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Logiktester mit Impulserkennung und Akku

Attention attention

Die Spannung des Akkus liegt zwischen 4,2V und 3,0V.

Damit ist der Low Pegel sehr ungenau und liegt bei

Ubat Ulow
4,2V 1,8V
3.7V 1,3V
3,3V 1,0V
3.0V 0,65V

Dieser Logiktester ist eine Weiterentwicklung des Logiktester mit Impulserkennung.

LedTesterTransistoren-Impuls.png
Bild 1: Logiktester mit Transistoren und Impulserkennung

Die Beschränkung der Spannung auf 3,3V durch eine Z-Diode legt nahe, diese durch einen Lithium-Polymer-Akku zu ersetzen. Damit würde der Anschluss an eine Versorgungsspannung entfallen.

Die Schaltung verbraucht nur dann Strom, wenn eine LED leuchtet. Der Lipo-Akku könnte ohne Ein-Schalter betrieben werden.

LedTesterTransistoren-Impuls-Lipo.png
Bild 2: Logiktester mit Transistoren, Impulserkennung und Akku

Die Z-Diode entfällt und dafür wird der Lipo-Akku eingesetzt. Die LED für die Impulserkennung wird durch eine gelbe ersetzt und diese auch vom Akku versorgt. Der Akku hat eine Kapazität von 100mAh bis 130mAh und eine Spannung von 3,7V. Ein geringere Kapazität würde auch reichen. Der Akku wird über eine externe Schaltung geladen.

Wenn der Logiktester aktiv ist, fließen 4mA bzw. 8mA, wenn auch die gelbe LED leuchtet. Damit hält ein 100mAh Akku 12 Stunden durch. Bei der typischen Spannung eines Lipo-Akkus von 3,7V fließen im Leerlauf 0,8µA. Ist der Akku auf 3V entladen, fließen nur 0,02µA. Damit wird der Akku praktisch nicht entladen, wenn der Logiktester nicht verwendet wird.

Das Ladegerät wird an die 3-polige Buchsenleiste J3 an den Logiktester angeschlossen. Die drei Anschlüsse verhindern, dass sie beim Laden vertauscht werden können.

An die Buchsenleiste J3 wird beim Messen der Masse-Anschluss angeschlossen. Der Mess-Stecker sollte keinen mittleren Anschluss haben. Für Messungen an schnelle Schaltungen kann über die Buchse J2 eine kurze Verbindung zur Masse hergestellt werden.

Lipo-Akku

Die Kapazität des Akkus ist unkritisch, sondern vielmehr seine Maße. Er sollte nicht breiter als 15mm und länger als 40mm sein, wenn der vorgeschlagene Aufbau verwendet werden soll.

Es gibt Lipo-Akkus, die eine Schaltung mit einem Schutz gegen Überladung ebenso wie gegen Tiefentladung enthalten. Damit kann eine einfache Schaltung aufgebaut werden, weil sich der Akku selbst schützt.

Attention flag

Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass ein LiPo-Akku mit integrierter Schutzschaltung verwendet wird.

  • Er wird im Internet z.B. unter "Lipo PCB" angeboten. In der Beschreibung sollte sinngemäß stehen:
  • "schützendes PCB-Lademodul, verhindert Überladung, Tiefentladung, Überstrom ..."
  • In der Abbildung sind bei den Anschlüssen 1-2 Chips zu sehen.
  • Der z.B. von Conrad angebotene LiPo-Akku von Renata hat keine integrierte Schutzschaltung.
LiPo-130mAh-PCB.png
Der abgebildete LiPo-Akku enthält links die Schutzschaltung.
  • Die integrierte Schutzschaltung bedeutet nicht, dass der Akku zum Laden unmittelbar an eine Spannungsquelle angeschlossen werden kann. Es muss vielmehr eine Ladeschaltung vorgesehen werden.

Ein Lipo-Akku mit integrierter Schutzschaltung gegen Tiefentladung und Überladung kann einfach über eine externe Spannungsquelle von 5V einfach geladen werden, wenn der Ladestrom über einen Vorwiderstand begrenzt wird.

Bei eBay werden Akkus mit 40mAh bis 130mAh und passenden Maßen für wenige Euros angeboten.

Attention idea

Maximaler Ladestrom

Beim Laden eines Akkus darf ein maximaler Ladestrom nicht überschritten werden.

Für jeden Akku gibt es eine Angabe für den maximalen Ladestrom. Er wird meistens mit xC angegeben. C ist die Kapazität des Akkus in Ah oder mAh. Er wird dann in 1/x Stunden aufgeladen. Bei einem Akku mit einer Kapazität C=200mAh und maximalem Ladestrom von 0,5C ist dann

Imax = x * C
t    = 1 / x
Imax = 0,5 * 200mAh
     = 100mA
t    = 1 / 0,5
     = 2

Dieser Akku könnte in 2 Stunden mit 100mA geladen werden.

Der Ladestrom eines kleinen Lipo-Akkus darf in der Regel 1C betragen, d.h. unser Akku mit 130mAh darf mit maximal 130mA in einer Stunde geladen werden.

In unserer Schaltung stellt R5 den Ladestrom ein. Der Strom ist nicht konstant, sondern von der Spannung des Akkus und der Spannungsquelle abhängig. Wir verwenden unsere übliche Spannungsquelle mit 5V. Die Spannung des Akkus beträgt minimal 3V und maximal 4,2V.

Mit R5 beträgt bei 3V Spannung am Akku und der Ladestrom maximal (5V-3V)/22Ω=91mA. Bis zur maximalen Ladespannung von 4,2V reduziert sich der Ladestrom auf (5V-4,2V)/20Ω=36mA. Damit ist der Akku in etwa 3 Stunden geladen.

Der Widerstand R5 kann noch für einen Akku ab 100mAh verwendet werden. Für einen Akku mit 40mAh sollte der Vorwiderstand auf R5=51Ω erhöht werden.

Die obigen Werte für R5 beziehen sich auf Akkus mit 1C. Bei z.B. 0,5C muss R5 verdoppelt werden.

Es kann auch ein Lipo-Akku ohne Schutzschaltung verwendet werden.

  • Dieser Akku ist nicht gegen Tiefentladung geschützt.
    Er muss regelmäßig geladen werden.
  • Er muss dann über ein externes Lipo-Ladegerät, das auf den maximalen Ladestrom eingestellt ist, geladen werden. Der Widerstand R5 sollte dann durch eine Drahtbrücke zu ersetzt werden.
Attention attention

Achtung Lipo-Akkus können brennen

Lipo-Akkus können bei unsachgemäßer Behandlung brennen.

Bitte die Hinweise des Herstellers lesen und beachten.

Ein Lipo-Akku darf nicht

  • mit zu hohem Entladestrom betrieben werden,
  • mit zu hohem Strom geladen werden,
  • erhitzt werden,
  • geöffnet werden.

Er muss nach Gebrauch sachgemäß entsorgt werden.

  • Dieser Hinweis ist unverbindlich und ersetzt nicht die Hinweise des Herstellers.

Die Verwendung eines Lipo-Akkus erfolgt auf eigene Gefahr.

Aufbau

Der Aufbau des Logiktesters kann leicht auf einer Lochrasterplatine erfolgen.

LedTesterTransistoren-Impuls-Lipo-brd.png
Bild 5: Aufbau des Logiktesters
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Die Darstellung des Layout wird ausführlich in Darstellung in KiCAD beschrieben.

LedTesterTransistoren-Impuls-Lipo-brd-top-3D.png
Bild 6: Logiktesters von oben in 3D

Die Drahtbrücke JP1 wird von oben eingebaut.

LedTesterTransistoren-Impuls-Lipo-brd-bottom-3D.png
Bild 7: Logiktesters von unten in 3D

Die Drahtbrücke JP2 wird von unten eingebaut.

Attention attention

Lipo-Akku

erst nach bestandenen Tests einbauen!

  • 1. Runde: LEDs korrekt einbauen.
  • R3, R4, LED1, LDE2 und LED3 einbauen und verbinden.
  • Sind alle Bauelemente an korrekter Position? (nachzählen)
  • Verbindungen zu U+ und Gnd herstellen.
  • 3V am besten über elektronische Sicherung mit 20mA an U+ und Gnd anschließen.
  • LED1 mit Anode an R3 leuchtet.
  • LDE2 mit Kathode an Masse leuchtet.
  • LED3 mit Kathode an Masse leuchtet.
  • 2. Runde: Pegel-Detektor aufbauen.
  • R1, R2, Q1, Q2 und Steckstift J1 einbauen.
  • Alle Bauelemente an korrekter Position?
  • 3V am besten über eine elektronische Sicherung mit 20mA an U+ und Gnd anschließen.
  • Bei offenem Eingang leuchtet keine LED
  • IN (J1) an Masse: Die grüne LED leuchtet.
  • IN (J1) an U+: Die rote LED leuchtet.
  • 3. Runde: Impulserkennung einbauen.
  • C1, C2, R6, D1, D2, D3 einbauen und verbinden.
  • Korrekte Werte für C1 und C2?
  • Sind D1, D2 und D3 richtig eingebaut?
  • Q3 einbauen:
  • Die Anschlüsse von Q3 mit einem dünnen Draht (eine Ader einer Litze) verbinden während Q3 noch im ESD-Schaumstoff steckt.
  • Q3 einlöten
  • Den dünnen Draht um die Anschlüsse entfernen.
  • Testen:
  • 3V am besten über eine elektronische Sicherung mit 20mA an U+ und Gnd anschließen.
  • meistens leuchtet die gelbe LED3 beim Einschalten für 1-2 Sekunden auf.
  • IN an Masse: Grüne LED2 leuchtet. Die gelbe LED3 kann kurz aufleuchten.
  • IN an U+: Rote LDE1 leuchtet. Die gelbe LED3 leuchtet für 1-2 Sekunden auf.
  • Wenn der offene Eingang berührt wird, kann die gelbe LED3 aufleuchten.
  • 4. Runde: Buchse J3 einbauen und verbinden.
  • 3V am besten über eine elektronische Sicherung mit 20mA an die Buchse J3 anschließen.
  • Alle Test der Runde 3 durchführen.
  • 5. Runde: Lipo-Akku einbauen

Lipo-Akku erst dann einbauen, wenn die Test 1. bis 4. bestanden sind.

  • Vorsicht mit den Pins der Buchse J3!
  • Alle Test der Runde 3 durchführen.

Der Logiktester muss in ein Gehäuse eingebaut werden, damit der Lipo-Akku nicht zufällig kurzgeschlossen wird.

Ein Schrumpfschlauch ist nicht geeignet, weil beim Schrumpfen der Lipo-Akku zu heiß wird.

Für den Anschluss der Masseleitung für die Messung wird eine 3-polige Steckerleiste verwendet, deren mittlerer Sift entfernt wurde.

Für die Ladung des Lipo-Akkus wird an die Pins 1 und 2 eine Spannungsquelle mit 5V angeschlossen. Sie sollte mindestens 100mA liefern können.

Prototyp

Der Prototyp hat folgende Daten:

Pegel für LOW 1,2V
Pegel für HIGH 2,4V
maximale Frequenz für HIGH und LOW 500kHz
maximale Frequenz für Impulserkennung 20MHz
Strom bei Takt am Eingang 6mA
Strom bei Leerlauf 0,5µA
Betriebszeit 25h
Zeit im Leerlauf > 10Jahre

Für einen einfachen Logiktester sind das respektable Ergebnisse für ein Gerät mit Akku um 6 Euro.