Im Mai-Heft von Elektor habe ich in der zweiten Folge der Artikelserie "Mikrocontroller für Einsteiger" über Eingange und ihre Eigenschaften berichtet. Und da kam auch der gefürchtete Latchup-Effekt durch den parasitären CMOS-Thyristor vor. Um noch genauer zu zeigen was da passiert habe ich eine kleine Demonstrationsschaltung entwickelt, die aber aus Platzgründen nicht gedruckt wurde. Daher die ganze Geschichte hier, auf dass Sie möglichst von diesem Effekt verschont bleiben mögen.
Der Fall ist gar nicht so selten: Ein Arduino geht in Rauch auf, und nachher kann keiner mehr genau sagen, was eigentlich passiert ist. Es könnte der Latchup-Effekt gewesen sein. Und wenn man noch genauer verstehen will, was da passiert, kann man sich ein Modell des parasitären Thyristors bauen. Das Schaltbild zeigt wie es geht. Man sieht hier die beiden Eingangs-Schutzdioden und den nachgebauten Thyristor aus einem NPN- und einem PNP-Transistor.
Und auch die Zündschaltung ist mit dabei. Sieht ganz harmlos aus mit diesem kleinen Kondensator von nur 10 nF und den beiden hochohmigen Widerständen von 100 k. Aber wenn man den Taster betätigt, hat man für einen kurzen Moment die Kondensatorspannung in Reihe zur Betriebsschaltung gelegt. Und das zündet die Schaltung. Damit nicht beim ersten Versuch gleich alles durchbrennt ist eine kleine Glühlampe zur Strombegrenzung eingebaut. Und wie bei einem echten Thyristor kann man den Strom nur noch durch eine Unterbrechung der Stromversorgung abschalten.
Die experimentelle Ersatzschaltung ist übrigens wesentlich empfindlicher als ein ATmega. Zum Glück, denn sonst würde der Effekt noch häufiger zuschlagen. Aber wenn Sie einen nicht mehr benötigten Controller haben, testen sie es mal. Das wäre spannend, Erfahrungen zu sammeln. Wie groß ist der erforderliche Zündimpuls wirklich?
Mein Bruder rief aus dem Urlaub an, hier liegen so merkwürdige Geräte mit Röhren auf dem Sperrmüll, was soll ich machen? Mitbringen! Und dann habe ich lange gerätselt, was das wohl ist. Das Teil stammt offensichtlich aus der UDSSR und wurde um 1981 gebaut. Erkennbar ist auch, dass es ein Sender mit deutlich über 1000 MHz ist. In solchen Fällen muss man in Jogis Röhrenforum nachfragen, da weiß immer einer etwas davon, egal wie speziell es ist. In diesem Fall konnte ich erfahren, dass es sich um eine Wetterballonsonde handel. Und noch viele weitere Einzelheiten von den verwendeten Batterien bis hin zum Einsatzzweck konnte ich erfahren. Dass man zu der Zeit noch so aufwendige Technik mit Röhren gebaut hat, fand ich ungewöhnlich. Aber die Amerikaner hatten ganz ähnliche Technik.
Ein Nachtrag von Martin:
Erklärenderweise muss ich ein bischen ausholen, weil Du schriebst "...so viel Aufwand nur für das Wetter..."
Das
Thema Wetter hat den Menschen schon immer umgetrieben. Die World
Meteorological Organization (WMO) ist die älteste und bei weitem größte
Nichtregierungs-Organisation, die unsere Erde jemals gesehen hat. Seit
ihrer Gründung (IMO 1873 bzw. 1950) wurden zwischen allen
Mitgliedsstaaten regelmäßig Daten ausgetauscht. Ost-West-Konflikte oder
der 'Eiserne Vorhang' haben für die WMO nieamals existiert. Technisch
gesehen und um zum Thema zurückzukehren: Röhren waren damals robuste
Pfennigartikel, um EMP hat sich niemand geschert. Die erwähnten
Batteriesätze funktionieren bis -80 °C in der Stratosphäre in 30 km
Höhe, das tun Röhren auch. Bis in die 70er haben die USA selbst Sonden
benutzt, die komplett mit Bleistift-Röhren bestückt waren. Auch davon
hatte ich ein paar in den Fingern. Wie gesagt bin ich damit groß
geworden und habe 40 Jahre Wetterdienst auf dem Buckel durch meinen
Vater, der beim Meteorologischen Dienst der DDR gearbeitet hat. Bis
2008 war ich als Radartechniker für die Wetterradare selbst bei dem
Verein (jetzt DWD genannt). Damals (d.h. zu DDR-Zeiten) wurden noch
Kautschukballons vor dem Start durch Kerosin gezogen und gewärmt, um
sie dehnbarer zu machen, ich hab den Geruch noch in der Nase. Dann mit
ein paar m³ Wasserstoff gefüllt, um ca. 3kg Auftrieb zu erzeugen. Daran
hing dann die Radiosonde, verfolgt von einem Monster-Radar russischer
Produktion mit ca. 400 Röhren, genannt "Meteorit". Viel Krach wegen der
Lüfter, um die Wärme von 400 Röhren aus dem Raum zu bekommen und einem
Umformer - Motor-Generator- , um die 400-Hz-Speisespannung für die
Anlage zu erzeugen. Ein taumelnder Sub-Reflektor vor der Parabolantenne
- selbst heute noch üblich für Tracking-Radare - und viele Synchros, um
die nötigen Rechenoperationen auszuführen. Ich habe es geliebt und
finde es immer noch eine spannende Geschichte. Und bis heute bewundere
ich die Leute, die am Boden vor den Oszilloskopen und diversen Plottern
gesessen haben, um die Daten vom Aufstieg aufzunehmen, um sie
anschließend in einem Fernschreiber auf ein Lochband zu hacken und an
die Zentrale zu schicken, damit eine Viertelstunde später diese Daten
überprüft und mit der ganzen Welt geteilt werden konnten.
Wettersonden und Radar, von Michael aus Berlin
Ich war 1970 bei der Armee, und zu der Kompanie gehörte auch ein
Meteorologen-Zug, ich war da zwar nicht direkt drin, aber die Technik
interessierte mich. Station war eine fahrbare Radarstation, die Beschreibung
von Martin in dem Beitrag passt grob durchaus. Das Radar hatte zumindest über
100 kW Impulsleistung, Tastdaten weiß ich nicht mehr. Die Station wurde
regelmäßig eingemessen, eine Sonde oben an einer Latte aus dem Dachfenster, die
Station im KFZ-Park ca. 500 m entfernt. Vorschrift war natürlich, Radar
abschalten und dann erst Antenne runterfahren. Natürlich hält sich da jeder
dran: es wurde schräg über unser Gebäude, wo oben die Sonde hing, runtergefahren,
so dass alle Leuchtstofflampen der Etagen mal kurz angingen. ;-))))
Zu den Sonden: die russische Version kenne ich nicht, wir hatten DDR-Produkte,
2x DF67, Sender im Prinzip identisch, da wohnt eine Bleistifttriode drin,
sollte identisch zur RCA 5675 sein. Die wurde mit einem 800 kHz Hilfsträger
moduliert, die eine DF76. Die zweite war ein 400Hz Oszillator, der von einem
Heißleiter zur Temperaturmessung verstimmt wurde. Auswertbare Daten unter den
Umgebungsbedingungen beim Aufstieg wurde wie folgt erzeugt:
Der Luftdruck wurde mit einer üblichen Barometerdose gemessen. Die trieb einen
Metallschleifer an, der über "Plasteskala" lief, die in festen
Abständen Kupferstreifen als Gegenkontakt hatte, also wie eine Leiter. Wenn es
Kontakt gab, wurde der Heißleiter überbrückt bis der sich ändernde Luftdruck
den "Zeiger" weiterbewegte. Am Boden wurde mechanisch die Dose so
eingestellt, dass der Schleifer am Anfang stand. Damit hatte man die Referenz
der 400 Hz bei der aktuellen Temperatur. Die Referenz wurde beim Aufstieg ja
immer wieder mal gesendet, damit hatte man die aktuelle Korrektur für die
Frequenzänderung des 400 Hz Oszillators durch Außentemperatur- und
Luftdruckänderung. Der aktuelle Messwert der Temperatur wurde ja jeweils
dazwischen gesendet. Der Luftdruck wurde ab Start einfach durch die Anzahl der
Umschaltungen mitgezählt.
Entfernung lieferte das Radar, Richtung und Höhenwinkel die Antennenstellung.
Maximal waren bis 200 km Sondenentfernung sicher bestimmbar.
Diese Auswertung war eigentlich recht einfach zu machen und die Werte wurden
auch direkt angezeigt. Interessant war noch: der UHF-oszillator war so
eingestellt, dass er nicht frei schwang sondern durch den eintreffenden
Radarimpuls getriggert wurde und die Sonde sozusagen antwortete.
Als fast genial fand ich die Technik mit der automatischen Antennennachführung.
Wie das genau gemacht war, weiß ich aber nicht mehr. Zumindest hielt das die
Antenne auf Kurs wenn sie bei ca. 1000 m Höhe erstmal sauber gefangen hatte und
das wirklich stabil.
Wir haben damals die ersten Transistor bestücken Sonden bekommen (Sender wie
gehabt, Oszillatoren SS216 o sowas). Wurden in meiner Zeit nie eingesetzt,
waren noch genug alte vorrätig für die wenigen Übungen und außerdem fehlten die
passenden Batterien noch. Benutzt wurden meiner Erinnerung nach Luft-Sauerstoff
Spezialbatterien.
Ungefähr um 1970 habe ich auch eine Wettersonde in die Finger bekommen, die jemand gefunden hatte. Darin war eine drehbare Trommel mit Getriebemotor und Schleifkontakt, die alle möglichen Wetterdaten in Impulse umgesetzt hat, ähnlich wie von Michael beschrieben. Der eigentliche Sender hatte mich damals aber mehr interessiert. Er war mit Transistoren aufgebaut und hatte einen Quarz mit 27,12 MHz. An der Sonde klebte zwar ein Zettel mit einer Adresse, wo man sie abgeben sollte. Aber dieser Quarz war viel zu schade, um ihn wieder abzugeben. Ich brauchte ihn nämlich, um eine kleine Fernsteuerung für ein Modellboot zu bauen. Die Fernsteuerung hat so gut funktioniert, dass ich das Boot in der Ferne nicht mehr genau sehen konnte. Es landete dann im Schilf, und ich musste mit Klamotten ins kalte Wasser steigen, um das Boot und den Empfänger (ein Pendel-Audion) zu retten. Aber im Endeffekt hat der Wetterdienst zu meiner Fortbildung in Sachen Hochfrequenz und Elektronik beigetragen. Danke!
Diesen Radiostift hat mir Thomas-Baum geschickt, der ihn zusammen mit dem FM-Transmitter MMR70 verwendet . Der erste Test zeigt: Gute Empfangsqualität, Lautstärkeregler und Ein/Aus im Kopfhörerkabel. Und ich war neugierig, was da wohl drin ist.
Ein 7088, genau wie im UKW-Retroradio vin Franzis. Interessant sind die Festinduktivitäten im Empfänger, 47 nH im Oszillatorkreis und 72 nH im Eingangskreis. Der Kopfhörer wird wie üblich mit Festinduktivitäten entkoppelt und dient zugleich als Antenne. Und eine trickreiche Transistor-Schaltstufe erkennt den Kopfhörer und legt Spannung an den Empfänger.
Eine Frage von Götz Holborn : Mit großer Freude habe ich heute den von Ihnen konzipierten TPS-Mikrocontroller zusammen gelötet. Über die Tasteneingabe habe ich diesen auch bereits für meine Zwecke programmieren können. Allerdings fällt es mir schwer einen entscheidenden einleitenden Programmschritt zu finden: Über einen der digitalen Eingänge E1 - E4 soll ein Impuls mein kurzes Programm jeweils starten und nach Ablauf des Programms erst mit dem nächsten Eingangs-Impuls erneut starten. Momentan sieht mein einfaches Programm ohne den gesuchten Anfangsschritt so aus:
11 2A 18 27 10 30
Die Lösung bringt der Skip-Befehl zur Abfrage eines Eingangs. Hier wurde Din.0 (= E1) verwendet. Das Programm springt so lange immer wieder zum Anfang, bis E1 einmal Low-Pegel hat. So startet ein kurzer Low-Impuls das Programm, z.B. mit einem Taster an E1 gegen GND.
C 8 Skip if Din.0 =0
3 1 Jump -1
1 1 Port = 1
2 A Wait 2 s
1 8 Port = 8
2 7 Wait 200 ms
1 0 Port = 0
3 7 Jump -7
Hier ein Bild meines Mini-TPS-Prozessors. Er geht auf eine Idee von R. Beesner zurück. Es wird der den ATTINY44 / 84 unter BASCOM benutzt. Betrieben wird das Ganze von einem Li-Ion-Akku (3,7 V). Der klebt unter der Platine. Es war mal ein Einfachhandy einer großen Tageszeitung. Das Altteil dient noch als Ladegerät. Bis 2,5 V herab arbeitet der µP. Eine Ladung über Solar wäre also denkbar. Am rechten Sockel liegen alle I/O-Ports an und können entsprechend kontaktiert werden. Es ist also ein Programmer und "Trainer der grauen Zellen" für "unterwegs". Ja, der Trend geht zum mobilen Programmieren. In diesem Zusammenhang möchte ich auch auf den guten Palm-Hex-Editor von Thomas Baum hinweisen.
Kein Aprilscherz! Thomas Baum schickte mir dieses Bild. Der TPS-Controller auf einem Mini-Steckboard wird hier direkt von einer kleinen Solarzelle versorgt. Nachgemessen, er läuft bereits bei 1,5 V mit 180 µA! Sogar die LEDs sind dann noch sichtbar. Ich konnte es erst nicht glauben und habe in den Einstellungen der Fuses nachgesehen. Der Holtek-Controller besitzt wie die AVR-Familie einen Brownout-Detektor, der bei zu kleiner Spannung einen Reset auslösen kann. Es gibt drei wählbare Spannungsgrenzen, die kleinste davon 2,1 V. Aber der Brownout-Detektor ist nicht aktiviert. Deshalb läuft der Controller bei geringsten Spannungen an. Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten. Man könnte den TPS-Controller ein ganzes Jahr lang an einer einzelnen 1,5-V-Alkalizelle betreiben.