Schaltung

Digitalteil

Die Schal­tung wird ge­steu­ert von ei­nem ATmega324, ei­nem re­la­tiv klei­nen Bru­der der ATmega-Sip­pe, der sich je­doch als aus­rei­chend er­wies. Als Takt­fre­quenz ha­be ich mich für 7.3728 MHz ent­schie­den. Für die­se An­wen­dung reicht das aus und un­nö­tig ho­he Takt­fre­quen­zen wür­den nur EMV-Pro­ble­me pro­vo­zie­ren oh­ne ei­nen wirk­li­chen Nutzen zu er­zie­len. Erste Ver­sio­nen ver­wen­de­ten so­gar nur 3,6864 MHz aber um schnell ge­nug auf Ver­än­de­run­gen der Last­si­tu­a­ti­on (spe­zi­ell ei­nem hot con­nect, al­so dem An­schluss an ei­ne Quel­le nach­dem be­reits der Last­strom ein­ge­stellt wur­de) re­agie­ren zu kön­nen ha­be ich mich ent­schie­den, die­se zu ver­dop­peln. Erst dann kann der Last­strom in we­ni­ger als ei­ner Mil­li­se­kun­de an die SOA an­ge­passt wer­den.

Die Soft­ware wur­de mit dem Atmel Stu­dio 6.2 er­stellt. Für mich gibt es kei­nen ra­tio­na­len Grund et­was an­de­res zu ver­wen­den (au­ßer viel­leicht die neu­e­re Ver­sion...).

An­mer­kung: Atmel Stu­dio 7 be­haup­tet bei der In­stal­la­tion un­ter XP Dieses Pro­gramm er­for­dert ei­ne neu­e­re Ver­sion von Win­dows. Schade, dass bei Mi­cro­soft aus Ex­pe­ri­ence so schnell ob­so­le­te wird. Ich hät­te es ger­ne aus­pro­biert... aber die Zu­satz­kos­ten und vor al­lem der Zu­satz­är­ger sind die Neu­gier nicht wert. 6.2 ist o.k. für mich! Ich müss­te drei oder vier Rech­ner ak­tu­a­li­sie­ren und spe­zi­ell bei Lap­tops (Alter 7 Jah­re oder mehr, im­mer noch mit dem ers­ten Ak­ku und im­mer noch schnell und gut ge­nug für al­les, was ich ma­che) weiß ich nicht, ob da­nach al­les wie­der funk­tio­niert.

Display

Als Dis­play ist ein weit ver­brei­te­ter und des­halb bil­li­ger 4x20-Zei­chen-Typ si­cher­lich aus­rei­chend wenn­gleich die Dar­stel­lungs­mo­di ziem­lich ver­al­tet sind (es gibt nicht mal ei­ne Re­ver­se-Dar­stel­lung und schon gar kei­ne Grau­stu­fen und auch die Cur­sor-Op­tio­nen sind ziem­lich be­schränkt). Der Dis­play-Con­trol­ler stammt eben aus ei­ner Zeit als ein Ki­lo­byte RAM noch rich­tig teu­er war und man sich je­des ein­zel­ne Flip­flop zwei­mal über­leg­te be­vor man es in Si­li­zi­um brann­te aber er hat sich bis heu­te ge­hal­ten und ist heu­te po­pu­lä­rer und bil­li­ger denn je...

Er­staun­lich fin­de ich es je­doch, dass es kei­nen (halb­wegs) kom­pa­ti­blen Nach­fol­ger mit den er­wähn­ten Ei­gen­schaf­ten gibt!

Das Dis­play wird hier im 4-Bit-Mo­de be­trie­ben. Mir ist kein Da­ten­blatt ir­gend­ei­nes (kom­pa­ti­blen) Chips be­kannt, das an­gibt was mit den un­be­nutz­ten Pins zu ma­chen ist! Im In­ter­net gibt es Leu­te, die sie groun­den oh­ne zu wis­sen ob sie bei ei­nem Read als Aus­gang agie­ren, ich ha­be sie aus ge­nau die­sem Grund stets of­fen ge­las­sen. Aus mei­ner Sicht ma­chen Sie da­mit nichts falsch.

Wenn Sie 100% si­cher ge­hen wol­len, groun­den Sie sie über 4×1 MΩ.

LEDs

Erst in der zwei­ten Ver­sion der Schal­tung ent­schied ich mich da­zu, acht LEDs als Sta­tus­an­zei­ge hin­zu zu fü­gen. Da der Con­trol­ler kei­ne Pins mehr frei hat wur­de ein bil­li­ges 8-Bit Schie­be­re­gis­ter (~20 Eu­ro-Cents) in die SPI-Lei­tung zum DAC ein­ge­schleift.

Sie wer­den über Licht­lei­ter durch die Front­plat­te ge­führt. Zwei­mal zwei LEDs lie­gen un­ter dem glei­chen Licht­lei­ter so dass nur sechs da­von nö­tig sind.

Power (grün) und Feh­ler (rot) wur­den zu­sam­men ge­legt, eben­so wie Ran­ge Low (grün) und Ran­ge High (blau).

Die sechs­te LED hat bis­her kei­ne Funk­tion.

Tastatur

Dafür wur­de auf ei­ne üb­li­che Te­le­fon­tas­ta­tur zu­rück­ge­grif­fen wie sie von ver­schie­de­nen Her­stel­lern er­hält­lich ist. Die An­ord­nung des Steck­ver­bin­ders ist teil­wei­se un­ter­schied­lich, auf der Lei­ter­plat­te wur­den zwei Buch­sen­leis­ten vor­ge­se­hen, die für zwei gän­gi­ge Ty­pen pas­sen.

Die Tas­ta­tur hat na­tür­lich 10 Zif­fern­tas­ten und zwei zu­sätz­li­che ( # und *) die ich hier für En­ter/Cancel bzw. Yes/No be­nut­ze. Sie sind in ei­ner 3x4 Ma­trix an­ge­ord­net so dass zur Ab­fra­ge sie­ben Lei­tun­gen be­nö­tigt wer­den. Wir ver­wen­den drei Scan­lines (die nach­ein­an­der auf 0 ge­legt wer­den) und vier Re­turn­lines wel­che die Zu­stän­de der da­durch an­ge­spro­che­nen Tasten lie­fern.

Die Re­turn-Lines lie­gen nicht zu­fäl­lig an Port A (der auch den in­ter­nen AD-Con­vert­er hostet). Da­mit wer­den Stö­run­gen auf die Zeit be­grenzt, in de­nen tat­säch­­lich ei­ne Tas­te der Zeh­ner­tas­ta­tur ge­drückt ist und da­mit an den Ana­log­ein­gän­gen zeit­lich mi­ni­miert.

Sie wer­den al­le 10 ms im Timer In­ter­rupt ab­ge­fragt der gleich­zei­tig für die Ent­prel­lung der Tasten sorgt. Ein­fach aus­ge­drückt, wenn die Tasten nur al­le 30 ms ab­ge­fragt wer­den (drei Scan­lines × 10 ms) kön­nen sie auch 30 ms lang prel­len oh­ne dass es stört.
Dies ist die (aus Soft­wa­re­sicht) bil­ligs­te Me­tho­de der Ent­prel­lung, mit mi­ni­ma­ler CPU-Last und kleins­ter Code­grö­ße. Im In­ter­net ha­be ich Ar­ti­kel ge­fun­den, die aus Mehr­fach­scans mit deut­lich hö­he­rer Rate mit mehr oder we­ni­ger auf­wän­di­gen Al­go­rith­men den Tas­ten­druck er­ken­nen um Fehl-Er­ken­nun­gen durch Spikes zu ver­hin­dern. Nach mei­ner Er­fah­rung ist dies bis auf we­ni­ge Spe­zial­fäl­le (Tas­ta­tur re­la­tiv weit vom Con­trol­ler ent­fernt in EMV-ver­seuch­ter Um­ge­bung) un­nö­tig. Wenn Sie hier Pro­ble­me mit Spikes be­kom­men liegt ein Hard­ware-Pro­blem vor, das Sie lie­ber mit ei­nem bes­se­ren Lay­out, ge­eig­ne­ten Pull­up-Wi­der­stän­den oder 100 pF-Kon­den­sa­to­ren an den Re­turn-Lines lö­sen soll­ten! Wenn Sie hier nur die Tas­ta­tur per Soft­ware ent­prel­len ist es nur ei­ne Frage der Zeit bis ein an­de­res Si­gnal Pro­ble­me macht.

Lösen sie Hard­ware-Pro­ble­me mit Hard­ware und Soft­ware-Pro­ble­me mit Soft­ware! Hard­ware-Pro­ble­me mit Soft­ware zu lö­sen bringt meist nur zu­sätz­li­che Pro­ble­me.

Das Ab­fra­ge­inter­vall be­stimmt gleich­zei­tig auch die Re­ak­tions­zeit bzw. die ma­xi­ma­le Ein­ga­be­fre­quenz die hier et­wa 15 Hz be­trägt. Da Drü­cken und Los­las­sen der Tas­te je­weils ei­nen Scan er­for­dern er­gibt das ma­xi­mal 15 Tas­ten­drü­cke pro Se­kun­de. Das ist ein gu­ter Kom­pro­miss zwi­schen dem lan­gen Prel­len bil­li­ger Kon­tak­te und der ho­hen Tipp­rate ei­ner pro­fes­sio­nel­len Se­kre­tä­rin :-)

Die Ab­fra­ge-Rou­ti­nen wur­den um ei­ne Repeat-Funk­tion so­wie ei­nem Key Pressed Long-Event er­wei­tert. Al­le Funk­tio­nen kön­nen per #define ak­ti­viert wer­den, was mög­li­cher­wei­se ein paar zig Bytes Pro­gramm­spei­cher spa­ren kann. Be­ach­ten Sie: wenn sie das Key Pressed Long-Event nut­zen wol­len soll­ten kur­ze Tas­ten­drü­cke nur mit dem Key Re­leased-Event er­kannt wer­den um sie von lan­gen Tas­ten­drü­cken un­ter­schei­den zu kön­nen. Werfen Sie ei­nen Blick auf die Source-Code-Do­ku­men­ta­tion um ge­nau­e­res zu er­fah­ren.

Encoder

Der En­co­der er­gänzt in die­ser An­wen­dung die Tas­ta­tur für ein freund­li­ches User In­ter­face.

Als Dreh­ge­ber ha­be ich den ALPS STEC11B03 vor­ge­se­hen. Die De­co­die­rung ist ziem­lich ein­fach wenn man sich ein­mal ein paar Ge­dan­ken da­r­ü­ber macht wie so ein Ding funk­tio­niert und Dreh­ge­ber-Er­eig­nis­se wer­den als Tas­ten­drü­cke an die Haupt­schlei­fe wei­ter­ge­ge­ben. Der Druck­knopf des Dreh­ge­bers wird als <En­ter>-Tas­te ge­sen­det. Er könn­te na­tür­lich auch ei­nen spe­zi­el­len Tas­ten­code be­kom­men aber in die­ser An­wen­dung macht dies kei­nen Sinn.

USB-Schnittstelle

Die USB-Schnitt­stel­le wur­de mit ei­nem FTDI FT232RL re­a­li­siert, der sich schon mehr­fach zu­ver­läs­sig be­währt hat. Er er­mög­licht die ein­fa­che Um­set­zung ei­ner se­ri­el­len Schnitt­stel­le über USB auf ei­nen COM-Port am PC, den man wie­der­um mit ei­nem be­lie­bi­gen Ter­mi­nal­pro­gramm be­die­nen kann.

In ei­ner An­wen­dung wie die­ser, in der un­be­kann­te Strom­krei­se mit der Schal­tung ver­bun­den wer­den, ist es un­um­gäng­lich ex­ter­ne Schnitt­stel­len gal­va­nisch von der Schal­tungs­mas­se zu tren­nen. In der zwei­ten Ver­sion ha­be ich da­für den Analog De­vices ADuM 1201 ein­ge­setzt, der deut­lich bil­li­ger als der HPCL-0931 ist und für den auch von NVE ei­ne second source er­hält­lich ist. Die drei 150 kΩ-Wi­der­stän­de zie­hen die Schal­tungs­mas­se ge­gen die USB-Mas­se (i.d.R. ei­nem PC des­sen Mas­se ge­er­det ist) und ver­hin­dern so­mit ein Weg­drif­ten der Schal­tungs­mas­se z.B. durch sta­ti­sche Auf­la­dung und er­lau­ben doch ei­ne Po­ten­tial­dif­fe­renz von bis zu 600 V= (drei mal die ma­xi­mal zu­läs­si­ge Span­nung gän­gi­ger 1206-Wi­der­stän­de von 200 V oder der Span­nungs­fes­tig­keit des Kon­den­sa­tors, je nach­dem was eben ge­rin­ger ist). Der 2,2 nF-Kon­den­sa­tor ver­bin­det die bei­den Mas­sen HF-mä­ßig und schließt da­mit in­du­zier­te Stö­run­gen durch den Kopp­ler kurz.

Be­ach­ten Sie je­doch: Die Schal­tungs­mas­se ist, ge­nau­so wie die Front­plat­te, in je­dem Fall elek­trisch mit dem Mi­nus­pol der an­ge­schlos­se­nen Last ver­bun­den. Die­se darf auf kei­nen Fall auf ge­fähr­li­chem Po­ten­tial lie­gen um den Be­nut­zer nicht zu ge­fähr­den!

Analogteil

Stromquelle

Der Soll­wert wird von ei­nem 12-Bit DAC vor­ge­ge­ben. Des­sen Span­nung wird von ei­nem OP mit­tels des Span­nungs­ab­falls an ei­nem Sen­se-Wi­der­stand in ei­nen kon­stan­ten Last­strom um­ge­wan­delt. Um so­wohl klei­ne Strö­me als auch re­la­tiv gro­ße hin­rei­chend ge­nau dar­stel­len zu kön­nen wur­den zwei Sen­se-Wi­der­stän­de in Rei­he ge­schal­tet. Der grö­ße­re kann durch ei­nen MOSFET über­brückt wer­den. Die­ser führt na­tür­lich mit sei­nem R_DSon zu ei­nem Stell­feh­ler, der aber per Soft­ware aus­ge­re­gelt wer­den kann. Ge­mes­sen wird dif­fe­ren­tiell über dem je­weils ak­tu­el­len Sen­se-Wi­der­stand. Für den Fall des über­brück­ten, re­la­tiv hoch­oh­mi­gen Wi­der­stands kann die Schal­tung den Strom über dem Span­nungs­ab­fall an R23 mes­sen und an­hand der Span­nung über dem FET (gleich der Span­nung über R25) die Par­al­lel­schal­tung aus dem Ka­nal-Wi­der­stand des Fets und R25 be­rech­nen. Dies wird kon­ti­nu­ier­lich im Hin­ter­grund durch­ge­führt so dass auch Än­de­run­gen des Ka­nal-Wi­der­stan­des mit der Tem­pe­ra­tur oder durch Ex­em­plar-Streu­ung aus­ge­gli­chen wer­den kön­nen.

Durch die­sen zu­sätz­li­chen Schritt wird die Band­brei­te bei hö­he­ren Strö­men na­tür­lich et­was re­du­ziert.

Ver­su­che, Si­mu­la­tio­nen und Da­ten­blät­ter ha­ben ge­zeigt, dass als strom­re­geln­der Tran­sis­tor ein bi­po­la­rer Typ bes­ser ge­eig­net ist als ein MOSFET (und zu­dem bil­li­ger). Ein 40-Cent-TIP102 hat nicht nur kei­ne nen­nens­wer­te Ein­gangs­ka­pa­zi­tät, er ist auch im li­ne­a­ren Be­trieb ei­nem 2-Eu­ro-IRFP4110 (100 V/120 A!) in der SOA weit über­le­gen. Si­mu­la­tio­nen ha­ben al­ler­dings ge­zeigt, dass bei gro­ßen in­duk­ti­ven Kom­po­nen­ten der Quel­le die Sta­bi­li­tät durch Hin­zu­fü­gen ei­nes Kon­den­sa­tors zwi­schen Ba­sis und Emit­ter ver­bes­sert wer­den kann.

An­fäng­lich ver­such­te ich zu mei­ner Schan­de (oh­ne groß da­r­ü­ber nach­zu­den­ken) den TLC272 für die Strom­reg­lung ein­zu­set­zen (weil er nun mal bei uns im La­ger war...). Die­ser kann je­doch bis zu 10 mV Off­set auf­wei­sen was am 100 mΩ-Wi­der­stand auch 100 mA aus­macht (oder 3 mA am 3.3 Ω-Wi­der­stand) oder et­wa 75 LSBs des AD-Wand­lers! Die­ser Feh­ler könn­te zwar per Soft­ware im Rah­men der Ka­li­brie­rung aus­ge­gli­chen wer­den, es kann je­doch sein dass 0 mA nicht ein­ge­stellt wer­den kön­nen und auch bei 0-Vor­ga­be ein ge­wis­ser Min­dest­strom fließt, der Feh­ler kann eben auch +75 LSB sein und war es tat­säch­­lich auch bei ei­nem der bei­den Pro­to­ty­pen!

Des­halb tausch­te ich ihn ge­gen ei­nen Prä­zi­sions­ver­stär­ker vom Typ LT2078. Die­ser ist zwar deut­lich teu­rer, sein Off­set­feh­ler be­trägt je­doch ma­xi­mal 120 µV (ty­pisch 40 µV) und er kommt na­tür­lich mit Ein­gangs­span­nun­gen um 0 V zu­recht! Al­ter­na­tiv könn­te man na­tür­lich auch ei­nen OP mit Off­set-Ab­gleich neh­men aber mit den Zu­satz­kos­ten für den 20-Gang-Trim­mer und den ma­nu­el­len Ab­gleich... ist der auch nicht viel bil­li­ger, ab­ge­se­hen von dem zu­sätz­lich be­nö­tig­ten Platz auf der Lei­ter­plat­te. Mo­der­ne OPs kön­nen sol­chen Zu­satz­auf­wand re­la­tiv güns­tig eli­mi­nie­ren, wenn man sie rich­tig aus­wählt, in die­sem Fall heißt das: mög­lichst ge­rin­ge Off­set-Span­nung und ei­nem In­put Volt­age Ran­ge ab der ne­ga­ti­ven Ver­sor­gung (bes­ser noch, et­was da­r­un­ter). Der LT2078 macht das ganz gut.
Die Aus­wahl war den­noch nicht ein­fach. Ein LT1112 z.B. hat die glei­che Pin­be­le­gung, ei­ne sehr nied­ri­ge Off­set-Span­nung aber er kann nicht bis 0 V! Andere OPs kön­nen das, ha­ben aber ei­ne an­de­re Pin­be­le­gung! Es hat schon ei­ne Wei­le ge­dau­ert bis ich auf den LT2078 ge­kom­men bin, zu­mal ich auch noch ei­nen OP such­te, der re­la­tiv ein­fach er­hält­lich ist.

So ging ich schließ­lich im drit­ten Lay­out back to the roots und ver­wen­de­te den OP07. Die­ser klas­si­sche Ope­ra­ti­ons­ver­stär­ker hat den rich­ti­gen Drive selbst für hoch ka­pa­zi­ti­ve Gates von MOSFETs und es gibt zahl­rei­che (weit­ge­hend) pin­kom­pa­tib­le Al­ter­na­ti­ven zum Aus­pro­bie­ren. Selbst ein Trimm­poti zum Off­set-Ab­gleich ha­be ich vor­ge­se­hen, ob­wohl der OP07 auch oh­ne Ab­gleich ma­xi­mal 75 µV Off­set­feh­ler hat.

Temperaturmessung

Die Schal­tung ent­hält zwei Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren:

1. Ei­nen NTC auf der Lei­ter­plat­te. Er misst die Tem­pe­ra­tur in­ner­halb des Ge­häu­ses und kann be­nutzt wer­den um den Kon­trast des Dis­plays an­zu­pas­sen (bis­her nicht im­ple­men­tiert).
2. Ei­nen ex­ter­nen NTC der am Leis­tungs­tran­sis­tor plat­ziert ist und die Tem­pe­ra­tur des Kühl­kör­pers mes­sen kann. Er wird be­nutzt um ei­nen Ther­mal Shut­down aus­zu­lö­sen falls der Tran­sis­tor zu heiß wird. In die­sem Fall wird der Strom auf 0 ein­ge­stellt. Er kann je­der­zeit per Kom­man­do wie­der er­höht wer­den, wird je­doch so­fort wie­der auf 0 ge­setzt so­fern die Kühl­kör­per-Tem­pe­ra­tur zu hoch ist.

Ich ha­be mit NTCs im Schraub­ge­win­de ex­pe­ri­men­tiert, es zeig­te sich je­doch, dass de­ren ge­mes­se­ne Tem­pe­ra­tur er­heb­lich von der Wär­me­ab­lei­tung über die An­schlüs­se ab­hängt so dass ich mich letzt­lich für ei­nen NTC im Ka­bel­schuh ent­schied, der von oben auf den Tran­sis­tor und dem Kühl­kör­per mon­tiert wird. So misst er mög­lichst di­rekt die Tem­pe­ra­tur der Kühl­fah­ne (dem Tab) des Tran­sis­tors und ist so na­he am Chip wie ir­gend mög­lich.

Schutzbeschaltung

• Ei­ne 7,5 A-Si­che­rung schal­tet den Strom ab falls bei­spiels­wei­se durch Über­las­tung der strom­re­geln­de Tran­sis­tor T2 durchlegiert und da­mit kurz­schließt (so­fern die Quel­le ge­nug lie­fern kann...). Es wä­re sonst fa­tal wenn Sie ei­ne Au­to­bat­te­rie an­schlie­ßen und T2 ver­sagt! Die Soft­ware kann ei­ne durch­ge­brann­te Si­che­rung er­ken­nen wenn trotz an­lie­gen­der Span­nung kein Strom fließt. Sie zeigt dies auf dem Dis­play an. Falls die Si­che­rung durch­brennt hat dies ei­nen gu­ten Grund! Es reicht nicht, die Si­che­rung zu er­set­zen und zu hof­fen, dass al­les wie­der funk­tio­niert. Che­cken Sie den Leis­tungs­tran­sis­tor und die Schal­tung um ihn, ir­gend­wo muss ein Defekt vor­lie­gen.
  Die Si­che­rung vom Typ Littel­fuse FKS-80 kann 80 V bei bis zu 1000 A ab­schal­ten. 7,5 A ist der kleins­te Wert, der 4 A Dau­er­strom zu­lässt.
• Ei­ne 68 V-Transil-Di­ode ver­hin­dert un­zu­läs­sig ho­he Span­nun­gen an der Sen­ke. Die­se könn­ten durch­aus auch durch Schwin­gun­gen in­fol­ge in­duk­ti­ver Kom­po­nen­ten auf­tre­ten. Da­mit ist ei­ne Zer­stö­rung des Leis­tungs­tran­sis­tors durch Über­span­nung prak­tisch aus­ge­schlos­sen so dass die­ser zu­min­dest Tran­si­en­ten ge­gen­über als si­cher ge­schützt gel­ten kann. Falls er aber trotz­dem zer­stört wird (z.B. durch Über­hit­zung in­fol­ge zu ho­her Dau­er­last oder un­zu­rei­chen­der Küh­lung) und da­mit im Re­gel­fall kurz­schließt trennt ei­ne Si­che­rung die Quel­le von der Schal­tung. Dies pas­siert auch, wenn zu ho­he Span­nun­gen an­ge­schlos­sen wer­den, die zum Kurz­schluss der Transil-Di­ode füh­ren. Aller­dings ist in bei­den Fäl­len ih­re Eload ein Fall für den Ser­vice...
• Die Di­oden D20..D21 schüt­zen die Shunt-Wi­der­stän­de bei zu ho­hen Strö­men (die im Falle ei­nes kurz­schlie­ßen­den Tran­sis­tors auf­tre­ten kön­nen). Im Nor­mal­be­trieb fließt durch sie nur ein ver­nach­läs­sig­ba­rer Rest­strom der die Mes­sung prak­tisch nicht be­ein­flusst. Die Di­oden sind Gleich­rich­ter­di­oden die recht ho­he Im­puls­be­las­tun­gen ver­kraf­ten bis der Strom von der Si­che­rung ab­ge­schal­tet wird. Selbst wenn die Di­oden nicht über­le­ben, sie sind we­sent­lich leich­ter aus­zu­tau­schen als der Sen­se-Wi­der­stand, der beim Hand­lö­ten sehr leicht bricht.
• Da der Tran­sis­tor über Lit­zen mit der Schal­tung ver­bun­den ist ha­be ich noch die Di­oden D17..D19 hin­zu­ge­fügt. Sie schüt­zen bei falsch an­ge­schlos­se­nem Tran­sis­tor den OP vor Über­span­nung an sei­nem Aus­gang. Bei Ein­satz ei­nes FETs sind sie durch ei­ne 12 V-Ze­ner­di­ode zu er­set­zen, der FET braucht ja ei­ne hö­he­re Steu­er­span­nung.

Wie wahr­schein­lich ist es, dass die Schutz­di­o­den ei­nen Kurz­schluss über­le­ben? Nun, die Si­che­rung hat ein I²t von 44.5 A²s. Für die ES1D ist im Da­ten­blatt kein Grenz­last­in­te­gral an­ge­ge­ben. Ei­ne an­de­re Di­ode, die GL1M spe­zi­fi­ziert 3.6 A²s, al­so ge­ra­de mal ein zwölf­tel. Auch wenn drei Di­oden in Se­rie lie­gen, durch je­de von ih­nen fließt der glei­che Strom und da­mit das glei­che I²t! Die Über­le­bens­chan­ce ist al­so äu­ßerst ge­ring. Aller­dings sind die­se Bau­tei­le bil­lig und re­la­tiv ein­fach aus­zu­tau­schen.

Schutzdioden

An­fangs dach­te ich, Di­ode ist Di­ode. Doch ich führ­te Mes­sun­gen durch und sah be­trächt­li­che Un­ter­schie­de zwi­schen ver­schie­de­nen Ty­pen. Bei ca. 530 mV Vor­wärts­span­nung ha­be ich bei der ES1D et­wa 4 mA ge­mes­sen wäh­rend die BYM10-1000 bei un­ter 500 µA blieb! 500 µA sind je­doch im­mer noch 12 LSBs, des­halb die zwei in Rei­he, erst dann ist der Rest­strom für die Mes­sung ver­nach­läs­sig­bar und die Schutz­wir­kung trotz­dem ge­ge­ben.

Strommessung

Der Stell­wert für den Strom wird von ei­nem DAC von 0 bis et­wa 500 mV vor­ge­ge­ben.

Ge­mes­sen wird der Strom durch den ent­spre­chen­den Span­nungs­ab­fall an

• dem 3.3 Ω-Wi­der­stand R25 für klei­ne Strö­me (<160 mA) oder
• dem 100 mΩ-Wi­der­stand R23 für Strö­me bis ca. 4 A

Kleine Ströme

Strö­me bis et­wa 160 mA wer­den dif­fe­ren­zi­ell über den 3.3 Ω Sen­se-Wi­der­stand R25 ge­mes­sen. In der DAC-Ka­li­brie­rung wird da­bei R23 be­rück­sich­tigt so dass hier der Stell­vor­gang durch den DAC ziem­lich ge­nau den rich­ti­gen Wert trifft. In die­ser Kon­fi­gu­ra­tion ist die (Mess-) Auf­lö­sung et­wa 40 µA. Anders ist dies im an­de­ren Fall:

Große Ströme

Zum Ein­stel­len grö­ße­rer Strö­me wird R25 durch ei­nen FET über­brückt und der flie­ßen­de Strom dif­fe­ren­zi­ell über R23 ge­mes­sen. Der DAC kann da­bei den Wert nicht oh­ne wei­te­res ein­stel­len da der Ka­nal­wi­der­stand des FETs in Rei­he mit dem Sen­se-Wi­der­stand liegt. Die­ser liegt in der Grö­ßen­ord­nung des Sen­se-Wi­der­stan­des und ist Ex­em­plar- und Tem­pe­ra­tur­ab­hän­gig. Der Con­trol­ler kann je­doch den Strom mes­sen (durch dem Span­nungs­ab­fall an R25) und kann auch den Span­nungs­ab­fall über R25 mes­sen, der ei­ner Par­al­lel­schal­tung von R25 und dem Ka­nal­wi­der­stand ent­spricht und so den ak­tu­el­len Ka­nal­wi­der­stand be­rech­nen und in ei­nem zwei­ten Schritt kom­pen­sie­ren. Das wird der­zeit mit je­der Ein­stel­lung der Strom­vor­ga­be durch­ge­führt, d.h. beim ers­ten Ein­stel­len kann der Strom et­was da­ne­ben lie­gen, bei noch­ma­li­gem Ein­stel­len des glei­chen Wer­tes wird er aber ziem­lich ge­nau stim­men. Die Auf­lö­sung in die­ser Kon­fi­gu­ra­tion liegt bei et­wa 1.3 mA, der ma­xi­ma­le Strom bei 4 A (be­dingt durch die ma­xi­ma­le Ver­lust­leis­tung des Sen­se-Wi­der­stands von 2 W, es könn­ten tat­säch­­lich gut 5 A ein­ge­stellt wer­den).

Sollwert-Vorgabe

Der Soll­wert kann in 100 µA-Schrit­ten ein­ge­stellt wer­den. Dies ist un­ab­hän­gig vom ak­ti­ven Be­reich, auch wenn im Hoch­strom-Be­reich ei­ne Ver­än­de­rung um 100 µA häu­fig nicht in ei­ner tat­säch­­li­chen Ver­än­de­rung des Stro­mes en­det da ein DAC-Bit hier rund ei­nem mA ent­spre­chen. Dies wur­de zu­guns­ten der ein­fa­che­ren Firm­ware in Kauf ge­nom­men. Der Be­nut­zer soll­te sich der Gren­zen die­ser Schal­tung be­wusst sein. Der ge­mes­se­ne Strom wird je­doch stets mit der er­reich­ba­ren Mess­auf­lö­sung an­ge­zeigt.