Kühlkörper ca. 8K/W
(z. B. [[Datei:Http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A04/Strangk%C3%BChlk%C3%B6rper%20f%C3%BCr%20Leiterplattenmontage/PR/SK104_25.4_/index.xhtml|miniatur|SK104]])
[http://Http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A04/Strangk%C3%BChlk%C3%B6rper%20f%C3%BCr%20Leiterplattenmontage/PR/SK104_25.4_/index.xhtml SK104, R_th = 8 K/W]

== Restwelligkeit des Tiefpasses ==
Vergleich der Ausgangsspannung (Restwelligkeit) des Tiefpasses bei 1,5kHz und 4kHz.

[[Datei:screen-547x391-1,5kHz-MWC-neg.png]]

Die größte Restwelligkeit entsteht bei einem duty-cycle von 50%. Bei ca. 1,5kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang 126mV bei einer Ausgangsspannung
von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 2,9%.

[[Datei:screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png]]
Bei ca. 4kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang nur noch 15,3mV bei einer Ausgangsspannung von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 0,35%.

Bei Frequenzen über 4kHz sinkt die Ausgangsspannung ab. Grund ist die Trägheit des OP's. Daher sollte die PWM-Frequenz im Bereich 2kHz bis 4kHz liegen.

== Linearität ==
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung <math>U_{A_{TP}}</math> des Tiefpasses vom PWM-Verhältnis.

\readdata[ignoreLines=1,nStep=1]{\Daten}{data-files/Messwerte-3.txt}
\psset{xunit=1mm, yunit=10mm,yAxisLabel={},xAxisLabel={}}
\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 9, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1](0,0)(100,9){80mm}{72mm}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=2,plotNoMax=3]{\Daten}
\uput{0}[0](-8,9.7){<math>U_{A_{TP}} [V]</math>}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\endpsgraph

Das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilter. Die Y-Werte sind die Spannungen direkt am Ausgang des Tiefpasses ohne Spannungsteiler.
Je nach verwendeten OP können sich hier andere Werte ergeben. Hier wurde der LM324 (4-fach OP) verwendet.

Die Abhängigkeit des Stroms <math>I_{Last}</math> und der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> vom PWM-Verhältnis.

\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 6, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1]{}(0,0)(100,6){90mm}{54mm}
\uput{0}[0](-5,7.2){\textcolor{blue}{$\mathrm{I_{Last} [A]}$}}
\uput{0}[0](-5,6.7){\textcolor{red}{$\mathrm{U_{A_{DMM}} [V]}$}}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=1,plotNoMax=3]{\Daten}
\listplot[plotstyle=dots,showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=red,plotNo=3,plotNoMax=3]{\Daten}
\endpsgraph

Die Linearität der Laststufe bzw. des Gesamtsystems. Die vereinzelten roten Punkte sind die Messwerte der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> zur Kontrolle
bzw. zum gegenmessen des tatsächlichen Stroms. Die Punkte mit Y-Werten von 0 sind nicht gemessen worden.

Die Messwerte in Zahlen:

{| border="1" class="wikitable"
|- style="background-color:#0d0f0d;"
! duty- cycle || Strom || Tiefpass || Ausgang
|-
| style="text-align:center"| % || style="text-align:center"| <math>I</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{TP}}</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{DMM}}</math>
|-
| style="text-align:right"| 0 || style="text-align:right"| 0,000 A || style="text-align:right"| 0,96 mV || style="text-align:right"| 13 mV
|-
| style="text-align:right"| 4,5 || style="text-align:right"| 0,262 A || style="text-align:right"| 0,423 V || style="text-align:right"| 0,261 V
|-
| style="text-align:right"| 8,4 || style="text-align:right"| 0,420 A || style="text-align:right"| 0,676 V ||
|-
| style="text-align:right"| 10,6 || style="text-align:right"| 0,613 A || style="text-align:right"| 0,936 V || style="text-align:right"| 0,613 V
|-
| style="text-align:right"| 15,0 || style="text-align:right"| 0,836 A || style="text-align:right"| 1,342 V ||
|-
| style="text-align:right"| 19,6 || style="text-align:right"| 1,12 A || style="text-align:right"| 1,793 V ||
|-
| style="text-align:right"| 24,5 || style="text-align:right"| 1,36 A || style="text-align:right"| 2,163 V || style="text-align:right"| 1,36 V
|-
| style="text-align:right"| 30,0 || style="text-align:right"| 1,66 A || style="text-align:right"| 2,66 V ||
|-
| style="text-align:right"| 35,6 || style="text-align:right"| 1,98 A || style="text-align:right"| 3,17 V ||
|-
| style="text-align:right"| 40,6 || style="text-align:right"| 2,21 A || style="text-align:right"| 3,56 V ||
|-
| style="text-align:right"| 45,5 || style="text-align:right"| 2,51 A || style="text-align:right"| 4,03 V ||
|-
| style="text-align:right"| 50,5 || style="text-align:right"| 2,765 A || style="text-align:right"| 4,42 V || style="text-align:right"| 2,76 V
|-
| style="text-align:right"| 55,4 || style="text-align:right"| 2,99 A || style="text-align:right"| 4,80 V ||
|-
| style="text-align:right"| 60,4 || style="text-align:right"| 3,25 A || style="text-align:right"| 5,22 V ||
|-
| style="text-align:right"| 64,6 || style="text-align:right"| 3,455 A || style="text-align:right"| 5,55 V ||
|-
| style="text-align:right"| 70,1 || style="text-align:right"| 3,74 A || style="text-align:right"| 6,00 V ||
|-
| style="text-align:right"| 75,0 || style="text-align:right"| 3,96 A || style="text-align:right"| 6,36 V || style="text-align:right"| 3,97 V
|-
| style="text-align:right"| 80,4 || style="text-align:right"| 4,24 A || style="text-align:right"| 6,81 V ||
|-
| style="text-align:right"| 85,4 || style="text-align:right"| 4,45 A || style="text-align:right"| 7,15 V ||
|-
| style="text-align:right"| 90,4 || style="text-align:right"| 4,68 A || style="text-align:right"| 7,52 V ||
|-
| style="text-align:right"| 95,3 || style="text-align:right"| 4,95 A || style="text-align:right"| 7,91 V || style="text-align:right"| 4,95 V
|-
| style="text-align:right"| 100,0 || style="text-align:right"| 5,08 A || style="text-align:right"| 8,18 V || style="text-align:right"| 5,09 V
|}

= Funktionskontrolle =
Für eine einwandfreie Funktion bietet sich folgende Vorgehensweise an.

* Der PWM-Eingang bleibt offen = duty-cycle 0%
* am DC/DC-Konverter Versorgungsspannung anlegen, am Ausgang des DC/DC-Konverters müssen min. 13V gemessen werden, nach dem Spannungsregler 10,0V
* am Spannungsteilerausgang müssen 0V zu messen sein
* den Lastkreis mit einem Netzgerät verbinden, Einstellung 5V und mind. 6A (kleinere Spannungen könnten den Verpolschutz nicht ausreichend durchschalten)
* der Stromfluss im Lastkreis muß bei 0mA liegen
* folgende Punkte sollten zügig durchgeführt werden:
** am Eingang des Optokopplers eine Gleichspannung von 5V anlegen oder den Ausgang des Optokopplers überbrücken = duty-cycle 100%
** der Strom im Lastkreis sollte im Bereich von 5A liegen
** die Spannung am Spannungsteilerausgang messen, Sollwert 250mV +/-5mV
** die Spannungsdifferenz am Eingang des IC2A (LT1013) messen, Sollwert 0mV (nur im Lastfall)
** Netzgerät trennen
* bei ausreichendem Kühlkörper sollte die Übertemperaturabschaltung nicht aktiviert werden (Leistungsaufnahme 30 Watt)
* sollte die Spannung am Spannungsteiler bei 100% PWM nicht 250mV +/-5mV betragen, den Spannungsteiler anpassen; dies kann ohne Laststrom erfolgen
* der Test der Linearität wird mit PWM-Generator durchgeführt, dazu gerade die Endwerte 0 bis 20% und 80% bis 100% kontrollieren durch Messung der Spannung am Spannungsteilerausgang,
* sollte die Linearregler unzureichend sein, ggf. den Wiederstand R2 am Optokoppler ändern
* Netzgerät wieder zuschalten, Einstellung 14V und mind. 6A
* PWM duty-cycle liegt noch bei 100% d. h. der Stromfluss beträgt ca. 5,0A +/-100mA
* je nach Kühlkörpergröße sollte sich dieser schnell erhitzen und nach einer Zeit sollte die Übertemperaturabschaltung aktiviert werden, Netzteilstrom geht auf 0mA zurück
* Richtwert zur Dauer bis zum Abschalten: ca. 30 Sek. bei einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 8K/W

= Schaltplan =

[[Datei:PWM-Stromsenke-2.png|400px]]

= Lochraster-Layout :D =
Das "Dink" lass ich mal weg. Den losen Aufbau baut eh keiner nach.

Datei:Screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png

2013-10-17T00:24:05Z

Hegy:

2013-10-17T00:12:16Z

Hegy: /* Aufbau */

Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Überstromerkennung im abschließenden Funktionstest in der Produktion von Netzgeräten, die Bestandteil eines Gesamtgerätes waren.

= Einleitung =

Die Stromsenke musste wie oben erwähnt spezielle Anforderungen erfüllen hinsichtlich der galvanischen Trennung, der Ansteuerung und der Zuverlässigkeit.

'''Features:'''

* galvanische Trennung von Steuersignal und Last
* Verpolschutz
* Soll-/Ist-Vergleich
* lineare PWM-Ansteuerung
* Übertemperaturabschaltung
* selbstregelnd

'''Daten:'''
* 0 bis 5A, auch höher möglich
* max. Leistungsaufnahme je nach Kühlung bis 150W möglich
* für Spannungen bis 40V geeignet
* Auflösung je Prozentpunkt der PWM 50 mA (also 50mA Schritte)

= Aufbau =
Die Stromsenke besteht aus folgenden Einzelkomponenten

* Verpolschutz
* galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last
* galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis
* Tiefpassfilter 2. Ordnung
* Spannungsteiler mit Abschaltfunktion
* Regel- und Ansteuerstufe
* Leistungsstufe
* Spannungsverstärker für Messgerät (Kontrolle)
* Temperaturüberwachung
* Spannungsstabilisierung

'''Schaltplan'''
[[Bild:PWM-Stromsenke-2.png|800px|gerahmt|zentriert|gesamter Schaltplan]]

== Verpolschutz ==
Der Verpolschutz besteht aus den drei Bauteilen T1 (N-Kanal MOSFET, IRF530), Z-Diode D1 und Vorwiderstand R5. Bei richtiger Polung ist immer ein Stromfluss möglich. Dieses
geschieht durch die immer vorhandene parasitäre Diode innerhalb des MOSFET, die für ca. 2A ausgelegt ist. Daher muss bei höheren Strom auch die Spannung höher sein um die
Source-Drain-Strecke durchzuschalten. Je nach Typ liegt die Mindestspannung bei ca. 3,5V (BUK754R3) bzw. 4,5V (IRF1404). In entgegengesetzter Richtung ist Diode gesperrt
und auch wird über die Gate-Spannung der MOSFET nicht durchgeschaltet. Bei Spannungen unter diesen Werten empfiehlt es sich, den Verpolschutz durch eine entsprechende
(Shottky-)Leistungsdiode zu ersetzen. Allerdings muß diese dann gekühlt werden. Die Verlustleistung am MOSFET-Verpolschutz beträgt nur einige Milliwatt.

Sollte die Spannung am Eingang über 15V steigen, wird durch den Vorwiderstand und der Z-Diode sichergestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung von +/-20V nicht überschritten wird.

== galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last ==
Die Trennung der beiden Potentiale wird durch den Optokoppler CNY17F realisiert. Der Eingang ist mit einem 470R Widerstand so ausgelegt, dass eine PWM mit
einem Spannungshub von 0 bis 5V ausreicht. Der Ausgang mit dem Widerstand R2 (2,1k) ist so ausgelegt, dass die Spannung hier für den nachgeschalteten
Tiefpassfilter passend ist.

== Sallen-Key Tiefpassfilter ==
Die eingehende PWM wird am Sallen-Key-Filter, ein aktiver Tiefpass 2. Ordung, geglättet. Selbst beim kritischen duty-cycle von 50% sind am Ausgang keine nennenswerten Schwankungen
sichtbar (s. Messwerte), sofern die PWM-Frequenz über 2kHz liegt. Die Ausgangsspannung des Filters steigt linear von 0V bis ca. 8,2V an. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt
bei 160Hz. Die Grenzfrequenz errechnet sich aus

<math>f_o = \frac{1}{2 \pi R C}</math> mit R = R3 = R4 und C = C1 = C2.

Die Gesamtverstärkung des Filters liegt bei eins. Werte höher drei bringen den Tiefpass zum schwingen.

== Spannungsteiler mit Schaltfunktion ==
Nach dem Tiefpass muss die Ausgangsspannung auf das Niveau abgesenkt werden, die auch die Regel- und Ansteuerstufe als Feedback über die Shuntwiderstände erhält. Daher wird mit
dem Spannungsteiler aus R6 und R7 parallel mit R8 auf 250mV +/-5mV abgesenkt. Die beiden parallelgeschalteten Widerstände R7 und R8 sind zusätzlich noch mit einem
MOSFET überbrückt. Dieser schaltet die Widerstände kurz, sollte die Temperatur am Kühlkörper zu hoch werden. Dann beträgt die Eingangsspannung der Regel- und Ansteuerstufe 0V und die
Leistungsstufe wird abgeschaltet.

Sollte aufgrund von Toleranzen die Spannung des Spannungsteilerausgang nicht auf 250mV kommen, kann Widerstand (R22) zu R6 parallel geschaltet werden.

== Regel- und Ansteuerstufe ==
An dieser Stufe werden höhere Anforderungen gestellt als an den Tiefpass, weswegen ein höherwertiger OP zum Einsatz kommt (IC2A, LT1013). Diese Stufe steuert zum einen den
Leistungs-MOSFET an und zum anderen wird der Soll- und Istwert verglichen und ggf. nachgeregelt. Dazu steht am nicht-invertierenden Eingang die Sollspannung an.
Daraus bildet sich dann die Ausgangsspannung, die noch abhängig ist von der Ist-Spannung am invertierenden Eingang. Steuert der Ausgang die Endstufe auf ein bestimmtes Niveau
an, wird der MOSFET soweit durchgesteuert, dass an den im Source-Kreis liegenden Shuntwiderständen die gleiche Spannung abfällt wie am nicht-invertierenden Eingang anliegt.
Daraus ergibt sich auch das Regelverhalten, sollte der Laststrom schwanken durch z. B. schwankende Übergangswiderstände in der Peripherie oder Spannungsswankungen vom zu
testenden Netzteil. Geht der Strom zurück, verringert sich am invertierenen Eingang ebenfalls die Spannung. Durch die Invertierung wird eine höhere Ausgangsspanung generiert,
die den sinkenden Strom entgegen wirkt. Daher ist die Differenzspannung an den beiden OP-Eingängen bei Null, bei dem verwendeten OP im µV-Bereich, beim einem LM324 einige mV,
wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.

Um Schwingungen zwischen OP-Ausgang und den Gate des MOSFET zu verhindern ist hier ein Widerstand zwischengeschaltet (R10). Vermutlich verursacht die Restwelligkeit des Tiefpasses
ein ständiges auf- und entladen des Gate, wodurch die Schwingungen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz entstehen. Um die gesamte Regelung nicht zum Schwingen zu bringen,
ist zusätzlich noch der Kondensator C3 vorhanden.

== Leistungsstufe ==
Die Leistungsstufe ist mit einem MOSFET (T3) realisiert um eine möglichst genaue Einstellung zu bekommen. Bei bipolaren Transistoren käme noch der Störfaktor des Basisstroms dazu.
Auch bei Darlington-Transistoren ist der Strom durch den letzten Transistor nicht zu vernachlässigen. Der Basisstrom, der über den Emitter und damit über die Shuntwidestände fließt,
würde die Genauigkeit und Linearität beeinflussen. Allerdings haben bipolare Transistoren den Vorteil, dass diese für größere Ströme bzw. Leistungen parallel geschaltet werden
können. Nachteilig wäre aber eine zusätzliche Treiberstufe, da der Ausgangsstrom des OP nicht ausreicht um mehrer Transistoren anzusteuern. Mit MOSFETs ist das nicht möglich, da
schon geringste Abweichungen in der Ansteuercharakteristik, d. h. die Übertragungsfunktion aus dem Spannungsverhältnis <math>U_{GS}</math> und <math>U_{DS}</math> nur
einen von mehreren MOSFET zum durchschalten bringt. Diese minimalen Spannungsdifferenzen zwischen zwei MOSFETs sind auch nicht kompensierbar. Vorteilhaft ist aber der nicht
vorhandene Gate-Strom, der sich nicht auf die Linearität und Präzision auswirkt. Zwischen Source und GND befinden sich die beiden Shuntwiderstände R11 und
R12 von jeweils 0,1R. Bei einem Strom von 5A fallen hier dann 0,25V ab, was einer Gesamtleistung von 1,25 Watt entspricht.

== Spannungsverstärker für Messgerät ==
Zur Kontrolle des tatsächlichen Stromflusses erfolgt über den Shuntwiderständen der Abgriff zur indirekten Strommessung. Die am Shunt abfallende Spannung wird um den
Faktor 20 verstärkt. Damit ergibt sich bei 50mR und 20-facher Verstärkung eine Strom-Spannung-Zuordnung von 1:1, d. h. ein Strom von 5A verursacht eine Ausgangsspannung von
<math>{U_{A_{DMM}}} = 5V. </math>

== Kühlkörper-Temperaturüberwachung ==
Eine Überhitzung des Leistungs-MOSFET ist gerade unter den knappen räumlichen Bedingungen gut möglich, weil der notwendige Kühlkörper mit entsprechender Ventilation kaum Platz
hat. Bei einem kleineren Kühlkörper würde daher eine Überhitzung möglich werden. Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca. 8K/W erwärmt sich bei 63 Watt abzuführender
Leistung (4,54A bei 14V Klemmenspannung) innerhalb von ca. 27 Sekunden um ca. 60K, was einer Endtemperatur von 85°C entspricht. Bei mehr Leistung ist daher innerhalb von Sekunden
die max. Temperatur des MOSFET erreicht (Halbleitertemperatur 175°C).

Als Temperaturfühler dient ein KTY81-122, der zusammen mit den Leistungs-MOSFET auf den Kühlkörper montiert wird. Erreicht der Temperaturfühler eine Temperatur von ca. 85°C
schaltet der Schmitt-Trigger über T2 den unteren Teil des Spannungsteiler kurz und die Ansteuerspannung des Leitsungs-MOSFET geht auf Null und damit ist kein Stromfluss mehr
vorhanden. Hat sich der Temperaturfühler auf ca. 58°C abgekühlt, wird der Leistungs-MOSFET wieder angesteuert. Die Temperaturgrenzen und die Hysterese errechnen sich folgendermaßen:

<math>U_{aus} = U_{A_{max}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{ein} = U_{A_{min}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{hyst} = \Delta U_e = (U_{A_{max}} - U_{A_{min}}) \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{aus}</math> ist die Ausschaltspannung des Komparators, <math>U_{ein}</math> die Einschaltspannung und <math>U_{hyst}</math> die Hysterese (Spannungs- bzw. Temperaturdifferenz
der Ein- und Ausschaltschwellen). Die Angaben <math>U_{A_{min}}</math> und <math>U_{A_{max}}</math> sind die maximale und minimale Ausgangsspannungen des Komparators. Bei 10V
Versorgungsspannung liegt die maximale Ausgangsspannung des LM324 bei ca. 8,2V.

== galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis ==
Damit der Lastkreis keine Verbindung zur Versorgung und damit zum Rest des Equipments hat, muss diese durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt werden. Durch die hohen Schaltfreuquenzen
ergeben sich am Ausgang kurze Spannungsspitzen. Durch das Snubber-Gleid, bestehend aus R20 und C6 werden diese minimiert. Dadurch, dass die gesamte Schaltung eine Stromaufnahme nur
im mA-Bereich hat, reicht ein DC/DC-Wandler von einem Watt Leistung völlig aus.

== Spannungsstabilisierung ==
Die Versorgungsspannung hat einen essentiellen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Eine Spannungsänderung beeinflusst die Ausgangsspanung des Optokopplers, unabhängig davon auch
die Ansteuerspannung der Treiberstufe und die Schaltschwellen des Schmitt-Trigger. Mit einem Standard-Linearregler vom Typ 78L10 ist die Stabilität ausreichend.

= Messwerte =
== Übertemperaturabschaltung ==
Bei 14V Klemmenspannung und 4,54A (= 63 Watt) und ca. 1cm über der Befestigungsschraube des Transistors schaltet die Übertemperatursicherung nach ca. 27 Sekunden ab.
Wärmewiderstand des Kühlkörper ca. 8K/W
(z. B. [[Datei:Http://www.fischerelektronik.de/web fischer/de DE/Kühlkörper/A04/Strangkühlkörper für Leiterplattenmontage/PR/SK104 63.5 STC /productCard/parameters/index.xhtml|miniatur|SK104]])

== Restwelligkeit des Tiefpasses ==
Vergleich der Ausgangsspannung (Restwelligkeit) des Tiefpasses bei 1,5kHz und 4kHz.

[[Datei:screen-547x391-1,5kHz-MWC-neg.png]]

Die größte Restwelligkeit entsteht bei einem duty-cycle von 50%. Bei ca. 1,5kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang 126mV bei einer Ausgangsspannung
von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 2,9%.

[[Datei:screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png]]
Bei ca. 4kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang nur noch 15,3mV bei einer Ausgangsspannung von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 0,35%.

Bei Frequenzen über 4kHz sinkt die Ausgangsspannung ab. Grund ist die Trägheit des OP's. Daher sollte die PWM-Frequenz im Bereich 2kHz bis 4kHz liegen.

== Linearität ==
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung <math>U_{A_{TP}}</math> des Tiefpasses vom PWM-Verhältnis.

\readdata[ignoreLines=1,nStep=1]{\Daten}{data-files/Messwerte-3.txt}
\psset{xunit=1mm, yunit=10mm,yAxisLabel={},xAxisLabel={}}
\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 9, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1](0,0)(100,9){80mm}{72mm}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=2,plotNoMax=3]{\Daten}
\uput{0}[0](-8,9.7){<math>U_{A_{TP}} [V]</math>}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\endpsgraph

Das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilter. Die Y-Werte sind die Spannungen direkt am Ausgang des Tiefpasses ohne Spannungsteiler.
Je nach verwendeten OP können sich hier andere Werte ergeben. Hier wurde der LM324 (4-fach OP) verwendet.

Die Abhängigkeit des Stroms <math>I_{Last}</math> und der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> vom PWM-Verhältnis.

\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 6, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1]{}(0,0)(100,6){90mm}{54mm}
\uput{0}[0](-5,7.2){\textcolor{blue}{$\mathrm{I_{Last} [A]}$}}
\uput{0}[0](-5,6.7){\textcolor{red}{$\mathrm{U_{A_{DMM}} [V]}$}}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=1,plotNoMax=3]{\Daten}
\listplot[plotstyle=dots,showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=red,plotNo=3,plotNoMax=3]{\Daten}
\endpsgraph

Die Linearität der Laststufe bzw. des Gesamtsystems. Die vereinzelten roten Punkte sind die Messwerte der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> zur Kontrolle
bzw. zum gegenmessen des tatsächlichen Stroms. Die Punkte mit Y-Werten von 0 sind nicht gemessen worden.

Die Messwerte in Zahlen:

{| border="1" class="wikitable"
|- style="background-color:#0d0f0d;"
! duty- cycle || Strom || Tiefpass || Ausgang
|-
| style="text-align:center"| % || style="text-align:center"| <math>I</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{TP}}</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{DMM}}</math>
|-
| style="text-align:right"| 0 || style="text-align:right"| 0,000 A || style="text-align:right"| 0,96 mV || style="text-align:right"| 13 mV
|-
| style="text-align:right"| 4,5 || style="text-align:right"| 0,262 A || style="text-align:right"| 0,423 V || style="text-align:right"| 0,261 V
|-
| style="text-align:right"| 8,4 || style="text-align:right"| 0,420 A || style="text-align:right"| 0,676 V ||
|-
| style="text-align:right"| 10,6 || style="text-align:right"| 0,613 A || style="text-align:right"| 0,936 V || style="text-align:right"| 0,613 V
|-
| style="text-align:right"| 15,0 || style="text-align:right"| 0,836 A || style="text-align:right"| 1,342 V ||
|-
| style="text-align:right"| 19,6 || style="text-align:right"| 1,12 A || style="text-align:right"| 1,793 V ||
|-
| style="text-align:right"| 24,5 || style="text-align:right"| 1,36 A || style="text-align:right"| 2,163 V || style="text-align:right"| 1,36 V
|-
| style="text-align:right"| 30,0 || style="text-align:right"| 1,66 A || style="text-align:right"| 2,66 V ||
|-
| style="text-align:right"| 35,6 || style="text-align:right"| 1,98 A || style="text-align:right"| 3,17 V ||
|-
| style="text-align:right"| 40,6 || style="text-align:right"| 2,21 A || style="text-align:right"| 3,56 V ||
|-
| style="text-align:right"| 45,5 || style="text-align:right"| 2,51 A || style="text-align:right"| 4,03 V ||
|-
| style="text-align:right"| 50,5 || style="text-align:right"| 2,765 A || style="text-align:right"| 4,42 V || style="text-align:right"| 2,76 V
|-
| style="text-align:right"| 55,4 || style="text-align:right"| 2,99 A || style="text-align:right"| 4,80 V ||
|-
| style="text-align:right"| 60,4 || style="text-align:right"| 3,25 A || style="text-align:right"| 5,22 V ||
|-
| style="text-align:right"| 64,6 || style="text-align:right"| 3,455 A || style="text-align:right"| 5,55 V ||
|-
| style="text-align:right"| 70,1 || style="text-align:right"| 3,74 A || style="text-align:right"| 6,00 V ||
|-
| style="text-align:right"| 75,0 || style="text-align:right"| 3,96 A || style="text-align:right"| 6,36 V || style="text-align:right"| 3,97 V
|-
| style="text-align:right"| 80,4 || style="text-align:right"| 4,24 A || style="text-align:right"| 6,81 V ||
|-
| style="text-align:right"| 85,4 || style="text-align:right"| 4,45 A || style="text-align:right"| 7,15 V ||
|-
| style="text-align:right"| 90,4 || style="text-align:right"| 4,68 A || style="text-align:right"| 7,52 V ||
|-
| style="text-align:right"| 95,3 || style="text-align:right"| 4,95 A || style="text-align:right"| 7,91 V || style="text-align:right"| 4,95 V
|-
| style="text-align:right"| 100,0 || style="text-align:right"| 5,08 A || style="text-align:right"| 8,18 V || style="text-align:right"| 5,09 V
|}

= Funktionskontrolle =
Für eine einwandfreie Funktion bietet sich folgende Vorgehensweise an.

* Der PWM-Eingang bleibt offen = duty-cycle 0%
* am DC/DC-Konverter Versorgungsspannung anlegen, am Ausgang des DC/DC-Konverters müssen min. 13V gemessen werden, nach dem Spannungsregler 10,0V
* am Spannungsteilerausgang müssen 0V zu messen sein
* den Lastkreis mit einem Netzgerät verbinden, Einstellung 5V und mind. 6A (kleinere Spannungen könnten den Verpolschutz nicht ausreichend durchschalten)
* der Stromfluss im Lastkreis muß bei 0mA liegen
* folgende Punkte sollten zügig durchgeführt werden:
** am Eingang des Optokopplers eine Gleichspannung von 5V anlegen oder den Ausgang des Optokopplers überbrücken = duty-cycle 100%
** der Strom im Lastkreis sollte im Bereich von 5A liegen
** die Spannung am Spannungsteilerausgang messen, Sollwert 250mV +/-5mV
** die Spannungsdifferenz am Eingang des IC2A (LT1013) messen, Sollwert 0mV (nur im Lastfall)
** Netzgerät trennen
* bei ausreichendem Kühlkörper sollte die Übertemperaturabschaltung nicht aktiviert werden (Leistungsaufnahme 30 Watt)
* sollte die Spannung am Spannungsteiler bei 100% PWM nicht 250mV +/-5mV betragen, den Spannungsteiler anpassen; dies kann ohne Laststrom erfolgen
* der Test der Linearität wird mit PWM-Generator durchgeführt, dazu gerade die Endwerte 0 bis 20% und 80% bis 100% kontrollieren durch Messung der Spannung am Spannungsteilerausgang,
* sollte die Linearregler unzureichend sein, ggf. den Wiederstand R2 am Optokoppler ändern
* Netzgerät wieder zuschalten, Einstellung 14V und mind. 6A
* PWM duty-cycle liegt noch bei 100% d. h. der Stromfluss beträgt ca. 5,0A +/-100mA
* je nach Kühlkörpergröße sollte sich dieser schnell erhitzen und nach einer Zeit sollte die Übertemperaturabschaltung aktiviert werden, Netzteilstrom geht auf 0mA zurück
* Richtwert zur Dauer bis zum Abschalten: ca. 30 Sek. bei einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 8K/W

= Schaltplan =
[[Datei:PWM-Stromsenke-2.png|miniatur]]

= Lochraster-Layout :D =
Das "Dink" lass ich mal weg. Den losen Aufbau baut eh keiner nach.

2013-10-16T23:57:00Z

Hegy: /* Spannungsverstärker für Messgerät */

Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Überstromerkennung im abschließenden Funktionstest in der Produktion von Netzgeräten, die Bestandteil eines Gesamtgerätes waren.

= Einleitung =

Die Stromsenke musste wie oben erwähnt spezielle Anforderungen erfüllen hinsichtlich der galvanischen Trennung, der Ansteuerung und der Zuverlässigkeit.

'''Features:'''

* galvanische Trennung von Steuersignal und Last
* Verpolschutz
* Soll-/Ist-Vergleich
* lineare PWM-Ansteuerung
* Übertemperaturabschaltung
* selbstregelnd

'''Daten:'''
* 0 bis 5A, auch höher möglich
* max. Leistungsaufnahme je nach Kühlung bis 150W möglich
* für Spannungen bis 40V geeignet
* Auflösung je Prozentpunkt der PWM 50 mA (also 50mA Schritte)

= Aufbau =
Die Stromsenke besteht aus folgenden Einzelkomponenten

* Verpolschutz
* galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last
* galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis
* Tiefpassfilter 2. Ordnung
* Spannungsteiler mit Abschaltfunktion
* Regel- und Ansteuerstufe
* Leistungsstufe
* Spannungsverstärker für Messgerät (Kontrolle)
* Temperaturüberwachung
* Spannungsstabilisierung

'''Schaltplan'''
[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/PWM-Stromsenke-2.png|gerahmt|zentriert|gesamter Schaltplan]]

== Verpolschutz ==
Der Verpolschutz besteht aus den drei Bauteilen T1 (N-Kanal MOSFET, IRF530), Z-Diode D1 und Vorwiderstand R5. Bei richtiger Polung ist immer ein Stromfluss möglich. Dieses
geschieht durch die immer vorhandene parasitäre Diode innerhalb des MOSFET, die für ca. 2A ausgelegt ist. Daher muss bei höheren Strom auch die Spannung höher sein um die
Source-Drain-Strecke durchzuschalten. Je nach Typ liegt die Mindestspannung bei ca. 3,5V (BUK754R3) bzw. 4,5V (IRF1404). In entgegengesetzter Richtung ist Diode gesperrt
und auch wird über die Gate-Spannung der MOSFET nicht durchgeschaltet. Bei Spannungen unter diesen Werten empfiehlt es sich, den Verpolschutz durch eine entsprechende
(Shottky-)Leistungsdiode zu ersetzen. Allerdings muß diese dann gekühlt werden. Die Verlustleistung am MOSFET-Verpolschutz beträgt nur einige Milliwatt.

Sollte die Spannung am Eingang über 15V steigen, wird durch den Vorwiderstand und der Z-Diode sichergestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung von +/-20V nicht überschritten wird.

== galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last ==
Die Trennung der beiden Potentiale wird durch den Optokoppler CNY17F realisiert. Der Eingang ist mit einem 470R Widerstand so ausgelegt, dass eine PWM mit
einem Spannungshub von 0 bis 5V ausreicht. Der Ausgang mit dem Widerstand R2 (2,1k) ist so ausgelegt, dass die Spannung hier für den nachgeschalteten
Tiefpassfilter passend ist.

== Sallen-Key Tiefpassfilter ==
Die eingehende PWM wird am Sallen-Key-Filter, ein aktiver Tiefpass 2. Ordung, geglättet. Selbst beim kritischen duty-cycle von 50% sind am Ausgang keine nennenswerten Schwankungen
sichtbar (s. Messwerte), sofern die PWM-Frequenz über 2kHz liegt. Die Ausgangsspannung des Filters steigt linear von 0V bis ca. 8,2V an. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt
bei 160Hz. Die Grenzfrequenz errechnet sich aus

<math>f_o = \frac{1}{2 \pi R C}</math> mit R = R3 = R4 und C = C1 = C2.

Die Gesamtverstärkung des Filters liegt bei eins. Werte höher drei bringen den Tiefpass zum schwingen.

== Spannungsteiler mit Schaltfunktion ==
Nach dem Tiefpass muss die Ausgangsspannung auf das Niveau abgesenkt werden, die auch die Regel- und Ansteuerstufe als Feedback über die Shuntwiderstände erhält. Daher wird mit
dem Spannungsteiler aus R6 und R7 parallel mit R8 auf 250mV +/-5mV abgesenkt. Die beiden parallelgeschalteten Widerstände R7 und R8 sind zusätzlich noch mit einem
MOSFET überbrückt. Dieser schaltet die Widerstände kurz, sollte die Temperatur am Kühlkörper zu hoch werden. Dann beträgt die Eingangsspannung der Regel- und Ansteuerstufe 0V und die
Leistungsstufe wird abgeschaltet.

Sollte aufgrund von Toleranzen die Spannung des Spannungsteilerausgang nicht auf 250mV kommen, kann Widerstand (R22) zu R6 parallel geschaltet werden.

== Regel- und Ansteuerstufe ==
An dieser Stufe werden höhere Anforderungen gestellt als an den Tiefpass, weswegen ein höherwertiger OP zum Einsatz kommt (IC2A, LT1013). Diese Stufe steuert zum einen den
Leistungs-MOSFET an und zum anderen wird der Soll- und Istwert verglichen und ggf. nachgeregelt. Dazu steht am nicht-invertierenden Eingang die Sollspannung an.
Daraus bildet sich dann die Ausgangsspannung, die noch abhängig ist von der Ist-Spannung am invertierenden Eingang. Steuert der Ausgang die Endstufe auf ein bestimmtes Niveau
an, wird der MOSFET soweit durchgesteuert, dass an den im Source-Kreis liegenden Shuntwiderständen die gleiche Spannung abfällt wie am nicht-invertierenden Eingang anliegt.
Daraus ergibt sich auch das Regelverhalten, sollte der Laststrom schwanken durch z. B. schwankende Übergangswiderstände in der Peripherie oder Spannungsswankungen vom zu
testenden Netzteil. Geht der Strom zurück, verringert sich am invertierenen Eingang ebenfalls die Spannung. Durch die Invertierung wird eine höhere Ausgangsspanung generiert,
die den sinkenden Strom entgegen wirkt. Daher ist die Differenzspannung an den beiden OP-Eingängen bei Null, bei dem verwendeten OP im µV-Bereich, beim einem LM324 einige mV,
wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.

Um Schwingungen zwischen OP-Ausgang und den Gate des MOSFET zu verhindern ist hier ein Widerstand zwischengeschaltet (R10). Vermutlich verursacht die Restwelligkeit des Tiefpasses
ein ständiges auf- und entladen des Gate, wodurch die Schwingungen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz entstehen. Um die gesamte Regelung nicht zum Schwingen zu bringen,
ist zusätzlich noch der Kondensator C3 vorhanden.

== Leistungsstufe ==
Die Leistungsstufe ist mit einem MOSFET (T3) realisiert um eine möglichst genaue Einstellung zu bekommen. Bei bipolaren Transistoren käme noch der Störfaktor des Basisstroms dazu.
Auch bei Darlington-Transistoren ist der Strom durch den letzten Transistor nicht zu vernachlässigen. Der Basisstrom, der über den Emitter und damit über die Shuntwidestände fließt,
würde die Genauigkeit und Linearität beeinflussen. Allerdings haben bipolare Transistoren den Vorteil, dass diese für größere Ströme bzw. Leistungen parallel geschaltet werden
können. Nachteilig wäre aber eine zusätzliche Treiberstufe, da der Ausgangsstrom des OP nicht ausreicht um mehrer Transistoren anzusteuern. Mit MOSFETs ist das nicht möglich, da
schon geringste Abweichungen in der Ansteuercharakteristik, d. h. die Übertragungsfunktion aus dem Spannungsverhältnis <math>U_{GS}</math> und <math>U_{DS}</math> nur
einen von mehreren MOSFET zum durchschalten bringt. Diese minimalen Spannungsdifferenzen zwischen zwei MOSFETs sind auch nicht kompensierbar. Vorteilhaft ist aber der nicht
vorhandene Gate-Strom, der sich nicht auf die Linearität und Präzision auswirkt. Zwischen Source und GND befinden sich die beiden Shuntwiderstände R11 und
R12 von jeweils 0,1R. Bei einem Strom von 5A fallen hier dann 0,25V ab, was einer Gesamtleistung von 1,25 Watt entspricht.

== Spannungsverstärker für Messgerät ==
Zur Kontrolle des tatsächlichen Stromflusses erfolgt über den Shuntwiderständen der Abgriff zur indirekten Strommessung. Die am Shunt abfallende Spannung wird um den
Faktor 20 verstärkt. Damit ergibt sich bei 50mR und 20-facher Verstärkung eine Strom-Spannung-Zuordnung von 1:1, d. h. ein Strom von 5A verursacht eine Ausgangsspannung von
<math>{U_{A_{DMM}}} = 5V. </math>

== Kühlkörper-Temperaturüberwachung ==
Eine Überhitzung des Leistungs-MOSFET ist gerade unter den knappen räumlichen Bedingungen gut möglich, weil der notwendige Kühlkörper mit entsprechender Ventilation kaum Platz
hat. Bei einem kleineren Kühlkörper würde daher eine Überhitzung möglich werden. Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca. 8K/W erwärmt sich bei 63 Watt abzuführender
Leistung (4,54A bei 14V Klemmenspannung) innerhalb von ca. 27 Sekunden um ca. 60K, was einer Endtemperatur von 85°C entspricht. Bei mehr Leistung ist daher innerhalb von Sekunden
die max. Temperatur des MOSFET erreicht (Halbleitertemperatur 175°C).

Als Temperaturfühler dient ein KTY81-122, der zusammen mit den Leistungs-MOSFET auf den Kühlkörper montiert wird. Erreicht der Temperaturfühler eine Temperatur von ca. 85°C
schaltet der Schmitt-Trigger über T2 den unteren Teil des Spannungsteiler kurz und die Ansteuerspannung des Leitsungs-MOSFET geht auf Null und damit ist kein Stromfluss mehr
vorhanden. Hat sich der Temperaturfühler auf ca. 58°C abgekühlt, wird der Leistungs-MOSFET wieder angesteuert. Die Temperaturgrenzen und die Hysterese errechnen sich folgendermaßen:

<math>U_{aus} = U_{A_{max}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{ein} = U_{A_{min}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{hyst} = \Delta U_e = (U_{A_{max}} - U_{A_{min}}) \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{aus}</math> ist die Ausschaltspannung des Komparators, <math>U_{ein}</math> die Einschaltspannung und <math>U_{hyst}</math> die Hysterese (Spannungs- bzw. Temperaturdifferenz
der Ein- und Ausschaltschwellen). Die Angaben <math>U_{A_{min}}</math> und <math>U_{A_{max}}</math> sind die maximale und minimale Ausgangsspannungen des Komparators. Bei 10V
Versorgungsspannung liegt die maximale Ausgangsspannung des LM324 bei ca. 8,2V.

== galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis ==
Damit der Lastkreis keine Verbindung zur Versorgung und damit zum Rest des Equipments hat, muss diese durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt werden. Durch die hohen Schaltfreuquenzen
ergeben sich am Ausgang kurze Spannungsspitzen. Durch das Snubber-Gleid, bestehend aus R20 und C6 werden diese minimiert. Dadurch, dass die gesamte Schaltung eine Stromaufnahme nur
im mA-Bereich hat, reicht ein DC/DC-Wandler von einem Watt Leistung völlig aus.

== Spannungsstabilisierung ==
Die Versorgungsspannung hat einen essentiellen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Eine Spannungsänderung beeinflusst die Ausgangsspanung des Optokopplers, unabhängig davon auch
die Ansteuerspannung der Treiberstufe und die Schaltschwellen des Schmitt-Trigger. Mit einem Standard-Linearregler vom Typ 78L10 ist die Stabilität ausreichend.

= Messwerte =
== Übertemperaturabschaltung ==
Bei 14V Klemmenspannung und 4,54A (= 63 Watt) und ca. 1cm über der Befestigungsschraube des Transistors schaltet die Übertemperatursicherung nach ca. 27 Sekunden ab.
Wärmewiderstand des Kühlkörper ca. 8K/W
(z. B. [[Datei:Http://www.fischerelektronik.de/web fischer/de DE/Kühlkörper/A04/Strangkühlkörper für Leiterplattenmontage/PR/SK104 63.5 STC /productCard/parameters/index.xhtml|miniatur|SK104]])

== Restwelligkeit des Tiefpasses ==
Vergleich der Ausgangsspannung (Restwelligkeit) des Tiefpasses bei 1,5kHz und 4kHz.

[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/screen-547x391-1,5kHz-MWC-neg.png]]

Die größte Restwelligkeit entsteht bei einem duty-cycle von 50%. Bei ca. 1,5kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang 126mV bei einer Ausgangsspannung
von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 2,9%.

[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png]]
Bei ca. 4kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang nur noch 15,3mV bei einer Ausgangsspannung von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 0,35%.

Bei Frequenzen über 4kHz sinkt die Ausgangsspannung ab. Grund ist die Trägheit des OP's. Daher sollte die PWM-Frequenz im Bereich 2kHz bis 4kHz liegen.

== Linearität ==
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung <math>U_{A_{TP}}</math> des Tiefpasses vom PWM-Verhältnis.

\readdata[ignoreLines=1,nStep=1]{\Daten}{data-files/Messwerte-3.txt}
\psset{xunit=1mm, yunit=10mm,yAxisLabel={},xAxisLabel={}}
\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 9, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1](0,0)(100,9){80mm}{72mm}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=2,plotNoMax=3]{\Daten}
\uput{0}[0](-8,9.7){<math>U_{A_{TP}} [V]</math>}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\endpsgraph

Das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilter. Die Y-Werte sind die Spannungen direkt am Ausgang des Tiefpasses ohne Spannungsteiler.
Je nach verwendeten OP können sich hier andere Werte ergeben. Hier wurde der LM324 (4-fach OP) verwendet.

Die Abhängigkeit des Stroms <math>I_{Last}</math> und der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> vom PWM-Verhältnis.

\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 6, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1]{}(0,0)(100,6){90mm}{54mm}
\uput{0}[0](-5,7.2){\textcolor{blue}{$\mathrm{I_{Last} [A]}$}}
\uput{0}[0](-5,6.7){\textcolor{red}{$\mathrm{U_{A_{DMM}} [V]}$}}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=1,plotNoMax=3]{\Daten}
\listplot[plotstyle=dots,showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=red,plotNo=3,plotNoMax=3]{\Daten}
\endpsgraph

Die Linearität der Laststufe bzw. des Gesamtsystems. Die vereinzelten roten Punkte sind die Messwerte der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> zur Kontrolle
bzw. zum gegenmessen des tatsächlichen Stroms. Die Punkte mit Y-Werten von 0 sind nicht gemessen worden.

Die Messwerte in Zahlen:

{| border="1" class="wikitable"
|- style="background-color:#0d0f0d;"
! duty- cycle || Strom || Tiefpass || Ausgang
|-
| style="text-align:center"| % || style="text-align:center"| <math>I</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{TP}}</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{DMM}}</math>
|-
| style="text-align:right"| 0 || style="text-align:right"| 0,000 A || style="text-align:right"| 0,96 mV || style="text-align:right"| 13 mV
|-
| style="text-align:right"| 4,5 || style="text-align:right"| 0,262 A || style="text-align:right"| 0,423 V || style="text-align:right"| 0,261 V
|-
| style="text-align:right"| 8,4 || style="text-align:right"| 0,420 A || style="text-align:right"| 0,676 V ||
|-
| style="text-align:right"| 10,6 || style="text-align:right"| 0,613 A || style="text-align:right"| 0,936 V || style="text-align:right"| 0,613 V
|-
| style="text-align:right"| 15,0 || style="text-align:right"| 0,836 A || style="text-align:right"| 1,342 V ||
|-
| style="text-align:right"| 19,6 || style="text-align:right"| 1,12 A || style="text-align:right"| 1,793 V ||
|-
| style="text-align:right"| 24,5 || style="text-align:right"| 1,36 A || style="text-align:right"| 2,163 V || style="text-align:right"| 1,36 V
|-
| style="text-align:right"| 30,0 || style="text-align:right"| 1,66 A || style="text-align:right"| 2,66 V ||
|-
| style="text-align:right"| 35,6 || style="text-align:right"| 1,98 A || style="text-align:right"| 3,17 V ||
|-
| style="text-align:right"| 40,6 || style="text-align:right"| 2,21 A || style="text-align:right"| 3,56 V ||
|-
| style="text-align:right"| 45,5 || style="text-align:right"| 2,51 A || style="text-align:right"| 4,03 V ||
|-
| style="text-align:right"| 50,5 || style="text-align:right"| 2,765 A || style="text-align:right"| 4,42 V || style="text-align:right"| 2,76 V
|-
| style="text-align:right"| 55,4 || style="text-align:right"| 2,99 A || style="text-align:right"| 4,80 V ||
|-
| style="text-align:right"| 60,4 || style="text-align:right"| 3,25 A || style="text-align:right"| 5,22 V ||
|-
| style="text-align:right"| 64,6 || style="text-align:right"| 3,455 A || style="text-align:right"| 5,55 V ||
|-
| style="text-align:right"| 70,1 || style="text-align:right"| 3,74 A || style="text-align:right"| 6,00 V ||
|-
| style="text-align:right"| 75,0 || style="text-align:right"| 3,96 A || style="text-align:right"| 6,36 V || style="text-align:right"| 3,97 V
|-
| style="text-align:right"| 80,4 || style="text-align:right"| 4,24 A || style="text-align:right"| 6,81 V ||
|-
| style="text-align:right"| 85,4 || style="text-align:right"| 4,45 A || style="text-align:right"| 7,15 V ||
|-
| style="text-align:right"| 90,4 || style="text-align:right"| 4,68 A || style="text-align:right"| 7,52 V ||
|-
| style="text-align:right"| 95,3 || style="text-align:right"| 4,95 A || style="text-align:right"| 7,91 V || style="text-align:right"| 4,95 V
|-
| style="text-align:right"| 100,0 || style="text-align:right"| 5,08 A || style="text-align:right"| 8,18 V || style="text-align:right"| 5,09 V
|}

= Funktionskontrolle =
Für eine einwandfreie Funktion bietet sich folgende Vorgehensweise an.

* Der PWM-Eingang bleibt offen = duty-cycle 0%
* am DC/DC-Konverter Versorgungsspannung anlegen, am Ausgang des DC/DC-Konverters müssen min. 13V gemessen werden, nach dem Spannungsregler 10,0V
* am Spannungsteilerausgang müssen 0V zu messen sein
* den Lastkreis mit einem Netzgerät verbinden, Einstellung 5V und mind. 6A (kleinere Spannungen könnten den Verpolschutz nicht ausreichend durchschalten)
* der Stromfluss im Lastkreis muß bei 0mA liegen
* folgende Punkte sollten zügig durchgeführt werden:
** am Eingang des Optokopplers eine Gleichspannung von 5V anlegen oder den Ausgang des Optokopplers überbrücken = duty-cycle 100%
** der Strom im Lastkreis sollte im Bereich von 5A liegen
** die Spannung am Spannungsteilerausgang messen, Sollwert 250mV +/-5mV
** die Spannungsdifferenz am Eingang des IC2A (LT1013) messen, Sollwert 0mV (nur im Lastfall)
** Netzgerät trennen
* bei ausreichendem Kühlkörper sollte die Übertemperaturabschaltung nicht aktiviert werden (Leistungsaufnahme 30 Watt)
* sollte die Spannung am Spannungsteiler bei 100% PWM nicht 250mV +/-5mV betragen, den Spannungsteiler anpassen; dies kann ohne Laststrom erfolgen
* der Test der Linearität wird mit PWM-Generator durchgeführt, dazu gerade die Endwerte 0 bis 20% und 80% bis 100% kontrollieren durch Messung der Spannung am Spannungsteilerausgang,
* sollte die Linearregler unzureichend sein, ggf. den Wiederstand R2 am Optokoppler ändern
* Netzgerät wieder zuschalten, Einstellung 14V und mind. 6A
* PWM duty-cycle liegt noch bei 100% d. h. der Stromfluss beträgt ca. 5,0A +/-100mA
* je nach Kühlkörpergröße sollte sich dieser schnell erhitzen und nach einer Zeit sollte die Übertemperaturabschaltung aktiviert werden, Netzteilstrom geht auf 0mA zurück
* Richtwert zur Dauer bis zum Abschalten: ca. 30 Sek. bei einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 8K/W

= Schaltplan =
[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/PWM-Stromsenke-2.png|miniatur]]

= Lochraster-Layout :D =
Das "Dink" lass ich mal weg. Den losen Aufbau baut eh keiner nach.

Stromsenke

2013-10-16T23:55:55Z

Hegy: Die Seite wurde neu angelegt: „Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Über…“

Vor ca. 2 Jahren habe im in einem Projekt eine Stromsenke realisiert, die spezielle Anforderungen erfüllen musste. Einsatzbereich der Stromsenke war die Überstromerkennung im abschließenden Funktionstest in der Produktion von Netzgeräten, die Bestandteil eines Gesamtgerätes waren.

= Einleitung =

Die Stromsenke musste wie oben erwähnt spezielle Anforderungen erfüllen hinsichtlich der galvanischen Trennung, der Ansteuerung und der Zuverlässigkeit.

'''Features:'''

* galvanische Trennung von Steuersignal und Last
* Verpolschutz
* Soll-/Ist-Vergleich
* lineare PWM-Ansteuerung
* Übertemperaturabschaltung
* selbstregelnd

'''Daten:'''
* 0 bis 5A, auch höher möglich
* max. Leistungsaufnahme je nach Kühlung bis 150W möglich
* für Spannungen bis 40V geeignet
* Auflösung je Prozentpunkt der PWM 50 mA (also 50mA Schritte)

= Aufbau =
Die Stromsenke besteht aus folgenden Einzelkomponenten

* Verpolschutz
* galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last
* galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis
* Tiefpassfilter 2. Ordnung
* Spannungsteiler mit Abschaltfunktion
* Regel- und Ansteuerstufe
* Leistungsstufe
* Spannungsverstärker für Messgerät (Kontrolle)
* Temperaturüberwachung
* Spannungsstabilisierung

'''Schaltplan'''
[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/PWM-Stromsenke-2.png|gerahmt|zentriert|gesamter Schaltplan]]

== Verpolschutz ==
Der Verpolschutz besteht aus den drei Bauteilen T1 (N-Kanal MOSFET, IRF530), Z-Diode D1 und Vorwiderstand R5. Bei richtiger Polung ist immer ein Stromfluss möglich. Dieses
geschieht durch die immer vorhandene parasitäre Diode innerhalb des MOSFET, die für ca. 2A ausgelegt ist. Daher muss bei höheren Strom auch die Spannung höher sein um die
Source-Drain-Strecke durchzuschalten. Je nach Typ liegt die Mindestspannung bei ca. 3,5V (BUK754R3) bzw. 4,5V (IRF1404). In entgegengesetzter Richtung ist Diode gesperrt
und auch wird über die Gate-Spannung der MOSFET nicht durchgeschaltet. Bei Spannungen unter diesen Werten empfiehlt es sich, den Verpolschutz durch eine entsprechende
(Shottky-)Leistungsdiode zu ersetzen. Allerdings muß diese dann gekühlt werden. Die Verlustleistung am MOSFET-Verpolschutz beträgt nur einige Milliwatt.

Sollte die Spannung am Eingang über 15V steigen, wird durch den Vorwiderstand und der Z-Diode sichergestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung von +/-20V nicht überschritten wird.

== galvanische Trennung Steuersignal <math>\leftrightarrow</math> Last ==
Die Trennung der beiden Potentiale wird durch den Optokoppler CNY17F realisiert. Der Eingang ist mit einem 470R Widerstand so ausgelegt, dass eine PWM mit
einem Spannungshub von 0 bis 5V ausreicht. Der Ausgang mit dem Widerstand R2 (2,1k) ist so ausgelegt, dass die Spannung hier für den nachgeschalteten
Tiefpassfilter passend ist.

== Sallen-Key Tiefpassfilter ==
Die eingehende PWM wird am Sallen-Key-Filter, ein aktiver Tiefpass 2. Ordung, geglättet. Selbst beim kritischen duty-cycle von 50% sind am Ausgang keine nennenswerten Schwankungen
sichtbar (s. Messwerte), sofern die PWM-Frequenz über 2kHz liegt. Die Ausgangsspannung des Filters steigt linear von 0V bis ca. 8,2V an. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt
bei 160Hz. Die Grenzfrequenz errechnet sich aus

<math>f_o = \frac{1}{2 \pi R C}</math> mit R = R3 = R4 und C = C1 = C2.

Die Gesamtverstärkung des Filters liegt bei eins. Werte höher drei bringen den Tiefpass zum schwingen.

== Spannungsteiler mit Schaltfunktion ==
Nach dem Tiefpass muss die Ausgangsspannung auf das Niveau abgesenkt werden, die auch die Regel- und Ansteuerstufe als Feedback über die Shuntwiderstände erhält. Daher wird mit
dem Spannungsteiler aus R6 und R7 parallel mit R8 auf 250mV +/-5mV abgesenkt. Die beiden parallelgeschalteten Widerstände R7 und R8 sind zusätzlich noch mit einem
MOSFET überbrückt. Dieser schaltet die Widerstände kurz, sollte die Temperatur am Kühlkörper zu hoch werden. Dann beträgt die Eingangsspannung der Regel- und Ansteuerstufe 0V und die
Leistungsstufe wird abgeschaltet.

Sollte aufgrund von Toleranzen die Spannung des Spannungsteilerausgang nicht auf 250mV kommen, kann Widerstand (R22) zu R6 parallel geschaltet werden.

== Regel- und Ansteuerstufe ==
An dieser Stufe werden höhere Anforderungen gestellt als an den Tiefpass, weswegen ein höherwertiger OP zum Einsatz kommt (IC2A, LT1013). Diese Stufe steuert zum einen den
Leistungs-MOSFET an und zum anderen wird der Soll- und Istwert verglichen und ggf. nachgeregelt. Dazu steht am nicht-invertierenden Eingang die Sollspannung an.
Daraus bildet sich dann die Ausgangsspannung, die noch abhängig ist von der Ist-Spannung am invertierenden Eingang. Steuert der Ausgang die Endstufe auf ein bestimmtes Niveau
an, wird der MOSFET soweit durchgesteuert, dass an den im Source-Kreis liegenden Shuntwiderständen die gleiche Spannung abfällt wie am nicht-invertierenden Eingang anliegt.
Daraus ergibt sich auch das Regelverhalten, sollte der Laststrom schwanken durch z. B. schwankende Übergangswiderstände in der Peripherie oder Spannungsswankungen vom zu
testenden Netzteil. Geht der Strom zurück, verringert sich am invertierenen Eingang ebenfalls die Spannung. Durch die Invertierung wird eine höhere Ausgangsspanung generiert,
die den sinkenden Strom entgegen wirkt. Daher ist die Differenzspannung an den beiden OP-Eingängen bei Null, bei dem verwendeten OP im µV-Bereich, beim einem LM324 einige mV,
wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.

Um Schwingungen zwischen OP-Ausgang und den Gate des MOSFET zu verhindern ist hier ein Widerstand zwischengeschaltet (R10). Vermutlich verursacht die Restwelligkeit des Tiefpasses
ein ständiges auf- und entladen des Gate, wodurch die Schwingungen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz entstehen. Um die gesamte Regelung nicht zum Schwingen zu bringen,
ist zusätzlich noch der Kondensator C3 vorhanden.

== Leistungsstufe ==
Die Leistungsstufe ist mit einem MOSFET (T3) realisiert um eine möglichst genaue Einstellung zu bekommen. Bei bipolaren Transistoren käme noch der Störfaktor des Basisstroms dazu.
Auch bei Darlington-Transistoren ist der Strom durch den letzten Transistor nicht zu vernachlässigen. Der Basisstrom, der über den Emitter und damit über die Shuntwidestände fließt,
würde die Genauigkeit und Linearität beeinflussen. Allerdings haben bipolare Transistoren den Vorteil, dass diese für größere Ströme bzw. Leistungen parallel geschaltet werden
können. Nachteilig wäre aber eine zusätzliche Treiberstufe, da der Ausgangsstrom des OP nicht ausreicht um mehrer Transistoren anzusteuern. Mit MOSFETs ist das nicht möglich, da
schon geringste Abweichungen in der Ansteuercharakteristik, d. h. die Übertragungsfunktion aus dem Spannungsverhältnis <math>U_{GS}</math> und <math>U_{DS}</math> nur
einen von mehreren MOSFET zum durchschalten bringt. Diese minimalen Spannungsdifferenzen zwischen zwei MOSFETs sind auch nicht kompensierbar. Vorteilhaft ist aber der nicht
vorhandene Gate-Strom, der sich nicht auf die Linearität und Präzision auswirkt. Zwischen Source und GND befinden sich die beiden Shuntwiderstände R11 und
R12 von jeweils 0,1R. Bei einem Strom von 5A fallen hier dann 0,25V ab, was einer Gesamtleistung von 1,25 Watt entspricht.

== Spannungsverstärker für Messgerät ==
Zur Kontrolle des tatsächlichen Stromflusses erfolgt über den Shuntwiderständen der Abgriff zur indirekten Strommessung. Die am Shunt abfallende Spannung wird um den
Faktor 20 verstärkt. Damit ergibt sich bei 50mR und 20-facher Verstärkung eine Strom-Spannung-Zuordnung von 1:1, d. h. ein Strom von 5A verursacht eine Ausgangsspannung von
<math>{U_{A_{DMM}}}</math> = 5V.

== Kühlkörper-Temperaturüberwachung ==
Eine Überhitzung des Leistungs-MOSFET ist gerade unter den knappen räumlichen Bedingungen gut möglich, weil der notwendige Kühlkörper mit entsprechender Ventilation kaum Platz
hat. Bei einem kleineren Kühlkörper würde daher eine Überhitzung möglich werden. Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von ca. 8K/W erwärmt sich bei 63 Watt abzuführender
Leistung (4,54A bei 14V Klemmenspannung) innerhalb von ca. 27 Sekunden um ca. 60K, was einer Endtemperatur von 85°C entspricht. Bei mehr Leistung ist daher innerhalb von Sekunden
die max. Temperatur des MOSFET erreicht (Halbleitertemperatur 175°C).

Als Temperaturfühler dient ein KTY81-122, der zusammen mit den Leistungs-MOSFET auf den Kühlkörper montiert wird. Erreicht der Temperaturfühler eine Temperatur von ca. 85°C
schaltet der Schmitt-Trigger über T2 den unteren Teil des Spannungsteiler kurz und die Ansteuerspannung des Leitsungs-MOSFET geht auf Null und damit ist kein Stromfluss mehr
vorhanden. Hat sich der Temperaturfühler auf ca. 58°C abgekühlt, wird der Leistungs-MOSFET wieder angesteuert. Die Temperaturgrenzen und die Hysterese errechnen sich folgendermaßen:

<math>U_{aus} = U_{A_{max}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{ein} = U_{A_{min}} \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{hyst} = \Delta U_e = (U_{A_{max}} - U_{A_{min}}) \frac{R18}{R18 + R19} </math>

<math>U_{aus}</math> ist die Ausschaltspannung des Komparators, <math>U_{ein}</math> die Einschaltspannung und <math>U_{hyst}</math> die Hysterese (Spannungs- bzw. Temperaturdifferenz
der Ein- und Ausschaltschwellen). Die Angaben <math>U_{A_{min}}</math> und <math>U_{A_{max}}</math> sind die maximale und minimale Ausgangsspannungen des Komparators. Bei 10V
Versorgungsspannung liegt die maximale Ausgangsspannung des LM324 bei ca. 8,2V.

== galvanische Trennung der Versorgungsspannung vom Lastkreis ==
Damit der Lastkreis keine Verbindung zur Versorgung und damit zum Rest des Equipments hat, muss diese durch einen DC/DC-Wandler entkoppelt werden. Durch die hohen Schaltfreuquenzen
ergeben sich am Ausgang kurze Spannungsspitzen. Durch das Snubber-Gleid, bestehend aus R20 und C6 werden diese minimiert. Dadurch, dass die gesamte Schaltung eine Stromaufnahme nur
im mA-Bereich hat, reicht ein DC/DC-Wandler von einem Watt Leistung völlig aus.

== Spannungsstabilisierung ==
Die Versorgungsspannung hat einen essentiellen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Eine Spannungsänderung beeinflusst die Ausgangsspanung des Optokopplers, unabhängig davon auch
die Ansteuerspannung der Treiberstufe und die Schaltschwellen des Schmitt-Trigger. Mit einem Standard-Linearregler vom Typ 78L10 ist die Stabilität ausreichend.

= Messwerte =
== Übertemperaturabschaltung ==
Bei 14V Klemmenspannung und 4,54A (= 63 Watt) und ca. 1cm über der Befestigungsschraube des Transistors schaltet die Übertemperatursicherung nach ca. 27 Sekunden ab.
Wärmewiderstand des Kühlkörper ca. 8K/W
(z. B. [[Datei:Http://www.fischerelektronik.de/web fischer/de DE/Kühlkörper/A04/Strangkühlkörper für Leiterplattenmontage/PR/SK104 63.5 STC /productCard/parameters/index.xhtml|miniatur|SK104]])

== Restwelligkeit des Tiefpasses ==
Vergleich der Ausgangsspannung (Restwelligkeit) des Tiefpasses bei 1,5kHz und 4kHz.

[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/screen-547x391-1,5kHz-MWC-neg.png]]

Die größte Restwelligkeit entsteht bei einem duty-cycle von 50%. Bei ca. 1,5kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang 126mV bei einer Ausgangsspannung
von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 2,9%.

[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/screen-547x391-4kHz-MWC-neg.png]]
Bei ca. 4kHz beträgt die Restwelligkeit am Filterausgang nur noch 15,3mV bei einer Ausgangsspannung von ca. 4,35V. Das entspricht einer Restwelligkeit von ca. 0,35%.

Bei Frequenzen über 4kHz sinkt die Ausgangsspannung ab. Grund ist die Trägheit des OP's. Daher sollte die PWM-Frequenz im Bereich 2kHz bis 4kHz liegen.

== Linearität ==
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung <math>U_{A_{TP}}</math> des Tiefpasses vom PWM-Verhältnis.

\readdata[ignoreLines=1,nStep=1]{\Daten}{data-files/Messwerte-3.txt}
\psset{xunit=1mm, yunit=10mm,yAxisLabel={},xAxisLabel={}}
\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 9, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1](0,0)(100,9){80mm}{72mm}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=2,plotNoMax=3]{\Daten}
\uput{0}[0](-8,9.7){<math>U_{A_{TP}} [V]</math>}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\endpsgraph

Das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilter. Die Y-Werte sind die Spannungen direkt am Ausgang des Tiefpasses ohne Spannungsteiler.
Je nach verwendeten OP können sich hier andere Werte ergeben. Hier wurde der LM324 (4-fach OP) verwendet.

Die Abhängigkeit des Stroms <math>I_{Last}</math> und der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> vom PWM-Verhältnis.

\hspace*{5mm}
\psgraph[xticksize=0 6, yticksize=0 100,subticks=0,Dx=10,Dy=1]{}(0,0)(100,6){90mm}{54mm}
\uput{0}[0](-5,7.2){\textcolor{blue}{$\mathrm{I_{Last} [A]}$}}
\uput{0}[0](-5,6.7){\textcolor{red}{$\mathrm{U_{A_{DMM}} [V]}$}}
\uput{0}[0](107,-0.35){duty cycle}
\listplot[showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=blue,plotNo=1,plotNoMax=3]{\Daten}
\listplot[plotstyle=dots,showpoints,linewidth=0.5pt,linecolor=red,plotNo=3,plotNoMax=3]{\Daten}
\endpsgraph

Die Linearität der Laststufe bzw. des Gesamtsystems. Die vereinzelten roten Punkte sind die Messwerte der Ausgangsspannung <math>U_{A_{DMM}}</math> zur Kontrolle
bzw. zum gegenmessen des tatsächlichen Stroms. Die Punkte mit Y-Werten von 0 sind nicht gemessen worden.

Die Messwerte in Zahlen:

{| border="1" class="wikitable"
|- style="background-color:#0d0f0d;"
! duty- cycle || Strom || Tiefpass || Ausgang
|-
| style="text-align:center"| % || style="text-align:center"| <math>I</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{TP}}</math> || style="text-align:center"| <math>U_{A_{DMM}}</math>
|-
| style="text-align:right"| 0 || style="text-align:right"| 0,000 A || style="text-align:right"| 0,96 mV || style="text-align:right"| 13 mV
|-
| style="text-align:right"| 4,5 || style="text-align:right"| 0,262 A || style="text-align:right"| 0,423 V || style="text-align:right"| 0,261 V
|-
| style="text-align:right"| 8,4 || style="text-align:right"| 0,420 A || style="text-align:right"| 0,676 V ||
|-
| style="text-align:right"| 10,6 || style="text-align:right"| 0,613 A || style="text-align:right"| 0,936 V || style="text-align:right"| 0,613 V
|-
| style="text-align:right"| 15,0 || style="text-align:right"| 0,836 A || style="text-align:right"| 1,342 V ||
|-
| style="text-align:right"| 19,6 || style="text-align:right"| 1,12 A || style="text-align:right"| 1,793 V ||
|-
| style="text-align:right"| 24,5 || style="text-align:right"| 1,36 A || style="text-align:right"| 2,163 V || style="text-align:right"| 1,36 V
|-
| style="text-align:right"| 30,0 || style="text-align:right"| 1,66 A || style="text-align:right"| 2,66 V ||
|-
| style="text-align:right"| 35,6 || style="text-align:right"| 1,98 A || style="text-align:right"| 3,17 V ||
|-
| style="text-align:right"| 40,6 || style="text-align:right"| 2,21 A || style="text-align:right"| 3,56 V ||
|-
| style="text-align:right"| 45,5 || style="text-align:right"| 2,51 A || style="text-align:right"| 4,03 V ||
|-
| style="text-align:right"| 50,5 || style="text-align:right"| 2,765 A || style="text-align:right"| 4,42 V || style="text-align:right"| 2,76 V
|-
| style="text-align:right"| 55,4 || style="text-align:right"| 2,99 A || style="text-align:right"| 4,80 V ||
|-
| style="text-align:right"| 60,4 || style="text-align:right"| 3,25 A || style="text-align:right"| 5,22 V ||
|-
| style="text-align:right"| 64,6 || style="text-align:right"| 3,455 A || style="text-align:right"| 5,55 V ||
|-
| style="text-align:right"| 70,1 || style="text-align:right"| 3,74 A || style="text-align:right"| 6,00 V ||
|-
| style="text-align:right"| 75,0 || style="text-align:right"| 3,96 A || style="text-align:right"| 6,36 V || style="text-align:right"| 3,97 V
|-
| style="text-align:right"| 80,4 || style="text-align:right"| 4,24 A || style="text-align:right"| 6,81 V ||
|-
| style="text-align:right"| 85,4 || style="text-align:right"| 4,45 A || style="text-align:right"| 7,15 V ||
|-
| style="text-align:right"| 90,4 || style="text-align:right"| 4,68 A || style="text-align:right"| 7,52 V ||
|-
| style="text-align:right"| 95,3 || style="text-align:right"| 4,95 A || style="text-align:right"| 7,91 V || style="text-align:right"| 4,95 V
|-
| style="text-align:right"| 100,0 || style="text-align:right"| 5,08 A || style="text-align:right"| 8,18 V || style="text-align:right"| 5,09 V
|}

= Funktionskontrolle =
Für eine einwandfreie Funktion bietet sich folgende Vorgehensweise an.

* Der PWM-Eingang bleibt offen = duty-cycle 0%
* am DC/DC-Konverter Versorgungsspannung anlegen, am Ausgang des DC/DC-Konverters müssen min. 13V gemessen werden, nach dem Spannungsregler 10,0V
* am Spannungsteilerausgang müssen 0V zu messen sein
* den Lastkreis mit einem Netzgerät verbinden, Einstellung 5V und mind. 6A (kleinere Spannungen könnten den Verpolschutz nicht ausreichend durchschalten)
* der Stromfluss im Lastkreis muß bei 0mA liegen
* folgende Punkte sollten zügig durchgeführt werden:
** am Eingang des Optokopplers eine Gleichspannung von 5V anlegen oder den Ausgang des Optokopplers überbrücken = duty-cycle 100%
** der Strom im Lastkreis sollte im Bereich von 5A liegen
** die Spannung am Spannungsteilerausgang messen, Sollwert 250mV +/-5mV
** die Spannungsdifferenz am Eingang des IC2A (LT1013) messen, Sollwert 0mV (nur im Lastfall)
** Netzgerät trennen
* bei ausreichendem Kühlkörper sollte die Übertemperaturabschaltung nicht aktiviert werden (Leistungsaufnahme 30 Watt)
* sollte die Spannung am Spannungsteiler bei 100% PWM nicht 250mV +/-5mV betragen, den Spannungsteiler anpassen; dies kann ohne Laststrom erfolgen
* der Test der Linearität wird mit PWM-Generator durchgeführt, dazu gerade die Endwerte 0 bis 20% und 80% bis 100% kontrollieren durch Messung der Spannung am Spannungsteilerausgang,
* sollte die Linearregler unzureichend sein, ggf. den Wiederstand R2 am Optokoppler ändern
* Netzgerät wieder zuschalten, Einstellung 14V und mind. 6A
* PWM duty-cycle liegt noch bei 100% d. h. der Stromfluss beträgt ca. 5,0A +/-100mA
* je nach Kühlkörpergröße sollte sich dieser schnell erhitzen und nach einer Zeit sollte die Übertemperaturabschaltung aktiviert werden, Netzteilstrom geht auf 0mA zurück
* Richtwert zur Dauer bis zum Abschalten: ca. 30 Sek. bei einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 8K/W

= Schaltplan =
[[Datei:/home/klaus/Phirma/Projekt/TeX-Feils/pix/PWM-Stromsenke-2.png|miniatur]]

= Lochraster-Layout :D =
Das "Dink" lass ich mal weg. Den losen Aufbau baut eh keiner nach.