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Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
25.10.2015, 13:58
Beitrag #1
Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
Hallo zusammen,

ich will mit einem Arduino ein Messsystem bauen/programmieren an dem man verschiedene Sensoren anschließen kann und dieser dann die Sensoren ausliest und auf einem LCD anzeigt.

Um möglichst gute Ergebnisse an den Analog-Eingängen zu bekommen habe ich eine externe Spannungsversorgung. Da ich ein LCD mit Hintergrundbeleuchtung habe und evtl. auch neben Sensoren auch noch Aktoren (mit 5V betrieben) einbauen will wäre der interne 5V-Spannungsregler schnell überfordert.

Deshalb habe ich mich dazu entschlossen, eine externes 5V-Netzteil zu nutzen und dieses direkt an den GND+VCC Port des Arduinos gelegt. Damit es bei der USB-Verbindung keine Probleme mit einer konkurrierenden Spannungsversorgung gibt habe ich vom USB-Anschluss den VCC-Pin entfernt. Habe auch das Netzteil mit einem Oszi überprüft, es liefert eine schöne, glatte 5V-Gleichspannung.

Solange meine Messbox am USB-Port hängt funktioniert alles, jedoch sobald ich die USB-Verbindung abhänge treten folgende Phänomene auf:

1. Problem:
Die Lichtschranke (selbst gebaut) gibt bei Unterbrechung eine Spannung von 2,7V aus, bei Sichtkontakt (je nach Ausrichtung und Entfernung) ca. 1V. Diese ist Transistorverstärkt.
Lichtschranke hängt am Interrupt, d.h. ich bekomme 2 Signale, einmal bei steigender Flanke (Lichtschranke wird unterbrochen) und einmal bei fallender Flanke (wieder Sichtkontakt).

Ohne USB-Kabel löst meine Lichtschranke nichtmehr 2 sondern zwischen ~5 und ~20 Interrupts aus. Mit einem Oszi nachgemessen ergibt sich, dass die "Dunkelspannung" von 2,7V nicht mehr konstant ist sondern ein ca. 50Hz-Schwingen in der Stärke von ca. 0,2V darauf ist. Dadurch bekomme ich natürlich viele Interrupts ausgelöst.

2. Problem
Habe ich keinen Sensor angeschlossen und keine USB-Verbindung, also lediglich Netzteil am Arduino und daran das LCD, so kann ich den Arduino durcheinander bringen (was sich an "wirren" Darstellungen auf dem LCD zeigt) wenn ich mit einer Erdleitung (also ein an den Schutzkontakt in einer Steckdose angeschlossenen Krokodilklemme) einige Male die GND-Leitung berühre.

Gleiches passiert auch, wenn ich das USB-Kabel einige Male ein- und ausstecke.

Das selbe passiert sogar auch dann, wenn ich eine Oszi-Messspitze nehme und mit der GND-Leitung in Verbindung bringe. Das passiert sogar dann, wenn die Messspitze gar nicht am Oszi angeschlossen ist!

Also wenn ich die GND-Leutung meines Arduinos mit einem anderen GND verbinde (Erdung, Laptop-GND, manchmal reicht es sogar, wenn ich den GND nur anfasse!) tritt der Fehler auf, aber eben nicht jedes Mal sondern nur ab und zu.

1. Lösung:
Ich kann beide Probleme dadurch lösen, dass ich vor dem Einstecken des Netzteiles einen externen GND verbinde, also entweder die Erdung oder den Laptop. Danach Netzteil rein und schon funktioniert alles und meine "Dunkelspannung" liegt bei konstant ~2,7V.
Ich will aber die Box nicht ständig am USB-Anschluss haben und auch kein zusätzliches Erdungskabel zum Netzteil legen...

2. Lösung:
Wenn ich das ganze Gerät per Laptop-USB betreibe (also per Adapter von USB auf Hochlstecker) funktioniert's, aber hier ist die Stromstärke ja recht begrenzt.
Wie oben: ich will die Box auch USB-unabhängig betreiben.

3. Lösung:
Betrieben mit einem Akku funktioniert das Ganze auch wieder! Z.B. mit einer Smartphone/Tablet-Powerbank. Sobald ich diese aber gleichzeitig wieder per Netzteil lade treten wieder die obigen Probleme auf!
Wäre eine denkbare Alternative, allerdings müssen so natürlich ständig die Akkus geladen werden...

4. Lösung:
Mit einer galvanischen Trennung von der Netzspannung funktioniert das alles auch wieder. Also entweder ein 5V galvanisch getrenntes Netzgerät (wobei ich hier noch kein kleines Steckernetzteil gefunden habe) oder die 5V-Spannung mit einem passenden 5VDC/5VDC-Wandler trennen (hier habe ich nur welche bis maximal 600mA gefunden, d.h. ich bräuchte davon einen für Arduino+LCD und einen pro Sensoranschluss)
Da ich noch kein Steckernetzteil/Tischnetzteil gefunden habe für 5V das galvanisch getrennt ist und ich kein Labornetzteil nutzen will fällt das bisher auch raus. 5VDC/5VDC-Wandler sind leider recht teuer und liefern "nur" 3W.


Da ich aber mit allen 4 Möglichkeiten nicht so richtig glücklich bin und ich auch "nur" Physiker bin, mich mit Elektrotechnik nur grundlegend auskenne und bei diesem Problem absolut nicht weiter weiß:

Hier gibt es ja bestimmt auch Elektotechniker, die mir erklären können wodurch das Problem besteht, dass ein externer GND notwendig wird und es nicht mit der 5V-Spannung alleine funktioniert.

Zum anderen gibt's bestimmt auch jemand, der mir helfen/sagen kann, wie ich das Problem in den Griff bekomme.

Oder alternativ hat vielleicht auch jemand einen Link zu einem kleinen 5V-Festspannungsnetzteil welches eine galvanische Trennung besitzt und ca. 2A liefert.

Vielen Dank schonmal
dsjiern


Anhänge:
  • Skizze der Schaltung (kein genauer Schaltplan, aber sollte reichen)
  • Oszi-Bild einer Dunkelzeit
  • Oszi-Bild Schwingung "Dunkelspannung"


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25.10.2015, 15:22
Beitrag #2
RE: Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
Ich kann hier nur vermuten, dass es an einem fehlenden Pullup oder Pulldown Widerstand am Eingang des Arduino liegt.
Oder die Kabel zu den Eingängen sind zu lang und führen an Leitungen vorbei mit hoher Störspannung vorbei.
Dieser fängt sich irgend eine Störspannung ein.

Was die galvanische Trennung des Netzteiles betrifft, kann ich dir nicht ganz folgen.
Die Netzteile, die heute zu kaufen sind, haben alle eine Trennung vom 230 Volt Netz.
Wo benötigst du noch eine galvanische Trennung?

I2C = weniger ist mehr: weniger Kabel, mehr Probleme. Cool
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25.10.2015, 15:34 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 25.10.2015 15:35 von dsjiern.)
Beitrag #3
RE: Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
(25.10.2015 15:22)hotsystems schrieb:  Ich kann hier nur vermuten, dass es an einem fehlenden Pullup oder Pulldown Widerstand am Eingang des Arduino liegt.
Oder die Kabel zu den Eingängen sind zu lang und führen an Leitungen vorbei mit hoher Störspannung vorbei.
Dieser fängt sich irgend eine Störspannung ein.

Was die galvanische Trennung des Netzteiles betrifft, kann ich dir nicht ganz folgen.
Die Netzteile, die heute zu kaufen sind, haben alle eine Trennung vom 230 Volt Netz.
Wo benötigst du noch eine galvanische Trennung?

Danke für deine Antwort, an fehlenden Pullups liegt es definitiv nicht, da das Problem ja nicht nur Eingänge, sondern auch die Ausgänge z.B. des LCDs betrifft.

Galvanisch getrennt deshalb, da es damit funktioniert. Inwiefern haben heutige Netzteile denn eine "richtige" Trennung vom 230V-Netz? Schaltnetzteile haben doch (soweit ich informiert bin) zumindest eine Verbindung zwischen Minus-Pol/Ground am Ausgang und Nullleiter des 230V-Netzes.

Wenn es wirklich getrennt wäre, dann wäre folgendes auch nicht möglich: Wenn ich mit dem Oszi messe zwischen GND und Erde, dann bekomme ich ebenfalls ein 50Hz-Signal (kein Sinus, s. Anhang). Gleiches Bild ergibt sich, wenn ich +5V gegen Erde messe.

Wäre das Netzteil galvanisch getrennt, so dürfte hier doch nach meinem Verständnis kein Spannungsverlauf angezeigt werden? (Allenfalls vielleicht ein "Undefiniertheits-Flimmern")

Aber es ist durchaus nicht ausgeschlossen, dass irgendwoher Störspannungen/Störfelder das System beeinflussen, im Gehäuse hab ich bisher eine sehr provisorische Verkabelung Dodgy Ich werde mal das Ganze mit sauberer Verkabelung nochmal überprüfen.

Danke
dsjiern

Anhang: Oszi-Bild GND-Leitung des Netzteiles (auch ohne Anschluss an Arduino) gegen Erde. Selbiges Bild tritt aber mit allen gemessenen Netzteilen auf!

Edit: Anhang vergessen


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25.10.2015, 15:48
Beitrag #4
RE: Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
Zitat:... an fehlenden Pullups liegt es definitiv nicht, da das Problem ja nicht nur Eingänge, sondern auch die Ausgänge z.B. des LCDs betrifft.
Störungen kommen nur in die Eingänge, wenn die Pullups nicht vorhanden oder zu groß sind. Bei den Ausgängen macht sich dann eine Störung dadurch bemerkbar, weil der Controller durcheinander kommt.


Wenn das so wäre,
Zitat:Galvanisch getrennt deshalb, da es damit funktioniert. Inwiefern haben heutige Netzteile denn eine "richtige" Trennung vom 230V-Netz? Schaltnetzteile haben doch (soweit ich informiert bin) zumindest eine Verbindung zwischen Minus-Pol/Ground am Ausgang und Nullleiter des 230V-Netzes.
was passiert, wenn du das Steckernetzteil "verdreht" in die 230v Steckdose steckst?
Dann liegt Phase auf der Masse, das darf doch nicht sein.
Die sind schon galvanisch getrennt.

Zitat:Wenn es wirklich getrennt wäre, dann wäre folgendes auch nicht möglich: Wenn ich mit dem Oszi messe zwischen GND und Erde, dann bekomme ich ebenfalls ein 50Hz-Signal (kein Sinus, s. Anhang). Gleiches Bild ergibt sich, wenn ich +5V gegen Erde messe.
Da kann auch mit deiner Erde gegen die du misst, etwas schief liegen.

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25.10.2015, 19:03 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 25.10.2015 19:12 von dsjiern.)
Beitrag #5
RE: Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
(25.10.2015 15:48)hotsystems schrieb:  
Zitat:... an fehlenden Pullups liegt es definitiv nicht, da das Problem ja nicht nur Eingänge, sondern auch die Ausgänge z.B. des LCDs betrifft.
Störungen kommen nur in die Eingänge, wenn die Pullups nicht vorhanden oder zu groß sind. Bei den Ausgängen macht sich dann eine Störung dadurch bemerkbar, weil der Controller durcheinander kommt.
Stimmt, aber ich habe ja gar keine Eingänge im Problem 2, da ist ja nur das LCD angeschlossen und hier kommt der µC ja durcheinander wenn ich den GND verändere.
Und bei den Eingängen z.B. bei der Lichtschranke habe ich zum einen die internen Pullups aktiviert, aber zum anderen habe ich extern eine Spannung von ca. 2,7V anliegen

Zitat:Wenn das so wäre,
Zitat:Galvanisch getrennt deshalb, da es damit funktioniert. Inwiefern haben heutige Netzteile denn eine "richtige" Trennung vom 230V-Netz? Schaltnetzteile haben doch (soweit ich informiert bin) zumindest eine Verbindung zwischen Minus-Pol/Ground am Ausgang und Nullleiter des 230V-Netzes.
was passiert, wenn du das Steckernetzteil "verdreht" in die 230v Steckdose steckst?
Dann liegt Phase auf der Masse, das darf doch nicht sein.
Die sind schon galvanisch getrennt.
Gutes Argument... Zugegebenermaßen weiß ich auch nicht, wie ein Schaltnetzteil intern genau aufgebaut ist Huh Wie bekommt man das mit Trafo hin, dass die Eingangsspannung zwischen 110V und 230V liegen kann und trotzdem immer 5V hinten rauskommt? wird das einfach quasi von 110V auf 7V heruntertransformiert d.h. bei 230V etwa 15V und anschließend mit einem Konstantspannungsregler das auf 5V festgelegt? Oder wie funktioniert genau denn so ein Schaltnetzteil (oder auch Spannungswandler) das mit unterschiedlichen Eingangsspannungen eine konstante Ausgansspannung erzeugt?

Zitat:
Zitat:Wenn es wirklich getrennt wäre, dann wäre folgendes auch nicht möglich: Wenn ich mit dem Oszi messe zwischen GND und Erde, dann bekomme ich ebenfalls ein 50Hz-Signal (kein Sinus, s. Anhang). Gleiches Bild ergibt sich, wenn ich +5V gegen Erde messe.
Da kann auch mit deiner Erde gegen die du misst, etwas schief liegen.
Also meine Erde ist normalerweise schon in Ordnung Tongue zumal ich schon an 3 verschiedenen Orten (geografisch unterschiedlich) das ausprobiert habe und überall das selbe Ergebnis...

Ich habe jetzt allerdings noch ein etwas älteres "echtes" Trafonetzteil ("Netzgerät") gefunden (Eingang zwingend 230V, sehr schwer, laut Aufdruck mit Sicherheitstrafo), Ausgang 4.8V (reicht für den Arduino). Mit diesem treten keine Probleme auf! Allerdings habe ich diese 50Hz-"Schwingung" ebenfalls, wenn ich gegen Erde messe, daran kann es also nicht liegen.

Was macht also ein Schaltnetzteil (ohne Aufdruck "Sicherheitstrafo") anders als ein Trafonetzteil (mit Aufdruck "Sicherheitstrafo") dass dadurch solche Störungen verursacht werden können?

Danke und Gruß
dsjiern

Anmerkung: Als Problemlösung würde mir also auch einfach ein Steckernetzteil mit Sicherheitstrafo reichen welches 5V ausgibt (und nicht so wie meines nur 4.8V). Leider finde ich keine solchen Steckernetzteile mehr im Internet Huh
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25.10.2015, 19:34
Beitrag #6
RE: Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
Ok, da muss ich jetzt passen. Alles was ich jetzt bringen würde, sind nur Vermutungen.
Da können andere sicher besser helfen.
Was das Schaltnetzteil betrifft, da befindet sich schon ein Trafo drin, der die Trennung bewirkt.
Dieser wird aber mit einer höheren Frequenz betrieben. (getatet).
Die Ausgangsspannung wird nicht durch einen Festspannungsregler erzeugt, sondern getaktet.

Hast du schon mal ein anderes Schaltnetzteil probiert?

I2C = weniger ist mehr: weniger Kabel, mehr Probleme. Cool
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25.10.2015, 20:16
Beitrag #7
RE: Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
(25.10.2015 19:34)hotsystems schrieb:  Ok, da muss ich jetzt passen. Alles was ich jetzt bringen würde, sind nur Vermutungen.
Da können andere sicher besser helfen.
Was das Schaltnetzteil betrifft, da befindet sich schon ein Trafo drin, der die Trennung bewirkt.
Dieser wird aber mit einer höheren Frequenz betrieben. (getatet).
Okay, soweit ist mir das auch noch klar.

Zitat:Die Ausgangsspannung wird nicht durch einen Festspannungsregler erzeugt, sondern getaktet.
Aufgrund der unterschiedlichen Eingangsspannungen (110-230V) müsste doch aber mit einem Trafo automatisch auch die Sekundärspannung unterschiedlich sein. Wie wird dann das durch eine Taktung so geregelt, dass eine Festspannung rauskommt?

Zitat:
Hast du schon mal ein anderes Schaltnetzteil probiert?
Ja, 3 unterschiedliche, auch aus unterschiedlichen Preisklassen, also daran liegt's nicht...

Hast du (bzw. irgendjemand) eine Ahnung, wo man heutzutage noch echte Trafonetzteile bekommt? Ob direkt Steckernetzteil oder Tischnetzteil spielt eigentlich keine Rolle. Hab in der Bucht welche gefunden (z.B. [1]), aber die mit Sicherheits-/Trenntrafo lassen sich nicht auf 5V einstellen, nur entweder 4.5V oder 6V...

Danke und Gruß
dsjiern

[1] http://www.ebay.de/itm/Universal-Netztei...Sw9r1WC-LH
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25.10.2015, 21:25
Beitrag #8
RE: Absturz/Interrupts bei externer Erdung/GND
Das Netzteil im Link ist auch getaktet, ein Schaltnetzteil.
Die Ausgangssspannung eines getakteten Netzteils wird durch die Frequenz der Taktschalung geregelt, ähnlich PWM.
Diese ist durch die Technik in weiten Bereichen von der Eingangsspannung unabhängig.
Trafonetzteile mit Längsregelung sind in der Form schwierig zu bekommen, da hilft nur selbstbau.

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