Widerstandsmessgerät

Der folgende Eintrag richtet sich an alle Elektronik-Interessierten und Studienanfänger die ihre erlernten, theoretischen Kenntnisse in der Praxis umsetzen möchten um elementare Erfahrungen im Rahmen eines Projektes zu sammeln.

Ziele

Im Rahmen einer Ingenieurpraxis sollte ein Widerstandsmessgerät entstehen, bei dem folgende Aspekte zu berücksichtigen waren:

  • einfache Bedienung und Handhabung
  • Messung ohne lästige Kabel (was bei allen gängigen Multimetern nicht möglich ist)
  • sichere und einfache Arretierung des Widerstandes
  • Portabilität
  • Anzeige der Messwerte auf einem Display
  • Gehäusebau mittels 3-D Druck
  • Messgabweichung von unter 1%

 

Umsetzung

Die Steuerung und Versorgung des Messgerätes wird von dem Microcontrollerboard Arduino Leonardo übernommen. Dieses versorgt die komplette Schaltung mit 5V Versorgungsspannung und dient zur Steuerung von Schaltungselementen sowie zur Verarbeitung der Messdaten.

Da der Arduino der grundlegende Baustein für das Projekt ist, sollte man sich grundlegend und ausführlich über den Aufbau, die Funktionsweise und die Kenndaten informieren . Dies ist wichtig, um später bei Inbetriebnahme Fehler zu vermeiden, welche den Arduino möglicherweise beschädigen könnten.


Zur Entwicklung der Software für den Arduino gibt es eine eigene Entwicklungsumgebung die kostenlos im Internet bezogen werden kann. Der Umgang erweist sich als einfach und recht intuitiv. Grundlegende Programmierkenntnisse in C sind von Vorteil aber kein muss, da man sich schnell in die Materie einarbeiten kann.

Die Schaltung zur Widerstandsmessung wird in den folgenden Kapiteln genauer betrachtet und deren Funktionsweise in einzelnen Blöcken erklärt.

Das Gehäuse für das Messgerät wurde in Open SCAD designt und dann mit dem 3-D Drucker im daedalus Projektraum gefertigt. Da die meisten Leute keinen 3-D Drucker besitzen, wäre auch ein Gehäuse aus Holz oder anderen Werkstoffen möglich. 

 

Schaltung

Der nachfolgende Schaltplan zeigt das Endergebnis des Schaltungsentwurfs für das Messgerät.

 

 

 Konstantstromquelle 

Das Bild zeigt einen einfachen Aufbau einer Konstantstromquelle.

 

Zur Funktionsweise:

Über die Dioden fällt im Vorwärtsbetrieb jeweils eine Konstante Spannung ab die bei ungefähr 0,7V liegt. Dies bedeutet das insgesamt ca. 1,4 Volt über beide Dioden abfällt (kann je nach Diode etwas variieren). Über den 5k6 Widerstand fallen dann noch ca. 3.6V ab. Somit ist der Strom für den Operationsverstärker noch akzeptabel.

Das entscheidende ist, dass die Spannung über die beiden Dioden (ca. 1,4V) auch über den Widerstand, welcher mit VCC und dem Transistor verbunden ist, abfällt. Da die Spannung konstant ist und der Widerstand ebenfalls, wird ein konstanter Strom erzeugt. Dieser fließt dann über den Transistor durch den zu messenden Widerstand.

Der Operationsverstärker und der Transistor bilden einen Voltage-to-Current Converter. Im Schaltplan wird ein LM358 verwendet, welcher jedoch Stabilitätsprobleme verursachen kann. Besser ist zum Beispiel der LT1013DN8. Dieser wird identisch zum LM 358 beschalten ist aber  deutlich teurer.

Zu beachten ist die Polarität der Dioden, da sonst, bei falscher Polung, nur ein sehr kleiner Sperrstrom fließt. Außerdem muss darauf geachtet werden den Operationsverstärker, Transistor korrekt einzubauen. Bei Ungewissheit einfach die Datasheets der Bauteile durcharbeiten. Diese findet man im Internet.

Es werden mehrere verschiedene Widerstände verwendet, über die allesamt die gleiche Spannung abfällt (1,4V), um unterschiedlich große Ströme zu erhalten und somit die gewünschten Genauigkeiten bei den Messungen zu gewährleisten.

 

Multiplexer

 Mit dem Multiplexer kann zwischen verschiedenen Eingängen auswählt werden und diese auf den Ausgang durchschalten. So ist es möglich verschiedenen Ströme durch den zu messenden Widerstand zu schicken.

Je nach Größe des zu messenden Widerstandes fällt dann, laut Ohmschem Gesetz, eine Spannung ab, welche anhand der unterschiedlichen Ströme variiert.

 

 

 

 

 Bei dem hier verwendeten M74HC4051 kann zwischen acht verschiedenen Eingängen (Eingänge 0 bis 7) ausgewählt werden. Die Auswahl eines bestimmten Eingangs wird über drei Steuerungspins erreicht. Diese werden mit drei beliebigen Digitalen Pins des Arduino verbunden und können dann jeweils auf HIGH (entspricht 1) oder LOW (entspricht 0) gesetzt werden.

Bei der Betrachtung der drei Steuerungspins als dreistellige Binärzahl erhält man die Zahl 7, wenn alle Pins auf HIGH geschaltet sind, oder 0, wenn alle Pins auf LOW liegen. So werden je nach Steuersignal verschiedene Eingänge auf den Ausgang durchgeschaltet.

Weitere Informationen dazu gibt es dann bei der Erklärung des Codes!

 

Spannungsfolger und Messung

Der Spannungsfolger oder auch Impedanzwandler genannt wird durch einen nichtinvertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 1 realisiert.

Der Impedanzwandler kompensiert die hochohmige Last am Eingang des Arduino. Dies ist nötig da der Arduino einen verhältnismäßig kleinen Eingangswiderstand hat. Die Spannung (Messgröße) ändert sich dabei nicht.

Gemessen wird die Spannung, welche über den zu messenden Widerstand abfällt. Dazu wird der Ausgang des Spannungsfolgers mit einem analogen Eingang des Arduino verbunden. Über den bereits integrierten A/D-Wandler wird die Spannung in einem Bereich von 0 (entspricht 0V) und 1023 (entspricht 5V) dargestellt. Dies bedeutet aber, dass zur Berechnung des Widerstandes zuerst die Spannung von dem Digitalwert in Volt umgerechnet werden muss um, anschließend den Widerstand in Ohm oder kOhm auszugeben.

 

Display

Wenn die Ergebnisse nicht nur am PC angezeigt werden sollen (was die Mobilität des Messgerätes einschränkt) sollte zusätzlich noch ein Display vorhanden sein.

Zu diesem Thema gibt es jede Menge gute Tutorials im Internet. Es gibt viele verschiedene Displays (RGB´s, mit oder ohne Backlight, etc.), weshalb Unterschiede in Pinbelegung und der Programmierung vorhanden sind. Deshalb ist ein genaues Durcharbeiten der Datasheets nötig.

In diesem Projekt wurden ein 16x2 character LCD-Display mit Backlight verwendet (Displaytech 162A). Die Verkabelung mit dem Arduino gestaltet sich wie folgt:

 

 

Display Pin -> Arduino Pin:

  • 16                 ->       GND
  • 15                 ->       5V
  • 14                 ->       D7            
  • 13                 ->       D8
  • 12                 ->       D9
  • 11                 ->       D8
  • 6                   ->       D11
  • 5                   ->       GND
  • 4                   ->       D12
  • 3                   ->       10k POTI
  • 2                   ->       5V
  • 1                   ->       GND

 

Programmcode

Der Code, mit Kommentaren zum besseren Verständnis, ist als Anhang hinzugefügt!

Die Referenzströme müssen mit dem Multimeter genau bestimmt werden und können nicht übernommen werden, da sie je nach Schaltungsaufbau und verwendeten Bauteilen variieren. Gleiches gilt für die Spannungsbereiche in denen der Widerstand berechnet und angezeigt wird.

Zur Kalibrierung ist eine Messreihe durchzuführen, welche ein möglichst breites Spektrum an Widerständen abdecken sollte.

Es müssen mit dem Multimeter die Ströme exakt bestimmt werden. Außerdem muss ein passender Spannungsbereich eingestellt werden, sodass möglichst keine Überschneidungen zwischen zwei Bereichen auftreten. Dies erfordert durchaus etwas Gedult, ist aber unerlässlich wenn das Gerät sinnvoll funktionieren soll.

 

Bauteile und Kosten 

  • Arduino Leonardo von SainSmart       -------      ca.   16€
  • LCD-Display 162A                            -------      ca.   6,5€
  • LT 1013DN8                                     -------           2,75€
  • Multiplexer 74HC4051                       -------           0,37€
  • Pot-Trimmer                                     -------      ca.  0,2€
  • 8 Widerstände                                   -------     je 0,103€
  • Elko 100nF                                       -------     ca. 0,05€
  • 2 Dioden 1N4001                               -------     je   0,02€
  • PNP Transistor BC327-16                  -------           0,04€

 


Somit belaufen sich die Gesamtkosten für das Projekt, inklusive Arduino und Display auf ca. 25€ bis 30€.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Anhänge:
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