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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Verständnisfragen zu Conradschaltung


Autor: Dirk S. (duerk)
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Hallo,

hab mal ein paar Verständnisfragen zu dieser Conradschaltung(Schaltung 
befindet sich im Anhang). Es handelt sich hierbei, um eine 
Temperaturdifferenzschaltung.

Jedes mal wenn ich fertige Schaltungen nachbaue stört es mich, dass ich 
sie gar nicht oder nur zur Hälfte verstehe. Ich mach jetzt mal eine 
kleine Schaltungsanalyse. Ihr könntet mir dann vielleicht sagen,  was 
ich richtig / falsch interpretiere.

Betriebsspannung:     10..15 V
Stromaufnahme:    1mA (Ruhe)
        50mA (bei angezogenen Relais)
Schalttemperaturbereich:  -5°C bis +100°C

D2:  dient zum Schutz gegen Verpollung

D1:  Freilaufdiode – wenn Relais abfällt induziert es eine Spannung, 
welche sich über D1 entladen kann
  Diode ist bis 100V, 500mW ausgelegt

  Warum nimmt man hier eine Diode, welche bis 100 V anstatt eine 1N4001 
(bis 50V) ?
  Kann die Induktion der Relaisspule so hohe Spannungen erzeugen?
  Und warum diese Diode billiger (bei Conrad zumindest), als die 1N4001 
?

R6:  Vorwiderstand zur LED

LD1:  signalisiert den Ein – Zustand (Relais hat angezogen); LED hat 
vielleicht 10mA , 2V

Wenn T1 durchsteuern würde – durch R6 und LD1 würden 10 mA fließen.
Über R6 würden 6,8 V abfallen und 2V über die LED

Über Relais müssten 8,8V abfallen, da diese parallel zu R6 + LD1 liegt

Für T1 Uce blieben somit noch 3,2 V ( bei Ub = 12V )
T1 (Uceo 45V, max. 200mA)

R2 und R3 sowie R1 und P1: bilden die jeweiligen Spannungsteiler für den 
invertierten und
nicht invertierten Eingang von dem LM 741.

Dienen R1 und R2 eigentlich auch als Vorwiderstände, für die beiden 
Eingänge ? oder so ähnlich ?

Wenn jetzt P1 auch 2,2k und F1=F2 ist, dürfte am OPV nichts passieren, 
da an beiden Eingängen die gleiche Spannung anliegt.

Mal angenommen, dass sich F1 erwärmt. Dann steigt von diesem der 
Widerstand – es fließt weniger Strom über R1, P1 und F1 – somit dürfte 
über diese drei Bauteile weniger Spannung abfallen, U (Eingang2) < U 
(Eingang3)

Aber was passiert jetzt am Ausgang ? Also bei einer gewissen 
Spannungsdifferenz müsste doch am Ausgang eigentlich  ein 
positives/negatives Potenzial sein, abhängig davon, an welchem Ausgang 
mehr Spannung anliegt. Aber bei neg. Ausgang kann doch kein Strom zur 
Basis von T1 fließen? ???

Bei der Beschreibung von Conrad stand drin, dass der Widerstand R4, den 
Ausgang entsprechend hochzieht, sodass er nicht mehr in den anderen 
Zustand zurückfallen kann.
Aber wie macht er das denn?

IC1:  brauch 12 V denke ich, aber wie viel Strom zieht denn so?

R5:   dient als Vorwiderstand zu T1

R7:  müssten eigentlich 0,7 V abfallen, da dieser parallel zu Ube liegt

C6:  dient möglicherweise zur Glättung der Eingangsspannung – Ausgleich 
von Spannungsschwankungen

C1,:  sind gegen Spannungsspitzen, weil die KTY10 sehr empfindlich 
reagieren
C3

Warum nehmen sich (wenn jetzt eine Spitze kommt) die beiden 
Kondensatoren die Spannung? Spannung könnte doch auch über F1 und F2 
abfallen

C2,:
C4  Wozu sind die  da?

C5 soll wohl dazu dienen, dass der Transistor nicht auf Störspitzen 
anspricht (laut Conrad).
Aber Störspitzen sind doch Spannungsspitzen ? Warum ihat der C5 dann so 
eine hohe Kapazität? Der ist doch viel zu träge.

Ok. Das war dann schon alles. Vielleicht könnt ihr euch das mal 
angucken, und mir sagen, was richtig und was falsch ist. Ich danke schon 
mal im vorraus

Gruß Dirk

Autor: Bastler (Gast)
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1N 4148 ist schneller als 1N 4001.
Und: Ja, es können hohe Induktions-Spannungen am Relais entstehen!

Autor: christian (Gast)
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Ist doch ne simple Schaltung. Der OP vergleicht ob am positiven Eingang 
mehr Sapnnung ist, als negativen Eingang. Wenn die Spannung am positiven 
Eingang höher ist als die am negativen, dann steuert der Op voll auf. 
Ausgang ca. 12V (Eingangspannung abzüglich Spannung über D1 und internen 
Verlusten im Op). Wenn der Augang ca + 12 Volt rauswirft schlatet der 
Transistor T1 und das Realis zeiht an. Gleichzeitig liegt die Spannung 
über R4 wiederum am positiven Eingang vom OP. Dieser ist also nun immer 
positver als der neagative Eingang. Dieser zusatand wird solange 
gehalten bis du die Schaltung spannungfrei schaltest. Über P1 beinflusst 
du den Spannungsteiler. Dadurch kannste halt die die Schaltschwelle 
verstellen.
mfg
Christian

Autor: noch en Bastler (Gast)
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> 1N 4148 ist schneller als 1N 4001.

Die Schaltzeiten der Dioden sind völlig uninteressant.



> Und: Ja, es können hohe Induktions-Spannungen am Relais entstehen!

Die Induktionsspannungen werden durch die Durchlassrichtung der Diode 
kurzgeschlossen. Die Sperrspannung von 50V oder 100V spielen hier keine 
Rolle.

Autor: hackklotz (Gast)
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>Die Schaltzeiten der Dioden sind völlig uninteressant.

Aha...

>Die Induktionsspannungen werden durch die Durchlassrichtung der
>Diode kurzgeschlossen.

Sofern sie schnell genug sind.

Autor: Michael U. (Gast)
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Hallo,

sind ein paar Fehler in Deinen Überlegungen.

Der Ausgang von von IC1 kann nur 2 Zustände annehmen: nahe 0V, wenn die 
Spannung am - Eingang größer ist als am + Eingang oder nahe 
Betriebsspannung, wenn sie am - Eingang kleiner ist als am + Eingang.
Beide gleich ist nur theoretisch, die Verstärkung von IC1 ist so hoch, 
daß schon sehr kleine Differenzen den einen oder den anderen Zustand 
erzeugen.

So, erstmal hinten: wenn am Ausgang von IC1 Ub liegt, dann wird der 
Transistor komplett durchgesteuert und die Spannung über Emitter - 
Kollektor ist die Sättigungsspannung, ca. 0,1...0,2V.
Am Relais und der LED/Widerstandskombi liegt also nahezu die komplette 
Betriebsspannung -> Relasi zieht und LED leuchtet.

Im anderen Fall sperrt der Transistor komplett.

Richtig ist, daß R1 - Poti - F1 einen Spannungsteiler für den - Eingang 
bildet und R2 - R3 - F2 einen für den + Eingang.

Nehmen wir an, die Spannung am + Eingang ist kleiner als am - Eingang, 
also Ausgang auf GND, Reais abgefallen.

Wenn jetzt der Widerstand von F2 steigt und damit die Spannung am + 
Eingang, beginnt die Spannung am Ausgang zu steigen, wenn die Spannung 
am + Eingang höher wird als am - Eingang.

Jetzt kommt R4 ins Spiel, das ist eine Mittkopplung. Wenn die Spannung 
am Ausgang zu steigen beginnt, wird über R4 ein zusätzlicher Strom 
Richtung + Eingang fließen, der erhöht dort die Spannung, die 
Ausgangsspannung steigt weiter, der Strom wird größer usw.

Das passiert relativ schnell und sorgt dafür, daß die Umschaltung sofort 
erfolgt. (Schmitt-Trigger Verhalten).

Außerdem hat das noch eine andere Wirkung: der F2 muß jetzt merklich 
niederohmiger werden, damit die Sache zurückschaltet, er muß ja noch den 
zusätzlichen Strom von R4 mit ableiten (Hysteresis).

Sinn des Ganzen ist es, zu verhindern, daß in dem Bereich, wo die 
Spannungen am + und - Eingang nahezu gleich sind, das Relais wild in der 
Gegend klappert oder nicht richtig anzieht oder abfällt. Wäre für die 
Kontakt und die Last sehr ungesund.

Die relativ großen Cs an den Eingängen sollen sicher Störungen auf den 
Zuleitungen der Fühler unterdrücken, die sind ja vermutlich nicht direkt 
auf der Leiterplatte und ein Relais, daß mit 50Hz Störungen brummt, wäre 
genauso ungesund.

Kann man so machen, weil sich ja hier die Temperatur-Geschichten recht 
langsam ändern und es auf ein paar ms Verzögerung nicht ankommt.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Florian (Gast)
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>D2:  dient zum Schutz gegen Verpollung
ja

>D1:  Freilaufdiode – wenn Relais abfällt induziert es eine Spannung,
>welche sich über D1 entladen kann
korrekt

> Warum nimmt man hier eine Diode, welche bis 100 V anstatt eine 1N4001
> (bis 50V) ?
>  Kann die Induktion der Relaisspule so hohe Spannungen erzeugen?
>  Und warum diese Diode billiger (bei Conrad zumindest), als die 1N4001
> ?
Die 1N4148 kann hält einen geringeren Strom aus als die 1N4001. Die 
induzierte Spannung ist vom Relais abhängig aber wird vermutlich nicht 
an 100V heranreichen. Man hat vermutlich die Diode aufgrund des Preises 
gewählt, da diese millionenfach im Einsatz ist.

> R6:  Vorwiderstand zur LED
korrekt

> LD1:  signalisiert den Ein – Zustand (Relais hat angezogen); LED hat
> vielleicht 10mA , 2V
korrekt

> Wenn T1 durchsteuern würde – durch R6 und LD1 würden 10 mA fließen.
> Über R6 würden 6,8 V abfallen und 2V über die LED
> Über Relais müssten 8,8V abfallen, da diese parallel zu R6 + LD1 liegt
> Für T1 Uce blieben somit noch 3,2 V ( bei Ub = 12V )
> T1 (Uceo 45V, max. 200mA)
Hier kommt der Machensatz zum Einsatz. Denken wir uns die LED weg, dann 
liegt am Relais Uv - Ud2 - Uce an. Ud2 ist die Vorwärtsspannung der 
Diode D2 (ungefähr 0,7V), ähnliches gilt für den Spannungsabfall am 
Transistor.

Diese Spannung also ~ 10V liegt an Deiner Reihenschaltung zwischen LED 
und Widerstand auch an. Wenn die LED eine Vorwärtsspannung von 2V hat, 
werden dann über dem Widerstand 8V abfallen und damit wird der Strom 
(ist bei der LED nicht konstant, sondern eben genau vom Widerstand 
abhängig) 8V / 680 Ohm = 11,8 mA betragen.

Diese Werte ändern sich allerdings mit der Temperatur. 
Überschlagstechnisch kann man sagen, dass am Relais bzw. an der 
Reihenschaltung von LED und Widerstand ungefähr die Betriebsspannung 
anliegt. Vermutlich wurde auch so die Schaltung dimensioniert.

>R2 und R3 sowie R1 und P1: bilden die jeweiligen Spannungsteiler für den
>invertierten und
>nicht invertierten Eingang von dem LM 741.
genau

>Dienen R1 und R2 eigentlich auch als Vorwiderstände, für die beiden
>Eingänge ? oder so ähnlich ?
Der OP hat so hochohmige Eingänge, dass ein Vorwiderstand eigentlich 
nicht notwendig ist bzw. je nach Schaltung sogar störend.


>Wenn jetzt P1 auch 2,2k und F1=F2 ist, dürfte am OPV nichts passieren,
>da an beiden Eingängen die gleiche Spannung anliegt.
Es passiert schon etwas, am Ausgang sollte dann 0V anliegen.

>Mal angenommen, dass sich F1 erwärmt. Dann steigt von diesem der
>Widerstand – es fließt weniger Strom über R1, P1 und F1 – somit dürfte
>über diese drei Bauteile weniger Spannung abfallen, U (Eingang2) < U
>(Eingang3)

Nicht ganz. Für den Spannungsteiler gilt:
U2 ~ Uv * F1 / (R1 + P1 + F1)
U1 ~ Uv * F2 / (R2 + R3 + F2)

Der Spannungsabfall über alle Bauteile ist ungefähr die 
Betriebsspannung; es geht also keine Spannung verloren.

Nehmen wir einmal fiktive Werte:
U2 = 12V * 100 Ohm / ( 4,7 kOhm + 2,2 kOhm + 100 Ohm) = 0,17 V
U2 = 12V * 200 Ohm / ( 4,7 kOhm + 2,2 kOhm + 200 Ohm) = 0,33 V
U2 = 12V * 2000 Ohm / ( 4,7 kOhm + 2,2 kOhm + 2000 Ohm) = 2,70 V


>Aber was passiert jetzt am Ausgang ? Also bei einer gewissen
>Spannungsdifferenz müsste doch am Ausgang eigentlich  ein
>positives/negatives Potenzial sein, abhängig davon, an welchem Ausgang
>mehr Spannung anliegt. Aber bei neg. Ausgang kann doch kein Strom zur
>Basis von T1 fließen? ???

Der OP ist so verschaltet, dass er in diesem Fall eine sehr hohe 
Verstärkung erreicht. Da die Spannungsversorgung keinen negativen Teil 
aufweist, kann an Pin 6 höchstens 0V ... ~Uv anliegen.

>Bei der Beschreibung von Conrad stand drin, dass der Widerstand R4, den
>Ausgang entsprechend hochzieht, sodass er nicht mehr in den anderen
>Zustand zurückfallen kann.
>Aber wie macht er das denn?
Über R4 wird der Kondensator C4 geladen (~ bis zur Betriebsspannung). 
Diese Spannung liegt dann aber auch an Pin 3 des OP an. Diese ist höher 
als die Spannung an Pin 2, daher bleibt der Zustand erhalten.

> IC1:  brauch 12 V denke ich, aber wie viel Strom zieht denn so?
s. hier:
http://www.national.com/ds/LM/LM741.pdf


> R5:   dient als Vorwiderstand zu T1
ja

> R7:  müssten eigentlich 0,7 V abfallen, da dieser parallel zu Ube liegt
Im Grunde genommen bilden R5 und R7 einen Spannungsteiler für den 
Transistor.

>C6:  dient möglicherweise zur Glättung der Eingangsspannung – Ausgleich
>von Spannungsschwankungen
ja

>C1,:  sind gegen Spannungsspitzen, weil die KTY10 sehr empfindlich
>reagieren
>C3
>Warum nehmen sich (wenn jetzt eine Spitze kommt) die beiden
>Kondensatoren die Spannung? Spannung könnte doch auch über F1 und F2
>abfallen
Das lässt sich jetzt schlecht in wenigen Sätzen erklären, prinzipiell 
liegt es aber daran, dass die Kondensatoren sehr durchlässig für 
'Wechselspannung' sind und deren 'Scheinwiderstand' dann deutlich unter 
dem des KTY10 liegen würde, somit diese die Störspannung, die ja eine 
schnelle Änderung darstellt, ableiten würden.

>C2,:
>C4  Wozu sind die  da?
C2 und C5 dienen dazu, dass die Schaltung träger wird und eben nicht auf 
Störspitzen anspricht.

C4 s.o.

>Aber Störspitzen sind doch Spannungsspitzen ? Warum ihat der C5 dann so
>eine hohe Kapazität? Der ist doch viel zu träge.
Der hält die Basisspannung für eine gewisse Zeit aufrecht, damit der 
Transistor nicht von kurzzeitigen Störungen aus dem Operationsverstärker 
(für die Fall, dass die Temperaturen pendeln) gestört wird. Sonst würde 
ggf. die Schaltung zum Schwingen neigen, falls C4 noch nicht soweit 
aufgeladen wurde, dass der OP stabil seinen Ausgang hält.

Autor: Dirk S. (duerk)
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Das hier verstehe ich nicht ganz.

U2 ~ Uv * F1 / (R1 + P1 + F1)

Gesamtspannung * Widerstand von F1 / (Gesamtwiderstand des 
Spannungsteilers) = Spannung an Eingang 2

Wie kommst du auf die Formel?

Ansosnsten schon mal Danke für die Erklärungen. Ich seh jetzt schin mal 
besser durch.

Gruß Dirk

Autor: Volker (Gast)
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Florian wrote

>>Über R4 wird der Kondensator C4 geladen (~ bis zur Betriebsspannung).
>>Diese Spannung liegt dann aber auch an Pin 3 des OP an. Diese ist höher
>>als die Spannung an Pin 2, daher bleibt der Zustand erhalten.


Das ist Unsinn (bis zur Betriebsspannung). Rechne mal die Spannung aus. 
Der Teiler bestehend aus R2, R3, F2 ist doch viel niederohmiger als R4 
mit 1MOhm.

Michael U hat das richtig erklärt, also Schmitt-Trigger mit Hysterese.

Gruß Volker

Autor: Florian (Gast)
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>Der Teiler bestehend aus R2, R3, F2 ist doch viel niederohmiger als R4
>mit 1MOhm.

Sorry, habe irgendwie über den Wert von R4 hinweggesehen.

Autor: Volker (Gast)
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@Florian

kein Problem, im Gegenteil, ich finds klasse wie ausführlich du die 
Schaltung beschrieben hast.

Volker

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