Verständnisfrage Abblockkondensatoren und Spulen

[franzlst]

Moin,

nachdem das glaub ich die Ursache für Resets meines µC ist, hab ich mich jetzt in Abblockkondensatoren und Spulen eingelesen. Zwar kommt von der Schule her schon einiges, (Physik LK 12. Klasse), jedoch wird hier halt meist nur die Theorie besprochen, wo das in der praktischen Anwendung kommt, wird oft verschwiegen. Jetzt würde ich gerne wissen, ob ich das alles so richtig verstanden habe und noch ein paar Fragen klären:

ICs sind getaktet, ziehen also den Strom in Intervallen. Dadurch sind Strom und Spannung nicht glatt, sondern haben unschöne stärkere Schwankungen. Hier tauchen schonmal 2 Fragen auf:
1. Ist dieser Takt die Quarzfrequenz, wie zB 16MHz?
2. Bei µC verstehe ich diese Taktung, schließlich werden die Befehle ja in eben dem Takt ausgeführt. Haben aber dalle ICs die Taktung? Weil zB Motortreibung haben ja so einen Quarz mE nicht.

Um die Schwankungen zu dämpfen, werden nun Kondensatoren eingesetzt, die als Energiespeicher dienen und bei zu niedriger Spannung dieses "Tal" zumindest zum Teil kompensieren, bzw bei zu hoher Spannung die überschüssige Enerie aufnehmen. Hierzu nimmt man Elkos, da diese eine besonders hohe Kapazität haben.
3. Wozu werden aber noch Kelkos oder Folienkondensatoren parallel geschalten?

Um zu verhindern, dass ein zu hoher Strom in ein Bauteil fließt, wird eine in den Stromkreis eingebaut, da diese einen schellen Stromanstieg verhindert (Selbstinduktion).
4. Wo ist so eine Spule überall sinnvoll und welche Induktivität sollte diese haben (spielt der Widerstand eine große Rolle)?

Auch bei Motoren können beim Anlaufen, Richtungwechsel, Bremsen hohe Ströme fließen.
5. Hier soll irgendwie die Zuleitung um einen Ferritkern gewickelt werden? Was hat es da genau aufsich (ist wohl auch eine Spule)?

Wäre cool, wenn ihr mein Wissen komplettieren könntet :)

Danke

Franz

[kalledom]

Mit den Elkos liegst Du schon ganz richtig, sie 'glätten'.
Die Kondensatoren sollen Spitzen / Spikes abfangen bzw. abschwächen, damit die nicht über die Spannungsversorgung zu den anderen Bausteinen gelangen.
Spannungs-Einbrüche entstehen durch ständig geschaltete Leistungen (z.B. bei PWM-Betrieb eines Motors) oder aber beim schnellen Umschalten von Gegentakt-Ausgängen der Bausteine; der eine Transistor fängt an zu leiten während der andere noch nicht sperrt. Da kommen sich Plus und GND 'recht nahe'. Das gibt Spannungseinbrüche und in Verbindung mit Leiterbahnen, die auch als Kapazität und Induktivität wirken, diese Spikes.
Deswegen ist die Leiterbahn-Verlegung genau so wichtig wie die richtige Anordnung von Kondensatoren und Elkos / Tantals.
Ferritkerne sind zum 'Abblocken' von hohen Frequenzen und Spikes mit steilen Flanken.
Die SchaltNetzTeil-Spezis können da etwas mehr zu sagen, weil in derartigen Netzteilen hohe Frequenzen und hohe Leistungen / Ströme zu verarbeiten sind.

[ogni42]

Noch eine kleine Ergänzung zum von kalledom Gesagten:

Die Kerkos werden verwendet, um die Schaltsignale der ICs von der Betriebsspannung abzublocken. Sie sind deswegen möglichst dicht an den Spannungsversorgungseingängen der einzelnen ICs angebracht.

Kerkos nimmt man deswegen, weil sie einen sehr geringen Innenwiderstand haben und damit kurzzeitig (wegen der kleinen Kapazität) einen hohen Strom liefern können.

[ranke]

1. Ist dieser Takt die Quarzfrequenz, wie zB 16MHz?


Das ist ein Frequenzgemisch, wichtig ist, dass auch Frequenzanteile wesentlich höherer Frequenz vorhanden sind. Die Schaltvorgänge in MCs sind sehr steilflankig, also rechteckig, nicht sinusförmig. Dadurch entstehen entsprechend viele Anteile von höheren Frequenzen, weit über 100 MHz, selbst bei sehr niederfrequenten Schaltvorgängen.
Das beantwortet vermutlich auch Frage 2. Ein einzelner (rechteckiger) Schaltimpuls hat hochfrequente Anteile. Bei den hohen Frequenzen spielt schon die Induktivität eines Stückchens Leiterbahn eine Rolle, so ist auch der Hinweis von kalledom auf kurze Leiterbahnen zu verstehen.

Zu 3.: Elkos haben bauartbedingt eine relativ hohe Induktivität in der Zuleitung. Das stört bei hohen Frequenzen, weil die hohe Kapazität des Elkos quasi von einer Drossel aus Zuleitungskapazität abgeblockt ist. Keramische oder Folienkondensatoren haben ein besseres Hochfrequenzverhalten, trotz (nicht "wegen", wie ogni42 schreibt) der geringeren Nennkapazität ist bei hohen Frequenzen der Wechselstromwiderstand geringer.

Zu Spulen (oder in diesem Fall: Drosseln):
Es besteht die grundsätzliche Gefahr, dass bei Zusammenschaltung von Kondensatoren und Spulen Schwingkreise entstehen. Das kann sogar zu Spannungsüberhöhungen führen, die Sache also verschlimmbessern. Eine entsprechende Dämpfung wäre vorzusehen (z.B. durch parallelgeschalteten, niederohmigen Widerstand).
Einige Richtlinien zum Aufbau findet man z.B. hier (leider englisch), dort ist auch der Einsatz von Drosseln diskutiert:
http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1619.pdf

Motoren verhalten sich beim Schalten ähnlich wie eine Drossel. Im Wiki gibt es inzwischen einen Beitrag zur Entstörung von Motoren.

[Leverator]

@kalledom:
beim schnellen Umschalten von Gegentakt-Ausgängen der Bausteine; der eine Transistor fängt an zu leiten während der andere noch nicht sperrt. Da kommen sich Plus und GND 'recht nahe'.
Das ist doch mal eine Nette Umschreibung. Genau das Gleiche ist mir letzte Woche passiert, als ich meinen Schrittmotortreiber aus versehen mit einigen etlichen kHz getaktet hatte. Da sind sich GND und Plus derart nahe gekommen, daß eine heiße Liebe entstand, die - wie oft bei heißen Lieben üblich - in Rauch auf ging. In mein Notitzbuch habe ich mir mit einem großen, roten Stift 5x aufgeschrieben: "Nein, ich darf keine Brückenendstufe mit 200kHz takten." :)

@franzlst: Warum probierst Du nicht einfach mal, die Antwort auf Frage 1 selber zu finden. Frage Deinen Physik-Lehrer mal, ob er Dir ein Oszilloskop (Oskar), einen 0.1Ohm Widerstand und einen Netztrafo geben kann. Dann kannst Du Deine Test-Schaltung mal ausprobieren und mit dem Oskar schaun, was für Ströme denn so fließen. Ja, Dein Lehrer hat Recht: Man kann mit dem Oskar keine Ströme direkt messen. Aber dazu ist ja der 0.1 Ohm Widerstand da. Du lötest den an einen alleinstehenden Pin eines IC-Sockels und steckst in den Sockel das Vcc-Beinchen des uCers. Die andere Seite natürlich nach +Vcc. Parallel zu dem Widerstand kannst Du nun mit dem Oscar die Spannung messen und auf den Stromfluss schliessen (I=U/R). Im 2. Oskar-Kanal lässt Du Dir den Takt anzeigen. Jetzt vergleichst Du die beiden Signale miteinander und kannst feststellen, wie die miteinander zusammenhängen. Jetzt das Ganze mal mit einem Kondensator und lass Dir dann auch mal die Lade- und Entladeströme anzeigen (dazu brauchst Du jedoch einen weiteren 0.1 Ohm Widerstand). Die Ergebnisse sind bestimmt interessant und einen Vortrag im Physik-LK wert, was Dir zu einer noch besseren Note helfen könnte und Du musst keinen Vortrag über irgend einen völlig uninteressanten Sch^B^B^BKram halten. :)

Zu Frage 2: Siehe oben. Ansonsten können nur ICs der Taktung unterliegen, wenn sie entweder den Takt auch bekommen, oder entsprechend in dem Takt angesteuert werden. Bei Motortreibern bspw. ist das eher nicht der Fall, weil ein Programm entscheidet, wann und wie geschaltet werden muss => Frequenz ist völlig unabhängig.

Zu Frage 3: Kelkos und Folienkondensatoren werden zusätzlich verwendet, weil die großen Elkos nicht nur Kapazitäten sind, sondern dadurch daß die beiden Potentialplatten (meist Alu-Folie) und das Dielektrikum gewickelt sind entstehen Induktivitäten, die der Kapazität entgegen wirken und daher die Ausgleichspitzen nicht komplett dämpfen können (~Trägheit).

Zu Frage 4: Induktivitäten verbaust Du überall dort, wo die Leitungen Störquellen ausgeliefert sind. Die Ferritkerne, die man bspw. bei den Signalanschlusleitungen von Monitoren findet, sollen eben diesen Dreck von den Leitungen wegfiltern. Auf einem Schaltungsboard macht man das auch, damit eben Stromspitzen von uC nicht ewig auf dem Board weiterlaufen können und damit andere Bauteile stören. => Bock auf ausprobieren?

Zu Frage 5: Bei Motoren ist das nur sinnvoll, wenn diese über Phasenanschnittsteuerungen, PWM oder ähnliches gesteuert werden sollen. Das wird aber nicht gemacht, damit der Motor besser läuft, wenn der 'Dreck' von der Leitung ist, sondern damit keine EMV-Emmision bspw. die Rundfunksender stört. Schliesslich wirkt jedes Kabel, jede Leitung wie eine Antenne. Sowas kann sich aufschaukeln und dann wirklich kilometerweit strahlen. Und eben das Aufschaukeln kann man damit effektiv verhindern. Die Störfrequenzen entstehen einmal im Motor und einmal in dem Leistungstreiber (Phasenanschnitt).

Und? Wissen komplettiert? :)

Gruß, Lev

[franzlst]

Vielen Dank für die ausführlichen Antworten.

Mein Wissen ist aber sicher nicht komplettiert, ist es ja zum Glück nie, aber dafür bereichert :)

Die Formel für den Wechselstromwiderstandes eines Kondensators hab ich schon gelernt X = 1/[Winkelgeschwindigkeit]*C). Laut Lehrer bezeichnet man Wechselstrom nur so, wenn es auch sein Vorzeichen ändert. Bei Spannungs/Stromschwankungen ändert sich aber ja kein Vorzeichen. Gilt die Formel trotzdem?


Es besteht die grundsätzliche Gefahr, dass bei Zusammenschaltung von Kondensatoren und Spulen Schwingkreise entstehen. Das kann sogar zu Spannungsüberhöhungen führen
Das wäre ja denke ich dann ein Parallelresonanzkreis. Kommt es bei dem aber nicht zu Stromerhöhungen und nicht Spannungserhöhungen?


Eine entsprechende Dämpfung wäre vorzusehen (z.B. durch parallelgeschalteten, niederohmigen Widerstand)
Parallel zur Spule? Hebt der Widerstand dann nicht den Drosseleffekt auf (der Strom kann ja über den Widerstand die Spule "umgehen").

Ist mit dem Artikel im Wiki dieser Absatz gemeint?
https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Getriebemotoren_Ansteuerung#Und_nie_vergessen_Moto ren_zu_entst.C3.B6ren

@Leverator
Wenn ich mal wieder zu viel Zeit hab kann ich das mal machen :)
Für den Vortrag ist es schon zu spät, "durfte" bereits einen zum Parallelresonanzkreis halten ^^
Aber vllt raff ich irgendwann mal ein bisschen Geld zusammen und ersteigere mir bei Ebay einene günstigen "Oskar", dann kann ich das auch machen, wenn ich wirklich Zeit hab (Nachts :) )


Bei Motortreibern bspw. ist das eher nicht der Fall
Außer ich steuere nicht nur die Richtung sondern auch die Geschwindigkeit per PWM?


Auf einem Schaltungsboard macht man das auch, damit eben Stromspitzen von uC nicht ewig auf dem Board weiterlaufen können und damit andere Bauteile stören.
Wo kommt dann die Spule hin? Vor Vcc des µC?

D.h. bei Motoren bräucht ich eigtl keine Drosseln, wenn ich den Nachbarn ärgern will, dass der kein Radio mehr hören kann? ;-)

[ranke]

Die Formel für den Wechselstromwiderstandes eines Kondensators hab ich schon gelernt X = 1/[Winkelgeschwindigkeit]*C). Laut Lehrer bezeichnet man Wechselstrom nur so, wenn es auch sein Vorzeichen ändert. Bei Spannungs/Stromschwankungen ändert sich aber ja kein Vorzeichen. Gilt die Formel trotzdem?


Ja die Formel ist für den Wechselstromanteil einer Mischspannung anwendbar. Für die Berechnung kann man den Gleichstromanteil und den Wechselstromanteil einer Mischspannung getrennt betrachten.
Der Gleichspannungsanteil ist ja auch willkürlich, indem häufig ein Pol der Gleichspannungsversorgung (meist der negative Pol) als Null definiert wurde. Das ist reine Bequemlichkeit - man hat in der Schaltung dadurch nur positive Spannungen. Das Verhalten der Schaltung ist von solchen Definitionen selbstverständlich unabhängig.



Das wäre ja denke ich dann ein Parallelresonanzkreis. Kommt es bei dem aber nicht zu Stromerhöhungen und nicht Spannungserhöhungen?


Ein Parallel- oder Serienresonanzkreis, beides ist möglich. Spannungsüberhöhungen gibt es, wenn er frei schwingen darf und entsprechend seiner Resonanzfrequenz angeregt wird.



Parallel zur Spule? Hebt der Widerstand dann nicht den Drosseleffekt auf (der Strom kann ja über den Widerstand die Spule "umgehen").


Ja z.B. parallel zur Spule. Selbstverständlich kann der Gesamtwiderstand der RL-Kombination dann nicht höher werden als R. Manchmal reicht das ja schon aus. Möglich ist auch seriell zur Spule (dann ist aber der Gleichstromwiderstand unangenehm), parallel zum C (bringt zusätzliche Verlustleistung, da der Gleichstrom ständig über R fließt) oder seriell zum C (begrenzt den Leitwert des C bei hohen Frequenzen). Hat also alles seine Nachteile.



Ist mit dem Artikel im Wiki dieser Absatz gemeint?
https://www.roboternetz.de/wissen/in.....Motoren_zu_entst.C3.B6ren


Ja genau das hatte ich gemeint, war zu faul zum verlinken, sorry.

[franzlst]

Super, danke, ich denk damit ist vorerst das meiste geklärt :)