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Temperaturkompensierter Schmitt-Trigger - Problem gelöst (Schaltungstechnik)

verfasst von supanova , 07.09.2005, 10:53 Uhr

Hallo zusammen!

Da mein Thread http://www.elektronik-kompendium.de/forum/forum_entry.php?id=15583 leider schon ziemlich weit nach hinten gerutscht ist, erlaube ich mir, hier kurz einen neuen zu eröffnen, um mich für die vielen Hilfen zu bedanken, die ich hier bekommen habe. Nach einigem Experimentieren ist das Gerät nun fertig und funktioniert einwandfrei. Daher wollte ich die Gelegenheit nutzen, den Schaltplan hier reinzustellen, denn vielleicht sucht ja jemand anderes genau soetwas oder hat Lust, das Ganze mal nachzubauen. Ist ja immer schade, wenn jemand ein Schaltungsproblem gelöst hat und dann niemand von der Lösung erfährt...

Um es vorweg zu nehmen: die Probleme mit der mangelhaften Temperaturstabilität konnten durch Verwendung von hochwertigen Metallfilm-Widerständen sowie dem Einsatz einer hochstabilen Spannungsreferenz (TL431) gelöst werden (danke an Jörg an dieser Stelle für den Tipp!!). Das Temperaturverhalten des OP LM358 ist anscheinend doch besser, als man annehmen würde, denn ihn musste ich nicht ersetzen. Ich habe die Schaltung bis -20°C getestet und festgestellt, dass die Schwankungen des Schmitt-Triggers im Millivolt-Bereich liegen. Mit einer winzigen Abschalt-Toleranz (5,40 Volt bei 20°C und 5,38 Volt bei -20°C) kann ich sehr gut leben.

Es handelt sich bei dem Gerät um einen Dämmerungsschalter für drei kleine Flackerlichter mit insg. 280mA, die sich abends automatisch einschalten und so Kerzen simulieren (die Flackerlicht-Schaltung ist nicht im Plan enthalten). Da das Ganze im Akkubetrieb läuft, war natürlich Stromsparen angesagt. Die Schaltung besteht insgesamt aus drei Komponenten, die über ein einfaches Oder-Gatter (D1 bis D3) die Treiber-Schaltstufe sperren (Signal LOW = Ausgang LOW): ein Dämmerungsschalter, eine Schaltuhr und ein Unterspannungs-Wächter.

Das Kernstück bildet die Treiberschaltstufe, die den Ausgang mit stabilen 4,00 Volt versorgt. Diese stabile Spannung ist nötig, damit die Flackerlichter in konstanter Helligkeit unabhängig von der Akkuspannung gleichmäßig leuchten. Um Strom zu sparen, habe ich mich nicht für einen handelsüblichen stromfressenden Spannungsregler entschieden, sondern für die diskrete Variante mit dem TL431. Diese Lösung bietet gleichzeitig den Vorteil, mit zwei zusätzlichen Transistoren aus dem Spannungsregler eine Schaltstufe zu realisieren, die extrem hochohmig angesteuert werden kann und im Ruhebetrieb fast keinen Strom verbraucht. Nur im eingeschalteten Zustand "zieht" die Schaltstufe ca. 7mA bei typ. 6,0V. Dieser Verbrauch hätte durch einen größeren R19 noch etwas reduziert werden können, aber dann hätte der TL431 nicht bis unter 5,0 Volt Eingangsspannung einwandfrei gearbeitet. Somit bildet die Schaltstufe fast schon einen Low-Drop-Spannungsregler mit Schalteingang, verbraucht aber nur die Hälfte eines echten Low-Drop-Reglers.

Der Regler ist als "Aus-Schaltung" konzipiert, d.h. er schaltet durch, solange an seinem Eingang über T5 kein LOW-Pegel anliegt. Somit kann über das Diodengatter eine simple Einschalt-Bedingung festgelegt werden: der Ausgang ist LOW, wenn entweder

- der Dämmerungsschalter LOW gibt (am Tage)
- die Akkuspannung unter 5,40 Volt fällt
- die Zeitschaltuhr die Dämmerungszeit unterbricht (z.B. von 2.00 Uhr bis 5.00 Uhr morgens)

Der Ruhestromverbrauch der gesamten Schaltung liegt bei jeder dieser Bedinungen bei ca. 1mA bei typ. 6,0V und bei ca. 7mA im Betrieb (ohne Last am Ausgang).

Der Unterspannungs-Wächter mit IC1 schaltet die Treiberschaltstufe bei Unterschreiten von 5,40V Akkuspannung ab, um eine Tiefentladung zu verhindern. Erst wenn der Akku auf mind. 5,80V aufgeladen wurde (z.B. über Solarzellen etc.), kann die Schaltstufe wieder durchschalten. Natürlich zieht der Ruhestrom von ca. 1mA den Akku weiter leer, aber bei einer Kapazität von 4Ah würde es dennoch Tage dauern, bis er wirklich Schaden nimmt. Bis dahin wird er wieder nachgeladen - spätestens am nächsten Tag, wenn die Sonne scheint. Die relativ geringe Hysterese von 0,4V ist dabei ein Kompromiss, der im seltenen Fall einer Entladung die Anlage bereits wieder einschaltet, bevor der Akku ganz voll geladen ist.

Der Dämmerungsschalter hat einen weiten Helligkeitsbereich von ca. 1000 Lux (30 Min. nach Sonnenuntergang) bis fast 0 Lux. Leider kann ich zum verwendeten Fototransistor keine Angaben machen, da ich ihn in meiner Bastelkiste herumfliegen hatte. Nachbauer müssen also u.U. mit den Spannungsteilern etwas experimentieren, um das gewünschte Schaltverhalten zu bekommen.

Bei der Schaltuhr handelt es sich um eine handelsübliche Steckdosen-Schaltuhr, die ich einfach ausgesägt und ins Gehäuse gefräst habe. Hier wird der bei diesen Uhren meist übliche LOW-Pegel dazu genutzt, die Einschaltzeit der Anlage während der Nacht zu reduzieren, damit diese nicht die ganze Nacht hindurch läuft.

Vielen Dank nochmal für die nette Hilfe hier!

LG,
supanova

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