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Ein Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen, der diese schützt


Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen


Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen

Ein Durchgangsprüfer soll feststellen, ob eine Verbindung zwischen zwei Anschlüssen besteht. Meistens gibt er einen Signalton, wenn eine Verbindung besteht.

Im Prinzip ist die Schaltung einfach.

Leitungspruefer-einfach.png
Bild 1: Schaltung eines einfachen Durchgangsprüfers

Wenn zwischen den beiden Prüfspitzen eine Verbindung besteht, gibt der Piezo-Piepser einen Ton.

Aber was heißt Verbindung

  • Bei 100Ω gibt gibt es einen Ton.
  • Eine Diode in Durchlassrichtung gibt einen Ton.
  • Die Versorgungsanschlüsse eines ICs geben einen Ton, wenn der der --Anschluss an U+ des ICs liegt, das IC verpolt wurde.

Der Durchgangsprüfer nach Bild 1 kann Bauteile der gemessenen Schaltung zerstören, wenn

  • die Messspannung höher als die zulässige Spannung zwischen zwei Pins eines ICs ist,
  • der Messstrom größer als der zulässige Strom in den Pin eines ICs ist,
  • die Spannung zwischen zwei Pins eines ICs verpolt ist.

Anforderungen

Wenn die Spannung beim Messen unter der Flussspannung der Bauelemente liegt, kann sie keine schädliche Wirkung haben. Außerdem sollte der Messstrom möglichst klein sein.

Da Fehlbedienung immer wieder vorkommen, sollte die Schaltung so robust sein, dass sie durch externe Spannungen nicht beschädigt wird und möglichst die gemessene Schaltung nicht beschädigt.

Unser Durchgangsprüfer soll:

  • maximale Messspannung unter 0,1V und
  • maximalem Messstrom 20mA haben.
  • ± 24V zwischen den Prüfspitzen widerstehen.
  • bei ± 24V zwischen den Prüfspitzen den maximalem Strom auf etwa 20mA begrenzen.
  • Durchgang nur bei einem Widerstand unter 1Ω erkennen.
  • mit einem Lipo-Akku betrieben werden.

Realisierung

1. Versuch

Bei 1Ω und 20mA ergibt sich eine Messspannung von 20mV.

Unsere Batterie hat eine Spannung von 3,7V. Bei 20mA ist ein Widerstand von 180Ω erforderlich.

Die 20mV können nur mit einem Operationsverstärker realisiert werden.

Siehe Praktikum Spannungen mit Operationsverstärker vergleichen

Leitungspruefer-1.png
Bild 2: Schaltung eines Durchgangsprüfers (1)

In der Schaltung in Bild 2 wird über die Widerstände R5 und R7 am - Eingang des Operationsverstärkers eine Spannung von 20mV erzeugt. Über den Widerstand R1 wird der maximale Messstrom von 20mA bereitgestellt. Sinkt die Spannung am Messeingang unter 20mV, gibt der Operationsverstärker eine positive Spannung ab und der Transistor Q1 schaltet den Signalgeber ein.

Ein Widerstand unter etwa 1Ω löst den Signalton aus.

Bei den anderen Werten sieht nicht so gut aus.

Wenn der Messeingang offen ist, liegt eine Spannung von 3,6V an.

Bei einer externen Spannung von 24V am Eingang fließen

24V / 180Ω ~ 133mA

2. Versuch

Wenn wir den maximalen Strom bei externen Spannungen auf etwa 20mA begrenzen wollen, müssen wir den Widerstand R1 auf etwa 24V/20mA=1,2kΩ erhöhen.

Dann wird der Messstrom geringer: Im=3,6V/1,2kΩ=3mA. Bei 1Ω haben wir dann eine Messspannung von 3mV. Die 3mV sind für einen "normalen" Operationsverstärker zu gering, weil er eine Offsetspannung in dem Bereich hat. Wir versuchen es mit 8mV.

  • Wie können wir die Messspannung am Eingang auf 100mV begrenzen?
  • Wir schalten den Strom durch R1 ab, wenn die Spannung am Eingang über 8mV liegt.

Wir nehmen einen zweiten Operationsverstärker, der über 8mV R1 abschaltet. Zur Sicherheit legen wird Schwelle für den zweiten OPV etwas höher.

Leitungspruefer-2.png
Bild 3: Schaltung eines Durchgangsprüfers (2)

Über die Widerstände R5, R6 und R7 werden drei Spannungsschwellen für die beiden OPVs eingestellt. Die Spannung für U1A liegt bei 16mV, die für U1B bei 8mV.

Der Operationsverstärker U1A ist ein nicht-invertierender Verstärker mit Verstärkung 1 und liefert am Ausgang 16mV. Das ist auch die Spannung am Messeingang und sie ist unter 100mV.

Endgültige Schaltung

Wir müssen noch untersuchen was passiert, wenn am Eingang +-24V liegen. Den Strom um +-20mA müsste U1A bewältigen. Das ist Außerhalb einer Fähigkeiten. Eine einfache Schutzschaltung mit einer Diode und einer Z-Diode verhindert eine Überlastung.

Leitungspruefer.png
Bild 4: Schaltung des Durchgangsprüfers

Bild 4 ist die endgültige Schaltung des Durchgangsprüfers.

Die Diode D2 schützt den Ausgang des Operationsverstärkers U1A vor zu hohen positiven Spannungen. Die Z-Diode D1 schließt negative Spannungen kurz und begrenzt positive auf 5,6V. Im Messkreis liegt immer R1. Bei +24V am Eingang fließen (24V-5,6V)/1kΩ=19mA, bei -24V sind es 24mA.

Über die Widerstände R2 und R3 wird am offenen Eingang eine Spannung von 36mV erzeugt. Sie ist eigentlich nicht notwendig, sorgt allerdings dafür, dass der Operationsverstärkers U1A bei offenem Eingang eine Ausgangsspannung von 0V abgibt. In diesem Zustand verbraucht er einen sehr geringen Strom aus der Versorgung. Damit wird die Batterie geschont. Der Widerstand R2 mit 10MΩ belastet die Batterie nur mit 0,36µA. Das hält sie mehrere Jahre durch.

Der Piezo-Summer BZ1 wurde durch einen magnetischen ersetzt, weil er kleiner ist. Die LED mit Vorwiderstand zeigt neben dem Signalton einen Durchgang an. Der Strom durch die LED ist gleichzeitig der Basisstrom des Transistors Q1. Mit R9 wird Q1 sicher ausgeschaltet, damit die Batterie nicht belastet wird. Der Signalgeber BZ1 muss aktiv sein, d.h. beim Anlegen der Spannung piepsen. Er wird bei Reichelt unter SMD-10D05 für 1,99€ angeboten.

Der Operationsverstärker MCP6042 hat einen sehr geringen Stromverbrauch. Der Lipo-Akku wird bei offenem Eingang mit unter 1µA belastet. Damit kann der 130mA-Akku über ein Jahr leben.

An die dreipolige Buchse J2 wird die zweite Messspitze angeschlossen. Die beiden äußeren Anschlüsse können dafür verwendet werden. Über diese Buchse wird auch der LiPo-Akku aufgeladen. Der mittlere Anschluss ist dann Plus. Die Spannung kann 4,5V bis 5V sein.

Der Akku kann über ein Lipo-Ladegerät, das auf 130mA eingestellt ist, geladen werden. Dann ist der Widerstand R10 durch eine Drahtbrücke zu ersetzen.

Es gibt Lipo-Akkus, die eine Schaltung mit einem Schutz gegen Überladung ebenso wie gegen Tiefentladung enthalten. Dann begrenzt der Widerstand R11 den maximalen Ladestrom. Geladen wird der Akku einfach mit 5V über einen Vorwiderstand, der den Ladestrom auf 130mA begrenzt: (5V-3V)/130mA~15Ω.

Attention flag

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

  • Er wird im Internet z.B. unter "Lipo 130mah" 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.
  • Maße: 37mm Länge max, Breite 12mm, Dicke 5mm.
  • Der von Conrad angebotene LiPo-Akku von Renata hat keine integrierte Schutzschaltung.
LiPo-130mAh-PCB.png
Der abgebildete LiPo-Akku enthält links die Schutzschaltung.
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 des Durchgangsprüfers

Der Durchgangsprüfer kann leicht auf einer Lochrasterplatinen aufgebaut werden. Die Platine kann einseitig kaschiert sein. Sie lässt sich aus einer Europa-Platine von 160x100mm² ausschneiden. Der LiPo-Akku wird mit Klebefilm befestigt.

  • Ein Gehäuse aus Schrumpfschlauch ist nicht zu empfehlen, weil dadurch der LiPo-Akku überhitzt werden kann.
Leitungspruefer-brd_s.png
Bild 5: Layout des Durchgangsprüfers

Das Board ist 122mm x 15mm groß. Alle Bauelemente sind von der Oberseite montiert. Der Summer BZ1 ist allerdings ein SMD-Element, dass über einen Draht durch die Bohrung des Lötpunktes verbunden oder bei einer durch kontaktierten Leiterplatte auf der Oberseite verlötet werden muss.

Auf der Unterseite müssen vier Drahtbrücken gelegt werden. Sie werden teilweise unmittelbar mit Pins von Bauelementen verbunden.

Leitungspruefer-brd-Top-3D_s.png
Bild 6: Oberseite des Durchgangsprüfers in 3D

Anstelle eines einzelnen Pins einer Steckleiste kann kann jeder Stift verwendet werden.

Leitungspruefer-brd-Bottom-3D_s.png
Bild 7: Unterseite des Durchgangsprüfers in 3D

Die vier Drahtbrücken sind gut zu erkennen.