FAQ


 
Oft gestellte Fragen - hier die Antworten
FAQ steht für "frequently asked questions"

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Digitale Signale, Steuerungen & Automatisierung

Was ist PIO?

Eine parallel-verarbeitende Datenschnittstelle um eine Ein-/Ausgabeschnittstelle zur Steuerung z.B. von Robotern herzustellen.
(PIO engl. = Parallel Input Output)

Was heißt eigentlich steuern?

Unter steuern versteht man allgemein das zielgerichtete Wirken auf Größen in einem beeinflussbaren System. Innerhalb von Anlagen befinden sich i.d.R. Baugruppen und Anschalteinheiten (bsp. Messverstärker, Koppler, Messgeräte, SPS-Steuerungen, Datenkonverter, Sensoren, Aktoren u.s.w...), die zu einem System zusammengefasst werden. Systeme können je nach Auslegung vielfältige, unterschiedliche Aufgaben bewältigen, zu deren Ausführung das gezielte Steuern notwendig ist. Steuern ist die Folge von aktiven Prozessen (reagieren) und/oder Programmierungen (agieren) in einer gewollten Weise. Für das gezielte Steuern wird oftmals eine Systemsoftware (Firmware) verwendet, die stets auf eine spezielle Aufgabe zugeschnitten ist. Sie verwaltet und ermöglicht den Betrieb auf einer dazu hergestellten Hardware.

Was ist Input, was ist Output?

Input (zu deutsch Eingang) und Output (zu deutsch Ausgang) beschreiben einen elektischen Port-Zugang (Port engl. = Tür) zu/von einem Anschluss bzw. Gerät. Eingänge, wie TTL/CMOS- oder über Optokoppler isolierte Digital-Eingänge, werden mit einem Input-Befehl (bsp. GetPortByte) abgefragt und einer noch zu verarbeitenden Programmvariable zugeordnet. Ein Output hingegen, 'setzt' einen Ausgang auf ein bestimmtes Spannungsniveau, oder schliesst einen elektrischen Schalter, der sowohl ein Relais, ein Optokoppler-Ausgang oder ein TTL/CMOS-Ausgang darstellen kann (Hardwareabhängig). Das Programmieren eines Ausgangs wird mit beispielweise mit 'SetPortByte' vollzogen und entspricht i.d.R. einem 8-bit Datum, dass durch diesen Befehl an den Port gesendet wird. Alle Ein- und Ausgänge können je nach Hardwareauslegung passiv oder aktiv arbeiten (Hardwareabhängig). Hierzu ist das Studium der entspechenden Hardwarebeschreibung unerlässlich um Schaden oder fehlerhafte Beschaltungen abzuwenden. Oftmals müssen, neben den Hardwareeigenschaften, das Ohmsches Gesetz, die Kirchhoffsche Regel und/oder Pegelgrenzen beachtet werden, damit Ein- und Ausgänge nicht überlastet werden und in ihrem, dafür vorgesehenen Kennfeld, ordnungsgemäß betrieben werden. Zur Berechnung dieser Größen gilt ein ausreichender Kenntnisstand in der Automations-Elektronik als vorrausgesetzt. Weitere Informationen zur Berechnung von Ein-/Ausgängen finden Sie beispielsweise unter:http://www.elektronik-kompendium...

Was muss man bei CMOS besonders beachten?

CMOS Ein- und Ausgänge sind prinzipiell Empfindlicher als herkömmliche E/As. Daher muss man bei der Beschaltung und Inbetriebnahme besondere Sorgfalt beherzigen, um Störungen oder unabsichtlichen aber vermeidbaren Schaden (bsp. ESD) abzuwenden. Im Gegensatz zu anderen Logikfamilien reagieren CMOS-Schaltkreise i.d.R. sehr empfindlich auf kurze Überspannungen und sind zudem sehr hochohmig, sodass auch kleine Störspannungen sehr leicht "eingefangen" werden können. Daher ist die ausreichende Abschirmung von Sensorkabel (bsp. Twisted-Pair oder CAT5/7-Kabel) sowie eine gute Masseführung immer oberste Pflicht. Insbesonders kapazitiv eingekoppelte Störspannungsspitzen können, den auf TTL-bezogenen etwa 10-fach empfindlicheren CMOS-Eingang, logisch kippen. Bei starker Störspannungsbeeinflussung durch die Umgebung kann es sehr nützlich sein, in Reihe zu jedem CMOS-Eingang einen Widerstand zwischen 10k und 100k zu schalten. Die damit verbundene Verschlechterung der dynamischen Werte (Grenzfrequenz) kann in den allermeisten Fällen ohne Probleme toleriert werden. Der CMOS-Eingangswiderstand eines Gatters beträgt üblicherweise nur etwa 10-hoch-12 Ohm. Die Gefahr der Zerstörung durch statisches Aufladen beim Umgang mit CMOS-Bauteilen wird durch integrierte Schutzschaltungen zwar gemindert, aber leider nicht vollständig beseitigt. Dies gilt besonders beim Stecken und Lösen von Kontakten (bsp. Steckverbinder) zu beachten, da auch schwach aufgeladene Verdrahtungskapazitäten von Folgeschaltungen oder Potentialunterschiede zu anderen Geräten, CMOS-Bauteile vorschädigen oder zerstören können. Weiterhin gilt zu beachten, dass wenn die Betriebsspannung abgeschaltet ist (PC=Aus), CMOS-Eingänge niederohmig werden (Innenwiderstand des Bauteils), sodass ein hoher Fehlerstrom über die Schutzdioden fließen kann. Wenn ein solcher Betriebsfall nicht ausgeschlossen werden kann, muß der Eingangsstrom durch eine zusätzliche Schaltung (externer Vorwiderstand) auf unter 10mA begrenzen. Dies gilt übergeordnet für alle Logik- und Analogschaltungen (bsp. Multiplexer, A/D-Wandler...) gleichermaßen. Für Eingänge von sequentiellen Schaltungen, wie Timer, Flip-Flops, Zähler und Schieberegister, sollten die steigenden und fallenden Flankenzeiten der Impulse 10µs nie überschreiten. Viele flankengetriggerte Flip-Flops benötigen eine Haltezeit, d.h. die Eingänge müssen noch nach Ablauf der Flanke eine gewisse Zeit stabilen Signalpegel aufweisen. Durch Vorschalten von Schmitt-Trigger-Invertern (bsp. SN74HC14N mit Spannungshysterese) lassen sich Impulsflanken um den Faktor 100-1000 stark verkürzen. Dabei wird zusätzlich die Signalqualität für Folgeschaltungen wesendlich verbessert. Bitte beachten Sie weiterhin, dass TTL-Signale nicht den nötigen Spannungspegel aufweisen, um CMOS-Schaltungen sicher durchzusteuern. Durch Einbringung von Pull-Up-Widerständen (ca. 2k2...10k) nach VCC (+5 Volt) können TTL-Signale in den meisten Fällen auf CMOS-Pegel nachträglich angehoben werden. Unbenutzte CMOS-Eingänge sind i.d.R gegen GND kurzzuschließen bzw. mit Widerständen vorzuterminieren. Für alle CMOS- und Zähler-Schaltungen empfiehlt sich grundsätzlich nur der Einsatz von längstgeregelten Spannungsversorgungen mit ausreichender Entkopplung gegen Netzstörungen. Der Einsatz von Schaltnetzteilen (ob geregelt oder nicht) wird hier nicht empfohlen und ist selbstredend. Masseschleifen und Potentialunterschiede sind absolut zu vermeiden, da sie nicht nur CMOS-Eingänge, sondern auch den ganzen PC zerstören können.

Können Störungen vermieden werden?

Meistens ja - aber nicht immer. Störfelder und die daraus resultierenden Störspannungen können beispielsweise auf langen Strecken über Leitungen im Signal- oder Lichtnetz eingekoppelt und verschleppt werden (bsp. Prüffeld). Auch eine fehlende oder mangelhafte Masseführung kann eine Störung begünstigen, unabhängig davon, ob es sich dabei um galvanisch isolierte Optokoppler, CMOS oder andere Eingänge handelt. Grundsätzlich gilt eine Störung erst garnicht entstehen zu lassen, da man sich anschließend dann auch nicht um deren Beseitigung kümmern muss. Liegen im Umfeld bereits Störungen vor, müssen Maßnahmen ergriffen werden, die eine ordnungsgemäße Funktion gem. den eigenen Vorgaben bzw. Ansprüchen sicherstellt. Störungen begegnet man allgemein am besten durch räumliche Trennung, galvanische Entkopplung, gegenseitige (Ab-)Schirmung, mit geschirmten, paarig verdrillten Zuleitungen, gutem Potentialausgleich und gezielter Filterung mit geeigneten Mitteln. Hierzu wurden bereits umfangreiche Hinweise und technische EMV-Maßnahmen auf dieser FAQ-Seite vorgestellt.

Müssen Stromversorgungen auch in digitalen Schaltungen den EMV-Richtlinien entsprechen?

Ja. Stromversorgungen mit schlechten EMV-Eigenschaften können sowohl analoge wie auch digitale Schaltungen beeinflussen, stören oder zu Funktionsausfall führen. Liegt zudem keine niederohmige Spannungsquelle vor, können Schaltvorgänge in digitalen Systemen stoßartige Lastschwankungen verursachen und über die Stromversorgung direkt oder indirekt andere Schaltungsteile unzulässig beeinflussen. Daher muss neben einer ausreichenden EMV-Störfestigkeit auch die Stabilisierung und Leistungsreserve mit entsprechenden Leitungsquerschnitten beachtet werden. Insbesonders gilt es Störspannungen (schnelle Transienten, Burst...) und Spannungseinbrüchen bei Lastsprüngen (kurzzeitige Unterspannung) durch ausreichende Dimensionierung vorzubeugen. Örtliche, kurze Spannungseinbrüche begegnet man hingegen durch gut platzierte Stützkondensatoren, die möglichst dicht an der Störquelle bzw. am zu entstörenden Bauteil angebracht werden. Dabei spielt die Verdrahtung sowie das Massekonzept eine tragende Rolle (Vermeidung induktiver und kapazitiver Kopplung), damit sich Störungen nicht über einen größeren Raum bzw. über eine größere Fläche im System ausbreiten können.

Wie geht man mit der Masse/Schirm-Verbindung um?

In der Regel wirkt der Kabelschirm einer beidseitig aufgelegten Masseverbindung von Erdverbindungen wie eine Brücke, um Störströme kurzzuschließen. Ein eingekoppelter oder an den Endpunkten vorliegender Schirmstrom kann aber auch zu einem echten Problemfall werden, da kritische Längsspannungsabfälle entstehen können, die zudem über die nach innen wirkenden Leitungsimpedanzen des Schirms in das Signalkabel eingetragen werden (magn. Feldeinwirkung auf der gesamten Kabellänge). Diese Längs- und Störspannungen/Ströme treten dann zwischen den Signaladern und dem Schirm auf und können andere Komponenten stören oder sogar beschädigen. Die störende und schädigende Wirkung hängt dabei hauptsächlich von den Potentialen, der Leitungslänge, dem gestörten Umfeld, wie auch von der gesamten Installationsqualität (sprich Verkabelung) ab.

Wie verwende ich denn nun den Kabelschirm richtig?

Das kommt ganz darauf an, wie Ihre Anlage konzipiert ist. Prinzipiell empfehlen sich in der Praxis zwei Vorgehensweisen: a) den Kabelschirm an beiden Enden erden, unter der Voraussetzung, dass bereits ein niederimpedanter Potentialausgleich in allen Betriebszuständen vorliegt (klassischer Fall), oder b) den Kabelschirm nur einseitig auflegen, wenn kein niederimpedanter Potentialausgleich vorliegt, bzw. wenn starke EMV-Störfelder auf Kabel und Erdung wirken. Bei einseitigem Schirmanschluss können jedoch gefährliche Überspannungen entstehen, da kein Potentialausgleich mehr stattfindet. Somit müssen weitere, geeignete Überspannungsschutzmaßnahmen wie Schutzisolierung getroffen werden, da ansonsten angeschlossene Geräte eventuell zerstört werden können. Insbesonders beim Stecken und Lösen von Kabel- und Steckverbindungen können neben ESD auch Fehlerströme und Spannungen auf empfindliche Kontakte gelangen, die nachfolgende Schaltungen auf beiden Seiten schädigen oder zerstören können. Um derartige Installations- und Handhabungsfehler vorzubeugen, ist ein permanenter Potentialausgleich (oder ZPA) zwischen den Geräten nach den einschlägigen VDE-Regeln vorzusehen. Siehe VDE0800, VDE0100, IEC 61140:1997-11. Ideal ist die Vermaschung der Systembezugspotenialebenen (HPA und ZPA) nach DIN EN 50310(11).

Müssen bestimmte Reihenfolgen während der Inbetriebnahme eingehalten werden?

Ja. Spannungssenken sind grundsätzlich vor Spannungsquellen in Betrieb zu nehmen.Ihre Abschaltung erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Bei allen Aufbauten gilt vor der ersten Inbetriebnahme eine Maschenstromanalyse vorzunehmen, um möglichen Schäden vorzubeugen.

Wo finde ich die wichtigsten Informationen hierzu?

Bitte besorgen Sie sich die EMV-Fibel für Elektroinstallateure und Planer von Wilhelm Rudolph beim VDE-Verlag der VDE-Schriftenreihe Nr.55, ISBN 3-8007-2613-0. Das ist das Minimum!

Darf ein Kabelschirm zur Erdung herangezogen werden?

Nein, denn Schirmung ist nicht gleich Erdung. Bei der Konzipierung von geschirmten Mess- und Datenkabel gilt darauf zu achten, dass ein gutes Erdungssystem nicht nur die Grundlage einer EMV-gerechten Anlage bildet, sondern zwingend ist, um für die gesamte Stromversorgung den notwendigen Personenschutz zu gewährleisten. Es kann und darf aber nicht Aufgabe der MSR- und Datentechniker sein, sich um ein umfassendes Erdungskonzept zu kümmern, denn diese Aufgaben zählen primär zum Elektroplaner, Betriebselektiker sowie den Bau- und Stromversorgungsunternehmen.

Werden auf den digitalen E/A-Karten bereits Schutzelemente und/oder Filter verwendet?

Nein. Auf allen digitalen E/A-Karten wurden keine zusätzlichen Schutzbauteile oder Bauteile zur Entstörung vorgesehen. Je nach Dimensionierung, können Entstörbauteile ggf. nachfolgende Schaltungen beeinträchtigen oder eine Anwendung schwerwiegend behindern. Daher sind immer eigene Schutz- & Entstörmaßnahmen entsprechend ihrem, zu erwartenden Auftreten, vorzusehen bzw. zu dimensionieren. Alle Schutz.- und EMV- Entstörmaßnahmen sind vor der Karte, also außerhalb des PCs, vorzunehmen. Ein VDE-gerechter Aufbau ist selbsterklärend.

Was muss man bei Signaleingängen hinsichtlich Überspannung und Störspannung beachten?

Je nach Anwendungsbereich ist zum Schutz von digitalen Signaleingängen elektronischer Steuerungen ein üblicher Feinschutz (bsp. 24 Volt bipolare Suppressordiode) ausreichend. Ist in einer Anlage mit einer größeren Gefahr zu rechnen, sollten zusätzlich Grob- und Mittelschutzelemente einbezogen werden. Je nach Baugruppe und der zu erwartenden Störspannung, werden dann verschiedenartige Schutzelemente verwendet. Schutzelemente werden i.d.R. in Reihenklemmen angeboten und sind je nach Ausführung mit Varistoren, Gasendladungselementen, Suppressordioden, RC-Glieder oder Entstörkondensatoren bestückt. Je nach Hersteller werden diese Schutzelemente auch verschieden kombiniert angeboten. Damit Schutzelemente wirksam sind, muss für eine ausreichende, niederohmige Erdung gesorgt werden, zu der die Energie in vollem Umfang abgeleitet werden kann. Die Erdung muss nach den einschlägigen VDE-Bestimmungen erfolgen und sollte nur von Fachpersonal vorgenommen werden.

Kann man auf diese teuren Schutzelemente eventuell verzichten?

Wer sich Profi schimpft, sieht bei der Planung einer Steuerungsanlage als erstes die Schutzmechanissmen vor. Wer meint, auf einen Stör- und Spannunsschutz verzichten zu können, geht ein unkalkulierbares Risiko ein, dass im günstigsten Fall "nur" die Anlage versagt.

Gutes Beispiel für eine EMV-gerechte Kabeleinführung:
http://www.eap-elektrotechnik.de/de/verschraubungen/seiten/kabelverschraubungen_emv.php

Beispiel (einfacher Schaltplan) für eine wirksame EMK-Entstörung von Schütz-Relais (Prinzipschaltbild):
http://www.kolter.de/EMC_Relais.GIF  Siehe auch: http://www.kolter.de/Freilaufdiode.GIF

Wichtig: Um die Haltbarkeit der Relaiskontakte zu erhöhen, ist es ratsam einen 10...100 Ohm Widerstand in Serie (je nach Leistung und Spannung) in den Stromkeis des Kondensators einzufügen. Diese Entstörelemente (engl. Snubber) sind auch als fertiges Bauteil im Fachhandel erhältlich und sollten neben Schutzdioden bei induktiven Lasten (bsp. Relaisspule) grundsätzlich zum Einsatz kommen. Siehe auch: Schutzbeschaltung

Wie kommen Überspannungen zustande?

Überspannungen entstehen in den meisten Fällen durch Schalthandlungen in elektrischen Anlagen oder bei elektrostatischen Entladungen (z.bsp. Blitzeinschlag). Die Einkopplung kann kapazitiv, induktiv oder über Schleichwiderstände erfolgen. Bei der kapazitiven Einkopplung erfolgt die Übertragung über das elektrische Feld, bei der induktiven Einkopplung erfolgt sie über das magnetisch Feld, ähnlich dem Transformatorprinzip. Je steilflankiger Über- und Störspannungen auftreten, desto mehr muss dagegen unternommen werden, damit sie keinen Schaden anrichten, oder die Funktion einer Baugruppe beeinträchtigen kann.

Warum veranlassen Störimpulse unvorhersehbare Zustandsänderungen?

Verursacher von Störungen lassen sich nicht immer leicht finden. Schnell gerät eine CPU oder eine State-Machine aus dem Tritt, wenn eine Störung Einfluss auf die Schaltung ausübt. Oft sind es Softwarehänger oder Tot-Schleifen, die die Funktion einer Steuerung vollkommen lahmlegt. Vielleicht ist es nur ein seltener, klitzekleiner Nanosekundenimpuls an der Prüfvorrichtung bzw. am Sensor-Interface oder ein vorbeirauschendes Handy in der Nähe des Kabels, dass das Problem verursacht, indem es sich zur nächsten Funkrelaisstrecke einloggen will. Vielleicht ist es aber auch eine "natürliche" Funkenstrecke an einem entfernten Relais, das beim Öffnen eines Kontakts die Störung verursacht. Induktive Verbraucher wie E-Motoren haben beispielsweise die Eigenschaft, dass beim Zu- und Abschalten der Stromversorgung ein elektromagnetisches Feld mit umgekehrter Polarisation (EMK) erzeugt wird. Das kann dazu führen, dass sich am Relais-Kontakt eine Funkenstrecke mit einigen 100 Volt bis 10000 Volt bildet. Diese Funkenstrecke ist nicht nur schädlich für den Schaltkontakt (Kontaktbrand), sonderen kann auch ein weitentferntes Modul, eine Messkarte oder einen PC in einen nichtvorhersehbaren Zustand versetzen. Eine vollkommene Entstörung kann vielfältig ausfallen und hängt im wesendlichen vom Verursacher ab und wie weit sich eine Schaltung stören lässt. Hierzu wurden 1996 entsprechende Grenzwerte durch das EMVG festgelegt, wonach jeder Hersteller gewisse Mindestanforderungen erfüllen - und durch seine CE-Kennzeichnung bestätigen muss. Aber Achtung: dies bedeutet keinesfalls, dass eine CE-gekennzeichnete Baugruppe vor jeglichem Störeinfluss vollkommene Immunität besitzt.

Wer kann mir bei der Suche einer Störung weiterhelfen?

Wir leider nicht. Hierfür gibt es eigene Berufsgruppen und Spezialisten:

  • Automatisierer, Mechatroniker
  • Industrie & Schaltanlagenbauer
  • Elektrotechniker / Entstörtechniker
  • Nachrichtentechniker
  • Mess- und Regeltechniker


Kann es sein das mein PC keinen Reset erzeugt, damit Schaltzustände einer Karte beim booten rückgesetzt sind?

Ja, auch das ist möglich. Leider ist es vom Mainboard abhängig, ob der Reset-Pin auf dem Bus richtig funktioniert. Für normale Anwendungen ist es egal, ob der Reset funktioniert, da Steckkarten wie COM-Schnittstellen, IDE-Kontroller oder Graphikkarten ohnehin vom Rechner-BIOS noch vor dem booten initialisiert werden. Bei speziellen Karten kann jedoch erst die Anwendung (nachdem das Betriebssystem hochgeladen ist) eine Grundinitialisierung (sprich Erstzustand) herstellen. Somit ist die verbleibende Zeit zwischen dem Einschaltmoment und dem Anwendungsstart ein indifferenter Zustand. Möglicherweise hilft es (leider nicht immer), wenn man den PC ca. 10 Sekunden vom Stromnetz unterbricht und dann erst einschaltet bzw. bootet.

Zum Aufbau einer Testapplikation soll die ISA Karte AD12LC eingesetzt werden. Die Testapplikation erfasst über Relais und Schalter in einem kleinen Schaltschrank unterschiedliche Prozesssiganle. Alle Signale werden mit 5V (zentrales Netzteil) erfasst. Die längste Leitung hat aber eine Länge von ca. 6m. Müssen die Eingänge Schutzbeschaltet werden (evtl. Störungen durch Einstreuungen o.ä.) oder genügt die Eingangsbeschaltung der Karte?

Das Thema der Schutzbeschaltung ist sehr breit gefächert. Da sich auf der AD12LC neben den analogen Eingängen auch reine TTL-I/Os befinden (direkt über 8255 PIO verdrahtet), ist eine Schutzbeschaltung außerhalb einer Laboranwendung sehr empfehlenswert. In der Regel werden für digitale E/As bipolare TAZ-Dioden (5.1 Volt) verwendet, um kleine Störspannungen sowie ESD entgegenzuwirken. Bei besonders schweren Störungen sind zusätzlich Gasentladungs-Spannungsbegrenzer in Kombination mit VDRs und/oder RC-Gliedern vorzusehen. (Klassische Schutzbeschaltung in der Anlagentechnik). Ausgangspunkt ist hierfür aber immer ein gemeinsam vorhandenes Massepotential. Sind Potentialunterschiede und/oder Potentialfehler vorhanden, muss zusätzlich mit Optokoppler galvanisch getrennt werden. Dabei ist dann jeder Kanal einzeln zu isolieren, um Schäden am PC, der Karte und der Anlage abzuwenden. Hierzu bietet die Fa. Phoenix-Contact ein umfangreiches Sortiment an: http://www.phoenixcontact.com/de

Warum wird bei manchen Optokopplereingängen bei 4 Volt und bei anderen erst ab 6 oder 15 Volt durchgeschaltet?

Je nach Applikation, können die als Logisch "1" auszuwertenden Singnalspannungen unterschiedlich ausfallen, wenn die Signalspannung in der Nähe der Schwellspannung des Optokopplers liegt. Die unterschiedliche Durchbruchspannung unterliegt der Toleranz beim Herstellungsprozess des Optokopplers, auf den wir keinen Einfluss haben. Um einen Optokoppler stabil durchzuschalten benötigt er einen Steuerstrom von ca. 2...10 mA (je nach Type). Damit möglichst ein stabiler Schaltzustand erreicht wird, muss je nach Eingangsspannung der Vorwiderstand der Optokopplerdiode daraufhin angepasst sein. Spannung und Widerstand sind bestimmend für den Eingangsstrom und werden mit I = (U-Ud) / R berechnet. Beispielsweise sollte bei einem 24 Volt Eingang die Signalspannung nicht unter 16 Volt liegen, auch dann, wenn er bereits schon bei 4 oder 6 Volt durchschaltet.

Was bedeutet galvanische Trennung?

'Galvanisch getrennt' bedeutet, daß die so getrennten Komponenten untereinander keine elektrisch leitende Verbindung haben. Eine galvanische Trennung zum Rechner hin, gewährleistet, daß Spannungen aus dem betreffenden Bauelement nicht weiter in die Folgeschaltung eindringen können. Trennelemente sind Optokoppler und Lichtleiter, Kondensatoren oder induktive Bauelemente. Es können analoge sowie auch digitale Signale voneinander getrennt werden.

Was sind TTL-I/Os, was ist TTL?

TTL (Transistror-Transistor-Logik) sind digitale Ein-/Ausgänge, die durch fest definierte Ein- und Ausschaltspannungen charakterisiert sind (z.B. 0/5 Volt) und daher nur zur Ansteuerung einer elektronischen Schaltung verwendet werden. TTL ist ein binäres Signal, dem der logischen "1" (5V) und der logischen "0" (0V) zugeordnet werden. Die Pegel dürfen sich nur innerhalb eines bestimmten Bereiches bewegen. Spannungen außerhalb diese Bereiches sind nicht erlaubt. Für LS-TTL werden in der Regel Spannungen unterhalb von 0,7 Volt als LOW (0) und oberhalb von 3,8 Volt als HIGH (1) interpretiert. Diese Schwellwerte hängen aber im wesendlichen von der jeweils verwendeten Logik-Familie ab. Alle Werte zwischen 0,8 und 3,7 Volt werden als "indifferent" bezeichnet und haben keine zugeordneten Logikpegel mehr. Im Zweifelsfall hilft immer ein Blick in das jeweilige IC-Datenblatt.

Wie hoch ist ein TTL-Ausgang belastbar?

Das ist in erster Linie davon abhängig, welcher Portbaustein, wie verwendet wird: z.B. statisch oder dynamisch. Betrachtet man einen PPI-Baustein statisch, wäre ein NMOS-Typ 8255AC2 mit max. 2...5 mA je Port belastbar, ein CMOS µPD71C55 liefert etwa 5...10mA Laststrom (kein Kurzschlussfall). Jedoch ist der Summenstrom aller Ports entscheidend: Werden beispielsweise alle 24 Portleitungen voll belastet, darf der Summenstrom nur max. 50mA betragen. Darüber hinaus wird der Baustein zu heiss und würde zerstört. Im Zweifelsfall hilft immer ein Blick in das jeweilige IC-Datenblatt. Wird dagegen ein Standard-TTL mit Totem-Pole-Ausgang betrachtet, kann nach Spezifikaion ein Sourcestrom von 0,4mA abgeben (Output=High) oder einen Sinkstrom von 16mA aufgenommen (Output=Low) werden.

Besitzen die PCI I/O-Karten eine automatische Rückstellung bei RESET?

Nein - und das ist auch gut so! Alle unsere PCI-I/O-Karten besitzen eine eigene Power-Up RESET-Schaltung on board. Das bedeutet, dass wenn der PC eingeschaltet wird, erst einmal alle Ausgänge auf logisch NULL gesetzt werden. Diese Schaltung arbeitet unabhängig vom PC-RESET, welcher die Karte nicht zurücksetzt, da es ein Power-Up-RESET ist, der erst bei Zuschaltung der Versorgungsspannung reagiert. Dies bedeutet wiederum, dass wenn der RESET-Taster gedrückt wird, der PC zwar neu gestartet wird, jedoch die Ausgänge an der I/O-Karte so lange erhalten bleiben, bis ein neuer Wert sie mit einem gewollten write-Befehl überschreibt.

Was macht ein Schmitt-Trigger-Eingang?

Schmitt-Trigger werden heute benutzt, um entweder analoge Steuersignale in Rechteckform zu konvertieren, oder um sicherzustellen, dass digitale, verformte Übertragungssignale über lange Wegstecken wieder in TTL-gerechte Pegel überführt werden. Dabei wird ab einem bestimmten, positiven Pegelniveau das Ausgangssignal auf "1" gesetzt, und bei Rückfall unter diesem Schwellwert wieder auf "0" gesetzt (Schalthysterese). Je größer die Schalthysteresespannung ist, umso wahrscheinlicher ist es, dass Störsignale nicht das Nutzsignal beeinflussen. Ein beliebter, invertierender Schmitt-Trigger-Baustein ist beispielsweise der SN74HC14N. In der Inkrementalgebertechnik verwendet man oft Schmitt-Trigger-Bauteile mit Differenzialeingang (z.B.: AM26LS31/32), damit es nicht zu Fehlmessungen kommt.

Wozu werden Relais überhaupt benötigt?

Oft müssen im Industrieeinsatz Signale vom PC erfaßt - und Lasten geschaltet werden. Optokoppler und Relais sind robust, wirtschaftlich, und stellen eine potentialfreie Verbindung zwischen Meßtechnik und Prüfling her. Dabei ist die galvanische Trennung der Ein- und Ausgänge ein wichtiger Punkt, um den Rechner oder die Folgeschaltung vor Zerstörung zu schützen. Während die Erfassung digitaler Signale bei Spannungswerten bis 30Volt dank Optokoppler kein Problem darstellt, ist das Schalten von Strömen im Ampere-Bereich über Optokoppler i.d.R. kaum möglich (außer optokopplergetriebene Solid State Relais). Für den allgemeinen Anwendungbereich stellen Relais daher immer noch eine sinnvolle Lösung dar, zudem bei ihnen Effekte wie Wärmeentwicklung und statische Entladung nahezu keine Rolle spielen.

Ich nutze eine Relais-Karte (Modul) um über einen Kontakt eine 24 V Glühlampe mit 0,5 A zu schalten. Nach kurzer Zeit konnte die Lampe nicht mehr abgeschaltet werden und der Relaiskontakt blieb kleben. Haben Sie einen Tipp für mich?

Wahrscheinlich wird das Relais bei Ihrer Anwendung überlastet. Die Schaltleistung der kleinen 0,5 A Reed-Relais beträgt typischerweise 15 Watt, die für 1 Ampere: 20 Watt, die für 2 Ampere: 50 Watt. Aus den Angaben entnehme ich, dass eine Leistung von 24 V x 0,5 A = 12 Watt Transportiert wird. Hinzu kommt aber der Kaltwiderstand Ihrer Metallfaden-Glühlampe (im spannungslosen Zustand), der im Einschaltmoment einen Anlaufstrom um Faktor 7 niedriger ist. Bei manchen Glühfadenlampen werden sogar 20-fache Einschaltströme gemessen. Die Angaben von Glühlampen erfolgen immer als Durchschnittsverbrauch, nicht aber im Einschaltmoment! Entsprechend gross ist der Einschaltstrom in den ersten ~200...300ms bis der Glühfaden seine hochohmige Betriebstemperatur erreicht hat und den Relais-Kontakt damit überlastet. Beispiel für t0: 24V x (7 x 0,5 A) = 84 Watt. Somit ist es kein Wunder, dass das Relais bereits nach kurzer Dauer versagt. Tatsächlich benötigen Sie aber für Ihre Lampe ein Relais mit 240 Watt Schaltleistung, um einen dauerhaften Betrieb sicher zu gewährleisten.

Hinzuzufügen wäre noch der Hinweis, dass zum Ende der Lampen-Lebensdauer der Glühfaden plötzlich seinen Widerstand verändert. Dieser nimmt zum Schluss kurzzeitig sehr hohe elektrische Leistung auf und brennt i.d.R. danach mit einem kurzen Lichtbogen (Plasma) durch. Im Normalfall sieht man hierfür eine schnelle Sicherung vor, die das Relais vor solchen hohen Strömen (die einem Kurzschluss gleichen) schützt.

Zum Thema "Widerstand" siehe:
http://www.b-kainka.de/bastel69.htm
http://www.cyberpresent.de/Technik/lampen2.html

Ein ähnliches Ausfallverhalten zeigt ein Relaiskontakt bei der Ansteuerung von Gleichstrommotoren oder elektrischen Ventilen. Damit es nicht dazu kommt, kann man das Relais mit einer Dioden-Schutzschaltung und zusätzlich mit einer Strombegrenzung versehen. Unser kleines Beispiel verhindert das gefährliche Kontaktprellen (Abrissfunke) beim Ein/Ausschalten der Induktivität (Motor) und begrenzt den Schalt- bzw. Arbeitsstrom auf unter 2 Ampere. Der Widerstand R1 muss der Last angepasst sein und ist entsprechend groß zu wählen. Um trotz derartiger Kontaktbelastungen lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit zu erzielen, sind an den jeweiligen Lastfall angepaßte Schaltungsmaßnahmen zur Lichtbogenunterdrückung immer erforderlich. 

Was versteht man unter Schaltstrom bei einem Relais?

Darunter versteht man allgemein, den in einem geschlossenen Sekundärkreis fließenden Strom, der vom Relaiskontakt unter normalen Betriebsbedinungen geschaltet werden kann. Bei Halbleiterkopplern (bsp. Power-MOS Optokoppler, SSR) kann aus Gründen der Verlustleistung, resultierend aus den PN-Übergangsschichten, eine Reduzierung des Schaltstroms in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur (Derating) eintreten. Der Schaltstrom ist i.d.R. um ca. 30% kleiner, als der Transportstrom anzunehmen. Der Schaltstrom wird unter festgelegten Bedingungen immer ohne induktiven oder kapazitiven Lastanteil angegeben. In diesem Zusammenhang spricht man auch vom Schaltvermögen, d.h. der Strom, der maxmimal bei ein- und ausschalten der Kontakte fließen darf, ohne einen Schluss zu riskieren. Bei Schalten von Last gilt stehts darauf zu achten, dass die Schaltleistung nicht überschritten wird. Sie ist ausschlaggebend für die Lebensdauer. Die Schaltleistung ist das Produkt aus Schaltstrom und Schaltspannung (P=U*I). Je höher die Schaltspannung gewählt wird, desto kleiner ist der Schaltstrom.

Wie schützt man Relais?

Um Relaiskontakte zu schützen, werden zusätzlich schnelle Sicherungen und strombegrenzende Bauteile wie Längswiderstände oder Varistorren, sowie Puls-bedämpfende Bauteile wie RC-Gleider verwendet. Primärseitig werden Relais mit RC-Gliedern und Transildioden (Freilaufdiode am Spulenkreis) beschaltet. Die Bauteile sind entsprechend der vorherrschenden Spannungen und Ströme individuell durch den Errichter anzupassen.

Sollte man bei einer Gegen-EMK-Diode am Relais auch noch RC-Glieder verwenden?

Bei Abschalten induktiver Last (bsp. Relais-Spule, Magnetventil...) entsteht eine höhere Rückschlag-Schaltspannung mit umgekehrter Polarität, die den steuernden Schalttransisor zerstören kann. Daher ist es schaltungstechnisch Ratsam, eine Diode (auch EMK-Diode, Suppressordiode, Transildiode, Tranzorbdiode oder Freilaufdiode genannt) als Spannungsbegrenzung parallel zur Spule zu schalten. Die EMK-Diode schliesst die Induktionsspannung kurz und begrenzt diese auf den Wert der Durchflussspannung (typ. 0,3...0,8 Volt).  Insbesonders bei hohen Schaltströmen (bsp. Schütz-Relais) ist es sinnvoll, die zum Schutz verwendete EMK-Diode zusätzlich mit einem induktivitätsarmen RC-Glied zu beschalten. Mit dieser Maßnahme kann die zeitliche Verzögerung der EMK-Diode (Schwellspannung) unwirksam gemacht werden und auftretende Störspitzen zusätzlich bedämpfen.

Sind S.S.R.-Halbleiter-Relais grundsäzlich besser?

Ja und nein. Sicherlich besitzen Halbleiter-Relais vorzügliche Eigenschaften hinsichtlich Verwendbarkeit, EMV, Lebensdauer und Ansteuerbarkeit. In drei Punkten, sind Halbleiter-Relais jedoch den herkömmlichen, mechanischen Relais bzw. Schaltgeräten unterlegen:

1) Sichere, galvanische Trennung (bsp. Luftstrecke mit mech. Abschrankung)
2) Die Beherrschung im Kurzschlussfall mit Rückmeldung, Energievernichtung und Abschaltung
3) Keine widerstandsarme Schließung, bedingt durch Leistungsverlust im Halbleiter

Bei höheren Strömen muss auch mit einer größeren Wärmeentwicklung gerechnet werden, die entsprechend abzuführen gilt (siehe Punkt). Wer aber auf diese Eigenarten verzichten kann bzw berücksichtigt, ist mit einem Halbleiter-Relais in der Praxis bestens bedient.

Meine, zu errichtende Anlage umfasst mehrere Bereiche der industriellen Anlagen- Sensor- und Messtechnik. Haben Sie einen Tip, wie man solche Anlagen richtig im Voraus plant?

Falls Sie sich keiner Illusion hingeben wollen, hilft nur: Hinsetzen, ausarbeiten, und probieren, probieren, probieren. Einen einfachen Tip gibt es hierzu nicht. Jede Anlage hat unterschiedliche Kriterien hinsichtlich Sicherheit, Verfügbarkeit, Bedienbarkeit, Zuverlässigkeit, Wartbarkeit, Taktleistung und Qualität. Oftmals werden einige dieser Kriterien zurückgestellt um Kosten zu sparen, oder man ist sich der Bedeutung dieser Eigenschaften nicht richtig bewusst. Später muss dann teuer nachgerüstet werden. Industrie-PCs sind beispielsweise normalen Home-PCs hinsichtlich des Temperaturbereichs, der Störsicherheit und Zuverlässigkeit, überlegen. Die für Industrieanlagen geforderten Spezifikationen werden bei Home-PCs nur sehr selten erreicht. Hinzu kommt die enorme Komplexität aus verschiedenen Teilbereichen, die zu einer, funktionierenden Anlage zusammengeführt werden sollen. Das daraus abgeleitete Berufsbild ist der Mechatroniker. Digitale und analoge Sensoren mit verschiedenen Speisespannungen und Ausgängen, unterschiedliche Verbindungstechniken und deren Anpassung, Messverstärker und Messwandler mit unterschiedlicher Parametrierung hinsichtlich Auflösungsvermögen und Geschwindigkeit, sowie eine schier unendliche Liste von Dingen, müssen beachtet werden, wenn eine Anlage richtig funktionieren soll. Wie Sie sehen, ist die Projektierung von Prüf- und Industrieanlagen ein zeit- und kostenaufwendiges Unterfangen, wenn man neben der Hardware auch Leistungen wie Softwareentwicklung, Dokumentationserstellung, Fehlerfallbehandlung, Wartungsplanung, Test- und Abnahmekriterien, sowie eine hinreichende Einweisung von Personal in den Aufgabenkatalog mit einkalkuliert.

Welche Literatur würden Sie zu diesem, sehr umfangreichen Thema empfehlen?

Das Buch: Steuerung von Industrieanlagen, ISBN 3-7723-5074-7
von Peter Hannemann, Franzis Verlag GmbH, Poing 2000. Link: http://www.amazon.de/...
oder weitere Literatur, siehe: http://www.amazon.de...

Betreffend der Verknüpfung von MSR-Elektronik und Mechanik empfehle ich das Buch:
Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik von Dietmar Schmid
http://www.amazon.de/exec/obidos...



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