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Inhalt: Erfahrungen und Kenntnisse
Mixed-Signal Schaltungsdesign

Wir haben unten stehend für Sie ein paar relevante Kunden-Projekte aufgelistet, um Ihnen einen Überblick über unsere Erfahrungen und Kenntnisse zu geben:

Motorsteuerung mit 4 Motor-Driver
Motor-Driver 150W

4 kanalige Mikroprozessor-gesteuerte Motorsteuerungen mit je 150W sowie diverse Steuerein- und ausgängen

Für ein Fahrzeug sollte eine 4-kanalige Motorsteuerung für DC-Motoren entwickelt werden.

Von besonderem Interesse bei Anwendungen im Automotive-Bereich steht die Norm ISO 7637-2. Darin werden das Cold-Cranking und der Load-Dump beschrieben.
Unter Cold-Cranking versteht man den Spannungsverlauf eines Bordnetzsystems, wenn der Motor bei Kälte gestartet wird. Das 12V-Bordnetz bricht dann für mehrere 10-Millisekunden auf 6V zusammen.
Unter Load-Dump versteht man das Verhalten eines Bordnetzes, wenn große Lasten ausgeschaltet (abgeworfen) werden. Das Ausschalten z.B. einer Klimaanlage erzeugt einen bis zu 90V und mehrere 10-Millisekunden langen Impuls auf dem Bordnetz.
Beide Themen waren auch hier von Belang und diese sind eigentlich unabhängig von der zu lösenden Aufgabenstellung, wie hier der Antriebe von vier DC-Motoren.

Die vier Motoren sollten jeweils separat vor- und rückwärts sowie in der Geschwindigkeit gesteuert verfahren werden können.
Dazu eignet sich ins besondere der Einsatz einer H-Brücke mit entsprechenden Leistungs-MOSFETs, MOSFET-Treiber und H-Brücken-Logiksteuerung.
Über die Puls-Weiten-Modulation (PWM) kann der Motor in seiner Geschwindigkeit gesteuert werden.

Auf jedem der Motor-Driver sitzt ein PIC-Mikrocontroler, der sowohl die H-Brücke ansteuert als auch Befehle entgegen nehmen kann. Auch überwacht dieser die Stromgrenzen des Motors.

Der Motor-Controler (Basisboard) sorgt für den Schutz entsprechend der ISO 7637-2, nimmt die Steuersignale entgegen und gibt entsprechend dann Befehle an die vier Motor-Driver weiter.

Umsetzung:
digitales Mikroprozessor-Schaltungsdesign mit 4 * 150W Leistungselektronik im Automotive-Bereich

Luftentkeimung mit UV-Licht UVClean
im 3D-View Elektronik Version 1 fuer UVClean 500
realisierte Elektronik Version 1 fuer UVClean 500

Entwicklung einer Steuerung für eine UVC Luftentkeimungsanlage UVClean 500 / 2000

Eine ganz aktuelle Entwicklung im Bereich der CORONA-Bekämpfung (SARS-COV-2) wird zur Zeit mit Hochdruck durchgeführt:
Das UVC-Luftentkeimungssystem UVClean von Trusted Elements zur Entkeimung der Raumluft durch Deaktivierung von Viren, wie z.B. SARS-COV-2 (COVID-19).
In Produktion ist zur Zeit das UVClean 500 mit einem maximalen Volumenstrom von 500 m3/Stunde. Das für größere Räume oder Hallen ausgelegte UVClean 2000, mit einem maximalen Volumenstom von 2000m3/Stunde, ist in der Prototypphase und wird auch noch im Dezember 2020 in Stückzahlen verfügbar sein.

Unser Anteil an diesem System ist die Entwicklung einer Steuerung zum Betrieb einer solchen Anlage.
Der wesentliche Focus bei dieser Entwicklung liegt in der Betriebssicherheit des Gesamtsystems. Dabei wurden auch Fragestellungen zu Themen wie zum Beispiel "was passiert wenn UVC-Röhren ausfallen?" oder "Wie werden Anwender vor Störungen gewarnt?" bearbeitet und umgesetzt.
In mehreren Schritten mit Entwicklungszeiten von nur wenigen Tagen, wurde ein Prototypsystem aufgebaut, um erste Versuche fahren zu können. Dabei wurden wichtige Erfahrungen gesammelt, die dann direkt in die serientaugliche Weiterentwicklung überführt wurden.

Technisch gesehen mussten hier mehrere Sensoren und Betriebszustände innerhalb des UVC-Lufteinkeimungssystem UVClean 500 erfasst, ausgewertet und dann interne Systeme angesteuert werden.

Umsetzung:
analoges und digitales Frontend mit Mikroprozessor sowie diverse Steuerausgänge

16-Kanal Photodioden-Array Bild 2
16-Kanal Photodioden-Array Bild 1

Entwicklung eines Messsystems zur Messung einer Leuchtdichtenverteilung innerhalb einer Kammer mit 40mm * 40mm Leuchtfläche

Die Messaufgabe bestand darin, die Leuchtdichtenverteilung innerhalb einer 40mm * 40mm (Querschnitt) großen Kammer zu ermitteln. Letztendliches Ziel war es, die Leuchtquelle zu kalibrieren und die Verteilung zu dokumentieren, um zu einem späteren Zeitpunkt durch Kontrollmessungen die Kalibrierung bestätigten können.

Die Kammer hatte die Möglichkeit einen Einschub in entsprechender Größe aufzunehmen. Da eine weitere Spannungsquelle zur Versorgung der Photodioden-Verstärker und Elektronik nicht eingeplant war, musste diese aus der Spannung des USB-Anschlusses erzeugt werden. Somit konnte eine Plug-and-Play Lösung umgesetzt werden.

Jede der 16 Photodioden wurden mit einem schnellen Operationsverstärker (OPV) auf einen messbar sinnvollen Wert verstärkt. Daran folgte ein 16-Bit Auto-Multiplexer AD-Wandler (ADU), der die verstärkten Photodiodensignale in die digitale Welt umsetzt.

Für die digitale Verarbeitung steht dem System ein Microchip PIC der 18er-Serie beiseite. Dieser liest die beiden ADUs per SPI ein und gibt sie per USB an den angeschlossen Computer weiter. Die Art der Datenausgabe kann per Steuercodes eingestellt werden und lässt die Möglichkeit damit offen, den Datensatz als VT100-Emulation oder Binärer (für maximale Erfassungsgeschwindigkeit) zu übertragen.

Umsetzung:
analoges Frontend mit 16 Photodioden, Mikroprozessor und USB-Anschluss

Foto von einem 2-kanaligem 24Bit Temperatur Datenlogger

Entwicklung eines Messsystems zur Messung einer gasförmigen Substanz in der Prozesskette einer Industrieanlage

Zur Ermittlung der Konzentration einer gasförmigen Substanz mussten im ersten Schritt zwei Platin-Sensoren erfasst werden. Einer der Sensoren war für die Substanz chemisch Aktiviert, der Zweite sollte die Temperatur kompensieren.
Eine per DA-Umsetzer präzise geregelte Stromquelle versorgte die Sensoren mit Strom. Die daraus erzeugten feinen Sensorspannungen wurde von je einem 24-Bit AD-Umsetzer mit vorgeschaltetem Analogfrontend in die digitale Welt umgesetzt.
Ein Mikrocontroller der PIC-Serie PIC18 erfasste die digitalen Signale und führte die Berechnungen aus. Die Berechnungen bestanden aus linearen Gleichungssystemen mit rationalen Zahlen.
Dies würde eigentlich bedeuten, dass man auf Mikroprozessorebene mit Gleitkommazahlen (Floatingpoint) rechnen muss. Die IEEE 754 bietet in der Single-Precission-Auflösung aber nur eine 24Bit breite Mantisse. Dies war schon in der ersten Abschätzung viel zu ungenau für die verlangte Grundgenauigkeit dieses Messsystems. Die Double-Precission-Auflösung war für einen 8-Bit Mikrocontroller aber nicht realisierbar, wenn denn auch die Messgeschwindigkeit von etwa 100Hz eingehalten werden soll.
Eine Analyse der Zahlen sowie durch geschickte Gleichungsumstellung ergab dann doch die Möglichkeit mit natürlichen Zahlen (Integer) zu rechnen. Die Bitbreiten wurden soweit aufgeweitet, wie es die Rechnung erforderte ohne das Rundungsfehler zu stande kamen. Die größte Herausforderung war eine eine 40 Bit / 32 Bit Division. Durch das konsequente Durchziehen der maximalen Auflösung, konnte das geforderte Messergebnis noch um fast Faktor 10 verbessert werden.

Umsetzung:
analoges Frontend mit Mikroprozessor und Display

Foto von einer 230Vac Vollwellensteuerung für Heizelemente

Hardware-Entwicklung einer Vollwellensteuerung für Heizelemente

Es sollte eine mikroprozessor gesteuerte Vollwellensteuerung für Heizelemente (Temperaturregelung) am 230Vac/50Hz und 115Vac/60Hz Versorgungsnetz realisiert werden.
Aufgrund der hohen zu erwarteten Stückzahlen (größer 1000 Stück pro Jahr), musste sowohl auf Fertigungs- und Preisseite optimiert werden.
Grobe Architektur: Ein PIC misst die Potistellung für die Leistungsvorgabe sowie den Phasennulldurchgang und steuert daraus einen Leistungs-TRIAC.

Umsetzung:
digitales Mikroprozessor-Schaltungsdesign mit Leistungselektronik.

Foto eines Single-Board-Computers mit CARAMBOLA2

Hardware-Entwicklung eines kompakten Industriecomputers mit CARAMBOLA2 für den Industrieeinsatz.

Als Kernstück wird ein ARM-Prozessorboard des Typs CARAMBOLA2 eingesetzt.
Dazu gesellen sich noch ein wenig IO und die dazugehörigen Schaltnetzteile.
Als sehr kompakte und kostenoptimierte Baugruppe wird sie in hunderter Stückzahl produziert.

Umsetzung:
digitales Mikroprozessor-Schaltungsdesign.

Foto von einem UMTS-Board mit TELIT-Chip

Hardware-Entwicklung eines Interfacemoduls mit UMTS und WLAN für den Industrieeinsatz.

Als Kernstück wird hier ein TELIT UMTS-Modul, welches auch WLAN zur Verfügung stellt, eingesetzt.
Dazu kommt noch das paasende Schaltnetzteil und SIM-Kartenhalter.
Als sehr kompakte und kostenoptimierte Baugruppe wird sie in hunderter Stückzahl produziert.

Umsetzung:
digitales Mikroprozessor-Schaltungsdesign.

Foto von einem Industrie Shield für einen Arduino Duo

Entwicklung einer Interfacebaugruppe (Shield) zur Anpassung industrieller Signale an ein ARDUINO DUE - Modul

Hier war die Aufgabe, eine Interfacebaugruppe auf minimalem Bauraum zu entwickeln, die folgende IO-Signale von einem ARDUINO DUE bedient:

  • 19 Stück 24V-Digitalinputs
  • 11 Stück 24V-Digitaloutputs
  • 2 Stück Single-Ended Analoginputs
  • 2 Stück Differential Analoginputs
  • 2 Stück Analogoutputs

Zusätzlich dazu kamen noch Längs- und Schaltregler zur Versorgung der Bauteile zum Einsatz.
Aufgrund der Bauteil- und Netzdichte musste hier eine 4-Lagen Leiterkarte eingesetzt werden.

Umsetzung:
Analoges und digitales Schaltungsdesign mit Mikroprozessormodul.

Foto von Adapterplatine für Mainboard zum Single-Board-Computer

Entwicklung einer Adapterbaugruppe für einen Single-Board-Computer zu einem Industrie-PC

Projektierung der Baugruppe und Entwicklung von Schaltnetzteilen sowie UMTS- und I/O-Anbindung auf einem Board, welches einen Single-Board-Computer (SBC) zu einem Industrie-PC macht.
Die Baugruppe wird in hunderter Stückzahl produziert.

Umsetzung:
Analoges und digitales Schaltungsdesign.

Foto vom Betterphaser

Entwicklung von Phasenlagen-Detektoren für Audio- und Videogeräte (Audio-Video-Phasen-Detektor)

Entwicklung von analogen Schaltungen mit Unterstützung durch einen PIC Mikroprozessor für die Netzspannungs-Phasenlagen bei Audio- und Video-Geräten.

Auf der Projektseite zum Audio und Video Phasenlagendetector können Sie beispielhaft den kompletten Verlauf einer Entwicklung verfolgen.

Umsetzung:
Analoges Schaltungsdesign mit mechanischer Verifikation und Mikroprozessorentwicklung.

Foto vom 24Bit DMS Mikrologger

Entwicklung eines implantierbaren Fadenspannungsmesssystems mit Datenloggerfunktion

Auf Basis einer Halbleiter-DMS-Vollbrücke wurde ein Mikrodatenlogger für DMS-Elemente entwickelt.
Basiskomponente war dort ein ANALOG DEVICE ADuC824 mit integriertem 24Bit-Delta-Sigma-Umsetzer.
Ein externes RAM zur Datenablage und einer schaltbaren Brückenspeisung ergänzten die Entwicklung.
Dies war eine Teamarbeit zu zweit, wobei unser Anteil die Auslegung und Entwicklung der Elektronikkomponenten und die Erstellung des Layouts war.

Umsetzung:
Analoges und digitales Schaltungsdesign in Subminiaturausführung.

Foto der Elektronik des E-Steel-Dart-Systems

Entwicklung einer induktiven Sensormatrix zur Erfassung von Dartpfeilen

Entwicklung einer Auswerteelektronik für eine normale Sisal-Dartscheibe mit austauschbarem Gitter.
In die Scheibe eindringende Pfeile wurden induktiv erfasst und in einem XILINX Spartan XL FPGA ausgewertet.
Ein angeschlossener Mikrocontroller (8051-Derivat) der Firma Philips lokalisierte letztendlich das getroffene Feld und steuerte eine Anzeige an.
Diese Entwicklung wurde im Team zu zweit mit einem Diplomanten durchgeführt, wobei unser Anteil die Konzeption und Entwicklung des Gesamtsystems sowie die Entwicklung der Elektronik und des FPGAs war.
Diese Entwicklung führte zu einem deutschen Patent und zu einigen Veröffentlichungen in der Zeitschrift Elektronik.

Umsetzung:
Analoges und digitales Schaltungsdesign.

weitere Erfahrungen und Kenntnisse:

Qualitätsmanagement-Stempel von YASKO
Qualitätsmanagement nach
DIN EN ISO 9001:2015
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Elektronik-Design e.V. (FED)