Mikrocontroller/ Einleitung und Grundlagen
Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik
BearbeitenDie Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik findet vielfach Anwendung in Naturwissenschaft und Technik. In diesem Abschnitt soll ein grober Einblick in die verwendeten Begriffe gegeben werden.
Messen
BearbeitenAls Messen bezeichnet man die quantitative, mehr oder weniger genaue Bestimmung eines Messwerts, der den wahren (exakten) Wert einer physikalischen Größe annähert.
Durch Messungen bestimmt man den Ist-Zustand des Systems. Messungen sind immer mit Messfehlern behaftet, entsprechend ist die Kenntnis des Ist-Zustands immer unvollständig/ungenau.
Steuern
BearbeitenUnter Steuern versteht man die gerichtete Beeinflussung des Verhaltens von technischen Systemen. Beim Steuern bleiben unbekannte bzw. nicht berücksichtigte Störungen unbeachtet. Eine Regelung berücksichtigt auch diese.
Beispiel Heizungssteuerung:
- Abhängig von der gemessenen Außentemperatur wird die Temperatur der Heizkörper angesteuert. Eine mögliche Störung (Wind, offenes Fenster) wird nicht berücksichtigt und führt zu einer Abweichung zwischen Soll- und Ist-Temperatur.
Ausgehend vom (unvollständig) gemessenen Ist-Zustand des Systems steuert man es unter Zuhilfenahme von mathematischen/physikalischen Modellen Richtung Soll-Zustand. Eine Steuerung bezieht dabei die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert der geregelten Größe nicht in die Ansteuerung mit ein.
Regeln
BearbeitenRegeln bedeutet grundsätzlich, Zustandsänderungen des Systems durch Störungen entgegenzuwirken. Die Norm DIN IEC 60050-351:2009-06 definiert den Begriff der Regelung wie folgt:
- „Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine variable Größe, die Regelgröße, erfasst, mit einer anderen variablen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird.
- Anmerkung: Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst.“
Beispiel Heizungsregelung:
- Abhängig von der gemessenen Außentemperatur und der gemessenen Raumtemperatur wird die Temperatur der Heizkörper geregelt. Eine mögliche Störung (Wind, offenes Fenster) wird dadurch berücksichtigt.
Eine Regelung berücksichtigt dabei die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert der geregelten Größe und bezieht sie direkt in die Ansteuerung mit ein.
Instabilität, Aufschwingen, Reaktionszeit
BearbeitenRegelungen können instabil werden und sich aufschwingen, schnelle Störungen können aufgrund der Reaktionszeit nicht ausgeglichen werden. Die optimale Auslegung einer Regelung komplexer Systeme ist eine Herausforderung, die in der Regelungstechnik umfassend behandelt wird.
Die Vor- und Nachteile von Regelungen gegenüber Steuerungen sowie umgekehrt die Vor- und Nachteile von Steuerungen gegenüber Regelungen geben einen kleinen Einblick in die Komplexität der Automatisierungstechnik.
Aufgabe: Beispiele und Überlegungen zur Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik.
Messen, Steuern und Regeln mit einem Mikrocontroller
BearbeitenHeute verwendet man zum Steuern und Regeln meist elektronische Systeme. Die Messung erfolgt dabei durch Sensoren, die Messwerte werden mit einem Mikrocontroller verarbeitet und Aktuatoren entsprechend angesteuert.
Was ist ein Mikrocontroller?
BearbeitenEin Mikrocontroller ist ein kleiner Computer auf einem einzelnen Halbleiter-Chip. Dazu gehört ein Prozessor, der Programme ausführen kann, Arbeits- und Programmspeicher sowie Schnittstellen, die eine Kommunikation mit der Umgebung ermöglichen (sog. Peripheriefunktionen).
Wir können uns den Mikrocontroller wie ein Gehirn vorstellen, das Signale (Reize) verarbeitet und daraufhin entsprechende Reaktionen veranlasst: So wie ein Mensch mit seinen Sinnen verschiedenste Eindrücke und Reize wahrnimmt und bewusst oder unterbewusst auf diese regiert, so steuert ein Mikrocontroller abhängig von empfangenen Signalen und der implementierten Programmlogik Aktuatoren an.
Dabei stammen die Signale von Sensoren, die messbaren Größen wie Temperatur, Beschleunigung, Druck, Kontakt, GPS-Position, etc. in ein elektrisches Signal umwandeln. Als angesteuerte Aktuatoren kommen Motoren, Anzeigen oder ähnliches in Frage.
Anwendung von Mikrocontrollern
BearbeitenMikrocontroller finden heute in fast allen elektrischen Geräten Anwendung: Im Haushalt meist in Wasch- und Spülmaschine, Toaster, Herd und Mikrowelle sowie in sämtlicher Unterhaltungselektronik. Jedes Auto ist heute voll gestopft mit Mikrocontrollern die z.B. ABS, Airbag, den Motor usw. steuern. Hinzu kommen die Anwendung in Computer-Peripheriegeräte wie Drucker, Monitor, Router u.v.a. (für weitere Informationen siehe Wikipedia).
Grundwissen Elektronik
BearbeitenIn der Mikroelektronik werden empfindliche und nicht immer billige Bauteile verwendet, was einen sorgfältigen, vorsichtigen und verantwortungsbewussten Umgang erforderlich macht. Insbesondere sind Überspannungen und ein Überschreiten zulässiger Stromstärken auszuschließen.
Auch elektrostatische Aufladung bzw. Entladung (engl. electrostatic discharge, kurz ESD, bis zu vielen 1000 V!) stellt eine Gefahr für Bauteile dar. Nach Möglichkeit sollte man sich mit einem Erdungskabel erden. Ist dies nicht möglich, empfiehlt es sich, vor Kontakt mit Bauteilen stets eine Entladung an Wasserhahn oder Heizkörper vorzunehmen.
Viele in Werkstatt und Elektronik verwendete Komponenten sind gesundheitsschädlich. Darum nach der Arbeit immer die Hände waschen.
Merke:
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Physikalische Größen im elektrischen Stromkreis
BearbeitenEin einfacher Stromkreis besteht aus einer Strom- bzw. Spannungsquelle und einer Last[1].
Der elektrische Strom fließt vom Pluspol zum Minuspol[2] und ist definiert durch die pro Zeiteinheit einen Leiterquerschnitt passierende Ladungsmenge :
Die Spannung zwischen zwei Punkten und ist ein Maß für die pro Ladung freiwerdende bzw. aufzubringende Arbeit , wenn die Ladung von nach transportiert wird:
Für viele Leiter ist der fließende Strom (zumindest näherungsweise) proportional zur anliegenden Spannung und es gilt die Beziehung:
mit der Kontanten . Entsprechend ist der Ohmsche Widerstand eines Bauteils definiert durch:
Die Kirchhoffschen Regeln
BearbeitenKnotenregel
BearbeitenWir betrachten einen Knoten, eine Verzweigung von Leitungen. Da Ladungen weder verschwinden noch entstehen können, gilt die Knotenregel:
Die Summe aller Ströme an einem Knoten ist Null:
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Alle zum Knoten fließende Ladung muss auch wieder vom Knoten wegfließen.
Maschenregel
BearbeitenWir betrachten eine Masche, eine geschlossene Leitungsschleife. Da beim Transport einer Ladung entlang einer Masche mit gleichem Start- und Endpunkt in Summe weder Energie gewonnen noch verloren gehen darf (Energieerhaltung), muss die Maschenregel gelten:
Die Summe aller Spannungen in einer Masche ist Null:
Masche Masche |
Anwendung: Grundschaltungen von Widerständen
BearbeitenMithilfe der Knoten– und der Maschenregel können wir den resultierenden Widerstand beliebiger Kombinationen verschiedener Widerstände sowie alle Spannungen und Ströme berechnen. Wir betrachten zwei Spezialfälle.
Reihenschaltung
BearbeitenIn der Reihenschaltung gibt es keinen Knoten, bei dem sich der Strom aufteilen könnte. Darum fließt durch beide Widerstände derselbe Strom. Durch Anwendung der Maschenregel erhält man:
Der resultierende Widerstand der Schaltung ist definiert durch .
Man erhält:
- .
Der resultierende Widerstand ist gleich der Summe der Einzelwiderstände.
Parallelschaltung
BearbeitenIn der Parallelschaltung teilt sich der Strom an den Knoten auf. Aus der Knotenregel folgt: die Anwendung der Maschenregel ergibt: Mit dem resultierenden Widerstand der Schaltung definiert durch erhält man:
da
Der Kehrbruch des resultierenden Widerstands ist also gleich der Summe der Kehrbrüche der Einzelwiderstände .
Merke:
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Messtechnik
BearbeitenMessung der Spannung
BearbeitenDie Spannungsmessung ist eine Messung der Potentialdifferenz zwischen zwei beliebigen Punkten. Dabei kann kaum Schaden angerichtet werden, da der Innenwiderstand des Voltmeters sehr groß, und damit der durch das Messgerät fließende Strom sehr klein ist.
Die Spannung wird stets parallel zur Last „abgegriffen“ und hat die Einheit Volt (V). Messgeräte sollten nach Benutzung immer auf den größten Spannungsmessbereich eingestellt werden. So wird die Gefahr, am Messgerät oder an der zu messenden Schaltung Schäden zu verursachen, minimiert.
Messung der Stromstärke
BearbeitenDie Messung der Stromstärke erfordert die Bestimmung der durch eine Leitung fließenden Ladung pro Zeit. Dazu muss die entsprechende Leitung aufgetrennt und das Ampèremeter in Reihe zur Last eingefügt werden. Das Ampèremeter hat einen sehr kleinen Innenwiderstand, da es ja selbst den fließenden Strom nicht behindern darf.
Der kleine Innenwiderstand des Ampèremeters hat zur Folge, dass ein fälschlicherweise wie ein Voltmeter angeschlossenes Ampèremeter zu extremen Stromstärken durch Messgerät und Schaltung führt, die beide Komponenten zerstören können.
Merke:
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Aufgaben:
Der Spannungsteiler
BearbeitenEin Spannungsteiler teilt, wie der Name schon sagt, eine vorgegebene Spannung in beliebige Teilspannungen und , wobei stets gilt. Betrachte die abgebildete Reihenschaltung. Der durch den Spannungsteiler fließende Strom ist gegeben durch:
Damit berechnen sich die Spannungen und aus dem Ohmschen Gesetz zu:
Durch entsprechende Wahl der Widerstände und kann zwischen und Erde eine beliebige Potentialdifferenz, die Spannung , eingestellt werden.
Aufgabe: Entwurf Spannungsteiler.
Bemerkungen
Bearbeiten- ↑ Die Last wird oft auch als „Verbraucher“ bezeichnet. Dies ist jedoch irreführend, da weder Strom noch Energie „verbraucht“ wird. Vielmehr wird elektrische Energie in andere Energieformen wie z.B. Bewegungsenergie, Wärmeenergie oder Strahlungsenergie (Licht, elektromagnetische Wellen) umgewandelt. Man sagt auch: die Strom-/Spannungsquelle wird belastet.
- ↑ Manche Lehrwerke unterscheiden zwischen „physikalischer“ und „technischer“ Stromrichtung. Dabei wird irreführend die „physikalische“ Stromrichtung als Richtung des Elektronenstroms bezeichnet. Dieser Elektronenstrom muss aber mit seiner negativen Ladung multipliziert werden, um den elektrischen Strom zu erhalten, und dieser fließt damit sowohl in der Physik als auch in der Technik in die gleiche Richtung.