Spannungsaufbereitung für A/D-Wandler von AVR's

**ACDC** · 05.05.2007, 13:18

Moin !

Ich hoffe, Ihr mögt mir auch helfen, wenn das Problem nicht direkt aus dem Robotik-Bereich kommt

Neben der Elektronik beschäftige ich mich auch mit Slotcars (Carrera, für die, die mit "Slotcar" nix anfangen können). Die Fahrspannung beträgt hierbei max. 20 Volt (+ Toleranz), und wird über diverse Technologien gesteuert und an den Motor gegeben.
Ich möchte nun mit einem AVR (ob ATmega8 oder ATmega16 steht noch nicht fest), diese an den Motor abgehende Spannung messen. Ein erster Versuch, die Spannung nur 1:10 runterzuteilen, hat mir den Eingang des AVR "geschossen". Nach einer Messung mit einem Oszilloskop ist dann auch klar, warum : je nach Regler-Technologie habe ich es mit reichlich Störimpulsen und Oberwellen zu tun.
Nun möchte ich die Eingangsstufe entsprechend sicherer aufbauen, ggf. einen Tiefpass mit einbauen, um die Induktivitäts-Spitzen zu kappen, das Signal dann 1:10 runterteilen und auf einen mit Schottky-Dioden gegen VCC und GND abgesicherten AD-Eingang geben.
Hat jemand schon mal eine ähnliche Aufgabe gelöst, und kann mir mal einen Tipp zur Dimensionierung der Bauteile geben ? Wie wichtig ist die Reihenfolge der Blöcke ? Erst Filter, dann Spannungsteiler, oder andersrum ? Wobei ich bei dem Filter das Problem habe, dass der mir dann sicher auch die Ausgangsspannung eines PWM-Reglers verfälscht. Also erst das Signal integrieren ?
Fragen über Fragen ... ich weiß, aber aus vielen Beiträgen weiß ich, dass hier kompetente Leute aus vielen Bereichen lesen und schreiben, und vielleicht habe ich ja Glück, dass die Richtigen diesen Beitrag lesen

Danke für's Lesen und für die Hilfe !

Gruß, Andreas

**Ratber** · 05.05.2007, 14:29

Mahlzeit ACDC

Wie du den Eingang schützt ist einwenig vom Signal abhängig ob (Pulsierende) Gleichspannung,Wechselspannung,Phasenanabschnitt oder PWM.

Daran orientiert sich die Strategie in kleinen Variationen da du ja schließlich auch noch etwas "Messbares" rausbekommen möchtest.

Grob unterteilen läas sich das so das erst der Spannungsteiler kommt,dann die Begrenzung mit Z-Diode,Varistor,Supressoren etc. und dann noch eine Pufferung mit passender Zeitbasis um das Signal nicht zu sehr "tanzen" zu lassen.
Ein Tiefpass kann da noch optional eingefügt werden sowie eine finale Schutzbeschaltung aus Diode/Z-Diode direkt am AD-Eingang.

Wie gesagt,die Signalform ist schonmal wichtig.
Da ich lange keine Carrerabahn mehr hatte weiß ich nicht so genau wie die Heutzutage funktionieren.
Da bist du gefragt die entsprechende Information zu erbringen.

**ACDC** · 05.05.2007, 17:52

Hi Ratber !

Es gibt zur Zeit drei Variationen von "Drückern" :
1) reine Widerstandssteuerung
2) Stromsteuerung mit PNP-Darlington-Transistor
3) PWM-Steuerung

Bei (1) und (2) gibt es am Ausgang eine "reine" Gleichspannung. "Rein" insoweit, dass man natürlich Störungen vom Motor auf der Spannung draufhat, die eliminiert werden müssen.
Bei (3) gibt es am Ausgang ein PWM-Signal, welches zum Einen erhebliche Spitzen aufweist, und zum Anderen erstmal zu einem "reinen" Gleichspannungswert "umgerechnet" werden müsste - deswegen ja auch meine Idee mit dem Integrierer aus dem ersten Posting.

Deswegen bin ich mir halt nicht sicher, wie der Teil zwischen dem Spannungsteiler am Eingang und den Schutzdioden am Prozessor aussehen sollte, um allen "Drückern" gerecht zu werden.

Hoffentlich hat mein Beitrag Dir ein wenig weitergeholfen !

Gruß, Andreas

**Ratber** · 05.05.2007, 22:41

Ja,welche Varianten es gibt weiß ich aber ich wollte mehr wissen welche du nutzen willst.

Wenn du die Spannungsmessung (Im Mittel) für alle drei Möglichkeiten haben möchtest dann sind einige Abstriche in Punkto Genauigkeit zu machen und großes Rechnen bringt hier nicht viel.

Du wirst also in etwa so arbeiten müssen wie ich es oben schon angedeutet habe.

Teiler,Tiefpass,Spannungsbegrenzung mit Z-/Supressor bzw. Varistor und dann nochmal ein Reihenwiderstand mit abschließender zweiter Spannungsbegrenzung per Z-/Supressordiode.
Ein oder je nach Streckenlänge mehrere Varistoren über die Schiene wären aber in jedem Falle Sinvoll um im Vorfeld die Spitzen schonmal zu "Kappen" was ja allen den Motoren zugute kommt.
Sonvoller wäre es natürlich die Motoren selber zu entstören (LC-Kombi plus Varistor) aber ich vermute mal das bei den Slot-Cars nicht viel SPielraum dafür vorhanden ist (Hab da mal ne Sendung gesehen....blabla usw.)
Deswegen der Vorschlag die Var. auf der Bahn zu verteilen.

Wenn es dann mal ganz wild läuft (zb. bei der Stromregelung) kann man noch zusätzlich Ferite und induktivitäten (So um die 10-50µH) einfügen.
Aber das macht eigentlich nur Sinn wenn man das Ergebnis auch überprüfen kann (Oskar nötig) da eine Fehlanpasung nichts bringt und mit Rechnen ist da nicht viel da du vermutlich keine exakten Aussagen über die zu erwartenden Störimpulse liefern kannst.

Mal so ne Frage nebenbei:

Warum möchtest du die Spannung denn messen ?
Ich frage weil es für den Fahrbetrieb eh uninteressant ist da die Steuerung gefühlssache ist (War es jedenfalls früher).

Nochwas zu Z-Diode,Supressordiode und Varistor.
Im Grunde begrenzen alle die Spannung aber sie unterscheiden sich Primär in der Kennlinie,Serienstreuung,Geschwindigkeit und der möglichen Energieaufnahme sowie einwenig im Preis aber das ist hier wohl nicht relevant.

Supressordioden sind sehr schnell und Steil.

Z-Dioden setzen in ihrer Kennlinie "weicher" ein was manchmal von Vorteil ist wenn die gewünschte Durchbruchspannung sehr nahe an der Versorgungsspannung liegt.

Varistoren können recht viel Leistung aufnehmen und aufgrund ihrer recht großen Oberfläche auch schnell wieder abgeben aber die Kennlinie und die Tolleranzen sind nicht so präzise das man damit dicht an die zu schützende Spannung herangehen sollte.
Sie sind mehr für Systeme geeignet wo der Verbraucher etwas tollerant gegen Überspannung ist.

Das Ganze ist natürlich nur eine sehr Grobe Verallgemeinerung aber damit solltest du in der Lage sein deine Eingangsbeschaltung zu realisieren.

Vorschlagen würde ich zuerst einen Varistor 24V,dann den Teiler mit einem Gesamtwiderstand im Bereich um die 10K.(Um den Störimpulsen die Energie zu nehmen.Das sind dann max. ca. 2mA Querstrom bei 20V.)
Dahinter 47nF.(Glättung.Je nach Wunsch auch größer)
Abschließend ein weiterer 4.7K Widerstand in Reihe und dann noch die Supressordiode (5.1V) direkt am Eingang vom Controller die die Spitzen wirkungsvoll eleminiert.
Kostenpunkt: ca. 2.5-3€ je nach Händler.
Damit sollten die Motoren dann keine Chance mehr haben den Port zu zerstören.

**ACDC** · 06.05.2007, 09:35

Moin !

Danke für Deine ausführlichen Erläuterungen. Klar ist das Fahren von Slotcars Gefühlssache, da hat sich nicht viel geändert

Das Problem ist nur, dass es mittlerweile Möglichkeiten gibt, eine Erhöhung der Bahnspannung so klein zu gestalten, dass optische Kontrollen da nicht mehr ausreichen. Alleine die Erhöhung um 1V bei einem Strom von max. 3A ist mittlerweile auf so kleinem Raum zu realisieren, dass man es in alle Drücker einbauen könnte, die ein externes Gehäuse haben - und ob man mit 20V oder mit 21V fährt, das schlägt sich in der Rundenzeit nieder !

Da der Verein, dem ich nahe stehe, in nächster Zeit einige größere Veranstaltungen über die Bühne bringen will, haben wir diese Woche über diese Problematiken geredet, und nun will ich mal die Probe auf's Exempel machen, inwieweit man mit einem vertretbaren Aufwand die Spannung kontrollieren kann, die die Drücker abgeben.

Die einfachste Möglichkeit wäre also, die Spannung an den Fahrerplätzen zu messen, an denen der Drücker eingesteckt wird. Nur weiss man ja eben nicht, ob da nun ein Widerstands-Regler, ein Transistor-Regler oder ein PWM-Regler eingesetzt wird. Und genau da fangen eben meine Probleme an. Ich werde mal eine Eingangsbeschaltung aufbauen, wie Du sie skizziert hast, wobei mir da irgendwie der Tiefpass fehlt, oder habe ich den übersehen ? Oder baust Du den mit dem Spannungsteiler auf, also mit den 9k1 und 47nF, wären ca. 370 Hz Grenzfrequenz ? Die PWM-Frequenzen erwarte ich jenseits der 4 kHz, eher noch im Bereich von 10-20 kHz, das sollte also reichen ...

Auf jeden Fall erstmal "Danke" für Deine ausführliche Hilfe und die Mühe, die Du Dir gemacht hast !

Gruß, Andreas

**Ratber** · 06.05.2007, 11:05

Das Problem ist nur, dass es mittlerweile Möglichkeiten gibt,.................und ob man mit 20V oder mit 21V fährt, das schlägt sich in der Rundenzeit nieder !

Aha,verstehe,es geht darum "Schummler" zu entlarven.

Wenn ja dann mußt du ja direkt an der Strecke messen,also zwischen Regler und Fahrzeug.
Da müsste der Tiefpass etwas größer ausgelegt werden denn im Schubbetrieb fungiert der Motor als Generator und erhöht ggf. die Spannung an der Schiene kurzfristig.
Das würde sonst früher oder später zu endlosen Diskussionen führen.
Aber dafür würde sich die Reaktionszzeit bei der Messung erhöhen was dann wieder Spielraum mit Impulsförmigen Spanungserhöhungen geben würde.
Das würde mir jedenfalls jetzt so einfallen.

Unter dieser Vorgabe wäre es vieleicht besser die Fahrspannung direkt an der Strecke "Hart" zu begrenzen.
Dann können die Artisten sich einbauen was sie wollen ,alles über den eingestellten Wert würde einfach "abgeleitet".

Viel einfacher und einwenig gemeiner ist es mit einer guten Schottkydiode einfach den Regler "rückwärts" zu brücken.
Zb. eine oder mehrere USD935 (Oder gleichwertiges) über den Regler (Is ja eure Anlage also kein Problem).
Da fallen bei 3A und einer USD935 ca. 0.42V ab.
Bei Parallelschaltung reduziert sich der Abfall entsprechend.

Pumpt also der Handregler die Spannung hoch dann wird alles über Vcc abzüglich der Flusspannung der Diode wieder auf das Netzteil geleitet.
Der Handregler mutiert da allerhöchstens zur "Handheizung" womit ich dann das obige "gemein" erkläre.

Die Diode verbrät auch einwenig Leistung (0.42V bei 3A sind also 3x0.42= ca. 1.3W) so das eion kleinerer Kühlkörper fällig ist.

**ACDC** · 06.05.2007, 19:14

Ja, wenn alle ehrlich wären, dann wäre vieles einfacher.

Deine Lösung mit der Rückwärtsdiode liest sich gut, hat aber einen kleinen Haken : auf "unserer" Anlage haben die Schummler mit der Lösung keine Chance, aber bei Rennen auf anderen Anlagen schummeln sie weiter. Wir möchten den Schummlern auch ein wenig das Handwerk legen, und sie auf frischer Tat ertappen. Schon alleine dieses mögliche "An-den-Pranger-stellen" dürfte die Täter davon abhalten, sowas nochmal abzuziehen. Vor allem können auch nur Tatsachen helfen, die Zweifler zu überzeugen, die meinen, alles ginge mit ehrlichen Mitteln zu ...

Bewertest Du die Generator-Funktion des Motors nicht etwas über ? Der Messpunkt sollte auch direkt dort sein, wo der Regler eingesteckt wird. Von dem Punkt geht es zu einer Sternverteilung, und von dort zu einigen -zig Einspeisepunkten auf der ganzen Bahn verteilt. Es geht ja auch nicht um "etwas" Spannungserhöhung, die man "wegdiskutieren" kann ... Werte im Bereich von ab und an mal 200 oder 300 mV würden mich nicht misstrauisch machen, ab 500 mV oder häufigerem Auftreten würde ich schon eher kritisch !

Aber Du verstehst jetzt die komplette Problematik der Materie, die Möglichkeit des Messens, obwohl man die Signalform nicht kennt ... ?!

Danke für Deine Hilfe !

Gruß, Andreas

**Ratber** · 06.05.2007, 20:45

Bewertest Du die Generator-Funktion des Motors nicht etwas über ?...........usw.

Nö,eigentlich nicht.

diue Strecke mag so Groß sein wie sie will aber am Ende ist "immer" nur "ein" Fahrzeug am Regler.
Dh. selbst ein schwacher Motor kann im Schubbetrieb etliche mV aufaddieren da er ja nicht belastet ist.
Aber wenn 200-300mV egal sind dann spielt das keine große Rolle.
Das Ganze läst sich über den C gut mitteln.

aber bei Rennen auf anderen Anlagen schummeln sie weiter. Wir möchten den Schummlern auch ein wenig das Handwerk legen, und sie auf frischer Tat ertappen. Schon alleine dieses mögliche "An-den-Pranger-stellen" dürfte die Täter davon abhalten, sowas nochmal abzuziehen. Vor allem können auch nur Tatsachen helfen, die Zweifler zu überzeugen, die meinen, alles ginge mit ehrlichen Mitteln zu ...

Ja ok,das Leuchtet ein.

Da du ja zugriff auf deine Bahn hast kannst du ja in Ruhe mit den Werten spielen.