Autor: Thomas Schaerer

Der Weihnachts LED-Stern mit 36 Leuchtdioden

Thomas Schaerer

Im ELKO-Newsletter vom 02.11.2011 war in der Einleitung zu lesen:

„Alle Jahre wieder sind wir auf der Suche nach Weihnachtsgeschenken. Doch bevor kurz vor Weihnachten die allgemeine Hektik ausbricht, lohnt es sich jetzt schon ein paar Gedanken zu machen. Leider haben alle Leute schon alles. Deshalb ist es schwer ein passendes Geschenk zu finden. Doch Schenken macht gerade dann am meisten Spass, wenn der Beschenkte etwas bekommt, was er nicht dringend braucht.“

Beim Schenken gibt es anstelle von Kaufen auch die Möglichkeit etwas selbst zu basteln. Geeignet für die dunkeln Winterabende. Wem dabei nichts in den Sinn kommt, empfehle ich diesen elektronischen Weihnachtsstern:

Es waren die letzten Monate des Jahres 1977 als ich einen solchen Weihnacht-LED-Stern baute und am 17. Dezember 1977 war er mit einer Spannweite von etwa 50 cm fertig. Von damals bis heute strahlt er jeden letzten Monat im Jahr aus dem Fenster in meine Wohngegend und trägt seinen Teil zur vorweihnachtlichen Stimmung bei. Wenn es zur Abendstunde dämmert und die vielen elektrischen Kerzen die Wohnzimmerfenster schmücken, schaltet sich mein rot leuchtender LED-Stern mit seinen 36 Leuchtdioden ein, leuchtet bis zur Morgendämmerung und schaltet sich wieder automatisch aus. 32 dieser LEDs sind auf die vier Sternzacken verteilt und vier weitere sind um das Zentrum des Sterns angeordnet. Im Zentrum befindet sich die mattierte runde Plexiglasscheibe die das Umgebungslicht für die Fotodiode einfängt und dessen nachfolgende Elektronik bei der Abenddämmerung die LEDs ein- und bei der Morgendämmerung wieder ausschaltet. Der Stern besteht aus einem dünnen und leichten Sperrholzbrett und in der Mitte auf der Hinterseite befindet sich das Kästchen mit der Dämmerungselektronik. Es gibt auch eine modernere Version der ursprünglichen Schaltung, u.a. mit MOSFET anstelle einer Darlingtonstufe, zur Steuerung der LEDs. Dieser Elektronik-Minikurs kann auch eine Anregung dafür sein, eigene Ideen zu entwickeln…

Viel Spass beim Basteln,
Euer ELKO-Thomas

Der 555-CMOS-Timer als Impulsbreitenmodulator zur Steuerung eines kleinen DC-Ventilators

Thomas Schaerer

Die Impulsbreitenmodulation, auch Pulsweitenmodulation (PWM) genannt, ist ein beliebtes Thema im Forum des Elektronik-Kompendium und dies hauptsächlich in Verbindung mit dem 555-Timer-IC. Ich nahm dies zum Anlass, die PWM-Schaltung mit der moderneren CMOS-Version LMC555 (TLC555) zu untersuchen. Diese CMOS-Version ist schon deshalb interessant, weil ein Rechteckgenerator mit nur einem Widerstand und einem Kondensator besonders einfach zu realisieren ist. Die PWM-Erweiterung besteht im Wesentlichen darin, den Widerstand durch ein Potmeter zu ersetzen und dass mittels zweier Dioden der Lade- und Entladestrom des Kondensators getrennte Wege fließen. Die Herleitung vom einfachen zeitsymmetrischen Rechteckgenerator bis zur PWM-Schaltung wird in diesem Elektronik-Minikurs schrittweise mit vier Bildern anschaulich erklärt. Mit dem vierten Bild wird zugleich eine praktische Anwendung gezeigt, zu lesen im Kapitel DIE PWM-SCHALTUNG FÜR DEN TISCHVENTILATOR.

Und so kam die Motivation zustande:

Eine Elektronik-Discount-Kette in der Schweiz vertrieb einen kleinen batteriebetriebenen Tischventilator für nur 15 Franken. Die Betriebsspannung ist 6 VDC. Die Spannungsquelle besteht aus vier 1.5V-Batterien des Typs AA. Einen solchen Ventilator kaufte ich, weil ich wissen wollte, wieviel Leistung er verbraucht und damit, mit welcher Lebensdauer der vier Batterien zu rechnen ist. Es sind wenige Stunden. Für mein Umweltbewusstsein ist es unverantwortlich ein solches Massenprodukt überhaupt herzustellen und zu vertreiben. Das ist heute nicht mehr opportun, umweltethisch betrachtet, außer man setzt zumindest wiederaufladbare Akkus ein. Dies veranlasste mich, für interessierte ELKO-Leser eine am 230VAC-Netz betriebene PWM-Schaltung mit einem LMC555 (TLC555) und einem Power-MOSFET zu realisieren. Dies ist die Schaltung in Bild 4. Es brauchte dann noch einen kleinen Trick, damit der Ventilator bei niedriger Einstellung der Geschwindigkeit sicher startet. Ein kleiner NPN-Transistor und ein paar passive Teile sorgen dafür, dass beim Einschalten der PWM-Schaltung kurzzeitig der Tastgrad des Rechtecksignales so groß wird, damit der Ventilator sicher anläuft. Warum Tastgrad und nicht Tastverhältnis wird auch erklärt.

Genau der selbe Ventilator ist nicht mehr erhältlich. Es geht aber auch mit jedem andern mit einer Betriebsspannung von 6 VDC und einem Strom von etwa 1A. Für andere Spannungen und Ströme ist es dem kundigen Leser überlassen, selbst die nötigen Modifikationen vorzunehmen.

555-CMOS-Impulsbreitenmodulator mit Strombegrenzung. Power-LED-Anwendung, eine kritische Betrachtung…

Thomas Schaerer

Das Studium dieses Elektronik-Minikurses setzt die Kenntnis eines andern voraus und davon liest man in der Einleitung…

Einige der ELKO-Leser mögen sich noch an die Diskussionen im ELKO-Forum zurück erinnern, als eine NE555-Schaltung in der Funktion als PWM-Generator und eine Leistungsstufe mit einem MOSFET zum Treiben einer Power-LED im Fokus stand. Zwecks Steuerung (Dimmen) einer Power-LED, kommt naturgemäss auch eine Strombegrenzung zum Einsatz. Der Versuch dies mit einem LM317 als Stromquellenschaltung, eingeschlauft in den LED-Stromkreis, zu realisieren, scheiterte wegen der hohen Flankensteilheit des PWM-Signals, weil die Reaktionsträgheit des LM317 zu gross ist. Es funktionierte dann auch nicht so richtig, als man die eigentlich richtige Lösung anstrebte, nämlich mit einem Shuntwiderstand im Sourcekreis des Power-MOSFET und einem NPN-Transistor, der die Gate-Source-Spannung des Power-MOSFET begrenzte und dies zur stabilen Strombegrenzung für die Power-LED führen sollte. Ich erinnere mich, dass es ein Leser fertig brachte, dass seine Schaltung funktionierte. Ich habe damals im ELKO-Forum erklärt, dass ich diese Methode selbst mit einem Versuchsaufbau untersuchen will. Das habe ich in der  Zwischenzeit getan und daraus entstand dieser Elektronik-Minikurs.

Es werden einerseits Irrwege aufgezeigt, wobei anderseits daraus auch Nützliches entstand. Es kommt dabei auch sehr darauf an, ob für eine dimmbare LED-Beleuchtung ein hoher Wirkungsgrad prioritär ist oder eher nicht. Ist dies der Fall, wird auf bestehende Produkte hingewiesen, welche aus geschalteten Stromquellen mit PWM-Eingängen bestehen. Dafür eignet sich dann immer noch die Erzeugung von PWM mit dem Einsatz des 555-CMOS-Timer-IC LMC555 oder TLC555. Alternativ zu dieser Methode gibt es die eines einfachen Generators zur Erzeugung einer Dreieckspannung und einem Komparator. Diese Schaltung bietet den Vorteil, dass die PWM sowohl mittels Potmeter oder einer DC-Eingangsspannung steuerbar ist. Dann zum Schluss noch einmal eine Schaltung mit dem LMC555 (TLC555), die es erlaubt mit einem linearen Potmeter oder mit einer linearen DC-Eingangsspannung den Effekt einer pseudologarithmischen Einstellbarkeit zu erzeugen. So kann man den Dunkelbereich des LED-Lichtes feiner einstellen.

Der vielen Worte kurzer Sinn, viel Spass beim Lesen, selber Tüfteln und Realisieren…

 

Ein DC-Spannungsregler ist auch eine Induktivität!

Thomas Schaerer

Bob Pease: Analog Guru

Ich habe leider erst am 09.09.2011 erfahren, dass am 18.06.2011 Bob Pease, einer der großen Analog-Guru, wegen eines Autounfalls verstarb. Ich bewunderte sein enormes Wissen und seine Praxisnähe in der analogen elektronischen Schaltungstechnik und das veranlasste mich vor mehr als drei Jahren diesen Elektronik-Minikurs zu schreiben, der experimentiernah eine wichtige Erkenntnis von Bob Pease weitergibt. Dieser Minikurs setzt dort an, wo ein gewisser Inhalt im Buch aufhört. Worum es dabei geht, liest man im folgenden Elektronik-Minikurs im Kapitel „TROBLESHOOTING IN ANALOGSCHALTUNGEN von R. A. Pease“.

Im Anschluss dazu erweiterte ich mit dem Kapitel „Zum Tod von Bob Pease“ einen Nachruf mit dem Inhalt, wie ich Bob an einem Seminar in Zürich persönlich erfahren habe.

(Quelle des Bildes: National Semiconductor)

Update: 555-CMOS-Monoflop: Re-Triggerbar!

Thomas Schaerer

Der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses wurde in den Details leicht verbessert. Die Arbeitsweise der Retrigger-Funktion ist mit kleinen Anpassungen in den Bildern etwas besser erklärt. Die Umwandlung von einem nicht retriggerbaren in ein retriggerbares Monoflop ist komplizierter als umgekehrt, weil dadurch die Funktion komplexer gemacht wird. Oder man kann sagen, die Systemordnung wird erhöht.

Deshalb macht es meist keinen Sinn diesen Weg zu gehen, weil es gibt gute Alternativen um auf den LMC555, bzw. TLC555 zu verzichten. Es gibt ICs mit retriggerbaren Monoflopps, bei denen eine zusätzliche Verbindung genügt, um ein nicht retriggerbares Monoflop zu haben. Diese Alternativen sind in diesem Minikurs mit passenden Links erwähnt und empfohlen.

Warum ich bereits vor mehr als 10 Jahren diesen Minikurs geschrieben habe, hat damit zu tun, dass der 555-Timer-IC bis heute ein Renner geblieben ist und man hat auch schon im ELKO-Forum die retriggerbare 555-Monoflop-Schaltung thematisiert.

Weil dieses retriggerbare 555-Monoflop – nur realisiert mit der 555-CMOS-Version LMC555 und TLC555 – zu den zusätzlichen passiven Bauteilen auch noch zwei kleine NPN-Transistoren benötigt, meinte ein ELKO-Leser, dass das zu kompliziert sei und zeigte mir eine einfachere Lösung mit nur einem Transistor und weniger passivem „Zugemüse“. Ich habe dies auf dem Testbord untersucht. Die Schaltung funktioniert, allerdings mit erheblichen Einschränkungen.

Wie es elektronisch zu diesen Defiziten kommt und mit welchen Abstrichen, die man in Kauf nehmen muss, die einfachere Lösung empfehlenswert ist, beschreibt der neue Abschnitt „EINFACHER IST NICHT IMMER BESSER…“ mit zwei zusätzlichen Bildern.

Update: Einfaches Labornetzteil 0…20VDC / max. 3A mit NPN-Komplementärdarlingtonstufe und Überlastanzeige

Thomas Schaerer

Dem Elektronikeinsteiger, ob in einer Lehrausbildung oder als Student, der sich auch praxisorientiert mit dem Thema auseinandersetzen will, bietet sich hier das Verständnis zu erwerben, wie eine Spannungsregelschaltung mit Strombegrenzung und Überlastanzeige funktioniert. Dazu ist die Schaltung quasidiskret realisiert und erprobt. Quasidiskret heisst, es gibt als integrierte Bauteile einen Operationsverstärker und einen Komparator. Das sind fast die einzigen ICs. Fast, weil die Referenzspannungsquelle nach dem hochstabilen Bandgap-Prinzip arbeitet und deshalb selbst aus einigen Transistoren besteht und daher auch ein IC ist. Aber sonst besteht die Schaltung aus Transistoren, Dioden und etlichen passiven Bauteilen. Trotzdem, die Schaltung ist einfach und überschaubar. Differenziert ist die Beschreibung, damit man die Details versteht. Zum Studium und für den Nachbau der Schaltung lohnt es sich daher unbedingt alles genau zu lesen.

Inhalte:

  • Wie arbeitet die Spannungsregelung?
  • Warum braucht es eine zusätzliche Frequenzgangkompensation?
  • Wie arbeitet die Strombegrenzung (I-Limiter)?
  • Die OVERLOAD-Anzeige.
  • Zwei unscheinbare aber wichtige Dioden, D1 und D2!
  • Stabilität, Brummen und Rauschen.
  • Wie hoch muss minimal die Eingangsspannung +Ue sein?
  • Wie hoch darf maximal die Eingangsspannung +Ue sein?
  • Belastung des Leistungstransistors, Kriterien und der Zweite Durchbruch.
  • Grundlegendes zur Kühlung des Leistungstransistors.
  • NEU: Kühlkörper-Online-Berechnungsprogramme.
  • Platinenlayout zur Schaltung in Bild 1.
  • Testschaltung und die Frequenzgangkompensation.
  • Welche Alternative gibt es für höhere Spannungen? Eine Prinzipschaltung.

Das Update besteht aus einer Überarbeitung des Textes und ganz NEU:
Es gibt drei Kühlkörper-Online-Berechnungsprogramme.

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

Thomas Schaerer

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.

Update: EMG-VORVERSTÄRKER DELUXE mit INA111

Thomas Schaerer

Wie es das Titelbild zum Ausdruck bringt, ist mit diesem Elektronik-Minikurs nicht einfach nur der Elektroniker, sondern ganz speziell auch der MEDIZIN-ELEKTRONIKER angesprochen, der mit Elektromyographie (EMG) zu tun hat. Wenn so jemand vor der Aufgabe steht einen EMG-Vorverstärker zu realisieren, dann ist das genau der richtige Einstieg, unabhängig davon, ob man mit EMG-Biofeedback oder mit EMG-Messung zu tun hat. Der EMG-VORVERSTÄRKER DELUXE zeigt eine elegante Lösung mit wenig Zusatzaufwand, um intramuskuläre EMG-Messungen mittels Nadel- oder beinah haarfeinen Drähtchenelektroden, im Muskel implementiert, durchzuführen. Das Wichtigste dabei ist die stabile Neutralisation der Kapazität zwischen der Signalleitung und der Abschirmung im Kabel auf dem Weg von der Elektrode zum Vorverstärker.

Wer erfahren will, warum das so wichtig ist und viele andere nicht weniger wichtige Details, der klicke einfach auf den folgenden Link:

Update: Operationsverstärker II

Thomas Schaerer

Dieser Elektronik-Minikurs setzt das Thema über die DC-Offsetspannung und dessen Kompensation aus Operationsverstärker I fort. Dieses Thema wird hier vertiefter und differenzierter angeboten. Es gibt auch die Methode der direkten Kompensation der DC-Offsetspannung am Operationsverstärker, jedoch hat diese ihre Grenzen. Dies wird ausführlich erklärt. Die präzise Abstimmung der DC-Offsetkompensation wird in Verbindung zur präzisen Abstimmung der Verstärkung erklärt. Beides wird mit einem Operationsverstärker realisiert, der Teil eines weiteren analogen Systems sein kann. Es folgt die Methode eines mehrkanaligen Abgleichs mit hochpräzisen Bandgap-Referenzdioden. Abschliessend wird hier gezeigt, wie man mit dem Problem der kapazitiven Last am Ausgang des Operationsverstärkers umgeht, z.B. wenn eine lange abgeschirmte Leitung getrieben werden soll. Mit lediglich zwei zusätzlichen Bauteilen wird dieses Problem gelöst. Man nennt diesen Trick die Lead-Kompensation.

Der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses ist für ein besseres Verständnis von Text und Bild leicht überarbeitet. Bild 1 zeigt am Beispiel des traditionsreichen und alten Operationsverstärker µA741 (LM741) wie der Abgleich der DC-Offsetspannung mit der Eingangsstufe zusammenarbeitet. Aus diesem Grund ist die Eingangsstufe wiedergegeben. Hier gab es einenFehler bezüglich der Einspeisung der positiven Betriebsspannung zu den beiden Transistoren T3 und T4. Anstelle eines Stromspiegels zeigte sich dort das Symbol einer Stromquelle. Auf diesen Fehler machte mich ein ELKO-Leser drauf aufmerksam. Ich habe diesen Fehler bereinigt. Mit einem Klick hat man zusätzlich die Möglichkeit den gesamten und vollständigen Innenaufbau des µA741 (LM741) im Wikipedia zu betrachten.

Dreieckgenerator mit Operationsverstärker

Thomas Schaerer

Was sind die grundlegenden Voraussetzungen um eine Dreieckspannung zu erzeugen? Wenn man verstanden hat, dass immer eine konstante Stromquelle/senke involviert ist, welche Möglichkeiten bieten sich? Die Integratorschaltung mit Opamp, eine beinah ideale leicht steuerbare Stromquelle, bietet die beste und einfachste Lösung mit der Unterstützung durch einen Schmitt-Trigger. Die virtuelle Spannung, ein dynamischer Vorgang, der den Effekt einer konstanten Stromquelle am Leben erhält…

Doch nun im Einzelnen. Es beginnt mit der unterschiedlichen Ladecharakteristik eines RC-Gliedes mit der typischen Exponentialkurve im Vergleich zum IC-Glied dessen Ladekurve eine Gerade ist. Dies ist die primäre Voraussetzung für einen Dreieckgenerator. IC bedeutet hier nicht wie sonst gewohnt Integrated Circuit, sondern anstelle von Widerstand-Kondensator (RC), Strom-Kondensator (IC).

Da der 555-Timer gerade im ELKO und seinem Forum eine Tradition hat, soll gezeigt werden, mit welchem Aufwand der bessere LMC555 (CMOS-Version) sich für einen Dreieckgenerator eignet. Nach dieser enttäuschenden Erfahrung kann man zu diesem Thema den 555er als erledigt betrachten. Danach kommt es im Endspurt zum Dreieckgenerator mit zwei Opamps oder mit einem Opamp und einem Komparator bei höheren Dreieckfrequenzen.

Hier wird akribisch an selbstdurchführbaren kleinen Experimenten gezeigt und erklärt warum ein aktiver Integrator mit einem Opamp als steuerbare konstante Stromquelle zwischen Ausgang und invertierendem Eingang arbeitet und dies die wichtigste Aufgabe ist um eine Dreieckspannung zu erzeugen.

Nach dieser Exkursion kommt es zur praktischen Schaltung, bei der die Dreieckspannung, die Frequenz, die DC-Offsetspannung und die Dreiecksymmetrie eingestellt werden kann.  Diese Schaltung dient u.a. dem folgendem Elektronik-Minikurs:

Beim einfachen Dreieckgenerator, bestehend aus einem Integrator (Opamp) und Schmitt-Trigger (Komparator), beeinflusst die Spannungseinstellung die Frequenz. Daher eignet sich diese Schaltung vorwiegend dann, wenn nur eine feste Spannung justiert werden muss, jedoch die Frequenz frei einstellbar sein soll. Mit einer zusätzlichen kleinen Opampschaltung kann man beides von einander unabhängig realisieren.

Im letzten Kapitel geht es noch um einen Dreieckgenerator der anstelle mit einer symmetrischen Betriebsspannung (±Ub) nur mit einer einfachen (+Ub) arbeitet. Hier sind die Tücken der korrekten Arbeitspunkt- bzw. Referenzspannung thematisiert.

Wer nach diesen einleitenden Worten an den Details interessiert ist, empfehle ich diesen neuen Elektronik-Minikurs: