Klingt gut, was da evtl. zu erwarten ist. Interessant wäre auch, wie effizient die Stromübertragung wirklich ist.
Kategoriearchiv: Elektronik
Bilder zum Bahnbus
In diesem Artikel hatte ich ja kurz den Bahnbus erwähnt, der schon so einige Betriebsstunden mit dem experimentellen Antrieb hinter sich hat. Da ich gerade ein paar Fotos von dem Fahrzeug gefunden habe, muss ich sie natürlich archivieren 
Hier hat er allerdings schon so einige Belastungen auf dem Buckel. An der vorderen Stoßstange sind übrigens auch die IR Transistoren der IrDiS Steuerung zu erkennen.
Tipp: Elektronikbauteile für den Hausgebrauch – Die Z-Diode
Die Z-Diode
Ich war ja schon des Öfteren beim Thema Spannungsstabilisierung. Dabei sollte man auch die simpelste Variante via Z-Diode nicht aus den Augen verlieren.
Oft wird kein großer Strom benötigt, eher geht es um eine stabile Spannung bzw. eine Spannung, die innerhalb einer Schaltung generiert werden kann oder soll.
In vielen Fällen reicht ein Spannungsteiler mit Widerständen nicht aus, da dieser natürlich stark vom Stromfluss abhängig ist. In der ‚12F675 Quick & Dirty‚ Schaltung z. B. nutze ich daher die Z-Diode.
Der PIC braucht nur sehr wenig Strom um zu funktionieren, die Peripherie kann mittels Open Collector Transistoren realisiert werden. Braucht man nur einen geringen Strom, kann es auch ausreichen, einfach mit der Z-Diode zu arbeiten. Priorität hat hier der Aspekt, den µController vor Überspannung zu schützen.
Es gibt die Z-Diode für sehr viele Spannungen und in unterschiedlichsten Varianten, genaue Informationen kann mal wieder nur das Datenblatt liefern.
Ein Blick in dieses ist vor allem wegen der Kennlinie wichtig, hier kann der Bereich ersehen werden, in dem das Bauteil am wirkungsvollsten arbeitet.
Besonderheiten der Z-Diode:
- Betrieb in Sperrrichtung für den Zener-Effekt
- In Flussrichtung verhält sie sich wie eine normale Diode (also Spannungsabfall ca. 0,7V)
Ich gebe hier als Beispiel die ZPD 2V7 an (Datenblatt). Sie stabilisiert bei einem bestimmten Stromfluss eine Spannung von ungefähr 2,7V. Ungefähr eben deshalb, weil diese Spannung sehr stark vom Strom abhängig ist. Die ZPD 2V7 arbeitet bei ca. 10-20mA in ihrem optimalen Bereich. Darüber hinaus und darunter ist sie von den 2,7V schon recht weit entfernt.
Wie im Schaltbild oben angegeben, wird der Strom mittels des Vorwiderstandes ‚R1‘ festgelegt, die Spannung wird dann direkt über der Diode abgegriffen. Zusätzlich kann natürlich auch die Differenzspannung, die über R1 abfällt, quasi parallel genutzt werden, hier wäre nur eben die Masse bzw. GND nicht mehr der Bezugspunkt.
Wichtig ist zudem, dass der maximale Strom, der dieser Schaltung entnommen werden kann, dem Gesamtstrom durch R1 entspricht. Sollte auch einleuchtend sein, wenn der Widerstand den Strom auf z.B. 25mA begrenzt, kann hinter ihm auch nicht mehr fließen.
Etwas kompliziert wird die Geschichte durch die Tatsache, dass alles, was von der Z-Spannung versorgt wird, parallel zur Diode liegt. Im schlimmsten Falle wären das 0 Ohm, ein Kurzschluss eben. Dann ist nur R1 der Strombegrenzende Faktor, die Z-Diode kann nicht mehr arbeiten, sie ist prkatisch überbrückt.
Da auch die Z-Diode durch den differentiellen Widerstand in der Gesamtschaltung berücksichtigt werden muss, kann bei präziseren Anwendungen erheblicher Aufwand bei der Berechnung notwendig werden. Die Diode und die an sie angeschlossene Last bilden dann eine Parallelschaltung, welche zu R1 in Reihe liegt. Dies hat natürlich Einfluss auf den Gesamtwiderstand, damit auf den Gesamtstrom und somit auf die Kennlinie der Z-Diode! OK, lassen wir das 
Praktisch kann man das in unseren Anwendungen vernachlässigen, wenn die Z-Diode nur für kleine Leistungen eingesetzt wird. Grundsätzlich bestimmt also R1 den Gesamtstrom. Richtig flexibel geht es, wenn statt eines Festwiderstandes für R1 ein Trimmer gewählt wird. Meist ist das aber der berühmte Schuss mit der Kanone auf die Spatzen.
Überschalgsrechnung mit folgenden Eckdaten:
Bei einer Betriebsspannung von 12V soll durch die Diode ein Strom von 15mA fließen. Die Diode ist immer noch die ZPD 2V7. Laut Datenblatt liegt die Spannung dann bei ca. 2,8V.
Nun also erstmal den nötigen Spannungsabfall über R1 ausrechnen:
12V-2,8V = 9,2V
Um nun den gewünschten Widerstandswert zu erreichen (U = R * I):
9,2V : 15mA = 613,2 Ohm
In der E-12er Reihe wäre dann der gewählte Wert:
630 Ohm
(Zu den E-Reihen kommt demnächst auch noch ein Artikel!)
So weit die graue Theorie, wenn man diese Werte mal gegenrechnet und dabei auf die Kennlinie sieht, kommen schon Differenzen ans Tageslicht.
Dabei ist noch nicht berücksichtigt, dass an der Diode noch kein eigentlicher Verbraucher hängt. Aber wie so oft in der Praxis, kann man dies eher vernachlässigen. Bei Bedarf an höheren Strömen oder noch präziseren Spannungen gibt es bessere Lösungen. Um z. B. einen PIC an 12V zu betreiben, der nur die Basis eines Transistors ansteuert, ist das Ergebnis allemal ausreichend.
Mal wieder Murphy…
Da hat Murphy wohl mal wieder seine Launen…
Man hat ein Asus 1005 PE Netbook, welches irgendwann meckert, der Akku wäre fast leer. Kann aber eigentlich nicht, das Netzteil ist angeschlossen. Aber leider kommt da keine Spannung mehr heraus! Nix, 0V, praktisch aus 
Zum Glück hat der Jäger und Sammler noch ein anderes 19V/3A Netzteil im Schrank, natürlich ohne den passenden Stecker. Am Asus ist ein Winz-Hohlstecker, da werde ich wohl die Leitung kappen und an das Ersatznetzteil frickeln. Immer was neues… 
Irgendwann mal sehen, ob ich die Ursache für den Ausfall finde, aber die größte Hürde wird wohl das Öffnen des Gehäuses sein.
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Tipp: Kniffe für 78XX Spannungsregler
Weg mit der Spannung!
Zu den im vorherigen Beitrag erwähnten 78’er Festspannungsreglern, gibt es noch einige Kniffe, mit denen man sie etwas flexibler einsetzen kann.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich um integrierte Regelschaltkreise, welche eine stabile Ausgangsspannung liefern.
Nun kann es aber passieren, dass eben nicht 5V, sondern 5,7V, 7V oder 10V gewünscht sind, man einen solchen Regler aber nicht zur Hand hat oder es diesen einfach nicht gibt.
Im simpelsten Fall benötigt man statt z.B. 5V für eine Schaltung 5,7V, weil dahinter eine Diode liegt, deren Spannungsabfall man wieder abfangen möchte. Dies kommt z. B. vor, wenn man bei einem Mikrocontroller den ICSP (Programmierung in der Schaltung) Schaltungsteil aufbaut.
In so einem Fall ist die Lösung recht einfach:
Es wird eine normale Diode zwischen den GND Anschluss des Reglers und Masse geschaltet.
Der Spannungsabfall der Diode ‚zieht‘ für den Regler das (-)/Massepotential um eben den Diodenspannungsabfall hoch.
Aus Sicht des 78XX ist die Anode (+) der Diode ‚D1‘ GND, er wird also um die Differenz der Diodenspannung die Ausgangsspannung anheben.
Dieses Spielchen kann noch weiter getrieben werden.
Wenn der eng begrenzte Spannungsabfall einer Diode die Ausgangsspannung anheben kann, sollte ein einstellbarer Spannungsabfall dies auch variabel in einem größeren Bereich können.
Mit einem Trimmer bzw. Poti, lässt sich somit eine veränderbare Ausgangsspannung realisieren. Im Prinzip analog zum LM317T, dieser ist aber speziell für diesen Einsatzfall gedacht. Der Pferdefuß der „misshandelten“ 78er Regler ist nämlich u.a., dass sie niemals unter die Nennspannung des Spannungsreglers kommen können und auch die Stabilisierungseigenschaften etwas schlechter werden.
Ein wenig verbessern lässt sich die Stabilität, wenn man der Schaltung einen zusätzlichen Widerstand spendiert, hier R2.
Dieser lässt einen Strom durch R1 fließen und sorgt damit für eben den Spannungsabfall, welcher dem Regler vorgaukelt, sein GND-Potential läge um diesen Spannungsabfall höher.
Im Alltag haben sich 390-560 Ohm für R2 und 1k für R1 als brauchbar erwiesen. Auch bei dem zuerst genannten Beispiel mit der Diode kann R2 übrigens nicht schaden.
Safety first!
Eigentlich sind die 78XX Regler recht gut gegen Zerstörung durch Überlast geschützt.
Was sie jedoch gar nicht gerne mögen, ist eine Spannung am Ausgang, die höher ist, als die Eingangsspannung, das quittieren sie u. U. mit dem Ende ihres Daseins.
Solche Sachen bekommt man zum Beispiel recht gut hin, wenn man mittels eines 78er und etwas Elektronik einen Akku lädt und vergisst, diesen abzuklemmen, ehe man die Betriebsspannung abschaltet.
Damit ist die Eingangsspannung 0V, die Ausgangsspannung aber immer noch die Akkuspannung, das kann den Regler killen!
Wie im Schaltbild dargestellt, ist dieses Problem mit einer weiteren Diode (hier D1) zu lösen. Sie überbrückt quasi den Regler, die Differenz Ausgang-> Eingang, kann 0,7V nicht übersteigen, das kann der 78XX „ab“.
Ich habe mir angewöhnt, diese Diode in all meinen Spannungsversorgungen einzubauen, man weiß ja nie
Tipp: Der 78XX Spannungsregler
Elektronikbauteile für den Hausgebrauch
Die Festspannungsregler der 78xx-Serie finden sich wohl in so ziemlich jeder Bastelkiste.
Für diejenigen, die die kleinen Bauteile noch nicht kennen:
Sie sind in der Lage, aus einer höheren Eingangsspannung eine stabile Ausgangsspannung zu erzeugen. Bei den klassischen 78xx-Reglern sollte die Eingangsspannung dafür ungefähr 3 V über der gewünschten Ausgangsspannung liegen. Wie viel tatsächlich nötig ist, hängt vom jeweiligen Typ und der Belastung ab. Natürlich darf auch die maximal zulässige Eingangsspannung nicht überschritten werden.
Die Regler sind intern gegen Überstrom und zu hohe Temperaturen geschützt und kosten nicht die Welt.
Die Bezeichnung verrät bereits die Ausgangsspannung. Der 7805 liefert also 5 V, der 7812 eben 12 V und so weiter. Es gibt sie mit maximalen Ausgangsströmen von 100 mA bis zu mehreren Ampere. Wichtig ist dabei unter anderem der Buchstabe, der zwischen der „78“ und der Spannungsangabe (z. B. 05) steht.
Ein 78S05 kann beispielsweise maximal 2 A bei 5 V liefern, der 78L12 dagegen 100 mA bei 12 V. Bei der einfachen Bezeichnung ohne zusätzlichen Buchstaben sind es in der Regel 1 bis 1,5 A. Ich habe beides schon in Datenblättern gefunden.
Hier ein Beispieldatenblatt zum LM7805. Da es mehrere Hersteller gibt, lohnt es sich, immer das zum tatsächlich verwendeten Typ gehörende Datenblatt zu benutzen.
Der Schaltungsaufbau benötigt nicht wirklich viele Bauteile.
Nimmt man die Beispielschaltungen aus den verschiedenen Datenblättern und hat eine wirklich saubere Eingangsspannung sowie kurze Leiterbahnen, kann man C1 und C2 unter Umständen sogar weglassen. Das hängt allerdings von der jeweiligen Schaltung und den Herstellerangaben ab.
C3 sollte meiner Erfahrung nach immer vorhanden sein. Ich habe schon erlebt, dass die 78er ohne diesen Kondensator ins Schwingen kommen. Das bedeutet, dass die Ausgangsspannung mit recht hoher Frequenz schwanken kann. Eine dahinter befindliche Schaltung kann damit natürlich nicht viel anfangen.
C3 soll genau das verhindern. Mit 100 nF als Faustregel habe ich bisher noch nie Probleme gehabt. Wichtig ist dabei auch, dass die Kondensatoren möglichst nah am Regler sitzen, damit sie ihre Aufgabe vernünftig erfüllen können.
Aber wie gesagt: Datenblatt! 
Mit der gezeigten Standardschaltung kann man bei den üblichen Hobbyanwendungen nicht viel falsch machen, solange man die Grenzen des Reglers berücksichtigt.
Ein wichtiger Punkt: Die Wärmeentwicklung
Was man bei diesen Reglern nicht vergessen darf, ist die Verlustleistung. Die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang wird bei einem solchen Linearregler praktisch in Wärme umgesetzt.
Ein kleines Beispiel:
Am Eingang liegen 12 V an, am Ausgang des 7805 sollen 5 V bei 1 A zur Verfügung stehen.
12 V – 5 V = 7 V Spannungsdifferenz.
P = U × I = 7 V × 1 A = 7 W.
Das sind immerhin 7 W, die der kleine Regler in Wärme umsetzen muss. Ohne entsprechende Kühlung wird das nichts. Der eingebaute Temperaturschutz verhindert zwar normalerweise die thermische Zerstörung, aber wenn der Regler deshalb abschaltet oder die Ausgangsspannung einbricht, hilft das der angeschlossenen Schaltung auch nicht weiter.
Deshalb sollte man nicht nur auf den maximal angegebenen Ausgangsstrom schauen, sondern immer auch auf die Eingangsspannung und die daraus entstehende Verlustleistung.
Und wenn eine negative Spannung benötigt wird?
Das negative Gegenstück zu den 78er-Reglern sind die 79er. Sie werden eingesetzt, wenn statt einer positiven eine negative Versorgungsspannung benötigt wird, beispielsweise -12 V.
Vereinfacht gesagt sitzt der Regler dann im negativen Versorgungszweig. Das Funktionsprinzip ist ähnlich, allerdings ist die Anschlussbelegung anders. Einen 7805 einfach gegen einen 7905 auszutauschen, funktioniert also nicht!
Auch hier steht die Bezeichnung wieder für die Eigenschaften des Reglers. Ein 7912 liefert dementsprechend -12 V, je nach Ausführung beispielsweise mit einem maximalen Ausgangsstrom von 1 A.
Wie bei den positiven Spannungsreglern gilt auch hier: Das Datenblatt des tatsächlich verwendeten Bauteils ist entscheidend.
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Sicherer als CD/DVD wahrscheinlich allemal Nur besser nicht fallen lassen!
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Ich finde den Arduino ja wirklich klasse. Leider hatte ich bisher keine Gelegenheit, mich damit mal ausgiebig auseinander zu setzen.
Für diejenigen, die sich damit auch beschäftigen: Der ‚Arduino Due‘ ist da!
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Strom, Spannung, Widerstand, Kennzeichnungen – 2
So, nun der nächste Teil zu dem Beitrag hier.
Bitte haltet mich nicht für arrogant, ich möchte mit solchen Blogbeiträgen einfach nur versuchen, einem Elektronikfan Tipps zu geben, um erfolgreich seinem Hobby nachzugehen ohne allzuviel Theorie mit sich herum zu schleppen. Es ist aber schwierig Erfolge zu verbuchen, wenn man bestimmte Grundkenntnisse nicht hat. Beschreibt mal jemandem das Autofahren, der den Unterschied zwischen Gas und Bremse nicht kennt Wer keine Erfolge in seinem Hobby verbuchen kann, wird schnell frustriert aufgeben, das wäre schade!
Zum eigentlichen Thema! Wenn benötigt, gehe ich übrigens in den Beispielen immer von einer Betriebsspannung von 12V bei einem maximalen Strom von 1A aus.
Dieses kleine Schaltbild soll mal eine einfache Strommessung darstellen und den Stromfluss verdeutlichen. Der Strom würde vom Pluspol durch das Messgerät und den Widerstand zum Minuspol fließen. An +/- liegt währenddessen die Spannung von 12V an. Je höher der Widerstandswert ist, desto weniger Strom wird fließen. Die Baugröße des Widerstandes hat übrigens in der Realität wenig mit dessen Widerstandswert zu tun, eher mit der Leistung, die er ‚verbraten‘ kann. Egal ob mann nun den Widerstand oder das Messgerät entfernt oder die Verbindung kappt, der Stromfluss wäre unterbrochen. An +/- würde aber trotzdem die Versorgungspannung anliegen. Auch wenn der Widerstand bei mehren 1000 Ohm liegt, werden die 12V unverändert an den Eingängen zu messen sein, ebenso wenn der Widerstandswert sehr klein ist. Lediglich wenn die Stromversorgung überfordert ist, wird irgendwann auch die Eingangsspannung zusammenbrechen, davon gehe ich in den Beispielen aber nicht aus. Eine Strommessung muss also immer innerhalb des fließenden Stromes stattfinden. In der Praxis kann es durchaus vorkommen, dass man zu diesem Zweck mal ein Bauteil auslöten oder eine Leiterbahn unterbrechen muss. Es gibt allerdings mittlerweile auch Messgeräte, die den Strom u. U. ohne Eingriff in die Schaltung erfassen können, kommt auf die Gegebenheiten an.
Im Unterschied zur Strommessung wird die Spannung an den jeweiligen Bezugspunkten gemessen. Hier im Bild einfach an + und -. Zusätzlich ist rechts ein Taster ‚T‘ zu erkennen. So wie er jetzt gezeichnet ist, kann kein Strom fließen. Die Spannung wäre aber an +/- trotzdem zu messen. Beim Drücken von ‚T‘ würde wieder ein Strom fließen, die Spannung an +/- würde sich dadurch aber nicht ändern. Wenn man nun das Amperemeter aus dem ersten Bild in der gezeigten Weise in die Schaltung einfügt, würde bei geschlossenem ‚T‘ ein Stromfluss angezeigt werden. Wie hoch dieser ist, wird durch den Widerstand in der Schaltung festgelegt.
Innerhalb einer Schaltung gibt es natürlich dann auch wieder verschiedene Stellen, an denen man bestimmte Details messen kann. Hier ändern sich natürlich die Bezugspunkte und auch die Werte, die man erwarten kann. Dazu schreibe ich bei Zeiten aber noch einiges mehr Mit diesen Beispielen hier würde man die Gesamtstromaufnahme und die Betriebsspannung einer Schaltung messen.
Also nochmal als Zusammenfassung:
- Strom, gemessen in Ampere, Formelzeichen ‚I‘, fließt durch die Bauteile.
- Spannung, gemessen in Volt, Formelzeichen ‚U‘, liegt an den Bezugspunkten an.
- Widerstand, gemessen in Ohm, Formelzeichen ‚R‘, wird durch vorgegebene Werte festgelegt.
