Die Elektronik – Arbeitsgemeinschaft

der Theodor-Heuss-Realschule

Lörrach 2007

stellt vor

Bau eines Ein- und Ausgabeinterfaces

Inhaltsverzeichnis:

1. Die Schaltung

2. Die Bauteile

3. Fehler und Ursachen

Die Schaltung

1. die Ausgabeschaltung

2. die Eingabeschaltung

In der Schaltung werden andere Widerstandswerte benutzt.

Diese Schaltung wird 8fach zusammengelötet.

Bitte beachten:

Relais

Optokoppler Transistor

z.B.D0 ; Pin 2 PC

Pin 19 Masse PC

LedDiode

Sobald am PC über die Programmiersprache Visual Basic for Applications (VBA) in Excel der Port 888 angesprochen wird (Befehl Out 888, 1), wird die erste Datenleitung D0 auf +5V gesetzt. Dadurch leuchtet die Sendediode im Optokoppler. Der Widerstandswert des Fototransistors wird kleiner. Deshalb kann im Steuerkreis des Transistors Strom fließen. Der Transistor steuert durch und es fließt Strom durch Leuchtdiode ( Led ) und Relais. Parallel zum Relais ist eine Sperrdiode im Stromkreislauf integriert, die Bauteile vor hoher Induktionsspannung schützt.

Die parallele Schnittstelle besitzt acht Datenleitungen (D0 – D7), die angesprochen werden können. Die Leitung die auf +5V gesetzt werden soll, wird durch den Wert der Variable hinter dem Komma des Befehls Out(888, Variable) bestimmt. Wenn 1 übergeben wird leuchtet die erste Diode, bei 2 die zweite LED, bei 4 die dritte LED, bei 8 die vierte u.s.w.. Es können auch mehrere Leitungen gleichzeitig eingeschaltet werden, indem man die Summe der einzelnen Werte übergibt. Z.B. man möchte die erste und die zweite LED einschalten:

Werte: Erste LED: 1 Zweite LED: 2 Auszugebender Wert: 3 out 888,3

D0 D3

D4 D7Masse für Eingänge

EingängePin 19 PC

Relais

DiodenWiderstände

Transistoren

Optokoppler

Leds

Gleichrichter

Kondensator

Layout

Pin 2Pin 3

Pin 4

Pin 5

Pin 6

Pin 7

Pin 8

Pin 9

Pin 10

Pin 11

Pin 12

Pin 17

Pin 19 Widerstände

Optokoppler

Transistoren

Relais

Diode

Led

Die EingabeschaltungAls Eingänge werden die Pins 10, 11 und 12 der Schnittstelle benutzt. Diese werden über 10 kΩ auf Masse gezogen.

Pin 17

Pin 12

Pin 11

Pin 10

Pin 19

Eingang 2 mit Lötstiften als Anschluss

Minuspol

Pluspol 5Volt

Die Anschlüsse Pin 10, Pin 11 und Pin 12 gehören zum Statusregister der Schnittstelle und haben die Adresse 889.

Mit dem Befehl inp(889) können sie abgefragt werden. Dazu müssen die Pins einzeln oder gleichzeitig mit der Masse ( Pin 19) verbunden werden. Dazu kann ein Kabel, ein Schalter oder auch ein Ldr benutzt werden. Mit der Verbindung ändert sich die Belegung des Statusregisters.

Ein kleines Programm:

Sub abfragen()

Dim a as integer

a=inp(889)

Debug.print a

End Sub

Pin 17

Pin 12

Pin 11

Pin 10

Pin 19

Und so geht’s!

Kabel

Schalter

Während des Betätigens des Schalters muss das Programm laufen.

Die Bauteile

1. Der Optokoppler

2. Die Leds

3. Die Widerstände

4. Der Transistor

5. Das Relais

6. Die Halbleiterdiode

7. Der Gleichrichter

Der Optokoppler

Schalteichen : Bild:Sendediode

FototransistorPin 1

Markierung weist auf Pin 1

Pin 2 Pin 4

Pin 5Pin 8

Durch die Sendediode fließen ca. 5 mA. Diese Stromstärke reicht für die Ansteuerung des Fototransistors aus.

Unser Optokoppler heißt PC 847 . Er besitzt vier einzelne Koppler. Für die acht Datenleitungen haben wir insgesamt zwei eingesetzt.

Der PC 847 Optokoppler ( von oben gesehen ; Schriftseite )

Pin 1Pin 8

Pin 9Pin 16

Der Optokoppler besteht aus einer Sende-diode und einem Fototransistor. Sobald Strom durch die Sendediode fließt, leuchtet sie und der Widerstandswert des Fototransistors wird kleiner. Der Optokoppler hat die Funktion, dass der Stromkreislauf des PCs vom Stromkreislauf des Interfaces galvanisch getrennt ist. D.h. es besteht keine leitende Verbindung zwischen PC und Interface. Deshalb kann der PC keinen Schaden wegen des Interfaces erleiden.

Die Leds

Anode

Kathode

Kathode -

Anode +

Die Leuchtdioden haben Diodeneigenschaft und leuchten, wenn ein geringer Strom von ca. 10 mA durchfließt . Sie zeigen in unserer Schaltung den Betriebszustand der einzelnen Relais ( Transistoren ) an. Diese Information ist beim Einsatz des Interfaces wichtig.

Led leuchtet Relais zieht an

Led leuchtet nicht Relais zieht nicht an

Die Widerstände

Schaltzeichen

Wir nutzen das Verhalten der Widerstände in der Reihenschaltung.

In unserer Schaltung sind Widerstände mit folgenden Bauteilen in Reihe geschalten:

mit der Sendediode des Optokopplers

mit dem Phototransistor und der Basis-Emitter-Diode des Transistors.

mit der Led

mit dem Relais

In jedem Fall soll der Widerstand die Spannung des Netzteiles/ PC - Spannung so aufteilen, dass kein Bauteil zerstört wird . Des weiteren soll die Stromstärke für jedes Bauteil hinreichend begrenzt werden.

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, das zum Schalten und zum Verstärken von elektrischen Strömen und Spannungen verwendet wird.

Schaltzeichen

Emitter

Basis

Kollektor

Zwischen Emitter und Kollektor ist ein unendlich großer Widerstand. Legt man aber eine kleine Spannung an Basis und Emitter an, wird der Widerstand aufgehoben und es kann Strom von Emitter über Kollektor fließen.

ArbeitskreiskreisSteuerkreis

Transistoreffekt:

Ohne Steuerstrom kein Arbeitsstrom!

Taschenlampe belichtet Ldr.

Schutzwiderstand 2,2 kΩ

3,8 V / 0,07 A

3,8 VKollektor

Emitter

Basis

Wir benutzten den BC 547 Bein npn – Transistor.

Dieser hält im Arbeitskreis einen maximalen Strom der Stärke 100 mA aus. Durch die Led fließen 20 mA und durch die Relaisspule 60 mA. So wird der Transistor nicht überlastet.

Pinbelegung:

Emitter

Kollektor

Basis

Das Relais

Unser Relais ist ein durch elektrischer Strom betriebener elektromagnetischer Schalter mit einem Umschalter. Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten. Das Relais kann eine größere Leistung schalten als der BC 547 B.

Die Halbleiterdiode

Die Diode ist ein Halbleiter-Bauelement mit zwei Anschlüssen, das eine nichtlineare Kennlinie im Strom-Spannungs-Diagramm besitzt. Meist ist diese Kennlinie bei positiven und negativen Spannungen zusätzlich auch stark unsymmetrisch. Solche Dioden gestatten den Stromfluss oft nur in einer Richtung – bei entgegengesetzt an ihren Anschlüssen gepolter Spannung verhalten sie sich unterhalb der Durchbruchspannung wie ein Isolator. Dadurch kommt es zur Gleichrichtung von Wechselspannung, da der Strom die Diode nur in einer Richtung passieren kann. Das mechanische Analogon ist ein Rückschlagventil, dieses erlaubt statt dem Elektronenstrom einen Massestrom in nur eine Richtung.

Kathode

Der Gleichrichter

Gleichrichter werden in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Sie sind eine Untergruppe der Stromrichter zu der noch die Wechselrichter und die Umrichter gehören.

Der Gleichrichter macht aus Wechselstrom pulsierenden Gleichstrom. Dieser Strom ist für unser Relais nicht zu gebrauchen. Wir benötigen einen geglätteten Gleichstrom. Dafür sorgt der Glättungskondensator.

Kondensator und Gleichrichter.

Fehler und ihre UrsachenNach der Fertigung der Platine wird sie getestet. Jetzt schlägt die Stunde der Wahrheit. Unzulänglichkeiten werden offenbar.

Worauf muss man besonders achten, um sich Nerven raubendes Suchen ersparen zu können?

Wichtig!!!

Zeit nehmen und nicht schon vor der Arbeit fertig sein wollen!

Sehr sorgfältig arbeiten und alle gerade kleine Maße beachten.

Die Schaltung kennen und Bauteile richtig platzieren.

Führe den ersten Test ohne PC durch. Die 5 V + des PCs kannst du mit einer Flachbatterie 4,5 V auch anlegen. Sonst könnte die Schnittstelle des PCs schnell zerstört sein.

Erst ohne PC testen.

4,5 V

Erkennst du den Fehler?

Keine Led leuchtet, kein Relais zieht an, obwohl die Sendediode und das Netzteil angeschlossen sind.

Einige Leds leuchten, einige Relais ziehen an, manche aber auch nicht.

Keine Led leuchtet, kein Relais zieht an, obwohl die Sendediode und das Netzteil angeschlossen waren.

Manche Leds leuchten unabhängig vom Optokoppler dauernd.

Lösung 1:

Lösung 2:

Lösung 3:

Lösung 4:

1.

2.

3.

4.

Alle Leds leuchten ordnungsgemäß. Manche Relais reagieren aber überhaupt nicht.

Allgemeines

Lösung 5:

Lösung 6:

5.

6.

Die schnellsten Schüler waren zuerst enttäuscht. Die Schaltung funktionierte überhaupt nicht. Keine Led leuchtete, kein Relais reagierte.

Es wurden pnp - Transistoren benutzt.

Unsere Schaltung benötigt aber npn - Transistoren.

Schlechte Lötstellen verhindern die Funktion, weil notwendige elektrische Verbindungen fehlen.

Zu Fehler 1.

Zu Fehler 2.

Nach dem Wechsel der Transistoren funktionierten einige Leds, einige aber auch nicht. Auch das Schalten der Relais konnte nicht gehört werden. Gründe dafür gibt es genug, doch wo liegen sie? Sie können im Sendekreis oder im anschließenden Empfangskreis des Optokopplers liegen.

Die IC - Sockel wurden nicht sorgfältig befestigt.

Die beiden Reihen der Bohrungen waren zu weit auseinander, so dass die Pins des Sockels zu kurz waren. Sie mussten deshalb verlängert werden.

Zu Fehler 3.

Die Anschlüsse der Sendediode wurden beim Löten verbunden.

Sind Anode und Kathode der Sendediode verbunden, so wird diese überbrückt. Es kann kein Strom durch die Sendediode fließen. Sie leuchtet nie und der Phototransistor sperrt wie der folgende Transistor BC 547 auch. Keine Led leuchtet, kein Relais zieht an.

Die Lötstelle muss verbessert werden. Mit einer Lötpumpe entlöten und anschließend neu löten.

Zu Fehler 4.

Überraschenderweise leuchteten die Leds dauernd. Auch dann wenn die Sendediode nicht an 4,5 V angeschlossen war. Der jeweilige Transistor schaltet dann ständig durch. Der Phototransistor im Optokoppler kann also seine Aufgabe nicht erfüllen. Das kann nur daran liegen, dass Kollektor und Emitter des Phototransistors überbrückt wurden. Durch die leitende Verbindung fließt ständig Strom im Steuerkreis des Transistors, der dann ständig durchschaltet. .

Lötfehler lassen den Tester manchmal verzweifeln.

Was nun? Die Led reagiert, das Relais aber nicht! Es bekommt seinen notwendigen Strom von 60 mA nicht. Dies verhindert die falsch angeschlossene Diode. Der Arbeitsstrom fließt an der Relaisspule vorbei.

Anode und Kathode der Diode wurden vertauscht und deshalb falsch angeschlossen.

Zu Fehler 5.

Wenn schlecht gelötet wird, können die Bauteile wegen fehlender elektrischer Verbindung ihre Aufgaben nicht erfüllen. Das Suchen verlangt viel Zeit und Geduld.

Die Dioden müssen aus- und richtig herum wieder eingelötet werden. Der graue Ring ist der Kathodenanschluss.

Zu Fehler 6.

Es wurden bisher einige Fehlerquellen für enttäuschte Gesichter genannt. Es gibt natürlich noch andere. So muss die Platine funktionssicher geätzt worden sein. Weisen Leiterbahnen Unterbrechungen auf, so kann das Gerät hinterher nicht funktionieren. Mit dem Ohmmeter kontrollieren.

Nach dem Ätzen und Reinigen der Platine müssen die Leiterbahnen auf Durchgang überprüft werden.

Getrennt laufende Leiterbahnen dürfen keine leitenden Verbindungen aufweisen.

Preislich günstige Bauteile haben oft minderwertige Qualität. Vor dem Einlöten sollten diese mit entsprechendem Experiment kontrolliert werden.