RN-Wissen.de - Benutzerbeiträge [de]

PTC/NTC

2015-02-20T21:08:32Z

Ulfbastel: /* Einatzmöglichkeiten */

[[Bild:Schaltzeichen_ntcptc.PNG|thumb|Schaltzeichen eines NTC (oben) und eines PTC (unten)]]
Heißleiter (engl. '''NTC''', ''negative temperature coefficient'') und Kaltleiter (engl. '''PTC''', ''positive temperature coefficient'') sind elektrische Widerstände aus bestimmten Materialien, deren Leitfähigkeit (und damit der Widerstand) sich mit der Temperatur deutlich ändert.

==NTCs==
[[Bild:ntc.gif|thumb|Typische Bauform]]Heißleiter sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen eine höhere Leitfähigkeit besitzen als bei tiefen Temperaturen. Sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten; das heißt, mit steigender Temperatur sinkt ihr elektrischer Widerstand.

Ein großer Vorteil ist die starke Temperaturabhängigkeit und der geringe Preis.
Das nichtlineare Verhalten des Widerstandswertes bei sich verändernder Temperatur ist jedoch zugleich auch der größte Nachteil.

Ein einzelner, nicht kompensierter NTC ändert seinen Widerstand nicht linear. Hier dazu ein Beispieldiagramm:

[[Bild:ntcdiagramm.gif]]

===Temperaturabhängigkeit===

Mithilfe eines NTCs lässt sich ein einfacher Temperatursensor bauen.
Bildet der Heißleiter einen Spannungsteiler mit einem konstanten Widerstand, so lässt sich die geteilte Spannung mithilfe eines Microcontrollers messen, wodurch auf den Widerstand des NTCs geschlossen werden kann. 
Der Heißleiter ändert seinen elektrischen Widerstand nicht linear. Jedoch kann die Temperatur auch rechnerisch ermittelt werden. Es gilt: 
<pre>
T ~ 1/ln(R)
</pre>
Bei Einbeziehung der Aktivierungsenergie, der Nenntemperatur (meist 25°C), und des Nennwiderstandes bei Nenntemperatur
gilt folgende Funktion: 
<pre>
T(R) = T_N * B / (B + T_N * ln(R / R_N))
</pre>
Wobei '''T''' die momentane Temperatur, '''T_N''' die Nenntemperatur (in Kelvin), '''R''' der Widerstand des Heißleiters und '''R_N''' den Nennwiderstand darstellt. Bei '''B''' handelt es sich um eine Materialkonstante, die vom Herrsteller im Datenblatt angegeben wird. Bei Implementierung der Funktion in ein Programm für den Microcontroller müssen umbedingt die Datentypen berücksichtigt werden!

{{Ausbauwunsch|Erbitte Implementierung der Gleichungen (Unbekannter Parserfehler)}}

==PTCs==
Kaltleiter sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen eine niedrigere Leitfähigkeit besitzen als bei tiefen Temperaturen. Sie haben einen positiven Temperaturkoeffizienten; das heißt, mit steigender Temperatur steigt auch ihr elektrischer Widerstand.

Bei den PTCs gibt es zwei Sorten: Einmal welche mit näherungsweise linearer Kennlinie und dann welche mit stark nichtlinearer Kennlinie. Die linearen Typen (z.B. KTYxx Reihe) oder Platinwiderstände (z.B. PT100, PT1000 ) sind mehr für die Temperaturmessung gedacht.
Recht beliebt sind die PTCs der KTYxx-Reihe z.B. der KTY81-110. Sie sind sehr günstig (ca. 0,50€) und bieten für die meisten Anwendungen eine ausreichende Genauigkeit.

Für höhere Anforderungen an den Messbereich (je nach Typ von -260 ... 850 °C) oder die Genauigkeit gibt es Platin-Widerstände zur Temperaturmessung. Auch hier ist der Temperaturkoeffizient positiv (0,38 %/K bei Raumtemperatur). Am häufigsten findet man hier Widerstände von 100 Ohm (PT100) und 1000 Ohm (PT1000). Diese sind jedoch relativ teurer (je nach Typ und Bezugsquelle und Qualität ab etwa 3 €).

Die stark nichtlinearen Typen sind mehr als Übertemperaturschutz oder als selbst rückstellende Sicherung geeignet.
Auch dazu ein Beispieldiagramm für einen nicht linearen PTC:

[[Bild:Ptcdiagramm.GIF]]

==Einatzmöglichkeiten==
Mit NTCs und PTCs lassen sich in "normalen" Bereichen (das heißt hier kleiner etwa 200 °C) günstig Temperaturen messen. Dieses Gebiet umfasst alles vom kleinen digitalen Fieberthermometer über die verschiedenen Anzeigeinstrumente (wie Wetterstationen und KFZ-Elektronik) bis hin zu kompletten Heizungs- und Klimasteuerungen in Gebäuden.

Daneben gibt es auch Anwendungen bei denen es nicht um eine eigentliche Messung geht:
*spezielle NTCs werden z.B. bei Netzteilen als Einschaltstrombegrenzer genutzt. Hier wird die Eigenerwärmung als gewollter Effekt genutzt: die Bauteile sind im kalten Zustand so hochohmig, dass beispielsweise große Elkos geladen werden, ohne dass die vorgeschaltete Sicherung auslöst. Fließt dann der Nennstrom, erwärmen sich die Bauteile und verringern ihren Widerstand. Um wieder strombegrenzend wirksam zu sein, müssen sie nach Abschalten des Gerätes erst abkühlen.
*PTC-Sicherungen schalten den Strom aufgrund ihrer Eigenerwärmung bei Überlastung ab. Sie sind gut für Verbraucher geeignet, die kurzzeitig Überlast vertragen (z.B. Transformatoren), da die Auslösung relativ träge ist. Erst nach Trennen der Stromversorgung stellen sich die PTC-Sicherungen durch Abkühlung zurück. Bei der Auswahl von PTC-Sicherungen muss neben Halte- und Abschaltstrom deren Maximalstrom und die Maximalspannung beachtet werden.
*PTC-Heizelemente können selbst ihre Temperatur regeln. Sie ist werkstoffabhängig.

==Temperaturmessung mit PTC==
Um aus der Widerstandsänderung am Sensor eine passende Spannung zu erzeugen gibt es verschieden Möglichkeiten. Ein naheliegender Weg ist eine Konstantstromquelle, so dass die Spannung am Sensor direkt proportional zum Widerstand ist. Wenn man das Signal danach digitalisieren will, hat dieser Weg aber zwei wesentliche Nachteile: Eine gute Konstantstromquelle ist aufwendig, und man hat dann 2 Referenzen im System und damit unnötige Fehlerquellen. Für eine Widerstandsmessung ist ein Widerstand als Vergleichswert besser und einfacher als das Verhältnis von einer Spannungsquelle und einer Stromquelle. Dafür gibt es im wesentlichen 3 Möglichkeiten:

1) Der selbe Strom fließt durch den Sensor und den Vergleichswiderstand. Die Spannung an Vergleichswiderstand wird als Referenz für den AD Wandler benutzt, die Spannung am Sensor wird gemessen. Dieses Verfahren ist vor allem mit hochauflösenden AD Wandlern mit Differenzeingängen (z.B. LTC2440) sinnvoll.

2) Der selbe AD Wandler misst nacheinander die Spannung am Sensor und Vergleichswiderstand. Dafür braucht man 2 Eingänge mit Differenzeingang.

3) Der Sensor und der Vergleichswiderstand bilden einen Spannungsteiler. Die Spannung über den Spannungsteiler dient als Referenz für den AD-wandler. Anders als bei den beiden vorherigen Möglichkeiten ist das Ergebnis der AD Wandlung hier nicht mehr linear vom Widerstand abhängig.
Bei einem kleinen Messbereich und geringer Auflösung des AD's lohnt es sich ggf. den konstanten Teil der Spannung abzuziehen, damit der Wertebereich des AD Wandler weitgehend ausgenutzt werden kann. Die Schaltung ist dann eine Brückenschaltung.

In allen 3 Fällen muss der Strom nicht besonders stabilisiert sein und es wird keine stabile Referenzspannung für den AD benötigt. Es kommt nur auf das Spannungsverhältnis an.

Beim Strom durch den Sensor muss ein Kompromiss zwischen genügend Spannung und der Eigenerwärmung des Sensors gefunden werden. Bei mehr als etwa 1 mW Verlustleistung am Sensor wird eine genaue Temperaturmessung schwierig. Für genaue Messungen mit dem PT100 werden oft sogar 0,1 mW als Grenze angegeben, d.h der Strom liegt bei nur 1 mA.

==Linearisierung==
[[Bild:LinearPTC.GIF]]
KTY81 mit konstanten Strom (1,4 mA), und mit Widerstand in Reihe.

Um trotz der nicht linearen Kennlinie des Sensors ein linear von der Messgröße (Temperatur) abhängiges Ergebnis (Spannung oder Digitaler Wert) zu erhalten, bieten sich verschiedene Methoden an:

* Man nutzt die Nichtlineare Kennlinie von Dioden. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie ist das aber schwierig und nur für sehr starke Nichtlinearitäten gerechtfertigt. Für die schwache Nichtlinearität der PTCs ist das Verfahren eher ungeeignet.

* Man nutzt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Widerstand beim Spannungsteiler, bzw. in einer Brückenschaltung. Bei den Sensoren des Typs KTY81 wird mit einem 2,7kOhm-Widerstand in Reihe gerade eine relativ gute Kompensation der Nichtlinearitäten erreicht. Im Bereich von -40 °C ... +140 °C erscheint der PTC nun nahezu linear, der verbleibende Linearitätsfehler liegt bei etwa ±10 mV (für 5 V am Spannungsteiler). So einfach geht die Linearisierung allerdings nicht bei allen Sensoren.

* Man überlässt die Linearisierung den mathematischen Fähigkeiten eines Prozessors, z.B. einem ATMega-x, an dessen ADC der PTC angeschlossen ist. Das Verfahren ist sehr universell, benötigt aber einiges an Programmcode.

==Schaltungsbeispiele==

=== Brückenschaltung ===
[[Bild:PT1000-Brücke.png]]

Eine einfache, aber dennoch gute Auswerteschaltung ist eine Brückenschaltung. Wegen der relativ kleinen Spannungsänderungen wird oft eine Verstärkung benötigt, vor allem beim Pt100 oder — Strom sparender — Pt1000.
Bei den gezeigten Widerstandswerten reicht der Messbereich von etwa -25 °C bis +250 °C für 0 bis V+ (z.B. 5 V) am Ausgang. Über die Widerstände R2 und R3 kann der Bereich angepasst werden. Mit R3 = 20 kΩ hätte man z.B. einen Messbereich von etwa -10 °C bis + 130 °C. Die Linearisierung erfolgt in der Regel digital hinter dem A/D-Wandler. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers sollte V+ sein, für eine ratiometrische Messung. Wenn nur eine Versorgung (z.B. 5 V) zur Verfügung stehen, sollte V+ an den Ausgangsbereich des OPs angepasst sein, also etwa 3 V für den LM358 (oder den besseren LT1013), oder der Operationsverstärker eine Rail-to-Rail-Typ (z.B. MCP6001) sein, wenn der AD mit der Versorgungsspannung als Ref. Arbeitet.

{{Ausbauwunsch|... auf jeden Fall Anwendungs- und Schaltungsbeispiele mit Heiß- oder Kaltleiter!'''}}

=== Spannungsteiler ===

Für NTC (Heißleiter) bietet sich ein einfacher Spannungsteiler an. Den Vorwiderstand dimensioniert man so, dass er etwa so groß ist wie der Widerstandswert in der Mitte des gewünschten Temperatur-Messbereiches. Die A/D-Wandlung erfolgt „ratiometrisch“ mit dem vollen Speisespannungsbereich. Dann hat man — nach der Linearisierung in Software — etwas oberhalb der Mitte (zu niedrigeren Temperaturen hin) die höchste und am den beiden Rändern gleichmäßig abnehmende Auflösung. Von Vorteil bei dieser Lösung ist, dass man sich über den Messbereich keine Gedanken machen muss, er ist prinzipiell 0 K .. ∞ K, und die Auflösung nimmt zu den beiden Extrema kontinuierlich ab.

==== Rechenbeispiel (NTC mit 220 kΩ bei 25 °C) ====
<table border cellspacing=0 cellpadding=4>
<tr bgcolor=#FFFFE0><th>Temperatur<th>NTC-Widerstandswert<th>Vorwiderstand<th>Ausgangsspannung<th>Auflösung
<tr><td>0 °C<td>844 kΩ<td rowspan=6>100 kΩ<td>UB * 0,894<td rowspan=2>10 bit: 0,4 K 12 bit: 0,1 K
<tr><td>10 °C<td>500 kΩ<td>UB * 0,667
<tr bgcolor=#E0FFE0><td>40 °C<td>120 kΩ<td>UB * 0,545<td rowspan=2>10 bit: 0,1 K 12 bit: 0,025 K
<tr bgcolor=#E0FFE0><td>50 °C<td>80 kΩ<td>UB * 0,444
<tr><td>130 °C<td>5,63 kΩ<td>UB * 0,053<td rowspan=2>10 bit: 0,75 K 12 bit: 0,2 K
<tr><td>140 °C<td>4,21 kΩ<td>UB * 0,040
</table>

==== Grafisches Rechenbeispiel mittels WolframAlpha ====
* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=log+plot+y=220000*exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300)),+x=-50+to+150 Kennlinie (R über T)], die Exponentialkonstante '''B''' ist hier gleich 4000 angesetzt.
* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Ausgangsspannung (U/UB über T)], der Heißleiter befindet sich einpolig auf Masse, daher nimmt die Spannung mit steigender Temperatur ab. Der Vorwiderstand ist hier genauso groß wie der Heißleiter-Widerstand bei 25 °C (Nennwiderstand). Am Wendepunkt der s-förmigen Kurve ist die Steilheit und damit die Auflösung am größten.
* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+derive+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Steilheit (dU/UB über T) = Ableitung], der Wert -0,01 bedeutet ≈ 0,1 K Auflösung bei 1024 A/D-Werten (eines 10-bit-A/D-Wandlers).

==== Tipp zur Spreizung des Messbereichs ====

Möchte man den ''genau arbeitenden'' Messbereich vergrößern, ist es am einfachsten, den Vorwiderstand ''umschaltbar'' zu machen!

Ein per Portpin schaltbarer Widerstand ist ohnehin nötig, wenn die Widerstandsmessung bei einem batteriebetriebenen Aufnehmer nur kurzzeitig erfolgen soll. Um Querstrom zu vermeiden, ist für die jeweiligen niederohmigen Widerstände (sofern umschaltbar mehrere vorhanden) an einem Pin anzuschließen, dessen digitaler Einang abtrennbar ist. Bei manchen Controllern, etwa MSP430x2xx, ist man da eingeschränkt.

Da beide A/D-Wandlungen ratiometrisch arbeiten, sind keinerlei Referenzspannungen erforderlich. Die Maßverkörperung (Vergleichsnormal) erfolgt mit dem Festwiderstand bzw. den Festwiderständen.

=== Mehr Auflösung ===

… bedeutet nicht unbedingt mehr Genauigkeit!

Hier gibt es prinzipiell drei Wege:
* Einschränken des Wandlungsbereiches durch Brückenschaltung und Verstärkung : Geringerer Messumfang Typische Anwendung: Fieberthermometer
* Verwenden eines besseren (externen) A/D-Wandlers - kann sich angesichts der gesunkenen Preise mittlerweile lohnen.
* Verwenden eines anderen Wandlungsprinzips in Mikrocontroller-Software. In der einfachsten Form Oversampling (d.h. häufiges abtasten und Mitteln) mit dem vorhandenen ADC im µC. Möglich, wenn auch nicht besonders genau, ist etwa ein Einflanken-Umsetzer mit dem µC internen Analog-Komparator,der wenig externe Beschaltung erfordert.

==Siehe auch==
*[[Sensorarten]]

==Weblinks==
[http://de.wikipedia.org/wiki/Kaltleiter Wikipedia: Kaltleiter]

[http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/3450 Schaltung für PT100 mit Linearisierung]

[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Sensoren]]

Spannungsregler

2015-02-20T20:54:38Z

Ulfbastel: /* praktische Umsetzung */ Ferritspule (Ringkern) gerät vermutlich schon bei 0,2...0,5A in die Sättigung.

Die meisten Elektronikschaltungen brauchen eine bestimmte, stets gleichbleibende Betriebsspannung. Üblich sind hier 5V, bei einigen Bauteilen auch 3,3V. Oft stellt sich daher das Problem, dass eine schwankende Spannung auf einen festen Wert geregelt werden muss, um die Schaltung zu betreiben. Bei Batterien und Akkus sinkt die Spannung ab, wenn sie entladen werden, und bei einfachen Netzteilen und Trafos schwankt die Spannung je nach Belastung.
Um dieses Problem zu lösen, gibt es die sogenannten Spannungsregler: Bauteile, die mit der ungeregelten, schwankenden Spannung versorgt werden und daraus die gewünschte, konstante Spannung erzeugen.

=Lineare Spannungsregler=

[[Bild:78s05.jpg|thumb|Spannungsregler 78S05]] Die wohl bekanntesten und sehr häufig eingesetzten Spannungsregler sind die der 78xx-Serie. Das xx steht hierbei für die Spannung, die die Regler erzeugen: 7805 für 5V, 7812 für 12V, und so weiter. Der große Vorteil dieser Regler ist ihr geringer Preis (ab etwa 20 Cent) und die einfache Verwendung: in der Minimalvariante sind keine externen, zusätzlichen Bauteile nötig. Es wird aber trotzdem dringend empfohlen, zwei Kondensatoren anzuschließen, damit der Regler stabil arbeitet.

Die Regler vergleichen die Ausgangsspannung mit einer intern erzeugen Referenzspannung. Wenn die Ausgangsspannung zu niedrig ist, wird ein [[Transistor]], durch den der Ausgangsstrom fließt, stärker angesteuert, sodass ein größerer Strom fließen kann, bis die gewünschte Spannung erreicht ist.
[[Bild:Linearregler-Prinzip.png|thumb|Prinzipelle Arbeitsweise eines Linearreglers]]
Steigt die Ausgangsspannung zu sehr an, wird über den Transistor der Strom reduziert, bis die Spannung sich wieder stabilisiert hat. Der Transistor wird also benutzt wie ein variabler Widerstand, der so eingeregelt wird, daß die "überflüssige" Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und gewünschter Ausgangsspannung an ihm abfällt, und zwar unabhängig vom fließenden Strom.

Der Nachteil dieser linearen Spannungsregler liegt in ihrem schlechten Wirkungsgrad und ihrer großen Verlustleistung. Der Teil der Spannung, die am Eingang zugeführt wird und gerade nicht am Ausgang benötigt wird, fällt am Transistor ab und wird dort in Wärme umgewandelt.

Der Wirkungsgrad eines Linearreglers (ohne Berücksichtigung des eigenen Strombedarfs) berechnet sich mit:

[[Bild:spannungsregler_wirkungsgrad.png]]

Beispiel: Ein Linearregler mit 5V Ausgangsspannung wird mit 12V am Eingang versorgt. Unabhängig vom entnommenen Strom beträgt der Wirkungsgrad dann nur (5V/12V)*100%=41,7%. Bei höheren Eingangsspannungen wird er sogar noch schlechter.
Angenommen, am Ausgang werden 500mA benötigt. Der Regler muss dann 12V-5V=7V bei 500mA in Wärme umwandeln. Das entspricht einer Verlustleistung von 7V*0,5A=3,5Watt.

Je nach Stromfluss führt das zu einer starken Erwärmung des Reglers, so dass in den meisten Fällen ein Kühlkörper nötig wird, wodurch weitere Kosten entstehen und viel Platz in Anspruch genommen wird. Außerdem reduziert sich durch die großen Verluste die Betriebsdauer, wenn man den Regler mit Akkus oder Batterien versorgt.

Linearregler gibt es als Festspannungsregler und Regler mit einstellbarer Ausgangsspannung. Viele der Regler sind kurzschlussfest.

[[Bild:7805.png|thumb|Übliche Anwendungsschaltung für den 7805. D1 dient als Verpolschutz, D2 schützt den Regler bei Spannungsspitzen am Ausgang (D2 wird meistens weggelassen), Kondensatoren und Elkos zum Abblocken. Die Bauteilwerte sind nur Beispiele, es können auch andere Werte verwendet werden.]]

Bei den normalen Spannungsreglern muss die Eingangsspannung mindestens 2-3 Volt höher als die Ausgangsspannung sein. Bei "low-drop" Reglern ist nur eine extra Spannung ("dropout") von etwa 0,1-0,5 V nötig. Dafür fließt aber in der Regel mehr Strom über den Masseanschluss. Außerdem muss bei Low-drop Reglern genauer auf den Kondensator hinter dem Regler geachtet werden. Meist wird ein Mindestwert für die Kapazität (teils >20 µF) verlangt. Dazu kommt ein erlaubter Bereich für den scheinbaren Serienwiderstand (ESR) des Kondensators, der ebenfalls eingehalten werden muss, damit der Regler zuverlässig nicht schwingt. Neben der Kapazität muss dazu der Kondensator Typ (i.A. Keramikkondensator, Tantal Elko oder low ESR Elko) passen. Je nach Regler sind die Anforderungen unterschiedlich - '''um einen Blick ins Datenblatt kommt man entsprechend bei einem low Drop Regler kaum herum'''.

;Festspannungsregler:
* 7805 (5V)
* 78xx (xxV) , 1 A positiv, Gehäuse TO220
* 78Sxx (xxV), 2 A positiv, Gehäuse TO220
* 79xx (-xxV), 1 A negativ, Gehäuse TO220
* LP2950-xx (xxV) Low drop, Dropout typ. 300mV, max. 100mA, Gehäuse TO92 /SO8
* LM2940-xx (xxV) Low drop, Dropout typ. 500mV, max. 1 A, Gehäuse TO220, Ausgangskondensator >22 µF mit ESR 0,1 - 1 Ohm (z.B. Tantal, ggf. low ESR Elko)
* LT1761ES5-xx (xxV) Low drop,Dropout typ. 300mV, max. 100mA, Verpolungsschutz, Gehäuse SOT23-5

;Linerregler, einstellbar:
* LM317: 1 A positiv
* LP2951: low drop 100 mA

Für die Widerstandsberechnung an einem LM317 siehe [http://people.freenet.de/gjl/pub/lm317/index.html].

=Schaltregler=

Schaltregler arbeiten nach einem komplett anderen Prinzip. Während bei Linearreglern die Spannungsdifferenz in Wärme umgewandelt wird und damit verloren ist, wird diese Energie bei Schaltreglern in einem Magnetfeld gespeichert und der Schaltung zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeführt.

Dies erfordert einen komplizierteren Aufbau als beim Linearregler. Ein Schaltregler hat zwei Arbeitsphasen:
;On-Phase: Eingangsenergie wird im Magnetfeld gespeichert
;Off-Phase: Die im Magnetfeld gespeicherte Energie wird an den Ausgang abgegeben
Je nach Konstruktionsprinzip kann in beiden Phasen auch Energie direkt vom Eingang zum Ausgang fliessen.

Der wesentliche Vorteil eines Schaltreglers besteht in seinem hohen Wirkungsgrad, je nach Typ lassen sich etwa 70% bis über 90% erzielen. Zudem kann die Ausgangsspannung über der Eingangsspannung liegen und ein anderes Vorzeichen haben. Dadurch ergeben sich längere Laufzeiten im Akku- und Batteriebetrieb und eine gegenüber linearen Reglern wesentlich geringere Erwärmung. Daher kommt man ohne oder mit einem vergleichsweise kleinen Kühlkörper aus.

Der Nachteil liegt in einem höheren Preis. Übliche Schaltungen, die im Leistungsbereich eines 78xx liegen, kosten etwa 2 bis 5€. Außerdem brauchen diese Schaltungen teilweise mehr Platz, weil zum Regler-IC noch die Spule, Kondensatoren und oft eine Diode kommen. Auch das Platinenlayout erfordert etwas Sorgfalt, denn gewisse Leitungen sollten möglichst kurz und breit ausgeführt werden, um die einwandfreie Funktion sicherzustellen. Die Qualität der Spannung ist wegen der hohen Schaltfrequenzen in der Regel etwas schlechter als bei einem Linearregler (kann aber noch gefiltert werden) und kann zu Problemen in der Schaltung führen wie z.B. die Störung vom Funkempfängern.

==Abwärtswandler==
[[Bild:smps-down.png|thumb|263px|Prinzipieller Aufbau eines Abwärtsreglers]]
Am einfachsten zu verstehen ist der Abwärtswandler (Step-Down):

;On-Phase (Schalter S geschlossen): Über S und die Drossel L fliesst Strom an der Diode D vorbei zum Ausgang. Über der Drossel fällt Spannung ab, daher ist VOUT kleiner als VIN. Die Energiedifferenz wird in der Drossel als Magnetfeld gespeichert. Mit der Zeit setzt die Drossel dem Strom einen immer geringer werdenden Widerstand entgegen: Die VOUT steigt immer weiter. Hat VOUT den gewünschten Wert erreicht, dann wird S geöffnet und die On-Phase beendet.

;Off-Phase (Schalter S geöffnet): Die Drossel ist ein induktives Bauelement. Daher kann der Strom durch sie nicht sofort stoppen; er muss weiterfliessen: Die Drossel ist jetzt eine aus der Energie ihres Magnetfelds gespeiste Strompumpe, die den Kondensator C weiter mit Energie versorgt, indem sie Strom durch die Diode D saugt. In der Off-Phase zieht der Verbraucher seine Energie aus dem elektrischen Feld des Kondensators und dem Magnetfeld der Drossel. Sinkt der Strom durch die Drossel unter einen Schwellwert, dann folgt die nächste On-Phase.

==Aufwärtswandler==
[[Bild:smps-up.png|thumb|267px|Prinzipieller Aufbau eines Aufwärtswandlers]]
;On-Phase (Schalter S geschlossen): Über S und die Drossel L fliesst Strom an der Diode D vorbei nach GND. Der Stromfluss baut ein Magnetfeld in der Drossel auf. In der On-Phase versorgt sich der Verbraucher aus dem Kondensator C. Erreicht der Strom durch die Drossel einen oberen Schwellwert, wird S geöffnet und die on-Phase endet.

;Off-Phase (Schalter S geöffnet): Die Drossel ist ein induktives Bauelement. Daher kann der Strom durch sie nicht sofort stoppen; er muss weiterfliessen: Die Drossel pumpt Ladungsträger über die Diode D auf den Kondensator C. Die Energie dazu nimmt sie aus ihrem Magnetfeld. VOUT kann weit über VIN steigen. Sinkt der Strom durch die Drossel unter einen unteren Schwellwert, dann folgt die nächste On-Phase.

==Invertierender Wandler==
[[Bild:smps-neg.png|thumb|265px|Prinzipieller Aufbau eines invertierenden Wandlers]]
Funktioniert vom Prinzip wie der Aufwärtswandler.

;On-Phase (Schalter S geschlossen): Über S und die Drossel L fliesst Strom an der Diode D vorbei nach GND. Der Stromfluss baut ein Magnetfeld in der Drossel auf. In der On-Phase versorgt sich der Verbraucher aus dem Kondensator C. Erreicht der Strom durch die Drossel einen oberen Schwellwert, wird S geöffnet und die on-Phase endet.

;Off-Phase (Schalter S geöffnet): Die Drossel ist ein induktives Bauelement. Daher kann der Strom durch sie nicht sofort stoppen; er muss weiterfliessen: Die Drossel saugt über die Diode D Ladungsträger vom Kondensator C. Die Energie dazu nimmt sie aus ihrem Magnetfeld. VOUT sinkt unter GND. Sinkt der Strom durch die Drossel unter einen unteren Schwellwert, dann folgt die nächste On-Phase.

==praktische Umsetzung==

Für Schaltregler gibt es spezielle ICs, die den größten Teil der Schaltung enthalten.
Neben der Frequenz und dem Tastverhältnis sind auch die beteiligten Komponenten (Schalttransistor, Drossel, Diode, Kondensatoren) entscheidend für die Eigenschaften des Reglers (Effizienz, Störungen, Leistungsbereich, Ausgangsspannung- und Strom, Rippel, Baugröße, etc.). Einige der Regler arbeiten nur ab einer Mindestlast - bei weniger Belastung besteht die Gefahr von Überspannung am Ausgang.

[[Bild:lm2575.png|thumb|480px|Beispielschaltung für Schaltregler mit LM2575-5: 5 V bis ca. 1 A. Der 100µF Elko vor dem Regler sollte ein low ESR Typ sein und ggf. auch größer, um die nötige Strombelastbarkeit zu erreichen.]]

'''Beispiele für Schaltregler ICs:'''
* LM2574 N5 : 5 V, 0,5 A , Abwärtswandler, DIP8
* LM2576 T5 : 5 V, 3 A , Abwärtswandler, TO220-5
* LM2576 T12: 12 V, 3 A , Abwärtswandler, TO220-5
* LM2576 ADJ: einstellbar, 3A, TO220-5
* LM2673 T5 : 5 V , 3 A , Abwärtswandler mit einstellbarer Strombegrenzung, TO220-5
* LM2679 T5 : 5 V , 5 A , Abwärtswandler mit einstellbarer Strombegrenzung, TO220-5
* MC33063/MC34063 : variabel ca. 0,2-1 A, DIP8, SO8, Online-Berechnung dazu unter [[#Weblinks|Weblinks]]
* LT1072 , variabel, ca. 1 A
* MAX856, aufwärts, z.B. 3 V -> 5 V, ca. 100 mA, SO8 (SMD)
* MCP1640 aufwärts, z.B. 1,2 V -> 5 V, ca. 100 mA, SOT23-6 (SMD)
* PR4401, aufwärts, LED-teiber ca. 20 mA, SOT23 (SMD)
* L4970A : einstellbar 5,1-40V Output, 10A, Abwärtswandler, Multiwatt-15-Gehäuse

'''Hinweise zu den beteiligten Komponenten:'''
* Als Diode sollte eine Schottkydiode verwendet werden, die eine ausreichende Strombelastbarkeit aufweist, z.B. 1N5818 (1Ampere) oder 1N5821 (3Ampere). Sie sollte eine möglichst geringe Vorwärtsspannung (engl. "forward voltage") bei dem gewünschten Ausgangsstrom haben. Das lässt sich normalerweise im Datenblatt der Diode aus einem Diagramm entnehmen. Ein langsame Diode wie die 1N4003 ist hier nicht geeignet.

[[Bild:Ringkernspule.jpg|thumb|selber gewickelte Ringkernspule. 18 Windungen 1mm² Kupferlackdraht, Induktivität 250µH, (Kern: Pollin Best.-Nr. 250242), ca 20mm Durchmesser. Die Windungen wurden auseinander gedrückt, um die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen zu reduzieren. Sättigung ca. bei 0,2...0,5A]]

[[Bild:Bauteile_schaltregler.JPG|thumb|Bauteile für einen Schaltregler: von links nach rechts: Eingangs-Ker.ko., Eingangselko, Schaltregler-IC LM2576, Spule, Ausgangselko, unten: Schottkydiode]]

* Die [[Spule]] sollte einen möglichst geringen ohmschen Widerstand haben. Man kann sie ganz einfach selbst anfertigen. Zur Reduktion von Funkstörungen ist eine Ringkernspule sinnvoll, da sie ein geschlossenes Magnetfeld bildet. Auf den Ringkern wird dann möglichst dicker Kupferlackdraht gewickelt (z.B. 0,5...1mm Durchmesser). Die Anzahl der erforderlichen Windungszahl n kann mit Hilfe der Formel L=Al*n² berechnet werden (L=benötigte Induktivität, Al=Konstante des Kerns in nH). Ein zweiter wichtiger Punkt ist, das der Kern nicht in die Sättigung kommt. Dazu sollte ein geeignetes Kernmaterial gewählt werden. Hochpermeable Ferrite mit großem Al-Wert sind leider meistens ungeeignet - es sei denn, sie haben einen Luftspalt. Ferrit-Ringkerne geraten frühzeitig in die Sättigung - in Frage kommen hingegen Pulverringkerne. Festinduktivitäten in Widerstandsbauform sind aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes (schlechte Güte) dafür nicht geeignet. Langgestreckte Spulen (axiale Bauform) können aufgrund ihres erzeugten Magnetfeldes mehr Störungen verursachen, geraten jedoch kaum in die Sättigung. Wählt man Spulen aus dem Katalog, findet man die Sättigungsströme, die sich manchmal vom maximalen Dauerstrom unterscheiden. Der Sättigungsstrom muss beim Abwärtswandler nur etwa 20% höher als der entnommene Strom sein, beim Aufwärtswandler muss noch die Relation Ua/Ue multipliziert werden. Die erforderliche Induktivität kann je nach Eingangsspannung und Ausgangsstrom variieren. Im Datenblatt des jeweiligen Schaltreglers gibt es hierfür Diagramme, in denen man die notwendige Induktivität abhängig von den genannten Größen ablesen kann.
* Der Ausgangselko sollte einen geringen ESR ("equivalent series resistance") und einen ausreichenden maximalen Ripplestrom (in der Regel für 100kHz angegeben) haben. Es gibt spezielle Low-ESR Typen, die für solche Anwendungen verwendet werden können. Alternativ kann durch eine Parallelschaltung von mehreren Elkos ebenfalls ein geringer ESR erreicht werden. Ist der ESR jedoch zu gering, kann es zu Regelschwingungen kommen. Auch hierfür gibt es Hinweise der IC-Hersteller.
Abwärtswandler stellen höhere Anforderungen an den Eingangselko, Aufwärtswandler dagegen höhere an den Ausgangselko. Das hängt damit zusammen, dass beim Abwärtsregler eingangsseitig ein Rechteckstrom durch den Kondensator fließt, beim Aufwärtswandler hingegen ausgangsseitig.

'''Ausgangsfilter:'''

Zur Reduktion der Welligkeit ("ripple") der Ausgangsspannung sollte ein zusätzliches LC-Tiefpassfilter hinter den Regler hinzugefügt werden. Man sollte darauf achten, dass die Filterspule wieder einen geringen ohmschen Widerstand besitzt, da ansonsten bei größerer Strombelastung die Ausgangsspannung aufgrund dieses Widerstandes sinkt. Festinduktivitäten in Widerstandsbauform sind aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes (zu viel Spannungsabfall) dafür nicht geeignet. Parallel zum Elko kann auch noch z.B. ein 100nF Keramikkondensator geschaltet werden.

Beispiel für eine Dimensionierung des Filters (lt.Datenblatt des LM2576-5): 20µH, 100µF

'''Eingangsfilter:'''

Falls der Regler Rückwirkungen auf die Eingangsspannung verursacht, kann auch vor dem Regler ein LC-Tiefpassfilter eingesetzt werden. Die Kapazität des Eingangselkos darf in diesem Fall ruhig größer gewählt werden.

Im jeweiligen Datenblatt findet man in der Regel weiterführende Informationen zur Schaltung und den benötigten Teilen, insbesondere zur Dimensionierung sowie Anhaltspunkte zum Design eines Platinenlayouts.

'''Noch zu ergänzen:'''

* Fotos
* Schaltpläne

= Spannungsregler als Konstantstromquelle=

Für viele Aufgaben sind konstante Ströme ebenso wichtig wie konstante Spannungen. Beispielsweise bei Leuchtdioden. Leuchtdioden benötigen in der Regel ca. 20 mA Strom, je nach Ausführung. Vorwiderstände sind oft nicht die beste Lösung, zumal diese bei fallender Spannung den Strom nicht mehr konstant halten und somit die Leuchtkraft unnötig reduzieren. Eine einfache und zugleich günstige Lösung ist die hier abgebildete Schaltung mit dem zweckentfremdeten Spannungsregler LM317K.
Der LM317K ist normalerweise ein einstellbarer Spannungsregler. Über die untere Schaltung wird er auch zur Konstantstromquelle: Der Spannungsregler stellt sich so ein, daß zwischen "Vout" und "Adj." 1,25 V liegen. Dank R = U / I läßt sich leicht errechnen, daß bei einem betimmten Widerstandswert ein bestimmter Strom fließt. Und diesen lassen wir dann einfach durch unsere Verbraucher weiterfließen.
Der LM 317K kann mit einer maximalen Eingangsspannung von ca. 4 bis 35 Volt betrieben werden. Die Strombegrenzung ist in einem Bereich von 1,25 - 0,01 Ampere einstellbar, R1 liegt somit zwischen 1 Ohm bis 120 Ohm. Siehe unten unter [[#Weblinks|Weblinks]], dort findet man ein Online-Formular im Roboternetz, mit der sich die Schaltung genau dimensionieren läßt.

Es sollte darauf geachtet werden, dass der LM317 ausreichend gekühlt wird (bei größeren Strömen/Verlustleistungen). Üblicherweise wird der Regler mit etwas Wärmeleitpaste (evtl. auch Glimmerscheibe als Isolator) auf einen Kühlkörper geklebt und mit Hilfe einer M3 Schraube am Kühlkörper festgeschraubt.

[[Bild:Konstantstromquellelm317.gif]]
[[Bild:lm317.gif]]

Ist die Spannungsdifferenz zwischen Betriebsspannung und Last (z.B. High-Power-LEDs) sehr groß, bietet es sich an, nicht den LM317, sondern einen "normalen" Spannungsregler zu verwenden (z.B. 7805, 7809 o.ä.). Der Regler wird genau wie im abgebildeten Schaltplan angeschlossen. Vorteil ist dann, dass '''verhältnismäßig''' mehr Leistung im Widerstand als im Regler selbst umgesetzt werden muss. Ein Hochleistungswiderstand lässt sich nämlich in der Regel besser kühlen als der Regler im TO-220-Gehäuse.

Allerdings sollte man sich bei einer großen Spannungsdifferenz Gedanken über den Wirkungsgrad machen.

=Autoren=
* [[Benutzer:Uwegw|Uwegw]] 15:09, 10. Sep 2006 (CEST)
* [[Benutzer:SprinterSB|SprinterSB]]
* [[Benutzer:Frank|Frank]]
* [[Benutzer:BMS|BMS]]

==Weblinks==
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/konstantstrom.php Konstantstromregler mit Spannungsregler berechnen]
* [http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html Schaltnetzteile: Erklärung der verschiedenen SPMS-Topologien, Dimensionierung, Rechenhilfe, ...]
* [http://www.mikrocontroller.net/articles/MC34063 Hinweise zum Schaltregler IC MC34063]
* [http://www.nomad.ee/micros/mc34063a/index.shtml Nützliches Design-Tool für den MC34063, Pinbelegung beachten(gespiegelt)]
* [http://www.cl-projects.de/projects/tools/resmatch-lm317.phtml Berechnung des Spannungsteilers beim LM317 mit E12 Widerständen]
[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Grundlagen]]

UART

2006-08-28T11:10:03Z

Ulfbastel:

Der serielle UART , USART bzw. [[RS232]]

USART heißt '''"Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter"'''

UART heißt '''"Universal Asynchronous serial Receiver and Transmitter"'''

Der UART ist eine Einrichtug, die es ermöglicht, seriell (= auf einer Leitung) Daten zu übertragen. Der UART ist praktisch wie die RS232-Schnittstelle, nur, dass sie mit TTL-Pegel (Siehe: TTL Pegel ) arbeitet. Dieses 'Problem' lässt sich sehr einfach mit einem MAX232 (o.ä.) von MAXIM beheben. Der MAX232 ist ein Pegelwandler, der die benötigten Pegelspannungen für dir RS232 auf einem Chip erzeugt, und die TTL Pegel des UART direkt umwandelt. Der MAX232 hat keine Potentialtrennung.

NICHT direkt an RS232 anschließen! Die arbeitet nämlich mit +12V (=HIGH = 0) und -12V (= LOW = 1).

Den UART gibt es (bezogen auf den AVR von ATMEL) einmal als asynchron, d.h. ohne separate Taktleitung, und auch als synchron, hierzu wird allerdings zur Synchronisierung eine separate Taktleitung notwendig.

Der serielle UART benötigt 2 Daten-Leitungen:

* "TxD" (Tranceive Data = Daten Senden)
* "RxD" (Receive Data = Daten Empfangen)

Bei synchroner Übertragung (USART) kommt eben erwähnte Taktleitung dazu.

Einsatzzwecke:

* Kommunikation mit dem PC
* Kommunikation unter Roboter-On-Board-(Sub)Systemen
* Datenübertragung

Der UART wird gerne zur (Daten-)Ausgebe auf dem PC auf einem [[Terminalprogramm]] eingesetzt, z.B. zum sog. "Debuggen".

Die Übertragungsgeschwindigkeit wird in Baud angeben. Obwohl über die Register zahlreiche Baudraten einstellbar sind, so haben sich gewisse Baudraten als Standard etabliert. Bei Controlleranwendungen ist das sehr oft 9600 Baud.

Baudrate Bitlänge
300 Baud 3,33 ms
2400 Baud 417 µs
9600 Baud 104 µs
38400 Baud 26,04 µs

''Artikel von tobimc''

==Siehe auch==
* [[Terminalprogramm]]
* [[Terminals]]
* [[RS485]]
* [[Software-UART mit avr-gcc]]
* [[UART mit avr-gcc]]

==WebLinks==
* [http://people.freenet.de/gjl/helferlein/avr-uart-rechner.html AVR-Baudraten-Rechner (JavaScript)]

[[Kategorie:Abkürzung]]
[[Kategorie:Kommunikation]]
[[Kategorie:Microcontroller]]