Die Komparatorschaltung.

Man braucht diesen Schaltungsteil nicht unbedingt zu bestücken, das Netzgerät funktioniert auch ohne ihn. Möchte man aber die Anstiegszeit von einem Stromstärkewert auf einen anderen nicht von Hand sondern mit einer elektronischen Stoppuhr messen, so ist er sehr von Vorteil.

Das nebenstehende Foto zeigt den Ausschnitt aus der Platine, mit der Komparatorschaltung. Sie entspricht in etwas dem, was ich in meinem LEU-Heft Ph19 "Messgerät für Stromanstiegsgeschwindigkeit" vor einigen Jahren schon einmal beschrieben habe. (Quelle: Landesinstitut für Schulentwicklung, Stuttgart). Die Werte der Bauelemente wurden wieder - anstelle eines Bestückungsplans - in das Foto eingetragen. Auch hier die Drahtbrücke nicht vergessen! Wo die LED angeschlossen ist (oberhalb des 74LS86), ist der Stoppuhr-Ausgang. Die ICs sind hier wieder gesockelt, alle "Kerben" zeigen nach unten. Die Versorgungsspannung von 5V wird mit Hilfe eines 7805 Spannungsreglers und eines 220 Ohm Widerstands aus der Hauptspannung des Geräts gewonnen. Man könnte sie auch mit einem separaten Netzteil erzeugen.

Funktionsweise der Komparatorschaltung.

Ganz links in der Schaltung sieht man die Endstufe des Netzgerätes mit dem 2N3055 Leistungstransistor und dem 0,15 Ohm Schutzwiderstand (es ist nur ein Leistungstransistor gezeichnet), der Helmholtz-Spule und dem Messwiderstand Rm.

Steigt die Versorgungsspannung der Helmholtz-Spule - und damit die Stromstärke in der Spule - linear an, dann steigt auch der Spannungsabfall am Messwiderstand Rm linear an, denn es gilt U(t) = Rm * I(t).
Mit der gewählten Dimensionierung beträgt die Spannung am Messwiderstand Rm bei I = 1A also 0,1V, bei I = 4,0A sind es 0,4V.

Diese Spannung wird über Widerstände von 100 kOhm den invertierenden Eingängen (-) von zwei Spannungskomparatoren LM311 zugeführt (vgl. Schaltbild). Diese Spannungskomparatoren vergleichen diese sich verändernde Spannung mit einer fest eingestellten Spannung, die am nicht-invertierenden Eingang (+) anliegt.

Mit der gewählten Kombination aus einem Vorwiderstand von 91 kOhm und einem Potentiometer von 10 kOhm, kann diese Festspannung zwischen 0V und 0,44V - dies entspricht einem Spulenstrom von 4,4 A - eingestellt werden.
Der Kondenstor von 100 nF dient der Glättung evtl. Brummspannungen.

Wie funktioniert die Komparatorschaltung nun?

Machen wir zum besseren Verständnis ein Beispiel:

Komparator 1 (unten):

Nehmen wir an, das Potentiometer des unteren Komparators ist auf eine Spannung von 0,2V eingestellt. Diese liegt am Pin2 (nicht-invertierender Eingang +) dieses Komparators an.
Die Stromstärke in der Helmholtz-Spule soll von 0A auf 4,0A zunehmen. Damit wächst auch die Spannung am Pin3 des Komparators (invertierender Eingang -) von 0V auf 0,4V (s.o.).

Zunächst sei die Stromstärke noch kleiner als 2,0A, damit ist die Spannung an Rm kleiner als 0,2V.
Die Spannung an Pin2 ist deshalb größer als die Spannung an Pin3.
Der Ausgang des Komparators (Pin7) liegt jetzt auf +5V, dafür sorgt der 2,2 kOhm Widerstand.

Übersteigt die Stromstärke 2,0A, dann wird die Spannung am Messwiderstand Rm größer als 0,2V.
Die Spannung an Pin3 wird jetzt also größer als die Spannung an Pin2 und der Komparator "kippt um", wechselt also am Ausgang auf 0V.

Das Ausgangssignal des Komparators wird zunächst in einem "Tiefpass" aus einem Widerstand von 1 kOhm und 0,47 Mikrofarad gefiltert. Er begrenzt Schwingungen, die im Umschaltbereich entstehen können. Danach wird das Signal mit zwei Schmitt-Trigger-Verstärkern in Form gebracht. Dazu werden zwei der sechs Schmitt-Trigger in einem IC 74LS14 verwendet.

Komparator 2: (oben)

Nun gibt es oben noch einen zweiten Komparator. Nehmen wir an, die Spannung an Pin2 dieses Komparators sei auf 0,3V eingestellt. Dann wird der Ausgang des oberen Komparators umkippen, wenn die Stromstärke in der Helmholtz-Spule 3,0A übersteigt.

Für unser Beispiel ergibt sich also folgende Situation:

Solange die Stromstärke unter 2,0A ist, ist bei beiden Komparatoren die am Potentiometer eingestellte Schwelle größer als die Spannung an Rm. Beide Ausgänge liegen auf 5V.
Übersteigt die Stromstärke 2,0A, so kippt der untere Komparator auf 0V um. Für den oberen Komparator ist die Schwelle von 0,3V aber noch nicht erreicht, sein Ausgang liegt nach wie vor auf 5V.
Wird die Stromstärke von 3,0A überschritten, kippt nun auch der obere Komparator um, und beide Komparatoren haben am Ausgang 0V.

Die Ansteuerung der Stoppuhr.

Die angeschlossene Stoppuhr soll laufen, wenn der Anstiegsbereich der Stromstärke zwischen 2,0A und 3,0A liegt, dies ist das "Fenster" des ausgewählten Bereiches. Mit anderen Worten, sie soll laufen, wenn der Ausgangspegel der beiden Komparatoren unterschiedlich ist.
Dabei spielt es dann auch keine Rolle, ob die Stromstärke zunimmt oder abfällt.

Die Auswertung der beiden Komparatorausgänge übernimmt ein EXOR-Gatter in einem IC 74LS86.
Der Pegel an seinem Ausgang kann folgender Wahrheitstabelle entnommen werden.

Einen Spannungspegel von 0V nennt man auch "low" (L), einen Spannungspegel von 5V nennt man auch "high" (H).

Mit dem Ausgang des EXOR-Gatters kann man direkt eine elektronische Stoppuhr steuern. Der Ausgangspegel entspricht dem, was auch elektronische Lichtschranken liefern. Ist der Ausgangspegel 5V, soll die Uhr laufen, ist er 0V soll die Uhr stoppen.
Dafür kann im Prinzip jede elektronische Stoppuhr verwendet werden.

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