Schaltungsbeschreibung
Die Sensorik der Gruppe Licht beschäftigt sich mit der Temperaturanfälligkeit von Bauteilen, speziell Leuchtdioden.
Bekanntlich arbeiten Leuchtdioden nicht ideal, daher kann in einer Leuchtdiode beispielsweise bei steigender Temperatur den durchfließenden Strom sich erhöhen, was zur Zerstörung der betroffenen Leuchtdiode führt.
Die Messung der Temperatur wird durch eine invertierende Trigger-Schmitt-Schaltung mit einem PTC-Widerstand realisiert.
Dabei besteht diese Schaltung aus einem Spannungsteiler von Widerständen in Kombination mit einem Operationsverstärker.
Schnittstellen
Man benötigt von der Versorgungsgruppe eine Spannung im Bereich von 0V−5V.
Schaltung
Die folgende Grafik veranschaulicht die Realisierung des Temperatursensors mittels der invertierende Trigger-Schmitt-Schaltung.
Hier benötigt man kein Lüfter, da die invertierende Trigger-Schmitt-Schaltung als Sensor für die leuchtenden LEDs fungiert. Bei Überschreitung einer Temperaturschranke soll kein Strom durch die Schaltung fließen, sodass die Leuchtdioden abgeschaltet und sich abkühlen können.
Funktionsweise
Der PTC-Widerstand ist ein veränderlicher Widerstand, welcher speziell auf Temperaturänderungen reagiert. Bei steigernder Temperatur wird ebenso der Widerstandswert des PTC-Widerstands erhöht. Dahingegen sinkt der Widerstandswert bei sinkender Temperatur.
Man hat hier für eine Temperaturschranke von Θ(schrank = 90◦C gewählt. Aus dem Datenblättern kann man entnehmen, dass der PTC-Widerstand einen Wert von ungefähr 1347Ω annimmt.
Die invertierende Trigger-Schmitt-Schaltung sorgt bei einer Überschreitung von Θ(schranke) bzw. von R(PTC), hier ca. 1347Ω, am Ausgang der Schaltung auf 0V angelegt wird. Bei Unterschreitung der Temperaturschranke, durch Abkühlung beispielsweise, wird am Ausgang wieder die Betriebsspannung am Eingang wieder angelegt. Dadurch stellt man sicher, dass die Leuchtdioden nicht bei überhöhten Temperaturen weiter betrieben werden.
Dies wird durch den Operationsverstärker realisiert. Der verwendete Operationsverstärker fungiert als Komparator von zwei Spannungssignalen.
Bei steigender Temperatur steigt neben der Widerstandswert ebenso auch die abfallende Spannung am PTC-Widerstand. Wenn die Eingangsspannung U−, von PTC-Widerstand, größer als die andere Eingangsspannung U+ ist, schaltet der Operationsverstärker auf die Masse, also auf 0V, sodass am Ausgang keine Spannung abfällt.
Dahingegen schaltet der Operationsverstärker bei geringen Temperaturen, folglich geringe Spannung am PTC-Widerstand, auf die Versorgungsspannung von 5V zu, denn hier ist nun die Eingangspannung U+ vom Operationsverstärker größer als die andere Eingangsspannung U−. Damit der Operationsverstärker bei einer bestimmten Temperaturschranke schalten kann, müssen die anderen Widerstände dementsprechend dimensioniert werden.
Simulation
Die folgende Grafik zeigt die Schaltung für die Simulation.
Hierbei betrachtet man den PTC-Widerstand als Spannungsquelle mit verschiedenen SpannungswertebeiverschiedenenZeitpunkten.DurchdasEinsetzenderSpannungsquelle simuliert man die Änderung der Spannung auf den temperaturabhängigen Widerstand PT1000. Hier wird die Spannung V2 in den ersten fünf Sekunden von Null auf 2V steigen und wird in den verbleibenden vier Sekunden auf Null abfallen.
Die wird mit der Advanced-Einstellung der Spannungsquelle im Unterpunkt PWL durchgeführt.
Die Simulation soll die Hysterese der invertierenden Trigger-Schmitt-Schaltung, hervorgerufen durch den Einschalt – bzw. Ausschaltvorgang des Operationsverstärker, widerspiegeln. Im Abschnitt Dimensionierung zeigte man auf, ab welcher Temperatur ungefähr der Operationsverstärker auf 0V bzw. auf Betriebspannung am Eingang schaltet.
Dann bekommen wir Ausgangskennlinie:
Auf dem Bild können wir klar sehen: Wenn die Spannung der Spannungsquelle niedrig ist,bekommen wir Ausgangsspannung von 11V. Das heißt, wenn der Widerstand des PT1000 klein ist (Temperatur ist niedrig), so ist die Schaltung eingeschaltet. Wenn die Spannung der Spannungsquelle hoch ist,bekommen wir sehr kleine Ausgangsspannung.Das heißt,wenn der Widerstand des PT1000 hoch ist(Temperatur ist hoch), so
ist die Schaltung ausgeschaltet.
Wenn man OP495 statt LM258N einsetzt, dann bekommen wir ideale Kennlinie (s. untere Abbildung):
In diesem Fall kann die Ausgangsspannung bei eingeschaltetem Zustand 12V Ausgangsspannung erreichen,und wenn die Schaltung ausgeschaltet ist, fließt gar kein Strom in der Schaltung.
Hierbei wird verdeutlicht, dass je nach Modell des Operationsverstärkers andere Spannungswertehoch-bzw.runterschaltet. Daher hängt die Verwendung des jeweiligen Modells über die Aussteuerung der Schaltung ab. Durch den hohen Preises des OP495, haben wir uns schließlich für LM258N entschieden.
Bauteillisten
Für den Temperatursensor benötigt man folgende Bauteile :
- Operationsverstärker : LM258N
- Widerstände : R1 = R3 = 4000 Ω ; R2 = 1300 Ω ; R5 = 100 kΩ
- Platin-Messwiderstände : PT1000
- VG64 Bus Board
Manche Widerstände gibt es nicht exakt mit diesen Werten. Daher musste man die mehrere Widerstände in Serie schalten, sodass man diese jeweiligen Widerstandswerte erhält.
Layout
Nachdem man in der Simulation die gewünschten Resultate erzielte, kann man die Simulationsschaltung aus Abbildung 42 im Schaltungslayoutprogramm Eagle umsetzen, um nachher eine Platine der invertierenden Trigger-Schmitt-Schaltung zu erhalten.
Die folgenden Abbildungen stellen den schematischen Aufbau sowie das Platinen-Layout dar (s. Abbildungen 45 und 46).
Hier sollte man noch anmerken, dass beim Testen der Platine nicht die gewünschte Ausgangsspannung bei verschiedenen Temperaturen messen konnte.
Bei intensiver Fehlersuche stellte man fest, dass beim Erstellen des schematischen Aufbaus im Programm Eagle ein Fehler unterlief. Normalerweise sollte der Ausgang des Operationsverstärkers direkt mit dem Bus verschaltet sein, was in Abbildung 45 nicht zu sehen ist. Der Widerstand, der eigentlich mit der Rückkopplung verbunden werden soll, ist mit dem Ausgang des Operationsverstärker zusätzlich geschaltet, was zur einer Verfälschung der Ausgangsspannung führt.
Daher unterband man die Leiterverbindung des Buses (A17 bzw. C17) mit U+ an der Unterseite der Platine mittels eines Cutters. Anschließend verlötete man mithilfe von Drahtbrücken die Busleitung A17 bzw. C17 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers. Den Ausgang des Operationsverstärkers kann man je nach Modell in Datenblättern nachschlagen.
Nun folgen die Bilder zu der Platine.
