Mikrocontroller/ Einleitung und Grundlagen

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Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik[Bearbeiten]

Die 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[Bearbeiten]

Unterschied zwischen Steuerung und Regelung: Eine Regelung prüft, ob das Ergebnis der Ansteuerung wie gewünscht ist und korrigiert diese gegebenenfalls.
Blockdiagramm eines Standard-Regelkreises für eine einzige Regelgröße y(t), sog. Eingrößen-Regelung als einschleifiger Regelkreis. Regelsysteme kann man mathematisch beschreiben und ihre Eigenschaften so auch theoretisch untersuchen.

Als 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.

Steuern[Bearbeiten]

Unter Steuern versteht man die gerichtete Beeinflussung des Verhaltens von technischen Systemen. Beim Steuern bleiben Störungen unbeachtet. Berücksichtigt man diese, so spricht man von einer Regelung.

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 gemessenen Ist-Zustand steuert man das System unter Zuhilfenahme von mathematischen/physikalischen Modellen Richtung Soll-Zustand.

Regeln[Bearbeiten]

Mechanische Regelung: Fliehkraftregler zur Regelung der Drehzahl einer Dampfmaschine (nicht dargestellt).
Rechts: Stellglied (Drosselklappe in der Dampfzuleitung).
Links: Messglied und Regler als Einheit (Fliehkraftpendel auf einer Drehzahl-Messwelle).
Mitte: Gegenkopplung (horizontaler Hebel und vertikale Stange), kleinere Drehzahl vergrößert die Drosselöffnung.
Der Sollwert kann durch Längenänderung der vertikalen Stange (rechts, zur Drosselklappe) verändert werden.
Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Heizkörpertemperatur und der Raumtemperatur für einen Sollwertsprung ohne Wärmeenergiespeicherung der Raumwände.

Regeln 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.

Instabilität, Aufschwingen, Reaktionszeit[Bearbeiten]

Regelungen 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.


Aufgaben:

  • Finde Beispiele für Steuerungen und Regelungen und arbeite den Unterschied heraus.
  • Betrachte die im Bild dargestellte mechanische Drehzahlregelung einer Dampfmaschine. Erläutere die Funktionsweise.
  • Betrachte das Schaubild ‚Sprungantwort Heizkörpertemp./Raumtemperatur‘ und erkläre die im Diagramm dargestellten Vorgänge.
  • Ein Bügeleisen wird über einen Bimetall-Schalter geregelt. Erkläre das Funktionsprinzip. Zeichne die Zeit-Temperatur-Kurve und die Zeit-Strom-Kurve des Systems.
  • Balanciere einen Tischtennisball auf einer Ebene. Worin liegen bei dieser „Regelung“ die Ursachen dafür, dass man die Kugel nicht in Ruhe an vorgegebener Stelle halten kann? Was müsste man an der Regelung verbessern, damit die Abweichung von der Soll-Position kleiner wird?


Messen, Steuern und Regeln mit einem Mikrocontroller[Bearbeiten]

Heute 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?[Bearbeiten]

Der Mikrocontroller verarbeitet Signale und steuert Aktuatoren.

Ein 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[Bearbeiten]

Mikrocontroller 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[Bearbeiten]

In 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.

Physikalische Größen im elektrischen Stromkreis[Bearbeiten]

Basic electric circuit.svg

Ein einfacher Stromkreis besteht aus einer Strom- bzw. Spannungsquelle und einer Last. (Die Last wird auch gerne als "Verbraucher" bezeichnet, das ist jedoch irreführend, da weder Strom noch Energie "verbraucht" wird. Vielmehr wird elektrische Energie in Wärme, Licht, … umgewandelt. Die Strom-/Spannungsquelle wird jedoch belastet.) Der elektrische Strom fließt vom Pluspol zum Minuspol 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[Bearbeiten]

Knotenregel[Bearbeiten]

KirchhoffRuleCurrent.svg

Wir betrachten einen Knoten, eine Verzweigung von Leitungen. Da weder Ladungen verschwinden noch entstehen können gilt die Knotenregel: Die Summe aller Ströme an einem Knoten ist Null:

Alle zum Knoten fließenden Ladung muss auch wieder vom Knoten wegfließen.

Maschenregel[Bearbeiten]

Kirchhoff Rule.svg

Wir 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: Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen[Bearbeiten]

Mithilfe 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[Bearbeiten]

Serial Resistors.svg

In 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:

da . Der resultierende Widerstand ist gleich der Summe der Einzelwiderstände.

Parallelschaltung[Bearbeiten]

Parallel Resistors.svg

In 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:

  • Werden Widerstände in Reihe geschaltet, so gilt für den resultierenden Widerstand :
Die Summe der Einzelwiderstände ergibt den resultierenden Widerstand . ist immer größer als der größte Einzelwiderstand .
  • Werden Widerstände parallel geschaltet, so gilt für den Kehrbruch des resultierenden Widerstands :
Der Kehrbruch des resultierenden Widerstands ist gleich der Summe der Kehrbrüche der Einzelwiderstände . Der resultierende Widerstand ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand .
  • Für zwei parallel geschaltete Widerstände gilt:

Messung der Spannung[Bearbeiten]

Measuring Voltage.svg

Die 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 an einem Verbraucher wird stets parallel zum Verbraucher „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[Bearbeiten]

Measuring Current.svg

Die 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 zum Verbraucher 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:

  • Spannungsmessung parallel zu Verbraucher oder Spannungsquelle, unkritisch wegen hohem Innenwiderstand des Voltmeters.
  • Strommessung in Reihe zum Verbraucher durch Auftrennen einer Leitung, nie eine neue Verbindung durch das Messgerät schaffen, Kurzschlussgefahr!
  • Messgerät nach Gebrauch auf Spannungsmessung, höchster Messbereich, stellen.

Der Spannungsteiler[Bearbeiten]

Ein 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:

Potential Divider.svg

Damit berechnen sich die Spannungen und aus dem Ohmschen Gesetz zu:

Durch geschickte Wahl der Widerstände und kann zwischen und Erde eine beliebige Potentialdifferenz, die Spannung , eingestellt werden.


Übungen[Bearbeiten]

Drei Widerstände. Bearbeite für jede der abgebildeten Schaltungen die folgenden Aufgaben:

  1. Zeichne die Schaltung ab.
  2. Berechne den resultierenden Widerstand .
  3. Welchen Strom muss die Batterie liefern?
  4. Baue die Schaltung auf und vergleiche Messung und Rechnung. Trage dazu die Werte in eine Tabelle ein.
  5. Berechne die prozentuale Abweichung von Rechnung und Messung.
  6. Welche Widerstände darf man jeweils vertauschen, ohne dass sich eines der Ergebnisse ändert?

Resistor circuit1.svg


Vier und mehr Widerstände. Bearbeite für jede der abgebildeten Schaltungen die folgenden Aufgaben:

  1. Berechne den resultierenden Widerstand der Schaltung.
  2. Zeichne ein Messgerät ein, dass die Spannung am großen Widerstand misst.
  3. Wo überall in der Schaltung fließt der maximale Strom? Zeichne ein Messgerät ein, das diesen Strom misst.
  4. Zeichne ein Messgerät ein, das den Strom, der durch den großen Widerstand fließt, misst.

Resistor circuit2.svg