4.9. 8-Bit-Parallel-Ausgabe, galvanisch getrennt

Einleitung

Die 8-Bit-Parallel-Ausgabe-Baugruppe mit galvanisch getrennten Ausgängen ist für die Ansteuerung von Gleichstrommotoren, Relais, Lampen und Wegeventilen durch den BFZ/MFA-Mikrocomputer vorgesehen.

Die extern an die Baugruppe anzuschließende Lastspannung kann Werte zwischen 7 V und 24 V besitzen (Gleichspannung). Der maximale Ausgangsstrom ist abhängig von der Anzahl der benutzten Ausgänge und liegt zwischen 0,5 A und 1 A (siehe „Technische Daten“).

Alle Ausgänge sind Gegentaktausgänge, wodurch auch Brückenschaltungen z.B. zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren mit Richtungsumkehr und Bremsbetrieb möglich werden. Außerdem können die Ausgänge im Taktbetrieb mit einstellbarem Impuls/Pausen-Verhältnis betrieben werden, wodurch sich unterschiedlich hohe Ausgangsspannungen bei nur einer externen Lastspannung erzielen lassen.

Die Baugruppe ist aufgrund ihrer technischen Daten auch für den Einsatz in SPS-Steuerungen geeignet. Der hierzu erforderliche SPS-Interpreter ist Bestandteil der „Software-Erweiterung SP1“ zum BFZ/MFA-Mikrocomputer. Er ist im Band „Fachtheoretische Übungen“ beschrieben.

Blockschaltbild

Funktionsbeschreibung

Die Funktionsbeschreibung bezieht sich nur auf das Blockschaltbild und ist für den Ausbilder gedacht. Schaltungseinzelheiten werden nicht behandelt.

Die von der CPU an die Peripherie auszugebenden Daten gelangen über den Daten-Bus in den Daten-Ausgabespeicher, wenn der Adressvergleicher vom Adress-Bus die richtige Adresse erhält und ausserdem dass Steuersignal IOW aktiv ist.

Jedes Bit steuert einen Optokoppler zur galvanischen Trennung von Steuer- und Lastkreis an und außerdem eine Kontroll-LED die bei H-Pegel leuchtet.

Die Fototransistoren der Ootokoppler steuern die IN-Eingänge eines 8fach-Leistungstreibers an, dessen Ausgänge B0 bis B7 auf die Frontplatte der Baugruppe geführt sind. Die Lastspannung Uext (7 V bis 24 V) wird dem Leistungstreiber von außen zugeführt. Die erforderliche Spannungsquelle muss für den Laststrom aller angeschlossenen Verbraucher ausgelegt sein. Aus Uext wird außerdem eine 5-V-Versorgungsspannung gebildet, die gegenüber der 5-V-Versorgungsspannung des Mikrocomputers galvanisch getrennt ist.

Die Steuerung der Leistungstreiber erfolgt über Enable-Eingänge mit Schmitt-Trigger-Eigenschaften. Für jeweils zwei Bit des 8fach-Leistungstreibers (B0/B1, B2/B3, B3/B4, B5/B6) ist ein gemeinsamer Enable-Eingang vorhanden. Bei H-Pegel an den Enable-Eingängen arbeiten die Leistungstreiber, bei L-Pegel sind sie gesperrt (hochohmig).

Mit Hilfe von Steckbrücken können die Enable-Eingänge entweder auf H-Pegel („Pulsbetrieb AUS“) oder auf die Ausgänge eines Dreieckgenerators geschaltet werden („Pulsbetrieb“). Da der Gleichspannungsanteil der Dreieckspannung mit Hilfe von Trimmerwiderständen veränderbar ist, erhalten die Enable-Eingänge im Pulsbetrieb nicht ständig H-Pegel, sondern nur in den Zeitabschnitten, in denen die Dreieckspannung Werte oberhalb der Schaltschwellen der Enable-Eingänge (Schmitt-Trigger) besitzt.

Hierdurch wird die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom der jeweiligen Ausgänge gepulst, was einer Mittelwertveränderung entspricht. Die Höhe der Ausgangsspannung kann auf diese Weise jeweils für 2 Bit zwischen 0 und ca. 100% von Uext verändert werden, ohne die Spannung Uext selbst zu
verändern. Es ist möglich, einige Ausgänge gepulst und andere statisch zu betreiben.

Lastwiderstände (z.B. Lampen, Relais) können von einem Ausgang (z.B. B0) entweder gegen Uext oder gegen den Anschluss M angeschlossen werden. Die für induktive Lasten erforderlichen Freilaufdioden sind in der Ausgabe-Baugruppe bereits vorhanden (siehe auch im Stromlaufplan).

Gleichstrommotoren (max. 1 A im Dauerbetrieb) können in Brückenschaltung an zwei Bit (z.B. B0 und B1) angeschlossen werden. Bei H-Pegel an IN1 und L-Pegel an IN2 läuft der Motor in die eine, bei umgekehrten Pegeln in die andere Richtung.

Führen IN1 und IN2 beide gleiche Pegel, wird der Motor kurzgeschlossen (Bremsbetrieb).

Technische Daten

Acht Ausgänge, galvanisch getrennt {9ptokoppler) mit gemeinsamem Bezugspotential
Externe Versorgungsspannung: 7 V bis 24 V (GJeichspannung)
Ausgangsstrom: Abhängig von der Anzahl der benutzen Ausgänge
Die Ausgänge sind in die beiden Gruppen B0 bis B3 und B4 bis B7 eingeteilt
Für jede Gruppe gilt:
- Imax = 0,5 A/Bit, wenn alle vier Ausgänge der Gruppe im Einzelbitbetrieb benutzt werden
- Imax = 1 A für 1 Bit und zusätzlich 0,5 A für ein weiteres Bit der Gruppe
  (Einzelbitbetrieb, 2 Bit der Gruppe unbeschaltet)
- Imax= 1 A, wenn zwei Bit einer Gruppe (B0/B1 oder B2/B3 bzw. B4/B5 oder B6/B7) in Vollbrückenschaltung betrieben werden und die anderen beiden Bit der Gruppe freibleiben
Gegentaktausgänge ermöglichen
- Einzelbitausgabe (z.B. Relaisansteuerung)
- Ansteuerung von Gleichstrommotoren mit Richtungsumkehr und Bremsbetrieb
Impulsbetrieb der Ausgänge mit einstellbarem Impuls/Pausen-Verhältnis zur Veränderung von Gleichstrom-Mittelwerten möglich
Ausgangssignalanzeige für jedes Bit durch LED
Einstellbare Portadresse
Anwendungsbeispiele:
Ansteuerung von Relais, Lampen, Schrittmotoren, Modellmotoren, Wegeventilen usw. mit eigener Versorgungsspannung

Stromlaufplan

Bestückungsplan

Bestückungsplan der Leiterplatte

Kühlkörper

Sichtkontrolle

Die Sichtkontrolle wird anhand von Stromlauf- und Bestückungsplan sowie Stück- und Bauteilliste durchgeführt:

Sind alle Lötstellen ordnungsgemäß verlötet?
Sind alle Elektrolytkondensatoren richtig gepolt?
Sind alle ICs richtig eingesteckt?
Sind alle Schrauben festgezogen?

Funktionsprüfung

Reset-Steuerung, Adressvergleicher und Datenübernahme

DIL-Schalter S1 bis S8 der „8-Bit-Parallel-Ausgabe (galv. getrennt)“ in Stellung „ON“ geschaltet (Port-Adresse 00)
Baugruppe „8-Bit-Parallel-Ausgabe (galv. getrennt)“ über 64polige Adapterkarte in den Baugruppenträger eingest~ckt, alle A4sgänge frei
Nach dem Einschalten der Betriebsspannung leuchten i.A. einige der Kontroll-LEDs auf.
Baugruppe „Prozessor 8085“ (BFZ/MFA 2.1.) zusätzlich eingesteckt
Nach dem Einschalten der Betriebsspannung leuchtet jetzt keine Kontroll-LED, da das RESET-Signal der CPU-Baugruppe den Daten-Ausgabespeicher löscht
Bus-Signalgeber in den_Baugruppenträger eingesteckt.
Einstellungen: Schalter „ON/OFF“ in Stellung „ON“, ADDRESS = 0000, DATA = 55
Bus-Signalanzeige eingesteckt (beliebige Stellung der Schalter)
Messung des logischen Pegels an Pin 11 von IC4 (74 LS 273) gegen 0 V, Beobachtung
der Kontroll-LEDs auf der 8-Bit-Parallel-Ausgabe (galv. getrennt):
- Nach dem Einschalten leuchtet keine Kontroll-LED (RESET)
- Keine Steuertaste des Bus-Signalgebers betätigt: H-Pegel an Pin 11 von IC4
- Steuertaste „IOW“ des Bus-Signalgebers betätigt: L-Pegel an Pin 11 von IC4, nach dem Loslassen der IOW-Taste Anzeige des Datenwertes 55 durch die Kontroll-LEDs
Ausgabe der Datenwerte AA, FF und 00 an die Ausgabe-Baugruppe und Kontrolle,
ob die entsprechenden Kontroll-LEDs aufleuchten

Prüfen der Leistungstreiber im statischen Betrieb

Alle 4 Steckbrücken (zur Umschaltung der Leistungstreiber auf Impulsbetrieb) in Stellung „Pulsbetrieb AUS“
Anschluss eines Gleichspannungsnetzgerätes (12 V, 1 A) an die Anschlüsse Uext (Pluspol) und M (Minuspol) der Ausgabe-Baugruppe
Kontrolle der galvanisch vom System-Bus getrennten Spannung „(5 V)“:
Spannung zwischen Ausgang des 5-V-Spannungsreglers und Anschluss M gemessen
Sollwert zwischen 4,75 V und 5,25 V
Aufbau folgender Messschaltung:

Ausgabe des Datenwertes 55 (Bus-Signalgeber, IOW);
Messung des Ausgangsstromes Iout und der Ausgangsspannung Uout für B0 und B1.
Zu erwartende Werte: Uout ca. 9, 5 V, Iout ca. 0, 9 A
Ausgabe des Datenwertes 00;
Zu erwartende Messwerte Uout kleiner 0,1 V, Iout kleiner 1mA (evtl. andere Polarität)
Ausgabe des Datenwertes AA;
Zu erwartende Messwert: Uout ca. 9,5 V, Iout ca. 0,9 A (andere Polarität als bei der ersten Messung)
Anschluss der Messschaltung an B2 und B3 und Wiederholung der Messungen;
ebenso mit B4 und B5 sowie B6 und B7

Prüfen der Leistungstreiber im Pulsbetrieb

Alle 4 Steckbrücken (zur Umschaltung der Leistungstreiber auf Impulsbetrieb) in Stellung „Pulsbetrieb EIN“; alle 4 Trimmerwiderstände zur Impulseinstellung in Mittelstellung
Anschluss der Messschaltung an B0 und B1 und Ausgabe des Datenwertes 55
Einstellbereich der Ausgangsspannung zwischen 0 V und ca. 10 V überprüfen
(Trimmerwiderstand „Bit 0, 1“); Spannung anschließend auf 5 V einstellen
Die mit dem Trimmerwiderstand eingestellte Spannung ist eine Rechteckspannung mit einem· Spitzenwert von ca. 10 V.
Das Impuls/Pausen-Verhältnis ist einstellbar und beträgt bei Uout = 5 V ca. 1.
Wiederholung der Messungen/Einstellungen bei Anschluss der Messschaltung an B2 und B3, B4 und B5 sowie B6 und B7
Anschließend sollen die Steckbrücken wieder in Position „Pulsbetrieb AUS“ gesteckt werden.

Damit ist die Inbetriebnahme beendet.