Autor: Thomas Schaerer

Einschaltstrombegrenzung für Ringkerntrafos, ohne Trafo-Sekundärspannung

Thomas Schaerer

Einschaltstrombegrenzung für Ringkerntrafos, ohne Trafo-SekundärspannungDieser Elektronik-Minikurs ergänzt den ersten (2. Link) mit dem Unterschied, dass bei diesem die Speisung der Schaltung direkt aus dem 230-VAC-Netz erfolgt. Ein Vorteil mit nur einer galvanischen Trennung, wie nebenstehend das Titelbild illustriert.

Um den Inhalt dieses zweiten Elektronik-Minikurses über die Einschaltstrombegrenzung, inklusive Heissleiter und Trafo, richtig zu verstehen, sind die Kenntnisse des ersten (2. Link) nowendig. Der grosse Vorteil der Speisung der Elektronik zur Einschaltstrombegrenzung aus dem 230-VAC-Netz ist, dass das Relais, dessen Arbeitskontakt nach der Einschaltung verzögert den Heissleiter (NTC) überbrückt, keine speziellen Isolationseigenschaften aufweisen muss. Das Relais ist für keine galvanische Trennung verantwortlich. Es ist daher möglich ein beliebiges 230-VAC-taugliches Relais zu verwenden, das von verschiedenen Herstellern erhältlich ist. Die Funktionsweise der Einschaltstrombegrenzung mit Schaltung und Diagramm wird anschaulich erklärt.

Besonders bei medizinischen Anwendungen sind solche Vorteile besonders wichtig, weil neben der höheren Anforderung an Isolationsspannung, auch ein besonders geringer Erd-, bzw. Patientenableitstrom wichtig ist. Da kann der Entwickler eines Netzteiles für medizinische Spezifikationen froh sein, wenn man nicht auch noch um das Relais besorgt sein muss.

Es gehört zwar nicht zum Thema, trotzdem wird auch noch die Daten-Schnittstelle zwischen Computer/Internet und medizin-sensitiver elektronischer Schaltung unter die Lupe genommen und es wird grob gezeigt welche Massnahmen sich bieten.

Update: Echter Differenzverstärker I

Thomas Schaerer

Update: Echter Differenzverstärker IVollständig neu überarbeitet ist das Kapitel Differenzverstärker mit Bild 3. Dieses Kapitel erklärt neu, warum der Eingangswiderstand bei einem Gleichtaktsignal an beiden Eingängen gleiche Werte hat, bei Gegentakt jedoch ungleich ist.

Diese Eigenschaft macht diese Schaltung, die mit nur einem Operationsverstärker auskommt, nicht zu einem echten Differenzverstärker bzw. Instrumentationsverstärker. Es zeigt aber, wenn im Falle einer niederohmigen Signalquelle ein einfacher Differenzverstärker mit unterschiedlichen Eingangswiderständen für Gegentaktsignale genügt, dann hat man immerhin den Vorteil, dass auf allfällig vorhandene Gleichtaktsignale die Eingangswiderstände gleich gross sind, und deshalb diese Gleichtaktsignale wirksam unterdrückt werden.

Störsignale, die von aussen gleichermassen auf die beiden Leiter zum invertierenden und nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers einwirken, sind ebenfalls Gleichtaktsignale. Auch solche werden wirksam unterdrückt. Wenn man jedoch auf hochohmige Eingangswiderstände angewiesen ist, muss ein echter Differenzverstärker, also ein Instrumentationsverstärker, der stets aus drei Operationsverstärkern besteht, zum Einsatz kommen.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass neben diesem speziellen neuen Kapitel der gesamte Elektronik-Minikurs überarbeitet und inhaltlich erweitert worden ist. Neu in diesem Zusammenhang ist Bild 6, das die Methode illustriert, wie man einen hochpräzisen Differenzverstärker ohne Trimmpotmeter abstimmen kann, falls man aus Gründen des Platzes oder des Preises auf Trimmpotmeter verzichten muss oder eine sehr hohe Langzeitstabilität des Widerstandsnetzwerkes von besonderer Bedeutung ist.

Update: Echter Differenzverstärker II

Thomas Schaerer

Update: Echter Differenzverstärker IIDieser Elektronik-Minikurs erweitert ECHTER DIFFERENZVERSTÄRKER I mit dem Haupthema der Referenzierung der Spannungsquelle am Eingang des Instrumentationsverstärkers und die Referenzierung am eigentlichen (IC-internen) Differenzverstärker (REF-SENSE).

Was ist neu an diesem Update? Der ganze Elektronik-Minikurs wurde neu überarbeitet. Texte und Bilder wurden so verändert, dass der ganze Kurs verständlicher wurde. Wie viele Updates, ist auch dieser u.a. die Folge von Leserfeedbacks. So hat mich ein Leser darauf aufmerksam gemacht, dass ich speziell etwas dazu schreiben möge, wenn eine zu messende Spannungsquelle ohne Referenzierungsmöglichkeit (Spannungsmittelpunkt) referenziert werden muss. Dies habe ich getan und kommt in den Teilbildern 1.2 und 3.4 mit dem zugehörigen Text zum Ausdruck.

Es werden dabei auch speziell hochohmige zu messende Spannungsquellen berücksichtigt, wie sie bei bioelektrischen Signalen üblich sind. Immer wieder taucht der Begriff Elektromyographie (EMG) auf. Daher gibt es am Schluss auch einen Link zu einem Elektronik-Minikurs der sich ganz speziell mit diesem Thema befasst und viele interessante Links enthält.

GROSSES UPDATE: Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung (Brummunterdrückung)

Thomas Schaerer

elektronische Brummsiebung

Dieser Elektronik-Minikurs besteht schon sehr lange. Er ist jetzt massiv überarbeitet. Neu ist, dass der Aufbau der elektronischen Brummsiebung in kleinen Einzelschritten genau erklärt wird. Man lernt dabei den Umgang mit Diagrammen in Datenblättern die mit Stromverstärkung und Kollektor-Emitter-Spannung zu tun haben und wie die Basis-Emitter-Schwellenspannung vom Kollektorstrom abhängt. Auch die Safe-Operating-Area (SOA) ist ein wichtiges Thema. Kurz zusammengefasst, man kann diesen Elektronik-Minikurs als auch Praxiskurs für den Umgang mit bipolaren Transistoren auffassen. Nicht alles, aber vieles wird praxisbezogen am Projekt thematisiert. Da hier die Darlingtonschaltung, d.h. die spezielle komplementär aufgebaute, zur Anwendung kommt, ist das auch gleich ein gutes Thema.

Da die elektronische Brummsiebung die Eigenschaft eines Tiefpassfilters besitzt, lernt man, wie leicht das Rechnen mit der Dämpfung als Kopfrechnen sein kann, wenn man zwei einfache Regeln kennt, nämlich die Dämpfungssteilheiten von 20 dB/Frequenzdekade und 6 dB/Frequenzoktave bei einem Filter erster Ordnung. Dies wird an einem Beispiel deutlich gemacht.

Die Berechnung des Trafo, Gleichrichters und der Glättung erfolgt praxisbezogen, jedoch stark reduziert, weil auf ein Fachbuch verwiesen wird, das den (angehenden) Elektroniker auf seinem Weg begleiten soll. Warum Ringkerntrafos besser sind und wozu eine Schirmwicklung gut sein kann, wird ebenfalls thematisiert.

Dieser überarbeitete Elektronik-Minikurs bietet wesentlich mehr als die Version vom 03.03.2004 und zuvor. Dazu muss der Leser, wenn er sich dafür interessiert, mehr Zeit zum Lesen und Nachdenken investieren.

UPDATE: Spannungsregler Spezial: Das 78xx-, LM317- und Lowdropout-Prinzip

Thomas Schaerer

Prinzipschaltungen des LM317 und Lowdropout-Spannungsregler (LM2941)Diesen Elektronik-Minikurs gibt es seit Mai 2002. Jetzt kam es zu einem grösseren Update, wobei mit Bild 6 eine weitere Skizze dazu kam. Der Text ist ebenfalls überarbeitet.

Worum geht es in diesem Elektronik-Minikurs?

Oft sind gewisse Inhalte von Diskussionen in diversen Elektronik-Newsgruppen Auslöser Elektronik-Minikurse zu schreiben. Im vorliegenden Fall regte mich die Tatsache an, dass viele Mitwirkende praktisch keine Ahnung davon haben, wie die allseits bekannten und tradionsreichen dreibeinigen Spannungsregler der 78xx-Familie und des LM317 arbeiten. Das selbe gilt natürlich ebenso für die 79xx-Familie und für den LM337, welche, komplementär zu den andern, negative Ausgangsspannungen liefern. Da hier jedoch nur die Funktionsprinzipien interessieren, genügt es, wenn wir uns auf die 78xx-Familie und auf den LM317 beschränken.

Ein (angehender) Elektroniker sollte wissen wie ein 78xx und ein LM317 grundsätzlich arbeiten. Es sind zwei etwas unterschiedliche fundamentale Prinzipien der Spannungsregelung, die ebenso in andern ICs für Spannungsregelungen zur Anwendung kommen und man kann solche Schaltungen, falls einmal nötig, mit solchem Wissen, auch leicht selbst quasidiskret realisieren. Quasidiskret bedeutet, dass sowohl einzelne Transistoren und Dioden etc., jedoch auch ICs, z.B. Operationsverstärker vorkommen können.

Zusätzlich wird das Funktionsprinzip der Lowdropout-Spannungsregler thematisiert. Das sind Spannungsregler die auch noch mit einem sehr geringen Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgang einwandfrei arbeiten können. Als Vorlage für die Ausführung mit bipolaren Leistungstransistoren dient der LM2941 und für die Ausführung mit Power-MOSFETs die Serie LP3961 bis LP3964. Alle hier aufgeführten Produkte stammen aus dem Hause NATIONAL SEMICONDUCTOR.

Ich wünsche mit dem Studium dieses Elektronik-Minikurses viel Spass.

UPDATE: Konstantstromquelle mit Opamp und Bandgap-Spannungsreferenz, und eine LED-Testschaltung.

Thomas Schaerer

Stromquelle mit Opamp und TransistorDieser Elektronik-Minikurs ist im Text neu überarbeitet und verständlicher und geht, dort wo es wichtig ist, besser in’s Detail.Man erlernt das Prinzip dieser Konstantstromquelle und am Schlusskann jeder seine eigene LED-Testschaltung bauen und versteht wiesie funktioniert. Das kleine Bild deutet an, wie die Konstantstromquelle, bzw, der LED-Tester arbeitet. Mit einer Zusatzspannungsquelle können leicht auch lange LED-Ketten getestet werden.

Man lernt schrittweise die Wirkungsweise dieser Konstantstromquelle kennen. Es beginnt mit der einfachsten Opamp-Schaltung, mit dem Impedanzwandler. Im folgenden Schritt wird erst eine Diode im Gegekopplungspfad eingebaut und wir analysieren die Spannungen. Im nächsten Schritt wird an Stelle der Diode die Basis-Emitterstrecke eines Transistors eingebaut und ein Widerstand zwischen Emitter und GND definiert in Abhängigkeit der Eingangsspannung den konstanten Kollektorstrom. Konstant im Sinne davon, dass der Strom unabhängig desWiderstandes im Kollektorkreis auf einem stabilen Wert bleibt. Damit ist die Konstantstromquelle realisiert. So ideal wie es jetzt aussieht, ist es aber trotzdem nicht, wenn man es ganz genau nimmt: Stichwort Early-Effekt, dessen Auswirkung kurz erklärt wird.

Im nächsten Schritt erlernt man die Unterschiede der bipolaren Opamps, nämlich solche mit NPN- und PNP-Eingangs-Transistoren. Und man lernt, warum sich in diesem Projekt nur Opamps mit NPN-Eingangs-Transistoren, von denen es sehr viele gibt, eignen. Es wird aber auch gezeigt, dass durchaus auch gewisse BiFET-Opamps in Frage kommen. Dieser Elektronik-Minikurs geht, was den Eingangsteil betrifft, etwas auf die Opamptopologie ein.

Im nächsten Schritt folgt die vollständige Dimensionierung einer solchen Konstantstromquelle und im letzten Teil folgt die Schaltung eines nachbaubaren des LED-Testers mit umschaltbaren Konstantströmen mit Werten 1, 2, 5, 10, 20 und 50 mA. Durch Kombination der Schalter sind auch Zwischenwerte und höhere Werte möglich. Sind alle Schalter eingeschaltet, beträgt der konstante LED-Strom 88 mA.

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

Thomas Schaerer

Bild: Z-Diode-Limitter fuer Velo ; Bandgap-ReferenzDieser Elektronik-Minikurs erweitert von Patrick Schnabel den Grundlagenkurs über Z-Dioden. Dort geht es um die elektronische Grundlage der Zener-Diode (Z-Diode). In einem Diagramm wird gezeigt, wie die Z-Diode arbeitet. Die Zener-Schwellwertspannung im Normalbetrieb in der Sperrrichtung und der Durchflussspannungswert wenn die Z-Diode im Durchflussbetrieb arbeitet:

Hier geht es um zusätzliche Erkenntnisse über Z-Dioden. Zuerst lernen wir, dass man auch Wechselspannungen (AC-Spannungen) stabilisieren kann, vorausgesetzt allerdings, dass die Form der Amplitude irrelevant ist.

Neu in diesem Update: Es wird eine sehr praktische Anwendung gezeigt, welche verhindert, dass das Fahrradrücklicht kaputt geht, wenn die stärkere Frontlampe durchbrennt.

Danach geht es um den differenziellen Widerstand und um den Temperaturkoeffizienten der Z-Diode. Dies sind zwei wichtige Parameter. Die Präzisions-Z-Diode und die Bandgap-Spannungsreferenz runden diesen Elektronik-Minikurs ab.

GROSSES UPDATE: Die Transistor-LED-Konstant-Stromquelle mit ein oder zwei Transistoren

Thomas Schaerer

Konstantstromquelle mit Transistor und LEDDieser Elektronik-Minikurs habe ich derart erweitert, dass man ihn gerade so gut als neu bezeichnen kann. Was ist geblieben und was ist neu dazugekommen? Geblieben ist das Hauptthema. Es damit zu tun, dass sich Transistoren und LEDs hervorragend als einfache und recht präzise Konstant-Stromquellen eignen.

Neu ist, das Thema beginnt damit wie man konstante Stromquellen im prähistorischen Zeitalter der Elektrotechnik mit Hochspannung erstellen musste, falls man so etwas benötigte. Beim Übergang zur elektronischen Methode mittels Transistor wird darauf hingewiesen, dass die Ausgangskennlinie dieses Bauteils die Voraussetzung ist: Während das Verhältnis der Kollektor-Emitter-Spannung zum Kollektorstrom bei wenigen k-Ohm liegt, befindet sich das Verhältnis der Änderung der Kollektor-Emitter-Spannung zur Änderung des Kollektorstromes bei einigen 100 k-Ohm. Dieser Wert dieses differenziellen Widerstandes lässt sich durch Gegenkopplungsmassnahmen bis weit in den M-Ohm-Bereich erhöhen.

Es folgt eine einfache dimensionierte Konstant-Stromquelle mit einem Transistor und vier Widerständen. Es empfiehlt sich für den Anfänger dies auf einem Testboard nachzubauen um selbst zu erfahren wie’s funktioniert. Nach der Erläuterung weshalb der Einsatz einer LED im Vergleich zu zwei Dioden wesentliche Vorteile hat, folgt neu eine Darstellung des vielseitigen Einsatzes dieser einfachen Stromquellenschaltung in sechs kleinen Schaltungen. In einem weiteren Bild wird an einem Beispiel gezeigt, dass sehr präzise Anwendungen realisierbar sind.

Es wird gezeigt, wie mittels Stromquelle in Stromquelle die Stromstabilität gegen Änderung der Betriebsspannung besonders unabhängig ist. Eine Schaltung, die sich besonders für Batterieanwendungen eignet. Ganz zum Schluss folgt noch eine Konstantstromquelle mit einem Dual-Operationsverstärker und einer hochstabilen Bandgap-Referenz. Dies dient nur als Hinweis darauf, dass es auch noch ganz andere Methoden gibt hochstabile konstante Ströme zu erzeugen.