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Ein Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen


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Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen

Ein Durchgangsprüfer soll feststellen, ob zwischen zwei Anschlüssen eine Verbindung besteht. Meist ertönt ein akustisches Signal, wenn eine Verbindung besteht.

Die Schaltung ist im Prinzip einfach.

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Bild 1: Schaltung eines einfachen Durchgangsprüfers

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

Aber was bedeutet Verbindung?

  • Bei 100Ω gibt gibt es einen Ton.
  • Bei einer Diode in Durchlassrichtung wird eine Verbindung erkannt.
  • Die Versorgungsanschlüsse eines ICs werden als Verbindung erkannt, wenn der der --Anschluss des Durchgangsprüfers mit U+ des ICs verbunden ist, der IC verpolt wurde.

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

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

Multimeter

Multimeter haben oft einen Bereich für Durchgangsmessungen. Typische Werte sind:

  • Widerstände unter 10Ω werden als Durchgang gewertet.
  • Die Spannung an den offenen Messspitzen liegt bei 2V.
  • Der Messstrom beträgt etwa 0,5mA.
  • Eine Schottkydiode wird nicht als Durchgang erkannt.
  • Eine externe Spannung darf 30V nicht überschreiten.

Anforderungen

Wenn die Messspannung kleiner als die Flussspannung der Bauelemente ist, kann sie keine schädliche Wirkung haben. Außerdem sollte der Messstrom so klein wie möglich sein.

Da es immer wieder zu Bedienungsfehlern kommen kann, muss der Durchgangsprüfer so robust sein, dass er durch externe Spannungen nicht beschädigt wird und nach Möglichkeit die zu messende Schaltung nicht beschädigt.

Attention sticker

Der Durchgangsprüfer soll:

  • Eine maximale Messspannung von 0,1V und
  • einen maximalen Messstrom von 20mA haben.
  • ±24V zwischen den Prüfspitzen widerstehen.
  • Bei ±24V zwischen den Prüfspitzen den maximalen Strom auf etwa 20mA begrenzen.
  • Durchgang nur bei einem Widerstand unter 1Ω erkennen.
  • Er soll 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 wird ein Widerstand von 180Ω benötigt.

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, so liefert dieser eine positive Spannung 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 erkannt. 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 verzichten auf die Forderung, dass die maximale Messspannung kleiner als 0,1 V sein muss.
  • Wir verzichten weiterhin auf einen Signalgeber und verwenden statt dessen eine LED.
  • Als Stromversorgung Verwenden wir eine 4,5V Batterie.

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

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Bild 3: Einfache Schaltung eines Durchgangsprüfers

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 0V anliegen. Das ist der Fall, wenn die Spannung am +-Eingang kleiner ist als am --Eingang.

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

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

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

Leider ist der LM358 nicht so ideal, wie wir uns das wünschen. 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 also 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 unter einem bestimmten Wert 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.

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

Bei 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 toleriert. R1 wirkt wie eine Sicherung und brennt im Notfall durch :-)

Wir können außerdem die Referenzspannung verringern. Wenn wir sie auf 6mV setzen, müssen wir wegen der Offsetspannung mit 3mV bis 9mV rechnen. Bei R1=180Ω würde die Anzeige bei maximal Rm=0,36Ω (bei Uref=13mV) und minimal 0,12Ω (bei Uref=7mV) einen Durchgang erkennen. 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 .. 9mV 0,36Ω
120Ω 38mA 4,5V 22kΩ 10mV 7mV .. 13mV 0,34Ω
120Ω 38mA 4,5V 13kΩ 6mV 3mV .. 9mV 0,24Ω
120Ω 30mA 3,6V 22kΩ 8mV 5mV .. 11mV 0,37Ω
120Ω 30mA 3,6V 13kΩ 5mV 2mV .. 8mV 0,27Ω

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.

Attention attention

Nicht für Elektronikschaltungen

Die Schaltung in Bild 3 ist nicht als Durchgangsprüfer in Elektronikschaltungen geeignet.

  • Die Messspannung von 4,5V kann Bauelemente zerstören.
  • Der Messstrom bis zu 38mA kann Bauelemente zerstören.

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

Dann wird der Messstrom kleiner: 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 niedrig, weil er eine Offsetspannung in diesem 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 größer als 8mV ist.

Wir verwenden einen zweiten Operationsverstärker, der R1 abschaltet, wenn die Eingangsspannung größer als 8mV ist. Zur Sicherheit legen wird Schwelle für den zweiten OPV etwas höher.

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Bild 4: Verbesserte Schaltung des Durchgangsprüfers

Mit den Widerständen R5, R6 und R7 werden drei Spannungsschwellen für die beiden OPVs eingestellt. Die Spannung für U1A beträgt 16mV, die für U1B bei 8mV.

Der Operationsverstärker U1A ist ein nicht invertierender Verstärker mit einer Verstärkung 1 und liefert am Ausgang 16mV. Diese Spannung liegt auch am Messeingang an und sie ist kleiner als 100mV.

Endgültige Schaltung

Attention attention

Nicht für 230V Systeme

Der Durchgangsprüfer darf niemals für Messungen im 230V-Stromnetz verwendet werden.

  • Auch dann nicht, wenn keine Spannung anliegt.

Der Durchgangsprüfer darf nur in stromlosen Schaltungen verwendet werden.

  • Anderenfalls können Schäden in der gemessenen Schaltung entstehen.
  • Bei Spannungen über 24V kann der Durchgangsprüfer zerstört werden.

Wir müssen noch untersuchen, was passiert, wenn am Eingang ±24V anliegen. Der U1A muss einen Strom von ±20mA bewältigen. Das liegt 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

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 5,6V. R1 liegt immer im Messkreis. 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. Die Flussspannung der Dioden begrenzt die Spannung an den +-Eingängen der OPVs auf ±0,6V. Am Messeingang liegen normalerweise weniger als 0,1V an. Die Dioden stören normale Messungen nicht.

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

Der Piezo-Summer 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 10MΩ belasten die Batterie nur mit 0,72µA. Der Operationsverstärker MCP6042 hat eine sehr geringe Stromaufnahme von unter 2µA. Der Transistor wird auch nicht perfekt abschalten. Wenn wir im ungünstigsten Fall von 5µA 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 angegeben Werten erkennt der Durchgangsprüfer eine Verbindung unter 2,2Ω als Durchgang. Aufgrund der Streuung der Offsetspannung des Operationsverstärkers liegt der Wert zwischen 1,6Ω und 2,7Ω.

  • Die Vorgabe, Durchgang nur unter 1Ω 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=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 wird 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. Der Strom muss vom Operationsverstärker geliefert werden. Mehr als 6mA sind nicht zu empfehlen, weil dann die Ausgangsspannung von U1A sinkt. Außerdem müssen wir in Kauf nehmen, dass bei einer externer Spannung am Messeingang höhere Ströme fließen.

Mit R1=560Ω beträgt 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 Lipo-Akkus ist nicht kritisch, sondern vielmehr seine Abmessungen. Er sollte nicht breiter als 15mm und nicht länger als 40mm sein, wenn der vorgeschlagene Aufbau verwendet werden soll.

Es gibt Lipo-Akkus, die einen Überladungs- und Tiefentladungsschutz enthalten. Damit kann eine einfache Schaltung aufgebaut werden, da der Akku sich selbst schützt.

Attention flag

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

  • Dieser wird im Internet z.B. unter "Lipo PCB" angeboten. Die Beschreibung sollte sinngemäß lauten:
  • "schützendes PCB-Lademodul, verhindert Überladung, Tiefentladung, Überstrom ..."
  • In der Abbildung sind bei den Anschlüssen ein bis zwei 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. Vielmehr muss eine Ladeschaltung vorgesehen werden.

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

Bei eBay werden Akkus mit 100mAh bis 130mAh 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 Akkuspannung und der Spannungsquelle ab. Wir verwenden unsere normale Spannungsquelle mit 5V. Die Akkuspannung beträgt minimal 3V und maximal 4,2V.

Bei R10=22Ω und 3V Akkuspannung beträgt 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.

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Achtung Lipo-Akkus können brennen

Lipo-Akkus können bei unsachgemäßer Handhabung 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 und
  • geöffnet werden.

Nach Gebrauch ist ein Lipo-Akku ordnungsgemäß zu entsorgen.

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

Die Verwendung von Lipo-Akkus erfolgt auf eigene Gefahr.

Aufbau des Durchgangsprüfers

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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.

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

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

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Bild 5: Layout des Durchgangsprüfers

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 sind von der Oberseite montiert. Der Summer BZ1 ist jedoch ein SMD-Bauelement, dass 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.

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Messspitze

Als Messspitze eignet sich ein Tapetennagel aus Stahl.

Stahl lässt sich jedoch nicht gut löten.

  • Vor dem Löten mit Schmirgel blank putzen.
  • Kein Lötfett oder gar Säure verwenden.
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Bild 7: Oberseite des Durchgangsprüfers in 3D
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Bild 8: Unterseite des Durchgangsprüfers in 3D

Die vier Drahtbrücken sind gut zu erkennen.