Kirmes-Kraftprotz-Ampel

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Schaltplan

Der Schaltplan zeigt den Aufbau so, wie er in Heft 5/16 vorgestellt wurde. Auf Basis dieses Plans wurde auch die abgebildete Streifenrasterplatine bestückt.

Bei einem Open-Collector-Ausgang ist der Ausgangspin mit dem Kollektor eines internen NPN-Transistors verbunden, der gegen Masse (am Emitter) schaltet. Dadurch kann der Ausgang höher belastet werden.

Funktionsprinzip

Es gibt diverse Bauformen für Wägezellen. Die im Artikel verwendete balkenförmige mit zwei Durchbrüchen in der Mitte und einem (sehr kurzen) Mittelsteg dazwischen, ist im Vergleich zu S-Förmigen Zellen sehr einfach aufgebaut und leicht zu montieren. Ein Kriterium für die Wahl der passenden Wägezelle ist deren Dynamik. Bei Belastung verformt sie sich minimal und kehrt selbständig in ihre Ausgangsform zurück, sobald die Last entfernt wird und die Grenzen der elastischen Verformung nicht überschritten werden. Dies geschieht durch die Streckung und Stauchung des Atomgitters. Wird das Gitter über die die Grenzen der atomaren Bindung hin gedehnt, kommt es zur plastischen Verformung und das Material ist beschädigt. Damit dies nicht passiert, wird für die Wägezellen eine Maximalbelastung angegeben, die am Ende ansetzen darf. Mit unserer Handpresse werden wir wohl keine Überlastung erleben. Eine weitere Kenngröße ist die Zeit, die das Material benötigt, um verformt zu werden und wieder in die Ausgangslage zurückzukehren. Für einfache Anwendungen spielt diese Dynamik keine Rolle. Bei schnell durchzuführenden Wägungen (beispielsweise in der Produktion mit schnell laufenden Förderbändern) ist eine hohe Dynamik erforderlich.

Die Wheatstonesche Messbrücke liefert minimale Widerstandsänderungen bei Belastung der load cell. Im Datenblatt sind exemplarisch 350 Ω ±50 Ω angegeben. Wenn die Zelle für 20 kg ausgelegt ist, dann ändert sich der Widerstand um lediglich 2,5 Ω pro Kilogramm. Zwei Dehnungsmess-Streifen bilden zusammen einen (unbelasteten) Spannungsteiler.

Die Spannung an R1 kann mit der Formel U1 = U_ges * R1/(R1 + R2) berechnet werden.

Wird die Wägezelle belastet, verformen sich die Mess-Streifen. Die Durchbrüche in der Mitte der Zelle führen dazu, dass der obere Streifen am festen Montagepunkt gestreckt und der andere obere Streifen am Angriffspunkt der Kraft gestaucht wird. Auf der Unterseite verhalten sich die Streifen genau anders herum. Zwischen den beiden kreisförmigen Durchbrüchen kann auch eine stegförmige Öffnung liegen, sodass sich ein knochenförmiger Durchbruch ergibt, wodurch der Effekt der wechselseitigen Dehnung und Stauchung anschaulicher wird.

Weil sich die Widerstandswerte nur minimal ändern, variiert auch die Spannung an den beiden Spannungsteilern nur wenig und die Differenzspannung ist sehr klein. Mit einem Multimeter sind diese Änderungen kaum zu erfassen, zumal durch die Messung der Spannungsteiler belastet wird.

Der Ansatz aus dem Heftartikel nutzt deshalb einen Operationsverstärker, um die kleine Differenzspannung zu verstärken. Eine andere Möglichkeit wäre die Nutzung eines Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandler). Einfache Wandler sind aber nicht genau genug, zumal sie mit einer Referenzspannung von 3,3 V oder 5 V arbeiten. Bei der üblichen Auflösung von 8 Bit sind bei 3,3 V lediglich Spannungsunterschiede von 0,013 V (0,018 V) messbar, was für grammgenaues Wiegen nicht genügt. Mit speziellen 24 Bit A/D-Wandler-ICs wie dem HX711, ist eine digitale Auswertung möglich. Der Chip benötigt nur wenige externe Bauteile und sendet seine Daten per TWI an einen beliebigen Mikrocontroller.

Der Feind des Guten...

Erinnern Sie sich an das Editorial in Heft 4/16? Die im Heft vorgestellte Schaltung für die Kirmes-Kraftprotz-Ampel funktioniert so, wie gezeigt. Aber wie das Leben so spielt: kaum war sie aufgebaut, warf ein Kollege einen Blick über meine Schulter und sah die Schwachstellen und schlug vor, wie man die Funktion optimieren könnte. Also den Artikel über den Haufen werfen und alles neu zeichnen? Ungern, denn schließlich funktioniert es und es muss eben nicht immer alles optimal sein. Aber Entwürfe dürfen durchaus diskutiert und weiterentwickelt werden. Also stellen wir hier die Vorschläge des Kollegen einfach zur Diskussion.

Wenn die Spannungsversorgung etwas schwankt oder bei hoher Last zusammenbricht, verschieben sich die über den Spannungsteiler eingestellten Arbeitspunkte an den Komparatoren. Dann flattern die Ausgänge, weil der Komparator ständig Ein- und Ausgeschaltet wird. So lässt sich kein genauer Wert einstellen, bei dem die Lampe leuchtet. Dies kann relativ einfach vermieden werden, wenn eine zweite Spannungsversorgung hinzugenommen wird. Das PC-Netzteil liefert die passenden 5 V und die Schaltung funktioniert auch damit, da die OpAmps tolerant genug sind.

Wenn die Spannung am Eingang des Komparators die eingestellte Schwellwertspannung U_S überschreitet, schaltet der Ausgang durch. Erfolgt dies nicht schlagartig, sondern nur teilweise, hat dies zur Folge, dass der MOSFET ebenfalls nicht vollständig durchschaltet, sondern nur bedingt leitfähig wird. In diesem Fall ist der Innen-Widerstand R_DSon recht hoch und es wird viel Leistung regelrecht verheizt. Hinzu kommt noch, dass der Komparator auch wieder sperrt, wenn die Eingangsspannung nur ein wenig abfällt, was zu dem oben angesprochenen "flattern" führt.

Mit einem Schmitt-Trigger lässt sich das Problem beseitigen: Sobald die Vergleichsspannung erreicht ist, schaltet er schlagartig vollständig durch. Sinkt die Eingangsspannung etwas, dann wird der Ausgang erst bei Unterschreiten einer unteren Grenzspannung wieder vollständig gesperrt. Durch diese Hysterese werden kleine Schwankungen kompensiert und der nachfolgende MOSFET wird stets im optimal durchgesteuerten Bereich betrieben.

Um aus dem Komparator einen Schmitt-Trigger zu machen, ist nur eine Mitkopplung notwendig. Ein Widerstand zwischen dem Komparator-Ausgang und dem positiven Eingang übernimmt diese Aufgabe.

In diesem Entwurf wurden beide genannten Änderungen vorgenommen. Allerdings haben wir den Aufbau (noch) nicht testen können. Wenn Sie bereits Erfahrungen gesammelt haben oder eigene Ergänzungen haben, dann freuen wir uns über eine angeregte Diskussion im Forum.

Spannungsstabilisierung

Unser PC-Netzteil für Pentium IV scheint eins der schlechteren zu sein, denn sobald eine Lampe aufleuchtet, bricht die Spannung auf etwa 8 V zusammen. Zudem wird die Spannung von einer Brummspannung überlagert. Gegen die Störspannung helfen ein paar Abblock-Kondensatoren. Ein dicker Elko parallel zur 12 V Versorgung und 100 nF parallel und direkt an den Pins 3 und 12 des LM339 verbessern die Situation. (fls)