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Einsteiger/Praktische Elektronik koaxiale Kupplungs-Steckerübergänge, um die beiden Glieder in Kette zu schalten. ■ Meßbeispiele Die Meßschaltung nach Bild 10 ist für Untersuchungen im NF- und im HF-Bereich nahezu allgemeingültig. Sie können z. B. die Empfindlichkeitskurven für einen Empfänger aufnehmen, wenn Sie die Einstellungen und den Spannungsvergleich bei verschiedenen Frequenzen des Generators mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, moduliert oder unmoduliert, Punkt für Punkt aufnehmen. Bei unmoduliertem Generator mißt man am Ausgang des Empfängers nämlich trotzdem Pfeifkessel auf elektronisch Dipl.-Ing. KLAUS SCHLENZIG Die dampfbetriebene Pfeife als Signalgeber dafür, daß das Wasser kocht – wer kennt nicht diese im wörtlichen Sinne pfiffige Erfindung unserer Vorfahren. Mit etwas Elektronik läßt sich jeder Topf zum Pfeifkessel aufrüsten. Das Mittel zum Zweck: Ein Wickel aus einigen Metern dünnen Kupferdrahtes als Thermofühler, dessen Widerstand mit der Temperatur zunimmt. So ziemlich alles, was in seinen physikalischen Daten von der Temperatur beeinflußt wird, läßt sich auch zur Temperaturüberwachung verwenden – vom eigens dafür entwickelten Halbleiterwiderstand über den pn-Übergang bis hin zu Mini-IS in Form von Band-Gap-Fühlern. Doch auch klassische Methoden bleiben interessant, wie vor einiger Zeit unser Beitrag zum Thermoelement-Einsatz zeigte. Den Wurzeln der Elektrotechnik am nächsten aber liegt der Kupferdraht. ■ Klarer Kurs bis vier Promille Metalle haben – ausgenommen spezielle vom Netzteil 9 V/100 mA + – 470μ 630 • FA 6/95 2 x 1N4001 220k 4,7k 330k 4,7μ 2,2k BC338 o.ä. 10k BD136 o.ä. (+t°) ≈ 10 Ω 10Ω ≥ 4700μ Legierungen – einen für Temperaturkontrollzwecke gut nutzbaren positiven Temperaturbeiwert. Das heißt: Steigt die Temperatur, steigt auch der Widerstand. Meist orientiert man sich dabei an der Angabe für 20 °C Startwert. Reine Metalle liegen hier bei 0,4 %/K. Mit wachsenden Legierungsanteilen anderer Metalle ergibt sich ein kleinerer Wert. Wichtiger für den Einsatz ist jedoch, woher dieser Wert kommt und welche Konsequenz das hat. Wer mit dieser Regel die Betriebstemperatur etwa einer Motorwicklung oder eines Transformators nach längerem Einsatz messen will, muß das wissen. (+) Diff.-Vst. (E) Bild 1: Hochstrom-Impulsgeber für Netzteile kleiner Leistung und Fühler mit begrenzter Eigenerwärmung eine (u. a. durch Rauschanteile hervorgerufene) Spannung, deren Wert stark von der Eingangsspannung des Generators abhängen kann. Eine andere Anwendung der Schaltung bietet sich bei NF-Verstärkern mit Einstellmöglichkeiten des Frequenzgangs zur Tiefenund Höhenanhebung oder -absenkung an. Auch hier können wir eine Reihe von Übertragungskurven für verschiedene Frequenzen und Einstellungen in dB aufnehmen. Meßmethoden für die Anwendung der Schaltung nach Bild 11 sind in mehreren Veröffentlichungen ausführlich beschrieben [5], [6] und [7]. Meist fehlt dem Funkamateur dann nur die dort immer vorausgesetzte (–) vom Netzteil 9V/100mA + – R1 680 BD135 o.ä. VD2 5,6V 1N4001 ≈ 4,5V VD1 R2 51 R3 22 C1 100μ C2 0,1… 0,33μ R5 15k R4 15k Sensor (≈ 10Ω) Eichleitung, deren Aufbau u. a. dieser Beitrag beschreibt. Literatur [1] Prange, H., DK8GH: Wellenwiderstände, Vierpole und Leitungen, FUNKAMATEUR 43 (1994), H. 1, S. 47 [3] Prange, H., DK8GH: Verstärker – Schaltungen und Einsatz, FUNKAMATEUR 42 (1993), H. 12, S. 791 [4] Perner, M.: S-Meter-Kontrolle mit Pegel/Eichpunkt-Generator, FUNKAMATEUR 42 (1993), H. 11, S. 725 [5] H. L.Gibson, G2BUP: Test equipment for the radio amateur, Radio Society of Great Britain, ISBN 0 900612 41 X [6] Reference Data for Radio Engineers, Howard W. Sams & Co. Inc., ITT, ISBN 0-672-20678-1 [7] The ARRL Handbook, The Amarican Radio Relay League, Inc., ISBN 0-87259-168-9 Der Temperaturbeiwert α ergibt sich nämlich aus einer materialabhängigen Temperaturkonstante θ 0 und der benutzten Anfangstemperatur θ 1 als Kehrwert von deren Addition. Für Kupfer beträgt die Konstante 235 °C, so daß man bei 25 °C Anfangstemperatur auf den geläufigen Wert von etwa 0,0038/K kommt oder für 20 °C auf rund 0,0039/K. ■ Sensor von der Rolle Es ist schon reizvoll, im Zeitalter von Sensoren für alles und jedes, die mit Hochtechnologien entwickelt werden, einfach aus ein paar Metern Kupferdraht in wenigen Minuten einen brauchbaren Temperatursensor herzustellen, der bis weit über 100 °C verwendet werden kann. Der Draht sollte einerseits dünn sein, damit sich über seinem Widerstand schon bei kleinen Meßströmen eine brauchbare Spannungs-“Antwort“ aufbaut. Andererseits soll sich alles noch gut handhaben lassen. Die Wahl fiel auf gerade vorhandenen 0,18 CuL. Der Stabilität wegen wurden die Enden doppelt genommen. Etwa 200 Windungen davon sind auf einen R6 22k R8 47k R7 22k BC338 VT1 VT2 R9 3k VT3 2 x BC338 o.ä. R10 2,2k BC328 o.ä. VT4 R12 18k R11 7,5k (Uvergl.) MP (–) B+ + B1 B– R13 4,7k Bild 2: Vielseitiger Grenztemperaturmelder: Signal bei Überschreiten einer einstellbaren Temperatur. Bei Vertauschen der Anschlußpunkte von Emitter und Basis bei VT3 auch als Auskühlmelder nutzbar.
flachen, leicht konischen glatten Träger von rund 25 mm Kantenlänge zu wickeln. Es ergibt sich bei Zimmertemperatur ein Widerstand von nicht ganz 10 Ω. Der genaue Wert spielt für den geplanten Einsatzzweck auch keine große Rolle. Der Wickel wurde vom Träger abgezogen und zu einem kleinen kompakten Drahtblock verdichtet. Von diesem Punkt an ist es entscheidend, wofür man den Sensor verwenden will. Probleme ergeben sich nämlich, wenn man diesen Sensor etwa für Kaffee- oder Teewasser oder gar für die Milch benutzen möchte. Recherchen bezüglich der „physiologischen Unbedenklichkeit“ der Drahtisolation bei 100 °C Einsatztemperatur hätten den Aufwand für diesen Beitrag unvertretbar erhöht. Immerhin – wer hier berechtigte Vorsicht walten läßt, kann sich z. B. über wärmefesten Silikonkautschuk als Umhüllung informieren, den es auch für medizinische Zwecke gibt. Oder man steckt den Fühler in ein unten geschlossenes Stahl- oder Aluminiumröhrchen, das dann oben aus dem Gefäß herausragt. Mit einem Clip kann der Sensor an den Topfrand gehängt werden, oder er taucht freischwebend von der Abzugshaube in die Flüssigkeit. Da Luft der schlechteste Wärmeleiter ist, sollte man das Röhrchen beispielsweise mit Silikonkautschuk füllen. Notfalls tut es auch Wasser, das aber nicht in den Topf gelangen sollte. Die in jedem Fall nicht zu unterschätzende thermische Zeitkonstante einer solchen Schutzrohrlösung wird z. B. mit dem Einstellen einer deutlich unterhalb 10 °C liegenden Ansprechschwelle kompensiert. ■ Modellversuche Mit 50 mA Fühlerstrom erhält man im Beispiel bei Zimmertemperatur nicht ganz 500 mV. Im engen Kontakt mit einem genauen Quecksilberthermometer zeigte der Sensor dabei in ruhender Luft eine Übertemperatur von etwa 2 K. Damit kann man leben, wenn vorrangig an eine 100 °C- Signalisierung gedacht ist. Doch auch im „Lufteinsatz“ sind Anwendungen denkbar: Die Auswerteschaltung reagierte, ent- Bild 3: Leiterbild zur Schaltung nach Bild 2 00 Bild 4: Bestückungsplan der Leiterplatte R8 R9 R10 MP (–) – C1 VD2 + ECB VT01 R1 VD1 R12 E VT1C B B C E VT2 E R6 R4 R7 E B B C VT3 C VT4 R11 R5 B+ B– R13 R2 R3 C2 Sensor sprechend eingestellt, schon auf kurzes Anhauchen. ■ Strombilanzen Mit Blick auf die angedachte Auswerteschaltung sollte das Objekt – wie üblich – aus einem 9-V-Steckernetzteil versorgt werden. Solche Kleinnetzteile liefern selten mehr als 100 mA Dauerstrom. Doch wenn ein Fühler mit weniger als 10 Ω bereits bei kleinen Temperaturunterschieden eine gut auswertbare Spannungsänderung liefern soll, muß er mit einem relativ großen Strom gespeist werden, beispielsweise mit 200 oder gar 500 mA. Das läßt allerdings ein solches Netzteil vordergründig nicht zu und vor allem: Die Eigenerwärmung des Fühlers würde die Ergebnisse spürbar verfälschen. Darum wurde zunächst an eine Impulssteuerung gedacht. Bild 1 zeigt eine dafür getestete Schaltung, deren Hauptlast der Spannungsteiler mit dem Sensor bildet. Dieser wurde in der Testphase durch einen Festwiderstand von 10 Ω „vertreten“. Der Komplementärmultivibrator mit Leistungstransistorausgang liefert schmale Impulse mit im Verhältnis zu diesen um einige Male längeren Pausenzeiten. Dadurch bleibt die Erwärmung begrenzt, und das Netzteil hat in den Pausen Zeit, den Pulsstromkondensator jeweils wieder nachzuladen. Leider ist auch die Signalausgabe mit diesem Tastverhältnis moduliert, so daß das Signal nicht gerade beeindruckt. Immerhin könnte diese Schaltung einen Ausgangspunkt für andere, ähnlich gelagerte Aufgabenstellungen bilden. Nur in dieser Version wird die volle Steilheit (die Spannungsantwort je Kelvin) des Sensors erreicht; bei der folgenden, praktisch aber völlig ausreichenden Version bedingen die Strombegrenzungswiderstände eine Scherung dieser Kennlinie. ■ Spannungen im Vergleich Der schon aus FA 5/94 bekannte Differenzverstärker, wie er in Bild 2 für eine neue Aufgabe genutzt wird, hat u. a. die folgende günstige Eigenschaft: Die temperaturbedingten Änderungen der Basis/Emitter-Spannungen der beiden Transistoren Praktische Elektronik wirken sich auf das Verstärkungsergebnis praktisch nicht aus, sofern beide auf gleicher Temperatur (also in enger Nachbarschaft) gehalten werden. Bei Signalspannungsdifferenzen im Millivoltbereich ist das auch nötig. Dem Verstärker wird „links“ die temperaturabhängige Sensorspannung zugeführt. „Rechts“ stellt man die Vergleichsspannung ein. Am Potentiometer wird also bestimmt, ob bei 20, 40, 70 oder erst bei 95 °C ein Alarmsignal ausgelöst werden soll. Für Festanwendungen, wie etwa einen Kochtemperaturwächter, genügt ein Trimmwiderstand, für wechselnde Einsatzzwecke empfiehlt sich ein Potentiometer mit Drehknopf und einmaliger Kalibrierung „am Objekt“. Die Betriebsspannung wurde durch eine einfache Stabilisierungsschaltung so weit herabgesetzt, wie das für die Funktion des Verstärkers unter diesen Randbedingungen noch zumutbar erschien. Dadurch blieb der Fühlerstrom in akzeptablen Grenzen. Die gesamte Schaltung nimmt etwa 60 mA auf und erfüllt damit die o. g. Forderung bezüglich Steckernetzteileinsatz ohne zusätzlichen Impulsgenerator. Die Dimensionierung des rechten Teilers folgt aus den eigentlich mehr zufällig entstandenen Sensordaten. Für andere Sensorwiderstände oder Einsatzzwecke (Kühlschrankwächter z. B.) muß man neu dimensionieren. Die Auswerteschaltung reagiert, wenn die Eingangsspannung der Sensorseite die auf der anderen Seite eingestellte Spannung übersteigt. Die Reaktion des Differenzverstärkers darauf wird zum Öffnen von VT3 benutzt, der seinerseits VT4 ansteuert. Bereits ein kleiner Anfangsstrom führt durch die RC-Rückkopplung zu einem periodischen Kippen der Schaltung, so daß der aktive Piezosummer ein „klingelndes“ Signal (0,1 µF) bzw. ein langsamer pulsierendes (bis 0,33 µF) abgibt. Achtung! Wird die Kapazität zu gering (z. B. 15 nF), hält sich die Schaltung im Signalzustand, unabhängig von weiteren Änderungen am Eingang. Übrigens: Werden die Anschlußpunkte für Basis und Emitter von VT3 vertauscht, setzt das Signal bei Abkühlung ein. ■ Leiterplatte Die Bilder 3 (Leiterbild) und 4 (Bestükkungsplan) zur Schaltung nach Bild 2 zeigen, daß die Auswerteschaltung für sich allein wenig Platz beansprucht. Erst durch Erweiterungen im angedeuteten Sinne, z. B. mit Drehknopf für beliebige Einstellbarkeit, wächst der Aufwand. Man bringt die Leiterplatte am besten in der Nähe des Steckernetzteils unter, also selbstverständlich nicht gerade am „kochenden“ Objekt. FA 6/95 • 631
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