Kontrollanzeige_3
Die diskret aufgebaute Lade- und Öldruckkontrollanzeige kann auch mit einem einzelnen NE555 und einem Dutzend passiver Komponenten realsiert werden. Aufgabe der Diskreten Schaltung ist es, die Generatorspannung zu überwachen und bei Unterspannung die Ladekontrolllampe mit 12V zu versorgen. Zusätzlich wird bei schalten des Öldruckschalter gegen Masse die Kontrolllampe ebenfalls zur Anzeige gebracht.
Der allgegenwärtige Timer-Baustein NE555 ist ein sehr vielseitiger Chip. Es enthält zwei Spannungsvergleicher, die gegen eine interne oder über Pin 5 zugeführte Referenz vergleichen, ein RS-FlipFlop und ein Totem-Pole-Ausgang, der je nach IC-Ausführung bis zu 200 mA liefern bzw. aufnehmen kann. Alle diese Teile werden für die Realisierung einer Lade- und Ölkontrollanzeige verwendet. Folgend die Schematische Darstellung:
Abb. 1 - Timer NE555
Zur Anwendung kommt die CMOS-Variante TLC555I (Datenblatt: tlc555.pdf). An den Betriebsspannungsanschlüssen darf eine Spannung für Vcc (= Betriebsspannung) bis +18V (empfohlen 2 bis 15V, vergleiche 7.1 und 7.2) und an den Eingängen Threshold, Trigger, Control Voltage und Reset eine maximale Spannung gleich der Betriebsspannung angelegt werden. Der TLC555 mit I-Index hat im Gegensatz zum Standard Timer einen erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 85°C (siehe 7.2).
Mit einer geeigneten Referenzspannung und geeignetem Spannungsteiler, kann die Funktion der Ladekontrollanzeige inkl. Hysterese erfüllt werden.
Abb. 2 - Kontrollanzeige 555
Grundsätzlich funktionieren die drei für die Ladekontrollanzeige verwendeten Eingänge Trigger, Threshold und Control Voltage vom NE555 wie folgt:
- Wenn die Spannung am Trigger-Pin 2 weniger als die Hälfte der Referenzspannung vom Control Voltage-Pin 5 des IC's beträgt, wird das interne RS-FlipFlop gesetzt und der Ausgang Output-Pin 3 geht auf High (Spannung erreicht fast Vcc: Kontolllampe leuchtet).
- Wenn die Spannung am Threshold-Pin 6 mehr als die Referenzspannung vom Control Voltage-Pin 5 beträgt, wird das interne RS-FlipFlop zurückgesetzt und der Ausgang Pin 3 geht in den Low-Zustand (Spannung erreicht fast 0V: Kontolllampe erlischt).
Die Referenzspannung am Pin Control Voltage hat im unbeschalteten Zustand 2/3 von Vcc. Der Timer benötigt also nur eine stabile Spannung, um die korrekten Umschaltpunkte für die zwei internen Komparatoren, welche zusätzlich mit den Pins Trigger und Threshold verbunden sind, zu erhalten. Alternativ kann eine mit Vorwiderstand angeschlossene Z-Diode an Pin Control Voltage eine genügend genaue Spannungsreferenz sein. Mit Vcc = 5,1V beträgt die obere Schaltschwelle Vo = 3,4V und die untere Schaltschwelle Vu = 1,7V. Der Einsatz des Kondensator an Pin Control Voltage schafft tzsätzlich Abhilfe gegen Störungen, speziell beim Wechsel vom Zustand High in den Zustand Low.
Ein am Gleichrichter Klemme 61 bzw. D+ angeschlossener Spannungsteiler bestehend aus R2 und R3 wird so ausgelegt und an Pin Trigger angeschlossen, dass die Spannung an Trigger gleich die Hälfte von der Referenzspannung von Control Voltage ist. Dies ist der gewünschte Unterspannungsschaltpunkt. Wenn die Spannung an Klemme 61 unter diesen Sollwert sinkt, geht die Spannung am Ausgang Output auf High.
Der Spannungsteiler bestehend aus R1 und R2+R3 wird so ausgelegt und an Threshold angeschlossen, dass die Spannung an Threshold gleich der Spannung von Control Voltage ist, wenn die Batteriespannung auf dem gewünschten Sollwert ist. Wenn die Spannung an Klemme 61 diesen Sollwert überschreitet, geht die Spannung an Pin Output auf Low.
Der Widerstand R3 wird einfach festgelegt. Betreffs der Größe vom Widerstand R3 kommt es ganz auf die Anwendung an. In der Praxis eignen sich gut Werte von 10k bis 100k. Der Widerstand R3 wird mit 10k festgelegt. Die untere Schaltschwelle soll bei ca. 11,8V und die obere bei ca. 13V liegen. Der Widerstand R2 wird Anhand der Hysterese (13,0V - 11,8V) nach folgender Formel berechnet:
R2 = R3 * (2 * V0(low) / V0(high) - 1)
R2 = 10k * (2 * 11,8V / 13,0V - 1)
R2 = 8,2k
Der nächst passende Wert für R2 ist 8,2k. Der Widerstand R1 wird unter Verwendung der Referenzspannung (Vref = 3,4V) sowie R2 und R3 über die folgende Formel berechnet:
R1 = R3 * (2 * V0(low) / Vref - 1) - R2
R1 = 10k * (2 * 11,8V / 3,4V - 1) - 8,2k
R1 = 51,2k
Für den Widerstand R1 wird ein Wert von 51,7k (R1a + R1b = 47k + 4,7k) genommen. Dieser definiert mit den oben genannten Widerständen R2 und R3 die nun tatsächlichen Umschaltpunkte 11,8V (Low) und 13,0V (High). Für die Bestimmung der realen Umschaltpunkte können folgende Formeln genutzt werden:
V(low) = Vref * (R1 + R2 + R3) / (R2 + R3)
V(low) = 3,4V * (51,7k + 8,2k + 10k) / (8,2k + 10k)
V(low) = 11,9V
V(high) = Vref / 2 * (R1 + R2 + R3) / R3
V(high) = 3,4V / 2 * (51,7k + 8,2k + 10k) / 10k
V(high) = 13,1V
Die am Eingang befindlichen Dioden D1 und D2 dienen als Schutz des Timers vor Über- und Unterspannung. Um den Strom durch die Dioden zu begrenzen wurden diese nicht direkt am Eingang der Eingangsstufe plaziert.
Die Kontrollanzeige La1 soll (wie bei der Diskret aufgebauten Schaltung auch) bei Verlust des Öldrucks ebenfalls zur Anzeige kommen. Die Anschaltung des Sensors (Schalten der Masse bei Öldruckverlust) erfolgt einfach an dem Threshold Eingang vom Timer-Baustein.
Da mir Versorgungsspannung von 12V geschaltet werden soll, erfolgt der Abgriff für die Kontrollanzeige nicht am Ausgang Output sondern am Open Collector Ausgang Discharge des Timer-Bausteins. Das Datenblatt verrät, dass bei der CMOS-Variante TLC555, ein Strom von bis zu maximal 150mA in Discharge fließen darf (siehe 7.1).
Um den Kontrollanzeige sicher zum Leuchten zu bringen, wird eine Gegentaktendstufe, bestehend aus NPN-Transistor und Diode, eingesetzt. Die gesamte Schaltung für die Kontrollanzeige erhält noch eine Schutzschaltung bestehend aus Z-Diode (Vz = 3,3V) und Emitter-Widerstand (100 Ohm), um die Ausgangstufe gegen Kurzschluss abszusichern.
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