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Ein Modul zum Erzeugen von -5V aus +5V.


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Minus-5V-Modul

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Aufbau

Als Beispiel wird der Aufbau des Minus-5V-Moduls auf einer durchkontaktierten Lochrasterplatine gezeigt.

Dieses Modul entspricht dem Spannungswandler mit dem ICL7660, der im Praktikum Spannungswandler vorgestellt wurde.

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Bild 1: Schaltung des Minus-5V-Moduls

Die Schaltung wurde gegenüber dem Praktikum nur um einen Verpolschutz und einen Kondensator in der 5V-Versorgung ergänzt.

Das Modul ist bei 5V für Ströme unter 10mA geeignet.

Es kann an Spannungen von 2V bis 10V betrieben werden. Die Ausgangsspannung ist der jeweils der negative Wert der Eingangsspannung.

Für die -5V ist keine elektronische Sicherung erforderlich, da das Modul nur maximal 37mA liefert.

Aufbau

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Lochrasterplatine

Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.

Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.

Die Darstellung des Layouts ist in Darstellung in KiCAD ausführlich beschrieben.

ICL7660-5V-Modul-brd_s.png
Bild 2: Layout des Minus-5V-Moduls

Der Aufbau erfolgt, wie bei Modulen üblich, mit den vier Stiften zur Lötseite.

ICL7660-5V-Modul-brd-top-3D.png
Bild 3: Oberseite des Minus-5V-Moduls in 3D
ICL7660-5V-Modul-brd-bottom-3D.png
Bild 4: Unterseite des Minus-5V-Moduls in 3D
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Ober- und Unterseite

Wir sprechen hier nicht von der Bestückungs- und Lötseite von Platinen, da moderne Platinen auf beiden Seiten sowohl Leiterbahnen als auch (SMD-) Bauelemente enthalten können.

Vielmehr sprechen wir von Ober- und Unterseite.

Im Layout nach Bild 2 ist der P-MOSFET auf der Oberseite eingebaut. Die Durchkontaktierungen (Vias) sind bereits auf der Lochrasterplatine vorhanden. Wie das SMD-Gehäuse des P-MOSFET auf die Lötpunkte gesetzt wird, ist in Bild 3 gut zu erkennen und unter Löten von Lochrasterplatinen beschrieben.

Die Verbindungen zu den vier Stiften werden auf der Oberseite hergestellt. Sie sind im Layout rot dargestellt.

Vorgehensweise

Für Einsteiger sei hier noch einmal die Vorgehensweise beim Aufbau beschrieben.

ICL7660-5V-Modul-Bauelemente.png
Bild 4: Bauelemente des Minus-5V-Moduls

Das Modul besteht nur aus wenigen Bauelementen. Es werden zwei Kondensatoren mit 10µF benötigt. Im Bild sind oben zwei Tantalkondensatoren abgebildet. Es können auch Elektrolytkondensatoren wie der rechts im Bild 4 verwendet werden. Unten links befindet sich der MOSFET im SMD-Gehäuse. Die vier Stifte stammen von 1-reihigen geraden Stiftleisten, am besten 2x1. Lötstifte sind ungeeignet, weil zu dick sind und Steckboards beschädigen.

  • Die Lochrasterplatine ist durchkontaktiert.
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Big-Bang

Wir gehen hier nach der Big-Bang-Methode vor. (Siehe Pragmatische Vorgehensweise)

Alle Bauelemente und die Verdrahtung werden auf einmal eingebaut. Das hat den Nachteil, dass Fehler zu spät erkannt werden und Korrekturen aufwendig sind.

Diese Schaltung ist allerdings so einfach, dass wir es wagen, alles auf einmal einzubauen.

Bauelemente einsetzen

Die Bauelemente werden auf der Oberseite eingesetzt.

  • Der ICL7660 wird als erstes eingebaut.
  • Ist die Orientierung und die Position korrekt?
    Die Kerbe zeigt nach oben.
  • Alle Anschlüsse werden auf der Unterseite verlötet.
  • Dann folgen die Kondensatoren.
  • Ist die Polung und die Position korrekt?
  • Alle Anschlüsse werden auf der Unterseite verlötet.

Unterseite

Die Verbindungen auf der Unterseite werden mit 0,3mm Silberdraht (versilberter Kupferdraht) hergestellt.

  • Darauf achten, dass die Darstellung in Bild 4 gegenüber den Bildern 2 und 3 gedreht ist.
  • So wird eine Verbindung hergestellt:
  • Ein Ende des Drahtes an einen Anschluss eines Bauelements löten.
  • Den Draht mit der Pinzette biegen und auf einer Lötinsel vor/hinter dem Kick anlöten.
  • Den Draht bis zum Ende verlegen abkneifen und anlöten.
  • An die Lötpunkte für die Stifte wird kein Draht geführt, sondern nur daneben.
  • Verbindungen zwischen zwei benachbarten Anschlüssen können zwar auch mit Draht durchgeführt werden, aber es ist viel einfacher, diese Verbindung mit Lot zu erstellen.
  • Immer wieder prüfen, ob die Verbindung korrekt ist - Drehung beachten.
  • Alle Verbindungen auf der Unterseite erstellen.

Oberseite

Auf der Oberseite wird der MOSFET eingelötet.

  • Die vier Lötpunkte werden nur ganz leicht verzinnt.
  • Der MOSFET darauf gelegt und an einem der unteren Anschlüsse ohne Lot angeheftet.
  • Seine Lage kann jetzt noch korrigiert werden.
  • Die beiden unteren Anschlüsse werden schnell und mit wenig Lot verlötet.
  • Die Verbindung zum oberen Anschluss, der zwischen zwei Lötpunkten liegt, wird mit Silberdraht hergestellt.
  • Zuerst wird der Draht am Lötpunkt rechts vom Anschluss angelötet,
  • dann bis zum Lötpunkt für den Stift gezogen und an den Lötpunkt links daneben angelötet.
  • Der Draht wird so abgeschnitten, sodass er etwas auf den Lötpunkt für den Stift bei (0,10) ragt.
  • Die Lötpunkte neben dem MOSFET und sein Anschluss werden mit dem Draht verlötet. Jeden Lötpunkt schnell löten und dann warten bis er sich etwas abgekühlt hat.

Zuletzt werden die Steckstifte von der Unterseite eingebaut.

  • Am einfachsten ist es, die Stifte in ein Steckboard einzusetzen. Um das Steckboard nicht zu beschädigen oder zu verschmutzen, sollte ein Blatt kräftiges Papier auf das Steckboard gelegt werden.
ICL7660-5V-Modul-Bottom.png
Bild 5: Unterseite des Minus-5V-Moduls

Bild 5 mit der Unterseite zeigt, wie die Verbindungen mit 0,3 mm Silberdraht hergestellt werden. Unmittelbar nebeneinander liegende Lötpunkte werden einfach mit Lötbrücken verbunden. Oben sind die Verbindungen zum auf der Oberseite eingebauten MOSFET zu sehen.

ICL7660-5V-Modul-Top.png
Bild 6: Oberseite des Minus-5V-Moduls

In Bild 6 ist gut zu erkennen, wie der MOSFET auf der Oberseite eingelötet wird. Die Steckstifte lassen sich gut verlöten. Die Verbindungen zu den benachbarten Lötinseln geben einen zusätzlichen Halt.

Inbetriebnahme

  • Vor der Inbetriebnahme prüfen, ob
  • alle Verbindungen erstellt wurden,
  • die Verbindungen korrekt sind,
  • alle Lötstellen gut verlötet sind und
  • keine Lötbrücken vorhanden sind (eine Lupe hilft).
  • Eine LED über einen 1kΩ Widerstand an den Ausgang anschließen.
  • am Ausgang liegen -5V, also die LED mit der Kathode zum Ausgang anschließen.
  • 5V über eine elektronische Sicherung mit 20mA anschließen.
  • Die elektronische Sicherung löst aus:
  • Den Kurzschluss suchen (Lötbrücken, fehlerhafte Verdrahtung).
  • Die LED leuchtet nicht:
  • Ist die 5V-Stromversorgung richtig gepolt?
  • Ist die LED richtig gepolt?
  • Sind alle Verbindungen korrekt erstellt?
  • Gibt es Unterbrechungen?
  • Die Spannung am Ausgang messen. Sie sollte etwa -5V sein.
  • Am Anschluss 2 des ICL7660 liegen etwa 2,5V an.
  • Am Anschluss 4 liegen ca. -2,5V an.
  • Sind die Kondensatoren C1 und C2 richtig gepolt?
  • Gibt es keine Kurzschlüsse durch Lötflöhe (kleine Lötperlen)?
  • 5V über eine elektronische Sicherung mit 20mA verpolt anschließen.
  • Die elektronische Sicherung löst aus:
  • Ist der MOSFET Q1 korrekt eingebaut?
  • Gibt es beim MOSFET Q1 kleine Lötverbindungen?
  • Gibt es dort Kurzschlüsse durch Lötflöhe?
  • Eine Test-LED am Ausgang darf nicht leuchten.

Ergebnisse

Bild 6 zeigt das Minus-5V-Modul auf einem Steckboard.

Am Ausgang des Minus-5V-Moduls wird eine LED über einen 1kΩ Widerstand betrieben.

Die Eingangsspannung beträgt 5V.

  • Bei einem Strom von -2,9mA durch die LED beträgt die Ausgangsspannung -4,7V.
  • Bei -5mA sind es -4,5V.
  • Bei -10mA beträgt die Ausgangsspannung nur noch -4,1V.
  • Der Kurzschlussstrom des Ausgangs ist etwa -37mA.
  • Durch eine Diode sind es -35mA,
  • durch eine rote LED -26mA.