Nr. 436April 2007

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About youYou have a Master’s or Bachelor’s degree in Physical Techno-

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22380.1 THAL-07-041-advElektuurA1 1 08-03-2007 15:23:05

_ p _ g

Warten auf die BrennstoffzelleFür dieses Heft zum Thema „Alternative Energie“ haben wir auf eine Brennstoff-zelle gewartet – wie schon einige Male zuvor in den letzten Jahren. Diesmal sah es ganz viel versprechend aus: Ludwig Retzbach, in Modellfl ugkreisen bekannter Brushless-Motor- und Akku-Experte und ELEKTOR-Autor, hatte uns Ende letzten Jahres von einer Brennstoff-zelle aus China berichtet, die für ein Elektrofl ugmodell geeignet sein sollte. Natürlich waren wir interessiert und hofften schon darauf, ein Muster auf der Embedded World im Februar in Nürnberg zeigen zu können. Was daraus geworden ist, können Sie tatsäch lich in dieser Ausgabe auf Seite 13 sehen. Statt der erwarteten Mehr-als-100-W-Zelle enthielt das erst kurz vor Redaktionsschluss eingetroffene Paket aus China ein Lern-Spielzeugauto mit einer 240-mW-Brennstoffzelle. Sicher interes sant (und auch ganz nett gemacht), aber gemessen an den Erwartungen doch et was enttäuschend. Typisch Brennstoff zelle? Trotz aller Fort schritte, die es gegeben hat, sind doch die meisten Erwartungen und Prognosen auf der Strecke geblieben. Die Hoffnung, dass Wasserstoff und Brennstoffzellen Energieprobleme lösen könnten, beruht ohnehin auf einem (weit verbreiteten) Missverständnis. Wasserstoff ist keine Energiequelle, son-dern ein Energieträger, der nur benutzt wird, um Energie zu speichern und zu transportieren. Man steckt Strom in das Speichersystem hinein (Strom > Elektro-lyse > Wasserstoff) und erhält den Strom wieder aus dem System heraus (Wasserstoff > Brennstoffzelle > Strom). Genau so und auf elektrochemischem Weg wie bei einem Akku. Ob das Sys-tem umweltfreundlich und CO2-arm ist, hängt primär davon ab, in welchem Kraftwerk der Strom erzeugt wird und wie hoch der Wirkungsgrad insgesamt ausfällt. Nicht nur was Letzteres betrifft, sieht es im Moment für den (LiIon-)Akku ganz gut aus, wie unser Testbericht auf Seite 40 aufzeigt. Der stammt übrigens auch von Ludwig Retzbach.

Ernst Krempelsauer

P.S. Alps entwickelt Mikropumpen und Mikroventile für Mini-Brennstoffzellen – und was Alps entwickelt, ist für hohe Stückzahlen gedacht…

Die Zahl der mobilen, mit Akkus betriebenen Geräte wächst unaufhaltsam - und regelmäßig erscheinen neue Akku-Typen auf dem Markt.

Unsere Akku-Zentrale beseitigt die Unbequemlichkeiten, die diese Typenvielfalt mit sich bringt. Sie lädt und entlädt alle gängigen Akkus (NiCd- und NiMH-, LiPo- und LiIon-Akkus), auch wenn mehrere Zellen in Reihe geschaltet sind. Darüber hinaus gibt sie Auskunft, wie weit das Akku-Leben fortgeschritten ist.

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Lader, Entlader,

Mit Früchtetee zur SonnenzelleFarbstoff-Solarzellen könnten das teure Silizium einmal überfl üssig und den Solarstrom weitaus billiger machen. Diese revolutionären Zellen lassen sich mit einfachen Mitteln selbst herstellen - man benötigt nur etwas leitfähig beschichtetes Glas und ein paar Chemikalien. Grundstoffe sind Titandioxid und ein roter Farbstoff, der zum Beispiel in Hagebuttentee vorkommt. Auf unserem Extra-Poster im Inneren des Heftes fi nden Sie eine Anleitung in Wort und Bild - machen Sie mit!

Extra-Poster

Kapazitätsme

38. JahrgangApril 2007Nr. 436

INHALT

54 Das g-Kraft-Messgerät

Lithium-Systeme sind schon lange die Hoffnungsträger unter den Akkus. Unübertroffen in der Energiedichte, aber anspruchsvoll und teuer in der Herstellung, sensibel in der Anwendung und langsam beim Laden. Das soll sich nun durch Nanotechnologie beim Kathodenmaterial ändern. Ludwig Retzbach hat für ELEKTOR erste Serienexemplare der neuen LiIon-Akkus getestet - mit respektablen bis sensationellen Ergebnissen!

40 Power-LiIon-Akkus im Test

Grundlagen24 Solarkraftwerke für Dummys

Praxis28 Spannungswandler

von 12 V auf 230 V32 Lader, Entlader,

Kapazitätsmesser46 Mini-Projekt: Einfacher Solarlader

48 Freescale-Programmer54 Das g-Kraft-Messgerät64 Workshop: Elektronischer Sticker

68 So funktioniert’s

Technik16 Energiequelle Mensch40 Nanophosphat-Akkus im Test 45 Entwicklungstipp:

Einfacher Akku-Tester

60 Explorer-16 - Teil 470 Laborgefl üster72 E-blocks: LED-Matrix

Info & Markt6 Impressum8 Mailbox11 elekTermine12 News84 Vorschau

Infotainment20 Auf Spurensuche nach

der „Freien Energie“76 Synergetischer Transformator78 Hexadoku79 Retronik: Einstellbares Netzteil

32

Unsere Freescale-Mikrocontroller-Anwendung ist gleichermaßen nützlich und interessant. Als Fortsetzung der im letzten Monat gestarteten Serie zeigt sie den praktischen Umgang mit dem Con-troller MC9S08 und tritt den Beweis dafür an, dass mit dem Baustein sehr preiswerte Hardware-Projekte zu realisieren sind. Der Beschleunigungsmesser lässt sich natürlich im Auto einsetzen - aber noch an vielerlei Orten mehr.

esser

6 elektor - 4/2007

Abo-ServiceRiet Maussen, Marleen BrouwerE-Mail: abo@elektor.de

Bestellannahme und BestellservicePeter CustersE-Mail: vertrieb@elektor.deTel. +49 241 88 909-66

GeschäftszeitenMontag – Donnerstag von 08:30 bis 17:00 UhrFreitag von 08:30 bis 12:30 UhrTel. +49 241 88 909-0Fax +49 241 88 909-77

Unser Kundenservice berät Sie bei allen Fragen zu Bestellungen, Lieferterminen und Abonnements. Änderungen, Reklamationen oder besondere Wünsche (wie z. B. Geschenkabonnement) richten Sie ebenfalls an den Kundenservice. Vergessen Sie bitte nicht, Ihre Kundennummer anzugeben – falls vorhanden.

Technische Fragen bitten wir per E-Mail an redaktion@elektor.de zu richten.

EinzelheftDeutschland € 6,50Österreich, Belgien, Luxemburg € 7,15Schweiz CHF 12.50

Jahresabonnement-StandardDeutschland € 67,75Österreich, Belgien, Luxemburg € 74,00Schweiz CHF 130.00Andere Länder € 89,00

Jahresabonnement-PLUSDeutschland € 77,70Österreich, Belgien, Luxemburg € 83,95Schweiz CHF 152.00Andere Länder € 98,95

ProbeabonnementDeutschland € 12,50Österreich, Belgien, Luxemburg € 12,50Schweiz CHF 22.00Andere Länder € 12,50 (zzgl. Porto)

Studentenabo-StandardDeutschland € 54,20

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Upgrade zum Abo-PLUSAlle Länder € 9,95

Jahres- und Studentenabonnements (11 Hefte) dauern immer 1 Jahr und verlängern sich automatisch um weitere 12 Monate, wenn nicht spätestens 2 Monate vor Ablauf schriftlich gekündigt wird. Probeabonnements (3 Hefte) laufen automatisch aus; sie müssen nicht gekündigt werden.

Preisänderungen vorbehalten.

BankverbindungenCommerzbank AachenKonto 1 201 102 (BLZ 390 400 13)IBAN/BIC: DE89 3904 0013 0120 1102 00/COBADEFF

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Bestellungen & Abos für ÖsterreichAlpha BuchhandelWiedner Hauptstraße 144, 1050 WienTel. 01/585 77 45, Fax 01/585 77 45-20E-Mail: alpha@austrodata.atInternet: www.erb.at

Bestellungen & Abos für die SchweizElektor-Verlag GmbHSüsterfeldstraße 25, 52072 AachenPeter CustersE-Mail: vertrieb@elektor.de

Riet Maussen, Marleen BrouwerE-Mail: abo@elektor.de

38. Jahrgang, Nr. 436April 2007

Erscheinungsweise: 11 x jährlich(inkl. Doppelheft Juli/August)

ELEKTOR möchte Menschen anregen, sich die Elektronik zu Eigen zu machen – durch die Präsentation von Projekten und das Aufzeigen von Entwicklungen in der Elektronik und technischen Informatik.

ELEKTOR erscheint auch in Englisch, Französisch, Niederländisch und weiteren Sprachen. ELEKTOR ist in über 50 Ländern erhältlich.

Verlag Elektor-Verlag GmbHSüsterfeldstraße 25, 52072 AachenTel. 02 41/88 909-0Fax 02 41/88 909-77

Technische Fragen bitten wir per E-Mail an redaktion@elektor.de zu richten.

Internationaler ChefredakteurMat Heffels

Redaktion ELEKTOR DeutschlandErnst Krempelsauer (Chefredakteur, v.i.S.d.P.)Jens Nickel(E-Mail: redaktion@elektor.de)

Internationale RedaktionHarry Baggen, Thijs Beckers,Jan Buiting, Guy Raedersdorf

RedaktionssekretariatHedwig Hennekens

Technische RedaktionTon Giesberts, Paul Goossens, Luc Lemmens, Christian Vossen

Grafi sche Gestaltung und LayoutGiel Dols

Geschäftsführer/HerausgeberPaul Snakkers

Marketing (Leitung)Carlo van Nistelrooy

Vertrieb (Leitung)Margriet Debeij

AnzeigenID MedienserviceTel. 05 11/334 84-36Fax 05 11/334 84-81E-Mail: elektor@id-medienservice.deEs gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 37 ab 01.01.2007

VertriebsgesellschaftIPS Pressevertrieb GmbHPostfach 12 11, 53334 MeckenheimTel. 0 22 25/88 01-0Fax 0 22 25/88 01-199E-Mail: elektor@ips-pressevertrieb.deInternet: www.ips-pressevertrieb.de

Vertrieb ÖsterreichPressegroßvertrieb Salzburg/AnifNiederalm 300Tel. +43/62 46/37 21-0

Der Herausgeber ist nicht verpfl ichtet, unverlangt eingesandte Manuskripte oder Geräte zurückzusenden. Auch wird für diese Gegenstände keine Haftung übernommen. Nimmt der Herausgeber einen Beitrag zur Veröffentlichung an, so er-wirbt er gleichzeitig das Nachdruckrecht für alle ausländischen Ausgaben inklusive Lizenzen. Die in dieser Zeitschrift veröffentlichten Beiträge, insbesondere alle Aufsätze und Artikel sowie alle Entwürfe, Pläne, Zeichnungen einschließlich Platinen sind urheberrechtlich geschützt. Ihre auch teilweise Vervielfältigung und Verbreitung ist grundsätzlich nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung des Herausgebers gestattet. Die veröffentlichten Schaltungen können unter Patent- oder Gebrauchsmusterschutz stehen. Herstellen, Feilhalten, Inverkehrbringen und gewerblicher Gebrauch der Beiträge sind nur mit Zustimmung des Verlages und ggf. des Schutzrechts inhabers zulässig. Nur der private Gebrauch ist frei. Bei den benutzten Warenbezeichnungen kann es sich um geschützte Warenzeichen handeln, die nur mit Zustimmung ihrer Inhaber warenzeichengemäß benutzt werden dürfen. Die geltenden gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich Bau, Erwerb und Betrieb von Sende- und Empfangseinrichtungen und der elek-trischen Sicherheit sind unbedingt zu beachten. Eine Haftung des Herausgebers für die Richtigkeit und Brauchbarkeit der veröffentlich-ten Schaltungen und sonstigen Anordnungen sowie für die Richtigkeit des technischen Inhalts der veröffentlichten Aufsätze und sonstigen Beiträge ist ausgeschlossen.

© 2007 Segment B.V.

Druck hoontetijl, Zwolle (NL)

ISSN 0932-5468

IMPRESSUM

4/2007 - elektor 7

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Siteco Beleuchtungstechnik ist einer derführenden Hersteller und Anbieter mo-dernster Innen- und Außenbeleuchtungsowie kundenspezifischer Lichtlösungen.

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8 elektor - 4/2007

INFO & MARKT MAILBOX

Generator HM 8030-6 von HAMEG betrifft. Als Entwickler dieses Geräts muss ich doch darauf hinweisen, dass es sehr wohl einen VCF-Eingang gibt, der auf der Rückseite des Basismoduls HM 8001-2 zugänglich ist (diese Funktion wird selbstverständlich im Benutzerhandbuch beschrie-ben). Außerdem gibt es auf der Rückseite des Basismoduls auch einen Sägezahnausgang mit dem Sägezahnsignal des Wobbelgenerators. Dieses Signal dient zur korrekten Triggerung während des Wobbelvorgangs und ist zum Beispiel sehr nützlich für Bandbreitenmessungen. Michel Waleczek

Sie haben völlig Recht, der VCF-Eingang hätte in der Tabelle ange-geben werden müssen. Die beiden Ausgänge sind im Handbuch auf-geführt. Wer sich dafür interessiert, der fi ndet auf der HAMEG-Website (www.hameg.com) Datenblatt und Handbuch des HM 8030-6 als Download im PDF-Format.

Endlich Freescale!Ich freue mich, dass in Elek-tor endlich auch einmal die wirklich sehr interessanten Mikrocontroller von Freescale angesprochen werden! Even-tuell interessiert es Sie bzw. andere Leser, dass ich Ende 2006 das komplette Design eines sehr kompakten und sehr universell einsetzbaren Boards auf Basis des Free-scale 9S08GB60 auf meiner Homepage veröffentlicht habe.

Mein “GB60Board” ist auch mit dem von Ihnen erwähnten OpenSource-BDM bzw. SpYder-BDM-Interface kom-patibel und damit kinderleicht in Betrieb zu nehmen. Sollten sich mehrere Interessenten fi nden, würde ich ggf. eine Sammelbestellung für einen Satz von GB60Board-Platinen organisieren. Board (EAGLE-Projektfi les inkl. Demo-Firm-ware) und Kontaktdaten sind auf meiner Homepage www.qdev.de zu fi nden.Stefan Robl

Falsches Schaltzeichenin der deutschen Ausgabe des Februar-Heftes 2007 hat sich ein kleiner Fehler eingeschlichen:Wie im Text “Low-Drop-Span-nungsregler” richtig ange-geben, handelt es sich beim Transistor BSS139 um einen so genannten “Depletion-Mode” MOSFET. Das Schalt-zeichen im Bild zeigt jedoch einen “Enhancement-Mode” MOSFET.Reinhardt Weber

Gesamt-Inhaltsverzeich-nis und Jahres-Inhalts-verzeichnisseDas Gesamtinhaltsverzeich-nis über alle 37 ELEKTOR-Jahrgänge (ab Mai 1970!) wurde von unserem Leser Rolf

Skowronek aus Jülich erstellt (an dieser Stelle noch einmal herzlichen Dank!). Es enthält zu jedem Artikel den Titel, die Erscheinungsdaten und ei-nige Stichworte (z.B. spezielle Bauteile). Es enthält jetzt alle Angaben bis einschließlich Februar 2007. Diese Datei bildet auch die Datenbasis

für die sehr nützliche Artikel-Suchmaschine unter: www.smial.prima.de/elektor.htmlDieses Gesamt-Inhaltsver-zeichnis steht zusammen mit den einzelnen Jahresinhalts-verzeichnissen ab 1996 bei

www.elektor.de zum Down-load bereit. Man fi ndet die Dateien wie folgt: auf der Elektor-Homepage in der oberen Menüleiste „Zeitschrift“ auswählen (es erscheint die Seite zum aktuellen Heft), und wenn man dann nach unten scrollt und in die linke Spalte schaut, kann man es nicht übersehen…

HAMEG-Funktions-generatorMit großem Interesse habe ich den Artikel über die Funk-tionsgeneratoren gelesen. Ich möchte Ihnen aber einen Fehler in der Tabelle mittei-len, was die Angaben zum

Hexadoku-Lösung (zu ELEKTOR Februar 2007)

S

D

G

T1

BSS139

IC2

2

3

1

LMC6462

R2

6k8

R1

5k6

C1

10µ

+5VUnreg

+4V55Reg

TLE2425

IC1

+2V5

060260 - 11

94/2007 - elektor

Siehe Schaltungsausschnitt mit dem richtigen Symbol. Man beachte den durchgezogenem Strich zwischen Drain und Source, der den „selbst-leitenden“ FET chrakterisiert, der schon bei UGS = 0 leitet.

USB-Stick reparierenUSB-Stick defekt und Daten nicht gespeichert? Es gibt eine Hoffnung: Offenbar verabschieden sich des öf-teren die Quarze in den USB-Sticks. Dann ist eine Repara-tur mit etwas Glück möglich, wie Steffen Barth auf seiner „Heimseite“ berichtet. Auch wer kein Stick-Problem hat, fi ndet auf dieser Homepage (sbarth.dyndns.org) in der Rubrik „Technik“ so einiges an Nützlichem und Interes-santen (auch Schaltungen).

Größtes UAVZuerst ein Lob für eure super Zeitung! Ich lese sie immer wieder sehr gerne, auch wenn mir der Wechsel des Designs schwer fi el. Den-noch: In Heft 02/2007 wird auf Seite 19 behauptet, dass das größte unbemannte Flugobjekt bis dato eine fern-gesteuerte Boeing 720 war (Startgewicht 106 Tonnen). Dies ist nicht korrekt, da der sowjetische Buran Gleiter angedockt an die Energija-Rakete bereits Ende 1988 unbemannt ins All fl og. Somit ist das Gespann Buran/Ener-gija mit fast 60 m Höhe und einem Startschub von über 40.000 t deutlich “größer”.Helge Brüggemann

An den Buran hatte ich bei der Bearbeitung des Artikels natür-lich auch gedacht. Nur: Es ging ja um UAVs (unmanned aerial ve-hicles), also um Luft- und nicht um Raumfahrzeuge. Betrachtet man den Buran in seiner Eigenschaft als Gleitfl ugzeug (im aerodynamischen Flug), so bringt er es auf eine ma-ximale Flugmasse von etwa 80 Tonnen, was doch etwas weniger ist als bei der B720. Allerdings ist er damit das größte unbemannte Flugobjekt, das jemals aerodyna-misch kontrolliert und unbeschädigt auf der Erdoberfläche gelandet ist (die 720 wurde nicht gelandet, son-dern von der NASA gezielt gecrasht, was auch der Zweck des Experiments war). Betrachtet man nur die Startmasse, so liegen die Saturn V (drei unbe-mannte Flüge) und die Energija (zwei Flüge) etwa gleichauf. Der maximale Startschub der Energija wird auf etwa 3.500 t beziffert. Für 40.000 t Schub bräuchte man schon zwei Sixpacks davon…Ernst Krempelsauer

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oder Fragen unserer Leser.

Die Redaktion trifft die Auswahl und behält

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oder unter der Anschrift:

Redaktion ELEKTORSüsterfeldstr. 2552072 Aachen

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10 elektor - 4/2007

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WORKSHOP „Ethermeter“, ELEKTOR März 2007, Seite 72

Versehentlich wurde im Artikel nicht die endgültige Schaltplan-Version abge-druckt. Damit die Schaltung funktioniert (d.h., mit der Programmierung der Pins in der Software übereinstimmt), muss der Schaltplan (die Beschaltung des ATTiny) wie folgt geändert werden:

Pin 14 (PB2) wird Pin 6 (PD2)Pin 15 (PB3) wird Pin 7 (PD3)Pin 16 (PB4) wird Pin 8 (PD4)Pin 17 (PB5) wird Pin 9 (PD5)Pin 18 (PB6) wird Pin 16 (PB4)

Funktional bedeutet dies: Die Netzwerkbuchse ist nicht mit PB2 bis PB5 verbunden, sondern mit PD2 bis PD5. Außerdem liegt die LED D2 nicht an PB6, sondern an PB4.

MP3-Preamp, ELEKTOR Februar 2007, Seite 38

Im Schaltbild (Bild 2) ist ein Zeichenfehler. Wie der Ver-gleich mit der Platine zeigt, ist C3 nicht mit dem Emitter von T2 verbunden, sondern mit der Basis dieses Tran-sistors (Anschlusspunkt zwi-schen R10 und R18). Das gilt auch für den rechten Kanal (C12, T6, R31/R40).Das Platinenlayout ent-hält einen Fehler, der sich gehörmässig nicht direkt bemerkbar macht. Trotzdem sollte man den Fehler besser

beheben:Die Bezeichnungen der SMD-Widerstände R29 und R32 ist im Bestückungsplan vertauscht worden. Von C12 aus Richtung S2 gesehen muss der erste Widerstand R32 sein, diese Position ist mit 6k8 zu bestücken. Der daneben (Richtung S2) lie-

gende Widerstand ist R29. Diese Position ist mit 2 k zu bestücken. Beim Auslöten der eventuell schon falsch be-stückten Widerstände muss man vorsichtig vorgehen, um die Lötinseln (Pads) nicht zu beschädigen.

MINI-PROJEKT „Kampf dem Kalk“, ELEKTOR März 2007, Seite 75

Im Artikel werden zwei Litera-turstellen erwähnt, die Links am Ende des Artikels sind aber weggefallen. Sie sind aber auch der Artikelseite bei www.elektor.de – und hier:[1] www.gwup.org/skeptiker/archiv/1997/2/kalk.html[2] www.stiftung-warentest.de/online/umwelt_energie/test/16891/16891/216891.html

Profi ler– die Selbstbau-Fräsmaschine, ELEKTOR Januar 2007, Seite 26

Im Artikel über die univer-selle Fräsmaschine ist in Bild 7 ein überholter Screen-dump des Konturen-Fräspro-gramms für Leiterplatten gedruckt worden. Das mit der Fräsmaschine gelieferte Programm für die Platinen-Bearbeitung ist viel umfang-reicher. Ein Beispiel zeigt der hier abgedruckte (richtige) Screendump.

Fahrtregler (4. Preis im R8C-Wettbewerb), ELEKTOR November 2006,

Seite 20

Marc Schneider hat seinen Modellbau-Fahrtregler noch weiter verbessert und neue Eigenschaften implementiert. Der Update betrifft sowohl die Hardware als auch die Software.Hardware-Erweiterungen:- Temperaturüberwachung

für bis zu 7 Sensoren Ana-logeingängen des R8C

- Schaltungsänderung für den Einsatz einzelner R8Cs (ohne Glyn-Modul)

- Getrennte Steuer- und Leistungsteile (damit kann man Steuerungs- und Leistungsteil optimal im Modell verteilen, aber auch bei Bedarf zusammen aufbauen)

Software-Erweiterungen:- Temperaturüberwachung

mit einstellbaren Schwell-werten und Leistungsredu-zierung bei Schwellwertü-berschreitung (falls es z.B. den Transistoren zu heiß wird)

- Neue Störungsunterdrü-ckung mit gleitendem Durchschnitt (einstellbare Filterlänge)

Die neue Version ist online unter: www.elektor.de/R8C/index.html

Updates und Ergänzungen

RJ45

K11

2

3

4

5

6

7

8

UTP

R1

100TX+

TX–

RX+

RX–

1 =2 =3 =6 =

TX+

RX pair

TX pair

TX–RX+RX–

R2

220

ATTiny2313

RESET

IC1

PB7

PB4PD5

PD4

PD3

PD2 PB1

PB0

PD0

PD1

PB2

PB3

PB5

PB6

10

XIXO

20

19

169

8

7

6 13

12

18

1

54

2

3

14

15

17

X1

20MHz

C1

22p

C2

22p

D3

POWER

D1

RX

D2

TX

R3

470

R4

470

R5

470

BT14V5

C3 C4

100n

+4V5

075035 - 11

1 2 3 4 5 6 7 8

C2470n

C3470n

R7

47k

R8

2k

R2

100

Ω

R9

2k

R10

47k

R16

22k

R17

22k

R18

22k

R12

470 Ω

R1333Ω

R15

2k2

S1

T1

BC856

T2

BC856

VCC12

MÄRZ

28. - 31. Frankfurt, MessegeländeProlight and SoundFachmesse mit den Themenschwerpunkten Licht- und Bühnentechnik, Beschallung, Veranstaltungstechnik und Kommunikation.www.prolight-sound.com

31. Steinbach am Taunus, BürgerhausRoboTestBei diesem Roboterwettbewerb treten die Maschinen in 10 Disziplinen an. Anschließend kann mit den (Hobby-)Konstrukteuren gefachsimpelt werden.www.robotest.de

APRIL

16. - 20. Hannover, MessegeländeHannover MesseDie bekannteste Industriemesse der Welt ist ein Besuchermagnet. Auch in 2007 wird wieder der viel beachtete Hermes Award für die beste Innovation verliehen.www.hannovermesse.de

17. + 18. + 19. Dortmund / Stuttgart / WienPower SeminarKostenloses Eintages-Stromversorgungs-Seminar von Fairchild und Distributor EBV. Themen: Halbbrücken-Strukturen, Power MOSFETs, Simulationen.www.ebv.com/en/

18. - 22. Dortmund, WestfalenhallenHobbytronic und Intermodellbau 2007Verbrauchermesse mit Angeboten aus dem Bereich Computer, elektronische Bau-elemente, Digitalkameras, Unterhaltungselektronik und Telekommunikation.www.hobbytronic.de

19. - 22. Sinsheim, MessegeländeCar & SoundHier gibt’s ordentlich was auf die Ohren. Neben Car-Hifi sind auch mobile Multime-diageräte, Navigationssysteme und Alarmanlagen ein Thema.www.carsound-messe.de

23. MünchenX-FestXilinx und Avnet veranstalten diese eintägige Gratis-Konferenz rund um die FPGAs und Controller des Herstellers. Danach noch in 5 weiteren deutschen Städten.http://aux.avnet.com/webdev/em/Paris_Munich_Milan_Oslo_Oxfordshire_v06.pdf

24. Berlin, Dämeritz SeehotelGSM/GPRS-Modems und ModuleDer Eintages-Workshop wird von Hersteller Wavecom und Distributor Glyn verans-taltet. Thema: Aktuelle und zukünftige Hard- und Software.www.glyn.de

25. Frankfurt am Main, ZVEIREACHDie EU-Richtlinie REACH regelt die Verwendung von chemischen Stoffen. Das ZVEI-Seminar behandelt die Konsequenzen für die Elektronikindustrie.www.zvei.org/index.php?id=882

24. - 26. Nürnberg, MessezentrumSMT/Hybrid/PackagingDas Spektrum reicht von Design und Entwicklung über Leiterplattenfertigung und Bestückung bis hin zu Test-Equipment. Mit praxisorientiertem Kongress.www.smt-exhibition.com

26. Hamburg, Holiday InnZentraleuropäische Display TageKostenloser Entwickler-Informationstag von Distributor Sasco Holz. Themen sind OLEDs, LEDs für die Hintergrundbeleuchtung und vieles mehr.www.sascoholz.de/events

MAI

8. - 11. DresdenDSP for FPGAsViertägiger Intensivkurs zur digitalen Signalverarbeitung mit programmierbarer Logik. Mit praxisnahen Software-Design-Übungen.www.hueggenberg.com/seminars/seminar_dsp-fpga.htm

7. + 8. + 9. München / Heidelberg / HannoverPower Supply Design SeminarEintages-Seminar zum Thema Stromversorgungs-Design von TI. Auf dem Pro-gramm stehen die Grundlagen neuer Konzepte genauso wie Anwendungsbeispiele.http://focus.ti.com/docs/training/traininghomepage.jhtml

11. - 12. HeidelbergEurobot National Cup DeutschlandDeutsche Vorentscheidung zum Eurobot-Finale, das vom 16. bis 20. Mai in Frankr eich stattfi ndet. Die Roboter treten dieses Jahr zum Müll-Trennen an!www.eurobot.org

elekTermine

Antriebe und die Kontrolle derselben – einer der Schwerpunkte der Hannover Messe (Foto: Deutsche Messe AG).

Auf der Hobbytronic wird’s wieder Einiges zu sehen geben: Hier das „Live-Modding“ eines PC-Gehäuses (Foto: Westfalenhallen Dortmund GmbH).

114/2007 - elektor

INFO & MARKTNEWS

Die Gewinner des RFID-Gewinnspiels stehen fest!Im Februarheft haben wir zur zweiten Runde unseres RFID-Gewinnspiels aufgerufen. Die

Resonanz war noch einmal gewaltig! Die Statistik sagt, dass insge-samt rund 3.000 RFID-Karten ausgelesen

wurden – mit einem eigenen Reader oder dem Lesegerät eines „Unterstützers“. Bei denjenigen, die anderen Lesern geholfen haben (so zum Beispiel über unser Forum) wollen wir uns nochmals herzlich bedanken. Darüber hinaus hatten wir für die Helfer eine kleine Reise und drei Elektor-Gutscheine im Wert von je 100 Euro ausgelobt. Das Versprechen lösen wir nun ein: In unsere Verlags-Zentrale im schönen niederländischen Limburg ist Wolfram Kurtz eingeladen. Die Gutscheine gehen an Andreas Mayr, Hans Schneider und Marcel Smeets.Da die Anforderungen des Gewinnspiels diesmal nicht ganz so hoch waren wie bei der ersten Runde (es mussten nur die ersten vier Hex-Ziffern der eigenen Karte mit den ersten vier Hex-Ziffern eines der Preise übereinstimmen) haben uns zu jedem der Preise zwischen zwei und zehn richtige Einsendungen erreicht, so dass das Los entscheiden musste. Und hier sind die Gewinner:

1. Preis: Der Philips 107-cm-Plasma-Fernseher (ermöglicht durch DHL Global Mail) geht an Matthias Wurzer aus Österreich.

2. Preis: Das Mio-Navigationssystem C710 (zur Verfügung gestellt von Conrad Niederlande) geht an Carl Declercq aus Belgien.

3. Preis: Ein Liteon-DVD-Rekorder LVW 5045 GDL (zur Verfügung gestellt von Conrad Niederlan-de) geht an Wolf-Dieter Kaczerowski aus Deutschland.

4. bis 7. Preis: Die E-blocks Starter Kits Professional gehen an Thierry Favreau aus Frankreich, Annika Ganzel aus Deutschland, Hans Michielsen aus den Niederlan-den und Peter Eggleston aus Großbritannien.

8. und 9. Preis: Die HD-VMD-Player (zur Verfügung gestellt von New Medium Enterprises) gehen an Jan Ten Dam aus den Nieder-landen und Thorsten Rink aus Deutschland.

10. bis 13. Preis: Die E-blocks Starter Kits Basic gehen an John W. Finlayson aus Norwegen, E. Fontrier aus Australien, Frank Jessen aus Deutschland und Erik van der Veek aus den Niederlanden.

14. und 15. Preis: Die RFID-Starter-Sets von Parallax (zur Verfügung gestellt von Antratek) gehen an Peter Braunschmid und Thomas Kuberczyk aus Deutschland.

Elektor auf der „Embedded“

Vom 13. bis 15. Februar fand in Nürnberg die „Embedded World“ statt - Elektor war natürlich wie jedes Jahr mit einem eigenen Stand vertreten. Besucht haben uns wieder sehr viele Leser, um sich über die neuesten Schaltungen zu informieren und Neuheiten aus dem Elektor-Buchprogramm anzusehen. Viel Spaß gemacht haben uns die Gespräche mit den oft sehr elektor-treuen und kreativen Elektronik-Fans.Dazu gab’s diesmal auch etwas zu gewinnen – nämlich eine Flugreise mit der LTU. Beate Lorenzoni aus Erding erwies sich beim Hubschrauberfl ug am geschicktesten. Sie brachte den verletzten Bergsteiger mit einem Wert von 0,106 g sicher und zügig ins Krankenhaus und darf sich nun über einen Flug für zwei Personen nach Mallorca freuen. Herzlichen Glückwunsch!

Roboter-Selbstbau-BuchRoboter sind ein faszinierendes Gebiet der Elektronik – scheinen die Maschinen doch manchmal ihre eigene Intelligenz zu entwickeln. Wer einen Roboter selbst bauen und entwerfen will, wird mitunter allerdings vor kniffl ige Aufgaben gestellt. Hier setzt das neue Buch „Mobile Roboter selbstgebaut“ aus dem Elektor-Verlag an. Auf 205 Seiten fi ndet sich eine praxisori-entierte Einführung in den Roboterbau. Es wird zunächst gezeigt, wie sich ein Roboter planen und mechanisch realisieren lässt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung elektronischer Steuerungsschaltungen. Hier werden sehr unterschiedliche Lösungen, angefangen bei einfachen analogen Schaltun-gen bis hin zu Mikrocontroller-

und CPLD-„Gehirnen“ beschrie-ben. Verschiedene Sensoren und Aktoren sowie Kommunika-tion und Datenspeicherung sind weitere Themen. Das Buch enthält detaillierte Bauanleitun-gen für vier verschiedene Roboter, die nachgebaut und durch eigene Erweiterungen ergänzt werden können.Das Buch ist zum Preis von 34,80 Euro im Elektor-Shop (siehe hinten im Heft), über unsere Website www.elektor.de und im normalen Buchhandel erhältlich (ISBN 978-3-89576-169-0).RFID

Visit Elektor/Elektuurat electronica 2006and win with this card!(Munich, November 14-17)Hall A5, Stand A5.531Info: www.elektor.com/rfid

12 elektor - 4/2007

INFO & MARKT NEWS

INFO & MARKTNEWS

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Von Ludwig Retzbach In voller Größe ist ein Brennstoffzel-lenauto leider immer noch weit von der Serienfertigung entfernt. Dafür gibt es jetzt aber erste bezahlbare Brennstoffzellen für eigene Experi-mente und Demonstrationsobjekte mit Brennstoffzellen. Ein solches Vorzeigeobjekt ist der H-Racer des chinesischen Herstellers Horizon aus Shanghai, der in einer Art Lernbau-kasten geliefert wird. Das Set enthält neben dem Brennstoffzellen-Racer auch eine mit Solarzellen betriebene Wasserstoff-Tankstelle.Kernstück des Sets ist ein Plexi-glaschassis (16 cm lang und 7,5 cm breit) eines Modell-Cars, auf dem vier gummibereifte Räder, ein DC-Elek-tromotor mit zweistufi gem Getriebe sowie die benötigte Verkabelung inklusive Schalter bereits vormontiert sind. Mit wenigen Handgriffen wird die beiliegende Mini-Brennstoffzelle (ca. 53 x 32 x 15 mm) sowie ein kleiner Wasserstofftank eingeklinkt. Letzterer besteht aus einem Luftballon in einem Plexiglas-Druckzylinder. Die erkennbare Verformung des Ballons lässt somit gewisse Rückschlüsse auf den vorhandenen Kraftstoffvorrat zu. Der Bonsai-Wasserstoffrenner ist funk-tionsfähig, wenn noch ein seitliches Betankungsventil eingerastet und die

verbindenden Schläuche aufgescho-ben werden. Richtig futuristisch und rasant wirkt das Ganze nach Mon-tage der Plexiglas- Karosserie, die durch vier Schrauben mit dem Chas-sis verbunden wird.Nun folgt die Betankung des Mini-Wasserstoffautos. Dieser Schritt zeigt anschaulich, dass Wasserstoff erst mit Strom (per Elektrolyse aus Wasser) erzeugt werden muss, bevor er in der Brennstoffzelle Strom erzeugen kann. Bei Sonnenschein liefert das im Set enthaltene Solarmodul den Strom für die Elektrolyse-Box, die sich auch mit zwei Mignon-Zellen zur Notstromver-sorgung an Regentagen bestücken lässt. Nach Befüllung mit destilliertem Wasser und Entlüftung mittels der bei-liegenden Injektionsspritze zeigt das Aufsteigen von Gasblasen die begin-nende Wasserstoffproduktion. Damit es richtig auffällt, blinken im Tank auch noch zwei blaue LEDs. Kurz darauf beginnt sich der Ballon auch schon zu füllen. Nach maximal 20 Minuten ist die Elektrolyse zu been-den, spätestens dann sollte der blaue Gummisack im Glaszylinder prall an den Wänden anliegen. So betankt, fl itzt der frontgetriebene H-Racer dann auch rasant über den Fußboden und mit Karacho gegen die nächste Wand – wenn man ihn nicht vorher abfängt. Eine Lenkung und

(Fern-)Steuerung gibt es nämlich nicht.Jedenfalls reicht das bisschen Wasser-stoff für mehr als 100 m Reichweite. Laut Anbieterangabe müssten es über 300 m sein (ca. 3 Minuten mit etwa 7 km/h), die drei Minuten Laufzeit wurden aber in diesem ersten Test noch nicht erreicht.

Daten und ErhältlichkeitDie Tabelle enthält ein paar tech-nische Daten, wobei die Messungen (beziehungsweise Kommentare) des Autors in Klammern angegeben sind.Eine deutsche Bezugsquelle für den H-Racer ist unter [1] angegeben (99 € inklusive Versand). Das ge-samte „edukative“ Programm von Ho-rizon [2] ist im Online-Store [3] des Herstellers zu sehen. Das Angebot reicht vom „Fuel Cell Car Science Kit“ für 69 US-$ bis zur 300-W-Brennstoff-zelle für stolze 2.850 US-$. Was wie-derum zeigt, wie weit ein richtiges Brennstoffzellen-Auto noch von der Bezahlbarkeit entfernt ist…

Hinweis: Weitere Bilder auf www.elektor.de (April-Heft)

(070116)

[1] www.techgalerie.de[2] www.horizonfuelcell.com[3] http://store.horizonfuelcell.com

Brennstoffzellen-Racer Wasserstoffbetriebenes Modellauto

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Technische DatenHerstellerangaben (Messwerte und Kommentare des Autors in Klammern)

Brennstoffzelle im H-Racer

Abmessungen in mm: 32 x 32 x10 (Grundabmessungen ohne Strom- und Gasanschlüsse, real 53 x 32 x 15 mm)

Gewicht: 27,3 g (stimmt)

Ausgangs-Gleichspannung: 0,6 V (Leerlauf ca. 0,8 V, bei Motorlast typ. 0,35 .. 0,4 V)

Ausgangsstrom: 0,4 A (anfangs bei hohem Gasdruck ca. 1,25 A für ca. 2 s, danach nur noch ca. 0,3 A - an-blasen bringt nichts!)

Ausgangsleistung: 240 mW (eher weniger)

Solarmodul der H2-TankstelleMesswerte: Leerlaufspannung ca. 3 V, Kurzschlussstrom ca. 0,3 A (bei 14 °C in der Märzsonne)

134/2007 - elektor

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Entwicklungs-Stick mit EthernetUltrakompakte und sehr gün-stige Entwicklungssysteme für Mikrocontroller liegen im Trend.

Ein besonders leistungsfähiges Mini-System in USB-Stick-Form, das sogar einen Ethernet-An-schluss besitzt, haben wir auf dem Hitex-Stand auf der Em-bedded World in Nürnberg entdeckt. Das Herz des „STR9 comStick“ ist ein ARM-basier-ter STR9 von ST. Von Hitex wird eine komplette Toolchain mitgeliefert, unter anderem ist der „HiTOP Debugger“ und ein GNU-Compiler dabei. Dazu gibt’s den Source-Code von vielerlei Beispiel-Anwendungen

(Web-Server, USB, CAN usw.). Das Ganze kostet 39 Euro plus Mehrwertsteuer. Rund um den potenten Stick bietet Hitex auch Seminare an.

www.hitex.com/str9-comstick

Neue Blackfi n-DSPsAnalog Devices erweitert sein Angebot an Blackfi n®-Prozes-soren. Die Familie ADSP-BF52x ist für performance-hungrige mobile Geräte wie portable Multimedia-Player, VoIP-Telefone und IP-Kameras optimiert. Auch die englische Firma RadioScape – bekannt durch die Digital-Radio-Module, die sich unter anderem im ersten Stand-Alone-DRM-Empfänger fi nden – will künftig Blackfi n-DSPs einsetzen. Als Grund wurde der optimierte Stromverbrauch der Prozesso-ren genannt. So zeichnen sich die Chips dank eines „dyna-mischen“ Power-Managements

durch einen Core-Leistungs-verbrauch von minimal 0,16 mW/MHz bei 250 MHz aus. Angeboten wird eine High-Performance-/Low-Power-Serie (ADSP-BF527/BF525/BF522) mit einer Taktfrequenz von 600 MHz sowie eine Ultra-Low-Po-wer-Serie mit bis zu 400 MHz.Optional sind Peripheriefunk-tionen wie High-Speed-USB On-The-Go (OTG), 10/100 Ethernet, Host-DMA-Port, NAND-Flash-Controller sowie bis zu 48 General-Purpose-I/O-Ports (GPIOs) auf dem Chip integriert. Die Modelle ADSP-BF527C/BF525C/BF522C ent-halten ferner einen integrierten Stereo-Audio-CODEC.

www.analog.com/BF52x

USB-Entwicklungskits von Infi neonZur „Embedded“ in Nürnberg hatte Infi neon eine Vielzahl von Evaluationboards mitgebracht. Verschiedene Starter-/Demo-Kits, mit denen man vor allem Umsteiger auf den Geschmack

bringen will, markieren hierbei das untere Ende. Die Hardware besitzt die Form eines etwas zu dick geratenen USB-Sticks, wobei im Unterschied zu vie-len ähnlichen Mini-Entwick-lungsystemen die wichtigsten Anschlüsse über eine Stiftlei-ste nach außen geführt sind. Die Münchner bieten mehrere Varianten an. Mittelpunkt des „XC886CM U CAN Start Kits“ ist ein 8051-kompatibler 8-bit-Controller. Über die zehnpoli-ge Stiftleiste kann das Board mit zwei CAN-Knoten Kontakt aufnehmen, darüber hinaus bietet sich dort auch ein analo-ger und digitaler I/O-Zugang. Zu CAN-Demo-Zwecken ist ein kleines Applikationsprogramm im Controller geladen, die mit-gelieferte CD enthält neben Ent-wicklungssoftware auch einen CAN-Viewer für den PC. Das „XC 866 U-Light“ ist dagegen für Motorsteuerungsanwendun-gen gedacht. Herzstück ist hier der Controller XC800, der unter anderem über eine CAPCOM6-Schnittstelle verfügt.

www.infineon.com/xc886www.infineon.com/xc866

14 elektor - 4/2007

INFO & MARKT NEWS

Freescale-Controller mit integrierter LCD-Ansteuerung

Mit der LC60-Familie bietet Freescale die ersten S08-basier-ten MCUs mit Flashspeicher an, die ein integriertes Modul für die LCD-Ansteuerung sowie eine interne Ladungspumpe beinhal-ten. Die LC60-MCUs unterstüt-zen Displays mit bis zu 160 Elementen (bis zu 16 alphanu-merische Zeichen). Sie sind für Anwendungen wie tragbare Medizinelektronik, Thermosta-te, Heimtrainer, Diagnosegerä-te, Rechner, Verbrauchszähler, Wecker, Spielzeuge, Kameras und dergleichen mehr geeignet.Die Chips bestehen aus einem bei niedriger Spannung arbei-tenden S08-MCU-Kern, einem LCD-Ansteuerungsmodul, um-fangreicher Kommunikationspe-ripherie, zwei Flashspeicher-Ar-rays und einem integrierten pro-grammierbaren Timer. Externe Displaytreiber, Speicher- und Ti-mingkomponenten können weit-gehend und externes EEPROM gleich ganz entfallen. Die Controller arbeiten mit 3-V- und 5-V-Displays zusammen; dank einer internen Ladungspumpe lässt sich die Anwendung mit nur einer Betriebsspannung be-treiben. Demo-Kits werden zu einem Preis von 59 US-Dollar angeboten.

www.freescale.com/files/pr/lc60.html

Neues NanoBoard von AltiumGesehen auf der „Embedded”: Das „NanoBoard-NB2“ ist eine High-End-Entwicklungs-Platt-form für Prozessor/FPGA-Sy-steme. Auf der fl exibel konfi -gurierbaren und erweiterbaren Hardware lassen sich Designs

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verschiedener Prozessor- und FPGA-Architekturen implemen-tieren und debuggen. Das Board arbeitet dazu mit dem Altium Designer zusammen, ein Elektronik-Entwicklungssystem, das die Entwicklung von Leiter-platten, FPGAs und Embedded Software kombiniert. Seit der Vorstellung des Prototy-pen im letzten Jahr wurde das Board mit noch mehr Features ausgestattet. Ein erheblich ver-bessertes Audio-Subsystem, ein SD-Card-Leser, ein USB-In-terface, die Möglichkeit der Infrarot-Fernbedienung und ein überarbeitetes Daughterboard zur Unterstützung von deutlich mehr I/O-Verbindungen zwi-schen dem Ziel-FPGA und den angeschlossenen Peripherie-funktionen sind nur einige der

Aufwertungen.Da das Board nicht nur ein-steckbare Daughterboards und Peripheriekarten, sondern auch austauschbare Periphe-rie-Boards unterstützt, steht den Ingenieuren ein zukunftssicheres Entwicklungssystem zur Verfü-gung. Wenn neue Prozessoren, FPGAs und Peripheriebauteile auf den Markt kommen, ist kein Umstieg auf ein neues Ent-wicklungssystem erforderlich. Zunächst hat man die Wahl zwischen Daughterboards mit FPGAs vom Typ Altera® Cy-clone™ II, LatticeECP™ oder Xilinx® Spartan™-3. Standard-mäßig ist das NanoBoard-NB2 mit drei gesteckten Peripherie-Boards bestückt - einem Audio/Video-Connector-Board, einem CompactFlash/ATA/SD-Card-

Board und einem Communica-tions Board mit USB, IrDA und Ethernet-Anschlüssen.

www.altium.com/Products/NanoBoardNB2

154/2007 - elektor

16 elektor - 4/2007

TECHNIK ENERGIE

Thermische Energie geht gegen-

wärtig in großem Umfang un-genutzt verloren. Die gewaltigen Kühl-türme der Elektrizitätswerke führen dies mit ihren riesigen, in den Himmel aufsteigenden Dampffahnen vor Au-gen. In wesentlich kleinerem Maßstab werden bereits Techniken entwickelt, die dazu beitragen, die Wärmever-schwendung einzudämmen. Sie setzen Verlustwärme in nutzbare elektrische Energie um.

Jederzeit EnergieElektronik ist ohne Energiequelle nicht betriebsfähig – Batterien und Akkus sind hier die wesentlichen Energielie-feranten mobiler Systeme. Das könnte sich mittelfristig durchaus ändern...Im Holst Centre, gelegen im nieder-ländischen Eindhoven, ist man inten-siv mit der Entwicklung so genannter „Energy scavenger“ (wörtlich: Energie-

EnergiequelleMensch

Neue Technologien der Energiegewinnung

Bild 1. Der Prototyp des Puls-Oximeters ist bereits so klein, dass er wie eine Armbanduhr getragen werden kann.

Von Thijs Beckers

Zusammenkehrer) beschäftigt. Ein energiepolitisch zukunftsweisendes Forschungsvorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, Verfahren für die Wandlung piezo-elektrischer, elektrostatischer und elektromagnetischer Energien so-wie von Wärmeenergie in elektrische Energie zu entwickeln. Insbesonde-re die Wandlung von Wärmeenergie ist vielversprechend, denn zahlreiche Wärmequellen geben ihre Energie nutzlos in die Umgebung ab. Typische Beispiele sind Heizöfen aller Art, Kraft-fahrzeuge und Maschinen in der Indu-strie. Auch der menschliche Körper ist ein Lieferant thermischer Energie.

Zukunftsmusik?Für mobile Anwendungen ist der men-schliche Körper als Energiequelle ge-radezu ideal. Wir könnten uns zeitlich unbegrenzt an den Klängen unseres iPod oder MP3-Players erfreuen, und unser Mobiltelefon muss nicht mehr an ein Ladegerät angeschlossen werden. Doch so weit ist die Entwicklung leider

Energiesparen heißt das Gebot der Stunde - die hohen Ölpreise

und der Treibhauseffekt sind die stärksten Triebfedern. Schon seit

einiger Zeit wird im niederländischen Eindhoven die Entwicklung

von „Energy scavengers“ vorangetrieben: Energiewandler,

welche die menschliche Körperwärme nutzen. Verglichen mit den

großen Kraftwerken ist deren Leistung zwar winzig, doch dafür

sind diesen Wärmewandlern Belastungen der Umwelt fremd.

174/2007 - elektor

Bild 2. Aufbau der Thermo-Batterien in Silizium. Die Wärme (gelbe Pfeile) hat eine Spannung in den thermischen Elementen zur Folge. Durch Reihenschaltung wird die Spannung auf nutzbare Werte gebracht.

Bild 3. Funktionsschema einer thermo-elektrischen Stromversorgung. Die vom „Energy scavenger“ gewonnene elektrische Energie ist nicht ohne weitere Maßnahmen zu nutzen.

noch nicht fortgeschritten. Die gegen-wärtigen mobilen Geräte haben einen zu hohen Energiebedarf, er kann von der menschlichen Körperwärme nicht gedeckt werden. Doch der Prototyp eines so genannten Puls-Oximeters (Bild 1) wurde vom Holst Centre be-reits vorgestellt. Das System arbeitet vollständig autonom und nutzt dabei die Wär me, die die Testperson in Höhe des Handgelenks abgibt.Die physikalische Grundlage des Ener-giewandlers ist nicht neu, hier wird der bereits 1821 entdeckte Seebeck-Ef-fekt genutzt. Neu ist die Realisierung des Systems, das der Wärmequelle die thermische Energie entzieht und in elektrische Energie wandelt.

TechnologieDie Basis des Wandlers sind so ge-nannte Thermopiles (Bild 2), die in ei-nem Silizium-Kristall aufgebaut sind. Die Thermopiles bestehen aus Ther-moelementen, sie geben bei Tempe-raturdifferenzen ihrer Berührflächen geringe Spannungen ab. Durch Hin-tereinanderschalten von mehreren Thermoelementen erhält man höhere, technisch nutzbare Spannungen. Die resultierende Spannung lässt sich aus Uo = m ⋅ α ⋅ ∆T berechnen, wobei m

die Anzahl der Thermoelemente, α die Seebeck-Konstante und ∆T die Tempe-raturdifferenz zwischen den Kontakt-fl ächen des Thermoelements ist. In der Praxis gibt ein Thermopile eine Span-nung von ungefähr 1 mV ab. Für eine von elektronischen Systemen nutz-bare Spannung (etwa ab 1 V) werden demnach mindestens 1000 Thermopi-les benötigt. Wegen des Aufbaus der thermischen Elemente in einem Silizi-um-Kristall stellt die Realisierung kein Problem dar.In Bild 3 ist das Funktionsschema einer thermoelektrisch arbeitenden Strom-versorgung dargestellt. Bei der Um-gebungstemperatur 22 °C strahlt der menschliche Körper etwa 10 mW/cm2 an Wärme ab, gemessen in der Nähe einer Körperarterie. Daraus kann der thermoelektrische Wandler abhän-gig von den Umgebungsbedingungen etwa 100...200 µW elektrische Leistung gewinnen. Über eine Ladeschaltung wird die umgewandelte Energie in ei-nem Akku oder Kondensator gespei-chert. Von dort wird das elektronische System mit Strom versorgt.Um die maximale Leistung entnehmen zu können, muss der Lastwiderstand gleich dem Innenwiderstand der Ther-mopiles sein. Abhängig von den Um-gebungsbedingungen gibt der „Ener-

2mm

060317 - 11

Thermo-elektrischerGenerator

Energie-speicher

Start-schaltung

DC / DC-Konverter

Lade-schaltung

0,7 - 2V

2,05V060317 - 14

Das Holst CentreDas Holst Centre (www.holstcentre.com) aus Eindhoven ist ein Zusammenschluss des niederländischen Zweigs des bel-gischen Forschungszentrums IMEC und der niederländischen Forschungsanstalt TNO. Als unabhängige Forschungs- und Entwicklungseinrichtung widmet sich das Holst Centre insbesondere der Entwick-lung neuer Technologien für autonome drahtlose Transducer sowie der „System-in-foil“-Technik. Die Arbeiten am „Energy scavenger“ fi nden bei der IMEC-NL statt.Ein wichtiger Tätigkeitsbereich des Holst Centre ist die interaktive Zusammenar-beit mit der Industrie. Die wissenschaftli-chen Strategien werden mit den Belan-gen der Industrie sorgfältig abgestimmt.Finanzielle Unterstützung von staatlicher Seite und von der Seite der Industrie geben dem Holst Centre den nötigen Rückhalt für dessen wissenschaftliche Arbeit. Von der Zusammenarbeit mit der Industrie profi tieren beide Seiten. Deutliche Innovationsvorsprünge auf den bear-beiteten Gebieten und die Behauptung der daraus entstehenden Produkte am Markt sind das Ergebnis.

gy scavenger“ des Puls-Oximeters Leistungen zwischen 100 µW und 600 µW ab. Mit steigender Umgebungs-temperatur sinkt die abgegebene Leistung. Bei ungefähr 36 °C besteht keine Temperaturdifferenz mehr zwi-schen Haut und Umgebung. Es kann dann, wie in Bild 4 dokumentiert, kei-ne elektrische Energie gewonnen wer-den. Wenn die Temperatur noch höher steigt, wird zwar wieder Spannung abgegeben, sie ist jedoch entgegenge-setzt gerichtet. Das hat zur Folge, dass die Haut nun nicht mehr gekühlt, son-dern erwärmt wird. Diese zugeführte Wärmeenergie leitet der Körper an an-derer Stelle wieder ab.

18 elektor - 4/2007

TECHNIK ENERGIE

optimal, wenn sich das Thermoele-ment in unmittelbarer Nähe einer Kör-perarterie befi ndet (Bild 5). In diesem Fall beträgt der thermische Widerstand ungefähr 150 cm2 · K/W. Der thermi-sche Widerstand des Wärmewandlers liegt bei 100 cm2 · K/W, und für die Luft gilt, dass ihr thermischer Widerstand stark von den Strömungsverhältnissen abhängt. Bei einer sitzenden Person wurden mit dem verwendeten Kühlkör-per ca. 500 cm2 · K/W gemessen. Der gleiche Kühlkörper hat einen thermi-schen Widerstand von nur 200 cm2 · K/W, wenn sich die Person schnell be-wegt (vergleiche Bild 4).Aus den Untersuchungen ergab sich nebenbei, dass körperliche Anstren-gungen der Testperson nicht zu höhe-rer Energieabgabe führen. Der Wärme-haushalt des menschlichen Körpers ist offensichtlich ein so effi zient geregeltes System, dass die Hauttemperatur nicht nennenswert ansteigt. Die verfügbare elektrische Leistung war von körper-lichen Aktivitäten der Testperson na-hezu unabhängig.Der Kopf ist bekanntlich die wärmste Körperpartie des Menschen. Deshalb ist sie für die Gewinnung elektrischer Energie nach diesem Verfahren am besten geeignet. Allerdings sieht die Umsetzung in die Praxis, wie Bild 6 zeigt, nicht unbedingt besonders at-traktiv aus.

„Energieloses“ MesssystemIn dem vom Holst Centre entwickelten drahtlosen Puls-Oximeters (siehe Bild 1) kommen mehrere neu entwickelte Technologien zum Einsatz. Das Signal eines Blutwerte- und Puls-Sensors (für die Patientenüberwachung in der kli-nischen Medizin) wird einem System zugeführt, das von außen betrachtet entfernte Ähnlichkeit mit einer Arm-banduhr hat. Die internen Funktionen dieses Systems sind schematisch in Bild 7 dargestellt. Der Wärmewandler hat seinen Platz über der Schlagader, er liefert die Energie für den Mess- und Übertragungsteil des Systems. Die analoge und digitale Messsignal-Ver-arbeitung fi ndet vollständig im System statt. Über eine Bluetooth-Funkverbin-dung werden die Messdaten einem ex-ternen System, zum Beispiel einem PC, übergeben. Dort können die Daten in Echtzeit grafi sch aufbereitet werden; von dort ist auch eine Alarmauslösung bei Über- oder Unterschreiten vorgege-bener Messwert-Schwellen möglich.

Seebeck-EffektDer Seebeck-Effekt wurde 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt und nach ihm benannt. Werden zwei Leiter aus unterschiedlichen Metallen (oder zwei unterschiedliche Halbleiter) zu einem Stromkreis zusammengeschlos-sen und die beiden Nahtstellen auf unterschiedliche Temperaturen ge-bracht, fl ießt in dem Kreis ein Strom. Die Umkehrung dieses Effekts ist der Peltier-Effekt. Hier bewirkt ein hindurch-fl ießender Strom eine Abkühlung einer Nahtstelle, während sich die andere Nahtstelle erwärmt. Da beide Effekte auf den gleichen physikalischen Vorgän-gen beruhen, werden sie gemeinsam auch als „Peltier-Seebeck-Effekt“ oder als „Thermoelektrischer Effekt“ bezeichnet.

Bild 6. Unter so vielen am Kopf befestigten „Scavengern“ leidet möglicherweise die menschliche Attraktivität...

Bild 7. Beim Design des drahtlosen Puls-Oximeters wurde insbesondere auf Kompaktheit und niedrigen Energiebedarf geachtet.

Bild 4. Ausgangsleistungen der Thermobatterien. Kurve 1 bezieht sich auf eine sitzende Person, Kurve 2 gehört zu einer schnell laufenden Person. Die Differenz wird hauptsächlich durch die höhere, Wärme ableitende Wirkung des Kühlkörpers verursacht.

1000

100

100

117 20 23 26 29 32

Umgebungstemperatur [°C]

Leis

tung

35 38 41

060317 - 16

44

2

1

Bild 5. Thermischer Widerstand des menschlichen Körpers. Ein günstiger Ort für den Wärmewandler liegt in der Nähe einer Körperarterie.

Position der Uhr

Wärmedurchlasswiderstand300 cm2K/W

Knochen

Arterie

Nahe der Arterie

Wärmedurchlasswiderstand150 cm2K/W

Knochen

Arterie

060317 - 12

Wärmetauscher

Alt und gleichzeitig neuWie bereits erwähnt, sind die physika-lischen Grundlagen des verwendeten Energiewandlers schon sehr lange be-kannt. Die Anwendung scheiterte bis-her daran, dass existierende Wandler-systeme wegen ihrer Größe für den mo-bilen Einsatz nicht praktikabel waren. Der Schwerpunkt der Forschungen im Holst Centre liegt deshalb auf der Mi-niaturisierung vorhandener Technolo-gien. Zur Zeit wird untersucht, wie sich ein Thermopile am besten in Silizium realisieren lässt. Auf dem Silizium-Chip könnte gleichzeitig beispielsweise ein Mikroprozessor seinen Platz haben, der

seine Energie vom Wärmewandler be-zieht. Die Integration beider Systeme auf einem gemeinsamen Chip würde sich nicht zuletzt auch kostensparend auswirken.Dass dieser Ansatz nicht neu ist, macht die „Thermic Watch“ [1, 2] von Seiko deutlich. Diese Uhr nutzt für ihre Energieversorgung eine identische Technologie wie das Puls-Oximeter. Das dort verwendete Thermopile ist allerdings vergleichsweise groß, da es aus diskreten Komponenten besteht.

Prozessor

DSP & Speicher

MAC

Leistungsmanagement/Energiespeicher

Energie-Konverter

Thermo-elektrische Energie

2,4GHzSchutzschaltung

ADCKommerzieller

Fingerpuls-oximeter Funk

Mittelwert

060317 - 15

WiderstandDie Summe der thermischen Wi-derstände hat großen Einfl uss auf die elektrische Leistung. Mit thermischen Widerständen sind insbesondere der menschliche Körper, der thermoelek-trische Wandler und die Luft behaftet.Der thermische Widerstand des Kör-pers wurde in mehreren Messreihen untersucht. Der Wärmeübergang ist

194/2007 - elektor

ThermoelementEin Thermoelement ist eine Kombina-tion von zwei Leitern aus unterschiedli-chen Metallen oder Metalllegierungen, die mechanisch (vorzugsweise durch Schweißen) zu einem Stromkreis zusam-mengefügt sind. Wenn zwischen den bei-den entstandenen Kontaktfl ächen eine Temperaturdifferenz besteht, tritt eine elektrische Potentialdifferenz auf. Ihre Höhe hängt von der Temperaturdifferenz ab, sie liegt in einer Größenordnung von 6...60 µV/°C.

Bild 8. Der „Camel-fridge“ ist ein anschauliches Beispiel für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten alternativer Energiegewinnung (Foto: Naps Systems Oy).

Bild 9. Lichtschalter von EnOcean. Der drahtlose Schalter setzt die bei der Schalterbetätigung aufgewandte mechanische Energie in elektrische Energie um. Mit ihr wird ein Sender betrieben, der ein Relais fernbedient.

Dagegen ist die Energieausbeute rela-tiv bescheiden.Eine andere, sehr bekannte Techno-logie, die kostenlose Umweltenergie nutzt, wird durch die Solarzelle ver-körpert. In Bild 8 ist ein anschauliches Beispiel für eine Anwendung wieder-gegeben. Weniger bekannt als die An-wendungen der Solarzelle dürften die drahtlosen Lichtschalter (Bild 9) des Herstellers EnOcean [3] sein. Der me-chanische Druck auf den Taster reicht aus, um genügend elektrische Energie für den eingebauten Funksender bereit zu stellen.Natürlich existieren noch weitere elek-tronische und elektrische Systeme, die mit „menschlicher Energie“ betrieben

werden. Als Beispiele seien hier nur die kleinen mobilen Radios und die Akku-Ladegeräte genannt, deren eingebaute Dynamos mit Kurbeln von Hand betä-tigt werden müssen.

Energie überallDen Sensoren, die sich mit Hilfe der „Energy scavenger“ selbst mit Ener-gie versorgen, steht sehr wahrschein-lich eine aussichtsreiche Zukunft be-vor. Ihre größten Pluspunkte sind die Wartungsfreiheit sowie die drahtlose Anbindung an übergeordnete Systeme. Diese Sensoren können in großer Stück-zahl in zahllosen Bereichen eingesetzt werden. Denkbar ist die Anwendung in Alarmsystemen, in Maschinen der Industrie, in der Domotik (die lästige und aufwendige Hausverkabelung ent-fällt!), in der PC-Technik (drahtlose Tas-taturen und Mäuse ohne Batterie oder

Akku), sowie natürlich in der Medizin-technik, wie am Puls-Oximeter demon-striert. Medizinische Mess- und Über-wachungssysteme können mit GSM-Sendeempfängern gekoppelt werden, so dass ihr Aktionsradius praktisch un-begrenzt ist.Ein weiteres, vielfältiges Einsatzgebiet ist die Kraftfahrzeugtechnik. In den USA ist die Autoindustrie verpfl ichtet, Neufahrzeuge mit Systemen zur konti-nuierlichen Überwachung des Reifen-drucks auszurüsten. Es ist sicher nicht zu bestreiten, dass dies während der Fahrt nur drahtlos möglich ist (siehe auch „Die Sinnesorgane des Autos“, ELEKTOR Mai 2005).Die RFID-Technik, ein ebenfalls passi-ves Verfahren, ist eine Alternative zu den beschriebenen „Energy scaven-gern“. Sie haben jedoch den Vorteil, dass mit ihnen zum Beispiel eine lück-enlose Überwachung von Waren mög-

lich ist. So kann beispielsweise die Temperatur eines Tiefkühlprodukts auf dem Weg zwischen Hersteller und Ver-braucher kontinuierlich gemessen und protokolliert werden. Ausgehend von den erfassten Daten kann ein „Paper display“ auf der Ware die noch verblei-bende Haltbarkeitsdauer anzeigen.

Nicht ohne StromDie Anzahl der elektronischen Syste-me, die unseren Alltag wie selbstver-ständlich begleiten, steigt buchstä-blich von Tag zu Tag. Es existiert kaum noch ein Lebensbereich, vor dem die Elektronik Halt macht. Über eine inno-vative, effi ziente Stromversorgung der vielen elektronischen Systeme wird in

zahllosen, über den Globus verteilten Entwicklungslabors konzentriert nach-gedacht. Die Thermopiles des Holst Centre sind ein vielversprechender An-satz. Vielleicht ergeben sich daraus so-gar Strategien für die Bewältigung der großen, weltweiten Energieprobleme.

( (060317)gd)

Wir danken Ruud Vullers, Mitarbeiter des Holst Centre in Eindhoven, für die tatkräftige Unterstützung.Die Bilder 1 bis 7 stellte uns freund-licherweise das Forschungszentrum IMEC-NL zur Verfügung.

Weblinks:[1] www.roachman.com/thermic[2] www.natureinterface.

com/e/ni03/P045-049[3] www.enocean.com

20 elektor - 4/2007

INFOTAINMENT ENERGIE

Die wissenschaftliche Disziplin der Thermodynamik lehrt uns, dass ei-nem System nicht mehr Energie ent-nommen werden kann, als ihm vorher zugeführt wurde. Diese gesicherte Er-kenntnis hält jedoch eine große Enthu-siasten-Schar nicht davon ab, viel Zeit und Geld in die Spurensuche nach der „Freien Energie“ zu investieren. Sie ist zum „Heiligen Gral“ des 21. Jahrhun-derts geworden. Zahlreiche Menschen, die sich mit diesem Thema beschäfti-gen, stellen ihre Überlegungen und Experimente der Weltöffentlichkeit im Internet vor. Wer bei Google den Be-griff „free energy“ eingibt, dem steht der Einstieg in die schillernde Welt der vielen Gläubigen und pseudowissens-chaftlich Forschenden bevor. Glückli-cherweise sind dort auch „normale“ Menschen vertreten, die sich mit die-sem Thema einfach nur aus Spaß an der Sache beschäftigen. Viele im In-ternet veröffentlichte „Entdeckun-gen“ sind so aufgemacht, dass sie den unbefangenen Leser fast magisch in ihren Bann ziehen. Man muss schon einige Willensstärke aufbieten, wenn man das Thema aus sicherer Distanz betrachten möchte. Was soll man von einer gewöhnlichen Glühlampe hal-

MessageAuf Spurensuche

nach dem „Heiligen Gral“ der „Freien Energie“

Es gibt sie nicht, es kann sie nicht geben (jedenfalls nicht nach den Gesetzen der Thermodynamik), aber vielleicht gibt es sie doch: Die so genannte „Freie Energie“. Bisher gelang es der Menschheit leider noch nicht, eine effi ziente, zuverlässige und gleichzeitig unerschöpfl iche Energiequelle zu erschließen. Wird die Suche ewig vergeblich bleiben, oder lassen sich bereits heute Perspektiven erahnen?

Bild 1. Die „Erdbatterie“ des Nathan Stubblefi eld.

Von Wisse Hettinga

ten, die aus dem Nichts zu leuchten beginnt? Wie glaubhaft ist der Er-fi nder der „N-Maschine“, und ist die Brenn stoffzelle, die das Auto mit dem Brennstoff Wasser antreibt, vielleicht doch keine absolute Utopie?Über solche und andere Unwägsam-keiten kann man bis jetzt nur speku-lieren. Nur eine Tatsache lässt sich an den zahllosen Beiträgen im Inter-net klar erkennen: Die Erforscher der „Freien Energie“ haben mit ihren For-schungen (und manchmal vielleicht auch mit sich selbst) ihre eigenen Pro-bleme. Im Internet tut sich ein wahrer Abgrund auf! Hunderte Sites haben diffuse, unverständliche und biswei-len auch befremdliche Darstellungen und Beschreibungen zum Inhalt, viele Sites bieten gleichzeitig auch Video-clips an. Der Betrachter wird zu unbe-kannten Schauplätzen geführt, an de-nen unbekannte Personen nicht nach-vollziehbare Experimente vorführen. Es scheint so, als ob dem Thema „Freie Energie“ gesetzmäßig Unschärfe und Undeutlichkeit zu eigen sind...Will sich ELEKTOR nun auch auf die-se Schiene begeben? Die Antwort ist: Nein, bestimmt nicht! Wir werden mit unseren Lesern keine Reise in fremde

in a bottle

214/2007 - elektor

Welten unternehmen - Welten, in de-nen heikle Abenteuer locken, deren Folgen unabsehbar sind. Doch wenn Voltmeter auf unerklärliche Weise ausschlagen und Glühlampen mys-teriöse Leuchterscheinungen zeigen, dann steht ELEKTOR ganz vorn in der ersten Reihe der Beobachter.

NEUES VON GESTERNZuerst wollen wir uns auf eine kurze, sichere Reise durch vergangene Zeiten begeben. Schon während der Anfänge der Naturwissenschaften haben sich zahlreiche nebenberufl iche Forscher mit der „Freien Energie“ beschäftigt. Überlieferte Beschreibungen von Ex-perimenten belegen, dass es Ver-bindungen zu okkulten Wissenschaf-ten gab, und auch die Wünschelruten-gänger trugen Geheimnisvolles bei. Kaum spektakulär ist die Entdeckung, dass die Erde Strom leitet. Diese Ei-genschaft war bereits um 1800 be-kannt, als Giovanni Aldini entdeckte, dass eine Ader der Telegrafenleitung durch die Erde ersetzt werden konnte. Aldini? Er war der Neffe von Galvani! Suchen Sie im Internet nach Giovanni Aldini und lesen sie nach, welche Ex-perimente er durchführte. Außer Be-richten darüber, dass die Erde leitet, fi nden sich auch Beschreibungen über spontan fl ießende elektrische Ströme sowie über Telegrafenverbindungen, die ohne jede Energiequelle in Betrieb waren. Damit wären wir bei den Theo-rien über vermutete erdeigene Ener-gieströme, den „teluric currents“ an-gelangt. Von hier ist es nicht mehr weit bis zu den Wünschelrutengängen, die vorgeben, Energieströme und Erd-strahlen aufspüren zu können.Ein höchst bemerkenswerter Beitrag stammt von Nathan B. Stubblefield, einem Melonenzüchter aus Murray in Kentucky, der von 1860 bis 1928 leb-

te. Seine Vorliebe galt Experimenten mit Drähten und Spulen, und er vers-tand es, auf seine Weise Geschichte zu schreiben - leider ist es eine etwas tragische Geschichte geworden. Stub-blefi eld wird nachgesagt, dass er der Urvater des Radios gewesen sei. Die Legende behauptet, dass ihm schon vor ziemlich genau hundert Jahren drahtlose Sprachverbindungen gelun-gen sind, deren Klarheit und Verstän-dlichkeit bei den Menschen seiner Zeit Ängste auslöste. Nathan B. Stubble-fi eld war ein Zeitgenosse von Alexan-der Graham Bell und kannte dessen Erfi ndungen. Stubblefi eld stellte draht-lose Verbindungen auf induktivem Weg her, genau in der Weise, wie wir es vom Transformator kennen. Für diese Ex-perimente, und das ist hier spannend, nutzte er ungewöhnliche Energiequel-len: Den Strom lieferten seine so ge-nannten „Erdbatterien“. Das Prinzip, das dahinter steckt, ist uns allen geläu-fi g. Ein Stab aus Kupfer und ein zweiter Stab aus Zink werden in die Erde ge-trieben, und durch Reaktionen mit Stof-fen im Erdreich entsteht zwischen den Stäben eine niedrige elektrische Span-nung. Doch bei den Experimenten von Stubblefi eld verhielten sich die Dinge angeblich anders. Hier berichtet die Überlieferung, dass bei diesen Expe-rimenten große Energiemengen frei wurden. Für seine „Erdbatterien“ ver-wendete Stubblefi eld Spulen (Bild 1), und die Legende behauptet, dass hohe Spannungen und Ströme aus der Erde heraustraten. Stubblefi elds Experimen-te fi elen völlig aus dem Rahmen seiner Zeit. Erhalten ist eine Zeichnung, auf der er skizziert hat, wie eine drahtlose Verbindung zwischen einem Schiff und dem Festland zustande kommen kann (Bild 2). Eine solche Verbindung ist Stubblefi eld tatsächlich gelungen. Spä-ter ereilte Stubblefi eld ein eher tragis-ches Schicksal. Die Geldgeber ließen ihn im Stich, Stubblefi eld zog sich ein-sam in seine Werkstatt zurück. Bevor er die Welt verließ, vernichtete er sei-ne Versuchsaufbauten, so dass er das Geheimnis der „Erdbatterie“ ins Grab mitnahm. Nur eine schlichte Gedenk-tafel in seinem Wirkungsort Murray in Kentucky erinnert noch an ihn.

MIT HOCHSPANNUNGAuf keinen Fall unerwähnt bleiben darf hier Nikola Tesla, der von 1896 bis 1943 lebte und nicht nur vieles buchstäblich unter Hochspannung setzte, sondern auch den Induktionsmotor erfand. Außer den Experimenten mit Hoch-

Bild 2. Stubblefi elds drahtlose Verbindung zwischen Schiff und Festland.

Bild 3. Nikola Tesla wollte mit diesem Empfänger „Freie Energie“ auffangen.

spannung, die wissenschaftlich erklär-bar und reproduzierbar sind, war Tesla auch eine Art Prophet. Er konfrontierte seine Zeitgenossen mit der Aussicht, dass es bald möglich sein werde, über einen Sendeempfänger, ungefähr so groß wie eine Uhr, Kontakt mit Perso-nen aufzunehmen, die sich am ande-ren Ende der Welt aufhalten. Für uns ist die weltweite mobile Kommunika-tion zur Alltäglichkeit geworden, doch sie entwickelte sich anders, als Tesla es sich vorstellte. Tesla hatte die Idee, große Energiemengen in den erdumge-benden Raum zu injizieren, sie sollten die drahtlose Kommunikation und noch einiges mehr möglich machen. Geplant und begonnen wurde ein spezielles Projekt, das den Namen „Wardenclyffe project“ bekam. Ein sechzig Meter ho-her Turm sollte die elektromagnetische Energie abstrahlen, Teilmengen der Energie, so war die Vorstellung, soll-ten an einem beliebigen Ort „aus der Luft“ abgegriffen werden können. Lei-der kam vieles anders als erhofft. Das

22 elektor - 4/2007

INFOTAINMENT ENERGIE

ZURÜCK INS HEUTEHerausragende Erfinder-Persönlich-keiten wie Tesla und Stubblefi eld gibt es heute nur noch höchst selten. Ob sich die gegenwärtig lebenden Nach-folger, die auf Teslas und Stubblefi elds Spuren wandeln, mit jenen messen können, sei dahingestellt. Wenn man auf Spurensuche im Internet geht, erlebt man auch einiges, das weni-ger überrascht. Es scheint so, als ob die Mehrzahl der Gurus, die sich mit „Freier Energie“ beschäftigen, in den USA beheimatet sind. Doch es gibt Ausnahmen. Bei meinen nach längerer Suche nur noch wenig ergiebigen Streif-zügen im Internet traf ich unverhofft und staunend auf eine ungewöhnliche Website. Ihre Aufmachung war so, wie ich es von der „Free energy“-Gemein-de kannte. Undurchsichtig und ver-schwommen, so kam es mir vor, Fotos mit Leitungen, Kabeln und einem Mul-timeter auf einem Tisch, Darstellungen mit blinkenden Lampen - Mr. Keshe und seine „Message in a bottle“.

MESSAGE IN A BOTTLE!Es sollte noch einige Monate dauern, bis ich Gelegenheit erhielt, Mr. Keshe in Person zu begegnen. Bei der ersten telefonischen Kontaktaufnahme war ich von einem Mitarbeiter abgewiesen worden, mit der Begründung, dass ich von der Sache sicher nichts verstehe. Und deshalb hätte es keinen Sinn, dass ich an Ort und Stelle vorbeischaue. Ei-nige Zeit später war mein Besuch doch erwünscht. Ich hatte versprechen müs-sen, Mr. Keshes Forschungen zu un-terstützen und für seine Arbeit in der Öffentlichkeit zu werben. Doch dafür wollte ich mich nicht so ohne Weiteres hergeben. Der Kontakt verlief im Sand, bis ich einige Wochen später noch ein-mal zum Telefon griff und Mr. Keshe persönlich erreichte. Ja, so sagte er, er wolle mich gern empfangen.Wir vereinbaren ein Treffen in einem drittklassigen Hotel in Antwerpen, das bei dem schlechten Wetter noch etwas trister wirkt. Mr. Keshe ist gebürtiger Iraner, von Beruf „Nucleair Scientist“, er studierte am Queen-Mary-College der Universität London. Sein heuti-ges Domizil liegt in Belgien, im Ges-präch betont er mehrfach, dass er die Unterstützung der belgischen Regie-rung genießt. Mr. Keshe präsentiert mir eine gewöhnliche, aber präparier-te Cola-Flasche aus Kunststoff (Bild 4) und deutet vielsagend an, dass sie das Geheimnis der zukünftigen Welt-energieversorgung in sich trägt. Ne-

benbei löst sie auch das Problem des weltweiten Klimawandels, sie produ-ziert kostengünstig und auf neuartige Weise Grundmaterial für die Nanotech-nologie, und ferner kann sie fl exible ein-adrige Leitungen in mehradrige Kabel verwandeln (ich will an dieser Stelle nicht auch noch über Keshes Ideen zum Thema „Schwarze Löcher“ und seine Vorstellungen vom Reisen durch Zeit und Raum berichten). Die Grundlagen für seine Entdeckungen und Erfi ndun-gen seien die Erkenntnisse, die Keshe bei seinen Untersuchungen der Zusam-menhänge zwischen Erdmagnetismus und Schwerkraft gewonnen hat. Meine Frage, welche grundlegenden Theorien das Fundament seiner Überzeugungen sind, beantwortet Keshe nur auswei-chend. Er sei zu seinen Erkenntnis-sen durch intensive Studien und kon-sequentes Schlussfolgern gekommen. Keshe wörtlich: „Es ist wirklich nichts Mysteriöses dabei, es ist bekannt, wie die Energie der Welt wirkt und wie das Weltall zusammenhält. Ich habe mir dies zu eigen gemacht und über-trage es auf gebrauchstaugliche Pro-dukte. Jeder weiß heute, dass täglich Millionen neuer Sterne im Weltall ents-tehen, doch wenn ich diesen Prozess im Mikrokosmos nachvollziehe, stoße ich auf Ungläubigkeit und Skepsis.“ Mit dem „Nachvollziehen im Mikrokos-mos“ kündigt Keshe seine anschließen-de Demonstration mit der Cola-Flasche an. Anlässlich unseres Zusammentref-fens hat er eine neue Cola-Flasche prä-pariert, eine handelsübliche Flasche aus Kunststoff, in die seitlich kleine kupferne Spieße halb hineingestoßen sind. Die kupfernen Spieße werden durch Kunststoffkleber an ihrem Platz gehalten. Der Clou ist jedoch weniger die Flasche mit den Spießen, sondern

Bild 4. Die Cola-Flasche und die Lösung des Energieproblems (www.keshetechnologies.com).

Entdeckungs-reise im NetzOb etwas Wahres daran ist oder nicht, die „Freie Energie“ bleibt spannend. Als Suchbegriff garantiert „free energy“ viele Stunden Beschäftigung mit den erstaun-lichsten Websites. Einige Websites, die wir fanden, sollen nicht unerwähnt bleiben:

www.teslascience.org - Eine Gruppe von Idealisten setzt sich

dafür ein, das Grundstück und das Ge-bäude von Teslas „Wardenclyffe“-Pro-jekt zu erhalten.

www.keshetechnologies.com - Spannendes verspricht schon die Ein-

gangsseite. Wer weiter vorstößt, kann sich über den aktuellen Stand der For-schungen und Forschungsobjekte (ein-schließlich Cola-Flasche) von Mehran Keshe informieren.

www.nuenergy.org/alt/archive.htm - Dies ist eine bunte Mischung aus Infor-

mationen über Projekte, deren Schwer-punkte die alternativen Energien sind.

www.nathanstubblefi eld.com - Hommage an Nathan Stubblefi eld und

seine legendären Erfi ndungen.

Projekt nahm mit offi zieller fi nanzieller Unterstützung einen schwungvollen Anfang, doch dann schlug die Begeis-terung in Angst vor den vermuteten Nebenwirkungen der enormen elek-trischen Kräfte um. Teslas Großprojekt wurde abgebrochen und niemals wie-der aufgenommen.Von Tesla ist auch bekannt, dass er versuchte, Energie aus dem erdum-gebenden Raum zu nutzen. Konkret bestand seine Idee darin, eine riesige Metallplatte aufzustellen und ihr die Energie mit Hilfe eines mechanischen Gleichrichters zu entnehmen (Bild 3). In späteren Jahren seines Lebens ve-reinsamte Tesla (so wie Stubblefi eld). Er hielt noch jährliche Tagungen ab, zu denen er Journalisten einlud und ihnen ungewöhnliche Experimente vorführte. Zur Ehre von Nikola Tesla wird heute die magnetische Flussdichte in der Einheit „Tesla“ gemessen.Das alles ist Vergangenheit. Wie schon erwähnt, erinnert an Stubblefi eld nur eine Gedenktafel in Murray, Kentucky, und zu Teslas Hinterlassenschaft ge-hören die Ruinen des Wardenclyffe-Pro-jekts auf Long Island.

234/2007 - elektor

vielmehr die Spezialflüssigkeit, die Keshe entwickelt hat. Das Rezept der Flüssigkeit ist natürlich geheim, Keshe betont, dass von ihr keine Gefahren für Mensch und Tier ausgehen. Mr. Keshe füllt die Cola-Flasche, schüttelt kurz, legt sie beiseite und setzt das Ge-spräch mit mir fort. Ich darf noch ande-re Cola-Flaschen besichtigen, die von vorangegangen Demonstrationen her-rühren. Hier ist unübersehbar, dass die Flaschenwände an Substanz verloren haben. Offensichtlich ist der Kunststoff durch die chemische Reaktion mit der Flüssigkeit spröde und körnig gewor-den. „Was Sie hier an den benutzten Flaschen sehen, ist tatsächlich die Lösung des CO2-Problems“, sagt Mr. Keshe mit Nachdruck in der Stimme, „diese Reaktion wird uns in die Lage versetzen, Kohlendioxid in Materie umzuwandeln, die gefahrlos mit dem Hausmüll entsorgt werden kann.“

„ENERGIEZELLE DER ZUKUNFT“Inzwischen hat sich in der neuen Cola-Flasche etwas getan. Die kup-fernen Spieße sehen im Flaschenin-nern schwarz aus. Mr. Keshe öffnet die Cola-Flasche und gießt die Flüssig-keit in eine andere, gläserne Flasche zurück. „Diese Cola-Flasche hat in der letzten halben Stunde um viele hun-dert Euro an Wert gewonnen“, so sagt er. Den schwarzen Niederschlag nennt er „Graphene“, es sei eine Graphit-Sub-stanz mit Nanostruktur. „Gewöhnlich können Sie solches Material nur unter extremen Druck- und Temperaturve-rhältnissen herstellen, hier geschah es bei Zimmertemperatur.“ Er fügt hinzu, dass jede Analyse mit speziellen Mess-

geräten der Diamant-Industrie die Ma-terial-Echtheit bestätigt.Jetzt folgt das nächste Staunen: Die Cola-Flasche ist leer, der Flaschenver-schluss abgeschraubt, Mr. Kleshe greift zu einem einfachen, ganz gewöhn-lichen Digitalmultimeter. Er schließt die Messclips für einige Sekunden kurz, um zu demonstrieren, dass das Gerät null Volt anzeigt. Dann misst er die Spannung zwischen mehreren Flaschenspieß-Paaren. Das Multimeter zeigt einmal 600 mV an, ein anderes Mal sind es 800 mV (Bild 5). „Na hop-pla“, höre ich ganze Leserscharen ru-fen, „das muss aber näher untersucht werden!“ Ich stimme mit jedem einzel-nen Leser überein, der dieser Ansicht ist. Auf Grund meiner Fachkenntnisse und Erfahrungen kann ich bestätigen, dass das, was ich gerade auf der an-deren Tischseite beobachten konnte, zumindest ungewöhnlich war.„Nach diesem Prinzip wird die Ener-giezelle der Zukunft arbeiten“, fügt Mr. Keshe hinzu. „In nicht allzu ferner Zukunft wird man für einen Euro eine Energiezelle kaufen können, deren Le-bensdauer prinzipiell unbegrenzt ist. Heute sind elektronische Schaltungen und ihre Stromquellen noch voneinan-der getrennte Systeme. Zukünftig wird die Energiezelle schon bei der Chip-Herstellung auf den Chip aufgedampft werden, der Chip wird bereits in Funk-tion sein, wenn er den Produktionsort verlässt.“Nicht weniger von Interesse ist für mich der schwarze Niederschlag in der Cola-Flasche, denn das Nanotech-nik-Material leitet den Strom nicht, es isoliert. Mr. Keshe demonstriert, dass eine einfache einadrige Leitung,

Bild 5. Zwischen den kupfernen Spießen in der Cola-Flasche sind niedrige elektrische Spannungen messbar.

Mehra Keshe, Nucleair Scientist.

die aus vielen miteinander verdrill-ten Einzeladern besteht, in der Cola-Flasche zu einem mehradrigen Kabel verwandelt wurde. Alle Einzeladern werden durch den schwarzen Belag wirksam voneinander isoliert (Bild 6). Das Multimeter tritt wieder in Aktion, und in den Ohm-Bereich geschaltet, beweist es die vollständige Isolation der Einzeladern.Der abschließende Teil unseres Ges-prächs hat überwiegend die Perspek-tiven zum Inhalt, die sich aus den von Mr. Keshe gewonnenen Erkenntnissen ergeben. Thema sind auch die schwar-zen Löcher, die uns umschließen kön-nen und mit denen wir zukünftig durch Raum und Zeit reisen werden, es geht um Antischwerkraft-Systeme sowie um Mr. Keshes Ideen zur Lösung sämt-licher (!) Energieprobleme.Ist Mehran Keshe ein begnadeter Se-her und Prophet? Oder habe ich bei dem Experiment mit der Cola-Flas-che etwas übersehen, das das Gese-hene ganz einfach erklärt? Habe ich irgendeinen Grund, die Aufrichtigkeit dieses Mannes anzuzweifeln? Nach Keshes Angaben sind zur Zeit mehre-re Universitäten und wissenschaftli-che Institute damit beschäftigt, sei-ne Erfi ndungen zu untersuchen. Die von dort kommenden Rückmeldun-gen bestätigen, so sagt er, dass die von ihm propagierten Eigenschaften zutreffen.Wie schon oft in der Menschheits-geschichte wird die Zeit die Wahrheit ans Licht bringen. Es bleibt die Frage, weshalb dieser Mann in dieser Manier in die Öffentlichkeit geht. Dazu sagt Keshe: „Wenn Sie von Ihren Erkennt-nissen überzeugt sind, müssen Sie sie in jeder Form vertreten“. Mir bleibt nur übrig, abzuwarten...

(070096)gd

24 elektor - 4/2007

TECHNIK SOLARENERGIE

Zusammen mit der Wind- und Wasser-kraft gehört die Solarenergie zu den so genannten „Regenerativen Energien“, deren Nutzung weder CO2-Emissionen noch radioaktiven Müll verursacht. Im Kampf gegen den aktuell vieldiskutier-ten Klimakollaps trägt auch die Photo-voltaik - hierbei gewinnen Solarzellen aus der Sonnenenergie direkt elek-trischen Strom - einen kleinen Teil bei (in Deutschland wurden in 2005 etwa 0,2 % des Strombedarfs photovolta-isch erzeugt [1]). Zwar setzen solche Zellen nur einen relativ kleinen Bruch-teil der Strahlungsenergie (in hiesigen Breiten erreichen uns bis zu 1000 W/m2) in elektrische Energie um - bei den gebräuchlichsten Zellen aus poly-kristallinem Silizium beträgt der Wir-kungsgrad zwischen 14 und 17 %. Ein handelsübliches Großmodul, das aus solchen Zellen zusammengesetzt ist, spart in zwei bis drei Jahren dennoch etwa so viel CO2 ein, wie bei seiner Herstellung entsteht.

KNAPPES SILIZIUMWirtschaftlich geht die Rechnung lei-der noch nicht auf – je nach der Größe der Solaranlage, der angenommenen Lebensdauer der Module, den Sonnen-stunden im Jahr und einiger weiterer Parameter kostet eine photovoltaisch erzeugte Kilowattstunde zwischen 35 und 60 Cent. Denn die Herstellung und Reinigung des Siliziums ist auf-wendig und teuer – schließlich muss das Material annähernd so rein sein wie in der Chipindustrie. Um den So-larstrom dennoch zu fördern, haben einige der EU-Staaten so genannte Einspeisevergütungen gesetzlich vor-geschrieben, so dass sich der Besitz oder die Beteiligung an einer Anlage inzwischen sogar als Geldanlage ren-tiert. In Deutschland [2] hat das Er-neuerbare-Energien-Gesetz (EEG) [1] im vorletzten Jahr zu einem weltmeis-terlichen Solar-Boom geführt - mit 957 MW kam in der Bundesrepublik mehr als doppelt so viel Modulleistung hin-zu wie in den beiden folgenden Län-dern Japan und USA zusammen [3]. Dies mit der Folge, dass die Module

knapp und bei manchen Anbietern bis zu 30 % teurer geworden sind. Der Fla-schenhals bei der Herstellung der Mo-dule liegt dabei beim Reinstsilizium - die Zeiten, in denen man „die paar“ installierten Solarzellen aus den Abfäl-len der Chipindustrie fertigen konnte, sind lange vorbei. Erst in 2008 und den Jahren danach wird wieder mit einer Entspannung gerechnet. Dann sollen genügend Fabriken arbeiten, die So-larsilizium herstellen – darüber hinaus könnten alternative Zellkonzepte (sie-he Kasten) zu einer ernstzunehmenden Konkurrenz werden.

FERNAB VOM NETZVon den hohen Preisen der Solarmodu-le sind leider auch all jene betroffen, die mit dem Strom kein Geld verdie-nen, sondern lediglich ein wenig Unab-hängigkeit vom Netz erlangen wollen. Camper, Bootsbesitzer, Gartenhauseig-ner und experimentierwillige Elektro-niker müssen wohl oder übel etwas tiefer in die Tasche greifen.Dagegen kann der Rest einer solchen

Solarkraftwerke für DummysDummys Einfache Photovoltaik-InselanlagenEinfache Photovoltai

Von Dr. Thomas Scherer und Jens Nickel

Zur Stromversorgung fernab vom Netz bieten sich kleine Solaranlagen an. Der Aufbau einer solchen Inselanlage ist nicht schwer – ob als Bausatz oder aus selbst zusammengestellten Komponenten. Wir geben Tipps zur richtigen Dimensionierung.

Akku

Lade-regler

Last

Solarzellen

060313 - 12

254/2007 - elektor

Inselanlage – wenn man von der ty-pischen Leistung von einigen 10 W bis zu einigen 100 W Spitzenleis-tung ausgeht - recht einfach und da-mit preiswert gehalten werden. Die Systeme eignen sich auch prima zum Selbstbau.Da Inselanlagen nicht über komplexe Einheiten zur Einspeisung überschüs-siger Energie in das Wechselstromnetz verfügen und dementsprechend auch nicht die strengen Sicherheitsrichtli-nien für netzgekoppelte Solaranlagen einhalten müssen, fällt das Prinzip-schaltbild (siehe Bild 1) äußerst simpel aus. Als Spannungsquelle bzw. Gene-rator dient ein Solarmodul. Da dessen Ausgangsspannung von einer Viel-zahl von Faktoren abhängt (die wich-tigsten sind Einstrahlung, Temperatur und Belastung), kann man das Modul nicht einfach mit einem passenden Akku verbinden. Zwischen die beiden Hauptkomponenten wird mit dem La-deregler ein Stück Elektronik geschal-tet, das zwischen dem Energieangebot und den Erfordernissen des Akkus ver-mittelt (Bild 2).

GLEICH- UND WECHSELSTROMUm lange Freude an einer Solaranla-ge zu haben, werden nämlich spezi-elle Akkus verwendet, die oft sogar als „Solar-Akkus“ bezeichnet werden (Bild 3). Dabei handelt es sich aller-dings um die altbekannten „war-tungsfreien“ und lageunempfi ndlichen Blei-Gel-Akkus. Die Wartungsfreiheit

und eine geringe Selbstentladung er-kauft man sich im wahrsten Sinne des Wortes durch einen im Vergleich zu konventionellen Starterakkus höheren Preis. Darüber hinaus ist die Belast-barkeit nicht ganz so hoch. Nichtsdes-totrotz handelt es sich um einen Blei-Akku, der vom Laderegler gegen Über-ladung, zu hohe Ladeströme und im Idealfall natürlich auch vor Tiefentla-dung geschützt werden muss. Auf der Eingangsseite des Ladereglers hat die Elektronik dafür zu sorgen, dass die So-larzellen möglichst so belastet werden, dass sich der optimale Wirkungsgrad ergibt [4].Einfache Inselanlagen kommen also le-diglich mit drei Komponenten aus, die bezüglich der benötigten elektrischen Leistung aufeinander abgestimmt sein sollten. Im Kleinleistungsbereich bis hin zu einigen hundert Watt sind 12-V-Solarmodule üblich, die bei Be-darf auch (über Schutzdioden) paral-lel geschaltet werden können. Schalt-regler und Akkus sind meist auch für 12 V ausgelegt. Möchte man ein paar Lampen und sonstige Verbraucher mit 12 V speisen, war es das auch schon. Schließlich gibt es für Wohnmobile so-gar spezielle 12-V-Kühlschränke und Niederspannungs-Halogenlampen in brauchbaren Leistungsklassen. Doch auch wenn es bereits spezielle „12-V-Netzteile“ für Laptops gibt, so lassen sich doch lange nicht alle elektrischen Geräte mit 12-V-Gleichspannung be-treiben; manchmal ist die Umrüstung auch zu teuer oder unverhältnismäßig. Der wahre Luxus ist daher auch bei ei-ner Inselanlage die gewohnte 230-V-Wechselspannung. Hierzu braucht es als vierte Komponente einen Wechsel-richter. Die Anforderungen an ihn sind vor allen Dingen ein hoher Wirkungs-grad und eine geringe Ruhestrom-aufnahme. Mittlerweile gibt es sogar Laderegler mit integriertem Wechsel-richter zu kaufen, was die Dimensio-nierung und Verkabelung erheblich einfacher macht (Bild 4). Mit solchen integrierten Ladereglern ist der Auf-bau einer 230-V-Anlage dann fast so einfach wie der einer 12-V-Anlage – nur etwas teurer.

Einfache Photovoltaik-Inselanlagenk-Inselanlagen

Bild 1. Das Prinzipschaltbild einer Inselanlage ist äußerst simpel.

Bild 2. Der Laderegler vermittelt zwischen dem Energieangebot und den Erfordernissen des Akkus (Foto: Phocos AG).

Vor allem in wenig elektrifi zierten Regionen spielen solare Inselanlagen eine bedeutende Rolle. Hier ein 4,2-kW-Inselsystem in Indonesien (Foto: Schott Solar GmbH).

26 elektor - 4/2007

TECHNIK SOLARENERGIE

EIN PAAR BERECHNUNGENDiverse Hersteller bieten sogar kom-plett aufeinander abgestimmte Bausät-ze aus Modul(en), Laderegler und Akku an. Am einfachsten macht man es sich, wenn man in ein Fachgeschäft geht und sich beraten lässt. Doch auch da sind eigene Überlegungen und Über-schlagsrechnungen angebracht, will man die Anlage nicht überdimensio-nieren oder gar unterdimensionieren, was durch Sparsamkeit am falschen Platz teurer als nötig werden kann.Zwar ist das Internet des Hobby-Solar-anlagenbauers Freund und etwas eige-ne Recherche sei jedem Interessierten wirklich ans Herz gelegt, doch fi ndet man innerhalb dieser immensen Fül-le an Informationen oft den Wald vor lauter Bäumen nicht. Von daher gibt es nachfolgend ein paar Daumenregeln und Überschlagsrechnungen, welche die Orientierung erleichtern.Die maximal benötigte Leistung ergibt sich aus allen gleichzeitig aktiven Ver-brauchern. Für eine Beleuchtung des Wohnmobils oder Gartenhäuschens sollte man 50 W veranschlagen. Auch bei besonders sparsamen Kühlschrän-ken ist mit gut 100 W für den Motor des Kompressors zu rechnen. An dieser Stelle zeigt sich übrigens ein wichtiger Unterschied zwischen der 12-V- und 230-V-Technik. Bei der Hochvoltausfüh-rung muss der Wechselrichter im Mo-ment des Anlaufens des Kühlschrank-kompressors bis zum Zehnfachen der reinen Motorleistung liefern können; andernfalls schaltet der Wechselrichter ab. Wenn man das Überlastlämpchen erst abends bemerkt, ist die Wurst schon schlecht. Einen guten Kompro-miss zwischen Strombedarf und Kühl-bedürfnis stellen spezielle Kühlboxen dar – aber nicht die billigen Exemplare mit Peltier-Element, denn diese sau-gen wegen des schlechten Gesamt-wirkungsgrades einen Akku ruckzuck leer. Eine gute Kühlbox mit Kompressor ist eine Art Mini-Kühlschrank, der mit unter 50 W Motorleistung auskommt.

ENERGIEVERBRAUCHÜblicherweise wird auch bei langen Skatnächten nicht die komplette Be-leuchtung gleichzeitig eingeschaltet sein. Mit 50 Wh kann man eine 10-W-Lampe immerhin fünf Stunden brennen lassen. Hier sind aus Energiespargrün-den Leuchtstoffl ampen jeder Halogen-beleuchtung um mehr als das doppel-te überlegen. Mit Kühlschrank explo-dieren die Anforderungen und in der Folge die Kosten. Auch richtige Ener-

Kleine ZellenkundeDie kleinste stromerzeugende Einheit einer Solaranlage heißt Solarzelle. Eine solche Solar-zelle ist immer aus mindestens zwei verschiedenen Materialien aufgebaut, die häufi g als zwei dünne Schichten übereinander liegen. Eines der beiden Materialien dient bei Lichtein-fall als Elektronenlieferant, das andere Material ist dagegen „elektronen-liebend“. Essentiell ist eine Art Sperre für Elektronen zwischen den beiden Materialien - Resultat ist dann eine elektrische Spannung. Kontaktiert man nun beide Materialien jeweils mit einer Elektrode aus einem guten Leiter wie Metall, und verbindet man die Elektroden über einen Verbraucher „außenherum“, so verrichten die Elektronen „gerne“ die gewünschte Arbeit.

Zone desp-n-Übergangs

Elektron

Metallkontakt

Antireflektions- schicht

n-dotierte Schicht

060313 - 11

p-dotiertes Silizium

Rückseitenkontakt (vollflächig

fehlendes Elektron("Loch")

Die mit Abstand gebräuchlichste Solarzelle wird aus einer dünnen Scheibe mono- oder poly-kristallinen Siliziums gefertigt (polykristalline Zellen zeigen nach dem Sägen und Schleifen die typische Eisblumenstruktur). Das Silizium ist sehr rein, aber mit einer äußerst geringen Menge Bor dotiert (gezielt verunreinigt), wobei eine dünne Schicht an der Oberfl äche mit Phosphor dotiert wird [5]. Innerhalb der Zelle entsteht dann ein p-n-Übergang, genau wie bei einer Diode. Bei Lichteinfall werden in der Zelle Elektronen „frei“; darüber hinaus entste-hen auch positive Ladungsträger, nämlich die „Löcher“, welche die Elektronen zurücklassen. Die Ladungsträger werden im elektrischen Feld des p-n-Übergangs getrennt, was (teilweise) verhindert, das Elektronen und Löcher gleich wieder rekombinieren. Die Spannung, die man über (Silber-)Kontakte zwischen der Ober- und Unterseite der Zelle abgreifen kann, beträgt etwa 0,6 V. Der Strom ist proportional zur Zellenfl äche, der einfallenden Licht energie und dem Wirkungsgrad. In unseren Breiten liefert eine handelsübliche polykristalline Zelle ein paar Ampere. Höhere Spannungen und Ströme erreicht man durch Hintereinanderschalten von Zellen zu „Strings“ und Parallelschalten solcher Zellenketten innerhalb von Modulen.Polykristalline Zellen erreichen bis etwa 17 %, monokristalline Zellen bis zu 22 % (auf die Modulfl äche bezogen ist der Wirkungsgrad allerdings niedriger). Noch bessere Wirkungs-grade können Zellen aus Germanium, Galliumarsenid und einigen weiteren Verbindungen erreichen; sie sind jedoch teurer und werden daher nur für Spezialanwendungen eingesetzt. Tandem- und Triple-Junction-Zellen bestehen aus mehreren Schichten übereinander, von denen jede für einen bestimmten Wellenlängenbereich besonders empfi ndlich ist. Schließ-lich gibt es noch die Möglichkeit, das Sonnenlicht durch Linsen auf eine kleinere Fläche zu konzentrieren. Mit all diesen „Tricks“ ließ sich der Weltrekord beim Wirkungsgrad kürzlich auf über 40 % steigern [6].Andere Konzepte zielen weniger auf einen höheren Wirkungsgrad denn auf niedrigere Kosten. Das Ziel ist, entweder erheblich weniger oder gar kein Reinstsilizium einsetzen zu müssen. Ein Beispiel sind die so genannten CIS-Module, die zum Beispiel von der Firma Würth gefer-tigt werden [7], allerdings noch nicht in so großen Stückzahlen, um der Bastion der Silizium-zellen wirklich gefährlich werden zu können. Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizi-um mit Wirkungsgraden bis zu etwa 10 % besitzen mittlerweile ein so gutes Preis-/Leistungs-verhältnis, so dass sie sich als Alternative empfehlen. Vorausgesetzt natürlich, dass genug Fläche für die Aufstellung der Module vorhanden ist.Noch nicht auf dem Markt sind Farbstoff-Solarzellen, bei denen ein organischer Stoff als Elektronenlieferant dient (siehe Poster in diesem Heft).

274/2007 - elektor

giesparmodelle (natürlich ohne Ge-frierfach und optimal aufgestellt bzw. eingebaut) schlucken im Sommer leicht über 300 Wh pro Tag. Eine ausreichend dimensionierte Inselanlage kann dann leicht ein paar Tausende kosten. Pra-xisgerechter und bezahlbarer sind die oben erwähnten Kühlboxen, die bei Kompressorbetrieb und guter Platzie-rung typischerweise mit unter 100 Wh pro Tag auskommen können.In der Praxis ergeben sich also grob unterteilt zwei Typen von Inselanla-gen: Einmal die Basisvariante mit ca. 50 W Spitzenleistung und einer pro-jektierten Energiemenge von 50 Wh/Tag, die für Beleuchtungszwecke und zum Aufl aden von MP3-Playern oder Kamera-Akkus ausreicht. Und dann noch die Variante mit Kühlbox, die mit gut 100 W Maximalleistung und 150 Wh Energiebedarf pro Tag projektiert sein muss. Falls es im Urlaub und im Wochenendhäuschen auch Fernse-hen geben soll, ist es vernünftig, auf die kleinen LCD-Fernseher mit einigen Zoll Bildschirmdiagonale zu setzen, da diese nur einige wenige Watt ver-brauchen. Diagonalen über 10 Zoll er-fordern bei der Solaranlage ein Mehr-faches des Gerätepreises extra...

DIMENSIONIERUNGDie Frage, wie groß denn das Solarmo-dul ausfallen muss, ist nicht einfach und schon gar nicht „exakt“ zu beant-worten. Es spielt eine Rolle, wie hoch die zu erwartende Sonneneinstrahlung im Mittel ist, und ob die Gewinnung der nötigen Energie auch bei leicht be-wölktem Himmel garantiert sein soll. Dann muss man noch die Frage klären, wie viel Reserve-Energie der Akku be-reithalten sollte.Handelsübliche Bausätze sind norma-lerweise nach einer Art „1-1-1“-Pi-mal-Daumen-Regel dimensioniert - und die passt für die überwiegende Anzahl der Anwendungen in Mitteleuropa. Ge-meint ist damit, dass für einen Ener-gieverbrauch von 1 Wh/Tag ein Akku mit einer Kapazität von 1 Ah (bei 12 V) und Solarzellen mit einer Spitzenleis-tung von 1 Wp ausreichen. Der Akku kann daher auch schon mal ein paar schattige Tage überbrücken. Der zuge-hörige Laderegler wird üblicherweise deutlich überdimensioniert, damit man im Bedarfsfall sowohl weitere Solar-Module und/oder weitere Akkukapa-zität nachrüsten kann.Für die 50-W-50-Wh-Basisvariante ist die Frage nach dem richtigen Modul und Akku also schnell beantwortet. Ein

Solar-Modul mit 50 Wp (das üblicher-weise angehängte kleine „p“ bedeu-tet „peak“ und meint damit die Spit-zenleistung) und ein Akku mit 50 Ah sind genug. Mit Laderegler und 230-V-Wechselrichter kommt ein solches Pa-ket auf einen Preis von etwa 500 bis 1000 Euro. Der Löwenanteil liegt da-bei auf den Solarzellen, was für die Zu-kunft eher sinkende Preise erwarten lässt. Für die kühlende Variante mit ihren geschätzten 150 Wh/Tag wäre ein 150-Wp-Modul (oder zwei 75-Wp-Module) plus Akku zwischen 100 und 200 Ah geeignet - und zwischen 1500 und 2000 Euro zu veranschlagen.

Der Modultyp ist für ökonomisch den-kende Menschen übrigens sekundär. Ob (poly-)kristalline oder amorphe Zellen – entscheidend ist der Quoti-ent aus Watt und Geld, also das Preis-/Leistungsverhältnis. Da es nicht nur 12-V-Ausführungen gibt, muss der La-deregler selbstverständlich mit dem Spannungsbereich der ausgewählten Module umgehen können. Und der Wechselrichter sollte bei Einsatz einer Kühlbox mindestens 500 W Spitzenleis-tung abgeben – besser etwas mehr.Das Angebot ist in jedem Fall extrem vielfältig: Sogar Conrad und Reichelt

haben Pakete für kleine Solaranlagen im Programm. Man fi ndet bei diesen beiden Anbietern sogar Komponenten für Kleinstanlagen, die für ein Garten-lämpchen oder einen Springbrunnen im Gartenteich ausreichen. Die kleins-ten Inselanlagen sind übrigens diese billigen Gartenleuchten, welche aus drei kleinen Solarzellen, einer Diode, einem Widerstand (= Laderegler) und einem 1,2-V-NiCd-Akku bestehen. Das reicht in unseren Breiten immerhin dazu, eine LED die ganze Nacht leuch-ten zu lassen.

(060313)

WEBLINKS[1] www.erneuerbare-energien.de[2] www.solarfoerderung.de[3] www.photon.de[4] www.elektor.de/Default.aspx?ta

bid=27&art=5550461&PN=On (ELEKTOR 6/2005, „Sonnenstrom“)

[5] http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle

[6] www.spectrolab.com/com/news/news-detail.asp?id=172

[7] www.wuerth-solar.deBild 3. Gegenüber konventionellen Bleiakkus bieten Solar-akkus Wartungsfreiheit und eine geringere Selbstentladung (Foto: Deutsche Exide GmbH).

Bild 4. Laderegler mit integriertem Wechselrichter: Der Aufbau einer 230-W-Anlage ist damit fast so einfach wie der einer 12-V-Anlage (Foto: Fronius International GmbH).

Anze

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28 elektor - 4/2007

PRAXIS STROMVERSORGUNG

Für die Umsetzung einer Wechselspan-nung in eine höhere oder niedrigere verwendet man wegen des guten Wirkungsgrades und der galvanischen Trennung Transformatoren. Will man eine Gleichspannung umsetzen, muss sie zuerst in eine Wechselspannung umgewandelt werden. Dazu bedarf es einer Schaltung, mit deren Hilfe sich die Polarität der Gleichspannung fort-laufend ändert.

PRINZIPIn der Praxis kommen zwei unterschied-liche Schaltungskonzepte für Wechsel-richter zum Einsatz:- Direkte Wandlung mit 50-Hz-Trans-

formator.- Wandlung nach dem Schalt netzteil -

prinzip.

Bei der direkten Konvertierung wird die 12-V-Gleichspannung 50 Mal pro Sekunde mit Hilfe von (elektronischen) Schaltern umgepolt und an die Primär-wicklung eines handelsüblichen 50-Hz-Netztransformators gelegt (Bild 1). Die Ausgangsspannung ist in diesem Falle rechteckförmig und hängt vom Überset-zungsverhältnis der Trafowicklungen ab. Vorteil dieses Schaltungskonzeptes ist der geringe Schaltungsaufwand. Nachteilig sind die Größe und das Ge-wicht eines 50-Hz-Netztransformators, wodurch diese einfache Lösung für Leistungen über 200 VA etwas unhand-lich wird.Wandler nach dem Schaltnetzteilprinzip (Bild 2) schalten die Eingangsgleich-spannung ebenfalls. Dies geschieht jedoch nicht mit 50 Hz, sondern in der Regel mit 30 bis 100 kHz. Bei dieser ho-

hen Arbeitsfrequenz kann der Trans-formator sehr klein und damit leicht ausgelegt werden. Logischerweise hat auch die Ausgangsspannung dieselbe hohe Frequenz. Die Ausgangsspan-nung wird deshalb zuerst gleichgerich-tet und auf eine Brückenschaltung mit vier elektronischen Schaltern gegeben, welche die Gleichspannung 50 Mal pro Sekunde umpolt. Hierfür ist ein be trächtlicher Aufwand an Elektronik notwendig. Hinzu komm, dass der HF-Transformator (Übertrager) nicht von der „Stange“ gekauft werden kann, sondern selbst auf einen Ferritkern gewickelt werden muss. Des Weiteren sind wegen der bei diesem Konzept auftretenden hochfrequenten Störspan-nungen spezielle EMV-Eingangsfi lter erforderlich. Dies alles setzt schon ein-ige Erfahrung in der Elektronik voraus und ist als Projekt für Newcomer weni-ger geeignet. Die hier vorgestellte Schaltung verwen-det einen normalen Netztransformator und hat neben dem einfachen Aufbau den Vorteil, dass die 50-Hz-Netzfrequenz quarzgenau erzeugt wird. Es lassen sich daher auch 230-V-Schaltuhren oder 230-V-Geräte mit netzsynchronisierter Uhr ohne Probleme mit der Genauigkeit betreiben.

Aus Gleich- mach Wechselstrom

Spannungswandler von 12 V auf 230 V

Von Reinhardt Weber (weber.reinhardt@t-online.de)

Schaltungen, die eine Gleichspannung in eine 50-Hz-Wechselspannung umwandeln, nennt man auch Wechselrichter. Während solche Wandler für höhere Leistungen meist nach dem Prinzip von Schaltnetzteilen arbeiten, kann man für kleinere Verbraucher wie Fernsehgeräte und Satellitenreceiver auch einfachere Schaltungen mit einem normalen 50-Hz-Netztrafo einsetzen.

294/2007 - elektor

STRAIGHTFORWARDDie Konverterschaltung (Bild 3) ist das, was man im Englischen als „straight-forward” bezeichnet, also sehr direkt und ohne Schnörkel auf die Erfüllung der Aufgabe ausgerichtet. Die inte-grierte Schaltung IC1 (74HC4060) ent-hält eine Oszillatorschaltung mit einem nachgeschalteten digitalen Teiler. Bei Verwendung eines Quarzes mit einer Frequenz von 3,2768 MHz liegt am Aus-gang Q14 des ICs ein 200-Hz-Rechteck-signal an. Dieses wird den JK-Flipfl ops in IC2 (74HC112) zugeführt. Damit er-folgt eine weitere Teilung durch den Faktor vier. An den beiden Ausgängen 5 und 6 stehen daher zwei Rechteck-spannungen mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Phasenverschiebung von 180° an.Die vier Power-MOSFET-Transistoren V1-V4 bilden die elektronischen Schalter in einer so genannten H-Brücke, in de-ren Brückenzweig die Primärwicklung des Netztransformators liegt. Es kön-nen sowohl Transformatoren mit ei-ner 12-V-Wicklung als auch solche mit zwei 6-V-Wicklungen oder zwei 12-V-Wicklungen verwendet werden. Bei einem Trafo mit zwei 6-V-Wicklungen schaltet man die beiden 6-V-Wicklun-gen phasenrichtig hintereinander (in Rei he), während man bei einem Trafo mit zwei 12-V-Wicklungen die beiden Wicklungen parallel schaltet.Power-MOSFETs besitzen eine rela-tiv hohe Eingangskapazität von eini-gen nF. Die beiden Treibertransis-torstufen mit Q1 und Q2 sind daher aus-gangsmäßig niederohmig konzipiert, um die Gates der MOSFETs schnell laden und entladen zu können.Die Ansteuerung der Treibertransis-toren Q1 und Q2 erfolgt durch die komplementären Ausgänge von IC2A im Gegentakt. Hier wurde aus beson-derem Grund eine Wechselspannungs-ankopplung über die beiden Elek trolyt-Kondensatoren CE2 und CE3 gewählt. Versuche haben gezeigt, dass bei zu niedriger Betriebsspannung der Quarz-Oszillator aussetzen kann. An den Flip-fl op-Ausgängen Pin 5 und 6 von IC2A stehen dann statisch 0 V und +12 V an. Damit würden bei Gleichstromkopp-lung zwei diagonal gegenüber liegen-de MOSFETs durchschalten und die Pri-mär wicklung des Transformators per-manent an 12 V legen. Der Strom durch

die Wicklung wird in diesem Falle so hoch, dass er die MOSFETs zerstört. Bei Wechselspannungskopplung können die „Pull-Up”-Widerstände R8 und R9 dafür sorgen, dass die beiden Transis-toren Q1 und Q2 bei Aussetzen der An-steuerung durchschalten. Jetzt öffnen nur die MOSFETs V1 und V2, der Trafo ist dann stromlos.

ERGEBNISSEDas Oszillogramm in Bild 4 zeigt Span-nung und Strom am Ausgang des Transformators bei ohmscher Belas-tung (Glühlampe 230 V/60 W). Nach dem Anschließen des Konverters an eine voll geladene Autobatterie

(UB=14 V) wurde ein Eingangsstrom von 4,9 A gemessen. Dies entspricht einer Eingangsleistung von 67 W. Am Konverterausgang ergab die Messung eine Leistung von 54 W (215 V/0,25 A). Daraus errechnet sich ein Wirkungs-grad der Schaltung von rund 80 %, ein für einfache Wechselrichter durchaus akzeptabler Wert!Bedingt durch die unvermeidlichen Verluste im Transformator und an den Leistungshalbleitern wird in der Regel eine Ausgangsspannung von 230 V nicht voll erreicht. Die Spannung liegt aber in der für die meisten Verbraucher zulässigen Toleranz. Transformatoren mit einer für 11 V ausgelegten Primär-wicklung wären besser geeignet, sind

Bild 1. Prinzip eines Wechselrichters mit Netztrafo. Eine Brückenschaltung mit vier elektronischen Schaltern sorgt dafür, dass durch die 12-V-Wicklung Strom mit wechselnder Richtung (= Wechselstrom) fl ießt.

230VAC

12VDC

12V

230VAC

12VDC

060171 - 11

50Hz

I I

230VAC 230VAC

12V

DC

12V

230V

AC

D

C

30kHz

060171 - 12

50Hz

I I

Bild 2. Wechselrichter für höhere Leistungen arbeiten mit hoher Schaltfrequenz ähnlich wie Schaltnetzteile und erzeugen zuerst eine Gleichspannung. Die Brückenschaltung befi ndet sich hier auf der 230-V-Seite.

30 elektor - 4/2007

PRAXIS STROMVERSORGUNG

jedoch schwer erhältlich. Mit etwas Geschick kann man bei Ringkern-Transformatoren die 12-V-Wicklung um etwa 10 % abwickeln und so das Übersetzungsverhältnis entsprechend erhöhen.Die verwendeten U-Kühlbleche der MOSFETs erlauben den Anschluss von

Transformatoren mit einer Leistung bis ca. 150 VA. Bei entsprechender Kühlung sind auch höhere Leistungen möglich, da die MOSFETs laut Daten-blatt mehr als 50 A schalten können. Der Aufbau der Schaltung auf der in Bild 5 angegebenen einseitigen Platine im halben Eurokartenformat ist eben-so „geradlinigig” wie die Schaltung selbst. Es gibt aber zwei Drahtbrück-en, die man nicht vergessen darf.Die ICs kann man auf Fassungen setzen. Die MOSFETs können ohne Isolation auf den Kühlkörpern montiert werden. Man muss nur darauf achten, dass die Kühlkörper keine leitenden Schaltungsteile berühren. Für den An-schluss der 12-V-Eingangsspannung und der Trafo-Primärwicklung sind sta-bile Anschlussklemmen vorgesehen. Wichtig ist, dass die 12-V-Leitungen einen ausreichenden Querschnitt auf-weisen und dass in die positive Zulei-tung (+12 V) eine 15-A-Sicherung auf-genommen wird.

(060171-I)

Stückliste

Widerstände: R1 = 2M2 R2, R8, R9 = 10 kR3, R5 = 100 k R4, R6 = 220 ΩR10 = 22 Ω

Kondensatoren: C1 = 47 p C2 = 27 p C3, C4 = 100 n CE 1 = 4700 µ/16 V CE2, CE3 = 100 µ/16 V

Halbleiter: IC1 = 74HC4060 IC2 = 74HC112 Q1, Q2 = BC547 V1, V2 = IRF4905 V3, V4 = IRF3205ZD1 = 10 V/0,5 W (Z-Diode)

Außerdem PL1, PL2 = 2-polige Anschlussklemme für Platinenmontage XT1 = 3,2768-MHz-Quarz15-A-Sicherung mit Halter (siehe Text)Platine 060171-1 (Layout-Download bei www.elektor.de)

Bild 5. Layout und Bestückungsplan der einseitigen Platine (verkleinert !).

060171 - 13

Bild 3. Die Schaltung verfügt über einen Quarzoszillator, der für eine hohe Genauigkeit und Stabilität der 50-Hz-Frequenz sorgt.

Bild 4. Spannung und Strom am Ausgang des Wechselrichters bei ohmscher Belastung.

4/2007 - elektor 31

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Akkuzentrale für NiMH/NiCd und LiPo/Li Ion

Lader, Entlader, Kapazitätsmesser

Von Florent Coste

Die Zahl der mobilen, mit Akkus betriebenen

Geräte wächst unaufhaltsam. Regelmäßig erscheinen neue

Akku-Typen auf dem Markt, die nur zu bestimmten

Geräten oder einer Gerätegruppe passen.

Unsere Akku-Zentrale beseitigt die

Unbequemlichkeiten, die diese Typenvielfalt

mit sich bringt. Sie lädt und entlädt alle

gängigen Akkus, auch wenn mehrere Zellen

in Reihe geschaltet sind. Darüber hinaus gibt sie Auskunft, wie

weit ein Akku-Leben fortgeschritten ist.

32 elektor - 4/2007

PRAXIS AKKUS

Unsere Akku-Zentrale entstand aus der Idee, ein vielseitiges und universell einsetzbares Ladegerät zu entwickeln, das sowohl NiCd und NiMH-Akku-Packs als auch LiPo (Lithium Polymer) und LiIon Akkus (Lithium-Ion) lädt und entlädt. Bei NiCd und NiMH lassen sich Einzelzellen und Packs mit zwei bis acht Zellen laden, bei LiPo und Li-Ion ist die aus zwei Zellen bestehende Bauform für den Lader geeignet.

Nicht nur LadegerätEntwicklungsziel war ein möglichst effi zienter, universeller und gleichzei-tig kompakter Lader und Entlader, der auch den „Gesundheitszustand“ der Akkus diagnostiziert und die Akku-Kapazität misst. Entstanden ist eine Schaltung, die diese Vorgaben voll er-füllt und ohne schwierig beschaffbare

Bauelemente auskommt. Fast alle Funktionen übernimmt ein einziges IC, ein Mikrocontroller aus der ST7MC-Familie von ST Microelectronics. Die diskreten Transistoren und die übrigen Komponenten sind Standard-bauteile, Beschaffungsprobleme dürfte es nicht geben. Die Schaltung wird auf zwei kleinen, kompakten Pla-tinen aufgebaut.

Starker MikrocontrollerDer verwendete Controller wurde von ST Microelectronics für die Steuerung bürstenloser Kleinmotoren konzipiert. In ELEKTOR 02/2006 wurde der Con-troller bereits im Beitrag „Brushless-Controller“ vorgestellt. Eine Besonder-heit ist die integrierte PWM-Schaltung (PWM = Puls Width Modulation). Kom-biniert mit einer Stromgegenkopplung

ist sie noch bei Frequenzen von bis zu bis 50 kHz funktionsfähig (Bild 1). Da auf dem Chip auch ein Opamp inte-griert ist, lässt sich die Akkuzentrale ohne externe analoge Komponenten re-alisieren. Der Controller ist für diesen Zweck wie maßgeschneidert.

Prinzip der StromregelungDa der Controller ST7MC für die Steu-erung synchroner und asynchroner Kleinmotoren ausgelegt ist, verfügt er über eine integrierte Strommessschal-tung zur Überwachung der durch die Motorwicklungen fl ießenden Ströme. Diese periphere Controller-Funktion eignet ohne Änderungen auch für die Messung des Akkustroms.Das Prinzip der Stromregelung ist leicht zu überschauen: Sobald der Wert des Stroms den Sollwert erreicht,

Der AutorFlorent Coste schloss sein technisches Studium am Institut Charles Fabry in Marseille (Frankreich) im Jahr 2000 als Diplom-Ingenieur im Fach Mikroelektronik ab. Seitdem ist er bei ST Microelectronics in Hongkong tätig.Coste hat sich auf die Programmiertechniken von Mikrocontrollern spezialisiert. Er ist auch mit den Entwicklungen auf der Plattform der ST750-Familie (ARM, 32 bit-Kern) vertraut. Schwerpunkt seiner berufl ichen Tätigkeit ist die Entwicklung von Steuerun-gen für synchrone und asynchrone Kleinmotoren, die für den asiatischen Markt bes-timmt sind. Florent Coste fühlt sich von den neuen Technologien unserer Zeit befl ügelt und herausgefordert. Die hier vorgestellte Akku-Zentrale ist ein Beispiel für seine Freude an innovativer Elektronik.

Kontakt: fl orent.coste@st.com

C10

050073 - 11

R8

100m

Ω

100m

Ω

R11

C11Battery

ST7MCMicrocontroller

MUX

UsenseUout

Motor controlperipheral

PWM

clockPWM

MCO1 (pin 43)

MCO0 (pin 42)

(T6 & T7)

OPAMP

P MOSFET

N MOSFET

Icharge

Idischarge

Gain: 9.2

Current read(pin 21)

Current referenceMCCREF(pin 22)

R

S

+12V

PC7(pin 23)

Peripheraloutputs

Levelshifter

Bild 1. Vereinfachtes Funktionsschema des im ST7MC integrierten Strommessers.

334/2007 - elektor

schaltet der Controller den Ausgang bis zum folgenden PWM-Zyklus ab. Falls der Strom den Sollwert längere Zeit übersteigt, kann sich die Abschal-tung auch über mehrere PWM-Zyklen erstrecken. Der Duty Cycle (Zeitver-hältnis) der PWM-Periode wird unmit-telbar von der Controller-Hardware ge-steuert, er lässt sich von außen nicht beeinfl ussen. Aus dieser Eigenschaft folgt, dass die Stromregelung nach ei-ner daran angepassten Methode arbei-ten muss.In Bild 2 ist der Zusammenhang zwi-schen dem gemessenen Strom und dem PWM-Signal am Controller-Aus-gang dargestellt. Der im ST7MC inte-grierte Opamp ist als nicht invertie-render Verstärker mit 9,2-facher Ver-stärkung geschaltet. Da der zur Messung des Akkustroms verwendete niederohmige Widerstand (Shunt) nur ein relativ kleines Messsignal liefert, wird es vom Opamp verstärkt, bevor es in den Regelkreis eingeht. Das hat auch den Vorteil, dass ein teurer Hall-Sensor entbehrlich ist.

Blick auf die SchaltungDer ST7MC arbeitet mit maximaler Geschwindigkeit. Eine interne PLL verdoppelt die Frequenz des 8 MHz-Quarzes. Die Frequenz des PWM-Si-gnals, das die Lade und Entladeschal-tung steuert, ist fest auf 50 kHz einge-

stellt. Bei dieser hohen Frequenz kann die Induktivität L1 klein sein, außer-dem ist ein eventuelles mechanisches Schwingen unhörbar.Die Schaltung in Bild 3 lässt sich in drei Funktionsblöcke unterteilen: Lade-teil, Entladeteil und Steuerung (links im Bild).

Der Ladeteil ist ein klassischer „Buck“-Konverter, zu ihm gehören T1, L1, D2 und die angeschlossene Last in Gestalt des Akkus. Der Controller stellt das PWM-Steuersignal an Anschluss 42 be-reit (MCO0 = Motor Control Output Zero). Es wird von einer Pegel-Anpass-stufe (Level shifter) vom TTL-Niveau

t

t

t

050073 - 12PWM OFF PWM ON

Currentreference

I (battery)

Motor controlperipheral clock

PWM output(MCO0 0r MCO1)

C8

330n

C9

330n

+5V

C6

33p

C7

33p

X1

8MHz

78L05

IC4

C15

16V

C17

16V

+5V

+12V

12

34

56

78

910

1112

1314

K4

R21

4k7

C2

100n

+5V

R3

2k2

C4

10n

C11

330n

R11

9k1

K2

+12V

K1

K3

+5V

+5V

C14

16V

D3

1N4001

T9

BD138C16

16V

R24

R22

T10

FDV301N

R25

270 Ω

+12V

R7R6

2W 2W

R13R12

2W 2W

LM335

IC2

+5V

R9

2k

T5

IRF640N

T1

IRF9Z24N

D2

B520C

L1

5A C3

16V

C5

16V

R8

200k

R10

4k7

C10

100n

C2

100n

T3

BC807-40

T2BC817-40

R1

D1BAT54

C1

16V

T4

FDV301N

R5

R2

1k

R4

4k7

T7

FDV301N

T6

FDV301N

R16

1k

R14

8k2

R18

6k2

R15

2k

T8

FDV301N

BZ1

+5V

R17

5k

R19

10k

R20

6k8

R23

1k

C13

470n

R27

R26

10k

R28

10k

M24C02

IC3SDA

SCL

A0

A1

A2 WC

1 5

8

4

62

3 7

E

R/W

R/S

D4

D5

D6

D7

R/W

D4

D6

E

R/S

D5

D7

PC4/MCCREF

ST7FMC2S4

PD0/AIN11

PD2/AIN12

PD3/AIN13

PD4/AIN14

PA3/AIN0

PA5/AIN1

PB5/AIN3

PB7/AIN4

AIN6/OAZ

PC2/OAP

PC3/OAN

RESET

VAREF

IC1

OSC1 OSC2

MCO3

MCO4

MCO5

MCES

VSSA

MCO0

MCO1

MCO2

VSS

VDD

PB0

PB1

PB2

PB3

PB4

PB6

PC7

PD1

PD5

PD6

PD7

PE0

PE1

VDD

VSS

PE2

PE3

VPP10

11

12

13

14

1516

17

18

19

20

21

22

23

28

29

30

31

34

35

36

37

38

24 27

25 26

32

33

39

40

41

42

43

44

5 67

8

1

2

3

4

9

0

SD

A

SC

L

MUX1

MUX0

BATTERY

+12V

050073 - 13

FAN

PWM FAN

BUZZER

12

34

56

78

910

1112

1314

K1

+5V

R/W

D4

D6

E

R/S

D5

D7

S1

DATA+

S4

DATA–

S2

FUNC–

S3

FUNC+

R3

6k8

R2

6k8

D1

+5V

LC DISPLAY 2 x 16

LCD1 VS

S

VC

C

R/W

CS

T

RS

D0

D1

D2

10

D3

11

D4

12

D5

13

D6

14

D7

15 16

B+

B–

1 2 3 4 5 6

E

7 8 9

C2

100n

C1

100n

R1

10k

+5V

R/S

R/W

E D4

D5

D6

D7

K2

+5V

050073 - 14

Bild 3. Schaltung der Elektronik auf der Hauptplatine.

Bild 2. Einfl uss der Strommessung auf das PWM-Ausgangssignal des Controllers.

Bild 4. Schaltung der Bedienelemente (vier Taster) und des Displays.

34 elektor - 4/2007

PRAXIS AKKUS

auf die Höhe der Betriebsspannung (normalerweise 12 V) angehoben. Die-se Stufe ist mit MOSFET T4 und der Push-Pull-Kombination T2,/T3 aufge-baut. Schottky-Diode D1 und Wider-stand R1 bewirken, dass der Leis-tungs-MOSFET T1 langsam durch-schaltet (über R1) und schnell sperrt (über den niedrigen dynamischen Wi-derstand der Schottky-Diode). Indukti-vität L1 glättet den zum Akku fl ießen-den Ladestrom.Der Schaltungsteil mit T5 ist der Entla-deteil. Anstelle des IRF640N ist für T5 auch jeder äquivalente N-MOSFET ver-wendbar, dessen thermischer Wider-stand ausreichend niedrig ist. Der niedrige thermische Widerstand ist er-forderlich, weil T5 die hohe Akku-Ent-ladeleistung in Wärme umsetzen muss. Das PWM-Steuersignal MCO1 am Con-troller-Pin 43 wird vom RC-Glied R8/C10 integriert, so dass am Gate von T5 praktisch Gleichspannung liegt. T5 ar-beitet im linearen Bereich, um einen variablen Widerstand zu simulieren. Solange der über R12, R13 gemessene Strom seinen Sollwert noch nicht er-reicht hat, steigt die Spannung am Gate von T5 an. Umgekehrt bewirkt das Überschreiten des Sollwerts, dass die Gate-Spannung sinkt. Die Stromre-gelung muss eine PI-Regelcharakteris-tik (proportional-integral) aufweisen.Wie schon erwähnt, setzt T5 die dem Akku während der Entladung entnom-mene die Energie in Wärme um. Unter-stützt wird T5 dabei von einem leis-tungsstarken Kühlkörper mit Lüfter. Wenn ein 12 V-Akku entladen wird, dessen Kapazität 4 Ah beträgt, müssen 48 Wh in Wärme umgesetzt werden. Für die Funktion der Schaltung ist eine ausreichende Wärmeabfuhr lebens-wichtig. Der Temperatursensor IC2 muss sich in unmittelbarer Nähe des

354/2007 - elektor

N-MOSFETs T5 befi nden. Labortests haben gezeigt, dass die Verlustleis-tung bei angemessener Kühlung pro-blemlos 80 W (16 V, 5 A) betragen kann. Falls die obere Temperaturgren-ze überschritten werden sollte, schützt eine Thermosicherung die Schaltung vor Überhitzung.Mit dem Entladeteil der Schaltung kann jeder beliebige Akku entladen werden, solange die gemessene Akku-spannung die Betriebsspannung der Schaltung nicht übersteigt. Wenn die Akkuspannung über der Betriebs-spannung liegt, fl ießt über die interne Diode des P-MOSFET T1 ein Strom Richtung positive Betriebsspannungs-leitung. Das ist für die Bauele -mente gefährlich und unbedingt zu vermeiden!Die übrigen Schaltungskomponenten dienen dazu, die diversen Einstellun-gen zu speichern. Das I2C-EEPROM IC3 muss mindestens eine Kapazität von 256 Byte haben. Der 24C02 ist der richtige Typ, größere kompatible Typen wie 24C04 und 24C08 sind ebenfalls geeignet. Im EEPROM können auch Daten wie der Akku-Typ (NiMH, LiPo und so weiter), die Typenbezeichnung und der eingestellte Lade und Entla-destrom gespeichert werden.Die Transistoren T6 und T7 haben beim Messen des Lade und Entladestroms die Funktion von Schaltern. Der Lade-strom und der Entladestrom werden über getrennte Shunt-Widerstände ge-messen. Für den Ladestrom sind R6 und R7 zuständig, R12 und R13 haben diese Funktion für den Entladestrom. Wenn nur ein Shunt-Widerstand vor-handen wäre, müsste sowohl eine po-sitive als auch eine negative Spannung gemessen werden. Die Polaritätsum-kehrung ist dadurch bedingt, dass der Strom beim Laden und Entladen in entgegengesetzte Richtung fl ießt. Die Schaltung mit T6 und T7 würde zwar entfallen, notwendig wäre dann jedoch ein externer, invertierender Opamp so-wie ein DC/DC-Wandler. Nur mit ihrer Hilfe könnten auch negative Span-nungen gemessen werden. Der hier gewählten Lösung kommt entgegen, dass die Schalterfunktionen von Klein-signal-MOSFETs übernommen werden können. Wenn beispielsweise der Akku entladen wird, befi ndet sich T6 im Leitzustand, während T7 sperrt. Die Gate-Source-Spannung von T7 ist dann unabhängig von der Höhe des Entladestroms zu niedrig, um die Strommessung zu beeinfl ussen.Die Akku-Spannung wird über den aus R14, R15 und R18 bestehenden Span-

Ladeprinzip und Spannungen Unabhängig davon, ob es um LiPo- oder Li Ion-Akkus geht, das Ladeverfahren ist bei beiden Typen gleich: Sie müssen mit konstanter Spannung geladen werden, während eine Strombegrenzung den Ladestrom überwacht. An sich ließe sich bei-des leicht realisieren, wenn diese Akkus nicht in zweierlei Hinsicht besonders emp-fi ndlich wären: Sie vertragen absolut kein Überladen, und die Ladespannung muss mit hoher Genauigkeit eingehalten werden, da anderenfalls der Ladevorgang ab-bricht. Die nominale Spannung moderner LiPo und Li Ion-Akkus beträgt 3,7 V, die Ladespannung der Akku-Zentrale wurde von ihrem Entwickler auf 4,1 V festgelegt.An der Akku-Zentrale wurden umfangreiche Messungen vorgenommen, die Mess-werte wurden in einer Excel-Tabelle dokumentiert. Ihre grafi sche Darstellung stellt den Lade und Entladeprozess sehr anschaulich dar. Durch ihre universelle Ausle-gung ist die Akku-Zentrale sowohl mit NiCd-Akku-Packs kompatibel, die aus acht Zellen bestehen (Bild a), sie kann in gleicher Weise zweizellige LiPo-Akkus laden und entladen (Bild b). An den beiden Kurven sind die grundsätzlichen Unterschiede der Ladeverfahren von NiCd/NiMH und LiPo-Akkus deutlich ablesbar.Für Li Ion-Akkus ist die Grenzspannung der Akku-Zentrale auf 8,2 V (2 · 4,1 V) ein-gestellt. Die Spannung 4,1 V ist die maximale Spannung, die von den Akku-Herstel-lern für eine einzelne Zelle empfohlen wird.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Zeit30 Minuten

050073 - A

1 Stunde

Akku

span

nung

[V]

Programmierte Entladung,Anfangsstrom 1 A, Endstrom 350 mA

Ladeende-Erkennung durchSpannungsrückgang (Delta-Peak)

1,125 x Spannungsschwelle:progressiver Rückgang

des Entladestroms

Kurze Entladepulse(alle 5 s) zur Verhinderung

des Gedächtniseffekts

ProgrammierteSpannungsschwelle: 6,8 V

3 min. Pausevor dem Ladebeginn

Laden mit 1,2 A

Bild a. Kurve eines Entlade- und Ladezyklus mit einem NiCd-Akku (8 Zellen, 1300 mAh).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zeit

Akku

span

nung

[V]

30 Minuten 1 Stunde

050073 - B

1,125 x Spannungsschwelle:progressiver Rückgang

des Entladestroms

Stabilisierungsteil bei 8,4 Vund Erkennung des Ladeendes bei

einem Strom von 0,1 xdes programmeirten Stroms (130 mA)

ProgrammierteSpannungsschwelle: 5,7 V

3 min. Pausevor dem Ladebeginn

Laden mit 1,3 A

Programmierte Entladung,Anfangsstrom 5 A,Endstrom 500 mA

Bild b. Kurve eines Entlade- und Ladezyklus mit einem LiPo-Akku (2 Zellen, 1400 mAh).

Bild 5a. Ansicht der bestückten Hauptplatine.

36 elektor - 4/2007

PRAXIS AKKUS

nungsteiler gemessen.Die Temperatursicherung arbeitet mit dem bekannten Temperatursensor LM335 (IC2), sein Signal wird dem im Controller integrierten ADC zugeführt. Der Duty-Cycle des PWM-Signals, das der Controller an Pin 40 (PE3) bereit-stellt, hängt von der in Wärme umzu-setzenden Leistung ab. Das PWM-Si-gnal gelangt zum Gate des MOSFET T10, der über das RC-Filter mit R22, R24 und C16 den Emitterfolger T9 steu-ert. Die Spannung am Emitter von T9 ist eine leicht wellige Gleichspannung. Diese Welligkeit hat keine Auswir-kungen auf den Betrieb des ange-schlossenen Lüfters (PC-Lüfter, 12 V). Der Lüfter und der Kühlkörper können eventuell von einem ausrangierten PC-Mainboard demontiert werden, um Kosten zu sparen.Buzzer BZ1 signalisiert akustisch das Ende des Lade oder Ent lade vorgangs.Das LC-Display wird an die Hauptpla-tine über ein siebenadriges Kabel an-geschlossen. Mehr Adern sind nicht erforderlich, weil das Display im 4 bit-Modus arbeitet. Bild 4 zeigt die Schal-tung des Bedienteils der Akku-Zentrale.

AufbauZur Akku-Zentrale gehören zwei Plati-nen, die Hauptplatine mit dem Mikro-controller sowie die Platine mit den Be-dienelementen und dem LC-Display. Die doppelseitigen Platinen sind im Elektor-Shop erhältlich, können aber bei entsprechender Laborausrüstung auch relativ einfach in Eigenregie ge-fertigt werden. Der Aufbau beginnt mit der Montage der SMD-ICs, danach fol-gen die größeren Bauelemente wie El-kos, 2-W-Widerstände und Kontaktleis-ten. T1 ist gegen einen äquivalenten Typ im gleichen Gehäuse (DO-201) austauschbar.Bild 5 zeigt Fotos der beiden aufge-bauten Platinen. Alle Bauelemente mit Ausnahme der Leistungstransistoren T1 und T5 haben ihren Platz auf den Bestückungsseiten. Ein Testaufbau mit den Platinen ist in Bild 6 zu sehen.Die Anschlüsse der Leistungstransis-toren T1 und T5 werden so in die vor-gesehenen Platinenbohrungen ge-steckt, dass die Metallfl ächen der Ge-häuse zur Platinenmitte zeigen. Die Anschlussdrähte werden jedoch noch nicht angelötet, sondern zuerst um 90° gebogen, so dass die Metallfl ächen der Transistorgehäuse parallel zur Platine liegen. Anschließend wird der Kühlkör-per über Abstandsbolzen mit der Pla-

tine verschraubt. Der nächste Schritt ist das Anzeichnen der Befestigungs-löcher für T1 und T5 sowie für Tempe-ratursensor IC2, den LM335. Die not-wendige thermische Kopplung ist nur gewährleistet, wenn der Temperatur-sensor in unmittelbarer Nähe des N-MOSFETs montiert wird. Zur Befesti-gung des Temperatursensors eignet sich ein schmaler Nylon-Kabelbinder. Danach können die Anschlüsse von T1 und T5 verlötet werden.Wenn die Löcher in den Kühlkörper ge-bohrt sind, kann die endgültige Kühl-körper-Montage folgen. Vorher muss noch auf die Gehäusefl ächen von T1, T5 und IC2 Wärmeleitpaste aufgetra-

gen werden. Die Anschlussdrähte von IC2 werden durch fl exible Drähte ver-längert, damit sie in die Bohrungen auf der Platine passen.Zum Schluss wird das LC-Display über ein Stück Bandkabel angeschlos-sen. Wenn das LC-Display mit einer Hintergrundbeleuchtung ausgestattet ist, kann über einen Stift der Kontakt-leiste K2 eine Verbindung zur Be-triebsspannung +5 V verlaufen. Da die Hintergrundbeleuchtung zusätz-lich einigen Strom von etwa 200 mA aufnimmt, muss für den Spannungs-regler IC4 anstelle eines 78L05 ein 1 A-Typ 7805 bestückt werden. Dabei ist unbedingt die Anschlussreihen-

StücklisteHauptplatine (050073-1)

Widerstände: (wenn nicht anders angegeben: SMD 0805) R1 = 200 Ω R2 = 1 k R3 = 2k2 R4,R10,R21 = 4k7 R5,R25 = 270 Ω R6,R7,R12,R13 = 0Ω2/2 W (nicht SMD!) R8 = 200 k R9 = 2 k R11 = 9k1 R14= 8k2 R15 = 2 k TrimmpotentiometerR16,R23 = 1 k R17 = 5 k TrimmpotentiometerR18 = 6k2 R19,R26,R28 = 10 k R20 = 6k8 R22,R27 = 470 Ω R24 = 82 Ω

Kondensatoren: C1, C3, C5 = 2200 µ/16 V stehend (nie-

driger ESR) C2,C10,C12 = 100 n C4 = 10 n C6, C7 = 33 p C8,C9,C11 = 330 n C13 = 470 n C14...C17 = 22 µ/16 V

Induktivitäten:L1 = 4 µH/5 A

Halbleiter:D1 = BAT54 D2 = B520C D3 = 1N4001 T1 = IRF9Z24N T2 = BC817-40 T3 = BC807-40 T4,T6...T8,T10 = FDV301N T5 = IRF640N T9 = BD138 IC1 = ST7FMC2S4 (SMD, ST Microelectro-

nics, programmiert: EPS 050073-41) IC2 = LM335 (National Semiconductor) IC3 = M24C02 (SMD) IC4 = 78L05

Außerdem: X1 = Quarz 8 MHz K2 = Kabelanschluss-Schraubklemme 2

polig, Raster 2,54 mm K3 = Stiftleiste 3-polig, für den Anschluss

des PC-Lüfters K4 = Stiftleiste 14 polig, zweireihig BZ1 = Piezo-Beeper Kühlkörper mit Lüfter, für T1 und T5 Platine EPS 050073-1 (siehe ELEKTOR-

Shopanzeige am Heftende)

+

+

+

+

Bild 5b. Die Tastatur- und Displayplatine (Layout-Download bei www.elektor.de).

Bild 6. Versuchsaufbau zum Testen der Hard- und Software-Konzeption.

374/2007 - elektor

folge zu beachten, sie ist bei diesen Typen nicht identisch! Der 7805 muss eventuell durch einen kleinen Kühl-körper gekühlt werden.Das LC-Display wird auf der kleineren Platine neben den Bedientastern mon-tiert. Um unterschiedliche LC-Display-Typen verwenden zu können, sind auf der Platine keine Befestigungsboh-rungen vorhanden. Beim Bohren ist

darauf zu achten, dass keine Leiter-bahnen beschädigt werden.

Einstellungen und InbetriebnahmeBei der ersten Inbetriebnahme sollte die Schaltung nicht sofort mit einem 12 V-Auto-Akku verbunden werden. Ein Labornetzteil mit Strombegren-zung hilft bei einem Kurzschluss, Schä-

den zu vermeiden. Ohne Display-Hin-tergrundbeleuchtung nimmt die Schal-tung ungefähr 20 mA auf. Wenn der Controller das LC-Display nicht er-kennt, zum Beispiel wegen einer fehler-haften Lötstelle, produziert der Beeper ein regelmäßig durch Pausen unter-brochenes akustisches Signal.Damit die Schaltung ihren Zweck er-füllt, müssen einige Einstellungen vor-genommen werden. Benötigt werden eine Betriebsspannung zwischen 12 V und 16 V (zum Beispiel Motorrad-Akku) sowie eine weitere Spannung im Bereich 5...9 V. Diese Spannungs-quelle muss Ströme von mindestens 2 A liefern können. Wenn das dafür verwendete Netzteil eine Einstellung erlaubt, stellt man die Spannung auf 8,4 V ein. Dies entspricht der Endspan-nung beim Aufl aden von zwei in Reihe geschalteten LiPo-Zellen.Beim Einschalten der Betriebsspan-nung müssen die Taster „FUNC +“ und „FUNC –“ so lange gedrückt ge-halten werden, bist auf dem Display das erste Menü „Calibration #1“ (Spannungskalibrierung) erscheint. An die Klemmen „BATT +“ und „BATT –“ wird die zweite Spannungsquelle ge-legt und parallel dazu ein auf Gleich-spannungsmessung eingestelltes Mul-timeter angeschlossen. Nach diesen Vorbereitungen stellt man das Trimm-potentiometer R15 so ein, dass die Spannungsanzeige auf dem LC-Dis-play mit der Multimeter-Anzeige übereinstimmt.Für die nächste Messung muss das Multimeter einen Strom von mindes-tens 2 A messen können. Für diese Strommessung wählt man einen pas-senden Messbereich und schaltet das Multimeter nun in Reihe mit der Span-nungsquelle, die an den Klemmen „BATT +“ und „BATT –“ angeschlos-

StücklisteLCD-Platine (050073-2) Widerstände: R1 = 10 k TrimmpotentiometerR2,R3 = 6k8

Kondensatoren: C1,C2 = 100 n

Halbleiter: D1 = LED

Außerdem: S1...S4 = Drucktaster, z.B. Digitast K1 = Stiftleiste 14-polig, zweireihig K2 = doppelte Lötverbindung LCD1 = LC Display zweizeilig, 2 · 16 Zei-

chen, mit Controller (z.B. LUMEX S01602 D/A)

Software EPS 050073-11 (Gratis-Download bei www.elektor.de)

Platine: EPS 050073-2 (siehe ELEKTOR-Shopanzeige am Heftende)

Die wichtigsten Daten

Lader- Eingangsspannung: 11...16 V- Ladestrom: Einstellbar von 200 mA bis 4,5 A- Akku-Typen und Anzahl: 1 bis 8 NiMH- oder NiCd-Zellen, 2 LiPo- oder

Li Ion-Zellen- „Refl ex-Laden bei NiMH und NiCd, kontinuierliches Laden bei LiPo und Li Ion- Ladeende-Erkennung: Automatisch („Delta-peak“, Empfi ndlichkeit einstellbar)

EntladerEntladestrom: Einstellbar von 200 mA bis 5 A, Abschaltspannung ebenfalls einstellbar

Kapazitätsmesser- Datenspeicher für 14 Akku-Typen- Geregelter Lüfter und thermische Sicherung

38 elektor - 4/2007

PRAXIS AKKUS

Ein Wort zur FirmwareDie Firmware wurde vollständig in C geschrieben, die Entwicklungs-umgebung war eine Freeware-IDE (Integrated Development Environ-ment) von SOFTEC (www.softec-micro.com), und als Compiler wurde der C-Compiler von COS-MIC (www.cosmic-software.com) benutzt. Dieser leistungsstarke C-Compiler ist in der Freeware-Ver-sion auf die Programmlänge 16 KB beschränkt. Mit der Freeware-Ver-sion können jedoch alle Controller der ST7FMC-Familie programmiert werden. Das Programm der Akku-Zentrale hat eine Länge von unge-fähr 14,5 KB. Das Programmieren wird durch zahlreiche Entwickel-Tools erleichtert, und ferner ist ein In-circuit-Debugger preisgünstig erhältlich (bei SOFTEC, www.softec-micro.com/products.html?type=detail&title=inDART-STX%2FD oder bei RAISONANCE, http://www.raisonance.com/products/ST7.php#hardware). Interessierte Leser können den Quellcode von der ELEKTOR-Website herunterladen. Der ST7FMC lässt sich (dank seines Flash-Programmspeichers) bequem neu programmieren. Dazu muss nur die SOFTEC-Entwicklungsumgebung installiert werden, geöffnet wird dort die zum Projekt gehörende Konfi gurationsdatei. Die Konfi -gurationseinstellungen sind nach Wunsch modifi zierbar.

sen ist. Nach etwas längerem Drücken eines beliebigen Tasters erscheint auf dem Display das Menü für die Strom-kalibrierung. Jetzt muss das Trimmpo-tentiometer R17 so eingestellt werden, dass die Anzeige auf dem LC-Display mit dem vom Multimeter gemessenen Wert übereinstimmt. Anschließend können beide Spannungsquellen von der Schaltung getrennt werden.Das Einstellen weiterer Parameter über die Anwender-Menüs ist unkompli-ziert. Nach dem Einschalten der Be-triebsspannung erscheint zuerst eine Willkommensmeldung auf dem Display, dann wechselt die Anzeige zum Haupt-menü. Mit den Tastern „FUNC +“ und „FUNC –“ kann zwischen den Parame-tern navigiert werden, und mit den Tastern „DATA +“ und „DATA –“ las-sen sich die Parameterwerte auf ein-fache Weise ändern.Der Datenspeicher hat Platz für die Da-ten von maximal 14 Akkus. Folgende Daten sind voneinander unabhängig einstellbar:- Bezeichnung des Akkus- Delta-Peak-Empfi ndlichkeit (∆P) bei

NiCd/NiMH-Akkus von „L“ (Low) bis „H“ (High). Höhere Empfi ndlichkeiten sollten vorzugsweise bei Akkus mit wenigen Zellen eingestellt werden, da bei diesen Akkus am Ladezyklus-Ende ein relativ niedriger Spannungs-rückgang auftritt (ca. 5...15 mV/Zelle).

- Maximale Ladezeit, so dass zum Bei-spiel ein schon vorgeschädigter Akku nicht überladen werden kann. Das Ladezeit-Ende ist bei solchen Akkus für die Delta-Peak-Erkennung häufi g nicht messbar.

- Anfangs und Endwert des Entlade-stroms in Schritten von 50 mA und 100 mA. Die Schaltung kann den Ent-ladevorgang beispielsweise so steuern, dass er mit einem Entlade-strom von 3 A beginnt und mit 200 mA endet. Der Entladevorgang kann abgebrochen werden, um einen Ladevorgang auszuführen.

- Ladestrom in Schritten von 50 mA und 100 mA. Der Ladevorgang kann abgebrochen werden, um einen Ent-ladevorgang auszuführen.

- Akku-Typ (NiCd/NiMH oder LiIon/LiPo)- Spannungswert, bei dem der Entla-

devorgang beendet wird (Ucutoff).

Nach einmaliger Eingabe und automa-tischem Speichern der Daten im EEP-ROM können der Lade und Entlade-vorgang (oder nur einer von beiden) durch langes Drücken des Tasters „FUNC +“ oder „FUNC –“ gestartet

werden.Während des Entladevorgangs werden Akku-Spannung und Akku-Kapazität angezeigt. Wenn beispielsweise ein voll geladener Akku, Kapazität 1 Ah, mit 500 mA entladen wird, muss das Display nach zwei Stunden Entlade-dauer eine Kapazität von ungefähr 1000 mAh anzeigen.Die Akku-Zentrale erlaubt zahlreiche Einstellkombinationen, ihre Auswir-kungen können experimentell ergrün-det werden. Zur Betriebssicherheit trägt bei, dass alle Lade oder Entlade-vorgänge jederzeit durch längeres Drü-cken eines beliebigen Tasters abgebro-chen werden können.

Noch zwei wichtige HinweiseEs ist unbedingt notwendig, dass die Aderquerschnitte aller Leitungen an die Maximalwerte der fl ießenden Strö-me angepasst sind. Selbstverständlich müssen auch die Anschlussstecker den Strömen gewachsen sein!Wenn NiCd/NiMH-Akku-Packs mit sie-ben oder acht Zellen geladen werden sollen, muss die Eingangsspannung der Schaltung mindestens 13...15 V be-tragen. Die Ladespannungen der ein-zelnen Zellen können während des La-devorgangs einen Wert von 1,5 V deut-lich übersteigen. Die Zellen-Innenwider-stände dürfen nicht vernachlässigt werden, insbesondere bei hohen Strö-men verursachen sie spürbare Span-nungsabfälle. Wenn der gemessene Ladestrom den eingestellten Wert nicht erreicht, ist das ein sicheres Zei-chen dafür, dass die Eingangsspan-nung zu niedrig ist.

(050073)gd

WeblinksDatenblatt zum ST7MC2S4:www.st.com/stonline/products/litera-ture/ds/9721/st7mc2s4.pdfApplication Notes zum ST7MC:www.st.com/stonline/books/pdf/docs/10267.pdfMehr zum Laden von Li-Ion und LiPo-Akkus:www.ni cd.net/accusphp/theorie/charge/liion.php

4/2007 - elektor 39

Datenlogger – 2Gbyte interner Speicher16-Bit Auflösung – 16 Kanäle – Strom + Spannung + Temperatur + Druck etc.

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Termine für Elektor Nr. 06/2007Anzeigenschluss:

24.04.2007

Erscheinungstermin:

19.05.2007

Anzeigen:Verlagsbüro ID • Telefon: (0511) 33 48 436

E-Mail: service@id-medienservice.de • Internet: www.id-medienservice.de

_ p _ g

Stark im Geben, hart im Nehmen

Hochlast-Nanophosphat-Akkus im TestVon Ludwig Retzbach

Lithium-Systeme sind schon lange die Hoffnungsträger unter den Akkus. Unübertroffen in der Energiedichte, aber anspruchsvoll und teuer in der Herstellung, sensibel in der Anwendung und langsam beim Laden. Das soll sich nun durch Nanotechnologie beim Kathodenmaterial ändern. Ludwig Retzbach hat für ELEKTOR erste Serienexemplare der neuen LiIon-Akkus getestet – mit durchaus respektablen bis sensationellen Ergebnissen…

40 elektor - 4/2007

TECHNIK AKKUS

Bei den Modellfl iegern sind Lithium-Akkus vom LiPo-Typ (mit

Polymer-Elektrolyt) schon seit Jahren mit hohen Entlade-strömen im Einsatz [1]. Die Faktoren Energiedichte (Wh/kg) und Leistungsdichte (W/kg) sind dabei so wichtig, dass Kompromisse bei Zuverlässigkeit und Lebensdauer eingegangen werden, die für industrielle Anwendungen wie etwa bei Powertools oder Hybridautos nicht akzeptabel sind. Aus diesem Grund fi nden sich dort immer noch andere Technologien – NiCd, NiMH und sogar Pb (u.a. für Starterbatterien). Seit 2006 fertigt der US-amerikanische Hersteller A123 Systems eine neue Hochlast-Zelle in Nanotechnologie in großen Stückzahlen [2]. Diese Lithium-Akkus verbinden offenbar die Vorteile von Lithiumzellen mit denen von Nickel-Systemen, ohne deren Nachteile zu erben. Laut Herstellerdaten (siehe Tabelle) erhält man einen fast idealen Akku mit folgen-den Vorzügen:- Sicherheit (nicht entfl ammbar, keine Schutzschaltung erforderlich)

- Robustheit (hohe Zyklenzahl, einfaches Ladeverfahren)- hohe Strombelastbarkeit und Schnellladefähigkeit- konstante Entladespannung (fl ache Entladekurve)- hohe Zellenspannung und geringe Selbstentladung (gegenüber NiMH und NiCd)

- hohe Leistungs- und EnergiedichteDer Preis der in Asien produzierten Zellen ist schon jetzt auf dem Niveau vergleichbarer LiPo-Zellen und dürfte mit Zunahme der Stückzahlen bei industriellem Einsatz noch deutlich sinken. Da alles klingt fast zu schön, um wahr zu sein – und macht natürlich besonders neugierig auf die ersten Testergebnisse!

Bild 1.LiIon-FePO4-Einzelzellen (nur als Muster erhältlich) und verschweißte und eingeschrumpfte Akku-Packs.

Technische Daten ANR26650M1

(Quelle: A123 Systems)

Nominale Kapazität und Spannung 2,3 Ah, 3,3 V

Interne Impedanz (bei 1 kHz) typ. 8 mΩ

Gleichstrom-Innenwiderstand (10 A, 1 s) typ. 10 mΩ

Empfohlene Standard-Ladung 3 A bis 3,6 V (CCCV), 45 min

Empfohlene Schnell-Ladung 10 A bis 3,6 V (CCCV), 15 min

Maximaler Dauer-Entladestrom 70 A (≈ 30 C)

Puls-Entladestrom (max. 10 s) 120 A (≈ 50 C)

Empfohlene Lade-/Entladeschlusspannung bei 25 °C 3,6 V/2 V

Empfohlene Lade-/Entladeschlusspannung bei unter 0 °C 4,2 V/0,5 V

Zyklen bei 10-C-Entladung, 100 % Entladetiefe > 1000 Zyklen

Betriebstemperaturbereich -30 °C bis +60 °C

Lagertemperaturbereich -50 °C bis +60 °C

Abmessungen (Länge/Durchmesser) 65 mm/26 mm

Gewicht ohne Anschlussfahnen 70 g

Restkapazität nach 1000 Zyklen mit 100 % Entladetiefe- bei 25 ºC, 2,3 A Lade- und Entladestrom- bei 45 ºC, 3 A Lade- und 5 A Entladestrom- bei 60 ºC, 3 A Lade- und 5 A Entladestrom

95 %88 %77 %

Bild 2.Die Achtpunktverschweißung garantiert einen niedrigen Übergangswiderstand.

Bild 3.Nur LiPos im Foliengehäuse können mit einer noch höheren Energiedichte aufwarten.

414/2007 - elektor

WENIGER IST MEHR?Über Aufbau und Besonderheiten des neuen Zellentyps mit FePO4-Kathode (vom Hersteller als „Nanophosphat“ bezeichnet) informiert der Textkasten „Etwas Physik und Chemie“. Die erste in Serie gefertigte Version ist die ANR26650M1 (so die vollständige Typenbezeichnung), eine Rundzelle der durchaus gängigen Größe 26650 (26 mm Zellendurchmesser, 65 mm Zellenhöhe). Bisherige LiIon-Zellen haben eine Nennspannung von 3,6 V und eine Ladeschluss-Spannung von 4,1 V (bei einigen Herstel-lern sind es 3,7 V beziehungsweise 4,2 V). Hier gibt sich die „Neue“ geradezu bescheiden: 3,3 V Nennspannung bei auf 3,6 V limitierter Ladespannung. Auch die Nenn-kapazität von 2,3 Ah ist gegenüber 2,5 bis 2,6 Ah bei aktuellen LiIon-Zellen vergleichbarer Größe nicht eben sensationell. Aufhorchen lässt indes der Gewichtsver-gleich: Während Vergleichszellen von Sony oder Panaso-nic 88 bis 93 g wiegen, glänzt die M1 von A123 mit lediglich 70 g! Der Gehäusebecher ist nämlich nicht aus Stahlblech, sondern aus Aluminium gefertigt (Bild 1). Das garantiert neben dem Gewichtsvorteil auch eine hervorra-gende Wärme(ab)leitung. Entgegen allen bisherigen Gepfl ogenheiten stellt der Becher den Pluspol dar. Die Polkappen tragen zur Kontaktierung dünne Plättchen aus ferromagnetischem Material (vermutlich Nickel). Für den Test waren nur Zellenpaare mit verschweißten Ableitern (Bild 2) verfügbar. Wenn nicht anders angegeben, bezie-hen sich die im Folgenden angegebenen Spannungswerte auf die Reihenschaltung von zwei Zellen.

ERSTE ERGEBNISSEUm die Datenblattwerte zu verifi zieren, ist eine vorsichti-ge Annäherung an die Grenzwerte angebracht, damit der Akku nicht schon vorher geschädigt wird. Tatsächlich verändert jeder Messzyklus den Akku: Mit jedem Lade-/Entladevorgang wurde ein Rückgang der messbaren Kapa-zität um ca. 1 mAh festgestellt, was etwa einem halben Promille der Nennkapazität entspricht. Zu Beginn wurde mit 1 C (2,3 A) geladen und mit 4 C (9,2 A) entladen. Die Zellentemperatur blieb beim Laden praktisch unverän-dert, beim Entladen wurde ein Anstieg von 21 °C auf 31 °C registriert. Auch die 10-C-Entladung (23 A) verlief unspektakulär, allerdings stieg die Zellentemperatur schon auf 49 °C. Bei Entladung bis auf nahezu 4 V (unter Last gemessen) liefert der Akku eine mittlere Entladespannung (Um) von 5,68 V, was 2,84 V pro Zelle entspricht. Daraus errech-net sich eine Energiedichte von 94 Wh/kg. Die größen-gleiche Sony US 26650VT liefert bei 10 C zwar eine etwas höhere mittlere Spannung von 3,24 V, bei der Ener-giedichte hat die FePO4- Zelle mit 94 Wh/kg gegenüber 89 Wh/ kg die Nase aber erkennbar vorne. Das ist dem geringeren Zellengewicht zu verdanken, das aber noch nicht an die in der Modelltechnik etablierten LiPos (Bild 3) heranreicht. Dort sind heute bei 10 C mittlere

Spannungswerte von 3,5 V und mehr üblich. Die Energie-dichte bewegt sich bei Hochstrom-LiPos schon im Bereich von 120 bis 170 Wh/kg. Als Nächstes wurden die Testzellen nach vollständiger Aufl adung mit 1 C auf -8 °C abgekühlt, und zwar grün-dlich. Die anschließende 10-C-Entladung musste nämlich wieder unter Arbeitsraumbedingungen (23 °C) durchge-führt werden, wobei die Oberfl ächentemperatur der Zel-len noch vor der Messung schon wieder 9 °C erreichte. Die Kerntemperatur der Zellen dürfte aber (leider nicht messbar) noch merklich darunter gelegen haben. Bild 4 zeigt jedenfalls sehr deutlich, dass die Spannung der abgekühlten Zellen zuerst tief einbricht, um dann mit zunehmender Erwärmung fast bis auf den Wert der bei Raumtemperatur „gestarteten“ Zelle anzusteigen. Der Unterschied der Zellen-Endtemperatur ist mit 49 zu 47 °C erstaunlich gering. Eine Erklärung ist der temperatur-abhängige Innenwiderstand, der bei der anfangs kalten Zelle eine deutlich höhere Verlustwärme erzeugt. Beim nächsten Testzyklus wurde der Entladestrom schon auf 15 C (34,5 A) gesteigert. Die Zellen lieferten bei ei-nem Temperaturanstieg von 23 °C auf 53 °C immer noch mehr als die volle Nennkapazität. Also nichts wie ran an die Grenzwerte!

HOCHSTROMFEST? HOCHSTROMTEST!Die Messanordnung ist in Bild 5 dargestellt. Das Mes-sen der angegeben Spitzenströme erfordert einen extrem niederohmigen Mess-Stromkreis. Die Summe aller Wider-stände im Messkreis setzte sich aus einem 1-mΩ-Mess-Shunt, dem eingebauten Shunt der 100-A-Stromsenke mit deren Restwiderstand, den Kabelwiderständen und den Über-gangswiderständen der verwendeten MPX-Stecker zusam-men – und war so hoch, dass es eine Einzelzelle auf kaum mehr als 65 A gebracht hätte. Deshalb wurden auch die Hochstrommessungen mit zwei Zellen in Reihenschaltung vorgenommen. Dadurch konnte dann auch mit zwei Mul-timetern die Spannungssymmetrie der beiden Messzellen getestet werden.Mit einem Spitzenstrom von 120 A wäre die vorhandene Stromsenke überfordert gewesen – aber so weit ist es gar nicht gekommen. Die bereits bei 15 C aufgetretene Tem-peraturerhöhung legte es nahe, die Zellen nicht gleich mit

dem spezifi zierten 30-C-Dauer(!)entladestrom (70 A) zu tes-ten. Die Fachwelt ist sich einig, dass eine Entladung spätes-tens bei Oberfl ächentemperaturen von 65 °C abzubrechen sei. Es wurde daher folgender Puls-Messzyklus festgelegt:10 s Entladung mit 69 A (30 C) (am Beginn einmalig 16 s), gefolgt von 30 s „Erholung“ bei 11,5 A (5 C). Beendet wurde die Entladung durch Erreichen der Entladeschluss-spannung oder der Temperaturgrenze (wenn früher). Bild 6 zeigt das Ergebnis. In der Hochlastphase fällt die Entlade-spannung zügig nach unten, was darauf hindeutet, dass die Lithiumionen im Zelleninneren doch nicht rasch genug nachfl ießen. Wie man sieht, kann die „Chemie“ in der Schwachlastphase aber zügig aufholen. Während die obe-ren Spannungswerte mit zunehmender Entladetiefe leicht nach unten streben, werden die Lasteinbrüche mit steigen-der Zellentemperatur sichtbar geringer, was die Tempera-turabhängigkeit des Innenwiderstandes demonstriert. Bei halber Entladetiefe wurde dann auch ein Ri(DC) von ca. 11 mΩ ermittelt (Datenblattangabe: typ. 10 mΩ). Die Tem-peratur stieg bis zum Entladeschluss auf 63 °C. Viel Reser-ve war also nicht mehr drin, weshalb auf weitere Tests mit verlängerten Hochlastpulsen verzichtet wurde. Sie hätten nur bei Zusatzkühlung der Batterie noch Sinn gehabt. Der Akku hat bei diesem Test 2320 mAh geliefert - immer noch mehr als Nennkapazität. Beeindruckt hat auch die Symme-trie der Zellenspannungen mit einer Differenz von maximal 10 mV bei allen gemessenen Zyklen. Abgeschaltet wurde in der Volllast-Phase bei 1 V/Zelle. Eine Minute nach der Messung pegelten sich beide Leerlaufspannungen wieder bei 2,74 V/Zelle ein.

SCHNELLLADUNGGemessen wurde mit 4 C (9,2 A) ohne elektronische Hilfs-mittel (Balancer), aber mit ständiger Einzelspannungsbe-obachtung. Wie beim Bleiakku lässt sich bei Lithium-Zellen nur der Anfangsladestrom einstellen, da die maximale Ladespannung vom Ladegerät (Bild 7) begrenzt werden muss. Mit ansteigender Zellenspannung verringert sich der Ladestrom (I/U-Ladung). Dies geschieht hier nach etwa 10 Minuten, wobei der Shuntwiderstand des Messgeräts einen etwas verkürzenden Einfl uss hat. Dennoch sind nach 20 Minuten Ladedauer schon über 97 % der Nennkapazität „eingeladen“ und der Ladestrom ist auf 0,5 A abgesunken. Ein Schnellladegerät dürfte jetzt getrost schon „voll“ signa-lisieren. Die Einzelzellenspannungen liefen während der gesamten Schnellladung nur vorübergehend und geringfü-gig um maximal 20 mV auseinander und erreichten den Endpunkt fast zeitgleich. Bei Schnellladung ist, wie Bild 8 zeigt, auch eine messbare Erwärmung feststellbar. Sie folgt dem Ladestrom etwas verzögert und dürfte allein auf die Verlustleistung am Innenwiderstand zurückzuführen sein.Bei der ANR26650 M1 scheint die empfohlene Lade-schlussspannung mit 3,6 V defi nitiv auf der sicheren Seite zu liegen. Der Autor hat – bei bewusstem Verzicht auf Sicherheit (Don’t Try This at Home!) die Überlade-fähigkeit „angetestet“ und die beiden Zellen bis auf 7,8 V Endspannung (3,9 V/Zelle) geladen. Die Zellenspannun-gen (Bild 9) ließen sich dabei nicht aus dem Gleichlauf bringen, es gab keine verdächtigen Geräusche und Gerü-che, doch auch der „Lohn der Angst“ hielt sich in Gren-zen: Bei der anschließenden 3-C- Entladung kamen gerade mal 100 mAh mehr auf den Zähler, und auch die mittlere Entladespannung war nur unmerklich höher. Eine Über-ladung ergibt eine marginale Zunahme der Energiedichte von 103,6 Wh/kg auf 104,6 Wh/kg – und stellt somit ein völlig unnötiges Risiko mit (wahrscheinlich) negativem Ein-fl uss auf die Lebensdauer dar.

2S ANR26650 M1 10-C-Entladung (23A)

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Entladedauer [s]

Entla

desp

annu

g [V

]

Entladespannung bei 23 °C Starttemperatur

Entladespannung bei 9 °C Starttemperatur

Endtemperatur 49 °C

Endtemperatur 47 °C

070019 - 11

Bild 4. Temperaturverhalten: Die Spannung gekühlter Zellen bricht anfangs ein und nimmt dann mit der Erwärmung zu.

42 elektor - 4/2007

TECHNIK AKKUS

Etwas Physik und Chemie Die Nanotechnik soll bei Lithium-Systemen die reaktiven Oberfl ächen der Elektroden vergrößern. Während man im Bereich der Grafi t-Anode (Minus-elektrode) die Entwicklungspotentiale weitgehend ausgeschöpft zu haben scheint, bewegt sich ganz offensichtlich kathodenseitig noch einiges. Dort die-nen Verbindungen (meist Oxide) von so genannten Übergangsmetallen als „Ionenfänger“. Bereits erprobt und im Serieneinsatz sind Metalle wie Mangan, Kobalt und Nickel mit spezifi schen Vor- und Nach-teilen. A123 Systems setzt nun auf Eisen (Fe) als weiteres Element aus der 4. Periode. Mit Eisenphos-phat (FePO4) scheint man ein Kathodenmaterial gefunden zu haben, das schon bei relativ niedriger Spannung genug Lithium-Ionen für eine ausreichend große Systemkapazität aufnimmt. Die nötige chemi-sche Stabilität ist bei LiIon-Akkus grundsätzlich nur in einem schmalen Spannungsfenster zwischen 2,3 V und 4,3 V gegeben, wobei sowohl der obere wie auch der untere Randbereich bereits als standzeit-relevante Kompromisse gelten. Daher werden in der Praxis bislang 4,2 V als Obergrenze akzeptiert und 4,1 V als lebensverlängernd empfohlen.

Zur Einhaltung solcher Spannungslimits dienen bei herkömmlichen Lithium-Batterien mit mehreren Serienzellen elektronische Hilfsmittel wie Balancer, Equalizer oder (zumindest) exakt arbeitende Span-nungsbegrenzer, die mit zunehmender Ladestrom-höhe immer aufwendiger werden und immer mit Energieverlusten verbunden sind. Der Anwender würde daher gerne darauf verzichten, was natürlich auch eine gewisse Tiefentladungsresistenz voraus-setzt. Weitere Wünsche betreffen das Temperatur-verhalten (möglichst großer Betriebstemperatur-bereich) und die Möglichkeit der Schnellladung. Die FePO4-Zelle von A123 Systems stellt sicherlich einen Fortschritt dar. Es bleibt aber noch zu klären, wie es um die Fehlbehandlungstoleranz der ANR26650M1 bestellt ist.

VV

Zelle 2Spannung

Zelle 1Spannung

Zelle 2

Temperatursensor

Zelle 1

Stromsenkebzw.Ladegerät

Anschlusskabel(4 mm2)

070019 - 12

UniTest 2www. sm-modellbau.de

2 S ANR26650 M1 (30 C / 5 C)

0

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5

6

7

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0 30 60 90 120

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Zeit [s]

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g [V

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m [A

], Te

mpe

ratu

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rad

°C]

Entladestrom

Entladespannung

Zellentemperatur

070019 - 13

Bild 6. Hochstrom-Entladung mit einem Entladestrom, der zwischen 30 C und 5 C wechselt.

Bild 5. Alle Messungen wurden mit zwei in Reihe geschalteten Zellen vorgenommen und die Messwerte mit dem Unitest2-Logger aufgezeichnet. Die beiden Multimeter zeigen zusätzlich die einzelnen Zellenspannungen.

Bild 7. Dieses Ladegerät von Graupner ermöglicht eine I-/U-Ladung ( Constant Current/Constant Voltage) mit auf 9,2 A begrenztem Ladestrom und einer maximalen Ladespannung von 3,6 V/Zelle.

434/2007 - elektor

Bild 8. Schnellladetest mit 9,2 A Anfangs-Ladestrom (20-minütige Ladung).

2S ANR26650 M1 4-C-Schnellladung (9,2 A)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800070019 - 14

2000

Ladezeit [s]

Stro

m [A

], Sp

annu

ng [V

], Te

mpe

ratu

r [G

rad

ºC]

0

500

1000

1500

2000

2500

Auf

geno

mm

ene

Ladu

ng [m

Ah]

Ladespannung

Ladestrom

Zellentemperatur

aufgenommene Ladung

Ende der Konstantstrom-

ladung

- Ladung U- Ladung

Bild 9. Selbst die beginnende Überladung bringt die 2-zellige Batterie nicht aus der Balance.

Erhältlichkeit Die verwendeten Testmuster stammen vom deutschen Akku-Systemanbieter BMZ [4]. BMZ ist unseres Wissens nach momentan auch der einzige euro-päische Importeur von A123-Akkus. Die unter dem Label „BMZ“ und „Konion“ vertriebenen Akkus werden vom Akku-Service Untermain konfektioniert. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass die Zellen bei zunehmender Nachfrage auch von Akku-Spezial-versendern und Elektronik-Katalog-Distributoren angeboten werden (dem Vernehmen nach demnächst bei www.batt-mann.de). A123 Systems selbst bietet auf der eigenen Website [5] Developer-Kits an. Auf einer separaten Seite für Modellsportler [6] sind auch Akkupacks und Ladegeräte zu fi nden.

Bild 10. Die erste Ausführung der Zelle von A123-Systems.

44 elektor - 4/2007

TECHNIK AKKUS

ERSTES FAZITDie neuen LiIon-Akkus mit FePO4-Kathode bringen die Lithium-Technologie der industriellen Hochstroman-wendung näher. Dazu trägt eine weitgehend fl ach verlau-fende Entladespannungskennlinie bei. Die Energiedichte ist zwar noch nicht viel höher als bei bisherigen LiIon-Zel-len, die Leistungsdichte ist es aber. Die Kombination von niedrigem Innenwiderstand mit niedrigem Gewicht bietet gute Aussichten, die von Nickel- und Blei- Zellen besetzte Domäne der Poweranwendungen erobern zu können. Dass 30 C wohl noch nicht wirklich als Dauerlast entnom-men werden können, ohne die Zellentemperatur auf unge-sunde Höhen zu treiben, ist keine Enttäuschung: Wer möchte schon seine 2,3-Ah-Zellen mit 70 A – also in nur zwei Minuten - vollständig entladen? Für so etwas muss es auch nicht unbedingt Lithium sein…Hingegen kann es beim Laden oft nicht schnell genug ge-hen. Auch wenn die A123-Akkus noch nicht in 1-2-3-Mi-nuten geladen sind, reicht bereits der zeitliche Horizont einer Frühstückspause. Insofern ist es kein Zufall, dass es bereits Profi -Schlagbohrmaschinen in 36-V-Technik (10 Zellen) mit diesen Akkus gibt [3].

Am aussichtsreichsten scheint derzeit der Einsatz in Hy-bridfahrzeugen und 3-Liter-Autos. Eine Starterbatterie aus vier FePO4-Zellen (13,2 V) ist um 70 % leichter als ein Bleiakku. Im Hybridauto wird Lithium-Technik bereits ab 2008 erwartet (unter anderem im Toyota Prius III). Bessere Zyklenfestigkeit und wesentlich höhere Energie- und Leis-tungsdichte lassen einen Quantensprung in der Hybrid-Fahrzeugtechnik mit wesentlich verbesserter „Zero-Emis-sion“-Fähigkeit erwarten. In den USA gibt es eine Reihe von Projekten für „Plug-In-Hybrids“, deren Akkus sich an der Steckdose auftanken lassen. A123 kooperiert bereits mit dem Automobil-Zulieferer Cobasys und ist zusammen mit Johnsoncontrol (VARTA/SAFT) auch an einem Vertrag mit General Motors über die Entwicklung eines Lithium-Akkus für ein Plug-In-Hybrid-SUV beteiligt. Interessant wird die Technik sicher auch für noch sparsamere Elektrovehi-kel, vom spaßbetonten Elektroscooter über den trendigen Segway bis hin zum Elektrofahrrad, das dann dank der 50-C-Beschleunigungsstöße (10 Sekunden sind genug!) endlich vom Image des Schleichgang-Seniorenmopeds wegkommt…

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[1] Ulrich Passern: „Super-Lithium-Akkus“, ELEKTOR 11/2004, S. 16

[2] „Mega-Power mit Nano-Phosphat“, ELEKTOR 1/2007, S. 14

[3] www.dewalt.com[4] www.bmz-gmbh.eu[5] www.a123systems.com[6] www.a123racing.com

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So genannten Farbstoff-Solarzellen steht

wahrscheinlich eine große Zukunft

bevor – vielleicht wird das teure Silizium

sogar einmal ganz überfl üssig.

Kaum zu glauben, dass sich die revolu-

tionären Zellen mit einfachen Mitteln

selbst herstellen lassen.

Dass in Pfl anzen vorkommende organische Stoffe Sonnenlicht in nutzbare Energie umwandeln können, ist vom Chlorophyll (Blattgrün) wohlbekannt. Weniger bekannt dürfte sein, dass natürlich vorkommende organische Farbstoffe als Elektronenlieferant in Solarzellen dienen können (siehe Kasten). Grundbestandteil einer solchen Zelle ist nicht der Halbleiter Silizium, sondern der Halbleiter Titandioxid (TiO2). TiO2 wird großindustriell hergestellt und dient zum Beispiel als Weißpigment in Papier, Wandfarbe und Zahnpasta. Allerdings absorbiert Titandioxid ausschließlich Licht im ultravioletten Bereich, dessen Anteil im Spektrum des Sonnenlichts gering ist. Um auch das sichtbare Sonnenlicht absorbieren zu können, wird das TiO2 durch einen organischen Farbstoff „sensibilisiert“.An solchen Farbstoff-Solarzellen (nach ihrem Erfi nder auch Grätzel-Zellen genannt) wird weltweit intensiv geforscht [1]. Verglichen mit den Zellen aus dem Halbleiter Silizium beträgt der Wirkungsgrad mit etwa 7 % zwar nur etwas mehr als ein Drittel. Doch könnten Solarzellen mit dieser Technologie weitaus billiger werden, denn die Herstellung der traditionellen Zellen ist aufwendig und teuer.

ZELLEN DER ZUKUNFT?Farbstoff-Solarzellen werden vermutlich erst in wenigen Jahren marktreif sein; vorher sind noch Probleme wie zum Beispiel die Langzeitstabilität zu lösen, denn Luftsauerstoff macht die Zellen unbrauchbar [2]. Doch eignet sich das Prinzip prima zum Selbstbau einer Solarzelle. Der benötigte Farbstoff lässt sich zum Beispiel aus Himbeeren oder Früchtetee gewinnen. Im Internet werden Kits [3] [4] angeboten, welche alle benötigten Zutaten enthalten; es macht aber auch Spaß, das Ganze mal mit Isolierglas-Stückchen vom Glaser und in der Apotheke erstandenem Titandioxid auszuprobieren. Im Folgenden geben wir eine Anleitung in Wort und Bild – machen Sie mit!

(060314-I)

So funktionieren Farbstoff-SolarzellenDie Farbstoffsolarzelle besteht aus zwei leitfähig beschichteten Glasscheiben (als leitfähige Schicht wird ein Metalloxid verwendet). Zwischen den Glasscheiben befi ndet sich eine etwa 10 µm dünne poröse Schicht aus zusammengebackenen, rund 20 nm großen Kristallen aus Titandioxid. Hieran ist der Farbstoff angelagert - in industriell hergestellten Farbstoffzellen enthält der Farbstoff das Edelmetall Ruthenium, für experimentelle Zwecke wird ein natürlich vorkommender roter Farbstoff verwendet. Dank der winzigen TiO2-Kristalle und den Zwischenräumen ist die effektive Oberfl äche der Struktur sehr groß und die Farbstoffschicht sehr dünn (dies ist unabdingbar, da der Farbstoff selbst schlecht leitet).Fällt Licht auf ein Farbstoffmolekül, so injiziert dieses ein Elektron in das Titandioxid. Die Elektronen sammeln sich in der leitfähigen Schicht, die sich zwischen dem Titandioxid und einer der Glasplatten befi ndet (Arbeitselektrode).Auf der anderen Seite dient ebenfalls eine leitfähige Schicht als Gegenelektrode; der Zwischenraum ist mit einer Elektrolytlösung gefüllt. Für experimentelle Zwecke wird eine einfache Salzlösung (Jod-Jodid) verwendet, das Acetonitril industrieller Farbstoffsolarzellen ist zu fl üchtig und zu giftig. Trijodid-Moleküle in dieser Lösung reagieren an dieser Gegenelektrode sehr „gerne“ zu Jodid-Molekülen, vor allem, wenn man dort noch einen zusätzlichen Katalysator aufbringt (industriell Platin, experimentell Graphit). Für die Reaktion sind allerdings Elektronen nötig. Da an der anderen Elektrode aber gerade ein Elektronenüberschuss herrscht, entsteht eine Spannung, die man abgreifen kann. Verbindet man die Elektroden „außen herum“ über einen Verbraucher, fl ießt Strom.Die Jodid-Moleküle in der Lösung geben schließlich Elektronen an den Farbstoff ab und reagieren so wieder zu Trijodid-Molekülen – der (Strom-)Kreis schließt sich.

Mit Früchteteezur Sonnenzelle

Farbstoff-Solarzellen selbst gebaut

www.elektor.de

060314 - 11

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Glasplatte

Farbstoff-Moleküle

Elektrolyt-Lösung

leitfähige Schicht(Elektrode)

aneinander gebackeneTiO2-Kristalle

leitfähige Schichtund Katalysator(Gegenelektrode)

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3I-

Zutaten und Werkzeug Gläser (einseitig leitfähig beschichtet): Sie sind in den Kits enthalten, die man im Internet bestellen kann. Es funktioniert aber auch so genann-tes Wärmeschutzglas. Im Allgemeinen können Glaser immer ein paar Scherben dieser Glassorte abgeben, da daraus wärmedämmende Fenster gefertigt werden. Fürs Zuschneiden (man benötigt mindestens zwei etwa 5 mal 2 cm große Stückchen einer einzelnen Scheibe) berechnen sie ein, zwei Euro.

TiO2 + Polyethylenglykol: Das Polyethylenglykol – ein Grundstoff für allerlei Salben und Cremes - wird zum Aufschlämmen des Titandioxids verwendet. Man kann beides in der Apotheke erhalten (das Polyethylen-glykol muss mit einem Molekulargewicht von ca. 300 ausreichend dünnfl üssig sein, es gibt auch festes!). Bequemer geht alles mit einer fer-tigen weißen Suspension, die im Internet-Kit enthalten ist. Hier kann man sich auch darauf verlassen, dass die Korngröße des Titandioxids stimmt (ca. 20 nm) und das Material fein genug verteilt ist, was beim Selberma-chen nicht ganz einfach zu erzielen ist. Wer will, kann auch einmal weiße Zahnpasta, Tipp-Ex, weiße Wandfarbe oder ähnliches probieren, in denen TiO2 als Weißmacher drin ist. Elektrolyt: Ebenfalls in den Internet-Kits enthalten. Wir haben es auch mit einer Jod-Lösung in 65-prozentigem Ethanol aus der Apotheke versucht, was immer noch funktioniert, aber nur etwa ein Drittel an Strom liefert.

Früchtetee (z.B. Hagebutte, Hibiskus): Im Internet-Kit enthalten, aber problemlos auch anderweitig zu beschaffen

Campinggaskocher, Feuerzeug Stativ / dritte Hand, Gitter (zur Aufl age der Gläser beim Backen) Pipette (das Auftropfen der Titandioxid-Lösung geht aber auch mit einem Teelöffel)

Pinzette Wasserkocher Teekanne Fön Klebestreifen (Tesafi lm) Stück Alufolie Petrischale oder fl ache Schale/tiefer kleiner Teller Bleistift Glas/Karte zum Verstreichen des TiO2 Multimeter Krokodilklemmen

WEBLINKS[1] www.farbstoffsolarzelle.de[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Grätzel-Zelle[3] www.mansolar.com/deutsch.htm[4] www.solideas.com/solrcell/iceorder.html[5] www.elektor.de/Default.aspx?tabid=29

Von Dr. Axel Werner und Jens Nickel

Nun den Früchtetee kochen (wenig Wasser, mehrere Teebeutel) und in eine Schale geben. Eine weitere Quelle für den Farbstoff ist Rote-Beete-Saft, Himbeersaft oder rote Tinte. Die abgekühlten beschichteten Gläser werden rund 5 Minuten in der Schale gebadet. In dieser Zeit wird eine weitere Glasscheibe auf der leitfähigen Seite mit Graphit (Bleistift) bestrichen. Diese Schicht dient als Katalysator für den Elektronenübergang von der Elektrode zum Elektrolyten.

Die Gläser aus dem Bad entnehmen (das TiO2 hat jetzt die Färbung des Tees angenommen, siehe Bildmitte) und mit klarem Wasser abspülen. Danach mit Fön oder Ähnlichem trocknen. Alles, was man nun zum endgültigen Zusammenbau der Zelle benötigt, ist auf dem Bild zu sehen.

Beide Glashälften werden versetzt aufeinander gelegt (leitfähige/beschichtete Seiten zueinander). Dabei sollte man nicht verrutschen, da das TiO2 abgekratzt werden könnte. Die beiden Glashälften werden mit aus Büroklammern gebastelten Klemmen aneinandergepresst; man kann sie aber auch einfach mit Tesafi lm umwickeln.

Der Elektrolyt wird zwischen die beiden Glashälften gegeben. Hierzu einfach einige Tropfen auf eines der Gläser träufeln; der Elektrolyt wird dann durch die Kapillarkräfte zwischen die Gläser gezogen.

Mittels Volt- und Amperemeter lässt sich die Spannung (rund 0,3 V) und der Strom messen (bis rund 1 mA, hier im Fotostudio ist es natürlich erheblich weniger). Mehrere Zellen kann man mit Krokodilklemmen in Reihe schalten.

Auf eine Versiegelung wie bei industriellen Farbstoff-Solarzellen lässt sich hier verzichten – so können die Gläser sogar recycelt werden. Dazu trennt man am Ende beide Glasscheiben und wäscht die Schichten mit Wasser unter etwas Reiben ab. Die Graphit-schicht ist eventuell nicht vollständig zu entfernen, weswegen es für folgende Versuche ratsam ist, die einmal als Gegenelektrode verwendeten Gläser wieder als Gegenelektrode zu verwenden.

Während des Backens wird das TiO2 braun, da die organischen Bestandteile verbrennen (siehe Bild). Am Ende muss die TiO2-Schicht aber wieder weiß sein. Das Glas muss nun langsam abkühlen, sonst kann es springen. Dazu sollte man die Gläser nicht sofort vom heißen Gitter nehmen, sondern zunächst an den etwas kühleren Rand schieben.

Grundlage der Solarzellen ist herkömmliches, etwa 2 mm dickes Fensterglas, das mit einem Metalloxid (z. B. ZnO)

transparent leitfähig beschichtet wurde. Dies lässt sich leider nicht selbst machen – das leitfähig

beschichtete Glas ist aber im Internet-Kit enthalten, das bei Manslar [3] bezogen werden kann (das Bild zeigt einige

der mitgelieferten Zutaten und Tools). Eine Variante des Kits enthält sogar leitfähig beschichtete Glasstück-

chen, die schon eine aufgebackene TiO2-Schicht aufweisen.

Hier die wichtigsten Zutaten aus dem Internet-Kit (links) und eine mögliche Alternative (rechts). Eine Alternative zu den Glasstückchen

des Internet-Kits sind Abfälle von Isolierglasscheiben (siehe Zutatenliste). Das TiO2-Pulver sollte eine Teilchengröße von

15 bis 25 nm aufweisen. Es wird mit einem ölartigen Dispergiermit-tel (Polyethylenglykol) zu einer dickfl üssigen Paste im Verhältnis 1:1

verrührt (siehe Zutatenliste). Den Elektrolyten aus dem Internet-Kit kann man (mit einem etwas schlechteren Ergebnis) durch eine

Jod-Lösung in Ethanol ersetzen. Probieren Sie es einfach mal aus – Ergebnisse können gerne im ELEKTOR-Forum [5] gepostet werden.

Mit einem Ohmmeter misst man, auf welcher Seite der Gläser sich die leitfähige Schicht befi ndet.

Ein Glas wird (leitfähige Seite nach oben) mit drei Klebestreifen auf dem Tisch fi xiert.

Mit einer Pipette wird das aufgeschlämmte Titandioxid aufgenommen. Danach gibt man

einige Tropfen auf die leitfähige Seite des Glases …

… und streicht das Ganze mit einer Karte oder einem weiteren Glas glatt. Eine gleichmäßige Schicht erreicht man, wenn die Karte beim Verstreichen auf beiden Seiten auf den Klebestreifen aufl iegt. Rechts zum Vergleich ein fertig beschichtetes Glas aus dem Internet

– so schön bekommt man das natürlich niemals hin …

Die Schicht muss nun im Ofen oder über einer offenen Flamme (z. B. über einem Campinggaskocher) bei rund 450 °C

gebrannt werden. Hier wird Letzteres verwendet. Einige Zentimeter oberhalb der Kocherfl amme wird

das Aufl agegitter angebracht und das TiO2-Glas darauf gelegt.

Farbstoff-Solarzellen könnten das teure Silizium

einmal überfl üssig und den Solarstrom weitaus

billiger machen. Diese revolutionären Zellen lassen

sich mit einfachen Mitteln selbst herstellen

– man benötigt nur etwas leitfähig beschichtetes

Glas und ein paar Chemikalien.

Grundstoffe sind Titandioxid und ein roter Farbstoff,

der zum Beispiel in Hagebuttentee vorkommt.

Rechts fi nden Sie eine Anleitung in Wort und Bild

– machen Sie mit!

Farbstoff-Solarzellen selbst gebaut

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Mit Früchteteezur Sonnenzelle

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www.elektor.de

454/2007 - elektor

TECHNIKENTWICKLUNGSTIPPS

Einfacher AkkutesterDer „Supersimple Akkutester“ aus der ELEKTOR-Ausgabe vom Juli/August 2006 (Schaltung 20) ist tatsächlich supersimpel. Nachteilig ist jedoch, dass die am Testobjekt betriebene Uhr bereits stehen bleibt, bevor der Akku restlos leer ist. Bei jeder Zeigerbewegung entnimmt das Uhrwerk dem Akku impulsar-tig Strom. Dem Stromentnahme-Stoß ist der Akku schon einige Zeit vor dem endgültigen Aus nicht mehr gewach-sen. Die erweiterte Ak-kutester-Schaltung trägt dem genannten Um-stand Rechnung. Zwar ist die Konstruktion nun nicht mehr so „supersim-pel“ wie vorher, doch der zusätzliche Aufwand beseitigt verschiedene Unzulänglichkeiten.Vor dem Testlauf muss die Uhr von Hand auf 12:00 Uhr gestellt werden. Wenn Taster „START“ gedrückt wird (und der Akku geladen ist!), fl ießt in die Basis des Transis-tors T1 Strom. Der Tran-sistor leitet, und das Re-lais zieht an. Dem Akku wird über den geschlos-senen Relaiskontakt und den 5-Ω-Lastwiderstand (R1) ein Strom von un-gefähr 200 mA entnom-men. Der Strom fl ießt so lange, bis die Akkuspan-nung auf einen Wert bei 0,8 V gesunken ist. Mit Poti P1 lässt sich die Ab-schaltschwelle präzise einstellen.Die Spannung an der Re-laiswicklung ist genügend hoch, um das Uhrwerk in Gang zu halten. Die drei in Reihe geschalteten Di-oden D2, D3 und D4 sorgen zu-sammen mit Widerstand R3 und Elko C1 dafür, dass die Span-nung am Uhrwerk genügend stabil und impulsbelastbar ist. Die Zeiger bleiben genau dann stehen, wenn die Akkuspan-nung auf einen defi nierten Wert gesunken ist. Die Schwelle, bei

der das Testobjekt als entladen gilt, beträgt 0,8 V. Wenn die Ak-kuspannung die untere Grenze erreicht, fällt das Relais ab. Der Akku wird von Lastwiderstand R1 getrennt, er kann nicht tiefer entladen werden. Die Uhr zeigt die Entladedauer minutengenau an, so dass eine einfache, nicht nur überschlägige Berechnung der Akkukapazität möglich ist. Steht die Uhr beispielsweise auf

04:30 Uhr, dann beträgt die Ak-kukapazität mit guter Näherung 200 mA · 4,5 h = 900 mAh.Lastwiderstand R1, dessen Wert 5 Ω beträgt, wird durch zwei parallel geschaltete 10-Ω-Wi-derstände realisiert. Ferner sind eine Schutzdiode parallel zur Relaiswicklung (D1) und ein

1-kΩ-Widerstand (R2) zur Begren-zung des Basisstroms von T1 vor-handen. T1 und D1...D4 müssen keine besonderen Anforderungen erfüllen.Die Schaltung wird nicht aus dem zu testenden Akku, sondern von einem kleinen 5 V-Stecker-netzteil mit Strom versorgt. Eine etwas höhere Spannung hat auf die Zeitmessung keinen Einfl uss. Zum Einstellen von P1 auf die Ab-

schaltschwelle leistet ein fast ent-ladener Akku gute Dienste. Last-widerstand R1 wird gegen einen Widerstand mit höherem Wert getauscht, zum Beispiel 100 Ω. Der Akku wird mit einem Voltme-ter verbunden, danach wird auf „Start“ gedrückt. Poti P1 muss so eingestellt werden, dass das Re-

lais bei der Akkuspannung 0,8 V abfällt. Es schadet nichts, wenn man die Einstellung mehrfach wiederholt, eventuell mit höhe-ren Lastwiderstandswerten, zum Beispiel 200 Ω oder 400 Ω.Der Akkutester eignet sich auch zur Kapazitätsmessung von Akku-packs, bei denen mehrere Zellen in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall muss der Lastwiderstand an-gepasst werden. Auch ist der Ei-

genschaft Rechnung zu tragen, dass die Zellen nicht gleichzeitig die Ent-ladeschwelle erreichen. Wenn die Kapazität eines Akkupack mit der Nenn-spannung 7,2 V (sechs Zellen) gemessen werden soll, wird empfohlen, die untere Grenzspannung auf 1,0 V zu erhöhen. Für die Last 5 Ω pro Zelle (Entla-destrom ca. 200 mA) muss der Lastwiderstand 6 · (1,0 V / 0,8 V) · 5 Ω 5 Ω = 32,5 Ω betragen. Die vom Lastwiderstand in Wärme umgesetzte Leistung beträgt im Dur-chschnitt ungefähr 6 V · 200 mA = 1,2 W. Der Widerstand sollte etwas belastbarer dimensioniert sein und 5 W vertragen.Der Akkutester wurde für kleine Akku-Typen kon-zipiert (AA oder AAA), er kann durch einen nie-derohmigeren Lastwi-derstand auch an größe-re Akkus angepasst wer-den. Dabei ist stets die in Wärme umgesetzte Leistung zu berücksichti-gen (bei 1 Ω mindestens 2 W), und außerdem muss das Relais den Strom schalten können (bei 1 Ω mindestens 2

A). Der Spannungsabfall, der im Entladestromkreis auftritt (Akku Relaiskontakt Lastwiderstand Akku), darf nicht vernachlässigt werden. Ein zu niedriger Leiter-querschnitt hat falsche Testergeb-nisse zur Folge!

(060303)gd

RE1

5V

D1

T1

BC547

R2

1k

R3

3k

R1

5Ω P1

2k

S1

D2 D3

1V5

D4

C1

470µ

060303 - 11

5V10 mA

1V2

0V8

START

STOPBT1

Von Paul Porcelijn

46 elektor - 4/2007

PRAXIS MINIPROJEKT

Prinzipiell genügt es, Sonnenzellen über eine Schottky-Diode an eine Reihe in Serie geschalteter Akkus anzu schließen. Der Innenwiderstand eines kleinen Solarmoduls sorgt zwar dafür, dass der Ladestrom nicht zu groß werden kann, aber die Gefahr des Überladens der Akkus ist dennoch gegeben. Unsere kleine Ladeschaltung sorgt dafür, dass dies nicht geschieht (Bild 1).

FUNKTIONSWEISEDie Schaltung besteht lediglich aus zwei Transistoren und einigen pas-siven Bauelementen. Das Prinzip ist einfach:Die Spannung des Akku-Packs wird permanent gemessen. Wird sie zu hoch (ein Zeichen, dass die Akkus voll ge-laden sind), so wird ein Leistungswi-derstand zum Solarmodul parallel ge-schaltet. Dadurch sinkt die Spannung der Solarzellen und die Akkus werden

nicht mehr weiter geladen.Die Spannungsmessung erfolgt mit T2 und seiner Peripherie. Die Z-Diode D2 verleiht dem Emitter von T2 einen Off-set von etwa 1,4 V. Sobald an der Basis von T2 eine Spannung von 2 V anliegt (1,4 V plus Basis-Emitter-Übergang von T2), wird der Transistor leitend. T2 er-hält über den Spannungsteiler R3, P1 und R6 die Basisspannung zugeführt. Der Strom aus den Sonnenzellen wird dann über den Leistungswiderstand R7 (10 Ω) abgeleitet, was zum Been-den des Ladevorgangs führt. Eine Be-lastbarkeit von 1 W ist bei diesem Wi-derstand normalerweise ausreichend. Bauelemente-Toleranzen innerhalb des Spannungsteilers sowie von T2 und D2 lassen sich mit P1 ausgleichen. Mit diesem Poti kann die Lade-Endspan-nung der Akkus eingestellt werden. Normalerweise handelt es sich hier-bei um einen Wert von etwa 1,44 V für eine vollständig geladene Zelle (NiMH

Einfacher Solarlader

Verhindert das Überladen von NiCd/NiMH-Zellen

Kleine Solarzellen sind zurzeit recht

preiswert erhältlich – wenn man sie nicht

schon vorher aus einer solarbetriebenen

Gartenleuchte ausgebaut hat.

Doch was macht man damit?

Wie wär’s mit einem Akkulader?

Von Luc Lemmens

474/2007 - elektor

oder NiCd), so dass bei zwei in Se-rie geschalteten Zellen T2 bei einem Wert von 2,88 V (an K2) durchschalten muss.Durch Ändern der Werte des Span-nungsteilers lässt sich die Schaltung auch leicht an andere Akkuspannun-gen anpassen. Bei einer Serienschal-tung von beispielsweise drei oder vier Akkuzellen genügt eine Erhöhung des Wertes von R3.

AUFBAUDa die hier gezeigte Ladeschaltung mit einer geringen Anzahl von Bautei-len auskommt, kann sie auch auf einer

Loch rasterplatine aufgebaut werden. Das Foto zeigt unseren Prototypen. Für die Ein- und Ausgangsanschlüsse empfiehlt sich die Verwendung von Schraubklemmen. Damit lässt sich die Platine sehr schnell und einfach mit dem Solarmodul und den Akkus verbin-den. Die Nennspannung des Solarmo-duls richtet sich nach der Anzahl der zu ladenden Zellen. Da der typische Spannungsabfall an der Schottky-Diode D1 bei 0,3…0,4 V liegt, sollte die Nenn-spannung des Moduls mindestens um diesen Betrag höher sein als die mit

P1 eingestellte Lade-Endspannung des

Akkus. Ein typis-ches (preiswer-tes) Solarmodul zum Laden von zwei Zellen be-

steht aus acht in Reihe geschalteten Solarzellen. Bei ausreichender Sonnen-einstrahlung liefert ein solches Modul etwa 140 mA bei 8 x 0,45 V = 3,6 V. Man kann natürlich auch größere Mo-dule mit einem höheren Nennstrom verwenden, um die Ladezeit abzukür-zen – das ist primär eine Preisfrage. Bei dem erwähnten 140-mA-Modul braucht zum Beispiel ein vollständig entladener 1400-mAh-Akku schon ei-nen vollen Sonnentag (12-14 Stunden) für eine volle Ladung.Noch ein Tipp für die Montage der Bau-elemente: Eine Z-Diode von 1,4 V be-steht meist aus zwei herkömmlichen, in Reihe geschalteten Dioden. Diese „Pseudo-Z-Diode“ wird im Gegensatz zu normalen Z-Dioden nicht in Sperr-richtung, sondern in Durchlassrich-tung geschaltet. Die Kathode (der An-schluss mit dem Ring) muss in diesem Fall also mit Masse verbunden sein.Das Einstellen der Schaltschwelle ge-

schieht am einfachsten, indem man die Akkus kurzfristig durch ein

einstellbares Gleichspannungs-netzteil ersetzt. Stellen Sie die Ausgangsspannung dieses Netzteils auf einen Wert von

2,88 V ein. Messen Sie als Nächs-tes die Spannung am Lastwiderstand R7 mit einem Voltmeter.Setzen Sie das Solarmodul möglichst hellem Sonnenlicht aus. Stellen Sie das Trimmpoti auf maximalen Wert. Dre-hen Sie nun das Poti langsam so weit zurück, bis das Voltmeter plötzlich ei-nen Wert von ein paar Volt anzeigt. Dies ist ein Zeichen dafür, dass T1 leitet.Der Abgleich ist damit beendet. Das Netzteil kann nun entfernt und durch die Akkus ersetzt werden.

(060315)

Bild 1. Die Schaltung besteht lediglich aus zwei Transistoren, zwei Dioden, einem Poti und sechs Widerständen.

K1 K2

R7

10

R1

8k2

R2

8k2

R3

22k

R6

100k

R5

10k

D1BAT86

D2

1V4

T2

BC548B

T1

BC328

P1

10k

BT1

BT2

060315 - 11

48 elektor - 4/2007

PRAXIS MIKROCONTROLLER

Es gibt mehrere Mikrocontroller-Reihen von Freescale in den gängigen Gehäu-sebauformen (DIL, SOIC, QFP, LQFP). Zudem existieren hybride Lösungen (insbesondere für HF-Anwendungen, Motorsteuerungen etc.). Unser Inter-esse gilt hier der 8-bit-Produktreihe dieses Herstellers, zu der wir einen geeigneten Programmer vorstellen. Die Architektur dieser Mikrocontroller wurde von der 68HC05-Familie über-nommen und für die Programmierung in C optimiert. Insbesondere wurden Adressierung, Stackzugriff und die Ver-arbeitung bedingter Verzweigungen überarbeitet. Die Assembler-Program-mierung wird hier nicht behandelt, weil

eine Einfügung von Assembler code in das C-Programm praktikabler ist. Die von Freescale verfügbare Software ist sehr leistungsstark und spart Zeit bei der Programmentwicklung.

PRODUKTÜBERSICHTFür Anwendungen mit höherer Per-formance (Ethernet, IDE, etc.) bie-tet Freescale die 32-bit-Mikrocontrol-ler-Baureihe ColdFire sowie DSPs. Vorzugsweise im Automobilbereich eingesetzt werden die 16-bit-Mikro-controller der 68HC12-Familie.In der 8-bit-Kategorie gibt es drei Baureihen:

68HC908Dies ist die älteste Baureihe, wes -halb hierfür bereits eine große Palette von Anwendungen existiert. Die Pro-grammierung erfolgt über ein Monitor-programm im ROM und über eine RS-232 -Schnittstelle.68HCS908Die jüngste Generation verfügt über eine Vielzahl von Schnittstellen (I²C, UBS, Seriell, LIN) und über eine erhöh-te Taktrate. Zudem zeichnet sie sich durch eine BDM Schnittstelle [A] [B] für den Background Debug Mode aus.68RS08Die preisgünstigsten Mikrocontroller von Freescale sind in verschiedenen

Entwickeln mit 8-bit-Controllern von Freescale

Programmer für den 68HC(9)08

Von Guillaume Dupuis

Freescale ist einer der Marktführer im Bereich von

Mikroprozessoren und Mikrocontrollern. Die Produktentwicklung

wird durch eine breite Palette von leistungsfähigen Support- und

Entwicklungstools unterstützt. Nostalgiker schwärmen noch heute

vom 68HC11, der heutzutage zum Preis einer TTL-Schaltung zu

haben ist. In diesem Artikel wird ein Programmer für den Flash-

Mikrocontroller M68HC08 und die 68HC908-Familie vorgestellt.

494/2007 - elektor

Varianten mit 6 oder 8 Pins verfügbar. Der Befehlssatz ist abgespeckt und viele Hardwarefunktionen (insbeson-dere Timer und Interrupts) müssen soft-waremäßig emuliert werden.

AUSWAHL EINES 68HC908-CONTROLLERSDie 68HC908-Familie ist eine Großfa-milie, die viele Möglichkeiten bietet. Die Auswahl eines Controllers be-ginnt man daher am besten mit einer Liste der Anforderungen, denen der Mikrocontroller genügen soll. Insbe-sondere sind folgende Merkmale zu berücksichtigen:

Schnittstellen Welche Schnittstelle braucht die Anwendung? Seriell synchron oder asynchron, CAN oder I²C?USBZurzeit ist der Einsatz einer USB-Schnitt stelle besonders populär. Des-halb verfügen mehrere Controller aus der Familie über eine integrierte USB-Schnittstelle.Spezielle I/O-SchnittstellenFür einige Applikationen ist die direkte Steuerung eines Dreiphasenmotors erwünscht. In diesem Fall können spe-ziell dafür konzipierte Controller aus der 68HC908MR32-Baureihe eingesetzt werden. Diese weist sechs integrierte PWM-Ausgänge (Pulse Width Modu-lation) zur Steuerung von IGBT-Brücken auf. Die Frequenz jeder einzelnen Brücke kann unabhängig voneinander eingestellt werden, insbesondere in Bezug auf die Dead Time (Totzeit oder Antwortzeit der IGBT).In einigen Baureihen gibt es auch her ausgeführte Stromschnittstellen (20-mA-Stromquellen), die sich zur An-

steuerung von LEDs eignen und auch Ausgänge mit einstellbarem Innen-widerstand (pull-up oder pull-down).GehäuseDie Controller sind im DIP, PSDIP und LQFP-Gehäuse erhältlich. Die Gehäu-seausführung (Pinanzahl) ist auch der limitierende Faktor bei der Anzahl der I/O-Ports.SpeicherViele pinkompatible Typen unter-scheiden sich nur in der Größe des Flash speichers und bieten Speicher-kapazitäten zwischen 2 und 64 KB. Die freien Entwicklungstools sind auf eine Speichergröße von 16 KB begrenzt. Um diese Begrenzung aufzuheben, ist der Erwerb einer Lizenz notwendig. Die Flash-Speicher sind nicht für eine un-begrenzte Anzahl von Lese-/Schreib-zyklen ausgelegt. Deshalb verfügt die 68HC908AB32 Familie über einen EEPROM-Speicher.BetriebsspannungAuch bei der Betriebsspannung gibt es reichlich Auswahl. Es gibt Controller für 1,8, 2,5, 3,3 und 5 V. Da muss man

Programmierung in C Die Sprache C erlaubt die direkte Manipulation im Speicherbereich (mit Hilfe von Zeigern). Gleichzeitig ermöglicht sie es, auch spezifi schen Assemblercode auf dem Mikrocontroller zu implementieren. Bei der Optimierung erlaubt es C, einen Code insbesondere über differenzierte Adressierungsmethoden zu beschleunigen. Es ist jederzeit möglich, Assemblercode zur Optimierung von Funktionen im Sinne der Beschleunigung in die Programmausführung einzufügen.

Beispiel:DDRA = 0xFF ;For (PTA=0 ;PTA !=0xFF;PTA++ )PTA++;Oder:DDRA = 0xFF ;For (PTA=0 ;PTA !=0xFF ;PTA++)_asm INC PTA;

Bit-Manipulation in C ANSI C erlaubt keine Manipulation einzelner Bits in einem Byte. Glücklicherweise deklariert Freescale den Datentyp Byte als ein Feld von 8 Zeichen (Char).

Beispiel:x = PTA_PTA2;x = (PTA & 0x04)>>2;

Die beiden Schreibweisen sind äquivalent, wobei er die erste besser lesbar ist und das Resultat in einem Stack verarbeitet, was Probleme mit interruptabhängigen oder rekursiven Funktionen vermeidet.

50 elektor - 4/2007

PRAXIS MIKROCONTROLLER

schon auf die korrekte Spannung ach-ten. Der in diesem Artikel vorgestellte Programmer ist nur für Controller mit 5 V Betriebsspannung geeignet.Spezifi schen AnforderungenFast alle Controller verfügen über ein CAN-Interface mit mehreren gemulti-plexten Eingängen. Unterschiede gibt es in der Aufl ösung (8 oder 10 bit), in der Akquisitionszeit und in der Anzahl der gemultiplexten Eingänge. Mit Hil-fe von Timern lassen sich Impulszähler realisieren.

Wir wollen uns hier für eine nähere Be-trachtung auf zwei Typen beschränken: Der 68HC908QY4A ist ein Controller im kleinen DIL-Gehäuse. Seine wichtigs-ten Eigenschaften sind ein integrierter Oszillator, 4 KB Flash, zwei 16-bit-Ti-mer, sechs 10-bit-CAN, 13 I/O Ports.Der 68HC908JL16 ist umfangreicher

ausgestattet und hat mehr Speicher und Schnittstellen (seriell und I²C). Sei-ne wichtigsten Merkmale sind 16 KB Flash, zwei 16-bit-Timer, dreizehn 10-bit-CAN, 26 I/O Ports (davon zehn 20-mA-LED-Treiber), 8 Interrupts und eine serielle und eine I²C-Schnittstelle.

GEMEINSAME 68HC908-MERKMALEFlash MemoryDer Flashspeicher lässt sich im Prinzip bearbeiten, während das Programm läuft. Dazu müssen Schreibroutine und Daten im RAM gespeichert sein. Es werden 10.000 Lese-/Schreibvorgänge und eine maximale Lebensdauer der abgespeicherten Daten von 10 Jahren spezifi ziert. Die 68HC(S)08-Familie ver-fügt über einen internen Span-nungswandler, der die für das Schrei-ben des Flashspeichers benötigte Spannung erzeugt. Der Flashspeicher kann schreibgeschützt werden, um ein Löschen oder Überschreiben zu verhindern.Spezielle FunktionenAlle Mikrocontroller verfügen über ei-nen LVI (Low Voltage Inhibit), der ei-nen Interrupt erzeugt, wenn die Be-triebsspannung einen Mindestwert

unterschreitet. So können zum Bei spiel Parameter vor dem Aussetzen des Mikrocontrollers gesichert werden. Ei-nige Mikrocontroller verfügen über ei-nen KBI (KeyBoard Interrupt), eine An-zahl von Interrupteingängen zur Ver-einfachung der Keyboardabfrage.EnergiesparmodusAlle Mikrocontroller verfügen über ei-nen WAIT-Befehl, der es erlaubt, die CPU bis zum Eintreffen eines Inter-rupts in den Standby-Modus zu set-zen. Zudem existiert auch eine Baurei-he, bei der sich alle Peripheriebaustei-ne mit Ausnahme des Interruptmoduls in den Standby-Modus versetzen las-sen, wobei der Stromverbrauch des Interruptmoduls gegen Null tendiert (800 nA).

MON08-INTERFACEUm die unterschiedlichen Programmer-typen zu vereinheitlichen, ist ein Über-einkommen über die Steckverbindung geschlossen worden. In der Hersteller-dokumentation ist angegeben, welche Pinbelegung zu welcher Controller-familie gehört (Siehe Bild 3).

BDM-INTERFACEBeim HCS908 und RS908 gibt es ein Interface für den Background De-bug Mode [A], [B]. Im Gegensatz zu den zahl reichen I/O-Leitungen beim MON08-Interface gibt es beim BDM-Interface nur drei Leitungen: Masse, Daten und Vap (Flash Memory). Das BDM-Interface arbeitet über den USB-Port. Es gibt Programmer-Schal-tungen, die aber komplexer sind und einen eigenen 68HC908 benötigen, um sowohl die USB-Kommunikation als auch die BDM-Verbindung zu ver-sorgen. BDM-Programmer kosten etwa 50 US-$ (z.B. bei P&E micro).

AUSBLICKIm Laufe des Jahres wird Freescale den ColdFire V1 herausbringen, der eine 32-bit-CPU mit der Peripherie des 68HCS908 kombiniert. Die Chips werden pinkompatibel mit den 8-bit-Controllern sein.

PROGRAMMER-SCHALTPLANProgrammer für Mikrocontroller sind heutzutage meist sehr einfach ge-strickt. So auch hier, wie die Bild 1 zeigt. Die Schaltung wird in bewährter Weise an einer RS-232 Schnittstelle be-trieben, weshalb wir hier mit dem

K1

10

11 12

13 14

15 16

1 2

3 4

5 6

7 8

9

JP1

12

34

56

C4

C5

C2

C3

MAX232

T1OUT

T2OUT

R1OUT

R2OUT

R1IN

IC2

T1IN

T2IN

R2IN

C1–

C1+

C2+

C2–

11

12

10

13

14

15

16V+

V-

7

8 9

3

1

4

5

2

6

K2

SUB D9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

+5V

D2

1N4148

R2

10k

+5V

R6

1kR

71k

R8

1k+5V

+5V

9 81

IC1.D

13 121

IC1.F

R1

1M

X1

C1

22p

C6

22p

K3

D11N4004

R5

C17

100n

C16

100n

C9

S1

7805T

IC3

C10

R3

D4

D3

9V1

R9

OSC1 14

7

8

1

+5V

+5V

060263 - 11

IC1 = 74AC04N

IC1

14

7

+5V

Bild 1. Schaltplan des Programmers. Der Taktoszillator ist wahlweise diskret (mit Quarz) oder integriert (DIL-Bauform) zu bestücken.

514/2007 - elektor

nur unzureichend mit einem USB/RS-232-Adapter harmoniert.

BAUHINWEISEDer Aufbau der Schaltung ist dank der Platine (Bild 2) eine der leichteren Übungen. Zunächst muss ent schieden werden, ob der Oszillator ein Quarz X1 mit den damit verbundenen Kompo-nenten sein soll, oder ob ein integrier-ter Oszillator (OSC) verwendet wird (siehe Kapitel “Schaltplan”). Wenn man fl exibel bleiben möchte, bestückt man für IC1 eine 14-polige IC-Fassung. In die Fassung kann man wahlweise den Quarzoszillator (OSC) oder IC1 einsetzen. Beide Komponenten sind kompatibel, obwohl der Oszillator ledig lich vier Stifte aufweist. Wenn man IC1 einsetzt, müssen die Bauteile R1, X1, C1 und C6 ebenfalls bestückt werden. Wenn man den OSC1 verwen-det, werden diese vier Komponenten nicht benötigt. Wie üblich werden zuerst die passiven Komponenten be-stückt, zuerst Widerstände und Kon-densatoren und danach die Dioden (Polung der Elkos C2 bis C5, C9 und C10 sowie der Dioden beachten). Nicht vergessen darf man die Bestückung der drei Drahtbrücken. Die Verbindung zwischen dem Programmer und dem DIL-Stecker erfolgt über 16-adriges Flachkabel.Danach können die IC-Fassungen, der Quarz, Spannungsregler und Stiftleis-ten bestückt werden. Der Taster S1 wird direkt auf die Platine gelötet oder über drei Kabelstücke mit der Platine verbunden, wenn der Programmer in ein Gehäuse eingebaut werden soll.

TESTNach dem Einschalten der Betriebs-spannung sollte die LED leuchten. Wenn nicht, überprüfen Sie den An-schluss der Versorgungsspannung und die Polarität der Kondensatoren und Dioden und die Leiterbahnen und Lötstellen. Für das Testen der Soft-ware verweisen wir auf die betreffen-de Hilfe-Datei.

PROGRAMMIERSTECKERVon dem zu programmierenden Controller hängt es ab, welche I/O-Leitungen für die Programmierung ver-wendet werden. Diese Verbindung ist sehr einfach umzusetzen, sie besteht aus einer IC-Fassung und einem 16-po-ligen MON08-Stecker. Die Verwendung der MON08-Pinbelegung sorgt dafür,

MAX232 (IC 2) einen alten Bekannten wiederfinden. Ebenso klassisch ge-staltet sich die Spannungsversorgung mit einem integrierten Spannungs-regler (IC 3). Die LED D4 signalisiert das Anliegen der Versorgungsspan-nung. Ein interessanteres Detail ist die Funktion von IC 1. Dieser Sechsfach-Inverter dient als Taktoszillator. Da der Programmer keinen Controller enthält, muss auf diese Weise ein Taktsignal erzeugt werden, um die im Monitor-modus vom PC erwartete Taktung der seriellen Schnittstelle zu gewährleis-ten. Die Taktfrequenz kann auf zweier-lei Weise erzeugt werden. Der Schalt-plan zeigt die diskrete Methode mit einem Quarz (X1), zwei Kondensatoren (C1 und C6) und zwei Invertern aus IC1. Diese diskreten Komponenten las-sen sich durch einen integrierten Quarzoszillator (OSC1, hier grau ge-

druckt) ersetzen. Dann entfallen IC 1, R1, X1, C1 und C6. Taster S1 dient als Reset-Taster. Über K1 und ein Flach-bandkabel mit 16 Adern erfolgt die Verbindung zum Zielsystem. Am ande-ren Ende des Flachbandkabels befi n-det sich ein Adapter, dessen Aus-führung von dem zu programmieren-den Controller abhängt (siehe Kapitel „Programmier stecker“).

SERIELLE VERBINDUNGDer hier vorgestellte Programmer weist eine RS-232-Schnittstelle auf. Moder-ne Rechner und Notebooks sind nicht mehr mit einer solchen Schnittstelle ausgerüstet. Naheliegend ist dann die Verwendung eines USB/RS-232-Adapters. Allerdings sollte man dann die Version 3.1 der Entwicklungssoft-ware verwenden, da die Version 5.1

StücklisteWiderstände:R1 = 1 MR2 = 10 kR3,R5,R9 = 680 ΩR6…R8 = 1 k

Kondensatoren:C1,C6 = 22 pC2 - C5 = 1 µ/16 VC9,C10 = 47 µ/16 VC16,C17 = 100 n

Halbleiter:D1 = 1N4004D2 = 1N4148D3 = Z-Diode 9,1 V/400 mWD4 = LED rot 5 mmIC1 = 74AC04NIC2 = MAX232 (Maxim)IC3 = 7805

Außerdem:S1 = TasterX1 = Quarz 9,8304 MHzK1 = 2x8-polige Stiftleiste K2 = 9-polige Sub-D-BuchseK3 = 1x2-poliger Stiftleiste JP1 = 3-poliger, 2-reihiger JumperPlatine 060263-1 (erhältlich im PCB-

Shop“, siehe www.elektor.de)

2

2

1

1

2,54

R2D2 IC2

C2

D1R5

R3

C17 C9C10 C16

D4

C4

C5

C3 16

14

R6

R7IC1 R8

R1

X1 C6

C1 JP1

7

8OSC1

K1

IC3K2

S1K

3

F09

6 1

9

D3

9,1V

R9 68

0

6

1

1F

5

Bild 2. Für den Aufbau genügt eine einseitige Platine. Man beachte die drei Drahtbrücken.

52 elektor - 4/2007

PRAXIS MIKROCONTROLLER

dass der Stecker mit allen Program-mern kompatibel ist. Das ist sehr nütz-lich, wenn man eine QFP- oder Shrink-DIP-Fassung verwendet. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung ei-ner MON08-Steckverbindung auf der Zielplatine.

TAKTRATE DES PROGRAMMERSMan kann die Taktrate auf 4,9152 MHz oder 9,8304 MHz einstellen. Durch ei-nen Jumper kann die Oszillatorfre-quenz wahlweise um den Faktor zwei geteilt werden. Eine andere Möglich-keit besteht darin, die Übertragungs-geschwindigkeit softwaremäßig auf 4800 Baud beziehungsweise 9600 Baud einzustellen. Die Verwendung eines in-tegrierten Oszillatorsoszillators ist als Alternative gedacht, wenn ein 9,8304-MHz-Quarz nicht zu beschaffen ist.

PROGRAMMER ODER EMULATOR?Der Programmer stellt beim Debuggen die Kommunikation mit dem HC908 her und dient außerdem zum Flashen des Contollers. Die für Letzteres verwende-ten I/O-Leitungen dürfen während des Debuggens nicht aktiv sein.Ein Emulator hingegen ist ein viel komplexeres System, welches die I/O-Leitungen durch eine separate Schal-tung nachbildet. Deshalb sind alle I/O-Leitungen während des Debug-gens verfügbar, dies hat allerdings auch seinen Preis.

ENTWICKLUNGSKITFreescale bietet Kits an, die aus dem Programmer und dem Mikrocontroller auf einer gemeinsamen Karte bestehen. Die Ein-/Ausgänge sind über einen Steckverbinder herausgeführt. Diese Kits kosten jeweils etwa 50 US-$.

DEBUGDie Software umfasst einen Debug-ger, der es erlaubt, das Programm schrittweise auszuführen. Es ist dabei möglich, jederzeit den Inhalt eines je-den Registers darzustellen. Allerdings

nur, so lange im Dialog zwischen dem Mikrocontroller und Programmer keine Störungen auftreten.

GRUNDLAGEN DER PROGRAMMIERUNG Für das Programmieren muss man die Schaltung in den Monitormodus ver-setzen. Dieses geschieht durch An-legen einer Spannung von 9 V (von Z-Diode D3) an den IRQ-Pin. Einmal im Monitormodus, muss die Übertra-gungsgeschwindigkeit über den Jum-per eingestellt werden. Anschließend sendet man über die RS-232-Schnitt-stelle Befehle, um den Flashspei-cher zu bearbeiten, Registerzustände sichtbar zu machen oder aber das Pro-gramm schrittweise ablaufen zu las-sen. (In-Circuit-Debugging).

ANWENDUNGEN Warum soll man sich mit der Pro-grammierung eines Mikrocontrollers wie dem 68HC08 auseinanderset-

zen? Freescale hat sich diese Frage zweifellos auch gestellt und deshalb Anwendungsbeispiele erstellt. Ge-messen am Nutzen sind die Kosten für die Controller und den Programmer sehr gering. Beispiele für Anwendun-gen sind:Steuerung eines VentilatorsDas Ziel besteht darin, die Dreh zahl mit einem Hall-Sensor zu regeln, aber ebenfalls bei Überhitzung zu begrenzen. Drahtlose Steuerung einer KlimaanlageDie Anwendung besteht aus zwei Modulen. Eines steuert die Kli-maanlage und ein zweites dient als Infrarot-Fernbedienung.Der verwendte Mikrocontroller ist ei-gentlich für die Steuerung eines LCD-Bildschirms gedacht.Power-LED-SteuerungDer Einsatz des Mikrocontrollers 68RS08 ersetzt einen klassischen Regelkreis. Mit einer leistungsfähi-geren Version können industrielle Anwendungen auch mit einer Mehr-

Jumper-Einstellungen JP1 Abhängig von der verwendeten 68HC908-Version muss der Jumper JP1 unterschied-lich gesetzt werden (siehe Bild 3). Hier zwei Beispiele für den Einsatz des JL16 und des QY4A.

68HC908 JL16Kommunikation mit 9600 BaudFosc PTB1 PTB2 PTB34,9152 1 0 09,8304 1 0 1

68HC908 QY4AFosc PTA1 PTA4 Geschwindigkeit4,9152 1 0 4800 Baud9,8304 1 0 9600 Baud

15 16

1 2

NC

NC

NC

NC

NC

NC

OSC

VDD

GND

RST

IRQ

MON4 = NC

MON5 = PTB0(COM)

MON6 = PTB1(1)

MON7 = PTB2(0)

MON8 = PTB3(DIV)

JL16

15 16060263 - 12

1 2

NC

NC

NC

NC

NC

NC

OSC

VDD

GND

RST

IRQ

MON4 = PTA0(COM)

MON5 = PTA4(0)

MON6 = PTA1(1)

MON7 = NC

MON8 = NC

QY1A

Bild 3. Pinbelegung der MON08-Schnittstelle für die Verwendung eines 68HC908JL16QY4A und –JL16-Mikrocontrollers.

534/2007 - elektor

EntwicklungshilfenFreescale bietet mit der Entwicklungsumgebung CodeWarrior drei Utilities zur Be-schleunigung der Entwicklung an. Dazu muss zuerst die EDI (integrierte Entwicklungs-umgebung) installiert werden.

Bild 4. Eröffnungs-Bildschirm bei der Projektentwicklung mit einem HC08. Die CodeWarrior- Software ist sehr komfortabel.

Bild 5. Entwicklung mit dem Processor Expert. Links ist die Beans-Liste und rechts der Ziel-Controller zu sehen.

NoneAnlegen eines neuen Projekts inklusive Initialisierung von Registern und der Speicher und Verzeichnis der Register-Adressen.Device InitialisationMit dieser Utility werden die Register für das Starten des Controllers eingestellt. Das grafi sche Interface ist intuitiv bedienbar. Es wird wahlweise C oder ASM eingesetzt, um die notwendigen Funktionen (z.B. Interrupts) zu erzeugen. Dieser Schritt ist für den Anwender transparent.Processor ExpertDieses Tool erlaubt eine extrem schnelle Problemlösung. Das Prinzip beruht auf dem Einsatz von Beans in jedem Projekt. Die Funktionen der Beans lassen sich grafi sch auswählen (klicken und ziehen, Häkchen setzen). Das System ist sehr leistungs-stark und bietet viele Einstellungsmöglichkeiten. Es ist jederzeit möglich, Funktio-nen in C oder ASM einzufügen. Puristen werden anmerken, dass dieser Modus in Bezug auf die Programmcodelänge nicht optimal ist, was durchaus zutrifft. Aber ist das wirklich ein Problem, wenn man 16 KB Flash-Speicher zur Verfügung hat? In vielen Fällen ist die Zeitersparnis wichtiger. Bei kleinen Projekten ist es zudem möglich, eine Applikation zu entwickeln, ohne jemals die Dokumentation gelesen zu haben!

kanalsteuerung (RGB) realisiert wer-den. Freescale bietet zudem ZigBee- und Bluetooth-Module für Fernsteuer-Anwendungen an.

SCHLUSSFOLGERUNG Die 8-bit-Controller von Freescale ha-ben eine lange Tradition, sind aber in ihrem heutigen Produktumfang mehr als nur up to date. Das umfangreiche Sortiment bietet viele leistungsstar-ke Controller, die teilweise sehr spe-zifi sch auf industrielle Anwendungen ausgerichtet sind. Dabei spielt die Automobilindustrie die größte Rolle. In dieser Spezialisierung auf be stimmte Anwendungsbereiche liefern sich die Hersteller wahre Schlachten. Auch in dieser Hinsicht eröffnet Freescale mit dem angekündigten Coldfi re V1 neue Perspektiven.

(060263-I)

Literatur:[A] SpYder attacks, ELEKTOR März

2007[B] Das g-Kraft-Messgerät (in dieser

Ausgabe)

In Zusammenarbeit mit Freescale ist ein spezielles SpYder Discovery Kit für nur 9,75 € (zuzüglich Versandkosten) im ELEKTOR-Shop erhältlich.

Weblinks:[1] www.freescale.com(Englisch)[2] www.elektor.fr/Hc08/(Französisch)[3] www.softecmicro.com (Englisch)[4] www.pemicro.com (Englisch) [5] www.68hc08.net (Französisch)https://www.freescale.com/webapp/search/MainSERP.jsp?SelectedAsset=Design%20Tools#1694054Suche nach CWX-HC08-SE (erfor-dert eine Registrierung vor dem Download)

54 elektor - 4/2007

TECHNIK MIKROCONTROLLER

Diesen Monat verschmelzen Theorie, kostenlose Bauteile und Software zu einem Selbstbau-Projekt, das leicht in verschiedene Anwendungen wie RC-Modelle oder schnelle Zwei- und Vier-räder integriert werden kann. Autotu-nern kann solch ein Beschleunigungs-messer objektive Daten zum Erfolg ihrer Bemühungen an die Hand geben.

Alles was man benötigt ist in Tabel-le 1 aufgelistet. Da das SpYder-Kit sehr preiswert ist und man kosten-lose Beschleunigungsaufnehmer

als Beigabe zu den beiden Platinen bekommt, zahlt sich die Kooperation

zwischen ELEKTOR und Freescale zu Ihren Gunsten aus.

PROJEKT-ZIELENeben der Praxistauglichkeit wurde auch auf die Erhältlichkeit der Bauteile geachtet. Die folgende Liste stellt die gefundenen Lösungen kursiv dar:1. Der verwendete Mikrocontroller soll-

te preiswert sein. Ein MC9S08-Con-troller kann für dieses Projekt kosten-los von Freescale bezogen werden.

2. Es sollte eine ausreichende Aus-

stattung mit Programmier- und De-bugging-Tools für den Mikrocontrol-ler existieren. CodeWarrior und SpY-der USB BDM decken dies voll ab.

3. Es soll technischer Online-Support verfügbar sein. Für diesen Zweck existieren von Freescale und ELEK-TOR geeignete Foren.

4. Das Projekt sollte nützlich und „of-fen“ sein. Aller Source-Code, die Da-tenblätter und technische Unterla-gen sind kostenlos und frei verfügbar.

5. Das Projekt sollte nicht nur lehrreich sein. Ein 2-Achsen-Akzelerometer mit 2g-Messbereich und LED-Anzeige.

6. Damit auch Schüler und Studenten mithalten können, sollten die Kos-ten minimal sein. Neben preiswerten Platinen und dem SpYder Discovery Kit gibt es den Beschleunigungs-Sensor und einen MC9S08-Controller kostenlos

Möglichst niedrige Kosten und ein ho-her Nutzen sind zwei Aspekte, die sich häufi g widersprechen. Wir hoffen, dass wir einen möglichst optimalen Kompro-miss realisieren konnten, um den Ein-stieg in die faszinierende Welt der Mik-

Das g-Kraft-MessgerätZweiachsen-Akzelerometer mit Spyder, Freescale-Controller und LEDs

Von Jan Buiting und Luc Lemmens, in Kooperation mit Inga Harris (Applikations-Ingenieurin, Freescale Semiconductor Inc.)

Diese Anwendung eines MC9S08-Mikrocontrollers ist sowohl nützlich wie interessant. Als Fortsetzung der im letzten Monat gestarteten Serie zeigt sie den praktischen Umgang mit dem MC9S08 und tritt den Beweis dafür an, das damit sehr preiswerte Hardware-Projekte zu realisieren sind.

Bild 1. Das SpYder Discovery Kit in fi naler Ausführung (letzten Monat zeigten wir noch die Beta-Version). Die Kooperation von Freescale Semiconductor und ELEKTOR erlaubt den unverschämt niedrigen Preis von 9,75 Euro plus Porto. Ein BDM-Kabel ist hier nicht enthalten - Teile zum Kabel-Selbstbau sind aber beim Platinensatz dabei!

554/2007 - elektor

rocontroller-Programmierung sowohl interessant als auch sehr preiswert zu machen. Und ein Akzelerometer macht auch im kleinsten Auto Eindruck, den über so etwas verfügt nicht einmal eine Luxuskarosse.

AKZELEROMETEREin Akzelerometer ist ein Messgerät für Kräfte, die beim Beschleunigen (+g) oder Bremsen (–g) auftreten. Un-ser Projekt ermöglicht die Messung von Beschleunigungen bis hin zu 2 g in zwei Achsen: vorwärts/rückwärts und links/rechts.Die gemessenen Kräfte werden durch farbige LEDs angezeigt. Der Maximal-wert wird dabei durch eine rote LED signalisiert. Das Messgerät ist batte-riebetrieben und passend für den Ein-bau in ein Auto konstruiert. Es zeigt dem Fahrer (und den Beifahrern) an, mit welcher Kraft man gerade in die Sitze gedrückt wird (was viel über den Fahrstil aussagt).

SPYDER - SCHRITT FÜR SCHRITTBevor Sie Ihren Lötkolben anwerfen, noch ein Wort zur verwendeten Hard-ware: SpYder (Bild 1) basiert auf dem HCS08 und dem RS08 „Background De-bug Controller“ (BDC). Dies ermöglicht einen schnellen und einfachen Weg, Flash-Speicher von Controllern und an-deren Chips zu programmieren. Gleich-zeitig ist es das primäre Debug-Inter-face, da es Zugriff auf Speicher und CPU-Register bietet sowie das Setzen von Breakpoints und die Ausführung von Software im Einzelschritt-Modus erlaubt. Wer schon einmal mit HC05 oder älteren Freescale-Controllern zu tun hatte, der wird diesen Fortschritt zu schätzen wissen.

SpYder verwendet ein Standard-USB-Interface zur Kommunikation mit dem PC und zweigt daraus die Versorgung für sich selbst und einen Mikrocontrol-ler ab. Ein Extra-Steckernetzteil ist nicht nötig. Sogar ein weiteres Board kann noch mitversorgt werden, solan-ge es nicht mehr als 100 mA benötigt!Den Betrieb am USB macht vor allem ein Chip möglich: die MCU MC908JB16 von Freescale. Dieser spezielle Con-troller verfügt über ein USB-2.0-Inter-face (low-speed) und begnügt sich mit den 5 V des USB. RS08-Mikrocontrol-ler benötigen allerdings 12 V zur Pro-grammierung. Der MC908JB16 erkennt den Ziel-Controller und kann via PTD0 die nötigen 12 V aktivieren, die vom Gleichspannungskonverter ST662 ge-liefert werden.

Schritt 1 - SpYder-BoardDie wichtigsten Teile von SpYder sind schon bestückt, was es zur idealen Entwicklungsplattform für passend gesockelte Mikrocontroller macht.Bei anderen Gehäuseformen oder an-deren Ziel-Boards (wie hier beim Akze-

lerometer) kann entweder ein 0-Ω-Wi-derstand oder eine Drahtbrücke für R2 verwendet werden, sodass die Strom-versorgung direkt an den BDM-Soc-kel kommt und ein anderes Ziel-Board angeschlossen werden kann. Als Re-sultat wird das SpYder Discovery Kit in ein BDM-Interface verwandelt - ar-beitet aber immer noch als singulä-res Entwicklungswerkzeug. Wer noch kein BDM-kompatibles Kabel sein Ei-

gen nennt, der kann sich leicht ein sol-ches bauen. Man benötigt lediglich zwei 6-polige IDC-Sockel mit Kabel-durchführungen (Farnell-Nr. 1097021) und Flachbandkabel mit 1/20“-Tei-lung (1,27 mm, Farnell-Nr. 9187111). Die IDC-Steckverbinder werden auf die Enden des maximal 30 cm langen Flachbandkabels aufgequetscht und fertig. Die Teile fürs BDM-Kabel sind auch beim Platinensatz 060297-71 da-bei (siehe Tabelle).Es darf natürlich nur ein einziger Mik-rocontroller angeschlossen werden: Entweder im Sockel der SpYder-Platine oder auf einem Ziel-Board.

Schritt 2 - Debugger-InstallationDas CodeWarrior™ Development Stu-dio für Freescale HC(S)08/RS08 v5.1 ist schon auf der SpYder-CD vorhanden. Was diese Spezialversion gegenüber den Standard- und Professional-Ausga-ben voraus hat, kann unter www.free-scale.com/codewarrior nachgeschaut werden.Ohne Lizenz-Schlüssel arbeitet die Spezialversion als voll funktionsfähige

Demo mit auf 1 KB beschränkter Code-Größe. Um die 1-KB-Grenze zu beseiti-gen, gibt es zwei Möglichkeiten:1. Man erhält von Freescale auf Anfra-ge einen kostenlosen Schlüssel, der die Grenze auf immerhin 16 KB erhöht.2. Man kann von Freescale auch einen auf 30 Tage begrenzten Schlüssel be-kommen, der den Compiler für diese Zeit von jeder Beschränkung befreit.

Komponente Quelle / Lieferant Beschreibung Erhältlich via Kosten

SpYder Discovery Kit Elektor Enthält USB BDM, ein 8-Pin MC9S08-Muster, CodeWarrior & Utilities-CD.

ELEKTOR-Shop 060296-91 9,75 Euro plus Porto

MC9S08QG8CPBE Freescale Freescale 16-pin PDIP Mikrocontroller Freescale „free sample service“ kostenlos

Platinensatz Elektor 2 Platinen mit 2 Beschleunigungs-sensoren als Zugabe + Teile für BDM-Kabel!

ELEKTOR-Shop 060297-71 14,50 Euro plus Porto

MMA7260Q Elektor Freescale Beschleunigungssensor auf Trägerplatine

Zwei Stück als kostenlose Zugabe zum Platinensatz

kostenlos

Andere Bauteile Elektronikladen, Online-Shop Bauteile nach Stückliste Örtlicher Laden oder via Conrad, Reichelt oder Farnell

Ca. 7,50 Euro

Tabelle 1. Was - Wo - WieÜberblick über die benötigte Hardware/Software für das Akzelerometer-Projekt.

Die beiden Platinen des Projekts werden dank der Kooperation von Freescale & ELEKTOR mit zwei

kostenlosen MMA7260-Beschleunigungssensoren auf kleinen Trägerplatinen geliefert.

56 elektor - 4/2007

TECHNIK MIKROCONTROLLER

Schritt 3 - TreiberWenn CodeWarrior installiert ist, muss man nur noch SpYder anschließen und dafür sorgen, dass die Kommunikat-ion mit dem Debugger klappt. Hierzu werden die Treiber von der beiliegen-den CD installiert. Eine passende An-leitung fi ndet sich auf dem CD-Cover. Wenn SpYder zum ersten Mal ange-schlossen wird, erkennt Windows ein neues USB-Gerät und zeigt den entsp-rechenden Dialog, worin nach dem passenden Treiber gefragt wird. Man wählt automatische Installation, bestä-tigt und ist fertig.

LOS GEHT’SEs ist wichtig zu verstehen, dass SpY-der den Ziel-Mikrocontroller verwen-det, um eine so genannte „in-circuit execution“ und eben keine Emulation durchzuführen. Die komplette Mikro-controller-Peripherie (z.B. Timer, A/D-Konverter oder serielle Schnittstellen) wird also nicht in Software nachgebil-det oder extern realisiert.

Bei der ersten Debugging-Sitzung öf-fnet sich ein Dialog zur Konfi guration der MCU und der Auswahl der Debug-ging-Hardware. Hier sollte der Verbin-dungs-Typ “USBSPYDER08” ausgewä-hlt werden (Bild 2). An diesem Punkt löscht und reprogrammiert CodeWar-rior den Speicher und trimmt den Os-zillator, wenn dieses Feature von der verwendeten MCU unterstützt wird.Nun kann es mit dem Debuggen losge-hen. CodeWarrior ermöglicht eine Viel-zahl von Methoden zur Analyse eines Programms durch den Einsatz von so genannten Breakpoints, Watchpoints und einem Trace-Buffer. All diese Fea-tures nutzen die Debugging-Peripherie des Ziel-Controllers.Zu sehen ist:

Bild 2. In CodeWarrior muss die richtige Debugging-Verbindung zum PC ausgewählt werden.

• ein Speicher-Fenster, mit dem man den Speicher nicht nur inspizieren, sondern auch verändern kann;• weitere Fenster mit Daten, Proze- duren und Kommandos.

• ein Source-Fenster mit dem Code;• ein Assembler-Fenster, das zeigt, was der Compiler aus dem Code gemacht hat;• ein Register-Fenster mit den CPU-Registern;

Der Beschleunigungssensor MMA7260QDa Freescale auch im Bereich KFZ-Elektronik sehr aktiv ist, verwundert es nicht, wenn sich in der Pro-duktpalette dieses für Mikroprozessoren und Mikrocontroller bekannten Herstellers auch eine ganze Reihe verschiedener Beschleunigungssensoren fi ndet. Automatische Verzögerungsleuchten in aktuel-len Fahrzeugen werden aller Wahrscheinlichkeit nach einen Freescale-Sensor beinhalten!

Auch im Amateur-Bereich fanden die Sensoren von Freescale schnell Freunde, da sie sehr gut bei Selbstbau-Raketen, RC-Modellen und ähnlichen Einsatzgebieten verwendet werden können. In der Mai-Ausgabe von ELEKTOR wird eine weitere Anwendung solch eines Sensors beschrieben werden.Der MMA7260 ist ein preiswerter kapazitiver Beschleunigungssensor mit integrierter Signalverarbei-tung, einem Tiefpassfi lter erster Ordnung, Temperaturkompensation und der Möglichkeit, zwischen vier verschiedenen Empfi ndlichkeiten zu wählen. Der Sensor wird schon bei der Herstellung abgeglichen und benötigt keine externen Bauteile. Ein Sleep-Mode macht den Sensor zum idealen Kandidaten für batteriebetriebene Schaltungen.

Der eigentliche Beschleunigungsaufnehmer im MMA7260Q ist eine mit den typischen Verfahren der Halbleiterherstellung erzeugte mechanische Struktur aus Polysilizium. Eine bewegliche Masse mit zwei planen Flächen ist zwischen zwei fi xen Flächen so angebracht, dass das Ersatzschaltbild zwei seriellen (von der Beschleuni -gung abhängigen) Kondensatoren entspricht.

Beschleunigung

060297 - 13

Im Prinzip erhöht sich die Kapazität zwischen der beweglichen Fläche und der Seite, der sich die bewegliche Fläche annähert. Gegenüber der anderen Fläche reduziert sich die Kapazität dementsprechend. Die Kapazitätsveränderungen korrespondieren also mit den Ab-ständen der Flächen und somit mit der auf die bewegliche bzw. verbiegbare Fläche einwirkenden Beschleunigungskraft.

C = A∑ / D

wobei A der geometrischen Fläche, ∑ der dielektrischen Konstante und D dem Abstand der Flächen entspricht. Ein auf dem Chip untergebrachtes ASIC misst diese Kapazitäten und extrahiert daraus die Beschleunigung als Differenz der beiden Kapazitäten. Das ASIC übernimmt auch die komplette weitere Signalverarbeitung und generiert so ein stabiles lineares Signal, das der Beschleunigung proportional ist.

Mit dem Platinensatz werden zwei MMA7270Q-Sensoren auf kleinen Trägerplantinchen mitgeliefert. Wenn Sie den Listenpreis von ca. 5 Euro pro Stück bei einer Abnahme von 1000 Stück ohne Trägerpla-tine betrachten, dann wird Ihnen klar, dass entweder die Platinen umsonst oder die Sensoren umsonst sind und dass wir uns auf jeden Fall alle Mühe gegeben haben, das Projekt für unsere Leser so preis-wert wie möglich zu machen. Das Datenblatt zu den Sensoren ist in der Datei mit den Unterlagen zum Projekt schon enthalten.

Weitere Informationen (und Videos!) hierzu fi nden sich unter:www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MMA7260QT&nodeId=01126911184209

574/2007 - elektor

Das Datenformat und die Aktualisie-rungsrate der Daten kann via Rechts-klick verändert werden. Änderungen können via „File→Save Confi guration“ gesichert werden. Nach ein paar Minu-ten des Herumspielens sollte die Be-deutung von Start/Continue, Single Step, Step Over, Step Out, Assembly Step, Halt und Reset Target klar sein. Diese beiden Dokumente: AN3335 - In-troduction to HCS08 Background De-bug Mode und AN2616 - Getting Star-ted with HCS08 sowie CodeWarrior Using C sind eine gute Quelle zur Be-antwortung von Fragen, die beim De-buggen auftreten können.Wenn man sehen möchte, was für Sig-nale beim Debuggen so auftreten, kann man auch einmal testweise ein Oszil-loskop an die entsprechenden Lötstifte der Platine anschließen.

DAS ERSTE PROJEKT - EIN AKZELEROMETERDie Schaltung des auf dem Chip MC9S08 basierenden Akzelerometers ist in Bild 3 dargestellt. IC2 ist ein 16-Pin-PDIP-Mikrocontroller, welcher kos-tenlos von Freescale erhältlich ist (sie-he die Hinweise im Start-Artikel dieser Serie vom letzten Monat). Der Control-ler wird „leer“ geliefert – das passende Programm muss erst noch in seinen in-ternen Speicher „gefl asht“ werden. An dieser Stelle kommt SpYder zum Zug.Der für das Akzelerometer benötig-te Sensor vom Typ MMA7260Q ist ein SMD-Bauteil, das speziell für die-ses ELEKTOR-Projekt auf einer klei-nen 12×12 mm Trägerplatine geliefert wird. Zusammen mit den Platinen für dieses Projekt erhält man gleich zwei

dieser Sensoren völlig kostenlos. Sehr viel mehr ist nicht notwendig: Zwölf LEDs in einer Kreuz-Anordnung wer-den in einer Matrix von PB0…PB6 des MC9S08 angesteuert.Die komplette Schaltung kann von Bat-terien (mindestens 4,5 V) versorgt wer-den. Drei Stück vom Typ AA oder AAA genügen, da der Stromverbrauch bei nur 25 mA liegt, wenn drei LEDs in ei-ner Reihe leuchten. Der Spannungsre-gler IC1 macht aus der Batteriespan-nung stabile 3,3 V. Der Taster S1 schal-tet ein und aus. Mit S2 lässt sich die Empfindlichkeit des Akzelerometers umschalten. Dank cleverem Design benötigt der Mikrocontroller für die beiden Taster nur einen Eingang.Das komplette Projekt benötigt zwei keine Platinen, die mit 10-mm-Ab-

Bild 3. Schaltung des Akzelerometers mit zwei Achsen und 2g-Messbereich.

K1

K2

12

34

56

R1

10Ω

D1

18V

C6

100n

C7

100n

TS2950CT-3.3IC1

VCC

C2

100n

VCC

C1

100n

R2

4k7

R6

1k

S1

ON/OFF

R5

1k

S2

SENSITIVITY

VCC

D3

D8

D10

T1R13

1k

R11

100 Ω

R10

100 Ω

R8

100 ΩD2

D6

D9

T2

BC547

R7

1k

D4

D11

D12

T3R9

1k

D5

D7

D13

T4R12

1k

LEFT RIGHT FORWARD BACK

060297 - 12

GREEN

AMBER

RED

4x

MMA7260Q

IC3

C3

100n

VCCR4

1k

R3

1k

C4

100n

C5

100n

HC9S08QGC

RESET

SLEEP

IC2

BKGD

PB0

PA0

PB1

PB2

PB3

PB4

PB5

PB6

PB7

PA1

PA2

12

16

11

10

15

14

13

3

4

9

8

7

6

5

1

2

D12

D11

D4

D3 D8D2D6D9 D10

D5

D7

D13

Stückliste

Widerstände:R1 = 10ΩR2 = 4k7R3...R7, R9, R12 ,R13 = 1kR8, R10, R11 = 100Ω

Kondensatoren:C1...C7 = 100n

Halbleiter:D1 = Zenerdiode 18V/500 mWD2...D5 = grüne LED, low current, 3 mmD6, D7, D8, D11 = gelbe LED, low cur-rent, 3 mmD9, D10, D12, D13 = rote LED, low current, 3 mmT1...T4 = BC547IC1 = TS2950CT-3.3IC2 = MC9S08QG8CPBE (16-Pin PDIP; Freescale, kostenloses Muster)IC3 = MMA7260Q Beschleunigungs-sensor auf Trägerplatine (kostenlose Zugabe zu den Platinen)

Außerdem:K1 = zweipoliger PfostensteckerK2 = sechspoliger BDM-SteckverbinderK3 = 9-polige einreihige StiftleisteK4 = 9-polige einreihige BuchsenleisteS1, S2 = Taster, Schließer, 6 mm4 Abstandsbolzen 10 mmPlatinensatz 060297-71 mit zwei kos-tenlosen MMA7260Q Beschleunigungs-sensoren (IC3)Software und Dokumente zum Pro-jekt: kostenloser Download der Datei 060297-11.zip von www.elektor.de

Bild 4. Platinen-Layout und Bestückungsplan der beiden Platinen des Akzelerometers.

060297-1

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

D1

IC1

IC2

IC3

K1

K2

K3

R1

R2

R3

R4

R6

R7

R9

R12

R13

T1T2

T3T4

+T

060297-1

060297-1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

D8

D9

D10

D11D12 D13

K4

R5

R8

R10

R11 S1

S2

060297-1

58 elektor - 4/2007

TECHNIK MIKROCONTROLLER

void Byte2LED(char Val, char Dir, char SenMode)

/* Positive Green */ if ((Val < PosA[SenMode])&&(Val >= PosG[SenMode])) //if (PosA[SenMode] > Val >= PosG[SenMode]) LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[NegYLED + Dir]); if(LEDMag[PosYLED + Dir] > LEDMax[PosYLED + Dir]) LEDMax[PosYLED + Dir] = LEDG; LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDG | LEDMax[PosYLED + Dir]); /* Positive Amber */ if ((Val < PosR[SenMode])&&(Val >= PosA[SenMode])) //if (PosR[SenMode] > Val >= PosA[SenMode]) LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[NegYLED + Dir]); if (LEDMag[PosYLED + Dir] > LEDMax[PosYLED + Dir]) LEDMax[PosYLED + Dir] = LEDA; LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDGA | LEDMax[PosYLED + Dir]); /* Positive Red */ if (Val >= PosR[SenMode]) LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[NegYLED + Dir]); LEDMag[PosYLED + Dir] = LEDGAR; LEDMax[PosYLED + Dir] = LEDR; /* Negative Green */ if ((Val < NegG[SenMode])&&(Val >= NegA[SenMode])) //if (NegG[SenMode] > Val >= NegA[SenMode]) LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[PosYLED + Dir]); if (LEDMag[NegYLED + Dir] > LEDMax[NegYLED + Dir]) LEDMax[NegYLED + Dir] = LEDG; LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDG | LEDMax[NegYLED + Dir]); /* Negative Amber */ if ((Val < NegA[SenMode])&&(Val >= NegR[SenMode])) //if (NegA[SenMode] > Val >= NegR[SenMode]) LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[PosYLED + Dir]); if (LEDMag[NegYLED + Dir] > LEDMax[NegYLED + Dir]) LEDMax[NegYLED + Dir] = LEDA; LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDGA | LEDMax[NegYLED + Dir]); /* Negative Red */ if (NegR[SenMode] >= Val) LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[PosYLED + Dir]); LEDMag[NegYLED + Dir] = LEDGAR; LEDMax[NegYLED + Dir] = LEDR; /* Neutral */ if ((Val < PosG[SenMode])&&(Val > NegG[SenMode])) //if (PosG[SenMode] > Val > NegG[SenMode]) LEDMag[PosYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[PosYLED + Dir]); LEDMag[NegYLED + Dir] = (LEDOFF | LEDMax[NegYLED + Dir]);

Modifi kationen!Das Akzelerometer kann bezüglich seiner Messbereiche leicht an eigene Bedürfnisse angepasst werden. Hierzu öffnet man wie zuvor beschrieben die Projekt-Datei in CodeWarrior. Der eigentliche Quelltext ist in der Datei „main.c“ enthalten.Alles was man für andere Empfi ndlichkeiten ändern muss, ist die „Byte2LED“-Funktion. Der folgende Code-Abschnitt kann das Original ersetzen:

Der Code verwendet den übergebenen Parameter „Val“ für den Bereich des G-Spektrums und fi ndet so heraus, ob eine neutrale, positive oder negative Anzeige erforderlich ist (der Wert kann jeweils hoch=„red“, mittel=„amber“ oder gering=„green“ sein). Wenn der richtige Bereich erkannt wurde, wird die andere Achse gelöscht und lediglich die Maximum-LED bleibt angezeigt. Nun wird untersucht, ob Val ein neues Maximum ist und die Anzeige ein Update braucht. Anschließend wird das Maximum auf dieser Achse angezeigt.

Denken Sie an neue LED-Bitmap-Defi nitionen in der Header-Datei und LEDMax-Bitmaps bei den globalen Variablen in „main.c“.

Anschließend kann das Projekt unter anderem Namen gesichert werden, falls man nicht riskieren möchte, das Originalprojekt versehentlich zu überschreiben. Man kann die einzelnen Source-Dateien via File Save As… sichern, wenn man sich im Source-Code-Fenster befi ndet.

Nach einer Veränderung des Source-Codes muss das Projekt selbstverständlich neu kompiliert werden. Falls keine Fehlermeldungen erscheinen, kann das Debugging starten (grüner Pfeil mit dem Insekten-Symbol).

Stellen Sie sicher, dass „USBSpYder08“ als Hardware-Modell und „MC9S08QG8“ als Mikrocontroller ausgewählt ist. CodeWarrior kann dann den Speicher des Mikrocontrollers löschen und/oder neu programmieren.

Falls bei der „Byte2LED“-Funktion via Rechtsklick ein Breakpoint beim ersten Ausdruck platziert wird, stoppt CodeWarrior die Programmausführung, wenn dieser Punkt erreicht wird. Im Daten-Fenster kann nun der Wert von „Val“ überprüft werden und gegebenenfalls im Einzelschritt-Modus die restlichen Befehle dieser Funktion durchgefahren werden, um die richtige Arbeitsweise für jeden Befehl einzeln überprüfen zu können. Selbstverständlich kann man an anderen Stellen noch weitere Breakpoints setzen.

594/2007 - elektor

standsbolzen übereinander verschraubt werden. Auch wenn die Bilder 4a und 4b das Layout beider Platinen zeigen, ist das Selberätzen angesichts des nie-drigen Preises und der kostenlos bei-gelegten Sensoren dieses Mal keine so gute Idee.Um die Bestückung zu erleichtern, wurde auf SMD-Bauteile zu Gunsten eines Mikrocontrollers im fast antiken PDIP-16-Pin-Gehäuse und „richtigen“ Widerständen verzichtet. Auf diese Weise kommt man mit zwei simplen einseitigen Platinen mit je 55 mm Kan-tenlänge aus.Die Mini-Platine des Sensors wird im Bereich von „IC3“ platziert. K2 ist die sechspolige BDM-Verbindung zu SpYder.Die LED/Taster-Platine wird nach Be-stückung mit Abstandsbolzen über der Controller-Platine montiert. Die elektri-sche Verbindung zwischen beiden Pla-tinen erfolgt über einen neunpoligen SIL-Pfostenstecker (K5 und K6). Der komplett zusammengebaute Prototyp ist im illustrierenden Foto zu sehen und die einzelnen Platinen zeigt Bild 5.

PROGRAMMIERUNGOb Sie es glauben oder nicht: Es ist die Wahrheit und nichts als die, dass uns hin und wieder Briefe des Inhalts errei-chen, dass ein ELEKTOR-Projekts nicht funktioniert, obwohl ein „nagelneuer Mikrocontroller“ gekauft wurde und in der richtigen Fassung steckt. Auch wur-den Lötstellen und alle anderen Bautei-le mehrfach und peinlich genau von ei-nem Freund mit 50 Jahren Löterfahrung inspiziert und auch dieser konnte kei-nen Fehler fi nden. Daran, dass ein neuer Mikrocontroller - frisch aus der Antista-tik-Verpackung - noch kein Programm enthält, wurde nicht gedacht ;-)Damit Sie uns nicht so einen Brief schreiben müssen, sollten Sie die Da-tei 060297-11.zip von der ELEKTOR-Website laden und in ein Verzeichnis mit geeignetem Namen entpacken.

Dann SpYder an den PC und die Ak-zelerometer-Hardware an SpYder an-schließen. Schließlich CodeWarrior starten und via File → Open ‘Project’ zum eben angelegten Verzeichnis navi-gieren und die Datei „Accel Proj.mcp“ laden. Nun den richtigen Controller auswählen (MC9S08QG), kompilieren, Object-Code erzeugen und mit diesem den Controller des Akzelerometers via BDM-Link programmieren. Hat man das geschafft, beherrscht man die wichtigsten Arbeitsschritte. Fehler sind nicht so schlimm, da der Speicher im Mikrocontroller ja jederzeit gelöscht und neu programmiert werden kann. Notfalls können Sie sich über Ihre Er-fahrungen mit anderen Tüftlern im ELEKTOR-Forum austauschen.

PRAXISZum Einschalten drückt man S1 solan-ge, bis eine LED aufl euchtet. Zur Be-grüßung aktiviert der Mikrocontroller ein Laufl icht. So weiß man, dass die Schaltung funktioniert und man kann sehen, ob alle LEDs in Ordnung sind. Jetzt ist die Schaltung voll funktions-fähig. Etwas Schütteln mit der Hand sollte genug Beschleunigung erzeu-gen, um die LEDs der entsprechenden Achse(n) leuchten lassen.Mit S2 kann zwischen drei verschiede-nen Empfi ndlichkeiten umgeschaltet werden:

Empfi ndl. Min. Med. Max.Grün an 0,45g 0,29g 0,15gGelb an 0,80g 0,53g 0,27gRot an 1,15g 0,97g 0,39g

Zum Ausschalten wird S1 solange gedrückt, bis die LEDs kreuzförmig leuchten.Genauere Details zur Software des Ak-zelerometers fi nden sich in einem Ex-tra-Dokument, das ebenfalls von der ELEKTOR-Webseite geladen werden kann. Mit Hilfe der darin gemachten Angaben dürften Erweiterungen und Veränderungen kein Problem sein.

FAZITWenn Sie das Akzelerometer gebaut haben, dann haben Sie gleichzeitig eine Tour durch das SpYder Discovery Kit unternommen und seine Flexibilität und Einfachheit kennen gelernt. Dieses Paket aus Hardware und Software eig-net sich eben prima zur Entwicklung von Applikationen rund um die 8-Pin-Mikrocontroller der S08-Familie von Freescale. CodeWarrior selbst ist ein sehr mächtiges Werkzeug, das einen Anfänger mit seinem Funktionsumf-ang leicht erschlagen kann. Geht man wie beschrieben vor, kann man spiele-risch nach und nach die diversen Spe-zialitäten und Möglichkeiten der Soft-ware erforschen. Außerdem kann man auf den Webseiten von Freescale noch diverse unterstützende Dokumente und Übungseinheiten aufstöbern. Und weitere Projekte auf der Basis von SpY-der hat das ELEKTOR-Labor schon in Arbeit.

(060297-I)

Bild 5. Bestückte Platinen kurz vor dem Zusammenbau als Sandwich-Konstruktion.

60 elektor - 4/2007

TECHNIK MIKROCONTROLLER

Es lässt sich sicherlich ein sprechendes Thermometer chinesischer Provenienz fi nden, das weniger kostet als die Lö-sung mit Explorer-16. Leider werden Sie bei einem fernöstlichen Produkt nichts über Mikrocontroller lernen und nichts abändern können. Dafür werden Sie mit Realsatire in Form eines via Babelfish

übersetzten Handbuch entschädigt, das zu verstehen mindestens so anspruchs-voll ist wie ein Hexadoku...

Übrigens erfreute sich das Explorer-16-Vorteilspaket großer Beliebtheit. Die er-ste Aufl age ist ausverkauft! Doch even-tuell kommt Nachschub.

DAS KRYPTO-PUZZLEDas kryptografi sche Puzzle vom letz-ten Monat hat viele Leser in seinen Bann gezogen. Offenbar hat es Spaß gemacht, den geheimen Code des Ge-heimagenten zu knacken. Die Lösung wurde mit großem Einsatz schon einen Tag nach Erscheinen des Artikels und der Verfügbarkeit der zugehörigen Downloads gefunden. Es zeigte sich, dass nicht einmal die kleinen Hinweise zur richtigen Lösung nötig gewesen wären.Um das Rätsel zu lösen, musste man den Inhalt von „CFIMAGE.BIN“ mit Hilfe eines Hex-Editors inspizieren und den Verzeichnis-Eintrag oder gleich den Text von „ENCODE.C“ finden. Damit war der Krypto-Algorithmus auf-gedeckt. Schließlich war es dann nur noch eine leichte Übung, den Code in „DEMO3.C“ so zu verändern, dass „SECRET.DAT“ korrekt gelesen, deko-diert und in der Simulationsumgebung angezeigt werden konnte.Der Algorithmus selbst bestand aus einer relativ einfachen XOR-Maske in ei-ner Schleife. Die Methode ist symme-trisch, weshalb man mit der gleichen Schleife sowohl dekodieren als auch ko-dieren kann. CIA-mäßige Kryptografi e-kenntnisse oder gar die Hilfe von Hackern waren also nicht unbedingt notwendig, um das Rätsel zu lösen. Schließlich sollte die Knobelei ja Spaß machen!

Explorer-16 (4)

Teil 4: Ausbau des sprechenden Thermometers

Von Jan Buiting und Luc Lemmens, in Zusammenarbeit mit Microchip Technology und Labcenter Electronics

In diesem letzten Teil der Serie werden die Informationen von Teil 2 und Teil 3 zu einem System mit mehr Speicher und größerer Flexibilität kombiniert. Damit lässt sich mehr Text verwenden und/oder sogar die Grundlage für Mehrsprachigkeit und einen deutlich größeren Wortschatz legen.

Bild 1. Demo4 für MPLAB / VSM fasst die Erkenntnisse der beiden vorhergehenden Teile zusammen.

614/2007 - elektor

Die Lösung bestand in der E-Mail-Adresse „elektor_competition@microchip.com“, an welche die Lösungsdetails entspre-chend den Teilnahmebedingungen ge-schickt werden sollten. Der Wettbe-werb ist jetzt natürlich beendet. Das zur Verschlüsselung verwendete Pro-gramm kann in Form der Datei „Kryp-to.zip“ von der Explorer-16-Projektseite herunter geladen werden.

NICHT SO EINFACHMan hat es schon mit einem Stück Komplexität zu tun, wenn man dem Thermometer mehrere Sprachen bei-bringen und seinen Wortschatz erwei-tern will. Das macht auch Sinn, denn so lernt man weitere Aspekte struk-turierter Programmierung und den Um-gang mit Dateien besser kennen. Außerdem ist die Explorer-16-Umge-bung eine Herausforderung an sich – zumindest wenn es über den Demo-Level hinausgeht.Englisch, Niederländisch und Deutsch sind so genannte germanische Spra-chen, die etliche Eigenschaften bei Satzbau, Betonung und Morphologie gemeinsam haben. Französisch ist als romanische Sprache schon ein Stück anders und die Hinzunahme von Fran-zösisch erfordert folglich mehr logische Konstrukte im Source-Code. Interes-santerweise zeigt sich, dass der fran-zösische Wortschatz kleiner ausfallen kann.

GRENZENUm den Aufwand zu begrenzen, ist die Größe einer Datei auf der CF-Karte auf 4 KB limitiert (siehe Teil 3). Diese Gren-ze kann man auch erhöhen, falls län-gere Phrasen am Stück aufgezeichnet werden sollen, allerdings fällt dann die Pufferung mit dem Mikrocontroller komplexer aus. Zu Gunsten besserer Verständlichkeit beschäftigen wir uns nun lediglich mit Dateien < 4 KB. Die-se Größe steht in einem guten Verhält-nis zum verfügbaren RAM des Control-lers und so bleibt der Code überschau-bar. Gleichzeitig vereinfacht das den Zugriff auf den Flash-Speicher. Bei der Verwendung eines Controllers mit mehr RAM können auch größere Da-teien einfach gehandhabt werden.Das Format des neuen Vokabulars entspricht weitgehend dem des ur-sprünglich rein englischen Vokabulars. Es kommt lediglich ein Präfi x für die jeweilige Sprache hinzu, damit diese entsprechend einfach ausgewählt wer-

den kann. Die Datei „DE100.dat“ ist daher die Datei, die den Begriff „Ein-hundert“ enthält. Beim Benennen der aufgenommenen Sound-Daten sollte das Präfi x berücksichtigt werden: Jetzt bleiben von den ursprünglich acht vor-gesehenen Buchstaben nur noch sechs für die eindeutige Bezeichnung übrig.

MPLAB/VSM SIMULATION NR. 4Für diesen letzten Artikel der Serie ha-ben Microchip und Labcenter ein wei-teres Demo-File erstellt: Auf der Basis des Explorer-16-Vorteilspakets zeigt der Inhalt von „Demo4.zip“ sehr schön, wie nahtlos ein PIC24F und Proteus VSM interagieren. Das Bildschirmfoto von Bild 1 zeigt Demo4 in Aktion.Für die Simulation wurden weitere DIP-Schalter im Design-File hinzugefügt, die in der Explorer-16-Hardware über-haupt nicht existieren! Die Schalter sol-len lediglich die Simulation vereinfa-chen und können, falls man wirklich eine Platine herstellen möchte, ganz einfach exkludiert werden. Das ge-schieht ganz ähnlich, wie man ein für die Simulation nützliches virtuelles

Voltmeter von der Übertragung in eine reale Schaltung ausschließt. Gleichzei-tig lernt man so ein weiteres nützliches Feature der VSM-Umgebung kennen, die auf der Basis derselben Design-Files einen Unterschied zwischen Si-

mulation und realer Hardware machen kann. Wenn man noch die von MPLAB ermöglichten Debug-Features berück-sichtigt, hat man einen richtig leis tungs-fähigen Werkzeugkasten zusammen.Die zusätzlichen DIP-Schalter erlauben die Aktivierung der Batch-Mode-Simu-lation und die Generierung der Sprach-ausgabe. Der Batch-Modus ist eine spezielle Simulationsvariante, die dem Anwender keinen Eingriff (kein Tasten-druck etc.) während des Ablaufs der Simulation gestattet. Von daher sind spezielle Stimuli notwendig, um das gewünschte Verhalten zu erzwingen. Im Prinzip wurde diese Methode schon bei Demo2 angewendet, wo ein Stimu-lus-Eingang die Betätigung des Tasters S4 simuliert, um den A/D-Converter zu triggern und die entsprechende Daten-ausgabe zu veranlassen. In gleicher Art und Weise werden die DIP-Schalter hier dazu verwendet, die Funktionen von S3...S6 zu simulieren und so die Sprache auszuwählen. Die voreinge-stellte Sprache ist Englisch. Versuchen Sie einmal heraus zu bekommen, wie diese Voreinstellung geändert werden kann.

Bild 2. PICtail-CF/MMC-Board und Compact-Flash-Karte (nicht in AC16412 enthalten).

62 elektor - 4/2007

TECHNIK MIKROCONTROLLER

KRYPTO-PUZZLE EINE LÖSUNG

1. Ich kopierte die Datei mit dem CF-Image auf eine SD-Karte, da ich keine CF-Karte zur Verfügung hatte.2. Beim Auslesen der SD-Karte fi elen mir zwei Dateien auf: ENCODE.C und SECRET.DAT3. Daraufhin programmierte ich das: // Speichere das Zeichen in buffer unter Verwendung // eines einfachen XOR-Entschlüsselungs-Schemas buffer[pos++] = c ^ mask; mask++;

4. Ent- und Verschlüsselung nutzen dieselbe Methode buffer[pos++] = c ^ mask; mask++;

5. Ich nahm Winhex zu Hilfe und wandelte den Inhalt von „secret.dat“ in ein C-Array (siehe „xorc.txt“) Als Nächstes verwendete ich c++ zur Behandlung des Arrays in einer For-Schleife unsigned char data[1130] = 0x56, 0x67, 0x6F, 0x68, 0x25, 0x62, 0x68, 0x66, 0x6C, 0x2B, 0x06, 0x06, 0x20, 0x04, 0x56, 0x7F, 0x64, ........ outFile = fopen(“c:\xor.txt”, “w+b”); for (i = 0; i < 1130; i++) fputc((data[i]^(i+1)), outFile); fclose(outFile);

Das Explorer-Board wurde eingesetzt, um die Datenbanken passend für das große Array (1130) zu kombinieren. Dann wurde eine SD-Karte an dspic angeschlossen.Zunächst wurde die Datei gelesen (fopen secret.dat) und dann die Datei auf der Karte mit dem konvertierten Array-Inhalt überschrieben (fwrite character, was denselben Effekt wie fputc hat). Dann wurde der Array-Inhalt wieder eingelesen (fread character) for (i = 0; i < 1130; i++) data[i]=fread; //asuming fread will point to next character each time when calling fclose fopen secret.dat for (i = 0; i < 1130; i++) fputc((data[i]^(i+1)); fclose;

Für die Lösung benötigte ich also einige Zeit, da ich einen Workaround mit sdcard.c realisieren musste (und ich nur begrenzte Erfahrung in der Anwendung von Proteus habe).

Well done!-You have successfully deciphered the secret message stored on the compact flash card.

A prize will be awarded for the first 12 correct solutions. To enter the competition you must email

elektor_competition@microchip.com

with the followinga) A brief description of the method you used to extract the secret message, including any code you used. b) Your contact details include name, physical address telephone number and email address. Entered solutions will be judged to be valid or otherwise at the sole discretion of Microchip Technology. All solutions will be acknowledged with an indication of whether they were valid or not, and whether you were among the first 12 correct entries. By entering the competition you agree that you may be contacted by employees of Elektor, Microchip or Labcenter Electronics for research and marketing purposes. However, you may be assured that your details will NOT be passed to any other parties. You also agree that your solution may be published by Elektor either in print on their Website.

ELEKTOR-Leser sind besonders clevere Zeitgenossen. Hier zeigt stellvertretend ein Leser - der gerne anonym bleiben möchte - wie er das Explorer-16-Krypto-Puzzle gelöst hat. Doch lassen Sie sich nicht irritieren, wenn Sie anders vorgegangen sind: Es gab viele unterschiedliche Lösungsstrategien. Wir waren richtig beeindruckt!

HARDWARE…Wenn Sie das Projekt real in Hardware testen wollen, dann müssen Sie die PICtail-Audio-Plus-Platine anstecken und die CF-Karte beim Explorer-16-Board hinzufügen. Letzteres erfordert das Produkt Nr. AC164122, das PICTail-Board für SD- & MMC-Karten von Mi-crochip Direct (siehe Bild 2). Hierzu muss man einen zweiten PICtail-Bus-Steckverbinder (Slot) beim Entwick-lungs-Board bestücken. Der Steckver-binder ist ein MEC1-160-02-S-D-A von Samtec, und bei Digikey unter der Nummer SAM8121-ND erhältlich. Den kompletten Hardware-Aufbau zeigt Bild 3. Der rechtwinklige Pfostenstec-ker der PICtail-Tochterplatinen erlaubt den Betrieb mit Controllern der 18F-Se-rie mit dem Standard-PICtail-Board. Da diese Pins aber dem JTAG-Stecker auf dem Explorer-16-Entwicklungsboard gefährlich nahe kommen, entschieden wir, diese zu kürzen. Der Card-Edge-Stecker des PICtail-CF/MMC-Boards passt sowohl in das zweite als auch das dritte Segment des Slots auf der Basis-Platine. Dies erlaubt den Betrieb mit SPI1 oder SPI2. Die FAT-Software verwendet SPI1.Die Sprache wird dadurch ausgewählt, dass der entsprechende Taster während eines Resets gedrückt wird. Während des Programmlaufs kann die Sprache nicht verändert werden. Selbstverständlich können Sie die Sprach auswahl so verändern, dass sie jederzeit und evtl. auch via serielle Schnittstelle vorgenommen werden kann und die Auswahl dann via LCD angezeigt wird. Ihrer Kreativität sind keine Grenzen gesetzt.

EIGENE SOUND-DATEIEN Die Erstellung eigener Sound-Dateien ist nicht ganz trivial. Aus diesen Grün-den wurde die Schritt-für-Schritt-Anlei-tung hierzu in eine Datei ausgelagert, die von den Explorer-16-Seiten herun-ter geladen werden kann (siehe im Download-Bereich die Sektion Teil 4). Bild 4 zeigt einen Ausschnitt dieser PDF-Datei, die auch Einblicke in den Umgang mit Sound-Dateien im Allge-meinen gibt.Der beschriebene Schritt mit dem MPFS- Utility kann bei den Speicherkarten übersprungen werden. Stattdessen können mit „FATUtil“ (ebenfalls kos-tenlos im Download-Bereich herunter-zuladen) die komprimierten ADPCM-Dateien (.dat) vom binären Image der Karte im Design-Verzeichnis von Pro-

634/2007 - elektor

Bild 3. Das Audio-Plus-Board und CF/MMC-Board stecken beide in den PICtail-Slots des Explorer-16-Entwicklungs-Boards.

teus hinzugefügt werden. Wenn diese Dateien auf eine Flash-Karte sollen, um sie mit der Hardware einzusetzen, kann man die Dateien schlicht auf die Karte kopieren. Die einzige Bedingung ist, dass alle Dateien im Wurzelver-zeichnis der Karte zu liegen kommen, da der Demo-Code keine Verzeichnisse unterstützt.Noch ein Hinweis: Der FAT16Code wurde noch im Beta-Stadium heraus-gegeben, um diese Artikelserie zu un-terstützen und zukünftige Erweiterun-gen zu ermöglichen. Im Moment wird der Code noch nicht offi ziell durch das Microchip-Support-Netzwerk unter-stützt. Er wurde lediglich für ELEKTOR vorzeitig freigegeben. Wenn der Code das Beta-Stadium verlassen hat, wird er natürlich voll unterstützt werden. Bis dahin erhält man Support im ent-sprechenden Teil des ELEKTOR-Forums.

TIPPS & TRICKSEin paar Kleinigkeiten sollten noch er-wähnt sein - insbesondere für die Le-ser, welche die Hinweise der Explorer-1-Projekt-Seiten und des ELEKTOR-Fo-rums nicht verfolgt haben:• Bei der Einlösung des C30-Discount-

Coupons aus dem Explorer-16-Vor-teilspaket via www.microchipdirect.com sollte die richtige Nationalität gewählt werden und am Ende der Bestellformalitäten für den C30-Com-piler wird man nach der „Voucher Re-ference Number“ gefragt. Hier sollte „ELEKTOR“ nebst der abschließen-den Zahl eingegeben werden.

• Der zentrale Pin beim Anschluss der Stromversorgung des Explorer-16-Entwicklungs-Boards ist positiv ( 9 . . . 1 5 V G l e i c h s p a n n u n g un stabi li siert).

• Labcenter hat spezielle Angebote für einige Simulations-Module für Proteus VSM (URL: www.labcenter.co.uk/products/elektoroffer.htm).

• Weitere PIC24F/H- und dsPIC33-PIMs sind via www.microchipdirect.com verfügbar (die richtige Nationa-lität auswählen).

• Die Beispiele und Simulationen laufen weder auf einem Atari ST noch auf einem PC unter Windows 98 ;-)

FAZITWir hoffen, dass Sie mit dieser viertei-ligen Artikelserie einen interessanten Einblick in die Welt der PIC24-Mikro-controller erhalten haben. Wie Sie si-cherlich bemerkt haben, gehen die Möglichkeiten der Werkzeug-Kombina-

tion aus MPLAB und Proteus VSM noch weit darüber hinaus. Diese Software ermöglicht den ELEKTOR-Lesern im-merhin die kostenlose Simulation kom-pletter Mikrocontroller-Schaltungen. Sie werden in Zukunft sicherlich noch hier und da in ELEKTOR von diesem Software-Gespann hören.Zum Schluss gilt unser Dank den Ex-perten von Microchip Technology und Labcenter Electronics, die sich sehr viel Mühe gegeben haben, zusammen mit ELEKTOR dieses einzigartige Paket aus Hard- und Software zu schnüren.

(060280-IV)

Wo nicht speziell angegeben: Microchip Tech-nology ist Inhaber der Handelsmarken (™) und der Copyrights (©) für die Produkte PIC, dsPIC und MPLAB.

Neuigkeiten, kostenlose Downloads und Up-dates gibt es auf den Explorer-16-Projektsei-ten unter:

www.elektor.de/explorer-16

und unter „Explorer-16“ im Forum:

www.elektor.de/default.aspx?tabid=29&view=topics&forumid=30

Das Explorer-16 Value Pack enthält vier Bestandteile in einer Verpackung:

1. Explorer-16-Demo-Board2. PICKit-2-Starter Kit3. Audio-PICtail-Plus-Tochterplatine4. 20%-Rabatt-Gutschein für MPLAB

C30

Das Paket ist für 179 Euro von ELEKTOR bzw. über die ELEKTOR-Webseite erhältlich.

Von Labcenter Electronics gibt es zurzeit spezielle Proteus-VSM-Angebote für ELEKTOR-Leser unter der URL:www.labcenter.co.uk/products/elektoroffer.htm.

Explorer-16-Vorteilspaket

1. Auflageausverkauft

64 elektor - 4/2007

PRAXIS WORKSHOP

Kleine Displays, auf denen Texte und Bilder den Besucher eines Messestandes über die Vorzüge der ausgestellten Produkte informieren, kennt wohl jeder. Wie man sie für eigene Zwecke nutzt, zeigt der folgende Beitrag. Es wäre doch gelacht, wenn dies mit einem Display aus einem äl-teren Siemens-Handy nicht funktionieren würde.

SCHÖN BUNTDie Displays von Handys werden immer besser: Do-minierte früher noch schwarzweiß, so gehört heute Farbe zum Standard. Wir müssen jedoch trotzdem nicht unser allerneuestes Handy zerlegen, um in den

Besitz eines brauchbaren Displays zu gelangen: Ein äl-teres Modell tut’s auch; zum Beispiel das Siemens C60,

das bei Ebay zurzeit für weniger als 10 Euro erhältlich ist (Bild 2). Das darin enthaltene Display mit der Typennum-mer LM15GFNZ07 besitzt eine Aufl ösung von 101 mal 80 Pixel, kann 4096 Farben darstellen und arbeitet mit einem SPI-Bus. Mit diesen Kenntnissen gelang es uns, ei-nen AVR-Mikrocontroller (ATMega8) zur Ansteuerung des Displays einzusetzen.Nun brauchten wir nur noch einen Speicher für die dar-zustellende Grafi k. Dazu verwendeten wir eine SD-Karte. Mit MMC funktioniert es auch, da hier die gleichen Ab-messungen und Pin-Anschlüsse vorliegen. Der AVR liest die Dateien aus der Speicherkarte und zeigt sie auf dem Display, und dies sogar als Diashow mit einstellbarer Intervallzeit.

HARD- UND SOFTWAREIm Schaltbild (Bild 1) ist zu erkennen, dass genau acht diskrete Bauelemente benötigt werden. Hinzu kommen noch zwei ICs. Das Herz der Schaltung ist ohne Zweifel der AVR-Mikrocontroller, dessen Programmspeicher mit 4089 Bytes zu 99,8 % gefüllt ist. Nur ganze 14 Bytes bleiben noch übrig. Wir denken übrigens sogar schon an ein Nachfolgemo-dell: Beim pinkompatiblen ATMega168 ist ein einfaches Debugging über den Reset-Ausgang möglich.Zur Stabilisierung und Konditionierung der Versorgungs-spannung wird der Low-drop-Spannungsstabilisator ADP 3303 von Analog Devices verwendet. Kleiner Tipp: Als Sample ist dieses IC von Analog Devices auch gratis frei Haus erhältlich.

Elektronischer StickerMichael Gaus & Thijs Beckers

Der Markt des digitalen Schnickschnacks blüht wie nie zuvor und scheint kaum noch zu toppen. Lohnt sich da der Selbstbau noch? Auf

jeden Fall: Das hier vorgestellte Handy-Display zum Anzeigen von bunten Bildern und Schildern eignet sich nicht nur für die mobile

Dia-Show am Revers, sondern lässt auch das Herz eines jeden Casemodders höher schlagen.

Bild 2. Das C60-Display von Siemens. Für 10 Euro ein Schnäppchen.

654/2007 - elektor

Handy-LCD mit Diashow

/LCD_CS/LCD_RESETLCD_RSLCD_CLKLCD_DATALCD_VCCLCD_GNDLCD_LED1_A

LCD_LED2_ALCD_LED_K

LM15SGFNZ07

VCC = 3,0 V V+ = 4,5 V

/SD

_CS

SD_D

I

SD_D

O

SD_C

LK

SD_G

ND

SD_G

ND

SD_V

CC

S1

C1

(ADC5)PC5 28

(ADC4)PC4 27

(ADC3)PC3 26

(ADC2)PC2 25

(ADC1)PC1 24

(ADC0)PC0 23

(SCK)PB5 17

(MISO)PB4 16

(MOSI)PB3 15

(SS)PB2 14

(OC1)PB1 13

(ICP)PB0 12

(AIN1)PD7 11

(AIN0)PD6 10

(T1)PD5 9

(T0)PD4 2

(INT1)PD3 1

(INT0)PD2 32

(TXD)PD1 31

(RXD)PD0 30

GND3 VCC4

AVCC18 AREF20

XTAL17

XTAL28

RESET29

AGND21

IC1

VCC26

GND25

ADC619

ADC722

1 2 3 4 5 6 7

J2

OUT2 2

NR 3

OUT1 1

/ERR 6

/SD5

IN28 IN17

GND4

IC2

C2

C3

J3 J4

R4

123456789

10

075043 - 11

J1R5

R1

R2

R3

J1X

GND

VCC

GND

V+

GND

100n

ATMEGA8_TQFP

SD_S

OC

KET

ADP3303AR-3.0

V+

GND

470n

470nGND

V+ GND

10k

LCD

150Ω

150Ω

10k

GND

VCC

VCC

VCC

VCC

*

Bild 4. Drähte gestaffelter Länge erleichtern die Durchführung. Bild 3. Der Prototyp. Der Bildschirm befi ndet sich an der anderen Seite.

Bild1. Klein aber fein: Das Schaltbild des auch als Sticker verwendbaren Displays. Das muss auch so sein, denn wer läuft schon gerne mit einer großen Platine am Revers durch die Gegend. (*: siehe Text).

66 elektor - 4/2007

PRAXIS WORKSHOP

Die LEDs der Display-Hintergrundbeleuchtung werden über R1 und R2 direkt an die 4,5-V-Spannung angeschlos-sen. Natürlich funktioniert die Schaltung nur nach vorheri-ger Programmierung des AVR.Der Quellcode im Hex-Format kann von der ELEKTOR-Website heruntergeladen werden. Die Speicherkarte muss eine Information enthalten, die angibt, wie lange ein Bild (in Millisekunden) gezeigt wird, bevor das nächste Bild erscheint. Diese Daten wurden aus Gründen der Vereinfa-chung zusammen mit den Hex-Daten gezippt.

VORBEREITUNGENDie Bitmap-Dateien müssen einige Bedingungen erfüllen: Das Bildformat muss 101 Pixel horizontal und 80 Pixel vertikal betragen. Farbtiefe: 16,7 Millionen. Anhand die-ser Vorgaben besteht jedes Bitmap-Bild inklusive Header aus genau 24374 Bytes. Der Mikrocontroller nimmt im-mer die ersten vier Bits von jeder der möglichen Farben rot, grün und blau.Das Bild wird von unten nach oben aufgebaut und muss daher zuerst horizontal gespiegelt werden. Dies hängt mit der Arbeitsweise des AVR zusammen und soll an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.Die Speicherkarte muss im FAT16-Format formatiert sein, was mit einem Standard-Kartenleser kein Problem sein dürfte. Diese Formatierung begrenzt die maximale Anzahl der im Root-Verzeichnis stehenden Einträge auf einen Wert von 512.In Anbetracht der durch die Confi g-Datei gemachten Vor-gaben und unter der Voraussetzung, dass keine Verzeich-nisstrukturen existieren, lassen sich genau 511 Bilder in der Speicherkarte unterbringen. Das dürfte für normale Anwendungen zumindest vorläufi g mehr als ausreichend sein. Die Daten dürfen auch nicht fragmentiert sein. Dies wird vermieden, indem man die Karte zuerst formatiert und dann alle BMPs in einem Rutsch auf die Karte bringt.Die Bilder werden in der Reihenfolge gezeigt, in der sie auch auf der Karte gespeichert sind. Ihre Dateinamen müssen das vom alten DOS bekannte 8.3-Format aufwei-sen. Längere Namen werden nicht unterstützt.

AUFBAUBild 3 zeigt die für diese Schaltung auf die Schnelle ent-worfene Platine, die es uns ermöglichte, das Display auch auf Messen bestaunen zu lassen.Bei der Montage der Bauteile beginnt man am besten mit dem Mikrocontroller ATMega8. Anschließend ist der Halter für die Speicherkarte an der Reihe. Dann folgt der Rest. Vergessen Sie nicht die im Schaltbild als R5 bezeich-nete Drahtbrücke.Zur Befestigung des Displays empfi ehlt sich Kupferlack-draht (Bild 4). Wenn Sie die Drähte in verschiedenen Längen schneiden, lassen sie sich recht einfach durch die Löcher der Platine führen. Mit einem Stück doppelseitigem Klebeband kann das Display dann noch an seiner Vorder-seite positioniert werden (Bild 5).Wird die Schaltung als Sticker getragen, so empfi ehlt sich eine aus drei Batterien zusammengesetzte Versorgungs-spannung von 4,5 V. Die wandelt der Stabilisator in eine Spannung von 3 V zur Versorgung des Prozessors um. Ist der Prozessor erst einmal mit Spannung versorgt, so kann er programmiert werden. Dies geschieht mittels ISP (In System Programming), wobei zwei verschiedene Möglich-keiten zur Verfügung stehen:

Bild 5. Der LCD-Bildschirm

funktioniert jedenfalls recht gut.

Figure 6. Bild 6. Die Fusebits müssen natürlich richtig eingestellt

werden.

674/2007 - elektor

SD-ProgrammieradapterAus einem Transfl ash-SD-Adapter kann ganz leicht ein SD-Programmieradapter gemacht werden. Die Anschlusspins werden einfach an den sechspoligen Stecker des Atmel AVR-ISP In-system-Programmers (um ein Beispiel zu nennen) angeschlossen. Öffnen Sie dazu ganz vorsichtig den Adapter, so dass die Anschlüsse des Transfl ash-Kartenhalters zugänglich sind. Verbinden Sie nun die Anschlüsse mit einer kleinen Platine, auf der ein ISP-Stecker angelötet ist. Diese Platine kann auf dem Adapter festgeklebt werden.

Die richtigen Verbindungen lauten:SD DI MOSISD DO MISOSD CLK SCKSD VCC VCCSD GND GND

An den Reset-Anschluss wird eine Messspitze angeklemmt und mit dem Reset-Anschluss des ATMega8 (oder R3) verbunden. Eine Drahtschleife an der richtigen Stelle von R3 schützt vor Verwechslungen.

1. Löten Sie Kabel an die Programmieranschlüsse des ATMega8 (MOSI, MISO, SCK, /RESET, VCC und GND) und verbinden Sie diese mit den entsprechenden An-schlüssen des AVR-ISP van Atmel.

2. Bauen Sie einen SD-Adapter auf (siehe Kasten).Achten Sie beim Programmieren gut auf die Fusebit-Einstellungen (Bild 6).

PRAXISAm besten testet man die Schaltung zunächst ohne SD-Karte. Achten Sie beim Anschluss der Batterie auf die richtige Polung, da kein Verpolungsschutz vorhanden ist.Nach dem Einschalten werden auf dem Display vier far-bige Balken sichtbar: weiß, rot, grün und blau. Außerdem erscheint die Versionsnummer der Firmware und der Text: „No SD card” (Bild 7).Wenn bis zu diesem Punkt alles funktioniert, können die Batterien wieder abgeklemmt werden. Stecken Sie nun

Bild 7. Nach dem ersten Einschalten erzeugt der AVR ein Testbild.

Bild 8. Der AVR ist sogar für den Kontrast zuständig.

die SD-Karte ein (Karte NIEMALS einstecken oder heraus-ziehen, wenn die Schaltung mit Spannung versorgt wird). Nach erneutem Anschließen der Batterien erscheinen wie-der die vier Balken. Danach beginnt die Diashow.Zur Einstellung des Kontrastes muss S1 während des Einschaltens der Spannung gedrückt werden. Daraufhin erscheint ein Menü, in welchem der Kontrast ausgewä-hlt werden kann (Bild 8). Mit einem kurzen Druck auf S1 kann durch das Menü gescrollt werden (< 500 ms). Wird S1 länger als 500 ms gedrückt, so wird ein Eintrag ausgewählt.

Es wäre zu schade, die leistungsfähige Schaltung nur als Namensschild zu „missbrauchen“. Die Palette der Anwen-dungsmöglichkeiten ist groß und nur durch die Phanta-sie des Anwenders begrenzt. Vor allem die Freunde des Casemoddings dürften bei dieser Schaltung mit einer Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten konfrontiert sein. Zur Darstellung bewegter Bilder ist der Mikrocontroller al-lerdings nicht schnell genug.

(075043)

68 elektor - 4/2007

PRAXIS SO FUNKTIONIERT’S

Die Lüfter, die in den PC-Gehäusen für Durchzug sorgen, gehören eher zu den unscheinbaren Bauteilen, doch ihre Dienste sind unverzichtbar. Ohne kühlende Frischluftzu-fuhr würde manche Hightech-Komponente schnell den vorzeitigen Hitzetod sterben. Schon lange bauen die Lüf-ter-Hersteller elektronische Komponenten in die elektrome-chanischen Konstruktionen ein. Die Elektronik steigert die Motor-Lebensdauer drastisch, nicht zuletzt dient sie auch der Betriebssicherheit. Gleichstrom-Motoren mit mecha-

Mini-Drehfeldgenerator

Frischer Wind im PC

In jedem PC drehen kleinere und größere Lüfter ihre Runden, damit die diversen Hochleistungs-Chips, die Festplatte und das sonstige Interieur kühlen Kopf bewahren. Die Lüfterkonstruktionen mögen auf den ersten Blick simpel erscheinen, doch hinter den Kulissen ist mehr oder weniger komplexe Regelungselektronik am Werk.

Von Harry Baggen

Bild 1. Auf der Motor-Platine befi nden sich vier Anker. Ein Drehfeldgenerator steuert die Ströme durch die Wicklungen.

nischen Rotorkontakten sind seit Jahrzehnten nicht mehr Stand der Technik.Wir haben einige PC-Lüfter auseinander genommen und nachgeschaut, was sich dahinter verbirgt. Heutige PC-Lüf-ter gehören zur Kategorie der so genannten „Bürstenlosen Gleichstrom-Motoren“ (DC brushless motor). Wie Bild 1 zeigt, besteht der unbewegliche Teil des von uns demon-tierten Motors aus vier geschichteten Blechpaketen. Die Blechpakete tragen Kupferdrahtwicklungen, sie bilden vier kreissymmetrisch angeordnete Anker. Auf dem Rotor, dem beweglichen Teil des Motors, ist ein runder Perma-nentmagnet angebracht. Die vier Nord- und Südpole des Permanentmagneten sind ebenfalls kreissymmetrisch an-geordnet. Die Motor-Elektronik steuert die Ströme durch die Ankerwicklungen in der Weise, dass ein magneti-sches Drehfeld entsteht. Das Drehfeld versetzt den Rotor in Drehbewegung, wobei die mechanische Drehzahl von der Drehgeschwindigkeit des magnetischen Drehfelds abhängt. Die Rotorposition wird von einem magnetemp-fi ndlichen Hall-Sensor erfasst. Das Auswerten dieser Infor-mation stellt sicher, dass der Rotor aus dem Stand anläuft und unter den verschiedenen Betriebsbedingungen in Drehbewegung bleibt. In Lüfter-Motoren heutiger Genera-tion ist die gesamte Elektronik einschließlich Hall-Sensor in einem einzigen Schaltkreis mit wenigen Anschlüssen integriert (Bild 2). Zum Vergleich zeigt Bild 3 ein de-montiertes Exemplar aus früheren Jahren, hier besteht die Elektronik aus wesentlich mehr Bauelementen.

Alles auf dem ChipDie Funktionen der vollintegrierten Motor-Elektronik mit vier Anschlüssen sind blockschematisch in Bild 4 darge-stellt. Hier handelt es sich um den Typ ATS276 von Ana-chip, von anderen Herstellern sind zahllose vergleichbare

694/2007 - elektor

Hall-SensorenDie Funktionsweise von Hall-Sensoren beruht auf dem so genannten „Hall-Effekt“. Dieser Effekt wurde 1879 von dem amerikanischen Physiker Edwin Hall entdeckt.Wenn Strom durch ein geeignetes Material fl ießt, das sich in einem magnetischen Feld befi ndet, tritt senkrecht zum magnetischen Feld eine Potentialdifferenz auf. Die Poten-tialdifferenz ist ein Maß für die Stärke des magnetischen Feldes. In einem Hall-Element befi ndet sich eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial, durch die Strom fl ießt. Ein senkrecht zur Scheibenfl äche gerichtetes Magnetfeld bewirkt eine Stromverschiebung. Die Folge ist ein Gefälle der Ladungsträgerdichte senkrecht zur Stromrichtung. Die entstehende Potentialdifferenz wird als „Hall-Spannung“ bezeichnet. Ausgangsmaterialien für Hall-Sensoren sind unter anderem Indiumantimonid (InSb) und Indiumarsenid (InAs).

UH UH

B B

UH

IIIa b c

070022- 12

1

REG.

Hall Plate

Amp

DO

GND

070022 - 11

2

3

4

VCC

DOB

Bild 3. Die Elektronik eines älteren Lüfter-Modells ist mit diversen diskreten Komponenten aufgebaut.

Bild 4. Funktionsschema des ATS276 von Anachip. Das IC steuert unmittelbar die Motor-Wicklungen bis zu Strömen von 0,4 A.

Bild 2. Die gesamte Elektronik einschließlich Hall-Sensor steckt in dem vierpoligen IC. Nur der Elko ist zusätzlich erforderlich.

Typen auf dem Markt. Ein integrierter Spannungsregler („Reg“) versorgt die Motor-Elektronik mit stabiler Betriebs-spannung. Das Signal des Hall-Sensors wird dem Eingang eines Differenzverstärkers („Amp“) zugeführt. Der Dif-ferenzverstärker steuert über eine Hystereseschaltung die Treiber-Transistoren, die direkt die Motor-Ströme schalten.Der ATS276 ist vergleichsweise einfach aufgebaut. Kom-plexere Typen erkennen Blockaden des Rotors. Sie liefern ein zur Drehzahl proportionales Ausgangssignal und sind ferner gegen thermische Überlastung gesichert.

Das schwächste Glied eines Lüfter-Motors ist höchst selten seine Steuerelektronik, sondern meistens die Lagerung des Rotors. Meistens sind preisgünstige Motor-Modelle mit einfachen Gleitlagern ausgestattet, die schon nach kurzer Zeit zu Lagerspiel neigen. Aufwendigere Modelle sind kugelgelagert, was sich natürlich im Preis bemerkbar macht. Zu erwähnen ist noch, dass in den letzten Jahren spezielle Schmiermittel und Schmiertechniken entwickelt wurden, die den Lüftern zu erstaunlicher Geräuscharmut und höherer Lebenserwartung verhelfen.

(070022)

70 elektor - 4/2007

TECHNIK LABORGEFLÜSTER

Mein Mikrocontroller weigert sich...

Im Lauf der Entwicklungsphase eines Mikrocontroller-Systems passiert es nicht selten, dass der Controller absolut keine Ak-tivitäten zeigen will. Aus „uner-klärlichen“ Gründen ist der Con-troller abgestürzt, er hat sich auf-gehängt, oder jedenfalls scheint es so. Bei älteren Controller-Ty-pen mit externem Programmspei-cher kann ein Oszilloskop oder ein Logiktester Licht ins Dunkel bringen. Bewegungen auf dem Adress und Datenbus sind hier schnell feststellbar. Moderne Mikrocontroller haben ihren Pro-grammspeicher an Bord, so dass der Daten und Adressbus von außen nicht zugänglich ist. Die I/O-Leitungen können nicht im-mer darüber Aufschluss geben, ob sich der Controller überhaupt von der Stelle rührt.Glücklicherweise (?) arbeiten die Taktoszillatoren größerer Con-troller genau wie in alten Zei-ten mit externen Komponenten. Hier lässt sich leicht prüfen, ob wenigstens das Taktsignal vor-handen ist. Kleinere Controller-Typen der jüngeren Generation sind oft vollständig integriert, so dass auch das Taktsignal im Ver-borgenen bleibt.Ob der Taktoszillator arbeitet und ein Controllerprogramm im Prinzip laufen kann, lässt sich vergleichsweise einfach feststel-len. Vor das Programm wird eine einfache Routine gesetzt, die eine bestimmte Portleitung ei-nige Male abwechselnd und ver-zögert auf „0“ und „1“ schaltet. Für diesen Zweck bietet sich eine Portleitung an, die in der Schal-tung eine LED steuert. Sie lässt durch Blinken eindeutig erken-nen, dass der Controller arbeitet. Das Oszilloskop braucht nicht in Aktion zu treten. Das Schalten

der LED sollte nicht von einem äußeren Ereignis abhängig ge-macht werden, zum Beispiel von einer Tasterbetätigung oder einem Signal an einem seriellen Eingang. Wenn die LED ihren Zustand partout nicht ändern will, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass ein Konfi gurations-fehler vorliegt. Vorausgesetzt natürlich, dass vorangegange-ne elementare Prüfungen, zum Beispiel der Betriebsspannung und des Signals auf der Reset-Leitung keine Besonderheiten er-geben haben.Die ersten Hauptverdächtigen sind die Konfi gurationsbits des Controllers. Das Verhalten vie-ler moderner Mikrocontroller wird von ihren „Fuse bits“ mit-bestimmt, schon in einem frühe-ren „Laborgefl üster“ war davon die Rede. Wenn der Controller seinen Dienst verweigert, liegt zuerst der Verdacht nahe, dass die Bits des Taktoszillators (In-

Von Luc Lemmens

Was wäre die Elektronik ohne Mikrocontroller? Wo vor Zeiten kaum überschaubare kombinatorische und sequentielle Schaltnetze ihren Dienst taten, genügt schon längst ein einziger programmierbarer Chip. Er führt die Befehle aus, die ihm der Programm-Entwickler aufträgt – jedenfalls sollte es so sein.

tern/Extern, Frequenzbereich) falsch gesetzt sind. In der Mehr-zahl der Fälle läuft bei falscher Einstellung absolut nichts. Der zweite Hauptverdächtige ist, so-fern vorhanden, der Watchdog-Timer. Wenn er aktiv ist und vom Programm nicht regelmäßig und rechtzeitig rückgesetzt wird, löst er periodisch Resets aus. Der Controller hat dann keine Chan-ce, das Programm wie vorgese-hen auszuführen. Der dritte Ver-dächtige ist die Steuerung der externen Resetleitung. Bei eini-gen Controller-Typen hat man die Wahl zwischen einem internen Resetsignal und dem externen Re-set. Das zum Controller gehören-de Datenblatt gibt Auskunft, wie der Reset ausgelöst wird und wie das externe Resetsignal beschaf-fen sein muss.Oft ist es hilfreich, die im Pro-gramm festgelegten Konfi gura-tionseinstellungen noch einmal nachzuvollziehen. Manchmal

muss der Controller anders kon-figuriert werden als man nach menschlicher Logik annimmt. Wenn überhaupt nichts hilft, bleibt nur noch übrig, sämtliche Einstellkombinationen der Reihe nach zu testen. Das ist sicher nicht der eleganteste Weg, doch leider ist er manchmal unum-gänglich. Zum Glück ist das Neuprogrammieren von Mikro-controllern heute keine zeitrau-bende Prozedur mehr.Eine simple, wie auch immer ge-artete Startmeldung zu Beginn der Applikation kann viel Zeit und Ärger sparen. Sie ist ein si-cheres äußeres Zeichen dafür, dass kein Fehler in der Hardware vorliegt, dass das Programm im Programmspeicher steht und dass die Konfi gurationsbits rich-tig gesetzt sind. Gegebenenfalls können die Programmzeilen der Startmeldung später wieder ent-fernt werden.

(070101-I)

4/2007 - elektor 71

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_ p _ g

Das Bessere ist des Guten Feind!

E-blocks LED-Matrix

Von Jean-Paul Brodier

Normalerweise braucht man 64 Leitungen um 64 LEDs anzusteuern. Mit einem 18-Pin-Mikrocontroller wie dem PIC16F88 ist das eigentlich unmöglich. Das Unmögliche wird wahr, indem die LEDs in einer Matrix aus acht Spal-ten und acht Zeilen angeordnet werden, wie in Bild 1 dargestellt.

MATRIXJede LED kann via Reihe und Spalte individuell angespro-chen werden, ganz wie beim Spiel „Schiffe versenken“ oder bei einer Tabellenkalkulation. Wenn eine Reihe auf logisch 1 (high) und eine Spalte auf logisch 0 (low) liegt, dann wird die LED im Schnittpunkt von Reihe und Spalte leuchten, wenn ihre Anode mit dieser Reihe und ihre Ka-thode entsprechend mit der Leitung der Spalte verbunden ist. Hört sich soweit ganz einfach an.

DEKODIERUNGDie Reihen werden durch die acht Leitungen von PORT B gebildet. Da von den 18 Pins (minus 8 von PORT B minus Stromversorgung minus Takt etc. und pp.) leider keine weiteren acht Leitungen mehr frei sind, reicht es leider

Bild 1. 64 LEDs in Matrixanordnung von acht

Reihen und acht Spalten.

Es stimmt: Das E-blocks LED-Laufl icht vom Februar 2007 war ein bisschen simpel. Diesen Monat komplizieren wir die Sache. Genauer: Wir erheben das Laufl icht in die zweite Dimension!

168

1514

10

131211

97

DX

4

01

12

23

56

G 0_7

01234567

&

U174HC138

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

10

J2B

SUB D9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

10

J3B

SUB D9

J7B

R122

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8

R222

D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 D16

R322

D17 D18 D19 D20 D21 D22 D23 D24

R422

D25 D26 D27 D28 D29 D30 D31 D32

R522

D33 D34 D35 D36 D37 D38 D39 D40

R622

D41 D42 D43 D44 D45 D46 D47 D48

R722

D49 D50 D51 D52 D53 D54 D55 D56

R822

D57 D58 D59 D60 D61 D62 D63 D64

075032 - 11

+5V

+5V

72 elektor - 4/2007

TECHNIK E-BLOCKS

FCV_SPALTE= FCV_SPALTE & 7;

In C entspricht dem &-Zeichen die logische UND-Operation.Der Transfer des Werts von SPALTE zu PORT A kann nicht direkt erfolgen. Damit die Leitungen RA3...RA7 nicht gestört werden, müssen sie bei der Wertzuwei-sung ausmaskiert werden. Bild 4 zeigt das Eigenschaf-ten-Fenster des ersten OUTPUT-Symbols (Rechtsklick → Eigenschaften). Verwende Maskierung und die Bits 0, 1 und 2 müssen angehakt sein.Bei jedem Schleifendurchlauf wird ein neuer Reihenwert an PORT B ausgegeben, der die Reihen eine nach der anderen kurz aktiviert. Diese Aufgabe wird wiederum in C erledigt. Der Wert von PUFFER (eine Art Zwischens-peicher) wird abhängig vom Wert von SPALTE verän-dert und dann nach PORT B übertragen. Entsprechend seiner Bezeichnung wird der Wert von PUFFER also erst später verwendet.

Wenn das Programm den Compiler fehlerfrei durchlaufen hat, dann kann es via Chip → Kompiliere nach Chip zum Ziel-Controller übertragen werden. Nun kann man einen leuchtenden Punkt diagonal durch die 8x8-Matrix wan-dern sehen. Diese Lösung taugt also lediglich zur Darstel-lung von einem Punkt gleichzeitig.Möchte man z.B. eine Zeile sehen, dann müssten eigent-lich alle LEDs der Diagonale gleichzeitig leuchten. Das dürfte kaum so einfach funktionieren. Schon mit zwei LEDs (A1 und B2) gleichzeitig wird das schwierig. Wenn

Bild 3. Das Testprogramm der Matrix.

Bild 2. Neue Variablen werden erzeugt und mit initialen Werten vorbesetzt.

Bild 4. Der Wert der Variablen SPALTE wird an PORT A übergeben.

734/2007 - elektor

nicht mehr, um die Spalten direkt anzusteuern. Deshalb werden die Dienste eines 74HC138 in Anspruch genom-men. Dabei handelt es sich um einen 8-aus-3-BCD-Deko-der. Ein 3-Bit-Signal am Eingang dieses ICs wird in acht einzelne Ausgangsleitungen übersetzt. Und freundlicher-weise sind die Ausgänge „active low“, was sie als Treiber für die Spalten prädestiniert.Zur Auswahl der richtigen SPALTE muss jetzt einfach deren Nummer binär an den Eingang des Dekoders ge-legt werden, wozu drei Leitungen von PORT A genügen. Die Spalten-Nummer kann durch die Befehle SPALTE = SPALTE + 1 inkrementiert werden. Ein Überlauf wird durch Begrenzung auf den Wert 7 mittels der Operation Modulo 8 verhindert.Starten wir mit einer neuen Datei, der Einfachheit halber „Ch2D0.fcf“ genannt („2D“ als Indikator für die zweite Dimension).Die erste Aufgabe besteht in der Erzeugung der Variablen SPALTE und den entsprechenden Variablen für die Reihen (siehe Bild 2). Hierzu platziert man ein recht-eckiges Berechnungs-Icon zwischen ANFANG und ENDE und editiert seine Eigenschaften. Neue Variablen werden hinzugefügt, indem man auf die Schaltfl äche Variablen... klickt und im nun erscheinenden Variablen-Manager auf Füge neue Variable hinzu.Sobald eine neue Variable angelegt wurde, kann sie auch im Programm verwendet werden. Nach Anlegen von SPALTE kann diese inkrementiert und ihr Wert dem PORT A zugewiesen werden, um der Reihe nach alle Spalten zu aktivieren. Etwas komplizierter wird der entsprechende Reihenwert dann PORT B zugewiesen.

DIE SPRACHE CDie Verwendung der Programmiersprache C empfi ehlt sich immer da, wo der Einsatz von Symbolen ein Flussdia-gramm unnötig kompliziert macht. Wenn nur eine mathe-matische Operation benötigt wird, ist C die Methode der Wahl.Der erste „C-Code“ im Programm hat den Titel Modulo 8 (Bild 3) und besteht lediglich aus einer einzigen C-Anweisung (Rechtsklick → Eigenschaften):

FCV_SPALTE= FCV_SPALTE % 8;

Das Präfi x FCV_ bei der Variable SPALTE zeigt dem Compiler, dass diese Variable in Flowcode defi niert wur-de. Das Präfi x ist Pfl icht für die Verwendung in C.Das entsprechende Präfi x für die Verwendung in Assem-bler lautet _FCV_.Das %-Zeichen steht für die Modulo-Operation, die den Rest einer Division (in diesem Fall durch 8) zurückgibt.Die Variable SPALTE wird bei jedem Schleifendurchlauf um 1 erhöht. Wenn sonst nichts weiter unternommen wür-de, dann würde sich der Wert von SPALTE bis zu 255 erhöhen, um dann wieder bei 90 zu landen. Das ist ein normales Verhalten für ein 8-bit-Register, aber leider nicht kompatibel mit den nur drei nutzbaren Bits von PORT A. SPALTE darf nur Werte zwischen 0 und 7 inklusive annehmen.Wenn SPALTE den Wert 8 erreicht, dann wird die Ope-ration Modulo 8 daraus wieder eine 0 machen und die Zählerei kann wieder von vorne starten.Die gleiche Funktionalität erreicht man durch die Maskie-rung mit 7 = binär 111 (via logische UND-Operation). Damit werden alle Bits oberhalb der drei niedrigwertigs-ten ausgeblendet und die C-Zeile lautet:

ANSI-Standard und die in MPLAB verwendete C-Variante Die von MPLAB (Entwicklungswerkzeug von Microchip) unterstützte Programmiersprache C entspricht dem ANSI-Standard nicht vollständig.Die Maskierungs-Operation kann z.B. so geschrieben werden:

FCV_SPALTE &= 7;

C-Programmierer haben gewöhnlich eine besondere Vorliebe für diese Art gedrängter Schreibweise, da sie für An-fänger extra schwer zu lesen ist und daher gegenüber den Beherrschern dieses Kauderwelsch besondere Bewun-derung an den Tag gelegt wird (böse Unterstellung). Unabhängig von diesen Motiven weist der C-Compiler den Ausdruck:

FCV_COLUMN %= 8;

als unverständlich zurück, obwohl er vollkommen ANSI-konform ist.

Eigentlich machen moderne Editoren und IDEs das Programmieren so bequem, dass es nicht zwingend darauf ankommt, jeden möglichen Tastendruck zu sparen. Etwas mehr Redundanz ist oft besser verständlich. Egal ob verkürzt oder ausführlich geschrieben, das kompilierte Resultat ist das gleiche, wovon man sich leicht überzeugen kann, wenn man die resultierende .LST-Datei inspiziert. Wenn der Compiler eine Zeile C oder Assembler nicht versteht, dann weist er lediglich darauf hin, ohne seine Gründe darzulegen. Hier hilft gelegentlich ebenfalls ein Blick in die entsprechende .LST-Datei, da sie die Details des Programms in Assembler enthält.

Ein weiterer kleiner Unterschied zwischen ANSI und MPLAB: In letzterem müssen Variablen-Namen in Großbuchstaben geschrieben werden, während ANSI Groß- und Kleinschreibung nicht nur zulässt, sondern sogar unterscheidet.

Bild 5. Interrupt-Konfi guration.

Bild 6. Der in der Interrupt-Routine enthaltene C-Code.

Bild 7. Die sehr einfach gestrickte Interrupt-Routine.

Bild 8. Demonstration des Multiplexing: Eine diagonale Linie wird angezeigt.

74 elektor - 4/2007

TECHNIK E-BLOCKS

die beiden Reihen A und B sowie die Spalten 1 und 2 aktiviert sind, dann leuchten gleich vier LEDs, nämlich A1, A2, B1 und B2. Die Lösung liegt in der schnell aufeinan-der folgenden Nichtgleichzeitigkeit. A1 und B2 werden mit hoher Frequenz einzeln für kurze Zeit selektiert. Für die Trägheit des Auges wirkt das wie gleichzeitiges Leuch-ten. Das Verfahren nennt sich Multiplexing.

Nun kommen Änderungen, die Multiplexing implementie-ren. Hierfür ist es zweckmäßig, eine neue Datei namens „Ch2D1.fcf“ anzulegen.

INTERRUPTSDie Abtastfrequenz für fl ackerfreies Multiplexing muss ganz schön hoch liegen. Für diese Routine-Aufgabe, die keine großartigen Berechnungen erfordert, eignet sich am Besten eine so genannte Interrupt-Routine. Diese wird dann von einem Timer des Controllers getriggert.Nun wird ein Interrupt-Icon nach der Variablen-Initialisie-rung platziert und wie in Bild 5 konfi guriert.Jedes Mal wenn TMR0 den Wert 0 erreicht (ca. 300 Mal pro Sekunde), triggert er eine Routine, die im Flowco-de-Sprachgebrauch als MAKRO bezeichnet wird. Hier handelt es sich um das Makro INTERRUPT_TMR0. Jetzt müssen nur noch alle Bestandteile des vorherigen Haupt-programms in das Flussdiagramm des Makros platziert werden. Hierzu klickt man im Menü auf Makro → Show und holt sich via „drag and drop“ die passenden Teile vom vorherigen Programm.Um das Rad nicht zweimal erfi nden zu müssen, emp-fi ehlt es sich, die alte Datei „Ch2D0.fcd“ zu öffnen, die entsprechenden Blöcke im Flussdiagramm mit der Maus zu selektieren und via Ctrl-C und Crtl-V (bzw. Strg-C und Strg-V) Stück für Stück an die entsprechende Stelle des neuen Makro-Flussdiagramms zu kopieren, bis die Sache

Stückliste Widerstände:R1...R8 = 22Ω

Halbleiter:D1...D64 = LED, 3 oder 5 mmIC1 = 74HC138

Außerdem:J2B, J3B = 9-polige Sub-Stecker für PlatinenmontageJ7B = 2-polige Schraubklemme für PlatinenmontagePlatine 075032-1 erhältlich bei www.thepcbshop.com

Bild 10. Die Platine kann mit etwas Geschick auch einseitig ausgeführt werden. Bei der Menge

von LEDs muss man aufpassen, dass man alle richtig gepolt bestückt. Das Platinenlayout kann unter www.elektor.de heruntergeladen werden.

Bild 9. Die Einfachheit des Flussdiagramms wird durch einzelne Einschübe in C erreicht.

so aussieht wie in Bild 7. Das fertige Multiplex-Demo-Pro-gramm sollte dann Bild 8 entsprechen.

TANZENDE LICHTPUNKTE!Das Aufl euchten einer diagonalen Linie ist nun möglich. Wie wäre es mit einer zweiten Linie? Hierzu braucht es Version Ch2D2.Als erste Maßnahme werden die Initialwerte der REIHE-Variablen so modifi ziert, dass zwei LEDs zugleich leuch-ten. Die primäre Schleife verschiebt dann den Inhalt aller Register.Die sukzessiven hexadezimalen Werte von REIHE0 bis REIHE3 sind 0x11, 0x22, 0x44 und 0x88. Diese vier Werte werden für REIHE4 bis REIHE7 einfach wiederholt. Da Flowcode keine hexadezimale Notation versteht (we-der C-typische 0x11 noch Intel-artige 11h), müssen diese Werte dezimal als 17, 34, 68 und 136 geschrieben werden.Die Verschiebung geschieht durch einfaches Multiplizie-ren mit dem Faktor 2, was direkt einer binären Verschie-bung um eine Stelle entspricht. Der Vorteil der Methode ist, dass bei einem Überlauf (z.B. beim Verschieben des Werts 136) das links „herausfallende“ Bit rechts wieder auftaucht (10001000 wird zu 00010001 = dezimal 17).Je nach exaktem Zeitpunkt ergibt das sogar drei oder vier gleichzeitig erscheinende Linien (Bild 9).Auf die gleiche Art und Weise kann man nun die initialen Werte wieder so verändern, dass nur eine Linie entsteht (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 und 128). Je nach Experimen-tierfreude sind vielleicht gebrochene Linien erwünscht. Je nach Spaß an der Sache kann man die Werte auch zwis-chendrin einfach ändern und so diverse Muster ablaufen lassen.

Auch wenn es sich beim verwendeten Mikrocontroller um ein kleines Exemplar handelt, wird sein Speicher mit 391 von 4096 Worten doch nur zum Bruchteil genutzt.

KONSTRUKTIONMan kann die komplette Schaltung auf einem Stück Loch rasterplatine realisieren oder die schönere Platinenversion von Bild 10 verwenden. Die Platine verfügt über zwei Sub-D-Stecker (J2B und J3B), die genau zu den Buchsen J2 (PORT A) und J3 (PORT B) der Multiprogrammer-Platine der E-blocks-Reihe passen. Die +5-V-Stromversorgung wird vom +V-Anschluss der Schraubklemme J7 abgegriffen, da Masse ja schon über die Sub-D-Steckverbindungen vorhanden ist.Die 22-Ω-Widerstände sind eigentlich nur Zierde, da der Strom durch die LEDs von den Fähigkeiten der Controller-Ausgänge begrenzt wird. Der maximale Gesamtstrom der acht Ausgänge von PORT B liegt bei ca. 100 mA-. Die Verwendung von Low-Current-LEDs ist also keine schlechte Idee.Es muss nicht zwingend eine zweiseitige Platine ver-wendet werden. Die Leiterbahnen auf der Bestückungs-seite können auch leicht durch ein passendes Stück Draht realisiert werden. Man verzinnt hierzu die LED-Anoden und fädelt den dünnen Draht schlangenlinien-förmig durch die Anschlüsse. Jeweils ein Stubser mit Lötkolben und Zinn genügen dann für eine leitfähige Verbindung. Spezieller Wire-Wrap-Draht macht die Sache noch einfacher, da sein Lack an ungelöteten Stel-len isoliert.

(075032-I)

754/2007 - elektor

76 elektor - 4/2007

PRAXIS THEMA

Synergetischer Transformator

Sensationell:

Als erster Fachzeitschrift weltweit ist es ELEKTOR gelungen,

über die bahnbrechende Erfi ndung eines „synergetischen Transformators“

berichten zu können.

Dieses neue Bauteil wird die Leistungselektronik wahrscheinlich

revolutionieren. Wir stellen hier die ersten zur

Veröffentlichung freigegebenen Resultate vor.

Von Prof. Dr.-Ing. Heinz van der Broeck und Prof. Dr.-Ing. Martin Ossmann

Bild 2. Ohne Kern: Keine Kernverluste – und Super-Wirkungsgrad!

Bild 1. Wechselrichter mit schlechtem Wirkungsgrad. Die Lampe leuchtet nur schwach.

774/2007 - elektor

Alles begann vor etwa einem Jahr (am 1.4.2006, um ge-nau zu sein) mit dem Versuchsaubau eines kleinen Wech-selrichters mit Transformator, bei dem der Wirkungsgrad ungewöhnlich niedrig ausfi el (siehe Bild 1). Der Entwickler hatte den Trafo im Verdacht. Dabei hatte er extra schon eine Wicklung mit HF-Litze ausgeführt, um Wicklungsverluste auszuschließen. Um den Trafo neu zu wickeln, entfernte er zuerst den Ferrit-Kern. Dabei war die Schaltung (unvorsichtigerweise!) noch in Betrieb. Dies führte zu einem überraschenden Phänomen: Ohne Ferrit-kern arbeitete der Transformator anscheinend um Klassen besser. Wie Bild 2 zeigt, brennt die Lampe sehr viel heller.Dass die Ummagnetisierung im Trafo Verluste verursacht, ist bekannt. Dabei ist die Abhilfe offenbar ganz einfach: Wo kein Eisen, da keine Eisenverluste! Auch wenn alle Lehrbücher behaupten, ein Trafo funktioniere nur mit Kern gut, war hier das Gegenteil zu sehen: Zur Probe wurde der Kern noch einmal eingeschoben, und tatsächlich wur-de die Lampe sofort wieder dunkel. Möglicherweise war man hier einem neuartigen Transformatorkonzept auf der Spur. Wenn sich schon der Nachteil der Eisenverluste be-seitigen lässt, kann dieser Transformator ja vielleicht noch mehr…

GLEICHSTROMTRANSFORMATOREin weiterer Nachteil klassischer Trafos ist, dass sie nur Wechselstrom übertragen können. Zur Untersuchung des Gleichstromverhaltens wurde unser Trafo wie in Bild 3 angegeben beschaltet. Die LEDs zeigen an, ob Gleich-spannung anliegt - und mit welcher Polarität.Der Transformator wird von einer einfachen Schaltung (Bild 4) mit Strom versorgt. Dabei erzeugt ein Vollbrü-cken-IC L293D eine rechteckförmige Wechselspannung, deren Frequenz von dem CMOS-Oszillator vorgegeben wird. Die Frequenz wurde durch Schließen des Schalters S1 von zuvor 4 kHz auf 2 Hz (das ist fast Gleichspan-nung!) reduziert. Und wieder ist das Ergebnis eine Überraschung: Beide LEDs blinken im Takt der 2-Hz-Spannung, und zwar sogar abwechselnd. Der Transformator dreht also die Polarität um, was insbesondere bei dem in Bild 1 erkennbaren Wicklungssinn enorm verwundert. Auch für noch nied-rigere Frequenzen bis hin zum Gleichstrom arbeitet die Schaltung einwandfrei. Endlich ist der Gleichstromtrans-formator erfunden!

SYNERGETISCHNoch nicht gefunden wurden die theoretischen Zusam-menhänge, denn ein gleichspannungsdurchlässiger Trafo ohne Eisen ist mit klassischem Wissen nicht zu erklären. Da hier anscheinend viele Mechanismen zusammenwir-ken, wurde der Transformator „synergetisch“ genannt. Die Forschungsarbeiten halten an, und vielleicht sind die Autoren schon bald in der Lage, in ELEKTOR eine repro-duzierbare Bauanleitung für einen synergetischen Trafo zu veröffentlichen. Dann könnten alle Leser diese erstaun-lichen Experimente demonstrieren und nach Erklärungen suchen. Man darf gespannt sein!

(060385e)

Bild 3. Beschaltung des synergetischen Transformators.

Bild 4. Wechselspannungsgenerator.

Eisenloser Trafo überträgt Gleichstrom

1N4007

330

330

6V0A3

060385 - 11Synergetischer

Trafo

IC1IC1 = CD4011

14

7

1

23

IC1.A

&5

64

IC1.B

&8

910

IC1.C

&12

1311

IC1.D

Uout

Uout

&

120k

2M2

1n

S1

+6V

+6V

-6V

L293D

060385 - 12

Die Regeln dieses Rätsels sind ganz einfach zu verstehen: Bei einem Hexadoku werden die Hexadezimalzahlen 0 bis F ver-wendet, was für Elektroniker und Programmierer ja durchaus passend ist. Füllen Sie das Dia-gramm mit seinen 16 x 16 Käst-chen so aus, dass alle Hexadezi-malzahlen von 0 bis F (also 0 bis 9 und A bis F) in jeder Reihe, je-der Spalte und in jedem Fach mit

4 x 4 Kästchen (markiert durch die dickeren schwarzen Linien) genau einmal vorkommen. Einige Zahlen sind bereits einge-tragen, was die Ausgangssituati-on des Rätsels bestimmt. Wer das Rätsel löst – sprich die Zahlen in den grauen Kästchen heraus-fi ndet – kann wie jeden Monat einen Hauptpreis oder einen von drei Trostpreisen gewinnen!

(075044)

HexadokuSudoku für ElektronikerHier präsentieren wir wieder ein neues Hexadoku-Rätsel – aber Achtung, Sie lassen

sich wieder auf einige Stündchen Denksport ein. Doch es könnte sich lohnen: Auch

dieses Mal warten nämlich wieder ein E-blocks Starter Kit Professional und drei

Elektor-Gutscheine auf die Gewinner!

A C 8 5 3

5 1 6 E F 9 C

F 1 2 9 0 3 6 D 8

9 F B 3 8 6 1

3 F C B 8 D A 4 E 9

D 2 4 9 7 8 E C F

E 7 1

9 E F 0 B A C D 5 3

8 1 0 9 7 6 2 A

5 4 D F C B 8 9

3 0 2 5 4 F

B 4 A 8 5 7

2 A 8 0 7 D 3 9 E 5

0 7 5 6 F

6 9 C D 4 3 A

D A 6 5 9 0 1(c) PZZL.com

EINSENDENSchicken Sie die Lösung (die Zahlen in den grauen Kästchen) per E-Mail, Fax oder Post an:

ElektorRedaktionSüsterfeldstr. 2552072 AachenFax: 0241 / 88 909-77E-Mail: hexadoku@elektor.de

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Einsendeschluss ist der 1. Mai 2007.

Die Gewinner des Februar-Hexadokus (Lösung in der Rubrik Mailbox in diesem Heft) stehen fest!Die richtige Lösung ist: 9BC24.

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Mitmachen und gewinnen!Unter allen Einsendern mit der richtigen Lösung verlosen wir ein

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Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. Mit-arbeiter der in der Unternehmensgrup-pe Segment B.V. zusammengeschlosse-nen Verlage und deren Angehörige sind von der Teilnahme ausgeschlossen.

78 elektor - 4/2007

INFOTAINMENT RÄTSEL

794/2007 - elektor

INFOTAINMENTRETRO-TRONICA

Von Jan Buiting

Da hatte ich mich getäuscht, als ich dieses Gerät bei einem freund lichen Leser abholte, der seine Sammlung wegen Auswan-derung auflöste: Ich dachte, diese Blechkiste würde ganz schön schwer sein. War sie aber nicht. Mit gerade etwas über 13 kg konnte ich sie an ihren verchromten Griffen bequem von dannen tragen. Aber man er-wartet einfach Masse, wenn sich ein solcher Anblick bietet: (1) Ein 19-Zoll-Gehäuse mit „schönem“ grauem Lack, (2) der Schriftzug „Power Supply“ auf der Frontplat-te und (3) durch den Deckel oben sichtbare große Röhren. Man versteht unmittelbar, warum Amerikaner solches Equipment respektlos als „Bootsanker“ bezeichnen.Laut Handbuch ist das „Van der Heem type 8619 power supply“ dazu gedacht, Gleichspannun-gen niedriger Quell-Impedanz für experimentelle Aufbauten, zur Kalibrierung von Instrument-en und für viele weitere An-wendungen in Labor und Indus-trie zu erzeugen.Die stabilisierte Ausgangsspan-nung lässt sich in drei Bereichen stufenlos einstellen: 0-35 V, 20-190 V und 180-350 V. Der Aus-gangsstrom kann in allen Be-reichen bis zu 150 mA betragen. Weiter bietet das Netzteil noch unstabilisierte Spannungen von 245 V, 375 V und 540 V.Neben den obligatorischen 6,3 V wird auch noch eine Wechsel-spannung von 4 V zur Röhren-heizung geboten. Das Tüpfelchen auf dem i ist eine einstellbare negative Ausgangsspannung im Bereich von 0 bis –40 V.Die komplette Elektronik befi ndet sich in einem 22 cm hohen 19-Zoll-Gehäuse im typischen High-End-Grau der Laborgeräte der 60er Jahre. Die Frontplatte ist m i t „Wu n d e r “ - S o c k e l n , Zeigerknöpfen, Knebelschaltern und einem Drehspul-Instrument mit kombinierter V/mA-Skala be-stückt. Das Ganze macht einen

In der Rubrik “Retronik” stellen wir Historisches und Antikes aus der Welt der Elektronik vor – darunter natürlich auch legendäre ELEKTOR-Projekte aus dem vorigen Jahrhundert. Beiträge, Vorschläge und Anfragen sind willkommen.Bitte senden Sie Ihre E-Mail mit dem Betreff “Retronik” an: redaktion@elektor.de

überaus soliden Eindruck. Nach der notwendigen Staubentfer-nung war ich zuversichtlich, das 8619 wieder zum Leben erweck-en zu können – nach einem „Soft-Start“, um die Elkos nicht zu beschädigen.Der Trick bei der Wiederbele-bung prähistorischer Elektronik, die man aus Staubsedimenten freigelegt hat, ist die Verwend-ung eines Stelltransformators. Man beginnt für einige Stunden

mit etwa 50 % bis 75 % der Nomina lspannung. D iese Maßnahme erlaubt es alten, che-misch veränderten Elektrolyt-Kondensatoren, sich zu „reform-ieren“. Auch für Röhren gestaltet sich der Wiedereinstieg ins glühende Leben dadurch etwas verträglicher.Obwohl ich mich dieser schla-fenden Schönheit mit Geduld genähert und sie sanft zurück ins Leben geküsst hatte, wollte sie

partout weder eine Ausgangs-spannung anzeigen noch eine liefern. Nähere Untersuchungen führten zu einer durchge brannten 150-mA-Sicherung. Eine neue Sicherung - und das Netzteil funktionierte wieder.Stabilisierte und einstellbare Netzteile sind eigentlich nichts Besonderes. Ausgesprochen schwierig wird es aber, wenn

man ein Exemplar für hohe Aus-gangsspannungen sucht, wie es für Basteleien und Reparaturen an Röhrengeräten gebraucht wird. Von daher ist es nur lo-gisch, dass das 8619 selbst mit Röhren arbeitet. Glücklicherweise sogar mit üblichen Typen wie der EL34 (6CA7), der EF94 (6AU6), der OA2 und der 85A2. Die vereinfachte Schaltung der Sta-bilisierung enthält sieben Wider-stände (inklusive Poti und Trimm-poti für den Abgleich), die den Spannungsteiler zwischen der Referenzspannung (–85 V) und der stabilisierten Ausgangs-spannung bilden. Mit dem Po-tentiometer wird die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt. Das Steuer-Gitter der Verstärker-röhre EF94 ist mit einer Anzap-fung des Spannungsteilers ver-bunden. Durch die hohe Schleifen verstärkung und der folglich großen Gegenkopplung erzeugt die EF94 ein konstantes Potential gegenüber Masse.

Unser Dank gilt Herrn Cor de Boer, der uns dieses seltene Gerät überlassen hat.

(075036-I)

Einstellbares Netzteil für hohe Spannungen (1961)

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Basiskurs Elektronik ISBN 3-89576-159-1 g 24,90

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TOP 5 CD-ROMs

Elektor-CD 2006 ISBN 978-90-5381-207-5 g 25,00

Elektor-DVD 1990-1999 ISBN 978-3-89576-179-9 g 89,00

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Domotik ISBN 90-5381-195-8 g 19,90

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Basiskurs ElektronikWer auf Elektronik-Kenntnisse für den täglichen Gebrauch Wert legt, muss nicht unbedingt den wissen-schaftlichen Hintergrund bis ins letzte Detail studieren. So ist es auch nicht erforderlich, jedes „exo tische“ Bauteil und jede mög liche Schaltungs variante zu kennen. Wer sich mit den gemach-ten Aus sagen identifizieren kann, hält mit diesem Buch das richtige Werk in Händen.

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Reinigungsroboter selbstgebautDer Betrieb von Robotern stellt heute keine echte Herausforderung dar und wird schnell langweilig, zumal sie in der Regel auch keine echte Aufgabe erfüllen können. Besonders beeindruckend ist es, wenn ein Roboter sich nicht nur mehr oder weniger geschickt umher bewegt, sondern dabei gleichzeitig noch das Zimmer reinigt. Dieses Buch stellt verschiedenste Möglichkeiten zum Selbstbau von Reinigungsrobotern vor.

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MÄRZ 2007 (Nr. 435)Freescale-MC9S08-Projekt

060296-91 SpYder Discovery Kit (betriebsfertig) 9,75AVR-USB-Board

060276-1 Platine 14,50060276-11 Software-CD (mit Sourcecode) 7,50060276-41 Programmierter Controller (ATmega32-16PC) 12,95

WirelessUSB-Funknetzwerk (iDwaRF)050402-1 Platine iDwaRF-Prototypingboard 12,00050402-91 iDwaRF-168 Funkmodul (bestückt und getestet) 34,95050402-92 iDwaRF-NodeBoard (bestückt und getestet) 24,95050402-93 iDwaRF-HubBoard (bestückt und getestet) 24,95

Handy-LCD am PC060184-1 Interface-Platine siehe www.thepcbshop.com060184-11 Software-CD 7,50060184-41 Programmierter Controller (ATmega16-16PC) 12,95

Anti-Kalk (Mini-Projekt)070001-1 Platine siehe www.thepcbshop.com

FEBRUAR 2007 (Nr. 434)Rocketronik

050238-1 Sender-Platine siehe www.thepcbshop.com050238-2 Empfänger-Platine siehe www.thepcbshop.com

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Funkuhr mit CPLD050311-1 Platine siehe www.thepcbshop.com050311-31 Programmierter CPLD-Chip 51,50

FPGA-Kurs060025-9-11 Software-CD (mit Sourcecode) 7,50

JANUAR 2007 (Nr. 433)Sputnik-Uhr

050018-1 Platine siehe www.thepcbshop.com050018-11 Software-CD (mit Sourcecode) 7,50050018-41 Programmierter Controller 4,95

Hebinck-Uhr060350-1 Platine siehe www.thepcbshop.com060350-11 Software-CD (mit Sourcecode) 7,50060350-41 Programmierter Controller 7,95

Trinär-Uhr060030-1 Platine siehe www.thepcbshop.com

DEZEMBER 2006 (Nr. 432)Kurzwellen-Empfänger mit DDS

030417-1 Empfänger-Platine siehe www.thepcbshop.com030417-2 Controller-Platine siehe www.thepcbshop.com030417-41 Programmierter Controller 16,50

Rotierendes LED-Display060014-41 Programmierter Controller 15,95

NOVEMBER 2006 (Nr. 431)USB-Stick mit ARM und RS232

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OKTOBER 2006 (Nr. 430)PIC-Debugger/Programmer

050348-1 Platine 7,50050348-41 Programmierter Controller 25,95

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4/2007 - elektor 83

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Cadsoft Computer . . . . . . . . .www.cadsoft.de . . . . . . . . . . . . 15

Decision-Computer . . . . . . . .www.decision-computer.de . . . 39

EMIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .www.emisgmbh.de . . . . . . . . . 31

Eurocircuits . . . . . . . . . . . . . .www.eurocircuits.com . . . . . . . . 7

GTU Laser Technik . . . . . . . . .www.gtu-laser.de . . . . . . . . . . . 39

Haase Computertechnik . . . .www.team-haase.de . . . . . . . . 39

Hacker-Datentechnik . . . . . . .www.hacker-messtechnik.de . . 39

HM Funktechnik . . . . . . . . . .www.hmradio.de . . . . . . . . . . . 31

Ingenieurbüro Diebenbusch . .www.ingkd.de . . . . . . . . . . . . . 31

Intronix Test Instruments . . . .www.pcTestInstruments.com . . . 9

Kleinanzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

LPKF Laser & Electronics . . .www.lpkf.de. . . . . . . . . . . . . . . 13

Schaeffer AG . . . . . . . . . . . . .www.schaeffer-ag.de . . . . . . . . 31

Simple Solutions . . . . . . . . . .www.simple-solutions.de . . . . . 27

Siteco . . . . . . . . . . . . . . . . . .www.siteco.com. . . . . . . . . . . . . 7

SSV Embedded Systems . . . .www.ssv-embedded.de . . . . . . 39

Thales Nederland . . . . . . . . .www.thales-nederland.nl . . . . . . 3

205 Seiten (kartoniert)Format 17 x 23,5 cm

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Die aktuellen Top-10-News*:1. Die hellste LED der Welt2. Rätsel der Kugelblitze gelöst?3. Vollintegrierter MW/UKW-Empfänger4. Dickster Conrad-Katalog aller Zeiten5. ARM-Entwicklungs-Stick mit Ethernet6. Ethernet-Controller zum Messen, Steuern, Regeln7. Kostenloses Handbuch über Instrumentenverstärker8. Akku-Tipp: NiMH mit geringer Selbstentladung9. Neue Familie von Wireless-Mikrocontrollern10. Displays mit 130 Grafi kfunktionen* Ab 1. Dezember 2006, ohne ELEKTOR-Eigenmeldungen.

Die Elektor-Website - Service & News!

Software Defi ned Radio mit USB-InterfaceEin Software Defi ned Radio (SDR) hat den großen Vorteil, dass mit sehr geringem Schaltungsaufwand ein

Empfänger realisiert werden kann, der an Ausstattung und Bedienungskomfort der Luxusklasse unter den “Weltempfängern” entspricht –und zusätzlich auch noch den digitalen DRM-Empfang bietet!

Der Trick dabei ist der, dass der größte Teil der Verarbeitung des empfangenen Signals nach der Digitalisierung durch Software erfolgt.Das SDR-Projekt in der Mai-Ausgabe ermöglicht die Realisierung eines solchen Konzepts in einer Qualität, die den schon legendären

DRM-Empfänger von ELEKTOR noch übertrifft. Der ELEKTOR-SDR-Empfänger ist sehr vielseitig: Empfangsbereich 150 kHz bis 30 MHz für AM, DRM, SSB und CW. Die Empfänger-Schaltung wird vom PC oder Notebook aus über den USB-Port abgestimmt und auch mit

Strom versorgt. Der Ausgang der Schaltung wird einfach an den Stereo-Line-Eingang der PC-Soundkarte angeschlossen – alles weitere erledigt die SDR/DRM-Software.

RC-Flugsimulator via USBAuch Modellfl ieger haben Ihre Flugsimulationsprogramme, und wie bei großen Flugzeugen ermöglicht die Simulation kostengün-stiges Üben ohne Risiko. Dazu kommt natürlich auch noch ein nicht zu unterschätzender Spaßfaktor. Richtig optimal ist die Simulation aber erst dann, wenn das Modellfl ugzeug auf dem Bildschirm nicht mit Maus, Tastatur und/oder Joystick, sondern mit einem echten Fernsteuersender gefl ogen wird. Genau das ermöglicht unser USB-Interface für handelsübliche Funk-Fern-steuersender. Die Schaltung lässt sich mit einem PIC 16C745 mit 6 MHz oder einem 18F2550 mit 8 MHz bestücken.

Universeller JTAG-ProgrammerProgrammierbare Logik-ICs der Gattung CPLD, EPLD, uPSD und MSPS sind zwar sehr leistungsfähig, aber durch ihre unterschiedlichen Hard-ware-Konzepte nicht austauschbar. Daher benötigt man im Prinzip jeweils eine andere Programmierschaltung. Zum Glück hat sich mit der JTAG-Schnittstelle der Joint Test Action Group aber ein Standard etabliert, mit dem sich alle genannten PLD-IC-Gattungen in-circuit-program-mieren lassen. Der in ELEKTOR vorgestellte JTAG-Programmer lässt sich in verschiedenen Konfi gurationen aufbauen und eignet sich für CPLD und EPLD (Altera, Xilinx), PSD, uPSD, DSM (STMicroelectronics) und auch MSP430 (Texas Instruments).

ELEKTOR MAI ERSCHEINT AM 25. APRIL 2007.

ELEKTOR gibt es im Bahnhofsbuchhandel, Elektronik-Fachhandel, an ausgewählten Kiosken und garantiert beim Presse-Fachhändler.

Ein Verzeichnis fi nden Sie unter: http://www.blauerglobus.deSie können ELEKTOR auch direkt bei www.elektor.de bestellen.Änderungen vorbehalten!

Magnetometer/Seismograf

Diese kleine, aber sehr empfi ndliche Schaltung misst Erschüt-terungen mit Hilfe eines Trafos und eines Dauermagneten. Je

nach Dimensionierung können unterschiedliche Vibrationen gemessen werden. So eignet sich das Prinzip nicht nur als Seis-

mometer, sondern auch als Diebstahlsicherung für Autos.

INFO & MARKT VORSCHAU

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„Elektor? Pfl ichtlektüre für unsere Entwicklungsabteilung, denn da fi ndet man die Profi tipps für die Mikrocontroller-Technik.“ – Frank Janssen, 39 Jahre, Entwicklungsingenieur –

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