Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen

Das Ergebnis ist eine einfache Schaltung, die wir gut untersuchen können.

Die Schaltung in Bild 3 entspricht weitgehend der in Bild 2. Die Eingänge + und - des Operationsverstärkers wurden vertauscht und am Ausgang wurde eine LED angeschlossen. Die LED leuchtet, wenn am Ausgang des Operationsverstärkers etwa 0 V anliegen. Das ist der Fall, wenn die Spannung am +-Eingang kleiner ist als am --Eingang.

Durch die Spannungsquelle von 4,5 V beträgt der Messstrom I_m=25 mA.

Die maximale Spannung am offenen Messeingang beträgt U_io=4,5 V. Dadurch können bei Messungen in Elektronikschaltungen diese beschädigt werden.

Über den Spannungsteiler R₅ und R₇ liegen am --Eingang etwa 10 mV. Diese Spannung ist unsere Referenzspannung U_ref=10 mV.

Leider ist der LM358 nicht so ideal, wie wir uns das wünschen. Er hat eine Offsetspannung zwischen den beiden Eingängen, die bis zu ±3 mV betragen kann.

Wir müssen deshalb davon ausgehen, dass der LM358 die Referenzspannung U_ref um 3 mV höher oder niedriger erkennt. Unsere Referenzspannung U_ref liegt also zwischen 7 mV und 13 mV. Das ist ein Fehler von ±30 %. Damit sind keine genauen Messungen möglich, aber wir wollen nur wissen, ob der Widerstand R_m zwischen den Messspitzen unter einem bestimmten Wert liegt.

In der Schaltung in Bild 3 liegt der Widerstand R_m im Bereich zwischen 0,28 Ω und 0,52 Ω. Wir können sicher sein, dass R_m unter 0,52 Ω liegt.

Widerstände unter 0,52 Ω können nur sicher erkannt werden, wenn der Strom durch R_m erhöht wird. Das können wir erreichen, indem wir R₁ verkleinern.

Bei R₁=120 Ω würde ein Durchgangswiderstand von R_m zwischen 0,35 Ω und 0,19 Ω angezeigt werden. Der Messstrom beträgt 38 mA.

Mit diesem Widerstand R₁=120 Ω ist die Schaltung nicht gut gegen externe Spannungen geschützt. Bis zu +12 V, aber nur -4 V werden toleriert. R₁ wirkt wie eine Sicherung und brennt im Notfall durch

Wir können außerdem die Referenzspannung verringern. Wenn wir sie auf 6 mV setzen, müssen wir wegen der Offsetspannung mit 3 mV bis 9 mV rechnen. Bei R₁=180 Ω würde die Anzeige bei maximal R_m=0,36 Ω (bei U_ref=9 mV) und minimal 0,12 Ω (bei U_ref=3 mV) einen Durchgang erkennen. Die Referenzspannung von U_ref=6 mV wird durch R₇=13 kΩ eingestellt.

Die Tabelle zeigt für zwei Werte von R₁ den maximalen Messstrom und den maximalen Widerstand R_m, bei dem ein Durchgang erkannt wird. Die Spannung U_io an den offenen Messspitzen beträgt 4,5 V.

Wir müssen noch untersuchen, was passiert, wenn am Eingang ±24 V anliegen. Der U1A muss einen Strom von ±20 mA bewältigen. Das liegt außerhalb seiner Fähigkeiten. Eine einfache Schutzschaltung mit einer Diode und einer Z-Diode verhindert eine Überlastung.

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 Spannungen auf 5,6 V. R₁ liegt immer im Messkreis. Bei +24 V am Eingang fließen (24 V-5,6 V)/1 kΩ=19 mA, bei -24 V sind es 24 mA.

Die ±24 V könnten auch über R₄ zum Eingang des Operationsverstärkers gelangen. Die Dioden D3 und D4 schützen die Eingänge der Operationsverstärker vor zu hohen Eingangsspannungen. Die Flussspannung der Dioden begrenzt die Spannung an den +-Eingängen der OPVs auf ±0,6 V. Am Messeingang liegen normalerweise weniger als 0,1 V an. Die Dioden stören normale Messungen nicht.

Die Widerstände R₂ und R₃ erzeugen eine Spannung von 37 mV am offenen Eingang. Sie ist eigentlich nicht notwendig, sorgt aber dafür, dass die beiden Operationsverstärker bei offenem Eingang eine Ausgangsspannung von 0 V abgeben. In diesem Zustand verbrauchen sie nur wenig Strom aus der Versorgung.

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

Die Widerstände R₂ und R₅ mit 10 MΩ belasten die Batterie nur mit 0,72 µA. Der Operationsverstärker MCP6042 hat eine sehr geringe Stromaufnahme von unter 2 µA. Der Transistor wird auch nicht perfekt abschalten. Wenn wir im ungünstigsten Fall von 5 µA ausgehen, hält die Batterie für mehrere Jahre.

Die zweite Messspitze wird an die dreipolige Buchse J2 angeschlossen. Dazu können die beiden äußeren Anschlüsse verwendet werden. Über diese Buchse wird auch der LiPo-Akku geladen.

Bei den angegebenen Werten erkennt der Durchgangsprüfer eine Verbindung unter 2,2 Ω als Durchgang. Aufgrund der Streuung der Offsetspannung des Operationsverstärkers liegt der Wert zwischen 1,6 Ω und 2,7 Ω.

• Die Vorgabe, Durchgang nur unter 1 Ω zu erkennen, kann mit der Schaltung nach Bild 5 nicht eingehalten werden.

Dieser Wert für Durchgang kann verringert werden, wenn mit R₇ eine kleinere Referenzspannung eingestellt wird. Unter R₇=15 kΩ ist nicht zu empfehlen, weil dann die Offsetspannung des MCP6042 zu fehlerhaften Messungen führen kann. Bei R₇=15 kΩ erkennt der Prüfer Durchgang bei maximal 2,8 Ω. Meist wird es 1,8 Ω sein, mit Glück 0,8 Ω.

Ein geringerer Wert für Durchgang kann auch durch einen höheren Messstrom erreicht werden. Dazu muss R₁ verringert werden. Bei R₁=1 kΩ ist der Messstrom etwa 3 mA, weil an der Diode D2 etwa 0,6 V abfallen. Der Strom muss vom Operationsverstärker geliefert werden. Mehr als 6 mA sind nicht zu empfehlen, weil dann die Ausgangsspannung von U1A sinkt. Außerdem müssen wir in Kauf nehmen, dass bei einer externen Spannung am Messeingang höhere Ströme fließen.

Mit R₁=560 Ω beträgt der Messstrom I_m=5,4 mA. Die Referenzspannung von 8 mV wird dann mit einem Messwiderstand R_m=1,5 Ω (2 Ω bis 0,95 Ω) erreicht.

Der maximale Strom durch R₁=560 Ω ist bei einer externen Spannung von 24 V I_m=43 mA und R₁ würde mit bis zu 1 W belastet.

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

Bei eBay werden Akkus mit 100 mAh bis 130 mAh und passenden Abmessungen für wenige Euro angeboten.

Wir verwenden eine einfache Ladeschaltung, bei der der Ladestrom mit R₁₀ eingestellt wird. Der Strom ist nicht konstant, sondern hängt von der Akkuspannung und der Spannungsquelle ab. Wir verwenden unsere normale Spannungsquelle mit 5 V. Die Akkuspannung beträgt minimal 3 V und maximal 4,2 V.

Bei R₁₀=22 Ω und 3 V Akkuspannung beträgt der Ladestrom maximal (5 V-3 V)/22 Ω=91 mA. Bis zur maximalen Ladespannung von 4,2 V reduziert sich der Ladestrom auf (5 V-4,2 V)/22 Ω=36 mA. Damit ist der Akku in etwa 3 Stunden geladen.

Die obigen Werte für R₁₀ beziehen sich auf Akkus mit 1 C. Bei z. B. 0,5 C muss R₁₀ verdoppelt werden.

Der Widerstand R₁₀=22 Ω kann für einen Akku mit 100 mAh und mehr verwendet werden.

Der Durchgangsprüfer kann als handlicher Prüfstift mit 130 mm * 15 mm * 10 mm realisiert werden.

Der Durchgangsprüfer kann einfach auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Die Platine kann einseitig kaschiert sein. Der LiPo-Akku wird mit Klebefilm befestigt.

Alle Leiterbahnen verlaufen auf der Unterseite. Sie sind grün dargestellt. Es werden vier Drahtbrücken benötigt, die ebenfalls auf der Unterseite verlegt werden. Sie sind im Layout magenta dargestellt. Sie sind teilweise direkt mit Pins von Bauelementen verbunden.

Zur Orientierung ist das Raster durch dünne rote Linien dargestellt.

Alle Bauelemente werden von der Oberseite montiert. Der Summer BZ1 ist jedoch ein SMD-Bauelement, das über einen Draht durch die Bohrung des Lötpunkts verbunden oder bei einer durchkontaktierten Leiterplatte auf der Oberseite verlötet werden muss.

Als Messspitze wird ein Tapetennagel aus Stahl verwendet.