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555-Messtechnik
2010-2019 © Peter E. Burkhardt
555-Messtechnik
15 MB 

Generatoren

Quarz-Tester mit LED-Anzeige und Signalton

Last-Generator zum Testen von 5V-Schaltungen

Last-Generator, Frequenz und Tastgrad einstellbar

PWM-Testgenerator 1 Hz bis 10 kHz, universelle 1A-Endstufe

Generatoren, Quarz-Tester
2010-10 © Peter E. Burkhardt

Generatoren

Quarz-Tester mit LED-Anzeige und Signalton

Anwendung

Die folgende Schaltung prüft, ob ein Quarz schwingt oder nicht. Außerdem sind gekapselte Quarzgeneratoren prüfbar, sofern sie mit einer Betriebsspannung von 5 V arbeiten. Der Einsatzbereich liegt bei 200 kHz bis 30 MHz (getestet). Die Gut-/Schlecht-Aussage erfolgt über eine LED, wahlweise zusätzlich über einen Signalton.

Prinzip

Der angeschlossene Quarz ist Teil eines Colpitts-Oszillators. Die vom Quarz bestimmte Oszillatorschwingung wird gleichgerichtet und über eine LED angezeigt. Außerdem wird ein 555-AMV freigegeben, so dass auch akustisch das Prüfergebnis wahrgenommen wird. Ist der Quarz defekt, bleibt die LED dunkel und der Tongenerator gesperrt.

Zur Prüfung von Quarzoszillator-Modulen wird die gelieferte Impulsfolge ebenfalls in den Colpitts-Oszillator eingespeist. Die weitere Verarbeitung erfolgt wie bei der Quarzprüfung. Ein zusätzlich herausgeführter Anschluss versorgt den zu prüfenden Quarzoszillator mit Strom.

Quarz-Tester mit LED-Anzeige und Signalton

Colpitts-Oszillator

Der Colpitts-Oszillator (kapazitive Dreipunkt-Schaltung) mit Transistor Q1 ist in einem weiten Frequenzbereich schwingsicher und kommt mit den meisten Quarzen gut zurecht. Q1 arbeitet in Kollektor-Schaltung und wurde auf möglichst hohe Transitfrequenz hin ausgewählt (SF245 mit FT = 760 MHz). Den kapazitiven Dreipunkt bilden die Kondensatoren C1 und C2 am Q1-Emitter. Sie sorgen für die nötige phasengleiche Rückkopplung vom Q1-Emitter zur Q1-Basis. Parallel dazu liegt der externe frequenzbestimmende Prüfquarz. C3 dient nur der Abtrennung vom Q1-Basispotential nach außen hin. Er beeinflusst aufgrund seiner Größe die Resonanzfrequenz des Quarzes nicht.

Anmerkung:

Die meisten Quarze haben AT-Schnitt und arbeiten in Serienresonanz, wobei bis in den Bereich von 80 MHz die Grundwelle erregt wird. Für diese Bedingungen ist der Oszillator ausgelegt und getestet. Oberwellenquarze gibt es dagegen bis etwa 600 MHz.

Die Widerstände R1 und R2 bestimmen den Arbeitspunkt von Q1. Schwingt der Oszillator nicht (kein Quarz angeschlossen), sind ca. 2,9 V am Q1-Emitter messbar. Der Oszillator schwingt sofort, wenn der Quarz an X2/X3 angeschlossen wird. Eine Anschwinghilfe z.B. durch separates Einschalten von Ub ist nicht erforderlich.

Gleichrichtung und LED-Anzeige

Die Oszillator-Schwingung wird über C4 ausgekoppelt und mit den Dioden D1 und D2 gleichgerichtet. Die entstehende Gleichspannung an C5 steuert den Transistor Q2 durch und LED D3 leuchtet. Schwingt der Oszillator nicht (kein oder defekter Prüfquarz) bleibt Q2 gesperrt und damit die LED dunkel.

Externer Anschluss eines Quarzoszillators

Oft enthält ein kleines Blech- oder Plastikgehäuse nicht nur den Quarz selbst, sondern auch noch die ganze Oszillatorschaltung. Läuft diese Schaltung ab ca. 4,5 V (Nennspannung meistens 5 V), kann auch sie an die Prüfschaltung angeschlossen und geprüft werden. Dazu steht neben GND X3 und Signaleingang X2 noch der Stromanschluss X1 zur Verfügung.

Generatoren, Quarz-Tester
2010-10 © Peter E. Burkhardt

(Bild-Wiederholung) Quarz-Tester mit LED-Anzeige und Signalton

X1 ist über den Zweipol Q3/Q4/R5/R6 geschützt, so dass bei Falschpolung oder Kurzschluss an X1 nur maximal 65 mA fließen können. Die gekapselten Quarzoszillatoren benötigen meist weniger Strom, es stellt sich normalerweise an X1 eine Spannung von min. 4,5 V ein. R6 bestimmt den Maximalstrom Imax, bei dem Q4 öffnet und damit Q3 sperrt:

Imax = UBE4 / R6 = 0,65 V / 10 Ω = 65 mA

Sollte der zu prüfende Oszillator nominal mit 3,3 V arbeiten, ist die etwas höhere X1-Spannung für die kurze Prüfzeit nicht schädlich. Für wesentlich andere Nennspannungen (z.B. 12 V) muss der zu prüfende Oszillator von einer separaten Spannungsquelle versorgt werden.

Der Signalausgang des zu prüfenden Oszillators ist mit Eingang X2 zu verbinden. Der interne Colpitts-Oszillator wird durch die anliegende Schwingung ebenso erregt, als wäre nur ein Quarz angeschlossen. Die weitere Signal-Auswertung bis zur Ansteuerung der LED geschieht wie beim Prüfen eines Quarzes.

Anmerkung:

Im Bild sind Bauform und Pin-Belegung des DIL14-Quarzoszillator-Moduls nur ein Beispiel. Es gibt ebenso DIL8-Module oder auch andere Bauformen. Durch den strombegrenzten X1-Anschluss besteht normalerweise keine Gefahr beim probeweisen Anschluss unbekannter Module.

Auswertung mit Signalton

Da beim Prüfen meist die Aufmerksamkeit dem Kontaktieren des Quarzes gewidmet wird, ist eine akustische Signalisierung vorteilhaft. Dazu liefert der 555-AMV (IC1) ein Tonsignal an den Lautsprecher, aber nur dann, wenn der Prüfling in Ordnung ist.

Falls der Colpitts-Oszillator schwingt, leuchtet LED D3 und der Q2-Kollektor liegt auf L. Transistor Q12 sperrt und der 555-Reset-Eingang Pin 4 liegt über R8 an H-Potential. Damit ist der AMV zur Erzeugung des Signaltones freigegeben.

Im Normalfall (kein Prüfling angeschlossen) schwingt der Colpitts-Oszillator nicht, der Q2-Kollektor liegt auf H. Transistor Q12 ist jetzt durchgesteuert und zieht das Potential am Reset-Eingang Pin 4 auf GND. Damit ist der AMV gesperrt, der Lautsprecher erhält kein Tonsignal.

Die AMV-Frequenz f1 wird von R9, R10 und C6 bestimmt (Berechnungsformel siehe Bild). Mit den angegebenen Bauelementen ergeben sich 1460 Hz. Die Lautstärke kann mit Widerstand R16 angepasst werden. R15 sollte in Abhängigkeit vom Lautsprecherwiderstand RL mindestens so groß gewählt werden, dass der Maximalstrom der 555-Endstufe nicht überschritten wird, auch wenn der R16-Schleifer am 555-Ausgang steht. Im Bild ist der Lautsprecher nur stellvertretend dargestellt. Es sind ebenso andere Schallwandler einsetzbar (Hörkapsel, Piezo-Wandler).

Vor-/Nachteile der Schaltung

Ohne Meßgerät oder Einstellarbeiten sind Quarze und Quarzoszillator-Module prüfbar, ob sie schwingen oder nicht. Das Prüfergebnis wird optisch und akustisch angezeigt. Mehr kann und soll die Schaltung nicht leisten.

Generatoren, Last-Generator zum Testen für 5 V
2010-12 © Peter E. Burkhardt

Last-Generator zum Testen von 5V-Schaltungen

Anwendung

In digitalen Schaltungen ist häufig beim Einschalten der Betriebsspannung ein definierter Rücksetzimpuls erforderlich. Im Folgenden schaltet ein 555 periodisch die Betriebsspannung Ub an die zu testende Reset-Schaltung. Dadurch ist mit dem analogen Oszilloskop die Prüfung und Optimierung der Reset-Schaltung möglich.

Prinzip

Der 555 arbeitet als AMV und liefert ein niederfrequentes Schaltsignal, um die Reset-Schaltung und evtl. weitere digitale Schaltungsteile periodisch ein- und auszuschalten. Alle Einschalt-, Impuls- und Verzögerungszeiten, die normalerweise nur einmalig beim Ub-Einschalten auftreten, lassen sich am Oszilloskop darstellen und optimieren.

Last-Generator zum Testen digitaler Schaltungen

AMV-Frequenz

Die Frequenz des 555-AMVs sollte mindestens so hoch sein, dass sich eine flimmerarme Oszi-Darstellung ergibt. Andererseits darf sie nicht zu hoch sein, um auch mit Oszis niedriger Grenzfrequenz noch genügend genau Anstiegs- und Verzögerungszeiten messen zu können.

Ein weiteres Kriterium ist die Anstiegszeit TA der geschalteten Ausgangsspannung U2. TA ist groß, wenn die kapazitive Belastung durch das Testobjekt groß ist (siehe Diagramm im Bild). Ist die U1-EIN-Zeit zu kurz, wird die nominale +Ub (5 V) nicht erreicht.

Die AMV-Frequenz wird von R1, R2 und C1 bestimmt. Sie ist mit S1 zwischen 162 Hz und 49 Hz umschaltbar. Damit ergibt sich einerseits mit 162 Hz eine gute Oszi-Darstellung, andererseits sind auch längere Anstiegszeiten TA zulässig. Abhängig vom Testobjekt können U1-Frequenz und U1-Tastgrad angepasst werden (Formeln siehe Bild).

Schaltstufe

Die AMV-Ausgangsimpulse U1 steuern über die Transistoren Q3, Q4 den Gegentakt-Schalter Q1, Q2. Q1 schaltet periodisch +5 V an die zu testende Reset-Schaltung. Wenn Q1 sperrt, schaltet Q2 die +Ub-Leitung der Testschaltung nach GND. Damit werden gespeicherte Ladungen der Stützkondensatoren schnell abgebaut. Diese Ladung müsste sich sonst über den Innenwiderstand der Reset-Schaltung abbauen. Bei hoher kapazitiver Last CL würde +Ub in den Pausen nicht auf Null absinken können.

Ansteuerung der Schaltstufe

Mit U1-H-Pegel steuert Q3 durch und liefert so den Basisstrom für den pnp-Transistor Q1, Q1 öffnet und schaltet +Ub an das Testobjekt. Gleichzeitig steuert auch Q4 durch und legt die Q2-Basis auf GND, Q2 sperrt.

Mit U1-L-Pegel sperrt Q3, Q1 erhält keinen Basisstrom mehr, Q1 sperrt. Der Widerstand R7 sorgt dafür, dass die Q1-Basis definiertes Potential erhält.

Mit U1-L-Pegel sperrt auch Q4. Jetzt erhält Q2 über R8 Basisstrom, Q2 öffnet und schaltet +Ub des Testobjekts auf GND.

Anmerkung:

Die Sättigungsspannung UCE der Endstufen-Transistoren Q1 und Q2 sollte niedrig sein, damit +Ub am Testobjekt möglichst unverfälscht zur Verfügung steht. Deshalb ist die Gegentaktendstufe des 555 wegen der zu hohen Sättigungsspannung des oberen 555-Endstufenzweiges hier nicht direkt nutzbar.

Generatoren, Last-Generator zum Testen für 5 V
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Dimensionierung der Q1-Ansteuerung

Ausgangspunkt ist, dass die Schaltstufe bis zu 1 A liefern soll. Das Transistorpaar BD135-BD136 erfüllt diese Bedingung hinreichend (Ic = 1,5 A), zumal Q1 bzw. Q2 wegen dem AMV-Tastgrad von ca. 0,5 im Mittel nur mit maximal 0,5 A belastet würden.

Für den erforderlichen Q1-Basisstrom gilt Imax = 1 A. Die Q1-Stromverstärkung ist bei 1 A minimal 25 (lt. Datenblatt). IBEQ1 = 40 mA würden also reichen. Sicherheitshalber werden 50 mA angesetzt (leichte Übersteuerung) oder aber die Stromverstärkung könnte nur 20 betragen, um 1 A Q1-Kollektorstrom fließen zu lassen.

R5 berechnet sich aus UR5 (Ub abzüglich der Q1-Basis-Emitter-Spannung und der Q3-Kollektor-Emitter-Spannung) und IR5 = IBQ1. Gewählt wird der E12-Normwert 82 Ω. Die Kontrollrechnung zeigt, dass jetzt der Basisstrom 51,2 mA ist.

Zur Kontrolle sollte die R5-Verlustleistung berechnet werden:

UR5 * IR5 = 4,2 V * 51,2 mA = 215 mW.

Da diese Leistung aber nur während des U1-H-Pegels auftritt (bei L fließt kein Q3-Kollektorstrom), reicht ein 0,2W-Widerstand aus.

Bisher war R7 nicht berücksichtigt. Durch R7 sollten 1/10 vom Basisstrom fließen (Richtwert), also 5 mA. Da über R7 die konstante Q1-Basis-Emitter-Spannung steht, ist R7 leicht zu berechnen. Es ergeben sich 140 Ω, gewählt werden 220 Ω. Der sich nun ergebende R7-Strom lt. Kontrollrechnung beträgt 3,2 mA und geht dem berechneten Basistrom von 51,2 mA verloren.

Der resultierende Q1-Basisstrom ist also nur noch 48 mA, gemessen wurden in der Schaltung 49 mA. Das reicht aus.

Zur R3-Berechnung ist der Q3-Basistrom gefragt. Es muss mindestens ein Q3-Kollektorstrom von 51,2 mA fließen können (Summe von IR7 und IBQ1). Das bestimmt auch die Q3-Typ-Auswahl. Der Transistor SC945 lässt einen Kollektorstrom von 150 mA zu, ist also ausreichend.

Die Q3-Stromverstärkung ist minimal 70 (lt. Datenblatt), es wird ein Übersteuerungsfaktor von 2 angesetzt (Richtwert bei Kleinleistungs-Transistoren).

R3 berechnet sich aus UR3 (555-Ausgangspannung U1H abzüglich Q3-Basis-Emitter-Spannung) und IR3 = IBQ3. Es ergeben sich 2 kΩ, gewählt wird der E12-Normwert 1,8 kΩ. Die Kontrollrechung zeigt, dass jetzt der Basisstrom 1,7 mA beträgt, gemessen wurden in der Schaltung 1,6 mA.

Damit ist der obere Zweig der Schaltstufe berechnet.

Generatoren, Last-Generator zum Testen für 5 V
2010-10 © Peter E. Burkhardt
Dimensionierung der Q2-Ansteuerung

Ausgangspunkt ist auch hier, dass Q2 bis zu 1 A aufnehmen soll. Aufnehmen heißt, dass der Strom aus der Testschaltung heraus in den unteren Schaltstufenzweig Q2 hineinfließt. Dieser Strom nimmt zwar schnell ab, da es nur der Entladestrom der kapazitiven Last CL der Testschaltung ist. Für eine steile Entladeflanke ist aber ein hoher Maximalstrom erforderlich.

Der Entladestrom hängt nur von der CL-Größe ab (Elko-Anzahl/-Kapazität), nicht vom quasi-statischen Innenwiderstand (mittlere Stromaufnahme) der Testschaltung. Der obere Schaltstufen-Zweig Q1 ist ja in dieser Phase gesperrt.

Für den erforderlichen Q2-Basisstrom gilt also Imax = 1 A. Die Q2-Stromverstärkung ist bei 1 A minimal 25 (lt. Datenblatt). IBEQ2 = 40 mA würden also reichen. Sicherheitshalber werden 50 mA angesetzt (leichte Übersteuerung) oder aber die Stromverstärkung könnte nur 20 betragen, um 1 A Q2-Kollektorstrom fließen zu lassen.

R8 berechnet sich aus UR8 (Ub abzüglich der Q2-Basis-Emitter-Spannung) und IR8 = IBQ2. Gewählt wird der E12-Normwert 82 Ω. Die Kontrollrechnung zeigt, dass jetzt der Basisstrom 52,5 mA ist.

Zur Kontrolle sollte die R5-Verlustleistung berechnet werden:

UR8 * IR8 = 4,9 V * 52,5 mA = ca. 260 mW.

Diese Leistung tritt während des U1-L-Pegels auf (IR8 fließt als Q2-Basisstrom), aber auch während des U1-H-Pegels (IR8 fließt über Q4 nach GND). Sicherheitshalber sollte ein 0,5W-Widerstand vorgesehen werden.

Zur R4-Berechnung ist der Q4-Basistrom gefragt. Es muss mindestens ein Q4-Kollektorstrom von 59,8 mA fließen können. Dieser R8-Strom während des U1-H-Pegels ist jetzt etwas größer als während des U1-L-Pegels, da die Q4-Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung mit 0,1 V niedriger als die Q2-Basis-Emitter-Spannung ist.

Die Q4-Stromverstärkung ist minimal 70 (lt. Datenblatt), es wird wieder ein Übersteuerungsfaktor von 2 angesetzt.

R4 berechnet sich aus UR4 (555-Ausgangspannung U1H abzüglich Q4-Basis-Emitter-Spannung) und IR4 = IBQ4. Es ergeben sich 1,76 kΩ, gewählt wird der E12-Normwert 1,8 kΩ. Die Kontrollrechung zeigt, dass jetzt der Basisstrom 1,7 mA beträgt, gemessen wurden in der Schaltung 1,6 mA.

Damit ist der untere Zweig der Schaltstufe berechnet. Allerdings wurde bisher die Strombegrenzung nicht berücksichtigt.

Strombegrenzung

Transistor Q6 schaltet die Q2-Basis nach GND, sobald die Spannung über R10 größer als ca. 0,65 V wird. R10 bestimmt, bei welchem Strom dieser Spannungsabfall erreicht wird. Bei Kurzschluss ergaben sich 1,38 A.

Die Strombegrenzung schützt Q2 bei der Entladung großer Elkos in der Testschaltung. Transistor Q1 ist auf eine Strombegrenzung der +5V-Quelle angewiesen.

Q1-Spannungsabfall der oberen Schaltstufe

Leider haben bipolare Transistoren beim Einsatz als Schalter einen Nachteil: Der Spannungsabfall über dem Schalttransistor ist meist mindestens 0,1 V und wird größer, wenn der geschaltete Kollektorstrom größer wird. Diese stromabhängige Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung kann bis über 1 V betragen. Im Datenblatt des BD136 sind entsprechende Digramme UCEsat = f(IC) enthalten.

Beim Einsatz des Last-Schalters ist deshalb zu prüfen, ob die Versorgungsspannung vor dem Q1-Schalter (+5V) erhöht werden muss, um die Mindestspannung von 4,75 V (in digitalen 5V-Systemen) nach dem Q1-Schalter noch zu garantieren.

Sind kleine digitale Schaltungen mit geringem Strombedarf (bis ca. 0,5 A) zu testen, ist die Spannungserhöhung noch nicht erforderlich.

Generatoren, Last-Generator zum Testen für 5 V
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U2-Kurvenform

Bei kleineren Testschaltungen mit geringer kapazitiver Last ist die U2-Anstiegszeit TA vernachlässigbar. Ist die Betriebsspannung Ub größerer Systeme zu schalten, ergibt sich abhängig von der Stütz-Elko-Anzahl und von der Stromaufnahme eine größere U2-Anstiegszeit. Auch der Innenwiderstand der +5V-Quelle spielt eine Rolle.

Bei Reset-Schaltungen, die mit Einschalten der Betriebsspannung den Reset-Impuls generieren, ist eine lange Ub-Anstiegszeit oft ein Problem. Mit dem Last-Generator kann Reset gezielt optimiert werden.

Fazit

Das periodische Ein- und Ausschalten der Betriebsspannung Ub mit dem 555 erlaubt die Beobachtung und Optimierung von Einschaltvorgängen in zu untersuchenden Schaltungen mit dem analogen Oszilloskop.

Der Spannungsabfall über dem Last-Schalter ist stromabhängig und muss bei größeren Testobjekten berücksichtigt werden.

Generatoren, Last-Generator einstellbar
2011-10 © Peter E. Burkhardt

Last-Generator, Frequenz und Tastgrad einstellbar

Anwendung

Das Verhalten digitaler und auch analoger Schaltungen beim Ein-/Ausschalten der Betriebsspannung kann mit dem folgenden Generator mit einem analogen Oszilloskop untersucht und optimiert werden.

Außerdem ist die Schaltung als PWM-Steller für bis zu 1 A Ausgangsstrom einsetzbar.

Eigenschaften
Prinzip

Der erste 555 (IC1) arbeitet als AMV und bestimmt die Frequenz des Schaltsignals. Die Frequenzeinstellung erfolgt durch Änderung der H-Zeit im Verhältnis 2 zu 1. Die sehr kurze L-Zeit bleibt konstant.

Der zweite 555 (IC2) arbeitet als MMV und wird vom AMV getriggert. Der MMV erlaubt die Einstellung des Tastgrades. Dazu wird die MMV-Impulslänge innerhalb der IC1-H-Zeit verändert. Die Frequenz des Schaltsignals bleibt also erhalten. Der längste MMV-Impuls muss mindestens so lang wie die längste IC1-H-Zeit (niedrigste AMV-Frequenz) sein, um 100 % Tastverhältnis mit dem Tastgrad-Poti VR2 einstellen zu können. Bei kürzerer IC1-H-Zeit (höhere AMV-Frequenz) werden 100 % entsprechend eher erreicht. Das ergibt (prinzipbedingt) einen toten VR2-Einstellbereich.

Eine spezielle Schaltung (Q8, Q9) sorgt für das Entladen des MMV-Kondensators C21 bei jedem IC1-H-Zeit-Ende, damit zu lange MMV-Impulse nicht wirksam werden.

Das Schaltsignal steuert die 1A-Endstufe an. Die zu untersuchende Schaltung wird über den oberen Gegentakt-Zweig (Q1) in der U2-H-Phase mit der Betriebsspannung U3 versorgt, die nahezu der Spannungsversorgung +Ub entspricht. Eine Strombegrenzung ist nicht vorgesehen, sie muss durch das vorgeschaltete Netzteil erfolgen.

Der untere Gegentakt-Zweig (Q2) legt in der U2-L-Phase den Ausgang U3 auf GND, so dass Kondensatoren der angeschlossenen Schaltung schnell entladen werden. Evtl. zu hohe Ströme werden mit Q6 begrenzt.

Die Endstufe entspricht dem vorigen Beitrag Last-Generator zum Testen von 5V-Schaltungen, wurde aber für den Ub-Bereich bis 16V dimensioniert.

Last-Generator, Frequenz und Tastgrad einstellbar

AMV und Frequenz-Einstellung

Die Frequenz des 555-AMVs (IC1) sollte mindestens so hoch sein, dass sich eine flimmerarme Oszi-Darstellung ergibt. Andererseits darf sie nicht zu hoch sein, um auch mit Oszis niedriger Grenzfrequenz noch genügend genau Anstiegs- und Verzögerungszeiten messen zu können.

Die AMV-Frequenz wird von R11, VR12, VR1, R13, R14 und C11 bestimmt. Sie ist mit VR1 von 100 bis 200 Hz einstellbar. Voraussetzung ist der Bereichsabgleich mit VR12. Der Frequenzbereich sollte am oberen und unteren Bereichsende etwas überschritten sein, damit sich evtl. Frequenz-Änderungen nicht auf die Einstellbarkeit auswirken. Der VR12-Einstellwert im Testmuster war 6 kΩ.

Generatoren, Last-Generator einstellbar
2011-10 © Peter E. Burkhardt

(Bild-Wiederholung)

Für andere Frequenzbereiche können die Werte für C11 (AMV) und C21 (MMV) umgeschaltet werden. Dadurch bleibt die AMV-Frequenzeinstellung im Verhältnis 1 zu 2 erhalten. Die Werte sind im Bild angegeben. R14 ist klein gegenüber den anderen Widerständen und bestimmt nur die (kurze) U1-L-Zeit.

MMV und Tastgrad-Einstellung

Der 555-MMV (IC2) wird gestartet, wenn die AMV-L-Zeit zu Ende ist. Um den negativen Trigger-Impuls UTR2 zu erhalten, wird U1 mit Transistor Q7 negiert und mit C27-R27 differenziert. Die positive über +Ub hinausgehende Spitze (verursacht durch die steigende UQ7-Flanke) wird mit Diode D2 begrenzt.

Nach dem Triggern beginnt die MMV-Zeit, die mit Poti VR2 eingestellt werden kann. Außerdem sind R21 und C21 zeitbestimmend. Mit C21 = C11 entspricht die maximale MMV-Zeit der maximalen AMV-H-Zeit (minimale Frequenz), so dass 100 % Tastverhältnis einstellbar ist. Dies ist mit R21 beeinflussbar, allerdings sollte R21 nicht kleiner als angegeben gewählt werden.

Damit bei zu langer MMV-Zeit (ist der Fall bei niedrigerer AMV-H-Zeit, d. h. bei höherer AMV-Frequenz) kein Nachtriggern durch den UTR2-Impuls erfolgt, wird der MMV-Kondensator C21 immer kurz vor dem Triggern entladen, so dass der MMV-Impuls neu beginnen kann. Dieses Entladen besorgt Q9, der für die AMV-L-Zeit durchgesteuert ist.

Bereichsende des Tastgrad-Potis VR2 ist 100 % Tastverhältnis, wobei dieses Ende bei niedrigster AMV-Frequenz am Poti-Ende liegt, bei höchster AMV-Frequenz dagegen schon in Poti-Mitte (entsprechend AMV-H-Zeit-Änderung 2 zu 1). Das ist prinzipbedingt, aber durch die relative geringe Frequenzvariation noch aktzeptabel.

Für kürzere MMV-Zeit sinkt entsprechend das Tastverhältnis auf nahezu 1 %. Dieser kürzest mögliche Ausgangsimpuls wird von der AMV-L-Zeit bestimmt (R14). Widerstand R14 sollte aber auch nicht kleiner gewählt werden wie angegeben, da es sonst zu Trigger-Schwierigkeiten kommt (nicht ausreichender Triggerimpuls UTR2).

Endstufe

Die MMV-Ausgangsimpulse U2 steuern über die Transistoren Q3, Q4 den Gegentakt-Schalter Q1, Q2. Q1 schaltet periodisch +Ub an die zu testende Schaltung. Wenn Q1 sperrt, schaltet Q2 die +U3-Leitung der Testschaltung nach GND. Damit werden gespeicherte Ladungen der Stützkondensatoren schnell abgebaut. Diese Ladung müsste sich sonst über den Innenwiderstand der Testschaltung abbauen. Bei hoher kapazitiver Last würde U3 in den Pausen nicht auf Null absinken können.

Ansteuerung der Endstufe

Mit U2-H-Pegel steuert Q3 durch und liefert so den Basisstrom für den pnp-Transistor Q1, Q1 öffnet und schaltet +Ub an das Testobjekt. Gleichzeitig steuert auch Q4 durch und legt die Q2-Basis auf GND, Q2 sperrt.

Mit U2-L-Pegel sperrt Q3, Q1 erhält keinen Basisstrom mehr, Q1 sperrt. Der Widerstand R7 sorgt dafür, dass die Q1-Basis definiertes Potential erhält.

Mit U1-L-Pegel sperrt auch Q4. Jetzt erhält Q2 über R8 Basisstrom, Q2 öffnet und schaltet U3 (+Ub des Testobjekts) auf GND.

Generatoren, Last-Generator einstellbar
2011-10 © Peter E. Burkhardt

(Bild-Wiederholung)

Anmerkung:

Die Sättigungsspannung UCE der Endstufen-Transistoren Q1 und Q2 sollte niedrig sein, damit +Ub am Testobjekt möglichst unverfälscht zur Verfügung steht (auch abhängig vom Strom). Deshalb ist die Gegentaktendstufe des 555 wegen der zu hohen Sättigungsspannung des oberen 555-Endstufenzweiges hier nicht direkt nutzbar.

Strombegrenzung

Transistor Q6 schaltet die Q2-Basis nach GND, sobald die Spannung über R10 größer als ca. 0,65 V wird. R10 bestimmt, bei welchem Strom dieser Spannungsabfall erreicht wird. Bei Kurzschluss ergaben sich 1,38 A.

Die Strombegrenzung schützt Q2 bei der Entladung großer Elkos in der Testschaltung. Transistor Q1 ist auf eine Strombegrenzung der +Ub-Quelle angewiesen.

Q1-Spannungsabfall der oberen Schaltstufe

Leider haben bipolare Transistoren beim Einsatz als Schalter einen Nachteil: Der Spannungsabfall über dem Schalttransistor ist meist mindestens 0,1 V und wird größer, wenn der geschaltete Kollektorstrom größer wird. Diese stromabhängige Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung kann bis über 1 V betragen. Im Datenblatt des BD136 sind entsprechende Digramme UCEsat = f(IC) enthalten.

Beim Einsatz des Last-Schalters ist deshalb zu prüfen, ob die Versorgungsspannung vor dem Q1-Schalter (+Ub) erhöht werden muss, um die Nominal-Spannung der Testschaltung (>4,75 V in digitalen 5V-Systemen) nach dem Q1-Schalter noch zu garantieren.

Sind kleine digitale Schaltungen mit geringem Strombedarf (bis ca. 0,5 A) zu testen, ist die Spannungserhöhung noch nicht erforderlich.

U3-Kurvenform

Bei kleineren Testschaltungen mit geringer kapazitiver Last ist die U3-Anstiegszeit vernachlässigbar. Ist die Betriebsspannung für größere Systeme zu schalten, ergibt sich abhängig von der Stütz-Elko-Anzahl und von der Stromaufnahme eine größere U3-Anstiegszeit. Auch der Innenwiderstand der +Ub-Quelle spielt eine Rolle.

Fazit

Das periodische Ein- und Ausschalten der Betriebsspannung mit dem 555 erlaubt die Beobachtung und Optimierung von Einschaltvorgängen in zu untersuchenden Schaltungen mit dem analogen Oszilloskop. Frequenz- und Tastgrad-Einstellung ermöglichen den flexiblen Einsatz.

Der Spannungsabfall über dem Last-Schalter ist stromabhängig und muss bei größeren Testobjekten berücksichtigt werden.

Generatoren, PWM-Testgenerator
2012, 2017, 2019 © Peter E. Burkhardt

PWM-Testgenerator 1 Hz bis 10 kHz, universelle 1A-Endstufe

Anwendung

PWM-Schaltung und Endstufe sind einzeln oder kombiniert verwendbar. Die offene Baugruppe ist für Aufbau und Test von Schaltungen konzipiert. Die Ein- und Ausgänge sind steckbar.

Eigenschaften

PWM-Testgenerator, Ansicht der Platine 2012 (nicht ganz fertig aufgebaut)

Aufbau der Baugruppe

Als Prüf-Baugruppe im Zusammenhang mit Labor-Aufbauten ist die Schaltung als offene Lochraster-Platte für den Labortisch ausgeführt.

Die Verdrahtung erfolgte von Hand mit 0,5mm-Silberdraht. Endstufentransistoren und 10V-Regler sind auf Kühlkörpern montiert. Weitere Einzelheiten zeigt das Bild.

Die Ein-/Ausgänge der Schaltung sind passend zu meinem Stecksystem mit Sub-D-Buchsen realisiert. Verbindungen zu anderen Schaltungsteilen bzw. zum Prüf-Board werden ausschließlich über einzelne Leitungen mit vergoldeten 1mm-Steckern hergestellt. Auch einzelne Bauelemente haben solche Steckerstifte. Das System hat sich seit über 40 Jahren bewährt!

Generatoren, PWM-Testgenerator
2012, 2017 © Peter E. Burkhardt
Schaltung

PWM-Testgenerator mit C555-Komparator, universeller 1A-Ausgang, Update 2017

Schaltungsteile
Schaltungsprinzip Generator

Der C555-Komparator (IC2) vergleicht die Kondensatorspannung UC11 des 555-AMV (IC1) mit der einstellbaren (VR22) Kontrollspannung Ucv. Der AMV arbeitet mit einer langen H-Zeit (einstellbar zur Frequenzänderung) und einer kurzen L-Zeit. Je größer Ucv ist, desto länger bleibt der C555-Discharge-Ausgang U2 auf H.

Die Umschaltung des C555-Ausgangs U2 auf L erfolgt mit Ende der AMV-H-Zeit. Dazu wird der Komparator-C555 (IC2) mit der fallenden Flanke des AMV-H-Impulses am Komparator-Trigger-Eingang Pin 2 getriggert. Nach dem kurzen UTR2-Impuls liegt der Trigger-Eingang für die restliche Zeit wieder auf H.

Tastverhältnis

Spannungsteiler R21-VR22-R23 liefert am CV-Eingang Pin 5 eine Vergleichsspannung Ucv zwischen GND und 2/3 von Ub. Das ist der Spannungsbereich, den der AMV (IC1) als UC11 liefert. Dabei beträgt der untere Schwellwert 1/3 von Ub.

Generatoren, PWM-Testgenerator
2012, 2017 © Peter E. Burkhardt

Wird Ucv zwischen 1/3 und 2/3 von Ub verändert, ergibt sich eine entsprechende Impulslänge an U2 zwischen 0 und 100 % eines Ladevorganges am Kondensator C11 bzw. C12.

Mit Ucv > 2/3 von Ub liegt U2 permanent auf H (100 %, ständige volle Aussteuerung). Mit Ucv < UC11 liegt U2 permanent auf L (0 %, Aussteuerung = Null). R21-VR22-R23 wurden so gewählt, dass der Einstellbereich des Potis VR22 dem Bereich der möglichen UC11-Spannung entspricht (0 bis 100 %). Das Bild enthält die gemessenen Ucv-Werte für +10 V.

Sowohl der 0%-Anschlag als auch der 100%-Anschlag des Potis VR22 haben einen geringen toten Bereich, damit keine U2-Spannung (0 % bzw. U2 = L), aber auch die volle U2-Spannung (100 % bzw. U2 = H) mit Sicherheit einstellbar ist. Es ergaben sich die im Bild angegebenen Widerstandswerte für R21-VR22-R23.

Frequenz und Entlade-Schaltung

Der AMV mit IC1 ist abweichend von der 555-Standardschaltung im niedrigen Frequenzbereich mit einer externen Entlade-Schaltung für den zeitbestimmenden Kondensator C11 ausgestattet. Außerdem fehlt der sonst übliche Entlade-Widerstand.

Transistor Q12 entlädt C11 schneller als der interne Qdis, so dass eine sehr kurze U1-L-Zeit möglich ist (ca. 20 µs). Der U1-Sägezahn hat also eine kurze Rückflanke. Damit wird der Tastgrad-Einstellbereich wenig eingeschränkt.

Diese Entladeschaltung wird nur im Frequenzbereich 1 (10 Hz bis 1,0 kHz, C11 = 1,33 µF) angewendet. Im Frequenzbereich 2 (100 Hz bis 10 kHz, C12 = 0,129 µF) würde durch die dann weiter sinkende Entladezeit die untere 555-Schwelle (1/3 Ub) unterschritten werden. Das hätte negative Auswirkungen auf die Frequenzkonstanz bei Ub-Änderungen. Außerdem würde sich dann der mit VR22 einstellbare Tastgrad-Einstellbereich ändern.

Deshalb ist die externe Entlade-Schaltung im hohen Frequenzbereich (Schalterstellung S11.2) nicht wirksam. In diesem Fall wird Q11 über R15 ständig durchgesteuert (Verbindung zu Pin 7 ist unterbrochen). Dadurch sperrt Q12 ebenfalls ständig und beeinflusst Knoten Pin 2-6 nicht. Die C12-Entladung geschieht ausschließlich direkt über Pin 7 und Qdis.

Die Frequenz ist trotz des Schutzwiderstands R11 mit dem Poti VR12 im Verhältnis 1:100 einstellbar, da ein etwas ungewöhnlicher Poti-Anschluss erfolgt. Der genaue Abgleich auf die Frequenzbereiche erfolgte mit den Kondensatoren (Parallelschaltungen für C11 bzw. C12). Prinzipbedingt ist die 555-AMV-Frequenz unabhängig von Ub.

Trigger-Schaltung

Jede steigende U1-Flanke (nach der Entladezeit Tdis) bewirkt wegen der Differenzierung mit C21-R25 das kurze Durchsteuern des Transistors Q21. Am Q21-Kollektor ergibt sich ein Triggerimpuls (UTR2), der das C555-FF des Komparators setzt, d. h. der C555-Ausgang U2 wird H (wegen des Pull-Up-Widerstands R27). Der negative Nadelimpuls bei fallender U1-Flanke wird mit Diode D21 begrenzt.

Das Differenzierglied und R26 sind so bemessen, dass der Triggerimpuls UTR2 möglichst kurz, aber auch lang genug zum sicheren Triggern für IC2 ist. Der Triggerimpuls ist ein sauberer L-Impuls von +Ub bis GND am Anfang der AMV-H-Zeit.

Minimaler und maximaler Tastgrad

Prinzipbedingt sind 0 % (D=0) und 100 % (D=1) einstellbar. Davon abweichend sind der minimal und maximal einstellbare Tastgrad in der Nähe dieser Grenzen. Die kurze Discharge-Zeit Tdis in Verbindung mit dem kurzen Triggerimpuls sichern aber, dass der Tastgrad-Sprung an den Bereichsgrenzen minimal bleibt (siehe Bild).

Bei 10 V Ausgangsspannung U2 ergeben sich minimal 50 mV (D = 0,005), danach 0 mV. Maximal einstellbar sind bei 1 kHz 9,8 V (D = 0,98), bei 10 kHz 9,2 V (D = 0,92), danach jeweils 10,0 V. Die berechneten Spannungswerte sind natürlich ideal integrierte Werte und entsprechen der durchschnittlich wirksamen Spannung am ohmschen Widerstand.

Generatoren, PWM-Testgenerator
2012, 2017 © Peter E. Burkhardt
Generator-Ausgang und Steckbuchse

Über den Emitterfolger Q22 steht U2 mit max. 10 V niederohmig an Steckbuchse X1 Pin 3-7-8 zur Verfügung. Durch Schutzwiderstand R29 ist der Ausgang kurzschlussfest und wegen R30 immer GND-bezogen abgeschlossen.

Wird am Generator-Ausgang ein 100-Ohm-Widerstand gegen GND geschaltet, ergibt sich die Halbierung der Ausgangsspannung U2, d.h. jetzt können 5V-Systeme direkt angesteuert werden (z.B. CMOS- oder TTL-Schaltungen).

Dieser Generator-Ausgang kann völlig unabhängig von der folgenden Endstufe benutzt werden.

Schaltmöglichkeiten Generator und Endstufe

Das Blockschaltbild (rechts) zeigt, wie Generator und Endstufe beschaltet werden können und welche Zustände sich ergeben. Im Bild links ist der Generator, dessen Ausgang X1.3-7-8 direkt mit den Endstufen-Eingängen X1.2 (oberer Zweig) und X1.4 (unterer Zweig) gebrückt werden kann. Ist das der Fall, schaltet H den oberen Transistor durch (Symbol 'I'), der untere Transistor wird gesperrt (Symbol '-'). Liegt also ein Rechtecksignal an, schalten die Endstufentransistoren wechselseitig durch.

Die Endstufen-Eingänge sind so konzipiert, dass ein offener Eingang als L gelesen wird. Führen also die Eingänge X1.2 und X1.4 ein L oder sind offen, ist der obere Transistor gesperrt, der untere ist leitend.

Auch die Endstufen-Ausgänge können frei beschaltet werden. Über X2.1-6 wird +Ub1 zugeführt. Das kann bei geringer Endstufenlast +Ub des Generators sein (Brücke X1.1-6 nach X2.1-6), bei höherer Last oder anderer Spannung ist aber eine externe Versorgung nötig.

Die Endstufenlast kann von X2.2-7 nach GND (oberer Zweig schaltet) und/oder von X2.4-8 nach +Ub1 (unterer Zweig schaltet) geschaltet werden. Zusätzlich ist auch das Verbinden der beiden Endstufen-Kollektoren (X2.2-7 mit X2.4-8) möglich. Ein interner 1500µF-Kondensator gegen GND ist an X2.3 frei verfügbar.

Gegentakt-Endstufe, oberer Zweig (pnp)

Ohne Ansteuerung oder bei L an X1.2 ist Q31 wegen R32 sicher gesperrt. Q33 erhält deshalb über R33 keinen Basisstrom von GND. Auch Q33 ist wegen R34 sicher gesperrt.

Mit H an X1.2 steuert Q31 durch und liefert damit über R33 von GND den Basisstrom für Q33. Q33 ist durchgesteuert. Eine Last zwischen X2.2 und X2.5 (GND) erhält Strom. An X2.2 liegt dann H.

R35 erfasst den Stromistwert. Ab ca. 0,6 V über R35 steuert Q32 auf. Damit wird der Q33-Basisstrom nach +Ub1 abgeleitet, Q33 sperrt. So wird der Strom durch Q33 und die Last begrenzt. Der Zweig ist kurzschlussfest, es fließen max. 2,1 A.

Gegentakt-Endstufe, unterer Zweig (npn)

Ohne Ansteuerung oder bei L an X1.4 ist Q41 wegen R42 sicher gesperrt. Q43 erhält deshalb über R43 Basisstrom von +Ub1. Q43 ist durchgesteuert. Eine Last zwischen X2.4 und X2.5 (GND) erhält Strom. An X2.4 liegt dann H.

R45 erfasst den Stromistwert. Ab ca. 0,6 V über R45 steuert Q42 auf. Damit wird der Q43-Basisstrom nach GND abgeleitet, Q43 sperrt. So wird der Strom durch Q43 und die Last begrenzt. Der Zweig ist kurzschlussfest, es fließen max. 2,1 A.

Mit H an X1.4 steuert Q41 durch. Damit wird der Q43-Basisstrom über Q41 nach GND abgeleitet, Q43 sperrt.

Generatoren, PWM-Testgenerator
2012, 2017 © Peter E. Burkhardt
Stromversorgung

Für den Generator wird +Ub = 10 V auf der Platine erzeugt. Über Schraubanschluss X01, X02 kann AC oder auch DC zugeführt werden. Im Muster stand ein Steckernetzteil mit nominal 12 VDC bei 500 mA zur Verfügung. Spannung und Strom am Lade-C C01 sind in der Schaltung angegeben. IC01 liefert die konstante +Ub. Diode D05 und D06 sind nicht unbedingt nötig, werden von mir aber zur Sicherheit immer eingesetzt. Vor allem, wenn Zugang zu +Ub von außen besteht, kann man nie wissen, ob schädliche Spannungen auftreten.

Der +Ub-Anschluss X1.1-6 steht u.a. für die Endstufe zur Verfügung. Allerdings muss bei Verbindung X1.1-6 zu X2.1-6 der KA7810 schon fast 210 mA liefern. Die Spannung über C01 sinkt dabei auf 14 V ab. Da mindestens 2,5 V (besser 3 V) zum Regeln für den KA7810 bleiben müssen, ist die Belastungsgrenze mit dem verwendeten Steckernetzteil fast schon erreicht. Doch für Versuche mit geringer Endstufenlast reicht es.

Die +Ub-Anzeige erfolgt mit der grünen LED D07.

Generatoren, PWM-Testgenerator
2012, 2017 © Peter E. Burkhardt
Verwendung, Anschlussmöglichkeiten

Die Baugruppe hat sich für viele Versuchs-Schaltungen bewährt. Im folgenden Bild sind nur einige prinzipielle Anschlussmöglichkeiten gezeigt. Generell stellen sich bei aktivem H an den Endstufeneingängen die dargestellten Endtransistor-Schaltzustände ein (weiter oben schon beschrieben). Symbol 'I' steht für durchgeschaltet (leitend), Symbol '-' dagegen für gesperrt.

Beachtenswert ist, dass die Endstufen-Zweige (oben/unten) auch einzeln angesteuert und verwendet werden können. Diese Forderung war übrigens auch maßgebend für die Wahl der Schaltungstechnik (keine Emitterfolger, sondern normale Schaltstufen).

Teilbild 1, Up-Last
Teilbild 2, Down-Last
Teilbild 3, Gegentakt-Last
Teilbild 4, geschaltete Stromversorgung
Teilbild 5, Open-Collector-Impulsausgang
Teilbild 6, Last-Test eines Netzgeräts
Generatoren, PWM-Testgenerator
2017, 2019 © Peter E. Burkhardt
Update in 2017

Nur wenige Änderungen waren nötig. Jetzt leuchten die LEDs der Ausgangsstufe auch ohne externe Lastwiderstände. Sobald das Generatorsignal in die Endstufe eingeschleift wird (auf X1) und die Endstufe mit Spannung versorgt ist (auf X2), leuchten die gelben LEDs der Endstufe auf. Damit das so funktioniert, wurden die Widerstände R39 und R49 auf 100 kΩ verringert.

PWM-Testgenerator, Verdrahtung der Lochrasterplatte (Update 12/2017)

Die leicht geänderte Schaltung ist am Anfang dieses Beitrags positoniert.

Generatoren, PWM-Testgenerator
2019 © Peter E. Burkhardt
Update in 2019

Für Untersuchungen an Blinkerschaltungen im Zusammenhang mit der Stromaufnahme solcher Schaltungen wurde der Frequenzbereich des Testgenerators nach unten auf bis 1 Hz erweitert. Außerdem gibt es jetzt einen mit Poti einstellbaren Impulsausgang, um variabel entsprechende Schaltungen mit Impulsen der passenden Spannung versorgen zu können.

Die Stromversorgung wurde vom Schraubanschluss auf einen Steckanschluss geändert. Die Dioden der Greatzbrücke wurden entfernt. Geblieben ist nur eine Sicherheitsdiode, die bei Falschpolung der eingespeisten DC-Spannung leitend wird und somit verhindert, dass die Schaltung der Platine Schaden nimmt.

Das jetzt verwendete externe Steckernetzteil kann 1250 mA bei etwas über 12 V liefern. Somit können nun auch die Testgenerator-Endstufen direkt mit der internen 10V-Spannung bei hoher Belastung versorgt werden.

Generatoren, PWM-Testgenerator
2019 © Peter E. Burkhardt
Fazit

Die Baugruppe ist flexibel nutzbar, liefert durch die PWM alle möglichen Rechtecksignale und ist auch als Leistungsgenerator verwendbar.

Die 1A-Gegentakt-Endstufe ist großzügig dimensioniert, bis 1,5 A sind keine Probleme zu erwarten.

 

© Peter E. Burkhardt