Verdrahtungsbeispiele

Nachfolgende Beispiele für Service USB plus stellen eine Anregung dar und sollen das Funktionsverständnis für die Ein- und Ausgänge vertiefen.

 

Schaltungen für die Digitaleingänge

An die Digitaleingänge können z.B. Schalter und Taster angeschlossen werden. Diese werden in der Regel zwischen den Digitaleingang und 5V verbunden. Bei größeren Kabellängen (über 1-2m) empfiehlt sich der Anschluss zwischen Eingang und 12V, um den Spannungsabfall im Kabel zu kompensieren und die Störfestigkeit zu erhöhen. In diesem Fall muss Service USB Plus mit der Netzspannung verbunden werden, damit die Spannung auch am 12V Ausgang zur Verfügung steht.

Verdrahtungsbeispiele

Ein offener Eingang oder ein mit 0V verbundener Eingang entspricht logisch 0. Ein mit 5V oder 12V verbundener Eingang entspricht logisch 1. Diese acht Eingänge werden in einem Byte dargestellt, welches sich aus den acht Bits 00100000 zu dem Dezimalwert 32 errechnet. Dieser Dezimalwert kann z.B. mit dem Befehl „get SERVICE input value" abgefragt werden, der in diesem Fall 32 zurückliefert.

 

Schaltungen für die Analogeingänge

Die Analogeingänge EX und EY messen Widerstände, Spannungen oder Ströme mit einer Auflösung von 4096 Schritten (12Bit). Spannungen von 0-4,095V, Stöme bis 883µA und Widerstände von 0-200kΩ können direkt gemessen werden.

 

Beispiel Widerstandsmessung

Widerstände und Widerstandssensoren, wie z.B. temperatur- oder lichtempfindliche Widerstände, werden zwischen 5V und EX oder EY angeschlossen. Der Widerstandsbereich liegt zwischen 0 und 200kΩ und ist nicht linear. Im unteren Bereich (0-20kΩ) ist die Meßauflösung am größten. Viele handelsübliche Sensoren arbeiten in diesem empfindlichen Bereich.

Verdrahtungsbeispiele

Der Widerstand berechnet sich nach folgender Formel:
R[Ω] = 23200000/D - 4640
R ist der Widerstandswert in Ohm
D ist der rückgelesene Digitalwert, wobei 0 ≤ D ≤ 4095

Mit dem Befehl „get SERVICE EX value" wird der Wert D für die Widerstandsformel ermittelt. Vielfach kommt es jedoch nicht auf den exakten Widerstandswert an, sondern nur auf die Änderung. So ergibt sich bei einem handelsüblichen lichtempfindlichen Widerstand (LDR03) im dunklen Zustand der Wert 0 und im hellen Zustand der Wert 4095.

Verdrahtungsbeispiele

Lichtempfindlicher Widerstand Typ LDR03

 

Beispiel Spannungsmessung

Die zu messende Spannung wird zwischen einem Analogeingang und 0V angelegt.

Verdrahtungsbeispiele

In diesem Beispiel wird der Ladezustand einer Batterie (1,5V Mignonzelle) überprüft.

Die interne Spannungsreferenz von Service USB plus beträgt 4,095V. Der gelesene Analogwert entspricht also exakt der angelegten Spannung in Millivolt.

Bei einer Batteriespannung von 1,5 Volt liegt der Analogwert bei 1500.

 

Eingangsspannung-Bereichserweiterung auf 10V

Der Eingangsspannungsbereich lässt sich durch einen einfachen Widerstand erweitern, der in Reihe geschaltet wird.

Verdrahtungsbeispiele

Durch den internen Widerstand des Service USB von Nominell 4,7kΩ (4,64kΩ exakt) ergibt sich mit dem 6,8kΩ Widerstand ein Spannungsteiler. Die gemessene Spannung errechnet sich nach der Formel:

U[V] = D/405,68

 

Beispiel Strommessung

Der Strommessbereich liegt zwischen 200nA und 0,9mA. Der Strom fließt vom Analogeingang zur 0V Buchse durch den 4,7kΩ Eingangswiderstand.

Verdrahtungsbeispiele

Der Strom berechnet sich nach der Formel: I [A] = D/4640000

 

Strommessung bis 1Ampere

Durch Parallelschalten eines Widerstandes kann der Eingangsbereich erweitert werden. Nachfolgendes Beispiel erlaubt Strommessungen bis 1A.

Verdrahtungsbeispiele

Der Strom teilt sich hierbei zwischen dem Eingang und dem parallelen Widerstand auf. Der 3,9Ω Widerstand muss eine Verlustleistung von 5Watt aushalten. Preisgünstige Drahtwiderstände erfüllen diesen Zweck.

Der Strom berechnet sich nach der Formel: I [A] = D/3896

 

Genauigkeit der Analogeingänge

Die Messgenauigkeit setzt sich aus der Genauigkeit der Referenzspannung, des Widerstandsnetzwerks im Eingang und der A/D-Wandlung zusammen. Die Referenzspannung hat eine Genauigkeit von 0,1%. Das Widerstandsnetzwerk im Eingang hat eine Genauigkeit von 1%. Der A/D Wandler weist eine Genauigkeit von ±2LSB auf.

Bei reinen Spannungsmessungen hat der Eingangswiderstand keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Die Grundgenauigkeit bei Spannungsmessungen im Bereich 0V bis 4,095V liegt bei 0,15% = 6LSB.

Bei Widerstandmessungen, Strommessungen und bei der Erweiterung des Eingangsspannungsbereiches ist die Genauigkeit des Eingangswiderstandes zu berücksichtigen.

Namentlich bei Widerstandsmessungen liegt der zu messende Widerstand zwischen 5V und dem Analogeingang. Die 5V sind direkt dem USB entnommen und liegen gemäß USB Spezifikation zwischen 4,75V und 5,25V. Bei Bus-Powered-Hubs, also Hubs ohne externes Netzteil kann die Spannung auf 4,4V absinken.

Die Formel zur Widerstandsberechnung geht von einer 5,00V USB Spannung aus. Sollen Widerstandsmessungen mit hoher absoluter Genauigkeit durchgeführt werden, ist zuvor mit einem Multimeter die Referenzspannung zu messen. Diese liegt zwischen 0V und 5V an den Ausgangsklemmen an.
Ist eine derartige Messung nicht möglich, kann für Widerstandsmessungen eine Genauigkeit von 5% angenommen werden.

 

Schaltungen für die Digitalausgänge

Relais und Lampen werden direkt zwischen 0V und einem Ausgang angeschlossen. Eine Vielzahl von Motoren, Relais und Lampen sind direkt anschließbar. Sollen Verbraucher mit Netzspannung geschaltet werden, so kommen Relais zum Einsatz.

Verdrahtungsbeispiele

Anschluss von Motor, Relais und Lampe an Service USB Plus

 

Gleichstrommotoren

Zum Anschluß kommen Motoren mit 12V und einer maximalen Leistung von 15 Watt. Dies entspricht einer Stromaufnahme von 1,3A. Die Motoren können in Ihrer Drehzahl und Leistung über Pulsbreitenmodulation geregelt werden. Ein Beispiel zur Geschwindigkeitsregelung befindet sich im Ordner XCode unter dem Namen „Pulsbreite".

Zum Betrieb von Motoren gibt es verschiedene Schaltungstechniken:

Verdrahtungsbeispiele

Anschluss von vier Motoren an Service USB Plus

Je zwei Ausgänge werden an einen Motor angeschlossen. Vorteil: Jeder Motor kann unabhängig von den anderen Motoren geregelt werden. Nachteil: Nur vier Motoren sind betreibbar.

 

Verdrahtungsbeispiele

Anschluss von acht Motoren an Service USB Plus

Je ein Ausgang wird an einen Pol eines Motors angeschlossen. Alle anderen Pole der Motoren werden zusammen an 0V angeschlossen. Vorteil: Es sind acht Motoren gleichzeitig betreibbar. Nachteil: Die Motoren können die Drehrichtung nicht wechseln.

 

 

Verdrahtungsbeispiele

Anschluss von sieben Motoren an Service USB Plus

Je ein Ausgang wird an einen Pol eines Motors angeschlossen. Alle anderen Pole der Motoren werden zusammen an A7 angeschlossen.
Vorteil: Es können sieben Motoren mit wechselnder Drehrichtung betrieben werden.
Nachteil: Die Motoren können nicht gleichzeitig mit verschiedenen Drehrichtungen betrieben werden.

 

Schrittmotoren

Am Einfachsten ist der Verwendung eines 12V Schrittmotors mit vier Anschlußleitungen und einer maximalen Stromaufnahme von 0,6A pro Wicklung.
Liegt die Betriebsspannung des Motors über 12V, so kann der Motor grundsätzlich betrieben werden. Er erreicht dann nicht seine volle Leistung. Motoren mit 24V können also bei verringerter Leistung betrieben werden.

Liegt die Betriebsspannung des Motors unter 12V, so erwärmt sich der Motor zu stark. Bei kurzfristigem Betrieb von einigen Minuten kann ein 10V Motor problemlos betrieben werden, sofern ausreichende Kühlpausen eingehalten werden. Durch den Einsatz der Pulsbreitenmodulation können auch Motoren mit geringerer Spannung angeschlossen werden. So ist der Betrieb eines 6V Motors bei 50% Pulsbreitenmodulation problemlos möglich.

Sind nur die Stromaufnahme und der Widerstand des Motors bekannt, so hilft das Ohmsche Gesetzt weiter: U = R * I

Durch Multiplikation von Stromaufnahme und Widerstand wird die Spannung berechnet. Liegt diese über 12V, so ist der Betrieb unter Leistungseinbußen möglich. Liegt diese unter 12V, so kommt Pulsbreitenmodulation in Frage. Natürlich kann beides nicht überstrapaziert werden. Aber im Bereich von 4-24V können ist eigentlich jeder Motor anschließbar.

Mit Service USB ist der Betrieb im Vollschritt oder im Halbschritt möglich. Beim Vollschritt ist immer nur eine Windung vom Strom durchflossen. Beim Halbschritt sind während der Halbschrittphase beide Windungen vom Strom durchflossen, wodurch sich die gesamte Stromaufnahme kurzfristig verdoppelt. Die Digitalausgänge zusammen liefern maximal 1,3A, entweder an einem Ausgang oder aufgeteilt durch mehrere Ausgänge.
Soll der Motor nur im Vollschritt betrieben werden, so kann der maximale Strom pro Wicklung 1,3A betragen. Bei Halbschritt halbiert sich der maximal mögliche Strom auf ca. 0,6A pro Wicklung.

Beispiel: Der Hersteller gibt einen Strom pro Wicklung von 1,1 A und einen Widerstand pro Wicklung von 8,8Ω an.

U = R * I = 8,8Ω * 1,1A = 9,7V

Die Spannung liegt etwas unter 12V, wodurch ein kurzfristiger Betrieb mit ausreichend Kühlpausen direkt möglich ist und ein dauerbetrieb mit Pulsbreitenmodulation.

9,7V sind 80% von 12V. Die Pulsbreitenmodulation sollte also auf 80% eingeschaltet werden.

Die Anschlußbelegung des Schrittmotors ist im Datenblatt des Herstellers angegeben. Ein Schrittmotor hat in der Regel zwei Wicklungen, die abwechselnd angesteuert werden:

Verdrahtungsbeispiele

Anschluss eines Schrittmotors an Service USB Plus

Jeder Schrittmotor wird immer über vier Leitungen angesteuert.

Bei Motoren mit sechs Leitungen sind die Mittenanzapfungen der Wicklungen herausgeführt. Diese werden hier nicht benötigt und bleiben unbeschaltet.

Bei Schrittmotoren mit acht Leitungen sind statt der Mittenanzapfung zwei Teilwicklungen pro Wicklung herausgeführt. Diese werden je nach Anforderung parallel oder in Reihe geschaltet, um auf die benötigten zwei Adernpaare zu kommen.

Ist die Zugehörigkeit der Schrittmotorleitungen unklar, so ist mit einem Durchgangsprüfer zu messen, welche Adernpaare zusammen gehören.

Bei Schrittmotoren mit sechs Leitungen hilft nur ein Ohmmeter, um die Mittenanzapfung auszusortieren. Bei acht Leitungen Datenblatt des Herstellers oder viel Geduld beim Ausprobieren, um auf die Essenz von vier Leitungen für den bipolaren Betrieb zu kommen.

Sind die zugehörigen Adernpaare identifiziert, werden diese direkt an Service USB Plus angeschlossen:
Das erste Adernpaar ist mit Out0/Out1 zu verbinden.
Das zweite Adernpaar ist mit Out2/Out3 zu verbinden.
Welches das erste oder das zweite Adernpaar ist, spielt zunächst keine Rolle.

Das Programm „Schrittmotor" aus dem gleichnamigen Ordner hilft bei den ersten Versuchen, einen Schrittmotor richtig anzuschließen. Es erlaubt das Drehen im Voll- und Halbschritt sowie die Pulsbreitenmodulation für Motoren unter 12V.

Zunächst sollte die Anzahl der Umdrehungen pro Minute auf 10 oder weniger gestellt werden. Dann das Programm starten, Dauerdrehen ankreuzen und mit den Fingern an der Achse fühlen, ob sich der Motor gleichmäßig in die angegebene Richtung dreht.

Dreht sich der Motor falsch herum, so ist ein Adernpaar in sich zu vertauschen. Z.B. Out0 mit Out1.

Während der ersten Versuch regelmäßig die Motortemperatur mit der Hand fühlen. Eine leichte Erwärmung ist normal. Wird der Motor so heiß, dass er nicht mehr berührt werden kann, sollte Pulsbreitenmodulation eingeschaltet oder die Ruhephasen vergrößert werden.