Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Analoges LED-Thermometer (OPV als Komparator)


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von Martin E. (der_lehrer)


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Hallo liebe Foren-Gemeinde,

um meinen Schülern den Aufbau und die Funktionen des OPVs zu 
unterrichten, möchte ich mit ihnen ein kleines Projekt durchführen. 
Hierbei wollen wir den OPV als Komparator verwenden und ein kleines 
LED-Thermometer basteln. Hier eine kurze Beschreibung des gewünschten 
Thermometers.

Beschreibung:
=============
Es soll ein analoges LED-Thermometer entwickelt werden.
Unterhalb und einschließlich 0°C soll eine blaue LED leuchten. Steigt 
die Temperatur in den Bereich zwischen 0°C und 9°C leuchtet zusätzlich 
eine grüne LED leuchten. Zwischen 10°C und 19°C signalisiert eine 
orangene LED den Temperaturbereich. Eine gelbe LED leuchtet zusätzlich 
im Bereich von 20°C bis 29°C. Über 30°C kommt dann letztendlich nur noch 
die rote LED dazu. Fällt die Temperatur unter die jeweilige 
Temperaturgrenze erlischt die entsprechende LED.

Im Anhang ist ein PDF mit schematischer Skizze und einem 
Schaltungsentwurf, der aber noch nicht dimensioniert ist. Es geht 
erstmal ums Prinzip.
Die Temperatur soll über einen PTC/NTC erfasst werden und der daraus 
resultierende Spannungspegel über eine kaskadierte OPV/LED-Schaltung 
angezeigt werden.

Könnt ihr mich bei der Auslegung der Schaltung unterstützen bzw. mir 
Tipps geben? Die Schaltung soll möglichst einfach bleiben und dient nur 
für den Unterricht, nicht für den Dauereinsatz. Da ich beruflich aus der 
Automatisierungsbranche komme, habe ich in der Bastelszene wenig 
"Felderfahrung". Für eure Hilfe danke ich euch bereits im Voraus sehr 
herzlich!

Viele Grüße,
Martin

von Falk B. (falk)


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Martin E. schrieb:
> Könnt ihr mich bei der Auslegung der Schaltung unterstützen bzw. mir
> Tipps geben? Die Schaltung soll möglichst einfach bleiben und dient nur
> für den Unterricht, nicht für den Dauereinsatz.

Naja, für sowas gibt es einen IC, LM3914. Der kann 10 LEDs im Punkt- 
oder Bandbetrieb ansteuern.
Klar kann man das zu Lernzwecken auch mit normalen OPVs aufbauen.
In deiner Schaltung hat man Bandbetrieb, d.h. mit steigender Temperatur 
gehen von unten nach oben die LEDs an. Naja, mich würde das eher 
irritieren, ich würde Punktbetrieb als sinnvoller betrachten.

 Da ich beruflich aus der
> Automatisierungsbranche komme, habe ich in der Bastelszene wenig
> "Felderfahrung". Für eure Hilfe danke ich euch bereits im Voraus sehr
> herzlich!

Naja, du mußt halt den Spannungsteiler berechnen. OPVs gibt es wie Sand 
am Meer, LM324 ist ein Klassiker mit 4 OPVs in einem Gehäuse.

Den Punktbetrieb könnte man entweder per Prioritätsencoder oder durch 
einen Trick erreichen. Siehe Anhang. Das spart sogar einen OPV ;-)

von MaWin (Gast)


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Deine Schaltung macht nicht, was deine Beschreibung sagt.
In der Schaltung gehen einfach immer mehr LEDs an. Immerhin funktioniert 
das.

Der Pt100 erfordert genaue OpAmps um auf 1 GradC genau schalten zu 
können, 0.1% Widerstande und 100uV Offsetspannung OpAmps wie LT1014 sind 
nötig.
Ein NTC würde geringere Anforderungen an die Bauteile stellen, aber da 
muss man die Widerstandswerte an den Schalttemperaturen nennen, sie sind 
bei jedem Modell anders.

Dummerweise funktioniert die Schaltung mit einem NTC genau andersrum.

von Harald W. (wilhelms)


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Martin E. schrieb:

> um meinen Schülern den Aufbau und die Funktionen des OPVs zu
> unterrichten, möchte ich mit ihnen ein kleines Projekt durchführen.
> Hierbei wollen wir den OPV als Komparator verwenden

Warum willst Du etwas lehren, was kein Fachmann so macht?
Wenn man einen Komparator braucht, nimmt man ein Komparator (-IC)

> Unterhalb und einschließlich 0°C soll eine blaue LED leuchten. Steigt
> die Temperatur in den Bereich zwischen 0°C und 9°C leuchtet zusätzlich
> eine grüne LED leuchten. Zwischen 10°C und 19°C signalisiert eine
> orangene LED den Temperaturbereich. Eine gelbe LED leuchtet zusätzlich
> im Bereich von 20°C bis 29°C. Über 30°C kommt dann letztendlich nur noch
> die rote LED dazu.

Das lässt sich gut mit einem vierfach Komparator-IC realisieren.
Das kann dann auch gleich die LED treiben.

> Die Temperatur soll über einen PTC/NTC erfasst werden

Mit NTC ist das einfacher zu lösen. Die Kennlinie ist da zwar nicht
linear, aber das kann man an den Komparatoren durch veränderte
Schaltschwellen ausgleichen.

von Wolfgang (Gast)


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MaWin schrieb:
> Dummerweise funktioniert die Schaltung mit einem NTC genau andersrum.

Da gibt es die Möglichkeit, neben Auswendiglernen und Transferleistung, 
ein bisschen Kreativität ins Spiel zu bringen.

Man könnte es den Schülern überlassen, auf die Idee zu kommen, den NTC 
oben in den Spannungsteiler zu hängen und an Stelle des Pt100 einen 
Festwiderstand einzubauen.

von Günni (Gast)


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MaWin schrieb:
> Der Pt100 erfordert genaue OpAmps um auf 1 GradC genau schalten zu
> können, 0.1% Widerstande und 100uV Offsetspannung OpAmps wie LT1014 sind
> nötig.
> Ein NTC würde geringere Anforderungen an die Bauteile stellen, aber da
> muss man die Widerstandswerte an den Schalttemperaturen nennen, sie sind
> bei jedem Modell anders.

Ein Kompromiss bieten Siliziumwiderstände. Diese sind zwar "fast" so 
linear wie Platinwiderstände, haben aber eine größere Empfindlichkeit. 
Während PT-Widerstände ihren Wert pro Grad nur um 0,385% ändern, ist die 
Änderung mit etwa 0,75% fast doppelt so hoch, was die Auswertung etwas 
einfacher macht. Nachteil ist aber, dass der Wert bei 0°C ungenauer ist, 
d.h. der Nullpunkt muss eingestellt werden (z.B. Widerstand in Eiswasser 
tauchen und Anzeige auf 0 einstellen). Siliziumwiderstände gibt es bei 
Reichelt und auch ein Datenblatt:
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/C650/KTY84_SER.pdf .
Siliziumwiderstände sind eine auslaufende Technologie, da es inzwischen 
ICs gibt, die recht genau eine der Temperatur proportionale Spannung 
ausgeben. Und für alle diejenigen, die bei analogen Signalen 
Panikattacken bekommen, gibt es auch ICs, die den Temperaturwert direkt 
als Datentelegramm ausgeben.

von Martin E. (der_lehrer)


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Hallo zusammen,

vielen Dank für die schnellen, informativen Rückmeldungen!

Ziel von diesem kleinen Projekt ist es ein neues Thema (in diesem Fall 
der OPV als Komparator) mit digitalen Medien zu unterrichten. Als 
Motivationsleitbeispiel habe ich mir dieses Thermometer ausgedacht. Das 
es technisch besser zu realisieren geht ist mir auch klar, aber mit 
Schülern muss man erstmal einfach beginnen. Später kann man ja das 
Thermometer mit fortgeschrittenem Wissensstand optimieren ;-)

Bis bald mal wieder!
Martin

von Martin E. (der_lehrer)


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Falk B. schrieb:
> In deiner Schaltung hat man Bandbetrieb, d.h. mit steigender Temperatur
> gehen von unten nach oben die LEDs an. Naja, mich würde das eher
> irritieren, ich würde Punktbetrieb als sinnvoller betrachten.

Hallo Falk,

ich finde den Bandbetrieb besser, der erinnert so schön an das 
klassische Quecksilber-Thermometer aus meiner Kindheit. In der Industrie 
würde man das jetzt Retro-Fit nennen :-)

Schönen Abend dir noch und danke für die Unterstützung!
Martin

von Michel M. (elec-deniel)


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Zum weiteren testen und simulieren mit LTspice aufgeführt.
Widerstandswerte und ausgewählter OP kann sicherlich noch optimiert 
werden.
Einfaches Modell des PT100 beigefügt.

: Bearbeitet durch User
von Zeno (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Den Punktbetrieb könnte man entweder per Prioritätsencoder oder durch
> einen Trick erreichen. Siehe Anhang. Das spart sogar einen OPV ;-)

oder durch einen Fensterkomperator.

von Zeno (Gast)


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MaWin schrieb:
> Deine Schaltung macht nicht, was deine Beschreibung sagt.
> In der Schaltung gehen einfach immer mehr LEDs an. Immerhin funktioniert
> das.

Er schreibt doch das die LED's nach einander leuchten und genau das 
macht die Schaltung.

Harald W. schrieb:
> Warum willst Du etwas lehren, was kein Fachmann so macht?
> Wenn man einen Komparator braucht, nimmt man ein Komparator (-IC)

Warum sollte er einen Komperator nehmen?
Er schreibt doch:
Martin E. schrieb:
> Hierbei wollen wir den OPV als Komparator verwenden und ein kleines ...

Also nimmt er folgerichtig einen OPV und schaltet ihn als Komperator - 
alles richtig gemacht.

von Jörg R. (solar77)


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Welchen Sinn macht denn der untere Komparator? Der Minuseingang liegt 
auf GND, der Pluseingang kann daher nicht negativer werden. Die Led an 
dem Ausgang kann auch direkt über einen Rv versorgt werden.

Ich würde den PT.. gar nicht verwenden. Für Schulungszwecke würde ich 
das Widerstandsnetzwerk anders dimensionieren? Das Eingangssignal würde 
ich von einem Labornetzteil einspeisen. Dann kann an den Minuseingängen 
und den Pluseingängen (liegen parallel) mit 2 Multimetern gemessen 
werden. Durch Verstellen des LNG und messen der Spannungen kann dann 
schön demonstriert werden wie sich die Schaltung verhält.

OK, anstelle eines LNG kann auch ein Poti verwendet werden;-)

Unten fehlt noch ein Widerstand, damit auch der Komparator Sinn macht.

Das mit dem PT...kann man dann immer noch zeigen.

: Bearbeitet durch User
von Olaf (Gast)


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> ich finde den Bandbetrieb besser, der erinnert so schön an das
> klassische Quecksilber-Thermometer aus meiner Kindheit.

Deswegen kann man beim LM3914 wohl die Geschmackrichtung umschalten. :)

Aber sagt mal was verwendest du bei deiner Schaltung fuer Leuchtdioden? 
Sind das einzelne LEDs oder module aus mehreren? Ich brauche gerade 
aehnliches fuer ein Projekt und wuerde gerne ein fertiges Modul 
verwenden das moeglichst wenig Platz braucht....

Olaf

von Gerhard O. (gerhard_)


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Olaf schrieb:
>> ich finde den Bandbetrieb besser, der erinnert so schön an das
>> klassische Quecksilber-Thermometer aus meiner Kindheit.
>
> Deswegen kann man beim LM3914 wohl die Geschmackrichtung umschalten. :)
>
> Aber sagt mal was verwendest du bei deiner Schaltung fuer Leuchtdioden?
> Sind das einzelne LEDs oder module aus mehreren? Ich brauche gerade
> aehnliches fuer ein Projekt und wuerde gerne ein fertiges Modul
> verwenden das moeglichst wenig Platz braucht....
>
> Olaf

Hallo Olaf,

Ich bestellte mir vor langer Zeit diese 28-Segment LED Streifen. Sind 
aber nicht gerade billig, dafür schön klein. Die müssen wegen der vielen 
Dioden im Multiplexbetrieb angesteuert werden. Hier ein Link als 
Beispiel:

Ebay-Artikel Nr. 153449804880

Gruß,
Gerhard

von Gerhard O. (gerhard_)


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Martin E. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> In deiner Schaltung hat man Bandbetrieb, d.h. mit steigender Temperatur
>> gehen von unten nach oben die LEDs an. Naja, mich würde das eher
>> irritieren, ich würde Punktbetrieb als sinnvoller betrachten.
>
> Hallo Falk,
>
> ich finde den Bandbetrieb besser, der erinnert so schön an das
> klassische Quecksilber-Thermometer aus meiner Kindheit. In der Industrie
> würde man das jetzt Retro-Fit nennen :-)
>
> Schönen Abend dir noch und danke für die Unterstützung!
> Martin

Hallo Martin,

Ist das schöne Thermometer von Dir eine Selbstbauentwicklung mit uC? 
Gefällt mir gut.

Gruß,
Gerhard

: Bearbeitet durch User
von Georg M. (g_m)


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Zeno schrieb:
> Warum sollte er einen Komperator nehmen?

Ein Komperator wäre eine vernümftige Alternatiefe.

von Forist (Gast)


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Günni schrieb:
> Und für alle diejenigen, die bei analogen Signalen
> Panikattacken bekommen, gibt es auch ICs, die den Temperaturwert direkt
> als Datentelegramm ausgeben.

"Datentelegramm" ist das richtige Stichwort.
Alles andere ist Analogelektronik  und hätte mit Mikrocontrollern oder 
digitaler Elektronik wenig zu tun.

von Michel M. (elec-deniel)


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