2014 06 06 Weitergabe Ulm Magnetic4Freaks - hs … · Identität: D DCR = ∙CR B =CR ... * BDC = Brushed DC Motor, ** BLDC = Brushless DC Motor AC BDC* EC Keine Kommutierung Mechanische

Herzlich Willkommen zu dem heutigen Vortrag aus der Reihe…

M4F – Reinhold Würth Hochschule

AndroidTM

Magnetic4Freaks

1

Vorstellung


2

Christian Dorsch

Produktmanagement EC-TechnologieIngenieur Elektrotechnik (FH)

Übersicht


Quelle: Transceive freeievectors.com, QR-Code visualead.com, Smartphone & Tablet samsung.com, Head 123rf.com, Scann-QR Schulbilder.org, Finger iconfinder.com

…

3

©Rosenberg Ventilatoren GmbH

Magnetic for Freaks, …



…Elektromagnetismus und…

…

4


5Quelle: Bubble clker.com, Maxwell, Labor, Faraday, Ampère, Gauß, Spule Wikimedia.org, Waage all-free-download.com, Rechenschieber schule-und-familie.de, Maxwell Wikiquotes

Maxwell (1831-1879)

Ideengeber


Quellen: Faraday & Ampère & Gauß Wikimedia.org, Waage all-free-download.com, Rechenschieber schule-und-familie.de, Spule wikimedia.org

…Ampère

(1775-1836)Gauß

(1777-1855)Faraday

(1791-1867)

6

Hinweis


Quelle: scienceblogs.de Maxwell-Gleichungen Martin Bäker 7

Die folgenden Ideen und Überlegungen zu den Maxwell Gleichungen wurden in außerordentlichem Maße von der sechsteiligen Reihe

Die Maxwell Gleichungen (fast) ohne Formeln

1. Felder2. Im Vakuum3. Wir bauen eine Welle4. Voll geladen5. Unter Strom6. Spieglein, Spielgein

von Martin Bäker inspiriert. An dieser Stelle vielen Dank für die sehr anschaulichen Darstellungen!

� ∙ � =�

��

Die „mikroskopischen“ Maxwell Gleichungen


Quelle: scienceblogs.de Maxwell-Gleichungen Martin Bäker

1. Gaußsches Gesetz

8

�, ElektrischeFeldstärke

�,��

�, Ladungsdichte

��, ElektrischeFeldkonstante

„Die Ladung ist die Quelle des elektrischen Feldes.“

�'��()��*ü�,-., /01 2��3/4,




* 1-Dimensionale Betrachtung, div = Divergenz, rot = Rotation, grad = Gradient

9

256 ∙ � =�

��

Berechnung der Quellenstärke!

+

div E = +1 -1 = 0 div E = +1 +1 = 2

Das Coulomb Gesetz


Quelle: scienceblogs.de Maxwell-Gleichungen Martin Bäker 10

So What!?!

Das Coulomb Gesetz



* 3-Dimensionale Betrachtung, 789�� *�ä:)� = 4<�=

11

Die Divergenz muss 0 sein, da keine Ladung vorhanden!

�= =1

4�? → �~

1

�=

F2, E2

F1, E1256� = BC1 D �? E C2 D �= = 0

C =1

4<��

H?H=�=

Coulomb Gesetz

→C

H~

1

�=

256 ∙ � =�

��

� ∙ I = 0



Quelle: scienceblogs.de Maxwell-Gleichungen


12

I,J�9K��5L:)�C�8LL25:)��

�,��

= 256 ∙ I

„Es gibt keine magnetischen Ladungen!“

Quellenfeld

Wirbelfeld

� D � = BMI

M�




Faradaysche Induktion

13


�,��

I,MagnetischeFlussdichte

„Eine Änderung der magnetischen Flussdichte führt zu einem elektrischen Wirbelfeld.“

Lenzsche Regel

�'��()��*ü�,-., /01 2��3/4,



Quelle: scienceblogs.de Maxwell-Gleichungen Martin Bäker, Paddel kanushop-kanatu.de

* 2-Dimensionale Betrachtung, div = Divergenz, rot = Rotation, grad = Gradient **Im Zeitpunkt davor gab es kein Magnetfeld B !!!

14

� � D � = BMI

M�

Berechnung der Rotation!

12 3 4

+3

+3+0-2

-2

+0

rot= B2 B 2 E 0 E 0 E 3 E 3 = E2

Die Folge wäre ein räumlichnegatives konstantes Magnetfeld**.

+2

+2+0-1

-1

+0

= B1 B 1 E 0 E 0 E 2 E 2 = E2



Quelle: Curl (zu dt. Rotation) wikimedia.org, Paddel kanushop-kanatu.de

* 3-Dimensionale Betrachtung, div = Divergenz, rot = Rotation, grad = Gradient **Im Zeitpunkt davor gab es kein Magnetfeld B !!!

15

rot = ???

Die Folge wäre ein inhomogenes invertiertes Magnetfeld**.

�

� � D � = BMI

M�

� D I = P�QRE P��M�

M�



Quelle: scienceblogs.de Maxwell-Gleichungen 16

Ampèresches Gesetz


�,��

SR, Stromdichte

��, ElektrischeFeldkonstante

I,MagnetischeFlussdichte

μ�, MagnetischeFeldkonstante

„Elektrische Ströme –einschließlich des

Verschiebungsstroms – führen zu einem

magnetischen Wirbelfeld.“

P�QRE

Elektrische Ströme –



Quelle: Curl (zu dt. Rotation) wikimedia.org, Paddel kanushop-kanatu.de

* 3-Dimensionale Betrachtung, rot = Rotation

17

rot ???=

Die Ursache war ein uns entgegen fließender Strom durch einen Leiter.

I


M�

Das magnetische Feld um den Leiter fällt außen mit ?

Wab. Vergleiche erste M4F

Veranstaltung Herr Professor Ulm Skript Seite 18, H =Y∙Z

=[W.

� ∙ � =�

��

� ∙ I = 0

� D � = BMI

M�


M�




Faradaysche Induktion

Ampèresches Gesetz



18

CR = H � E 6R D I Lorentzkraft

Übersicht



…

19

1

2


Elektromagnetische Welle im Vakuum nach Maxwell!


Quelle: Welle, Maxwell wikimedia.org, scienceblogs.de M. Bäker, Paddel kanushop-kanatu.de, Bauhelm wimmer-construction.de

*„Im Vakuum gibt es keine Ladungsträger und auch keinen Strom.“ � � ∙ � = 0und� D I = P��]^

]_

20

� D I = P��M�

M�E P�QR =0

„Im Vakuum gibt es keine Ladungsträger und auch

keinen Strom.“

� D � = BMI

M�

� ∙ � =`

ab

� ∙ I = 0

=00

„Wir bauen eine elektromagnetische Welle!“

Magnetisches Feld Elektrisches Feld

+

=

„Aber wie schnell ist das Ding?“

Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum und die Maxwell Gleichungen…


Quelle: uni-tuebingen.de/faessler, en.wikipedia.org, Erde & Sonne wikimedia.org

*„Im Vakuum gibt es keine Ladungsträger und auch keinen Strom.“ � � ∙ � = 0und� D I = P��]^

]_

21

�� D � D I B � D P��

M�

M�= 0

Identität: � D � D CR = � � ∙ CR B �=CR

� D I = P��M�

M�

=0� � ∙ I B �=I B � D P��

M�

M�= 0 � ∙ I = 0Es gilt:� � ∙ I B

… … : =1

μ��= 299.792.458

g

L

Thank God for mathematicians!

~7?

h

Bestimmung von c – For Freaks only!


Quelle: Wie man mit Schokolade die Lichtgeschwindigkeit bestimmt scienceblogs.de, Schokolade sweetware.de, Mikrowelle chip.de, Sound Microwave soundjay.com 22

21 cm

15 cm

Nur stehende Wellen, deshalb normal auch der Drehteller!

Maxima bzw. Minima der Welle

: = i D * j 2 D 0,06g D 2,45lm( j 294.000ng

L

Einschätzung der Leistung Maxwells durch…


Quelle: Einstein tyrannyoftradition.files.wordpress.com, Zitat Einstein en.wikiquote.org

* Das ist ein Spaß!!!

23

„Die Arbeit von Maxwell hat die Welt für immer verändert!“

God said,

� ∙ � =�

�� ∙ I = 0

� D � = BMI

M�


M�

and there was light!*

Albert Einstein

Übersicht



…

24

1

2


WAS TUN WIR?

Hersteller von:Motoren, Ventilatoren und Kastenklimageräten

25

Definition


EC-Motor

Electronically Commutated Motor

Kommutierung bedeutet das lageabhängige Schalten des elektrischen Stromes.

26


… Luft effizient bewegen…


Quelle: DC – Motor Wikimedia.org

* BDC = Brushed DC Motor, ** BLDC = Brushless DC Motor

AC BDC*

ECKeine Kommutierung Mechanische Kommutierung Elektrische Kommutierung

(BLDC**)

27


AC-Motor


* Achtung: kein Vakuum mehr, für ne Idee ist‘s aber noch genug!

Kurzschlusskäfig Aluminium – Legierung

RotorWicklung

Stator – Gehäuse

Rotor Flansch

Blechpaket

28

� D � = BMI

M�


M�

� D � = BMI

M�


M�

� D � = BMI

M�


M�






AC BDC*


(BLDC**)

29


BDC-Motor*



* BCD = Brushed DC Motor, kein Rosenberg Produkt, ** Achtung: kein Vakuum mehr, für ne Idee ist‘s aber noch genug!

Stator nicht abgebildet

Wicklung

Kommutator

Rotor Welle

30

� D � = BMI

M�


M�





AC BDC*


(BLDC**)

31


EC-Motor


Permanentmagnete

Hall Sensoren

Rotor

Kabeleinführung

Elektronik

Stator

Wicklung

32

� D � = BMI

M�


M�


Vereinfachtes Funktionsprinzip


Wechselspannung Gleichspannung Motorspannung

Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter

33


Funktionsprinzip


Quelle: 1-Cent Coin wikipedia.org

* Leistungsmodul geöffnet

Alternating Current Direct Current Motor Voltage

Rectifier DC link Inverter

34


Ventilatoren


Axial Radial

Lufteintritt Luftaustritt35


Übersicht



…

36

�


Informationsübertragung von Kupfer auf Luft…


Quelle: Car openclipart.org, Tree wikimedia.org, Plane clipartbest.com, Sun wotomoro.com, Cloud iconfinder.com, Bluetooth Logo bluetooth.com, TIA Logo tiaonline.org 37

/EIA-485


Quelle: TIA Logo tiaonline.org, Störung wikimedia.org 38

/EIA-485

Halb- oder Vollduplex Übertragung

Übertragung eines Differenzspannungspegelsmit einer Eingangsempfindlichkeit von E/B200gp

Bis zu 256 Teilnehmer, in Abhängigkeit vom Unit Load Wert

UnitLoad

Teilnehmer Eingangs-widerstand

1 32 12 kΩ

1/2 64 24 kΩ

1/4 128 48 kΩ

1/8 256 96 kΩ


Quelle: TIA Logo tiaonline.org, Datasheet Maxim

Application Guidelines for TIA/EIA-485-A, TIA-485-A Standard, *Angabe 10 Mbps bei älterem Standard ** not specified

39

/EIA-485

50 Mbps* ABER!

Maximale Übertragungslänge **

305g

25ΩD 390Ω =+

-200gp 120Ω

r�

1,5p

s

s

s =t1,5p B 0,2pu

2D120v

0,2p= 390v

Kabelspezifikation

4.758g ← �)� ��5L:)

9��ä8*59��x��~1.200g

+Bluetooth: realistische Datenrate 390 K��L


Quelle: TIA Logo tiaonline.org 40

/EIA-485

GND

Line Termination

Line Polarisation



*ISM = Industrial, Scientific, Medical, SDP Service Discovery Protocol, RFCOMM Radio Frequency Communications, BNEP Bluetooth Network Encapsulations Protocol, TCS Telephony Control Protocol, SPP Serial Port Profile, SAFER+ Secure And Fast Encryption Routine

Quelle: Bluetooth Logo bluetooth.com, Bluetooth Modul mikrokontroller.net, Viking nocookie.net 41

Im lizenzfreien ISM-Band* 2,4 GHz

Bluetooth Modul

Verschiedenste Kommunikationsprotokolle

SDP RFCOMM BNEP TCS …

• Mit SPP Firmware

Erstmaliger Pairing Vorgang erforderlich,anschließend SAFER+ Verfahren


Quelle: Bluetooth Logo bluetooth.com, rabbits blogspot.com

*EIRP = Equivalent Isotropically Radiated Power, **mobiles Endgerät = Smartphone oder Tablet

42

Frequenz-Hopping Verfahren auf bis zu 79 Kanälen

~yz% aller mobilen Endgeräte** nutzen Bluetooth

Reichweite und Sendeleistung

202Ig = 10 D log100gx

1gx 100gx = 10=�|}~

?�

2,402 GHz 2,454 GHz …

Die Black-Box


Quelle: Car openclipart.org, Tree, Box wikimedia.org, Plane clipartbest.com, Sun wotomoro.com, Cloud iconfinder.com, Bluetooth Logo bluetooth.com, TIA Logo tiaonline.org, Smartphone samsung.com 43

/EIA-485

???

Schaltungsbestandteile


Quelle: Box wikimedia.org, Schaltplan C. Dorsch 44

A Das Bluetooth-Modul SMA-Buchse für den Antennenanschluss.

A. Das Bluetooth-Modul mit SMA-Buchse für Antennenanschluss.

B. Die Transistorschaltung verstärkt die 3,3 V auf 5 V. Der Spannungsteiler teilt 5 V auf 3,3 V.

C. Der Pegelwandler, wandelt den TTL-Pegel in den Differenzspannungspegel der RS-485 Schnittstelle.

D. Line Termination und Line PolarisationE. Die Spannungsversorgung von 5 V und die

Klemmen der Busleitung.F. Ein Festspannungsregler generiert die

Versorgungsspannung des Bluetooth Moduls 3,3 V.

© Christian Dorsch

Printed Circuit Board


Quelle: Box wikimedia.org 45

75

30

[mm]

2,4 GHz Antenne

© Christian Dorsch

By the way… Maxwell…


Quelle: Dipolentstehung wikimedia.org/wiki, Box wikimedia.org, Wellenentstehung scienceblogs.de 46


M�

� ∙ � =�

��

� ∙ I = 0 EP��M�

M�

� D � = BMI

M�

Reichweite


Quelle: Box wikimedia.org 47

© Christian Dorsch

Übersicht


Quelle: Transceive freeievectors.com, QR-Code visualead.com, Smartphone & Tablet samsung.com, Head 123rf.com, Scann-QR Schulbilder.org, Finger iconfinder.com, Oszilloskop md-automation.de

…

48

�

�



Quelle: TIA Logo tiaonline.org 49

???

Die Übertragung steht. ABER!

19,2 Kbps


RTU


Quelle: modbus.org

*CRC = Cyclic Redundancy Check, Request Anfrage

50

Rahmen:

Telegramm:

Wen? Was? 0-252 Datenbyte(s) Fehler-erkennung!1-247 lesen,

schreiben

RTU


Quelle: modbus.org 51

Adresse

Parity-Bit

Stop-Bit Start-BitStart-Bit

~52μL


Übersicht



…

52

�

�


Warum Android?


Quelle: Daten 1 Quartal 2013 idc.com, Android android-developer.com 53

Tablet

Smartphone

Für das Design gibt’s XML!


Quelle: Software C. Dorsch

*xML = Extensible Markup Language

54

<LinearLayout

xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"

android:layout_width="match_parent"

android:layout_height="match_parent"

android:background="@android:color/white"

android:orientation="vertical"

android:paddingBottom="@dimen/activity_vertical_margin"

android:paddingTop="@dimen/activity_vertical_margin" >

<LinearLayout

android:layout_width="match_parent"

android:layout_height="wrap_content"

android:layout_gravity="center_horizontal"

android:orientation="horizontal"

android:paddingTop="@dimen/_vertical_margin“

android:paddingBottom="@dimen/_vertical_margin">

<ToggleButton

...

...

<LinearLayout

android:layout_...

© Christian Dorsch

Das Ganze bitte einmal für…


Quelle: Smartphone, Tablet samsung.com 55

… Horizontal sowie Vertikal und…

… fürs Tablet auch nochmal…


Für die Programmierung gibt‘s JAVA!


Quelle: Software C. Dorsch

...

© Christian Dorsch

* Nassi-Shneiderman Diagramme � strukturierte Programmierung bei über 5.500 Codezeilen

…

56

Unified Modeling Language Diagramm


Quelle: Smartphone samsung.com, modbus.org, bluetooth.com, Action pmtips.net, Dialog caveviews.blogs.com

* GUI = Graphical User Interface

57

CRC Prüfung und Berechnung, Daten Konvertierung, GUI Elemente, …

© Christian Dorsch

Übersicht



…

58

�

�

�

Anwendungen:


Quelle: Programmiergerät schliess-anlagen.de, Smartphone samsung.com, Carel carel.com, Laptop offenerdesktop.files.wordpress.com, Transceive freeievectors.com, Bluetooth bluetooth.com, Modbus modbus.org 59

Messe: Eyecatcher

RTU to Converter

Klimagerät

…

……

…


Let‘s talk to Rosie!


60Quelle: QR-Code visualead.com

Live !!!

Documents

2014 06 06 Weitergabe Ulm Magnetic4Freaks - hs … · Identität: D DCR = ∙CR B =CR ... * BDC = Brushed DC Motor, ** BLDC = Brushless DC Motor AC BDC* EC Keine Kommutierung Mechanische