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Arduino Digitalausgang per Optokoppler auf 24V

lima-cityForumSonstigesTechnik und Elektronik

  1. Autor dieses Themas

    darkpandemic

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    Hallo alle miteinander,

    nachdem man mich hier im Forum mit dem Arduino-Virus angesteckt hat (ist bestellt aber leider noch nicht da :-( ) muss ich mich jetzt zwangsläufig auch mit der Peripherie auseinandersetzen. Das erste Ziel ist es mit einem digitalen Ausgang des Arduino-Boards (5V) den digitalen Eingang einer SPS (24V) anzusteuern. Um beide Systeme galvanisch zu trennen und gleichzeitig schnelle Schaltzeiten zu haben denke ich, dass Optokoppler die richtige Wahl sein sollten.
    Dazu habe ich jetzt mal ein bisschen gegoogelt und dabei zuerst den CNY17 entdeckt und würde damit folgende Schaltung aufbauen:
    http://dl.dropbox.com/u/33460450/arduino_sps.png
    Jetzt wollte ich fragen, ob evtl. jemand mit Erfahrung mal eine Blick darauf werfen kann, ob das so in Ordnung wäre oder ob die Gefahr besteht, das ich irgendwas verheize. Ich bin mir nicht ganz sicher, ob ich nicht auch höhere Widerstände verwenden könnte.
    Desweitern stellt sich noch die Frage, ob auf der Arduino-Seite der Widerstand besser vor dem Optokoppler plaziert wäre oder ob man einen davor und einen danach einbauen sollte.
    Bei einer weiteren Suche bin ich dann auf den ILQ1 gestossen. Den würde ich eigentlich gerne nehme, da er 4 Optokoppler auf kleinem Raum unterbringt. Wenn jemand eine Meinung dazu hat, dann würde ich sie gerne hören.

    Vielen Dank im Voraus!
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  3. Hi,

    Also ich persönlich habe am verwendeten Optokoppler auszusetzen das der zu viel Strom zum durchsteuern benötigt (50mA) wobei die Ausgangspins des Arduinos nur 40mA sicher liefern können (es geht auch mehr aber dann dürfen nur einige Ausgänge beschaltet werden und für den Dauerbetrieb ist das nicht geeignet) Hier siehst du was dein Ardino kann.

    Ich würde also einen Optokoppler auswählen der maximal diesen Vorwärtssssstrom von 40mA benötigt. Schau mal diesen OK an.

    Außerdem ist der Widerstand an der Steuerseite des OK's in der Masseleitung eigebaut, und dort wirkungslos bzw. unnötig. Der Widerstand dort gehört in die Ausgangsleitung des Arduinos und ist der Vorwiderstand der LED im OK, in dieser Funktion ist er dazu da von dem 5V Logik Pegel soviel zu vernichten damit die LED im OK unbeschadet funktionieren kann. Für den von dir ausgesuchten OK ist das eine Vorwärtsspannung von 1,25V du musst also 3,75V Vernichten und dabei genug Strom zum Betrieb de LED zulassen (typischerweise 20mA) aus dem Ohmschen Gesetz ergibt sich dann der Vorwiderstand:

    Rvor = Uzviel / Ivorwärts = 3,75V / 0,02A = 188 Ohm

    Auf der Ausgangsseite brauchst du an und für sich keine zusätzliche Beschaltung da die SPS Eingänge ausreichend hochohmig sind das sie auch direkt mit +24V verbunden werden können, um das Gewissen zu beruhigen kann man einen Reihenwiderstand in die Eingangsleitung nehmen aber an und für sich ist der nicht erforderlich.

    Was dein Spannungsteiler in deiner Schaltung soll weiß ich nicht.

    Ich hab mal die Schaltung nach besten Wissen korrigiert (wobei ich nicht sicher bin ob das überhaupt klappen kann weil eigentlich die Emitterleitung auf masse gehört): http://www.abload.de/img/aurduino_okwulg.png

    Wenn man einmal eine gute Schaltung hat kann man die dann auch mit Bauteilen wie mehrfach OK's ausstatten, zum probieren würde ich aber immer einzelne Bauteile einsetzen, ich würde den OK außerdem sockeln (dann lässt er sich tauschen) und natürlich nicht nur einen sondern so 10 Stück kaufen, auch beim vorsichtigsten Menschen geht mal was kaputt und nichts ist frustrierender als die tolle Idee nicht ausprobieren zu können weil man auf das Päckchen wartet.

    Beitrag zuletzt geändert: 4.9.2011 23:05:50 von fatfox
  4. Autor dieses Themas

    darkpandemic

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    Hallo fatfox,

    danke für Deine ausführliche Antwort. Der von Dir vorgeschlagene Optokoppler gefällt mir sehr gut. Ich glaube ich werde mir mal ein paar von den Dingern holen.
    Ich dachte, dass die Reihenfolge Diode/Widerstand egal wäre, da es ja quasi wie zwei Widerstände (Uvor / Ivor und R1) in Reihenschaltung funktioniert und an jeder Komponente die zugehörige Spannung abfällt. (Irrtum meinerseits?)
    fatfox schrieb:
    ...
    Was dein Spannungsteiler in deiner Schaltung soll weiß ich nicht.

    Ich hab mal die Schaltung nach besten Wissen korrigiert (wobei ich nicht sicher bin ob das überhaupt klappen kann weil eigentlich die Emitterleitung auf masse gehört): http://www.abload.de/img/aurduino_okwulg.png
    ...
    Falls sich das auf die Ausgangsseite bezieht:
    Der Widerstand in Richtung Masse sollte eigentlich als Pull-Down-Widerstand dienen um den Emitter auf Massepotential zu legen, wenn der Eingang auf Low gesetzt ist. Der Widerstand in Richtung digitalem Eingang sollte nur eine Absicherung gegen evtl. auftretende Ströme sein um den Optokoppler zu schützen. Also eigentlich kein Spannungsteiler. Wenn ich jetzt einen Widerstand vor dem Optokoppler (also an der +24V Quelle) einsetze, dann hätte ich einen Spannungsteiler. Würde es mit Deiner Schaltung (sicher) funktionieren , wenn man als Widerstand zur Masse z.B. 100kOhm wählt?
  5. Es ist schon richtig das sowohl am LED Vorwiderstand als auch an der LED geweils ein Spannungsbetrag abfällt, die Reihenfolge ist aber deswegen nicht egal weil die LED wenn sie statt mit 1,25V mit 5V betrieben wird bei konstantem Strom eben die gut 5fache Leistung verkraften muss und das übersteht eine LED nicht, man erniedrigt deswegen zuerst die Spannung um den Betrag Uzuviel = Ubetrieb - Uvorwärts bei typischerweise 10 bis 20mA, die Spannung die dann übrig bleibt entspricht der Vorwärtsspannung der LED. Das ganze nennt man einen Vorwiderstand und der heißt deswegen so weil er eben vor dem zu schützenden Bauteil platziert wird (in technischer Stromrichtung gesehen)

    Am Ausgang würde ich zuerst einmal ohne SPS Eingang und nur mit einem Multimeter die Spannung messen, auch das Schaltverhalten des Transistors lässt sich mit einem Durchgangsprüfer zuerst trocken feststellen, wenn der Transistor schaltet ohne das er auf Masse gezogen werden muss am Emitter ist ja alles gut und du kannst meine Schaltung übernehmen, ansonsten musst du über eine andere Schaltung nachdenken, ich bin gerade auch nicht sicher was das beste wäre, das würde ich einfach ausprobieren (nimm nicht die teuerste SPS *g*) ich hab für sowas eine alte FX von Mitsubishi die noch aus meiner Lehrzeit stammt.

    Ich werde mir auch mal einige OK besorgen und das Thema dann auch mal anschauen, wir können ja dann hier mal unsere Schaltungen vergleichen.
  6. Autor dieses Themas

    darkpandemic

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    Hallo fatfox,

    danke für die Erklärungen und die Zeit, die Du dem Thema widmest.
    Das Problem mit der SPS ist, dass ich gar keine eigene zum Testen habe. Wir bekommen immer wieder mal eine Anlage von irgendeinem Kunden hingestellt und da ist dann sowas verbaut. Wenn ich die dann schrotte ist der Kunde wahrscheinlich etwas verstimmt :pissed:. Deshalb hast Du recht, dass ich mich da Schritt für Schritt von "übertrieben Vorsichtig" in Richtung "es funktioniert" herantasten sollte.
    Wenn ich etwas lauffähiges habe, dann werde ich es hier reinstellen.
    Danke!

    Beitrag zuletzt geändert: 5.9.2011 21:54:11 von darkpandemic
  7. fatfox schrieb:
    Es ist schon richtig das sowohl am LED Vorwiderstand als auch an der LED geweils ein Spannungsbetrag abfällt, die Reihenfolge ist aber deswegen nicht egal weil die LED wenn sie statt mit 1,25V mit 5V betrieben wird bei konstantem Strom eben die gut 5fache Leistung verkraften muss und das übersteht eine LED nicht, man erniedrigt deswegen zuerst die Spannung um den Betrag Uzuviel = Ubetrieb - Uvorwärts bei typischerweise 10 bis 20mA, die Spannung die dann übrig bleibt entspricht der Vorwärtsspannung der LED. Das ganze nennt man einen Vorwiderstand und der heißt deswegen so weil er eben vor dem zu schützenden Bauteil platziert wird (in technischer Stromrichtung gesehen)


    Das verstehe ich nicht. Die Betriebsspannung beträgt sagen wir mal 5V. Da ist es doch egal ob der Widerstand vor oder nach der LED den Strom begrenzt.

    Kannst du das nochmal etwas deutlicher erklären? Danke!

    Gruß Tobi
  8. darkpandemic schrieb:
    Hallo fatfox,

    danke für die Erklärungen und die Zeit, die Du dem Thema widmest.
    Das Problem mit der SPS ist, dass ich gar keine eigene zum Testen habe. Wir bekommen immer wieder mal eine Anlage von irgendeinem Kunden hingestellt und da ist dann sowas verbaut. Wenn ich die dann schrotte ist der Kunde wahrscheinlich etwas verstimmt :pissed:. Deshalb hast Du recht, dass ich mich da Schritt für Schritt von "übertrieben Vorsichtig" in Richtung "es funktioniert" herantasten sollte.
    Wenn ich etwas lauffähiges habe, dann werde ich es hier reinstellen.
    Danke!


    So ich bin endlich mal dazu gekommen mir die Geschichte mal anzuschauen, bei mir funktioniert folgende Schaltung:

    http://www.abload.de/img/optokoppler_24v_an_ardp87i.png

    edit: Schaltplanupdate, dumme Masseverbindung zwischen Ein- und Ausgang des OK entfernt.

    Die Auslegung der beiden Widerstände habe ich unter der Schaltung notiert, im Prinzip habe ich für die OK LED mit Uf = 1,2V und If = 0,01A bei 5V Logikpegel auf HIGH den Vorwiderstand berechnet (R1 = 380 Ohm) und dann noch einen Widerstand an den Emitter des Transistors gegen Masse geschaltet den ich so groß gewählt habe das kein nennenswerter Strom fließt (in meinem Falle 1mA) man kann R2 (24k Ohm) also sicherlich noch größer wählen. Ich habe das ganze mal an meinen Interbus I/O Modulen auf Arbeit getestet und für mich hat es funktioniert.

    ttobsen schrieb:
    [...] Das verstehe ich nicht. Die Betriebsspannung beträgt sagen wir mal 5V. Da ist es doch egal ob der Widerstand vor oder nach der LED den Strom begrenzt.

    Kannst du das nochmal etwas deutlicher erklären? Danke! [...]


    Das kannst du nicht verstehen weil es Müll ist.

    Sorry für die falschen Informationen in Bezug auf den Vorwiderstand. Natürlich ist es vollkommen egal ob ich den Widerstand vor oder nach dem Bauteil einsetze und auch für die Verlustleistung ergeben sich keine Unterschiede, keine Ahnung warum ich der Meinung war das es etwas ändert, es sah wohl einfach etwas ungewöhnlich aus.

    @ Mod: bitte die Passage über den angeblich falsch eingebauten Vorwiderstand entfernen wegen Dämlichkeit des Verfassers.

    Beitrag zuletzt geändert: 21.9.2011 10:25:43 von fatfox
  9. Autor dieses Themas

    darkpandemic

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    Es hat zwar jetzt doch ziemlich lange gedauert, aber jetzt habe ich es endlich geschafft:

    Arduino Ausgang -> SPS Eingang:
    http://imageupload.org/?d=29C8D20F1

    SPS Ausgang -> Arduino Eingang:
    http://imageupload.org/?d=A2E5E6D61

    Und das Beweisfoto:
    http://imageupload.org/?d=C125EE8B1

    Die SPS hat es überlebt und das Arduino auch ;-)
  10. Hi,
    ich möchte demnächst etwas ähnliches machen (nicht mit einer SPS). Als absoluter Anfänger in Sachen Elektronik + Arduino hat mir das hier schon sehr geholfen. Erst einmal danke dafür!
    Eine Frage habe ich aber:
    In deiner Schaltung SPS Ausgang -> Arduino Eingang hast du einen Spannungsteiler mit R1=4.7K, R2=680. Wie kommst du zu diesen Werten? Ich gehe davon aus, dass die SPS 24V Spannung hat. Dann würde über R2 3V abfallen. Das wäre für den Optokoppler doch zu hoch. Oder sehe ich das falsch?
    Und eine mehr generelle Frage: Warum wird hier überhaupt ein Spannungsteiler genommen, hat er einen Vorteil? Hätte auch nur ein Vorwiderstand gereicht (2,4K bei I=10mA, U=1,15V für den Optokoppler)?

    Hoffe, hier liest noch jemand mit. Schon mal Danke für die Antwort :)

  11. Autor dieses Themas

    darkpandemic

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    Hallo jasmintee,

    wenn Du Dir die Schaltung "Arduino Ausgang -> SPS Eingang" anschaust, dann siehst Du, dass die Diode des Optokopplers dort sogar mit 5V belastet wird. Der Grund dafür ist der zeitliche Ablauf:
    Wenn Du eine Spannung an eine Diode anlegst, dann ist die Diode am Anfang im nicht-leitenden Zustand. D.h. die Diode stellt einen unendlich hohen Widerstand dar, an dem die gesamte Spannung abfällt. Wenn die Diode dann auf Grund der Spannung in den leitenden Zustand übergeht, dann fließt abhänging von der Kapazität der zu- bzw. ableitenden Leiter (zwischen Widerstand und Diode und Diode zu Masse) kurzzeitig ein sehr großer Strom. Wenn die Spannung zu hoch ist, dann kann es aufgrund eines räumlich ungleichmäßigen Übergangs zum leitenden Zustand im Halbleiter dazu kommen, dass der hohe Strom sich nicht über die gesamte Fläche des Halbleiters verteilt sondern punkutell auftritt und an diesen Stellen den Halbleiter beschädigt, was die Lebensdauer verkürzt.
    Das ist der Grund, weshalb ich einen Spannungsteiler verwendet habe. Es kann durchaus sein, dass es auch ohne diesen funktioniert, ausprobiert habe ich es aber nicht.
    Nun zu den Widerstandswerten:
    Einerseits lässt sich der Widerstand des Optokopplers im leitenden Zustand aus Vorwärtsspannung und Vorwärtsstrom berechnen.
    Die Vorwärtsspannung ist die Spannung, bei der die Diode in den leitenden Zustand übergeht. Sie stellt allerdings nicht die maximal zulässige Spannung dar. Leider ist die maximal zulässige Spannung auch nicht in den Danteblättern angegeben (oder ich bin zu doof es zu finden). Der Vorwärtsstrom ist der Strom, der durch die Diode fließt, wenn sie mit Vorwärtsspannung betrieben wird und kein Vorwiderstand vorhanden ist. Er stellt im Allgemeinen wohl die Obergrenze der Belastbarkeit dar und sollte besser unterschritten werden.
    Die Berechnung des Widerstandes ergibt:
    Formel: R_{OK}=\frac{U_{F}}{I_{F}}=\frac{1.3V}{0.05A}=26\Omega
    Wenn man den typschen Strom von 0.01A durch die Diode haben will, dann ergibt sich bei 24V folgender Vorwiderstand:
    Formel: R_{1}=\frac{U-U_{F}}{I}=\frac{24V-1.3V}{0.01A}=2270\Omega
    Wenn die Diode maximal mit 5V belastet werden soll, dann ergibt sich für den zweiten Widerstand:
    Formel: R_{2}=\frac{U_{OK}}{U-U_{OK}}\cdot R_{1}=\frac{5V}{24V-5V}\cdot 2270\Omega=597\Omega
    Wenn man es genau nimmt, dann stellt die Diode und R_2 einen parallelen Widerstand mit insgesamt nur 25 Ohm dar, weshalb am Optokoppler eigentlich nur 0.26V abfallen.
    Da ich aus dem anderen Aufbau bereits wusste, dass die Diode auch mit 7mA gut funktioniert wollte ich zuerst 2.7kOhm als Vorwiderstand verwenden und 680Ohm für den Spannungsteiler. Die 4.7kOhm habe ich mal testweise verbaut um zu sehen, ob es funktioniert. Nachdem ich gesehen habe, dass das funktioniert bin ich dann dabei geblieben ;-)

    Ich hoffe die Ausführungen helfen Dir weiter.


    Beitrag zuletzt geändert: 1.11.2011 22:07:25 von darkpandemic
  12. Ja, deine Ausführungen haben mir geholfen. Jetzt ist mir einiges klarer.
    Vielen Dank für die lange Antwort. Im Augenblick schaue ich nach, wie andere die Schaltungen mit dem Arduino gelöst haben und versuche diese zu verstehen. Klappt nicht immer, aber zum Glück kann man manchmal nachfragen. Dann ist es super, wenn man so ausführliche Antworten bekommt :thumb:

    Nochmals vielen Dank
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