{"id":1775,"date":"2025-09-10T12:04:41","date_gmt":"2025-09-10T10:04:41","guid":{"rendered":"https:\/\/elv001.staging.360vier.net\/?p=1775"},"modified":"2026-04-14T11:32:12","modified_gmt":"2026-04-14T09:32:12","slug":"exsb-midi-experimentierboard-spannungsversorgung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/exsb-midi-experimentierboard-spannungsversorgung\/","title":{"rendered":"EXSB-Midi Experimentierboard mit autarker Spannungsversorgung"},"content":{"rendered":"\n

EXSB-Midi Experimentierboard<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Experimentierboard mit autarker Spannungsversorgung<\/h1>\n\n\n\n

Das Experimentierboard EXSB-Midi<\/span> dient zum Aufbau von Experimentierschaltungen und arbeitet dabei v\u00f6llig unabh\u00e4ngig von einer externen Versorgungsspannung – dank integrierter Batterien. Diese generieren mittels Spannungswandler drei unterschiedliche Versorgungsspannungen von 3,3 V, 5 V und 9 V.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Infos zum Bausatz <\/h3>\n\n\n\n
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Das neue Experimentierboard EXSB-Midi<\/a> schlie\u00dft die L\u00fccke zwischen dem EXSB-Mini und dem EXSB1. Der entscheidende Vorteil ist die Spannungsversorgung \u00fcber zwei integrierte Batterien. Endlich ohne externe Spannungsversorgung arbeiten bzw. experimentieren! Die Batterien generieren mittels Spannungswandler drei unterschiedliche Versorgungsspannungen: 3,3 V, 5 V und 9 V. Ein weiteres Feature ist die Auto-Power-off-Funktion. Das Telefon klingelt oder es ist jemand an der T\u00fcr, und schon bleibt das Ger\u00e4t versehentlich eingeschaltet. Um die Batterien zu schonen, schaltet Auto-Power-off die Versorgungsspannung automatisch nach 15 Minuten ab. Nat\u00fcrlich kann diese Funktion bei Bedarf auch deaktiviert werden. Das relativ gro\u00dfe Steckboard mit seinen 1480 Kontakten bietet reichlich Platz – auch f\u00fcr den Aufbau gr\u00f6\u00dferer Schaltungen. Wenn Sie auf die Schnelle eine Schaltung aufbauen m\u00f6chten und keine passende Spannungsversorgung zur Verf\u00fcgung steht, liegen Sie mit diesem Board genau richtig. Es bietet gen\u00fcgend Platz f\u00fcr 2-reihige Schaltungslinien, die in der Mitte von einem Spannungsversorgungs-terminal unterbrochen sind.<\/p>\n\n\n\n

Bild 1<\/mark> zeigt, wie auch eine etwas gr\u00f6\u00dfere Schaltung mit einem Mini-Voltmeter-Modul<\/span> bequem Platz auf diesem Board findet; die \u00dcbersicht bleibt dabei erhalten. F\u00fcr unser Beispiel haben wir die bew\u00e4hrten ELV Bauteile im PAD-Format verwendet. Die ELV PAD-Prototypenadapter erm\u00f6glichen einen einfachen Aufbau, denn die Module passen auf alle ELV Experimentierboards. Kein Anpassen, keine Suche nach passenden Teilen, einfach loslegen!<\/p>\n\n\n\n

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Bild 1: Beispielschaltung mit einem Mini-Voltmeter-Modul auf dem EXSB-Midi<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Funktionen und Einstellm\u00f6glichkeiten<\/h2>\n\n\n\n

In Bild 2<\/mark> sind alle wichtigen Elemente des EXSB-Midi aufgezeigt und beschrieben. Auf der linken Seite ist die Elektronik untergebracht, wobei sich ein Teil davon unterhalb der Batteriehalter befindet. \u00dcber den Hauptschalter wird die Versorgungspannung ein- bzw. ausgeschaltet. Daneben befindet sich die Ausgangsbuchse, an der Sie die Spannungen 3,3 V, 5 V und 9 V entnehmen k\u00f6nnen. Die Anschl\u00fcsse GND sind alle miteinander verbunden und stellen den Minuspol der Ausgangsspannung dar.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 2: Die Bedienelemente des EXSB-Midi<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Mit dem kleinen Schiebeschalter k\u00f6nnen Sie die Auto-Power-off-Funktion aktivieren bzw. deaktivieren. Ist die Funktion aktiviert, schaltet der Timer nach 15 Minuten das EXSB-Midi ab. Im Lieferumfang ist auch eine sogenannte Br\u00fcckenplatine enthalten, mit der Sie die drei Spannungsterminals bei Bedarf verbinden k\u00f6nnen (Bild 3)<\/mark>. Die Br\u00fcckenplatine kann an einer beliebigen Stelle platziert werden.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 3: Ansichten der Br\u00fcckenplatine<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Schaltung<\/h2>\n\n\n\n

Da die Ausgangsspannung gr\u00f6\u00dfer als die Batterieeingangsspannung ist, muss diese hochtransformiert werden. Im Schaltbild (Bild 4) <\/mark>ist zu erkennen, dass f\u00fcr jede Ausgangsspannung ein Step-up-Wandler, auch Boost-Converter genannt, vorhanden ist. F\u00fcr die beiden Ausgangsspannungen 3,3 V und 5 V sind dies die Wandler U1 und U4 vom Typ MAX17225<\/a>. Die 9-V-Ausgangsspannung wird mit U5 vom Typ TPS61040<\/a> generiert. Eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise eines Step-up-Wandlers finden Sie hier<\/a>.

Schauen wir uns zun\u00e4chst den Spannungsverlauf beginnend mit der Batteriespannung im Detail an. Die Batteriespannung (2x 1,5 V\/AAA-Batterie) gelangt zun\u00e4chst auf einen speziellen Sicherungswiderstand RT1, der einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC – Positive Temperature Coefficient) besitzt. Der PTC ist reversibel, d. h., bei \u00dcberlastung erh\u00f6ht sich der Widerstand und begrenzt so den Strom. Ist die \u00dcberlastung nicht mehr vorhanden, k\u00fchlt der PTC ab und nimmt wieder seinen Kaltwiderstand (ca. 1 \u03a9) an.<\/p>\n\n\n\n

Der nachfolgende Hauptschalter S1 (Ein\/Aus) ist 2-polig ausgef\u00fchrt. \u00dcber S1A gelangt die Batteriespannung zum Transistor Q1, der zusammen mit Q2 einen elektronischen Schalter bildet, der durch ein Low-Signal an den beiden zusammengef\u00fchrten Gate-Anschl\u00fcssen leitend wird. Der zweite Schalterpol S1B generiert beim Einschalten einen kurzen Spannungsimpuls, mit dem der elektronische Schalter aktiviert und der Auto-Power-off-Timer zur\u00fcckgesetzt wird.<\/p>\n\n\n\n

Schauen wir uns an, was genau passiert, wenn der Schalter S1 von der Stellung \u201eAus“ in die Stellung \u201eEin“ gebracht wird. Wie schon erw\u00e4hnt, liegt an Q1 jetzt die Batteriespannung an. Im Normalfall sind Q1 und Q2 noch nicht leitend. Im Einschaltmoment wird mit S1B \u00fcber R13 und C12 ein kurzer Spannungsimpuls generiert, der daf\u00fcr sorgt, dass der Transistor Q4 leitend wird. Die Kollektor-Emitter-Strecke von Q4 legt die beiden Gate-Anschl\u00fcsse von Q1 und Q2 an Masse (Low Potential), woraufhin dieser elektronische Schalter leitend wird. Die Schaltung wird nun, wenn auch nur kurzfristig, mit Spannung versorgt. Entscheidend ist nun die Funktion des Auto-Power-off-Timers, der im Wesentlichen aus dem Z\u00e4hlerbaustein U2A besteht. Das Datenblatt des CD4060<\/a> kann hier<\/a> heruntergeladen werden.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 4: Schaltbild des EXSB-Midi<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Im Blockschaltbild Bild 5<\/mark> ist das Innenleben des CD4060 dargestellt. Es handelt sich um einen Bin\u00e4rz\u00e4hler mit 14 Stufen mit einem integrierten Oszillator. Sobald dieser Baustein mit Spannung versorgt wird, startet der interne Oszillator, dessen Frequenz bei ca. 10 Hz durch die Bauteile R11, R14 und C10 bestimmt wird. Diese Basisfrequenz wird durch 14 hintereinander geschaltete Flip-Flops heruntergeteilt. Jedes Flip-Flop sorgt f\u00fcr eine Teilung durch 2. Bei 14 Stufen ergibt sich so ein Teilerverh\u00e4ltnis von 214 (16384) am Ausgang Q14. Im Normalfall, also nach einem Reset, liegt der Q14-Ausgang (Pin 3) auf Low Potential. Durch die Teilung der Oszillatorfrequenz mit dem Teilungsverh\u00e4ltnis von 16384 wechselt der Q14-Ausgang nach 15 Minuten auf High Potential. Diese Funktion nutzen wir als Auto-Power-off-Timer. Der Q14-Ausgang f\u00fchrt zum Transistor Q3. Beim einem Low-Pegel an der Basis wird der Transistor Q3 leitend und steuert den Transistor Q4 an, der wiederum die beiden Gate-Anschl\u00fcsse von Q1 und Q2 ansteuert (auf Massepotential legt). Nun schlie\u00dft sich der Kreis, und wir haben eine sogenannte Selbsthaltung realisiert.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 5: Blockschaltbild des CD4060 (Quelle: www.st.com)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Sobald Q14 (Pin 3) des CD4060 auf High Potential wechselt (dies geschieht nach ca. 15 Minuten), sperrt der Transistor Q3 und die Selbsthaltung wird aufgehoben – die Spannungsversorgung wird unterbrochen. Ein erneutes Aus- und Wiedereinschalten mit dem Schalter S1 erzeugt \u00fcber C13 einen kurzen Spannungsimpuls an Pin 12 (Reset) des CD4060, der den Z\u00e4hler zur\u00fccksetzt. Zum Deaktivieren der Auto-Power-off-Funktion wird der Reset-Eingang mit dem Schalter S2 auf High Potential gelegt. Hierdurch bleibt der Q14-Ausgang dauerhaft auf Low Potential, und es findet keine automatische Abschaltung statt.

Kommen wir nun zu den eingangs beschriebenen Spannungswandlern, die sich im rechten Teil des Schaltbilds befinden. Vom elektronischen Schalter Q1\/Q2 gelangt die Batteriespannung \u00fcber das Entst\u00f6rfilter C3\/L1\/C2 parallel auf die drei Spannungswandler. Die Ausgangsspannung des Step-up-Wandlers U1 ist mit dem Widerstand R6 auf eine Spannung von 3,3V eingestellt. Wie man mithilfe des Eingangs \u201eSEL\u201d die Ausgangsspannung konfiguriert, ist im Datenblatt<\/a> erkl\u00e4rt.

Es ist noch zu erw\u00e4hnen, dass der MAX17225 keine sonst \u00fcbliche Freilaufdiode besitzt, denn es handelt sich hier um einen synchronen Wandler, bei dem die Freilaufdiode durch einen internen MOSFET-Schalter ersetzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Verlustleistung, die \u00fcblicherweise an der Freilaufdiode entsteht, minimiert wird und somit die Effizienz steigt.

Da jeder Schaltregler mit einer bestimmten Schaltfrequenz arbeitet, entstehen unweigerlich auch unerw\u00fcnschte St\u00f6rsignale. Um diese St\u00f6rsignale zu minimieren, gelangt die Ausgangsspannung vom Step-up-Wandler \u00fcber die beiden Filterspulen L2 und L3 auf die Ausgangsklemme J1. Die Spulen L2 und L3 bilden zusammen mit den Kondensatoren C8 und C9 ein 2-stufiges Tiefpassfilter.

Der zweite Spannungswandler U4 ist im Prinzip identisch aufgebaut, mit dem Unterschied, dass der Pin 4 (SEL) direkt an Masse geschaltet ist, wodurch sich eine Ausgangsspannung von 5 V ergibt. Auch hier gibt es ein Entst\u00f6rfilter am Ausgang (L5\/L6).

Der untere Step-up-Wandler U5 (TPS61040) ist f\u00fcr die Ausgangsspannung von 9 V zust\u00e4ndig. Dieser Wandler arbeitet klassisch mit einer Freilaufdiode (D2). Die Ausgangsspannung wird \u00fcber das Verh\u00e4ltnis der beiden Widerst\u00e4nde R16 und R18 eingestellt. Am Feedback-Eingang FB stellt sich bei korrekter Funktion eine Spannung von 1,233 V ein. Ein Datenblatt mit einer detaillierten Beschreibung des TPS61040 findet sich hier<\/a>.

Schauen wir uns nun an, wie die Low-Bat.-Anzeige funktioniert. Beim Unterschreiten einer definierten Batteriespannung soll eine LED aufleuchten. F\u00fcr diese Funktion verwenden wir einen sogenannten Shunt-Regler vom Typ LMV431<\/a> (U3). Von der Grundfunktion her ist dieser Baustein daf\u00fcr gedacht, eine genaue Referenzspannung zu erzeugen. Ein Blick in das Datenblatt zeigt die vielf\u00e4ltigen Applikationsbeispiele des LMV431, so auch den Einsatz als \u201eVoltage-Monitor“.

Zum besseren Verst\u00e4ndnis zeigt Bild 6<\/mark> den Schaltungsteil aus unserem Schaltbild mit eingezeichnetem Blockschaltbild des LMV431. Die Funktion ist folgenderma\u00dfen: Die Batteriespannung wird mit dem Spannungsteiler R9\/R12 in einem solchen Verh\u00e4ltnis heruntergeteilt, dass sich bei einer Batteriespannung von 2,3 V (Schwellwert f\u00fcr Low Bat.) eine Spannung von 1,24 V am Anschluss \u201eRef“ des LMV431 ergibt.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 6: Low-Bat.-Erkennung mit einem LMV431<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Um die Schaltung verstehen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen wir uns die Funktion des LMV431 genauer anschauen. Eine interne Spannungsreferenz von 1,24 V ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverst\u00e4rkers verbunden. Der Ausgang steuert einen NPN-Transistor, dessen Kollektor zugleich mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Dieser Anschluss wird als Katode bezeichnet. Wir nutzen den LMV431 als Komparator, da keine R\u00fcckkopplung vom Ausgang zum Eingang besteht. Sinkt die Spannung am Eingang \u201eRef\u201d unter die interne Referenzspannung von 1,24 V, geht der Ausgang des Operationsverst\u00e4rkers auf Low Potential. Durch den internen Transistor findet eine Invertierung statt, und die Spannung am Anschluss \u201eKatode“ steigt. Hierdurch wird der Transistor Q5 angesteuert, und die LED (DS1) leuchtet. Dies signalisiert dem Anwender, dass die Batteriespannung unter die kritische Marke von 2,3 V abgefallen ist und ein Batteriewechsel notwendig wird.<\/p>\n\n\n\n

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Nachbau<\/h2>\n\n\n\n
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Der Nachbau gestaltet sich recht einfach, da es sich um einen sogenannten ARR-Bausatz handelt. Das K\u00fcrzel ARR steht f\u00fcr \u201eAlmost Ready to Run“, was bedeutet, dass die Schaltung fast fertig aufgebaut ist und mit sehr geringem Aufwand fertiggestellt werden kann. Diese Arbeiten kommen in der Regel ohne zus\u00e4tzliche Werkzeuge aus, und es sind keine L\u00f6tarbeiten notwendig.

In unserem Fall muss lediglich das Steckboard auf die Platine aufgeklebt werden. Hierbei ist auf die korrekte Einbauposition zu achten. Die Position sollte so wie in Bild 7<\/mark> dargestellt verwendet werden, also so, dass Pin 1 auf der rechten Seite ist. Von der Funktion her ist es egal, wie herum man das Board aufklebt. F\u00fcr sp\u00e4tere Anwendungsbeispiele ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Nummerierung einheitlich ist.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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