Thema: Schaltung zur Kapazitätsmessung

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1 Thema: Schaltung zur Fach: Praktische Schaltungstechnik Dozent: Prof. Hornung

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung 2. Idee 3. Allgemeine Beschreibung mit Blockschaltbild 4. Die Schaltung 4.1 Erstellen des Schaltplans 4.2 Funktionsbeschreibung 4.3 Stückliste 4.4 Signalbilder 4.5 Erstellen des Layouts 4.6 Herstellung der Platine 5. Steckerbelegung 6. Anschlusswerte elektrisch 7. In Betriebnahme der Platine 8. Das Gehäuse 8.1 Arbeitsanweisung 9. Das fertige Gerät 10. Bedienungsanleitung 10.1 Ein- und Ausschalten des Gerätes 10.2 Einstellung des Messbereiches 10.3 Anschließen des zu messenden Kondensators 10.4 Ablesen des Messgerätes 10.5 Schutzmaßnahmen 10.6 Auswechselung der Batterie

3 11. Anhang 11.1 Der Drehschalter 11.2 Datenblätter: LM 358 / LM 555 / LM 556

4 1. Einleitung Im Wahlfach Praktische Schaltungstechnik geht es darum, den Studenten an die Vorgehensweise zur Herstellung einer analogen bzw. digitalen Schaltung heranzuführen. Dabei steht im Vordergrund die Schaltung selbst zu entwerfen und zu dimensionieren. Bei dem Entwurf der Schaltung sind verschiedene Gesichtspunkte zu beachten: - welche Funktionsweise soll die Schaltung haben - welche Bauelemente sind hierfür erforderlich - wie groß soll die Platine werden und in welches Gehäuse wird sie eingesetzt - welche Bauformen der Bauelemente werden verwendet All diese Punkte sind zu berücksichtigen und werden in den folgenden Kapiteln verfolgt. Im folgenden handelt es sich um die Dokumentation zur Herstellung einer analogen Messschaltung und deren Funktionsweise. Diese Schaltung hat die Aufgabe Kapazitäten zu messen. 2. Idee In der Sensortechnik werden Kondensatoren ständig benötigt und eingesetzt. Diese können verschiedene Aufgaben übernehmen, so zum Beispiel zur Spannungsglättung, als Filter für hohe Frequenzen, als Signalformer, für Entstöraufgaben, zur Speicherung von elektrischer Energie. Diese Kondensatoren haben je nach Aufgabe und Platzverhältnisse verschiedene Kapazitäten und Baugrößen. Dabei liegt die Kapazität in einem Bereich von einigen Pikofarad bis hin zu Millifarad. Beim Einsatz eines Kondensators ist es wichtig zu wissen, wie er sich verhält und in erster Linie welche Kapazität er besitzt. Bei dem Verhalten ist die Aufund Entladekurve von Bedeutung und natürlich auch die Toleranz. In Verbindung mit verschiedenen Bauelementen lassen sich nun mit einem Kondensator verschiedene Effekte erreichen. In diesem Fall betrachten wir die Kombination einer Kapazität C und einem Widerstand R. Diese beiden, in Reihe geschaltet bei einer angelegten Wechselspannung, ergeben einen Tiefpass, der zur Hochfrequenzfilterung verwendet werden kann. In unserem Fall jedoch, soll die Kapazität des Kondensators bei bekanntem Widerstandswert und angelegter Gleichspannung bestimmt werden. Dies funktioniert über das Aufladeverhalten des Kondensators. Anhand der Steilheit der Aufladekurve ist die Kapazität

5 bestimmbar. Wichtigster Faktor hierbei ist die RC- Zeit Tau τ, die sich wie folgt errechnet: τ = R C Dieser Wert gibt an, wie schnell sich die Kondensatorspannung U C der Versorgungsspannung U nähert. Je höher die Kapazität, desto länger dauert es, bis der Kondensator sich aufgeladen hat. Aufladekurve Aufladekurve eines Kondensatos C=1µF bei einer Betriebsspannung von 9V R=5k6 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 UC [V] 5,00 4,00 Reihe1 3,00 2,00 1,00 0,00 0, , , , , ,02500 Teit t [s] 3. Allgemeine Beschreibung mit Blockschaltbild Mit der hier beschriebenen Schaltung ist es möglich die Kapazität von Kondensatoren bis 500µF, über ein pulsweitenmoduliertes Signal, dessen Mittelwert auf einem µa- Messgerät angezeigt wird, zu messen.

6 Der Kapazitätsbereich ist in sechs Teile untergliedert, die über einen Drehschalter angewählt werden können, d.h. je nach Kapazität muss der Schalter auf folgende Schalterstellungen eingestellt werden: Schalterstellung1: pF Schalterstellung2: µF Schalterstellung3: - 0.5µF Schalterstellung4: - 5µF Schalterstellung5: -50µF Schalterstellung6: -500µF Anhand des Zeigerausschlages des µa- Messgerätes läßt sich dann die Kapazität in Prozent ablesen. Blockschaltbild Tau 1 = τ 1 τ 1 = R * C 1 Dual Timer LM 556 Besteht aus einem Oszillator und einem Timer Tau 2 = τ 2 τ 2 = R * C X Pulsweitenmoduliertes Signal µa- Messgerät 4. Die Schaltung Im folgenden wird die Herstellung der Schaltung, der Platine und die Funktionsweise der einzelnen Bauteile beschrieben. 4.1 Erstellung des Schaltplan Um den Schaltplan erstellen zu können, muss zunächst klar sein wie die einzelnen Bauteile zusammen geschaltet werden müssen. Hierzu wird als erstes ein Schaltungsentwurf, in Form einer Skizze, angefertigt. Dabei spielen die Werte der einzelnen Bauelemente noch keine Rolle. Es geht ausschließlich um den Entwurf. Wenn der Entwurf fertig, geht es darum die Schaltung richtig, bzw. annäherungsweise zu dimensionieren. Die meisten Bauteile lassen sich in etwa abschätzen ohne viel rechnen zu müssen. Der Rest muss genau berechnet

7 werden um die gewünschte Wirkungsweise zu erzielen. Wenn die Schaltung bei der Inbetriebnahme nicht richtig funktioniert, müssen eventuell einige Bauteile modifiziert werden. Die errechneten Werte für die einzelnen Bauteile werden in den Entwurf eingetragen. Ist die Schaltung komplett dimensioniert, kann diese nun in den Rechner übertragen werden. Hierzu wird von uns das Programm Ariadne verwendet. In diesem Programm wird die Schaltung gezeichnet. Die meisten Bauteile sind in Bibliotheken vorhanden und können direkt verwendet werden. Wenn nun ein Bauteil verwendet werden muss das nicht in einer der Bibliotheken zu finden ist, wird dieses neu angelegt (siehe Kapitel 11.2). 4.2 Funktionsbeschreibung Als erstes werden einige Bauteile genannt, die zum Schutz und störungsfreien Betrieb der Schaltung notwendig sind: Bauteil C2 C6 C8 C9 V1 V2 Funktion Spannungsstabilisierung Spannungsstabilisierung Schwingungsunterdrückung Spannungsstabilisierung Überspannungsschutz Verpolschutz Der LM 556 Um die gewünschte Kapazität C X messen zu können muss ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt werden, welches durch die Schalterstellung und die entsprechende Kombination aus C X und dem eingestelltem Widerstand (R5- R8) verändert wird. Dieses Signal wird vom IC D1 (LM556) erzeugt. Dieses Bauteil (je nach Außenbeschaltung) ist ein Dual Timer und besteht aus einem Timer und einem Oszillator. Mit Hilfe des Oszillators wird der Timer ständig angestoßen (getriggert), der das Ausgangssignal in Abhängigkeit von C X beeinflußt. Um nun für jeden Messbereich ein sinnvolles Signal zu modellieren, ist es wichtig die Eingangsfrequenz und die Pulsweite des Ausgangssignals in ein vernünftiges Verhältnis zu setzten. Dabei ist darauf zu achten, dass die eingangsseitige RC- Zeit τ aus R (1-3) und C 1 größer sein muss als das τ aus R (5-8) und C X (die Widerstandswerte ergeben sich automatisch je nach Schalterstellung).

8 Beispiel: Schalterstellung 1 τ τ Eingang Eingang = R C 1 1 = 5,6kΩ = 0,002632s = 2,63ms 9 F τ τ Cx Cx = R 5 C X = 330kΩ = 0,00165s = 1,65ms 12 F Der LM 556 stößt sich eingangsseitig (Oszillator) selbst an, indem er die Spannung über C 1 kontinuierlich mißt und bei einem bestimmten Spannungswert kurz schließt. Dadurch wird ein periodisches Signal generiert (siehe Signalbild 1in Kapitel 4.4). Dieses Signal hat folgende Frequenz: t =,1 R C = 1,1 5,6kΩ 470nF 1 1 f = = t 0, s f = 345,3993Hz 350Hz = 0, s Wichtig hierbei ist die Tatsache, dass das Ausgangssignal die selbe Frequenz aufweist, nicht aber die selbe Pulsweite. Aufgrund der Beschaltung und des eigenständigen Verhaltens des Oszillators spricht man von einem astabilen Multiviprator, der sich selbst triggert (=anstößt). Dieser reagiert auf die abfallende Flanke beim Kurzschluß von C1 und erzeugt am PIN 5, der auf Vcc liegt einen negativen Impuls. Aufgrund des direkten Kurzschlußes von C1, liegt die Impulsbreite an PIN 5 im µs- Bereich. Dieser Impuls ist der Anstoß für den Timer. C7 ist nur ein Signalformer. R9 zieht den Punkt auf 9V, damit die negative Flanke erzeugt werden kann. Der Timer mißt nun kontinuierlich die Spannung über C X und schließt ihn bei erreichen eines bestimmten Spannungswertes wieder kurz. Das somit erzeugte periodische Signal hat nun keinen Einfluß mehr auf die Frequenz des Eingangssignals sondern nur noch auf die Pulsweite. Damit der LM 556 bei eingeschalteter Versorgungsspanung immer arbeitet, müssen die RESET- Eingänge auf Vcc gelegt werden. Nun ist an PIN 9 das pulsweitenmodulierte Signal zu messen, über welches die Kapazität des Kondensators bestimmt werden kann.

9 Gemessen wird mit einem µa- Messgerät, welches den Mittelwert des erzeugten Signals mißt. Um eine höhere Genauigkeit des Messwertes zu bekommen, wurde eine Spannungsverstärkung, mit einem Tiefpassfilter zweiter Ordnung, an die Schaltung angehängt. Bei Vollausschlag des Messgerätes, d.h. 100% des Messbereiches, ist eine Spannung von 6V an X2 zu messen. 4.3 Stückliste

10 Bauteil Bezeichnung Koordinaten C1 470 n Blatt1 B6 C2 1 µ / 50 V Blatt1 B4 C µ / 35 V Blatt2 B6 C4 4,7 µ / 63 V Blatt2 B3 C5 4,7 µ / 63 V Blatt2 B3 C6 470 n Blatt1 C5 C7 470 p Blatt1 B/C 3 C8 1 n Blatt2 B2 C9 1 µ / 50 V Blatt1 B3 D1 LM556 Blatt1 C3-4 N1 LM358 Blatt2 C/D 2 R1 5k6 Blatt1 B6 R2 56k Blatt1 B6 R3 560k Blatt1 B5 R4 56k Blatt2 C5 R5 330k Blatt1 B2 R6 33k Blatt1 B2 R7 3k3 Blatt1 B3 R8 560R Blatt1 B4 R9 10k Blatt1 C3 R10 2k2 Blatt2 C4 R11 POTI 10k Blatt2 C5 R12 12k Blatt2 C4 R13 12k Blatt2 C3 R14 100k Blatt2 B1 R15 POTI 10k Blatt2 B/C 1 R16 8k06 Blatt2 C5 R17 0 Blatt2 B1 R18 10k Blatt2 B1 R19 0 Blatt1 B3 R20 0 Blatt1 B6 R21 3,9k Blatt2 B/C 6 V1 1N5369 Blatt2 B3 V2 1N4002 Blatt1 D6 X1 Stiftleiste Blatt1 D6 X2 Stiftleiste Blatt2 B1 X3 Stiftleiste Blatt2 B6 X4 Stiftleiste Blatt1 B2 X5 Stiftleiste Blatt1 B2 4.4 Signalbilder

11 Hier sind nun einige Signalbilder abgebildet, wie die Signale an verschiedenen PINS, des Bausteins LM 556 auf Blatt1 des Schaltplans, aussehen. Gemessen wurde mit einem Oszilloskop. Bild1 Signal an den PINS 1,2 und 6 ; Koordinaten: C4 Bild2 Oberes Signal CH1: Signalverlauf an den PINS 1,2 und 6 ; Koordinaten C4 Unteres Signal CH2:Signalverlauf an PIN 5 ; Koordinaten C4

12 Bild3 Oberes Signal CH1: Signalverlauf nach Signalformung am PIN 8 Unteres Signal CH2: PIN 5 Bild 4 Oberes Signal: ist das gesuchte pulsweitenmodulierte Signal an PIN 9 Koordinaten C3 Unteres Signal: Triggersignal an PIN 8 ; Koordinaten C3

13 Bild 4.2 Gleiche Signale wie in Bild 4 nur anderer Zeitbereich und anderen Kapazität C X 4.5 Erstellen des Layouts Sind alle Bauteile im Schaltbild plaziert, wird der Bestückungsplan erstellt. Hierzu werden zunächst die Platinenberandung und die Bohrlöcher in Ariadne (PCB) gezeichnet. Anschließend werden die Bauteile aus dem Schaltplan auf die gezeichnete Platine übertragen. Dort erscheinen sie nicht mehr als Schaltsymbol sondern in ihrer Bauform. Diese Bauformen sind über die vorgesehenen Leiterbahnen miteinander verbunden. Der nächste Schritt besteht darin, die Bauteile auf der Platine anzuordnen und zwar möglichst geordnet, d.h. alle Widerstände zusammen, die Dioden und Kondensatoren in gleicher Richtung polen usw.. Sind alle Bauelemente plaziert, geht es an das Routen. Das Routen ist das verlegen der Leiterbahnen. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass keine Kurzschlüsse erzeugt werden, da sonst die Schaltung fehlerhaft sein kann. Nun sind alle erforderlichen Daten zur Herstellung der Platine gespeichert. Die Herstellung wird im nächsten Kapitel beschrieben.

14 4.6 Herstellung der Platine Zur Herstellung der Platine muss diese geschnitten, gebohrt, belichtet, entwickelt und geätzt werden. Zum Bohren muss ein Bohrplan erstellt werden. Auf diesem Bohrplan befinden sich alle Lötaugen und Bohrungen. Der Bohrplan wird in einen Computer überspielt. Dieser steuert eine kleine Fräsmaschine, mit deren Hilfe die Löcher gebohrt werden. Die Leiterplatte wird eingespannt und die Fräsmaschine gestartet. Dabei ist nur darauf zu achten, dass der Nullpunkt des Bohrplans mit dem Nullpunkt der Maschine übereinstimmt, da es sonst zur fehlerhaften Bearbeitung der Platine kommen kann. Nach dem Bohren wird die Platine belichtet. Hierzu wird zuerst das Layout, also der Verlauf der Leiterbahnen auf ein DIN A4 Blatt gedruckt. Anschließend wird die gebohrte Platine auf dem Layout so plaziert, dass alle Lötaugen übereinstimmen. Danach wird das ganze von unten etwa 10 Minuten lang belichtet. Nun wird die Platine in ein Entwicklungsbad gelegt und entwickelt. Nach der Entwicklung werden die belichteten Flächen erkennbar. Jetzt muss die Platine nur noch geätzt werde. Dazu kommt die entwickelte Platine in ein sprudelndes Säurebad. Nach etwa 5-10 Minuten sind alle nicht belichteten Flächen weggeätzt und die Platine kann entnommen werden. Zum Schluß wird noch der verbleibende Entwickler mit einem Lösungsmittel entfernt, und die Platine ist fertig zum Bestücken. Bestückt wird die Platine nach dem Bestückungsplan. Die Bauteile werden dabei mit einem Lötkolben mit der Platine verlötet. Bei der Bestückung ist darauf zu achten, dass alle Bauteile, die eine Polung besitzen, richtig herum eingebaut werden um eine eventuelle Zerstörung dieser Bauteile zu vermeiden. Ein weiterer wichtiger Punkt dabei ist die Vermeidung von sogenannten kalten Lötstellen. Das Problem bei solchen Stellen ist es, dass bei der späteren Fehlersuche diese Stellen optisch nicht zu finden sind. Wenn alle Bauteile aufgelötet sind, ist die Platine fertig zum Testen.

15 5. Steckerbelegung Zum Anschluß der Versorgungsspannung, des Messgerätes, der Spannungsbuchsen sowie der Federleisten für den zu messenden Kondensator, wurden Drähte verwendet, die über Stecker und Stiftleisten mit der Platine verbunden sind. Die Stiftleisten auf der Platine werden im Folgendem aufgeführt: X1 Spannungsversorgung X2 Spannungsbuchsen X3 µa- Messgerät X4 Plusanschluss für C X X5 Masseanschluss für C X 6. Anschlusswerte elektrisch Das Gerät verfügt über einen eingebauten 9 Volt Block, der als Versorgungsspannung dient. Diese wird über einen Kippschalter an der Stirnseite des Gerätes ein oder ausgeschaltet. 7. Inbetriebnahme der Platine Zum ersten Testen der Platine wird diese an die Versorgungsspannung angeschlossen. In meinem Fall ist das der eingebaute 9V- Block. Über einen Kippschalter wird nun die Schaltung mit der Spannung versorgt. Darüber hinaus wird ein Kondensator angeschlossen, dessen Kapazität gemessen werden soll. Anhand der Vorüberlegungen weis man, welche Signale an welchen Punkten ankommen müssen. Diese Signale werden mit einem Oszilloskop gemessen (siehe Kapitel 4.4). Signalwerte Spitze- Spitze am Baustein LM 556: an PIN 6 : 0-6V an PIN 5 : 0-9V an PIN 8 : 3-9V an PIN 9 : 0-7V

16 Abgleichen des µa- Messgerätes: Zum Abgleichen des Messgerätes wurde das POTI R11 eingebaut. Mit Hilfe dessen kann die Zeigerstellung in einem kleinem Bereich verstellt werden. Zum genauen Abgleichen ist es notwendig Kondensatoren zu verwenden, deren Kapazitäten bekannt sind. Dabei wird für jede Schalterstellung ein passender Kondensator verwendet: gemessener Wert: angezeigter Wert: Schalterstellung 1: F Anzeige: F Schalterstellung 2: F Anzeige: F Schalterstellung 3: F Anzeige: F Schalterstellung 4: F Anzeige: F Schalterstellung 5: F Anzeige: F Schalterstellung 6: F Anzeige: F Diese Werte wurden mit dem Kapazitätsmessgerät gemessen. Anhand dieser Werte kann nun das Messgerät abgeglichen werden.

17 8. Das Gehäuse Um die Schaltung einsetzten zu können wird diese in ein Gehäuse eingebaut. Das Gehäuse ist auf der anliegenden technischen Zeichnung mit allen Bohrungen und Durchbrüchen abgebildet. Im Innerem des Gehäuses ist die Platine auf Abstandsbolzen befestigt. Hierzu wurden bei der Leiterplattenherstellung Befestigungslöcher auf der Platine plaziert. Befestigungsbohrung 8.1 Arbeitsanweisung Alle Bohrungen am Gehäuse wurden mit dem gleichem Fräser gefertigt, der auch schon zur Platinenbearbeitung verwendet wurde. Dazu muss vor der Bearbeitung ein Fräsplan vom Gehäuse erstellt werden. Dieser Fräsplan enthält alle Bohrungen und Öffnungen die später das Gehäuse aufweisen soll. Auch hier ist auf die Plazierung des Nullpunktes zu achten. Weiterhin ist bei der Erstellung des Fräsplanes die Fräserdicke zu berücksichtigen. Ist der Fräsplan erstellt und abgespeichert, kann das Gehäuse bearbeitet werden.

18 9. Das fertige Gerät Ganz zum Schluß wird das Gehäuse noch mit einer transparenten Folie beklebt. Auf dieser Folie ist die Beschriftung (mit Hilfe von CAD, wird genauso angefertigt wie der Fräsplan) aufgedruckt. Zum Ein- und Ausschalten wurde ein Schalter Vorgesehen, der an der Stirnkante angebracht wurde. 10. Die Bedienungsanleitung 10.1 Ein- und Ausschalten des Gerätes Zum Ein- bzw. Ausschalten des Gerätes muß der Schalter für die Versorgungsspannung auf EIN bzw. AUS gekippt werden Einstellung des Messbereiches Mit Hilfe des Drehschalters wird der gewünschte Messbereich, wie auf dem Gehäuse zu sehen, eingestellt. Dazu muss dieser nach links bzw. rechts gedreht werden Anschließen des zu messenden Kondensators

19 Für den Anschluß des Kondensators dessen Kapazität gemessen werden soll, sind zwei Anschlußklemmen vorgesehen. Bei der Messung eines Elektrolytkondensators ist unbedingt die Polung zu beachten Ablesen des Messgerätes Ist die Versorgungsspannung eingeschaltet und die zu messende Kapazität angeschlossen, schlägt das Messgerät aus. Der Zeigerausschlag zeigt den prozentualen Wert der Kapazität an. Dabei ist immer vom höchsten Wert des eingestellten Messbereiches auszugehen Schutzmaßnahmen Bei Nutzung des Gerätes sind keine besonderen Schutzmaßnahmen notwendig. Während einer Messung darf auch der Kondensator, ohne Abschalten der Versorgungsspannung, ausgetauscht werden Auswechselung der Batterie Um die Batterie austauschen zu können, muss das Gehäuse auseinander genommen werden. Dazu sind die Verschlußschrauben auf der Rückseite des Gehäuses zu lösen und der Deckel abzunehmen. Die Batterie wird nun sichtbar. Um sie von der Leiterplatte zu lösen, muss der Kabelbinder entfernt werden. Anschließend wird die Batterie ausgewechselt und das Gerät wieder verschlossen. 11. Anhang

20 11.1 Der Drehschalter Der Drehschalter ist ein Doppelschalter mit 6 Stellungen. Dabei werden pro Schalterstellung immer 2 PINS gleichzeitig mit Spannung versorgt: PIN 1 und PIN 7 PIN2 und PIN 8 PIN3 und PIN 9 PIN 4 und PIN 10 PIN 5 und PIN 11 PIN 6 und PIN 12 PIN 13 und PIN 14 sind die PINS für die Versorgung. Da dieses Bauelement nicht in einer der Bibliotheken vorhanden war, musste dieses neu angelegt werden. Zunächst musste ein Schaltzeichen des Drehschalters erstellt werden. Dazu gibt es im Ariadne (SCM) extra eine Zeichenoberfläche. Hier muss schon auf die PIN- Belegung geachtet werden, damit es später keine Probleme gibt. Ist das Schaltsymbol gezeichnet muss es in eine Bibliothek abgespeichert werden. Anschließend wird die Bauform angelegt. Dies wird ebenfalls mit Ariadne (PCB) realisiert. Anschließend muss die PIN- Belegung vom Schaltsymbol und von der Bauform miteinander vereinbart werden. Wenn dies alles getan wurde, wird das fertige Drehschaltersymbol in der Bibliothek abgelegt und kann nun in den Schaltplan eingefügt werden Datenblätter: LM 358 / LM 555 / LM 556