Dieser Artikel zeigt eine Methode auf, mit der man trotz günstiger Arbeitsmittel recht präzise eine Platte bestimmter Größe herstellen kann.
Angeregt durch den Artikel über Gehäusebau hier die Arbeitsschritte, wie man mit einer Stichsäge eine Holz- oder Alu-Platte zurecht sägen kann. Mit dieser Methode wird der Schnitt sehr gerade, so dass man nur noch ein wenig mit einer Feile die Kanten glätten muss.
Die Schnittkante anzeichnen,
die Entfernung Sägeblatt<—>Kante der Bodenplatte der Stichsäge ausmessen
einen Anschlag(gerades Holzstück/Aluwinkelprofil) genau so weit von der Schnittkante entfernt mit Schraubzwingen an das Blech fixieren
Für den Hobby-isten gibt es nicht viele freie und leistungsfähige Schaltplan- und Layout-Software. Für Linux und Mac OS X gibt es das Softwarepacket gEDA. Damit kann man Schaltpläne und Layouts erstellen. Dieser Artikel zeigt, wie man mit dieser Software sogar hierarchische Schaltpläne erstellen kann.
Hierarchische Schaltpläne helfen dabei, die Komplexität eines Schaltplans in verschiedene Module aufzuteilen. So kann man einen Schaltplan schon einmal als Blockschaltbild zeichnen und sich später Gedanken machen, wie man die einzelnen Schaltungsteile realisieren möchte.
Zum Beispiel kann man die Spannungsversorgung als einen Block zeichen, aus dem nur noch die Spannungen für die restlichen Schaltungsteile heraus geführt werden. Der eigentliche Schaltplan für die Spannungserzeugung wird dann auf einem gesonderten Blatt gezeichnet.
Nachfolgend ist als Stichwortliste aufgeführt, wie man ein hierarchisches Design mit gschem, dem Schaltplanmodul von gEDA, erstellt. Eine ausführliche Anleitung ist im Anschluss als PDF-Datei verlinkt(englisch).
gEDA auf dem Computer installieren
gschem starten
Zeichnungsrahmen aus der Schaltplanseite löschen
Symbol für jeden einzelnen Schaltungsteil mit benötigten Pins zeichnen und abspeichern
gafrc Datei anlegen
Schaltplanseite für das erste Blatt anlegen
Schaltungsteilsymbole im Blatt einfügen
Symbole mit den Schaltplänen für die Schaltungsmodule verknüpfen
Hier einige interessante Informationen zum Thema bleifrei Löten. Diese Informationen stammen aus dem Gespräch mit einem Lötfachmann eines großen internationalen Distributors.
Anders als bei bleihaltigem Lot muss man sehr genau darauf achten, wie man arbeitet und mit was man arbeitet. Arbeiten mit bleifreiem Lot ist sehr viel anspruchsvoller und Fehler treten häufiger auf.
Für das Löten mit bleifreiem Lot sollte man grundsätzlich keine Lötstation mit weniger als 80 Watt benutzen. Zudem sollte man an der Lötstation die Temperatur einstellen können.
Das bleifreie Lot hat einen höheren Schmelzpunkt als bleihaltiges Lot. Beim Löten gibt es immer Temperatureinbrüche an der Lötspitze, z.B. durch den Kontakt mit dem kalten Lötzinn und der kalten Leiterplatte. Deshalb sollte man auch immer möglichst kurze, dicke Lötspitzen verwenden. Diese kühlen an der Spitze dann nicht so stark ab.
Erhitzt man die Lötspitze zu stark, verbrennt beim Löten das im Lot enthaltene Flussmittel. Deshalb sollte man die Temperatur an der Lötstation möglichst genau 140 Kelvin höher als den Schmelzpunkt des Lots einstellen.
Enthält das Lötzinn weniger als 1% Flussmittel, sollte man Flussmittel zugeben.
Die Lötspitze reinigt man am Besten mit einem Trockenreiniger und nicht einem feuchten Schwämmchen. Nach dem Reinigen der Lötspitze muss man diese umgehend wieder verzinnen.
Wenn man ein Schwämmchen benutzen will, dann sollte man dieses nur mit demineralisiertem Wasser anfeuchten und den Schwamm gut auswringen, damit er nur feucht und nicht nass ist. Die Feuchtigkeit provoziert Temperatureinbrüche an der Lötspitze, die zu Rissen in der Lötspitze führen können.
Einen Lötspitzenreiniger sollte man nur anwenden, wenn die Lötspitze schon stark verschmutzt ist und keine sauberen Lötergebnisse mehr erzielbar sind. Anschließend muss die Lötspitze sofort wieder verzinnt werden um einer Korrosion des blank liegenden Eisens der Lötspitze entgegen zu wirken.
Dioden werden gern verwendet, um einen Verpolschutz zu realisieren. In Schaltungen mit hohen Eingangsströmen kann die Vorwärtsspannung einer Diode dazu führen, dass übermäßig viel Leistung im Verpolschutz verloren geht.
Dioden haben eine nicht zu vernachlässigende Vorwärtsspannung. Siliziumdioden liegen bei typ. 0,6..0,7 Volt. Bei hohen Strömen kann die Spannung aber auch durchaus auf Werte über 1 Volt ansteigen. Schottky-Dioden sind da zwar etwas besser, aber Typen für hohe Ströme sind auch nicht leicht zu bekommen und dann auch nicht preisgünstig.
Die hohe Vorwärtsspannung von Dioden führt zu einer erheblichen Eigenerwärmung.
Als Beispiel betrachten wir eine 1N5400. Diese Diode ist für 3 Ampere Vorwärtsstrom ausgelegt.
Diesen Strom kann die Diode führen bei bis zu 75°C Umgebungstemperatur: Die Vorwärtsspannung beträgt bei 3 Ampere 1,2 Volt. Die Leistung, die damit an der Diode verloren geht, beträgt also bei Nennstrom 3,6 Watt. Der thermische Widerstand Rθja beträgt 20K/W. Das bedeutet, dass die Diode sich bei Nennstrom um 72°C erwärmt. Die maximale Sperrschichttemperatur darf 150°C betragen.
Als Alternative zu Dioden bieten sich MOSFET-Transistoren an. MOSFET haben einen geringen Durchlasswiderstand (RDS-on). Für Verpolschutz-Schaltungen sind P-MOSFET gut geeignet, da sie in die positive Versorgungsleitung eingefügt werden können.
Um den gleichen Strom wie die Diode im obigen Beispiel führen zu können, nehmen wir einen P-MOSFET RSS060P05. Dieser kann bis zu 6 Ampere leiten und sperrt bis zu 45 V. Sein Durchlasswiderstand liegt bei maximal 53 mΩ. Bei 3 A wird also eine Leistung von (3A)2 × 0,053 Ω = 0,477 W umgesetzt. Der Spannungsabfall beträgt nur 3A × 0,053 Ω = 0,159 V. Die Erwärmung des MOSFET mit einem Rθja von 62,5 K/W beträgt dann 29.8 °C.
Das bedeutet, in der Schaltung würden beim Ersatz der Diode durch den MOSFET über 3 Watt weniger Leistung in Wärme umgesetzt. Der MOSFET würde sich trotz des 3 fach höheren Wärmewiderstands nur um rund 30°C erwärmen, die Diode dagegen um über 70°C.
Verpolschutz mit P-MOSFET
Die oben gezeigte Schaltung ist natürlich deutlich aufwändiger als eine simple Diode. MOSFET sind aber in deutlich höheren Leistungsklassen als Dioden zu finden, 2 stellige Ampere-Zahlen sind leicht zu bekommen.
Da die Gate-Source-Strecke sehr empfindlich auf hohe Spannungen reagiert, ist in der Schaltung eine Schutz(-Z-)diode für das Gate vorgesehen. Weiterhin fällt auf, dass der MOSFET “verkehrt herum” eingebaut ist. Das ist auch wichtig, denn sonst würde der MOSFET gar nicht als Verpolschutz verwendet werden können. Man sieht im Bild die (parasitäre) Body-Diode, die hier in Durchlassrichtung geschaltet ist. Das bedeutet, dass auch bei nicht angesteuertem MOSFET und richtiger Polarität der Spannungsquelle ein Strom zur nachfolgenden Schaltung (R_Last) fließt. Durch diesen “Trick” fließt auch bei kleineren Spannungen schon ein Strom. Man sollte dabei jedoch beachten, dass die Body-Diode nur einen kleinen Strom im Vergleich zum Strom des MOSFET führen kann.
Ein MOSFET braucht eine Source-Gate-Spannung von größer 3 Volt um durchzuschalten. Das Gate muss also ein mindestens 3 Volt kleineres Potential als die Source haben. Die Schaltung ist also nur für Spannungen größer 3 Volt geeignet.
Sobald eine genügend hohe Spannung zwischen Source und Gate anliegt, wird der MOSFET automatisch leitend und entlastet die Diode. Man könnte also auch außen noch eine Diode parallel schalten, um bei kleinen Spannungen auf der sicheren Seite zu sein.
Im Verpolfall ist zum einen die Body-Diode in Sperrichtung geschaltet, zum anderen wird auch der MOSFET nicht aufgesteuert, da sein Gate positiver als seine Source ist.
Die Kosten für einen MOSFET sind natürlich höher. Die 1N5400 ist schon für 0,05 EUR zu bekommen. Der MOSFET RSS060P05 kostet dagegen fast 1 EUR, ist also um den Faktor 20 teuerer. Der Preisunterschied hängt natürlich vom gewählten Transistor ab, aber die Tendenz ist klar.
Trotzdem kann der Einsatz eines MOSFET einer Diode vorzuziehen sein.
Bei Anwendungen, die mit Batterien funktionieren, kann die eingesparte Leistung dazu führen, dass eine günstigere Batterie verwendet werden kann. Bei Anwendungen, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, kann es sogar dazu kommen, dass sich mit einer Diode die Schaltung gar nicht realisieren lässt.
LTSpice kennt verschiedene Signalquellen. Eine modulierbare PWM ist leider nicht dabei. Dieser Beitrag zeigt, wie man ganz schnell selbst eine spannungsabhängige PWM erzeugt.
Zuerst brauchen wir zwei normale Spannungsquellen “voltage”. Eine Spannungsquelle gibt die Modulationsspannung aus, die andere Spannungsquelle erzeugt den Takt für die PWM.
Für dieses Beispiel wollen wir eine PWM mit 20 kHz Grundtakt mit einer Sinusschwingung von 2000 Hz modulieren.
Als Modulation ist natürlich jeder andere Spannungsverlauf ebenso verwendbar.
Dazu wird die Spannungsquelle, die die Sinusschwingung erzeugen soll, entsprechend eingestellt.
Die PWM soll eine Spitzenspannung von 5 Volt haben und “single-ended”, also auf Masse bezogen sein. Deshalb stellen wir für den Sinus einen Offset und eine Amplitude von 2,5 Volt ein. Damit hat die PWM einen Mittelwert von 50%. Die maximale Modulation der PWM hängt dann nur von der Amplitude der Sinusspannung ab. Bei 2,5 Volt Amplitude ist die Modulation dann 100%.
Die zweite Spannungsquelle erzeugt die PWM-Grundfrequenz. Damit es auch wirklich eine PWM wird, muss diese Spannungsquelle eine Dreieckspannung erzeugen. Für 20 kHz ist die Periodendauer 50µs, eine Flanke dauert damit 25µs. Als Amplitude wird ebenfalls 5V eingestellt.
Bisher ergibt das noch keine PWM. Jetzt müssen die beiden Spannungen mit einander verknüpft werden.
Dazu muss ein einheitlicher Massebezug hergestellt werden und den Spannungen jeweils ein eindeutiger Name gegeben werden.
Die Spannungsquellen werden mit ihrem “−” Anschluss mit einem Masse-Symbol verbunden.
Der “+” Anschluss wird jeweils mit einem kurzen Stück Leitung verbunden. Die Leitungen bleiben an ihrem anderen Ende offen.
Jeder Leitung wird dann ein eigener Name gegeben. In unserem Beispiel heißen die beiden Spannungen “sine” und “ramp”.
Jetzt fehlt nur noch die Verknüpfung der beiden Spannungen zu einer PWM.
Dazu verwenden wir eine so genannte “arbitrary behavioural voltage source”, grob übersetzt “eine Spannungsquelle mit programmierbarem Verhalten”. Diese Spannungsquellen geben eine Spannung aus, die über Formeln und Funktionen beschreibbar ist.
Für unseren Zweck reicht eine einfache IF-Funktion: Wenn der Wert der Sinusspannung höher als der Wert der Dreieck-Spannung ist, soll eine Spannung ausgegeben werden. Wenn der Wert kleiner ist, soll 0 ausgegeben werden.
In unserem Beispiel wählen wir 5 Volt als den Spitzenwert der PWM.
Damit das Ganze funktioniert muss auch diese Spannungsquelle mit Masse und einer Signalleitung verbunden werden.
Damit die PWM nicht so ganz allein für sich steht, ist am Ausgang der Spannungsquelle noch ein einfaches RC-Tiefpassfilter angeschlossen.
Im letzten Bild sind als Ergebnis die unterschiedlichen Spannungen zu sehen.
Rot: die Sinus-Spannung,
Blau: die Dreieck-Spannung,
Grün: die PWM und
Gelb: die Spannung aus der PWM nach dem RC-Tiefpass
