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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.

Multimeter

haben oft einen Bereich für Durchgangsmessungen. Typische Werte sind:

  • Widerstände unter 10Ω werden als Durchgang gewertet.
  • Die Spannung an den offenen Messspitzen ist bei 2V.
  • Der Messstrom liegt bei 0,5mA.
  • Eine Schottky-Diode wird nicht als Durchgang erkannt.
  • Eine externe Spannung darf maximal 30V betragen.

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.

Attention sticker

Der Durchgangsprüfer soll:

  • eine maximale Messspannung unter 0,1V und
  • einen maximalem Messstrom von 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

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Bild 2: Schaltung eines Durchgangsprüfers

In der Schaltung in Bild 2 wird über die Widerstände R5 und R7 am - Eingang des Operationsverstärkers eine Referenzspannung von Uref=8mV erzeugt. Über den Widerstand R1 wird der maximale Messstrom von 20mA bereitgestellt. Sinkt die Spannung Um am Messeingang T1 und damit am invertierenden Eingang des OPV unter 8mV, gibt er eine positive Spannung ab und der Transistor Q1 schaltet den Signalgeber ein.

Ein Widerstand Rm zwischen den Messspitzen erzeugt eine Spannung Um.

Um = Rm * Ubat / R1

Wenn Um der Referenzspannung Uref entspricht, wird Durchgang detektiert. Damit kann Rm bestimmt werden:

Rm = R1  * Um  / Ubat
Rm = 180 * 8mV / 3,7V
Rm = 0,39Ω

Ein Widerstand unter etwa 0,4Ω löst den Signalton aus.

Bei den anderen Werten sieht nicht so gut aus.

Wenn der Messeingang offen ist, liegt eine Spannung von 3,7V an.

Bei einer externen Spannung von 24V am Eingang fließen gar

24V / 180Ω ~ 133mA

Einfacherer Durchgangsprüfer

Wir versuchen, die Schaltung besser zu verstehen und untersuchen sie weiter.

  • Wir lassen die Anforderung, dass maximale Messspannung unter 0,1V liegen soll, fallen.
  • Wir verzichten weiterhin auf einen Piepser und setzen statt dessen eine LED ein.
  • Als Stromversorgung nehmen wir eine 4,5V Batterie.

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

Leitungspruefer-3.png
Bild 3: Einfache Schaltung eines Durchgangsprüfers

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

Durch die Spannungsquelle von 4,5V wird der Messstrom Im=25mA.

Die maximale Spannung am offenen Messeingang ist Uio=4,5V. Das kann bei Messungen in Elektronikschaltungen diese beschädigen.

Über den Spannungsteiler R5 und R7 liegen am --Eingang etwa 10mV. Wir bezeichnen diese Spannung als Referenzspannung Uref=10mV.

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

Wir müssen deshalb davon ausgehen, dass der LM358 die Referenzspannung Uref um 3mV höher oder geringer erkennt. Unsere Referenzspannung Uref liegt damit zwischen 7mV und 13mV. Das ist ein Fehler von ±30%. Damit sind keine genauen Messungen möglich, aber wir wollen nur wissen, ob der Widerstand Rm zwischen den Messspitzen unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.

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

Kleinere Widerstände können nur erkannt werden, wenn der Strom durch Rm erhöht wird. Das können wir erreichen, wenn wir R1 verringern.

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

Mit diesem Widerstand R1=120Ω ist die Schaltung nicht gut gegen externe Spannungen geschützt. Bis zu +12 aber nur -4V werden vertragen. Aber R1 wirkt als Sicherung und brennt zur Not durch :-)

Wir können außerdem die Referenzspannung verringern. Wenn wir sie auf 6mV legen, müssen wir wegen der Offsetspannung mit 3mV bis 9mV rechnen. Bei R1=180Ω würde die Anzeige bei maximal Rm=0,36Ω und minimal 0,12Ω ein Durchgang erkannt werden. Die Referenzspannung von Uref=6mV werden durch R7=13kΩ eingestellt.

R1 Im Uio R7 Uref Uref Rmax
180Ω 25mA 4,5V 22kΩ 10mV 7mV .. 13mV 0,52Ω
180Ω 25mA 4,5V 13kΩ 6mV 3mV .. 6mV 0,35Ω
120Ω 38mA 4,5V 22kΩ 10mV 7mV .. 13mV 0,36Ω
120Ω 38mA 4,5V 13kΩ 6mV 3mV .. 6mV 0,24Ω

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

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. Mit R1=1kΩ fließen 24mA, die noch toleriert werden können.

Dann wird der Messstrom geringer: Im=3,7V/1kΩ=3,7mA. Bei 1Ω haben wir dann eine Messspannung von 3,7mV. Die 3,7mV 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 4: Verbesserte Schaltung des Durchgangsprüfers

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 seiner Fähigkeiten. Eine einfache Schutzschaltung mit einer Diode und einer Z-Diode verhindert eine Überlastung.

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Bild 5: Endgültige Schaltung des Durchgangsprüfers

Bild 5 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.

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

Über die Widerstände R2 und R3 wird am offenen Eingang eine Spannung von 37mV erzeugt. Sie ist eigentlich nicht notwendig, sorgt aber dafür, dass beide Operationsverstärker bei offenem Eingang eine Ausgangsspannung von 0V abgeben. In diesem Zustand verbrauchen sie einen sehr geringen Strom aus der Versorgung. Damit wird die Batterie geschont. Die Widerstände R2 und R5 mit 10MΩ belasten die Batterie nur mit 0,74µA. 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.

Mit den angegeben Werten erkennt der Prüfer eine Verbindung unter 3,3Ω als Durchgang. Aufgrund der Streuung der Offsetspannung des Operationsverstärkers liegt der Wert zwischen 4,3Ω und 2,3Ω.

  • Die Spezifikation, Durchgang nur unter 1Ω zu erkennen kann die Schaltung nach Bild 5 nicht einhalten.

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

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

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

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

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 geladen werden, wenn der Ladestrom über einen Vorwiderstand begrenzt wird.

Bei eBay werden Akkus mit 100mAh bis 130mAh und passenden Maßen für wenige Euros angeboten.

Wir verwenden eine einfache Ladeschaltung, die über R10 den Ladestrom einstellt. 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 R10=22Ω beträgt bei 3V Spannung am Akku der Ladestrom maximal (5V-3V)/22Ω=91mA. Bis zur maximalen Ladespannung von 4,2V reduziert sich der Ladestrom auf (5V-4,2V)/22Ω=36mA. Damit ist der Akku in etwa 3 Stunden geladen.

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

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

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

  • Ein Akku ohne Schutzschaltung ist nicht gegen Tiefentladung geschützt.
  • Er muss regelmäßig geladen werden.
  • Er muss über ein externes Lipo-Ladegerät, das auf den maximalen Ladestrom des Akkus eingestellt ist, geladen werden. Der Widerstand R10 sollte 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 des Durchgangsprüfers

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

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.

Leitungspruefer-brd_s.png
Bild 5: Layout des Durchgangsprüfers
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Die Darstellung des Layout wird ausführlich in Darstellung in KiCAD beschrieben.

Alle Leiterbahnen verlaufen auf der Unterseite. Sie sind grün dargestellt. Es sind vier Drahtbrücken notwendig, die auch auf der Unterseite verlegt werden. Sie sind magenta dargestellt.

Zur Orientierung ist das Raster durch dünne rote Linien dargestellt.

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 durchkontaktierten Leiterplatte auf der Oberseite verlötet werden muss.

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

Leitungspruefer-brd-Top-3D_s.png
Bild 7: Oberseite des Durchgangsprüfers in 3D
Leitungspruefer-brd-Bottom-3D_s.png
Bild 8: Unterseite des Durchgangsprüfers in 3D

Die vier Drahtbrücken sind gut zu erkennen.