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Autor Thema: Elektronische Gas-Brenner Zündung  (Gelesen 971 mal)

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Offline Turbo-Georg

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Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #15 am: 04 Oktober 2017, 17:13:48 »
Zündsteuerung
Blockschaltbild
Anhand des Blockschaltbildes (Zeichnung 6) werden die Funktionen der wichtigsten Komponenten von links nach rechts beschrieben.
Für die Zündsteuerung wurde C-MOS-Technologie gewählt; sie kann demnach mit Versorgungsspannungen von 5 bis 15 V betrieben werden.
Wir sehen links einen der beiden Decoder eines integrierten C-MOS-Schaltkreises 4555 (…im Folgenden als IC’s bezeichnet).  Das IC1 (4555) besteht aus zwei so genannten 1- zu 4-Decodern.
Der erste Decoder hat die Aufgabe, den aus zwei Bit bestehende  Code der Turbinen-Betriebsart  in vier verschiedene  Steuersignale umzuwandeln.

                                                              Betriebsart-Code (2 Bit)
                          Gruppe 0:  Einzel-Brenner (adressierbar)      Code 00,   DEC1 Q0 
                          Gruppe 1:  Brenner 1 und 2                         Code 01,   DEC1 Q1
                          Gruppe 2:  Brenner 3 und 4                         Code 10,   DEC1 Q2
                          Gruppe 3:  Alle Brenner                               Code  11,  DEC1 Q3.

Im Testaufbau wird dieser Code mit einem 2 Bit-DIL-Schalter (S1) gebildet; im realen Betrieb wird der Betriebsart-Code durch den Mikro-Controller der Turbinensteuerung bereit gestellt.
Die Steuersignale an den Ausgängen Q1 und Q2 des Decoders 1 werden IC3 (4027) und das Signal vom Ausgang Q0 dem IC5 (4019)  zugeführt.
 IC 4027 besteht aus zwei so genannten J-K-Flip-Flops (kurz FF genannt). Diese beiden FF sind zu einem synchronen, binären Ring-Zähler zusammen geschaltet (Zeichnung 7).

Neben den jeweiligen Steuereingängen J und K verfügen die FF‘s über weitere Steuereingänge R (Reset) und S (Set) mit denen ihr Verhalten ebenfalls beeinflusst werden kann.

In der Betriebsart Gruppe 3  „Alle Brenner“, Code 11, hat das Signal am Ausgang Q3 des Decoders keine steuernde Funktion. So bildet der Ringzähler an den Ausgängen D1 und D2 der FF’s, im Takt fortlaufend die 2-Bit Adress-Codes der Brenner 1 bis 4. Diese Betriebsart kommt im realen Turbinenbetrieb nicht vor, sie dient lediglich dem Funktionstest.
Der Takt an den Eingängen C (Clock) der beiden FF’s mit einer Frequenz von 0,66 Hz wird durch  IC4, einem Timer 4047 erzeugt.
Liegt an den Eingängen B und A des Decoders 1 der Code  01, also Betriebsart „Gruppe 1“ an, so wird sein Ausgang Q1 „high“, bildet also eine logische 1 am Steuereingang R2 des zweiten FF, hierdurch wird dessen Ausgang D2 ständig auf „low“, also 0 gesetzt; der Ringzähler erzeugt nur noch fortlaufend die Adress-Codes der Brenner 1 und 2.
Ähnlich verhält es sich beim Code 10 der Betriebsart „Gruppe 2“, Ausgang Q2 wird „high“, und setzt über den Steuereingang  S2 den Ausgang D2 auf ständig „high“ (1); es werden nur die Adress-Codes der Brenner 3 und 4 erzeugt (Zeichnung 7a). 
In der Betriebsart „Gruppe 0“, Code 00 (Einzel-Brenner) wird Ausgang Q0 des Decoders 1 „high“ (1); er ist mit dem Steuereingang  Kb und über einen Inverter mit Steuereingang Ka des IC5 (4019) verbunden. Beim IC 4019 handelt es sich um ein umschaltbares 4-Bit Gate.
Wir nehmen in unserem Fall davon nur jeweils zwei Bit in Anspruch.

Wird durch das Steuersignal der Eingang Kb „high“ (1) und über einen Inverter des IC2 der Steuereingang Ka gleichzeitig „low“, also 0, schaltet das IC die vom Ringzähler kommenden Adress-Signale an seinen Eingängen A1 und A2 ab und schaltet stattdessen die, am DIL-Schalter (S2) eingestellte Brenner-Adresse der Eingänge B1 und B2 auf seine Ausgänge D1 und D2.
Im realen Betrieb wird die Adresse eines Einzel-Brenners ebenfalls vom Mikro-Controller der Turbinensteuerung erzeugt.
Das IC2 (4069) verfügt über sechs unabhängige Inverter, die an verschiedenen Stellen der Zündsteuerung zum  Signal-Invertieren Verwendung finden.

       Brenner-Adressen (2 Bit)
Brenner 1:      00
Brenner 2:      01
Brenner 3:      10
Brenner 4:      11

An den Ausgängen D1 und D2 des Gates IC5 liegen in Abhängigkeit von der Betriebsart die 2-Bit-Adressen der Brenner an. Im zweiten Decoder des IC1 (4555) werden die Adressen decodiert und die Zündimpulse  über die Ausgänge Q0 bis Q3 den einzelnen Brennern zu geleitet. Die Zündimpulse  werden im zweiten Timer des IC6 erzeugt und über einen Inverter (IC2) dem Steuereingang /E (Enable) zugeführt.
Die Zündfolge-Frequenz von 2 Hz wird im ersten der beiden Timer des IC6 (NE556) erzeugt und im zweiten Timer, als astabiler Multivibrator geschaltet (One-Shot-Generator), in Impulse von ca. 3 ms umgewandelt.
An die Ausgänge E, G, K und M des IC7 (4041) werden über eine max. 1 m lange Steuerleitung die vier Zündmodule angeschlossenen. IC7 dient als Leitungstreiber, sowie der Pegel-Anpassung.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

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Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #16 am: 05 Oktober 2017, 12:42:24 »
Testaufbau
Auf einem ausreichend großem Breadboard, auch  Steckboard oder einfach Experimentierboard genannt
(hier 2390 Kontakte) folgt der Aufbau dem Stromlaufplan (Zeichnung  8 ).
Das Board sollte über drei Reihen für integrierte Schaltkreise in Dual-Inline-Bauweise (DIL) und zur Vereinfachung der Verkabelung über entsprechende, parallel laufende Reihen für die Versorgungsspannung verfügen.
Die u.U. mehreren Versorgungsspannung  werden über seitlich liegende  Steck-und Klemmanschlüsse für Labor-Leitungen mit 4 mm Bananenstecker zugeführt.
Die Spannungsversorgung erfolgt durch  Labor-Netzgeräte.

Zuerst positionieren wir die IC’s gemäß Stromlaufplan. Der Stromlaufplan ist weitgehend Leitungsweg optimiert und folgt in der Anordnung der Bauelemente nicht unbedingt dem Blockschaltbild, das dem besseren Verständnis der einzelnen Funktionen dienen soll.
Wir positionieren demnach  IC4, IC6 und IC2 in der unteren Reihe und lassen zwischen ihnen einigen Raum für die diskreten Bauelemente, wie Einstell-Potentiometer, Widerstände, Kondensatoren und Dioden (siehe Bild 9).
Bei den Einstell-Potentiometern empfehlen sich stehende Präzisions-Spindelpotentiometer  mit 25 Gängen und oben liegender Einstell-Schraube. Bei den verwendeten Widerständen ist eine Leistung von 0,25 W ausreichend, die Kondensatoren sind in der Regel in Metall-Folien-Ausführung  für Spannungen von 60 oder 100 V.
In der mittleren Reihe positionieren wir IC3, IC5, IC1 und IC7. Zwischen IC5 und IC1 legen wir die DIL-Schalter S2 und S1. Im Allgemeinen genügt zwischen den IC’s ein Abstand von einer Kontakt-Reihe, da hier bis auf die Pull-Down-Widerstände der DIL-Schalter und des Leitungstreibers (IC7) keine diskreten Bauelemente zum Einsatz kommen. Zwischen den DIL-Schaltern sollte allerding ausreichen Raum zur Bedienung bleiben.
Bei den Verbindungsleitungen handelt es sich um verschieden farbige Breadboard-Jumper mit beidseitigen Steckern (Male to Male) in drei Längen. Sie sind, wie das Breadborard für kleines Geld z.B. bei Amazon erhältlich.  Zumindest die kurzen Verbindungen zwischen den Anschlüssen der IC’s werden durch gebogene Brücken aus blankem Schaltdraht gefertigt.
Die obere Reihe bleibt der späteren Unterbringung der vier Zündmodule vorbehalten.

Damit wir nicht den Überblick verlieren oder das fragile Gebilde wieder zerstören, verdrahten wir die einzelnen IC’s nacheinander. Nach der Verdrahtung verbinden wir sie mit den entsprechenden Testeinrichtungen (z.B. Speicher-Oszillograph) und schließen sie provisorische an die Versorgungsspannung an. 
Wir überprüfen ihre Funktion und stellen ggf. die geforderten Werte ein.  Nach erfolgreicher Funktionsprüfung trennen wir die Versorgungsspannung und fahren mit der Verdrahtung des nächsten IC fort; wir verbinden es ggf. mit den vorherigen IC’s und prüfen ihr Zusammenspiel,  usw. usw.

Wir beginnen also mit der Verdrahtung des IC4 (4047). IC 4047 arbeitet hier als astabiler Multivibrator (Rechteck-Signal-Generator).
Das Ausgangssignal ist symmetrisch mit einem Tastverhältnis von 50% und liegt an den Ausgängen Q (10) bzw. /Q (11) an.
Die Ausgangsfrequenz von 0,66 Hz wird durch die Zeitkomponenten C = 3,3 μF und R = 250 kΩ bestimmt.
R ist als einstellbares Trimm-Potentiometer ausgelegt. Wir schließen den Oszillographen (Zeitbasis 500 ms/T) an Anschluss 10 des IC an, verbinden die Schaltung durch einen Jumper mit der Versorgungs-Spannung und stellen möglichst genau 666,6 mHz ein (Bild 006).
Wir trennen die Versorgungs-Spannung und verdrahten das IC6 (NE556). Das IC NE556 ist ein Zweifach-Timer.
Der erste Timer arbeitet im Oszillator-Betrieb. Seine Frequenz von 2 Hz und das Impuls-Pausenverhältnis von etwa 2 : 1 werden von den Widerständen 100 kΩ , 150 kΩ, sowie dem Trimm-Potentiometer 200 kΩ und dem Kondensator 1,5 μF bestimmt (Bild 007).
Der zweite Timer arbeitet als One-Shot-Generator (astabiler Multivibrator) und erzeugt durch den Widerstand 10 kΩ, das Trimm-Potentiometer 100 kΩ und den Kondensator 82 nF, Impulse von ca. 3 ms.
Der One-Shot-Generator wird durch die fallenden Flanken des invertierten (IC2) Ausgangssignals  von Timer 1 über ein Differenzier-Glied (22 nF, 10 kΩ) getriggert (Anschluss 8 ).
 
Das Bild 008 zeigt die, mit dem Poti 200 kΩ eingestellte Frequenz von 2 Hz (Anschluss 5) auf dem Kanal 1 (gelb) invertiert und die, mit dem Poti 100 kΩ eingestellten Impulse (Anschluss 9)  auf Kanal 2 (blau). In der Klammer die jeweiligen Anschlusspunkte der Tastköpfe des Oszillographen.

Zum Invertieren des Ausgangssignals von Timer 1 haben wir das IC2 (4069) bereits teilverdrahtet und mit der Versorgungsspannung verbunden.

Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

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Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #17 am: 06 Oktober 2017, 10:01:18 »
Bevor wir mit der Verdrahtung der IC’s der mittleren Reihe beginnen, montieren wir die vier Pull-Down-Widerstände und Schaltdrahtbrücken an den beiden DIL-Schaltern S1 und S2.
Die Funktion von IC3 (4027) wurde bereits bei der Erläuterung des Blockschaltbildes beschrieben. Um seine Funktion zu testen muss allerdings  der erste Decoder von IC1 (4555) und der DIL-Schalter S1 vorverdrahtet werden.
Die Frequenz des Rechteck-Signals am Ausgang D1 des Ringzählers hat unabhängig von der eingestellten Betriebsart 333,3 mHz, also die halbe Taktfrequenz. Die Breite der Rechteck-Halbwellen bildet mit ihrer Länge von 1,50 Sekunden die Zünd-Zeit pro Brenner (Bild 009).
Wie Bild 009 ebenfalls verdeutlicht, werden in der Zünd-Zeit von 1,5 s (Kanal 2, blau) drei Zünd-Impulse generiert (Kanal 1, gelb); sie sollen möglichst gleichmäßig über die Zeit verteilt sein.
Hierzu ist ein Gleichlauf  (Synchronlauf) der Taktfrequenz von 0,66 Hz und der Zündfolge-Frequenz von 2 Hz erforderlich.
Aus der fallenden Flanke der Taktfrequenz (IC4, Anschluss 10) generieren wir mit Hilfe des Differenzier-Gliedes C = 10 nF und R = 1MΩ einen negativen Synchronisier-Impuls; Diode D unterdrückt die positiven Impulse (Bild 010).
Um diesen Gleichlauf zu verdeutlichen,  habe Ich ein Raster über das Display gelegt (Bild 011).
Die Synchronisier-Impulse werden dem Reset-Eingang (Anschluss 4) des ersten Timers von IC6 (NE556) zugeführt; sie setzen den Timer im Takt von 1,5 s (Zünd-Zeit-Zyklus) zurück.
Durch ggf. leichtes Nachtrimmen der Frequenzen wird sichergestellt, dass der Synchronisier-Impuls noch kurz vor einer fallenden Flanke der Zündfolge-Frequenz wirksam wird; triggert er zu früh, geht das Signal wieder auf „high“ zurück und es entsteht durch Austastung ein störender Impuls, triggert er zu spät, trifft er auf den Signal- Zustand „low“ und bleibt ohne Wirkung. Die richtige Einstellung mit perfekter Synchronisation zeigt Bild 012.
Die Verdrahtung der restlichen IC’s dürfte keine Probleme bereiten und es sind keine weiteren Einstellungen erforderlich.
Nach Beendigung der Verdrahtungs-Arbeit wird die Zündsteuerung auf korrekte Funktion der verschiedenen Betriebsarten, sowie die Einstellung der Brenneradressen bei der Betriebsart Gruppe 0 „Einzel-Brenner“ geprüft. Die Bilder 013a bis 016b zeigen einige Oszillogramme zur End-Kontrolle der Zünd-Steuerung.
Die Stromaufnahme bei 12 V Betriebsspannung beträgt < 30 mA.

Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

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Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #18 am: 06 Oktober 2017, 10:04:02 »
Bild 013a,     Betriebsart    Gruppe 3:   „Alle Brenner“          Code  11,  DEC1 Q3.
Bild 013b,     … wie oben, jedoch bei Betrieb mit Versorgungsspannung 5 V.
Bild 014,       Betriebsart    Gruppe 2:   „Brenner 3 und 4“    Code 10,   DEC1 Q2.
Bild 015,       Betriebsart    Gruppe 1:  „Brenner 1 und 2“     Code 01,   DEC1 Q1.
Bild 016a/b,  Betriebsart    Gruppe 0:  „Einzel Brenner“        Code 00,   DEC1 Q0.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

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Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #19 am: 06 Oktober 2017, 13:27:07 »
Zum Abschluss des ersten Teils dieses Betrags noch eine Anmerkung zu den Oszillogrammen.
Sie wurden mit einem Digitalen Zwei-Kanal Speicher Oszilloskop 50 MHz erstellt. Ich habe es bereits bei der Beschreibung meines Elektronik-Labor-Platzes erwähnt.
Dieses Oszilloskop ist über USB mit meinem PC verbunden und ich kann die übermittelten Oszillogramme oder Videos mit einem Bild- bzw. Video-Bearbeitungsprogramm bearbeiten und kommentieren.
Es ist zweifellos von großem Vorteil, die Form und den zeitlichen Verlauf elektronischer Signale und alle notwendigen Messwerte in Real-Zeit darzustellen und bei Einstellarbeiten die Veränderung unmittelbar zu beobachten.
Mir ist klar, dass die meisten Modellbauer weder über einen eigenen Oszillographen verfügen noch die Möglichkeit haben, einen zu nutzen. Wer die Investition von einigen hundert Euro scheut, dem bieten sich allerding  äußerst zweckmäßige Alternativen.
 Ohne nennenswerte Einschränkungen bei den technischen Leistungsmerkmalen bieten sich die wesentlich preiswerteren USB-Oszilloscope an. Sie sind ab etwa 60,- € zu haben (z.B. Hantek 6022BE bei Amazon) und werden mit dem vorhandenen PC verbunden. Ihre Software gestattet eine recht komfortabel Bedienung über die Tastatur bzw. Maus.
Ist das Budget noch schmaler, sollte man aber mindestens ca. 15,- € für einen 8-Kanal-Logic-Analyzer investieren (Amazon); er wird ebenfalls über eine USB-Schnittstelle mit dem PC verbunden.
Die erforderliche Software (Saleae 1.2.14) kann kostenlos herunter geladen werden. Die bis zu acht digitalen oder analogen Signale werden zwar nicht in Echtzeit dargestellt, sondern der Signal-Verlauf eines festlegbaren Zeitraums wird gespeichert und zur Analyse bzw. zum Messen auf dem Bildschirm dargestellt.
Bild 10 zeigt das Experimentier-Board mit dem Analyzer und seinen Signal-Anschlüssen, 
Bild 17a/b einen Screen-Shot der Bildschirm-Darstellung im Original und als Negativ, mit einigen Hinweisen zum Messen.

Über den Testaufbau 06 (…wie 05, jedoch mit vier Zündmodulen.) berichte ich zu einem späteren Zeitpunkt; außerdem ist ein Video geplant.

Bis bald!
Euer Turbo-Georg
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg