Funktionsüberwachung für Steckboardentwicklungen  

Funktionsüberwachung für Steckboardentwicklungen

Bei Steckkarten – und Universalboardentwicklungen ist oftmals eine Anzeige für Fehlfunktionen der Steckkarten hilfreich. Somit können Fehler schon im Vorfeld auf die entsprechende defekte Steckkarte eingrenzt werden. Da Universalboards mitunter eine Vielzahl an unterschiedlichen Spannungen führen, kann dazu auch die Fehleranzeige entsprechend nach Bedarf ausgelegt werden.

Das Projekt

Geeignet für: Anfänger (Ausführung mit gedrahteten Bauteilen und ICs in DIL-Form) und Fortgeschrittene (Ausführung mit sehr kleinen SMD-Bauteilen und ICs in SO-4 und SOT-223 Bauform)
Zeitaufwand: je nach Umfang der anzuzeigenden Fehlermeldungen und einbezogenen Steckkarten, mindestens aber ca. drei Stunden für Geübte
Das benötigen Sie: Bauteilauflistung mit reichelt-Bestellnummern (oben: Spannungsversorgung für Boardüberwachung, unten: Steckboard-Überwachung mit Optokopplern)

Steckkartenüberwachung durch Relais

Eine Steckboardüberwachung stellt natürlich nur ein „Goodie“ für jede Schaltung dar, ist aber für Viele denkbar hilfreich. Gerade wenn es um Entwicklerboards oder experimentelle Arduino –oder Raspberry-Schaltungen geht.

Die Idee zur Umsetzung ist für Viele durch eine „Logikumsetzung“ mit Relais einfach. Hier können sehr simpel entweder Öffner oder Schließer des Relais für die gewünschte logische Funktion verwendet werden. Zudem wird, wie im PC-Bau, sehr häufig die galvanische Trennung von Signalen und Spannungsquellen erforderlich, was ebenfalls ein Relais realisieren kann.

Schaltung und Funktionsweise des Optokopplers

Problematisch wird es bei „sensiblen“ Schaltungen, wo der Stromverbrauch der Logik durchaus eine Rolle spielt – hier verliert eine Relais-Schaltung, da die Relaisspule im Durchschnitt immer gerne gut 20mA und mehr an Stromverbrauch verursacht.

Auch in meinem Fall konnte eine Relaisschaltung nicht die Lösung sein, da die Steckboard-Überwachung so gut wie keinen Strom verbrauchen darf und selbst SMD-Relais für mein kleines Mainboard zu groß gewesen wären.

Nachfolgend habe ich eine kleine Steckboard-Überwachung mit Hilfe von wenigen simplen Bauteilen und Optokopplern realisiert, die die gestellten Anforderungen erfüllt.

Bild 1

Bild 1 oben zeigt in seiner Gesamtheit die Schaltung zur Umsetzung. Auf der linken Hälfte des Bildes befinden sich die Steckkarte, sowie die Verschaltung des Optokopplers (OK) mit der Anzeige-LED.
Auf der rechten Hälfte ist eine zweite „externe“ Spannungsquelle für den OK zu sehen, die in einem Fall Fünf-Volt-Wechselspannung in Fünf-Volt-Gleichspannung über einen LM317 in SMD-Bauform stabilisiert liefert. Auf die Schaltung des LM317 möchte ich in diesem Beitrag nicht eingehen.

Näher erläutern möchte ich Ihnen das Zusammenspiel des OK, sowie des nachgeschalteten Transistors, der die SMD-LED schaltet.

Bild 1 unten zeigt die zwei Betriebszustände einer Steckkarte mit Überwachung. Die gewünschte zu überwachende Spannung der Steckkarte ist über einen Vorwiderstand an der Foto-LED des Optokopplers angeschlossen. In meinem konkreten Beispiel ist die zu überwachende Spannung 12,6 Volt an der Steckkarte. Über den gewählten Vorwiderstand von 10kOhm kommt nur ein extrem geringer Stromfluss von 1 -1,5 mA über die Foto-LED des OK zu Stande.

Der Anschluss der Basis B des Transistors T2 an den Fototransistor des OK legt fest, ob die Signalausgabe an der SMD-LED invertierend oder nicht-invertierend ist. In meinem konkreten Beispiel ist die Basis B des Transistors T2 an den Kollektor C des Fototransistors des Ok angeschlossen und dadurch invertierend, sprich die Spannung am Eingang des OK fällt aus und die LED leuchtet. Der Stromfluss ist anhand der roten Linien zu erkennen.

Szenario 1: Spannung am Optokoppler-Eingang vorhanden

Bild 1 unten links zeigt den ersten Fall. Die Foto-LED des OK ist leitend und „pumpt“ entsprechend des CTR-Faktors (StromTransferRate) Strom durch den Fototransistor. Der Fototransistor ist bei dem von mir ausgewählten OK (LTV 817) selbst bei einem Stromfluss von 1mA am Eingang des OK bereits leitend, wodurch der nachgeschaltete Transistor T2 aus GND-Masse gezogen wird. Dadurch sperrt T2, weil kein ausreichender Stromfluss an der Basis von T2 zum Durchschalten zu Stande kommt – die LED ist aus!

Szenario 2: Spannung am Optokoppler-Eingang nicht vorhanden bzw. fällt aus

Bild 1 unten rechts zeigt den zweiten Zustand. Der Fototransistor des OK sperrt, dadurch erhält der Transistor T2 über R6 einen-Basis-Strom und es kommt es zum Stromfluss über die Basis-Emitter-Strecke (BE) des Transistors T2. Der Transistor T2 schaltet voll durch und die Anzeige-LED leuchet.

Achtung: Meine Schaltung, anhand der invertierenden Verschaltung zweier Transistoren, birgt die Gefahr einen Optokoppler in „Darlington-Schaltung“ zu verwenden, um einen „externen“ Transistor wohlmöglich einzusparen. Ein Optokoppler in Darlington-Schaltung hat intern zwei Transistoren verschaltet, allerdings ist der zweite Transistor T2 am Ausgang des OK am Emitter E des Fototransistors T1 angeschlossen, wodurch deine Schaltung mit einer invertierenden Signalausgabe wie in meiner Schaltung nicht möglich ist!

Die Umsetzung des Mainboards

Umsetzung meines Mainboards anhand des fertigen Layouts:

Bild 2

Auf der linken Bildhälfte ist die Umsetzung der Spannungsversorgung (Bild 1 oben-rechte Hälfte) weiß umrandet. Auf der rechten Seite des fertigen Layouts ist oben rechts eine Steckboardüberwachung (Bild 1 oben-linke Hälfte) weiß umrandet und darunter die weiteren an der Spannungsversorgung hängenden Steckboardüberwachungen für zwei weitere Steckboards. Die einzelnen Schaltungen habe ich nochmal zur Verdeutlichung in Bild 3 getrennt dargestellt. Die Layouts wurden mit Sprint Layout 6.0 erstellt und können auf Anfrage bereit gestellt werden.

Bild 3

Auf Bild 4 kann man nun mein fertiges Mainboard mit drei Steckkartenüberwachungen (drei rote SMD-LEDs links neben den waagerechten Steckplätzen) erkennen. Beispielhaft habe ich dazu verschiedene über das „Universal-Mainboard“ betreibbare Steckkarten ebenfalls in der oberen Bildhälfte aufgezeigt. Die gesamte Steckboardüberwachung wurde in meinem Fall ausschließlich mit SMD-Bauteilen ausgeführt. Dadurch lässt sich viel Platz auf der Platine für andere Bauteile einsparen. Hierzu ist natürlich ein geübter Umgang mit SMD-Bauteilen erforderlich. Das gesamte Mainboard sieht größer aus als es tatsächlich ist. Durch die SMD-Bauweise misst es nur 10 cm in der Länge und 6,5 cm in der Breite.

Bild 5 zeigt schlussendlich die Baugruppe zusammengesetzt. Zu erkennen links unter den waagerechten Steckkarten die Anzeige-LEDs der Steckboard-Überwachungen.
Mein Dank geht nun endlich einmal an die e-b-c Utz Kohl GmbH in Oldenburg, die mir schon seit Jahren saubere und präzise geschnittene Platinen nach meinem Layout anfertigen.

 

Titelbild: Autor

 

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