Einbindung einer elektronischen Last, eines Funktionsgenerators, eines Frequenzzählers und eines Mikrocontrollergesteuerten Netzgerätes in einen rechnergesteuerten Klimamessplatz

Für Belastungstests von elektronischen Bauelementen, Bauteilen, Baugruppen und Geräten zur Analyse ihres temperaturspezifischen Verhaltens unter Anwendung von LabVIEW


Diplomarbeit, 2006

107 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis:

1 Einleitung und Aufgabenstellung

2 Erläuterung der Probleme zur Aufgabenlösung

3 Vorgehensweise zur Lösung der Probleme

4 Die GPIB Schnittstelle
4.1 Was bedeutet GPIB
4.2 Umgang mit der GPIB Schnittstelle

5 Elektronische Last EL 9000
5.1 Technische Daten: EL 9000 [1]
5.2 Funktionsweise [1]
5.2.1 Konstantstrombetrieb[1]
5.2.2 Konstantwiderstandsbetrieb[1]
5.2.3 Pulsstrombetrieb[1]
5.2.4 Pulswiderstandsbetrieb[1]
5.2.5 Extern modulierter Strom[1]
5.2.6 Extern modulierter Leitwert[1]
5.2.7 Entladen[1]
5.2.8 Remote[1]
5.2.9 Sonderfunktionen[1]
5.3 Programmierung unter LabVIEW
5.4 Auswertung der Ausgabewerte

6 Der Funktionsgenerator
6.1 Technische Daten[2]
6.2 Die Registerkarte des Funktionsgenerators
6.3 Die Programmierung des Funktionsgenerators
6.4 Treiberaufbau

7 Der Frequenzzähler
7.1 Aufbau der Registerkarte Frequenzzähler
7.2 Die Programmierung des Frequenzzählers

8 Das Mikrocontrollergesteuerte Netzgerät
8.1 Einleitung
8.2 Platinenlayout mit Target 3001! V111
8.3 Prinzipaufbau des Netzgerätes
8.4 Funktionalität der Hardware
8.4.1 Der D/A-Wandler und A/D-Wandler
8.4.2 Strom- und Spannungsverstärkungsstufe
8.4.3 In-System-Programmierung
8.5 Die Software des Mikrocontrollers
8.5.1 Die Funktion : Werte speichern
8.5.2 Struktogramme zu wichtigen Funktionen der Software
8.6 Adaption Linux <-> Windows
8.6.1 Die Programme WinAVR und PonyProg2000
8.7 Kommunikation mit dem PC/LabVIEW via I²C-Bus und RS232-Schnittstelle
8.7.1 Wie wird ein CIN erstellt?
8.7.2 Das Erstellen einer .lsb-Datei

9 Istwertdiagramme
9.1 Registerkarte der Istwertdiagramme
9.2 Istwertdiagramm der Elektronischen Last
9.3 Istwertdiagramme des Frequenzzählers

10 Die Erweiterung der Messdatenspeicherung
10.1 Wertedarstellung
10.2 Löschen der Daten
10.3 Schaltzentrale der Messdatenspeicherung
10.4 Spaltenkopfgenerierung der Excel Tabelle
10.5 Die Generierung der Werte für die Excel Tabelle

11 Mögliche Systemerweiterungen

12 Schlusswort

13 Quellenverzeichnis

14 Literaturverzeichnis

15 Internetadressen

16 Softwareverzeichnis

17 Stichwortverzeichnis

Abbildungsverzeichnis:

Abb. 1: Startseite der Programmiersprache LabVIEW

Abb. 2: Kommunikationsroutine des Klimaschranks

Abb. 3: USB to GPIB Controller (488.2)[3]

Abb. 4: Bedienersoftware der Firma ICS Elektronics[3]

Abb. 5: Die Elektronische Last [1]

Abb. 6: Die Visualisierung der elektronischen Last

Abb. 7: Interaktives Fenster der Sollwerteingaben

Abb. 8: Software der Firma ELV[1]

Abb. 9: Umwandlung von Hex-Code in ASCII

Abb. 10: Interne Struktur der Elektronischen Last

Abb. 11: Time Out

Abb. 12: Formatierung ASCII in Dezimal

Abb. 13: Berechnung von Widerstand und Leistung

Abb. 14: Berechnung des Innenwiderstandes

Abb. 15: Betriebsartenverriegelung inaktiv

Abb. 16: Betriebsartenverriegelung aktiv

Abb. 17: Betriebsartenverriegelung Fehlermeldung

Abb. 18: Funktionsgenerator HP 3325A[2]

Abb. 19: Die Visualisierung des Funktionsgenerators

Abb. 20: Interner Aufruf des Funktionsgeneratortreibers

Abb. 21: Treiberaufbau des Funktionsgenerators

Abb. 22: Frequenzzähler HP 5335[5]

Abb. 23: Die Visualisierung des Frequenzzählers

Abb. 24: True Schleife des Frequenzzählers

Abb. 25: Die False Schleife des Frequenzzählers

Abb. 26: Frontansicht des Netzgerätes

Abb. 27: Aufbau A/D-Wandler AtMega8[7]

Abb. 28: R-2R Leiternetzwerk

Abb. 29: Verstärkerstufe

Abb. 30: Pinbelegung Programmierkabel DT006

Abb. 31: Schleifenprogrammierung

Abb. 32: Aufbau der Hauptschleife

Abb. 33: Aufbau der Interrupt-Schleife

Abb. 34: Programmers Notepad (WinAVR)

Abb. 35: Auszug aus einem Makefile

Abb. 36: Tools - Menü

Abb. 37: PonyProg2000 mit Hardware-Setup und Security - Bits

Abb. 38: Registerkarte des Netzgeräts

Abb. 39: Programmaufbau des Netzgerätes

Abb. 40: Ändern der Größe eines CIN

Abb. 41: Input-Output-Terminal

Abb. 42: Terminal nur mit Eingang

Abb. 43: Output Only einstellen

Abb. 44: Erstellen einer C-Datei

Abb. 45: Win32 Dynamic-Link Library-Projekt erstellen

Abb. 46: Präprozessor-Einstellungen

Abb. 47: Einstellungen für Code Generation

Abb. 48: Einstellungen für Benutzerdefiniertes Erstellen

Abb. 49: Load Code Resource

Abb. 50: Registerkarte Istwertdiagramme

Abb. 51: Istwertdiagramm der elektronischen Last

Abb. 52: Istwertdiagramme des Frequenzzählers

Abb. 53: Die Messdatenspeicherung

Abb. 54: Wertedarstellung der Messdatenspeicherung

Abb. 55: Löschen der Daten von der Messdatenspeicherung

Abb. 56: Die Schaltzentrale des Messdatenspeicherung

Abb. 57: Tabelleninitialisierung

Abb. 58: Anzeigen der Last beim Pulsbetrieb

Abb. 59: Spaltenkopfgenerierung der Messdatenspeicherung

Abb. 60: Alle Segmente der elektronischen Last im Pulsbetrieb

Abb. 61: Konvertiert Zahlenwert in Fliesskommawert-String

Abb. 62: Wertgenerierung der Messdatenspeicherung

Abb. 63: Datenspeicherung in die Excel-Tabelle[4]

Struktogramm Verzeichnis:

Struktogramm 1: Betriebsartenauswahl

Struktogramm 2: Betriebsart Puls Widerstand

Struktogramm 3: Aufbau des Funktionsgenerators

Struktogramm 4: Aufbau Frequenzzähler

Struktogramm 5: Main Routine

Struktogramm 6: Store permanent

Struktogramm 7: Check I²C interface

Struktogramm 8: Init Analog

Struktogramm 9: Signal ADC

Formelverzeichnis:

Formel 1: Ladung

Formel 2: Ausgangsspannung im R2R-Leiternetzwerk [6]

Formel 3: Berechnung des Innenwiderstandes [6]

Formel 4: Berechnung des Verstärkungsfaktors [6]

1 Einleitung und Aufgabenstellung

In einer bereits vorhandenen Diplomarbeit, wurde eine Bedieneroberfläche für einen vorhandenen Klimaschrank der Firma Weiss Umwelttechnik entwickelt und getestet. Diese Bedieneroberfläche wurde aus dem Grund entwickelt um die Bedienung des Klimaschrankes, dass zuvor mit einem kleinen Bedienpult am Gerät selbst bedient werden musste, komfortabler und umfangreicher zu gestalten. Nun war es auch möglich, die ermittelten klimaspezifischen Daten aufzunehmen und im Anschluss in einer eigens dafür erstellten Messdatenspeicherung, welche die aufgenommen Daten automatisch in eine Excel Datentabelle speichert, zu sichern.

Zudem war es möglich, einige zusätzliche Geräte, die ebenfalls in die Oberfläche mit implementiert wurden, zu bedienen und auch hier ebenfalls die aufgenommenen Daten zu sichern. Die Zusätzlichen Geräte sind im folgenden Text aufgeführt.

- Oszilloskop Tektronix 720 A
- Multimeter Peak Tech 4360
- Multimeter Metex
- Sowie eine selbst erstellte AD-Wandler Messkarte

Dieser Klimaschrank dient zum Test von Bauteilen und Baugruppen bei Klimaspezifischen Bedingungen, um so frühzeitig Ausfälle zu erkennen und die Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit zu sichern. Die Bauteile werden auf Temperatur und Feuchtigkeit getestet.

Diese Klimaspezifischen Einstellungen, sind sowohl manuell, als auch automatisch einstellbar.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die Bedieneroberfläche um folgende Komponenten erweitert werden.

- Funktionsgenerator
- Mikrocontrollergesteuertes Netzgerät
- Frequenzzähler
- Elektronische Last

Das oben genannte Mikrocontrollergesteuerte Netzgerät wird ebenfalls im Rahmen dieser Diplomarbeit aufgebaut.

Die Daten, die mit diesen zusätzlichen Geräten ermittelt werden, sollen ebenfalls in die Messdatenspeicherung mit einfließen, um so zu ermöglichen, das man diese Daten weiterführend bearbeiten kann.

2 Erläuterung der Probleme zur Aufgabenlösung

Das erste Problem war die Programmiersprache, die schon vorgegeben war. Somit mussten wir, um auch das bereits erstellte Programm zu verstehen, uns diese Programmiersprache aneignen.

Das zweite Problem war, das die Geräte Frequenzzähler, sowie der Funktionsgenerator über eine so genannte GPIB Schnittstelle kommunizieren. Diese Schnittstelle war jedoch nicht im PC eingebaut.

Das nächste Problem ergab sich dadurch, dass in unserer Fachhochschule keine elektronische Last vorhanden war und diese somit bestellt werden musste. Die Elektronische Last konnte jedoch erst 6 Wochen vor Abgabe unserer Diplomarbeit geliefert werden.

Des Weiteren ergab sich ein Problem nachdem wir uns die Programmiersprache G angeeignet hatten. Wir mussten daraufhin feststellen dass die erstellte Bedienoberfläche vollständig vom Speicherbedarf her ausgereizt war und somit keinen Platz mehr für unsere Geräte hergab.

Pro VI durften maximal 555 Frontpanel Elemente benutzt werden und diese waren vollständig ausgereizt.

Wir mussten daraufhin entscheiden, welche Komponenten wir aus der vorhandenen Bedieneroberfläche entfernen konnten, um im Anschluss den Komfort der Bedieneroberfläche noch gewährleisten zu können, bzw. durch die von uns mit eingebundenen Geräte erhöhen zu können.

Welche Komponenten entfallen sind, sowie die Lösung der oben genannten Probleme wird im folgenden Kapitel näher erläutert.

3 Vorgehensweise zur Lösung der Probleme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Startseite der Programmiersprache LabVIEW

Wie erwähnt haben wir uns, damit wir das erste Problem beheben konnten, die Programmiersprache G unter LabVIEW angeeignet (siehe Abb. 1). Labview ist eine grafikorientierte Programmiersprache und deswegen sehr leicht verständlich. Durch einfache grafische Darstellungen kann man sehr leicht eigene Programmkomponenten aufbauen und so auch Unterprogramme erstellen. Da diese Sprache bereits in der vorangegangenen Diplomarbeit sehr genau und detailliert beschrieben worden ist, werden wir an dieser Stelle nicht weiter darauf eingehen.

Um das zweite Problem beheben zu können, haben wir zunächst versucht, Geräte zu finden, die mit einer RS 232 Schnittstelle versehen sind. Da uns dieser Versuch misslang, haben wir im Internet nach einer passenden Schnittstellenkarte gesucht und sind dabei auf ein Adapter Kabel von USB auf GPIB der Firma ICS Elektronics gestoßen. Dieses Kabel konnte mit einem Treiber für die Software LabVIEW geliefert werden und ist somit wesentlich flexibler und auch noch kostengünstiger als GPIB Schnittstellenkarten für den PC. Man hat somit die Möglichkeit, Geräte die mit einer GPIB Schnittstelle versehen sind, von jeden PC oder Notebook aus zu steuern (USB Anschluss vorausgesetzt). Im nachfolgenden Kapitel 4 auf der Seite 15 wird diese Schnittstelle näher erläutert.

Um das Problem des Speicherbedarfs zu beheben, haben wir uns entschlossen, folgende Komponenten aus dem vorhandenen Programm zu entfernen.

- Die Registerkarte des Sequenzers 1
- Die Registerkarte des Multimeters Metex
- Die Registerkarte Konfiguration
- Die COM Port Verriegelung
- Die Registerkarte Messkarte
- Automatikbetrieb zur Steuerung der Ram Karte

Im Folgenden wird kurz erläutert, wieso die Entscheidungen auf die oben genannten Komponenten gefallen sind.

Der hauptsächliche Grund war selbstverständlich zunächst erst einmal Speicherplatz zu gewinnen.

Für die Registerkarte des ersten Sequenzers haben wir uns entschieden, da zum einen zwei Registerkarten vorhanden waren und zum anderen mit dem zweiten Sequenzer ebenfalls nahezu alle Möglichkeiten zur Bedienung erhalten bleiben. Der Zweite Sequenzer bietet aber zudem die Möglichkeit, die Temperatur- sowie Feuchtewerte langsam über einen langen Zeitraum zu erhöhen bzw. zu erniedrigen.

Bei dem entfallenden Sequenzer war die Zeiteinstellung zwar vorhanden, jedoch wurden die Temperatur, sowie der Feuchtewert mit schnellstmöglicher Änderungsgeschwindigkeit (2,5 K/min) auf den Sollwert gefahren. Die Werte verbleiben dann bis zum Ablauf der eingestellten Zeit auf den gewünschten Wert.

Auf die Registerkarten Metex und Messkarte wurde hauptsächlich aus dem Grund verzichtet, da die Schnittstellenports des vorhandenen PCs ausgereizt waren.

Auf den zweiten Multimeter konnte zusätzlich aus dem Grund verzichtet werden, da die elektronische Last und das Mikrocontrollergesteuerte Netzgerät ebenfalls Spannungen anzeigen können. Die elektronische Last zeigt sogar ebenfalls den fließenden Strom an und kann somit durch seine gemessenen Parameter auch noch den Widerstand und die Leistung anzeigen. Des Weiteren bietet die elektronische Last noch einige weitere Features, die in Kapitel 5.2 auf der Seite 21 näher erläutert werden.

Auf die COM Port Verriegelung wurde verzichtet, da hier immer eine feste Konfiguration vorausgesetzt wurde. Es war nicht ohne weiteres möglich, ein Gerät an einen anderen COM Port anzuschließen, ohne das man die interne Programmierung hätte verändern müssen. Wir sind der Meinung, dass der Anwender hier die Möglichkeit behalten soll, ein Gerät auch an einen anderen Port anschließen zu können. Das einzige Gerät, das einen festen Port zugewiesen bekommen hat, ist das Mikrocontrollergesteuerte Netzgerät. Dieser muss immer an den COM Port 1 angeschlossen werden. Die Begründung wird im Kapitel 8 auf der Seite 48 näher erläutert.

Durch das entfallen dieser COM Port Verriegelung konnte auf die Registerkarte Konfiguration verzichtet werden. Die Taster und die COM-Port-Eingaben wurden dann den jeweiligen Registerkarten direkt zugewiesen.

Der Automatikbetrieb wurde aus dem Grund entfernt, da hier lediglich die Ansteuerung der Ram Karte initialisiert wurde. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, die Solldaten auszulesen. Außerdem muss die Ram Karte noch vom Bedienpult des Klimaschrankes aus programmiert werden. Da aber mit der erstellten Software eine wesentlich komfortablere Bedienung des Klimaschrankes möglich ist, wurde auf diese Betriebsart verzichtet.

Das löschen der Komponenten blieb allerdings nicht ohne Folgen. Da im Programm sehr viele Zuweisungen und lokale Variablen vorhanden waren, die im gesamten Programm verteilt waren, ließ sich das Programm nicht mehr ausführen. Somit blieb uns nur noch übrig, das Programm komplett in seine Einzelteile zu zerlegen, diese einzeln zu bearbeiten, um diese dann im Anschluss wieder funktionstüchtig zusammenführen zu können.

Das erste Element, das wir bearbeitet haben, war die Kommunikationsroutine des Klimaschrankes. In dieser Routine wird die reine Kommunikation mit dem Klimaschrank aufgebaut. Allein in dieser Routine waren bereits Zuweisungen des Automatikbetriebes sowie die Ansteuerung des zweiten Sequenzers implementiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Kommunikationsroutine des Klimaschranks

Zu sehen ist hier eine Case Struktur, die zwischen den einzelnen Betriebsarten des Klimaschranks unterscheidet. Solche Strukturen fanden sich im gesamten Programm wieder und wurden entsprechend angepasst.

Auf der linken Seite in der Abb. 2 ist ebenfalls durch die doppelte und dicke Umrandung ersichtlich, dass es sich bei den Eingangsvariablen um lokale Variablen handelt. Diese mussten wir, um wieder eine Kommunikation aufbauen zu können, zunächst durch Konstanten, bzw. Eingaben ersetzten. Des Weiteren wurde die in der Abb. 2 ersichtliche Case Struktur um den Automatikbetrieb und dem zweiten Sequenzer erleichtert.

Nachdem dieser Programmteil wieder funktionstüchtig umprogrammiert wurde, haben wir uns mit der Hauptprogrammschleife beschäftigt.

In dieser Hauptschleife war die COM Port Verriegelung implementiert, die sich ohne weiteres entfernen ließ. Des Weiteren waren hier wieder diverse Case Schleifen, in denen die Programmteile des zweiten Sequenzers und des Automatikbetriebs angesprochen wurden.

Die Änderungen bzw. Erweiterungen in der Messdatenspeicherung werden noch einmal gesondert im Kapitel 10 auf der Seite 88 näher erläutert.

4 Die GPIB Schnittstelle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: USB to GPIB Controller (488.2)[3]

4.1 Was bedeutet GPIB

„Hewlett-Packard entwickelte den General Purpose Interface Bus (Schnittstelle für allgemeine Zwecke) oder GPIB in den späteren 1960ern, um die Kommunikation zwischen Computern und Messgeräten zu erleichtern. Über den Bus werden Daten zwischen dem Computer und den Geräten übertragen und GPIB lieferte die notwendige Standardisierung, um eine sichere Kommunikation zu gewährleisten. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standardisierte den GPIB 1975, er wurde auch bekannt als der Standart IEEE 488. Der ursprüngliche Gedanke war es, dem Computer die Steuerung von Test- und Messgeräten zu ermöglichen. Allerdings hat sich seine Verwendung weit über diese Anwendungen hinaus in Bereiche wie die Kommunikation zwischen Computern und nicht-messtechnischen Einheiten wie z.B. Scanner und Drucker erweitert.“[3]

„GPIB ist ein Byte-paralleler Bus mit 24 Leitungen. Er besteht aus acht Datenleitungen, fünf Steuerleitungen (ATN, EOI, IFC, REN und SRQ), drei Handshake-Leitungen und acht Masseleitungen. GPIB verwendet ein asynchrones Datenübertragungsformat, bei dem 8 Bit parallel Byte für Byte übertragen werden. Mit anderen Worten, ganze Bytes werden sequentiell über den Bus übertragen, wobei die Geschwindigkeit vom langsamsten Teilnehmer bestimmt wird. Da die Daten über den GPIB in Byte (ein Byte = 8 Bit) übertragen werden, sind die übertragenden Daten häufig als ASCII-Zeichenketten verschlüsselt. Ein Computer kann nur dann eine GPIB - Kommunikation aufnehmen, wenn er mit einer GPIB - Steckkarte (oder einer externen GPIB - Box) bestückt und der entsprechende Treiber installiert ist.

Es können viele Geräte und Computer an denselben GPIB-Bus angeschlossen werden. Jedes Gerät, einschließlich der Computer-Schnittstellenkarte, muss eine eindeutige GPIB-Adresse besitzen, so dass Datenursprung und –ziel anhand dieser Nummer angegeben werden können. Adresse 0 ist üblicherweise der GPIB - Schnittstellenkarte zugewiesen. Geräte, die an den Bus angeschlossen sind, können die Adressen 1 bis 30 verwenden. Der GPIB hat eine Steuereinheit der die Busverwaltungsfunktionen übernimmt. Um Gerätebefehle und Daten auf den Bus zu übertragen, bestimmt die Steuereinheit einen Talker und einen oder mehrere Listener. Die Datenketten werden dann vom Talker über den Bus an den / die Listener gesendet. Die GPIB-VI von LabVIEW übernehmen automatisch die Adressierung wie auch die meisten anderen Busverwaltungsfunktionen und nehmen dem Programmierer so den Aufwand der Low – Level - Programmierung ab.“[3]

4.2 Umgang mit der GPIB Schnittstelle

Damit wir dieses USB-GPIB Adapterkabel unter Labview verwenden konnten, wurde ein Treiber der Firma ICS Elektronics mitgeliefert, der somit ein virtuellen COM Port erstellt.

Wenn an dieses Kabel mehrere Geräte angeschlossen werden, generieren sich automatisch weitere Ports, mit dem Unterschied, dass hier für jeden Port eine andere interne Adresse, die abhängig von der eingestellten Adresse im Gerät selbst, angegeben wird.

Zudem wurde von der benannten Firma eine EXE Datei mitgeliefert, mit dem man die Möglichkeit hat, direkt an dem Empfänger einen String zu senden. Außerdem kann man mit dieser Software die interne Adresse des Gerätes auslesen. Mit diesem Programm konnten wir daraufhin direkt überprüfen, was bei den zu übermittelnden Strings passiert. So waren auch recht schnell Fehler in den Strings, die in den Treibern der Firma National Instruments implementiert waren, kontrollierbar.

In der nachfolgenden Abbildung ist diese Bedieneroberfläche ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Bedienersoftware der Firma ICS Elektronics[3]

Beim betätigen des Buttons „Find Listeners“ werden alle an das GPIB Kabel angeschlossenen Geräte mit interner Adresse angezeigt. In diesem Fall wurden zwei Geräte gefunden. Das Gerät mit der Adresse 17 ist der Funktionsgenerator und das Gerät mit der Adresse 3 ist der Frequenzzähler.

Wenn man an einem Gerät schreiben möchte, so muss man zunächst bei „device adress“ die Adresse eingeben. Im Anschluss kann man im Feld „Device Command“, die jeweiligen Stringbefehle eingeben und im Anschluss direkt auf das jeweilige Gerät schreiben.

Eine nützliche Funktion ist auch der Button „Device Clear“. Denn bei mehrfachen fehlerhaften Eingaben ließ sich das Gerät nicht mehr ansprechen. Mit dem genannten Button lässt sich das jeweilige Gerät ohne weiteres zurücksetzen.

Mit den Button „Read Device Response“ lässt sich der Antwortstring des jeweiligen Gerätes auslesen. Somit lässt sich schnell überblicken wie dieser String aufgebaut. Dadurch konnten wir die Funktion für die Antwortstringauswertung recht einfach aufbauen.

Bei dem Funktionsgenerator war durch diesen Button auch schnell ersichtlich, dass dieses Gerät nur beschrieben werden kann und somit keine Antworten zurück gibt.

5 Elektronische Last EL 9000

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Die Elektronische Last [1]

5.1 Technische Daten: EL 9000 [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

5.2 Funktionsweise [1]

„Das Funktionsprinzip einer elektronischen Last liegt darin, dass die zugeführte elektrische Energie in einem steuerbaren Halbleiter in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Ansteuerung des Halbleiters erfolgt über einen Regelkreis, sodass mit der Sollwertvorgabe die Eigenschaften der Last beeinflussbar sind. Erst mit einer solchen Anordnung sind genau definierbare Verhältnisse herstellbar. Zudem sorgen hier Schutzfunktionen dafür, dass sowohl Prüfling als auch die elektronische Last keinen Schaden nehmen können“[1].

Damit die Last vom PC bedient werden kann, muss sie in den Remotebetrieb versetzt werden. Dazu einfach das Drehrad an der Last nach rechts drehen bis Remote erscheint und dann mit der Taste oben rechts neben dem Display bestätigen.

Auf der in der nachfolgenden Abbildung gezeigten Registerkarte sind nun alle Funktionen aufgeführt die mit der Last möglich sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Die Visualisierung der elektronischen Last

Das Fenster Sollwerteingaben agiert hier interaktiv, das bedeutet, je nach Auswahl der Betriebsart, ändert sich auch die Auswahl der Eingaben. Die nachfolgende Abbildung soll dies verdeutlichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Interaktives Fenster der Sollwerteingaben

Die elektronische Last steht immer automatisch im Standby-Betrieb, damit das angeschlossene Gerät nicht beschädigt werden kann. Nachdem die Werte mit OK an die elektronische Last gesendet worden sind, kann mit dem in Abb. 7 zu sehenden Button Last zuschalten, damit das Gerät in den aktiven Zustand geschaltet werden kann. Der Befehl, der an die Elektronische Last gesendet wird, muss intern alle 10 Sekunden wiederholt werden. Wenn dies nicht der Fall ist, schaltet das Gerät aus Sicherheitsgründen wieder zurück in den Standby-Betrieb. Im nachfolgenden Text werden die einzelnen Funktionen, die das Gerät ausführen kann näher erläutert.

5.2.1 Konstantstrombetrieb[1]

„In diesem Betriebsmode ist der Laststrom unabhängig von der angelegten Spannung. Er kann bis zu 20 Ampere betragen. Außerdem lässt sich hier, genauso wie in allen weiteren Modi, die Verlustleistung im Bereich von 1 Watt bis 200 Watt begrenzen. Wird die eingestellte Leistung überschritten, so erfolgt eine entsprechende Reduzierung des Laststroms, sodass dann Konstantleistungsbetrieb vorliegt. Nicht nur die EL 9000 wird mit dieser nützlichen Funktion geschützt, sondern auch empfindliche Prüflinge. Als Messwerte können neben Spannung und Strom auch die umgesetzte Verlustleistung und der Widerstandswert, der der Belastung entspricht, abgerufen werden.“[1]

5.2.2 Konstantwiderstandsbetrieb[1]

„Die EL 9000 simuliert in dieser Betriebsart einen ohmschen Widerstand, d. h. der Laststrom ist gemäß dem ohmschen Gesetz von der angelegten Spannung abhängig. Der Widerstandswert kann zwischen 1 Ω und 500 Ω liegen. Neben der Leistungsbegrenzung ist zusätzlich eine Strombegrenzung (100 mA bis 20 A) implementiert. Ebenso wie in der Betriebsart Konstantstrom können als Messwerte die Spannung, der Strom, die Leistung und der Widerstand abgerufen werden.“[1]

5.2.3 Pulsstrombetrieb[1]

„In dieser Betriebsart wechselt der Laststrom automatisch zwischen zwei unabhängig einstellbaren Werten. Besonders hilfreich ist dies zum Optimieren von Regelschaltungen in Netzteilen o. ä. da die hierfür erforderliche Sprungfunktion des Laststromes bereitgestellt wird. Anhand der Sprungantwort (Änderung der Spannung) kann man das Regelverhalten bezüglich Ausregelzeit, bleibender Regelabweichung, Ansprechen einer Strombegrenzung etc. beurteilen und ggf. verbessern.

Im Pulsstrombetrieb sind High- und Low-Wert des Stromes getrennt voneinander einstellbar. Der High-Strom kann bis zu 40 Ampere (!) betragen, wobei der Mittelwert von High- und Low-Strom auf maximal 20 Ampere begrenzt ist. Die Frequenz, mit der zwischen den beiden Lastwerten gewechselt wird, kann in 10 Stufen zwischen 1 Hz und 1 kHz gewählt werden. Das Puls-Pausen-Verhältnis liegt fest bei 1:1. Neben einer Begrenzung der Effektivleistung ist als besonderes Feature eine variable Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit (Slew-Rate) vorhanden. Diese ist zur Anpassung an verschiedene dynamische Randbedingungen hilfreich und wird später noch näher beschrieben. Als Messwerte werden neben dem Mittelwert von Spannung und Strom auch die High- und Low-Werte angezeigt. Daneben sind außerdem die Effektivleistung und der Innenwiderstand abrufbar. Letzterer errechnet sich aus der Differenz der Spannungen und der Differenz der Ströme. Zu beachten ist hierbei, dass nicht der reine Innenwiderstand der Gleichstromquelle gemessen wird, sondern die Verbindungsleitung das Ergebnis verfälscht. Sinnvolle Anzeigenwerte sind nur dann möglich, wenn Ströme und Spannungen in geeigneten Bereichen (ausreichende Differenz) liegen. Für eine genaue Bestimmung des Innenwiderstandes muss man die Spannung bei verschiedenen Belastungen direkt an den Klemmen der Quelle messen.“[1]

5.2.4 Pulswiderstandsbetrieb[1]

„Diese Betriebsart entspricht dem Pulsstrombetrieb, es wird jedoch zwischen zwei Widerstandswerten automatisch gewechselt. Wie im Konstantwiderstandsbetrieb ist auch hier eine Strombegrenzung vorgesehen. „[1]

5.2.5 Extern modulierter Strom[1]

„In Verbindung mit einer entsprechenden Signalquelle (z. B. Funktionsgenerator) ist in dieser Betriebsart nahezu jede erdenkliche Kurvenform des Laststromes realisierbar. Der Laststrom folgt dem über die BNC-Buchse eingespeisten Modulationssignal, dessen Pegel maximal ±5 Volt betragen darf. Die Empfindlichkeit, das heißt der Faktor, mit dem das Modulationssignal den Laststrom beeinflusst, ist hierbei umschaltbar von 1 A/V auf 10 A/V. Außerdem ist noch eine Empfindlichkeit von 0 A/V wählbar. Diese Einstellung, in der die Modulation ausgeschaltet ist, ist hilfreich zum Einstellen des sog. Offset-Stromes, d. h. des Stromes, der bei einer Modulationsspannung von 0 Volt fließt. Er kann 0 A bis 20 A betragen. Die bereits in den vorigen Betriebsarten erwähnten Funktionen Strombegrenzung und Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit sind in dieser Betriebsart ebenfalls verfügbar. Eine Begrenzung der Effektivleistung ist aufgrund der beliebigen Kurvenform und ggf. hohen Frequenzen nicht mit vertretbarem Aufwand realisierbar. Die Leistungsbegrenzung schaltet hier die Endstufe in den Stand-by-Zustand, wenn das Produkt der Mittelwerte von Strom und Spannung den eingestellten Grenzwert überschreitet.“[1]

5.2.6 Extern modulierter Leitwert[1]

„Die theoretisch denkbare externe Widerstandsmodulation ist an dieser Stelle nicht realisiert. Dies ist zum einen sehr aufwändig, zum anderen macht es auch wenig Sinn, da die resultierenden Ströme bereits bei einfachen Modulationssignalen sehr komplizierte Kurvenformen annehmen. Eine sinnvolle Anwendung ist hier kaum denkbar. Stattdessen ist eine Betriebsart zur externen Modulation des Leitwertes vorhanden. Die Empfindlichkeit, mit der sich der Leitwert in Abhängigkeit von der angelegten Modulationsspannung ändert, ist abhängig vom Bereich des Offset-Leitwertes wählbar und kann 4 mS/V, 40 mS/V oder 400 mS/V betragen. Die Begrenzungsfunktionen sind identisch mit denen der Betriebsart „Externe Strommodulation”.“[1]

5.2.7 Entladen[1]

„Dieser Modus ist vor allem zum Entladen von Akkus und Batterien gedacht. Eine Anwendung ist das Entladen von Nickel-Cadmium-Akkus vor dem erneuten Laden, um dem gefürchteten Memory-Effekt vorzubeugen. Eine weitere Möglichkeit ist die Bestimmung der Kapazität, indem der geladene Akku (Batterie) bis zum Erreichen der Entladeschlussspannung entladen wird. Die entnommene Ladungsmenge (Q) entspricht dann der Kapazität:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 1: Ladung

Neben dem Strom kann man die Spannung, bei deren Unterschreiten der Entladevorgang beendet werden soll, vorgeben. Die Spannungsmessung erfolgt in kurzen Entladepausen, sodass der Widerstand der Zuleitungen und der Innenwiderstand des Akkus nicht zu einem frühzeitigen Abbrechen des Entladevorgangs führen. Die fortlaufend aufsummierte Ladungsmenge ist als Messwert abrufbar.“[1]

5.2.8 Remote[1]

„In dieser Betriebsart erfolgen alle Steuer- und Anzeigenfunktionen von einem PC aus über dessen serielle Schnittstelle. Alle Möglichkeiten, die die Handbedienung bietet, stehen auch hier in vollem Umfang zur Verfügung (abgesehen von den Sonderfunktionen, siehe unten). Zusätzlich sind zahlreiche weitere Möglichkeiten gegeben, die so nur eine PC-Steuerung bieten kann. Über die Tasten ist in dieser Betriebsart keinerlei Bedienung erforderlich. Deshalb führt das Betätigen einer Taste stets zur Rückkehr ins Hauptmenü. Da hiermit ein Abschalten der Endstufe in den Stand-by-Zustand erfolgt, haben die Tasten eine „Not-Aus-Funktion, sodass in kritischen Situationen, wie z. B. dem Versagen des Prüflings unter Volllast, ein schneller Benutzereingriff möglich ist.“[1]

[...]

Ende der Leseprobe aus 107 Seiten

Details

Titel
Einbindung einer elektronischen Last, eines Funktionsgenerators, eines Frequenzzählers und eines Mikrocontrollergesteuerten Netzgerätes in einen rechnergesteuerten Klimamessplatz
Untertitel
Für Belastungstests von elektronischen Bauelementen, Bauteilen, Baugruppen und Geräten zur Analyse ihres temperaturspezifischen Verhaltens unter Anwendung von LabVIEW
Hochschule
Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven; Standort Emden
Note
1,7
Autoren
Jahr
2006
Seiten
107
Katalognummer
V130137
ISBN (eBook)
9783640674336
ISBN (Buch)
9783640674022
Dateigröße
5293 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Einbindung, Last, Funktionsgenerators, Frequenzzählers, Mikrocontrollergesteuerten, Netzgerätes, Klimamessplatz, Belastungstests, Bauelementen, Bauteilen, Baugruppen, Geräten, Analyse, Verhaltens, Anwendung, LabVIEW
Arbeit zitieren
Trinus Bußmann (Autor)Andree Loger (Autor)Arno Schaaf (Autor), 2006, Einbindung einer elektronischen Last, eines Funktionsgenerators, eines Frequenzzählers und eines Mikrocontrollergesteuerten Netzgerätes in einen rechnergesteuerten Klimamessplatz, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/130137

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