Jetzt geht es um das, was hinter dem 7805 hängt, und um das, was von außen hereinkommt. Rechne zuerst, dann miss.
Schritt 3 von 4. Du prüfst den Strombedarf und die 3,3-V-Versorgung, vergleichst Längs- und Schaltregler und machst den Kraftkanal störfest.
Danach: Rechenwege und Lösungen
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein Strom hat einen Mittelwert und eine Spitze. Schreib zu jeder Auslegung dazu, mit welchem der beiden du rechnest und warum.
Am Ende hast du: Versorgungs- und Störfestigkeitskonzept des MSM-1
Gegebene Werte · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte
- ESP32-WROOM-32
- Versorgung 3,0 V bis 3,6 V. Im Messbetrieb mit WLAN im Mittel etwa 120 mA, beim Senden bis 240 mA (Datenblatt, typisch). Der Hersteller verlangt eine Versorgung, die mindestens 500 mA liefern kann, und empfiehlt einen Pufferkondensator von mindestens 10 µF und 100 nF nahe am Versorgungsanschluss (Wert laut deinem Datenblatt).
- Weitere Verbraucher
- Statusanzeige: LED mit 10 mA an 3,3 V · Messverstärker und Beschaltung: 3 mA an 5 V · Brückenspeisung 5 V: Wägezelle ca. 1 kΩ am Prüfstand, DMS-Vollbrücke 350 Ω an der Anlage
- 3,3-V-Regler
- Low-Drop-Festspannungsregler, Dropout höchstens 1,3 V bei 0,8 A, Eigenstrom 5 mA, Wärmewiderstand Sperrschicht bis Umgebung 90 K/W im Gehäuse SOT-223 auf der Platine, Umgebung 40 °C wie in Aufgabe 5.1
- 7805
- Ausgangsspannung 4,75 V bis 5,25 V über Last und Temperatur (Datenblatt); deine Auslegung aus Aufgabe 5.1
- Schaltreglermodul
- LM2596, Eingang bis 35 V, Ausgang 5 V, Schaltfrequenz 150 kHz, Wirkungsgrad bei 250 mA etwa 80 % (nimm den Wert deines Moduls)
- Anlage
- Frequenzumrichter mit 4 kHz Taktfrequenz, ungeschirmte Motorleitung; die Sensorleitung läuft 12 m parallel dazu. DMS-Vollbrücke 8,0 mV bei 1600 kN
- Prüfstand
- Störquelle: zweiter Mikrocontroller, 4-kHz-Rechteck auf 1 m parallel geführter Leitung. Wägezelle 5,0 mV bei Nennlast, 5 kg entsprechen 1600 kN
- Kraftkanal
- dein Kraftkanal aus Teil 3: Verstärkung, Hub am Umsetzer zwischen Leerlauf und Nennlast und Nullpunkt aus deiner eigenen Auslegung, für Prüfstand und Anlage
- Umsetzer
- 1 Digit entspricht vereinfacht 3,3 V4096 = 0,806 mV
- Z-Diode
- BZX79-C6V2 (Datenblatt der Reihe BZX79, Werte bei IZ = 5 mA): UZ = 6,2 V, Streuung 5,8 V bis 6,6 V · differentieller Widerstand rZ höchstens 10 Ω · Temperaturbeiwert typisch +2,3 mV/K · Ptot = 400 mW bei 50 °C Umgebung (Platine ohne Kühlfläche) · der Wert für rZ gilt erst ab 5 mA, bei 1 mA sind es bis zu 150 Ω; damit die Spannung stabil bleibt, soll IZ deshalb nicht unter IZ,min = 5 mA fallen (Werte laut deinem Datenblatt)
- Referenz, Versorgung und Last
- Die Z-Diode hängt mit einem Vorwiderstand aus E24 direkt am Ladekondensator; kleinste und größte Spannung dort kennst du aus Aufgabe 5.1. Hinter ihr folgen ein Teiler auf 1,18 V und der Spannungsfolger aus Teil 3, Laststrom 0 mA bis 1 mA. Erwärmung des Moduls im Betrieb 20 K
- Frequenzumrichter
- Netzanschluss 3 × 400 V, 50 Hz (Außenleiterspannung, Effektivwert) · Eingang ungesteuerte B6-Brücke, Zwischenkreis mit Kondensator, Wechselrichter mit IGBT und Pulsweitenmodulation mit 4 kHz · Anstiegszeit einer Schaltflanke 100 ns · Kapazität zwischen Motor- und Sensorleitung auf den 12 m Parallelführung etwa 200 pF (angenommen)
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Versorgungs- und Störfestigkeitskonzept des MSM-1
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- die Strombilanz aller Baugruppen mit Dauer- und Spitzenstrom
- die Prüfung des 3,3-V-Reglers samt Lastsprung am Stützkondensator
- den Vergleich Längsregler gegen Schaltregler mit begründeter Entscheidung
- die Umrechnung der gemessenen Störung in Kilonewton und Digit
- die Zuordnung der vier Kopplungsarten mit Maßnahmen
- die Festlegung zu Schirm, Masse und Netzseite mit Normbezug
Zur Dokumentation
Dieses Blatt geht an den Betrieb. Es muss die Entscheidung über den Regler und die Schirmführung so begründen, dass sie in zwei Jahren noch nachvollziehbar ist.
Abgenommen wird es im Kreuzreview durch das andere Team und danach von der Projektleitung abgezeichnet.
Aufgabe 5.3 · Strombedarf, 3,3-V-Versorgung, Schaltregler · Aufgabe 5.4 · Störfestigkeit
Erst du, dann die anderen
Woher kommen die 3,3 V? Der Auftrag schreibt weder Bauform noch Prinzip vor.
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Aus den 5 V mit Längsregler. Ein Bauteil, keine Störungen erzeugt. Setzt die Differenz in Wärme um.
- Direkt aus dem Ladekondensator mit Schaltregler. Hoher Wirkungsgrad, kaum Wärme. Erzeugt selbst Störungen, genau dort, wo du gerade messen willst.
- Zweistufig: Schaltregler auf 5 V, Längsregler auf 3,3 V. Gute Verluste und saubere Spannung für den Analogteil. Mehr Bauteile und mehr Platz.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb. In deinem Betrieb hat sich vielleicht ein anderer durchgesetzt: dann schreib auch das dazu.
Aufgabe 5.3 a
Strombedarf, 3,3-V-Versorgung, Schaltregler.
Stelle den Strombedarf aller Baugruppen zusammen:
- Trag je Baugruppe Dauer- und Spitzenstrom in die Tabelle ein. Rechne für die Brückenspeisung mit dem ungünstigeren Fall.
| Baugruppe | Spannung | Dauerstrom | Spitzenstrom |
|---|---|---|---|
| ESP32-WROOM-32 | 3,3 V | ||
| Statusanzeige | 3,3 V | ||
| Eigenstrom des 3,3-V-Reglers | 5 V | ||
| Messverstärker | 5 V | ||
| Brückenspeisung (ungünstigerer Fall) | 5 V | ||
| Summe am 7805 | 5 V |
- Entscheide, ob die 250 mA aus Aufgabe 5.1 tragen.
- Begründe die Reserve, die du ansetzt.
- Nenne, woher die Spitzen kommen.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Strombilanz · Spitzenstrom
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 5.3 b
Prüfe den 3,3-V-Regler:
- Prüfe, ob der Dropout im ungünstigsten Fall reicht.
- Berechne Verlustleistung und Sperrschichttemperatur im Dauerbetrieb.
- Berechne, wie lange der Kondensator von 10 µF am ESP32 einen Sprung von 120 mA auf 240 mA allein überbrückt, wenn die Spannung dabei nicht unter 3,0 V fallen darf.
- Nenne, was daraus für den Regler folgt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Dropout-Spannung · Stützkondensator · Lastsprung
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 5.3 c
Vergleiche den 7805 mit dem Schaltreglermodul, für den Fall mit der größten Verlustleistung aus 5.1 d:
- Vergleiche die Verlustleistung.
- Vergleiche den Wirkungsgrad.
- Vergleiche den Strom am Eingang des Reglers.
- Entscheide, welcher Regler ins MSM-1 kommt, und begründe mit mindestens drei Kriterien.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Längsregler · Schaltregler · Wirkungsgrad
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 5.3 d
Z-Diode als Referenz. Ein Team will den Nullpunkt von 1,18 V aus Teil 3 nicht mehr aus der 3,3-V-Versorgung teilen, sondern von einer Z-Diode BZX79-C6V2 ableiten, die über einen Vorwiderstand am Ladekondensator hängt.
Dimensioniere diese Referenz und beurteile sie:
- Wähle den Vorwiderstand aus E24 so, dass der Z-Strom in jedem Betriebsfall zwischen IZ,min und dem zulässigen Höchstwert bleibt.
- Berechne die Verlustleistung in Z-Diode und Vorwiderstand.
- Beurteile, ob diese Lösung gegenüber dem Teiler aus der 3,3-V-Versorgung ein Gewinn ist.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Z-Diode · Referenzspannung · Arbeitspunkt
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 5.4 a
Störfestigkeit. Ein Team misst am Prüfstand beim Störversuch am Umsetzer eine Störung von 24 mV Spitze-Spitze, nach allen Maßnahmen noch 3 mV. Sein Kraftkanal ist ausgelegt wie dein Kraftkanal aus Teil 3. Rechne mit der Verstärkung und dem Hub am Umsetzer zwischen Leerlauf und Nennlast, die du dort für den Prüfstand bestimmt hast.
Rechne beide Störungen in die Größen um, die der Betrieb versteht:
- Rechne 24 mV in Kilonewton und in Digit um.
- Rechne 3 mV in Kilonewton und in Digit um.
- Beurteile, ob der Restwert für die Aufgabe des Moduls tragbar ist.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Störspannung · Auflösung
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 5.4 b
Ordne die vier Kopplungsarten deinem Aufbau zu:
- Trag je Kopplungsart ein, was über welchen Weg koppelt.
- Trag je Kopplungsart ein, woran du sie im Versuch erkennst.
- Trag je Kopplungsart die wirksame Maßnahme ein und begründe sie.
| Kopplungsart | Was koppelt, über welchen Weg | Woran du sie im Versuch erkennst | Wirksame Maßnahme und warum |
|---|---|---|---|
| galvanisch | |||
| kapazitiv | |||
| induktiv | |||
| Strahlung |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Kopplungsart · Elektromagnetische Verträglichkeit
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 5.4 c
An der Anlage bekommt die 12 m lange Sensorleitung einen Schirm.
Lege die Schirmführung fest:
- Entscheide, ob du den Schirm an einem oder an beiden Enden auflegst, und an welchem Ende.
- Lege fest, wie du die Masse des MSM-1 führst.
- Begründe beides mit den Kopplungsarten aus 5.4 b.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Schirmung · Massekonzept · Erdschleife
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 5.4 d
An der Anlage kommt die Versorgung aus dem Schaltschrank.
Lege fest, was auf der Netzseite zu beachten ist:
- Lege die Sicherung fest.
- Lege die Schutzklasse fest.
- Lege Kriech- und Luftstrecken fest.
- Lege den Berührschutz fest.
- Nenne die Normen, die du herangezogen hast.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Schutzklasse · Kriechstrecke · Luftstrecke
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 5.4 e
Der Frequenzumrichter als Stromrichter. Der Frequenzumrichter neben der Presse ist die Störquelle aus 5.4 c.
Beschreibe ihn vom Netz bis zum Motor und rechne den Zwischenkreis:
- Beschreibe seinen Aufbau in drei Stufen.
- Ordne die Stufen, die Energie umformen, und das ganze Gerät den Arten von Stromrichtern zu.
- Berechne den Scheitelwert, auf den sich der Zwischenkreis auflädt.
- Leite daraus ab, weshalb dieses Gerät die Störquelle im Schaltschrank ist.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Stromrichter · Zwischenkreis · Wechselrichter
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Die Lage ändert sich
Das Modul soll zusätzlich einen zweiten Kraftkanal und ein Funkmodul bekommen. Der Spitzenstrom steigt dadurch um 180 mA, der Dauerstrom um 60 mA.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Rechne deine Strombilanz neu.
- Prüfe, ob Netzteil, Regler und Stützkondensator das tragen.
- Beurteile, ob deine Entscheidung zwischen Längs- und Schaltregler bestehen bleibt.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.