UPDATE: Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung, Teil I und II

Dieser Elektronik-Minikurs besteht aus zwei Teilen, bzw. aus zwei Links. Der erste Teil befasst sich damit, dass man keine kostspieligen Rail-to-Rail-Opamps benötigt, wenn man auf der Leitung der positiven Betriebsspannung den Strom detektieren möchte mittels eines Opamp in der Funktion als Komparator. Ein echter Komparator käme auch in Frage, ist aber nicht nötig. Warum dies möglich ist, liest man ausführlich im Theorie-Teil. Ebenso wird angedeutet, dass dies auch für eine negative Betriebsspannung gilt. Der Unterschied der verwendbaren Lowcost-Opamps liegt in deren Eingangsbeschaltung. Man beachte das Titelbild vor dem Weiterlesen…

Bild 1: Wenn der Strom von +Ue via Rs nach +Ua so klein ist, dass die Spannung über Rs niedriger ist als die Flussspannung der Schottky-Diode SD, erzeugt Opamp A an Uc eine Spannung von beinahe 0V (GND). Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn der Strom soweit ansteigt, dass die Spannung über Rs die Flussspannung von SD überschreitet. Da schaltet Uc auf beinahe +Ue. Diese Logik-Steuerspannung Uc (c = control) eignet sich grundsätzlich für beliebige Anwendungen. Hier geht es um eine elektronische Sicherung.

Bild 2: Nachteilig in Bild 1 ist, dass die Spannungsreferenz nicht deutlich niedriger ist als die Flussspannung von SD (~0.2V), weil bei der Detektion eines hohen Stromwertes setzt es für Rs einen Leistungswiderstand voraus. Dazu kommt, dass  die Spannung +Ua deutlich stromabhängig ist und der Maximalstrom ist nicht einstellbar. Abhilfe schafft die einfache Konstantstromquelle aus R1, R2, T und LED. Die Temperaturdrifts von T und LED kompensieren sich ausreichend genug für diese Anwendung, jedoch nicht für eine präzise Strommessung. Mit dem Trimmpot P kann man die Schaltschwelle (maximaler Strom) calibrieren. Mit dieser Methode kann man leicht im 10-mV-Bereich verlustarm arbeiten. NEU: Es wird abschliessend in Teil 2 noch eine alternative Lösung mittels Bandgap-Referenzspannung vorgestellt.

Bild 3: Hier kommt die Stromsensor-Schaltung von Bild 2 mit dem Unterschied zum Einsatz, dass die Eingänge von Opamp A vertauscht sind. Uc ist beinahe +Ub im Betriebszustand und wird beinahe 0V (GND) zum Auslösen der Sicherungsfunktion. Das Relais unterbricht den Stromkreis. Nach der Beseitigung von Überlast oder Kurzschluss an +Ua, setzt man mit der Taste EIN die Schaltung wieder in Betrieb und das Relais schaltet ein. Anstelle eines Relais ist NEU! auch ein Power-MOSFET eine Option. Dazu und alles Andere (z.B. dimensionierbare Trägheit), detailliert beschrieben, in den folgenden beiden Links. Man beginnt mit den theoretischen Grundlagen in Teil 1 und man fährt fort mit der praktischen Anwendung in Teil2.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Z-Diode-Erweiterungskurs und die Bandgap-Referenz

Dieser Elektronik-Minikurs befasst sich mit den Eigenschaften von Zenerdioden und zeigt mit einem Diagramm die Abhängigkeit von Temperatur und Strom. In diesem Zusammenhang werden Vor- und Nachteile der Serienschaltung von Zenerdioden für DC-Anwendungen erklärt. Leistungs-Zenerdioden werden an einem sehr praktischen Beispiel gezeigt: Eine Z-Dioden-Stabilisierung für die Fahrradbeleuchtung. Zwei Zenerdioden, gegenpolig in Serie, begrenzen die Dynamo-Wechselspannung, damit die kleine Birne mit niedriger Leistung im Rücklicht nicht auch noch durchbrennt, wenn die vordere stärkere Birne der Scheinwerferlampe das Zeitliche segnet. Es gibt auch spezielle hochstabile Referenzelemente, die nach dem Zenerprinzip arbeiten und es gibt Referenzelemente nach einem völlig andern, dem sogenannten Bandgap-Prinzip. Und damit kommen wir zum eigentlichen Update nach dieser kleinen Einführung.

Das Kapitel DIE BANDGAP-SPANNUNGSREFERENZ wurde vollständig neu überarbeitet und erweitert. Im Fokus ist die Bandgap-Referenz LM385 von National-Semiconductor. Beim LM385 kann man die Referenzspannung mit einprozentigen Widerständen mit niedrigem Temperaturkoeffizienten selbst dimensionieren. Der LM385-1.2 liefert eine fixe Referenzspannung von 1.2 VDC und der LM385-2.5 eine von 2.5 VDC. Man kann diese Bandgap-Referenzen in einem Strombereich von 20 µA bis 20 mA einsetzen, mit einer Spannunsgabweichung von nur 20 mV. Das sind 0.8% in Bezug auf die Referenzspannung von 2.5 VDC. Bei einer Stromänderung zwischen 20 µA und 1 mA sind es maximal nur 2 mV, entsprechend 0.08%. Ich weise dabei auch daraufhin, die Datenblätter stets genau zu lesen. In den Diagrammen findet man wichtige Informationen, die einem vorenthalten sind, wenn man sie nicht zur Kenntnis nimmt. Das sind Stolpersteine, die es zu vermeiden gilt. So steigt der minimale Strom auf gut 60 µA, wenn man den LM385 auf +5 VDC dimensioniert. Es empfiehlt sich ein minimaler Strom von 0.1 mA zu dimensionieren.

Es gibt auch sehr praktische Anwendungsmöglichkeiten den LM385 als Spannungsquelle für kleine Schaltungen mit niedriger Leistung einzusetzen. In diesem Zusammenhang wird in Bild 7 der LM385 dem LM317L ( L = Lowpower-Version) mit Vor- und Nachteilen gegenübergestellt. Bild 8 stellt zwei praktische Anwendungen vor: Die Speisung einer akkubetriebenen Kleinschaltung und die symmetrische Speisung eines Hallsensors, der in einem Stromsensorprojekt zum Einsatz kommt. Diese Beispiele dienen zur Anregung von eigenen Ideen. Viel Spaß mit Bandgap-Spannungsreferenzen.


Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und Bandgap-Spannungsreferenz, und eine LED-Testschaltung

LED-Testschaltung

DIE LED-TESTSCHALTUNG

Die logische Schlussfolgerung aus dem Inhalt dieses Elektronik-Minikurses ist die LED-Testschaltung mit einer Bandgap-Referenz als extrem hochstabile Referenzspannungsquelle. Ein Leser des ELKO-Forums kritisierte in einem Posting, dass dies übertrieben sei und man ebenso eine LED als Referenzspannungsquelle nutzen kann. Damit hat er natürlich recht und ich habe in diesem Update die Schaltung in Bild 6 entsprechend ergänzt. Man beachte nach Bild 6 die Beschreibung mit dem Untertitel:

EINE LED ALS REFERENZ-SPANNUNGSQUELLE GENÜGT
Mit diesem Update wurde auch der ganze Inhalt leicht überarbeitet.