Amplitudenmodulation mit dem OTA LM13700

Dies ist der zweite Elektronik-Minikurs zum Thema Operational-Transconductance-Amplifier (OTA), eine Alternative zum Operationsverstärker (Opamp). Ein Allrounder unter den OTAs ist der LM13700. Wenn auch schon älter, so ist er trotz moderneren OTAs noch immer gut erhältlich. Für Anwendungen bis zum mittleren 100-kHz-Bereich kann man ihn, je nach Art der Anwendung, gut einsetzen.

Im ersten OTA-Elektronik-Minikurs ging es um eine Anwendung als Dynamiklimiter für analoge Audiosignale. In diesem Minikurs geht es um die Amplitudenmodulation in der Funktion als kleiner Mittelwellensender mit geringer Reichweite bis etwa 10 Meter, z.B. als Demonstration für den schulischen Einsatz. Die Schaltung dient aber ebenso um den OTA praxisorientiert kennen zu lernen. Es kann auch zu weiteren Experimenten anregen, was auch beabsichtigt ist. Ist man am OTA nicht und nur an der Amplitudenmodulation für den Sendezweck interessiert, gibt es auch andere Wege die nach Rom führen. Eine solche Möglichkeit wird vorgestellt. In diesem Minikurs gilt die Aufmerksamkeit dem OTA LM13700, in dessen Datenblatt es 30 unterschiedliche anregende Application-Notes gibt. Viel Spass!

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Synchronisation mit dem 230-VAC-Sinus-Nulldurchgang

Nach vier Jahren wieder mal ein kleines Update zum vorliegenden Elektronik-Minikurs. Neues ist nicht dazu gekommen. Aber beim Text mit Bild wurde einiges ergänzt und verbessert. Z.B. ist deutlicher hervorgehoben, worauf es ankommt, dass die Flanke eines Steuerimpulses mit dem Nulldurchgang der Sinusspannung des 230VAC-Netzes synchron verläuft und dies möglichst ohne unerwünschte Phasenverschiebung und trotzdem möglichst befreit von Störspannungen, welche der 230VAC-Netzspannung überlagert sind. Es gibt auch so genannte Rundsteuersignale die der 230VAC-Netzspannung überlagert sind. Auch das ist ein Problem zu dem es Lösungen gibt. Zu den Rundsteuersignalen gibt es entsprechende Grundlagen via Web.

Betreffs Phasenstabilität zeigt sich, dass die Referenzierung mit der Sekundärspannung eines Trafos, die zur Speisung der Schaltung dient, oder man verwendet dazu einen kleinen Zusatztrafo, die Stabilität des Phasenzustandes ist unsicher. Am Besten funktioniert es mit einer Direktnutzung der Netzspannung und diese dient direkt auch zur Niedervoltspeisung der Schaltung. Das geht mit Vorwiderstand, Elko und Z-Diode, weil der Stromverbrauch im untersten mA-Bereich niedrig genug und deshalb die Verlustleistung minimal ist.

Ein weiteres Thema zeigt, was bei gewissen Operationsverstärkern passiert und welche Folgen es haben kann, wenn eingangsseitig der Common-Mode-Bereich überschritten wird. Das ist grundsätzlich auch dann möglich, wenn ein solcher Opamp als Komparator benutzt wird. Speziell in diesem Fall eignet sich vor Übersteuerung ganz leicht den Einsatz von antiparallel geschalteten Dioden am Eingang.

Weitere Themen sind der Latchup-Effekt, der Unterschied zwischen Phase und Inversion bei der Verwendung eines aktiven Tiefpassfilter mit präziser Phasenverschiebung von 180 Grad.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung – Theorie und Praxis

Dieser Elektronik-Minikurs besteht aus zwei Teilen, bzw. aus zwei Links. Der erste Teil befasst sich damit, dass man keine kostspieligen Rail-to-Rail-Opamps benötigt, wenn man auf der Leitung der positiven Betriebsspannung den Strom detektieren möchte mittels eines Opamp in der Funktion als Komparator. Ein echter Komparator käme auch in Frage, ist aber nicht nötig. Warum dies möglich ist, liest man ausführlich im Theorie-Teil. Ebenso wird angedeutet, dass dies auch für eine negative Betriebsspannung gilt. Der Unterschied der verwendbaren Lowcost-Opamps liegt in deren Eingangsbeschaltung. Soviel zur kurzen Einleitung…

Die letzten Updates der beiden Teile Theorie und Praxis vom Januar und Februar 2018 wurden nochmal überarbeitet und mit ein paar zusätzlichen Links erweitert, um das Lesen zu erleichtern. Man beachte das Titelbild. Neu ist eine weitere Möglichkeit für den Stromsensor mit einer stabilen einstellbaren Referenzspannung. Als Basis, an Stelle einer Konstantstromquelle in Teilbild 2, dient in Teilbild 3 eine Bandgap-Spannungsreferenz BG.

Teilbild 4 zeigt in Kürze die „Elektronische Sicherung“ mit Relais oder Power-MOSFET. Was sich wozu besser eignet, liest man und ebenso was der ominöse neu eingefügte Widerstand mit dem ?-Zeichen bedeutet. Was soll ein Widerstand zum Eingang eines CMOS-Gatter, der eh schon extrem hochohmig ist? So hochohmig ist er aber nur, wenn alles „rund“ läuft. Wenn nicht, dann kann es dem NAND-Gatter IC:B1, bzw. dem ganzen IC ziemlich schlecht gehen ohne diesen ?-Widerstand.

Freiwillige Hausaufgabe: Erst selbst herausfinden, wozu es diesen ?-Widerstand (R15) benötigt, bevor man es liest im Praxisteil (Teil II). Vielen Spass. Kleiner Hinweis, man muss gewisse Kriterien von integrierten CMOS-Schaltungen kennen…

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung – Theorie

Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung – Praxis


Frequenz-Verdoppler mit EXOR-Gatter

Das Thema hier ergänzt und erweitert den Grundlagen- und Anwendungskurs zum Thema EXOR-Logik. Im April 2016 ging es darum, dass ein Motorradfahrer mit einer einzigen LED den linken und rechten Blinker überwachen wollte. Er bat mich um Unterstützung. Es folgte zunächst ein Lösungsvorschlag mit den integrierten CMOS-EXOR-Gattern CD4070B oder CD4030B. Dazu gehörig ein nicht geringer Aufwand betreffs Überspannungsschutz. Alternativ dazu realisierte ich eine diskrete EXOR-Schaltung mit vier bipolaren Transistoren (BJT) und geringerem Gesamtaufwand.

In diesem Elektronik-Minikurs geht es um die eigentlich gut bekannte Schaltung, wie man mit einem EXOR-Gatter einen einfachen digitalen Frequenzverdoppler realisiert. Für relativ hohe Frequenzen funktioniert das problemlos. Bei niedrigen Frequenzen zeigen sich dann unerwünschte Schwingungen, wenn die Flanke des verzögerten Eingangssignales nicht steil genug ist. Dann müsste man EXOR-Logik haben mit Schmitt-Trigger-Eigenschaften. Dies gibt es jedoch nicht. Aber es gibt die alternative EXOR-Lösung mit NAND-Gattern und davon gibt es solche mit Schmitt-Trigger-Eigenschaften. Siehe Titelbild oben links.

Will man mit wenig Aufwand untersuchen, wie es zur unerwünschten Oszillation kommt, wird dies genau erklärt. Die Schaltung dazu ist ganz einfach, angedeutet oben rechts im Titelbild. Will man eine EXOR-Frequenzverdopplung im höheren, für CMOS zulässigen, Frequenzbereich, geht dies auch ohne RC-Glied durch den Einsatz freier EXOR-Gatter. Mit einem Gatter erhält man eine Impulsdauer von etwas 50 ns, wenn zwei sind es 100 ns und mit drei 150 ns. Eine kleine Experimentierschaltung im Titelbild unten rechts zeigt es.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Renovation eines „Steinzeit“-Netzgerätes 0.1 – 10 VDC / 3A

Es ist ein Netzgerät aus den 1980er-Jahren mit einstellbarer Ausgangsspannung zwischen 0.1 und 10 VDC mit einem maximalen Strom von 3 A. Die Strombegrenzung ist mittels Trimmpoti genau kalibrierbar im Bereich dieser 3 A. Was den Leistungstransistor betrifft, arbeitet dieser im Low-Dropout-Modus, wenn die Spannungsdifferenz knapp ist. Mit einem Trimmpoti kann man die maximale Ausgangsspannung definieren, die man mit dem Poti auf der Frontplatte einstellen kann. Damit lässt sich vermeiden, dass z.B. TTL- oder HCMOS-Versuchsschaltungen durch zu hohe Betriebsspannung zerstört werden. Eine LED zeigt an, wenn der maximale Strom erreicht ist und die Spannungsregelung nicht mehr korrekt arbeitet. Die leicht überarbeitete Schaltung erhielt eine alternative preiswertere Referenzspannungsquelle, die man bei nicht extremer Anforderung als Referenz- und Betriebsspannung für die interne Schaltung einsetzen kann. Dies macht den allfälligen Nachbau etwas preisgünstiger. Diese Quelle arbeitet nach dem Bandgap-Prinzip. Auch ohne Interesse an einem Nachbau bietet diese Schaltung einiges.

Man kann bei einer Revision auch eine alternative Schaltung mit hoher Integrationsdichte anstreben. Es gibt dafür integrierte lineare Spannungsregler mit hoher Leistung und so spart man Bauteile. Wirtschaftlich betrachtet, ist dies oft der richtige Weg. Hier im Elektronik-Kompendium und in meinen Elektronik-Minikursen geht es um praxisbezogenes Erlernen von elektronischer Schaltungstechnik. In diesem Minikurs richtet sich der Fokus auf das Studium betreffs der Spannungsregelung, Strombegrenzung (ist auch eine Regelung), eine veränderte angepasste Darlingtonschaltung und wie realisiert man eine einfache Überlastanzeige. Interessant und lehrreich für den Elektronik-Bastler, Elektronik-Azubi und für den werdenden Elektro-Ingenieur. Mit dem praktischen Umgang von Transistoren, Dioden, Opamps als Verstärker und Komparator, Spannungsregler und passiven Bauteilen, gewinnt man an nützlicher Erfahrung.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Einschaltstrombegrenzung für Netzteile mit mittelgrossen Ringkerntrafos

Verwendet man nur schon mittelgrosse Ringkerntrafos im unteren 100-VA-Bereich, gibt es Probleme. Ohne Begrenzung des Einschaltstromimpulses ist das Einschalten bei korrektem Stromwert einer superträgen Schmelzsicherung im Primärkreis unmöglich. Bei einem solchen Ringkerntrafo müsste eine superträge Schmelzsicherung mit einem überhöhten Stromwert, also deutlich höher als der primäre Trafo-Nennstrom, eingesetzt werden. Damit ist allerdings der Trafo bei Überlast unzureichend geschützt. Die thermische Auswirkung davon kann gefährliche Folgen haben. Auch wenn man diesen Trick noch so oft in elektrischen oder elektronischen Geräten sieht, er ist nicht erlaubt. Man beachte das Titelbild für den weiteren Text.

Bilder 1 und 2: Die leider immer wieder gezeigte Schaltung mit einem  vorgeschalteten Leistungswiderstand zur Primärwicklung, der nach einer kurzen Verzögerungszeit mittels Relaiskontakt überbrückt wird, ist ebenfalls untauglich. Warum das so ist, ist genau beschrieben und auch warum es mit einem Leistungs-NTC, so genannter Heissleiter, erlaubt ist und warum trotzdem die zeitverzögerte Überbrückung des NTC mittels
Relaiskontakt vorteilhaft und empfehlenswert ist.

Bild 3: Kommen grosse Ringern- oder auch andere Trafos im kVA-Bereich zum Einsatz, empfiehlt sich eine ganz andere Methode. Während der Einschaltphase wird der Eisenkern vormagnetisiert. Danach folgt beim vollen Einschaltvorgang die erste Sinushalbwelle in entgegengesetzter Richtung zur vorherigen Richtung der Vormagnetisierung. Dies vermeidet die Eisenkernsättigung. Wie das funktioniert erläutert ein Artikel mit dem Titel „Sanfter Start durch Vormagnetisierung“ (Firma EMEKO).

Den Link zur Webseite der Firma EMEKO hatte ich wegen Renovation temporär ausgeschaltet. Nun ist der Link wieder aktiv mit zusätzlichen Informationen. Die für den Minikurs wichtigen Inhalte habe ich gelesen und neu als Link reingestellt. Diese Informationen zu lesen sind auch interessant und lehrreich wenn man keinen Bedarf hat ein Produkt zu kaufen. Das ist meine einzige Motivation, warum ich EMEKO in diesem Elektronik-Minikurs erwähne. Es ist selbstverständlich für den Eigenbedarf nicht verboten, selbst eine Schaltung zu realisieren, die nach dem selben Prinzip der Vormagnetiesierung arbeitet. Eine gute praktisch Übung wäre dies auf jeden Fall. Eine Schaltung kann man mit Fug und Recht bei EMEKO nicht herunterladen. Dies wäre ja auch nicht der Sinn der Übung…

Bild 2: Benötigt man für isolationskritische medizinische Anwendungen einen mittelgrossen Ringkernrafo, gilt ebenfalls die NTC-Relais-Methode als die geeignete Wahl. Dies allerdings mit dem Unterschied, dass, wegen der galvanisch sicheren Trennung, die NTC/Relais-Steuerung nur auf der Primärseite des Trafo erfolgen darf. Zum Einsatz kommt ein kleines Kondensator-Netzteil (C-Netzteil).

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung, Teil I und II

Dieser Elektronik-Minikurs besteht aus zwei Teilen, bzw. aus zwei Links. Der erste Teil befasst sich damit, dass man keine kostspieligen Rail-to-Rail-Opamps benötigt, wenn man auf der Leitung der positiven Betriebsspannung den Strom detektieren möchte mittels eines Opamp in der Funktion als Komparator. Ein echter Komparator käme auch in Frage, ist aber nicht nötig. Warum dies möglich ist, liest man ausführlich im Theorie-Teil. Ebenso wird angedeutet, dass dies auch für eine negative Betriebsspannung gilt. Der Unterschied der verwendbaren Lowcost-Opamps liegt in deren Eingangsbeschaltung. Man beachte das Titelbild vor dem Weiterlesen…

Bild 1: Wenn der Strom von +Ue via Rs nach +Ua so klein ist, dass die Spannung über Rs niedriger ist als die Flussspannung der Schottky-Diode SD, erzeugt Opamp A an Uc eine Spannung von beinahe 0V (GND). Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn der Strom soweit ansteigt, dass die Spannung über Rs die Flussspannung von SD überschreitet. Da schaltet Uc auf beinahe +Ue. Diese Logik-Steuerspannung Uc (c = control) eignet sich grundsätzlich für beliebige Anwendungen. Hier geht es um eine elektronische Sicherung.

Bild 2: Nachteilig in Bild 1 ist, dass die Spannungsreferenz nicht deutlich niedriger ist als die Flussspannung von SD (~0.2V), weil bei der Detektion eines hohen Stromwertes setzt es für Rs einen Leistungswiderstand voraus. Dazu kommt, dass  die Spannung +Ua deutlich stromabhängig ist und der Maximalstrom ist nicht einstellbar. Abhilfe schafft die einfache Konstantstromquelle aus R1, R2, T und LED. Die Temperaturdrifts von T und LED kompensieren sich ausreichend genug für diese Anwendung, jedoch nicht für eine präzise Strommessung. Mit dem Trimmpot P kann man die Schaltschwelle (maximaler Strom) calibrieren. Mit dieser Methode kann man leicht im 10-mV-Bereich verlustarm arbeiten. NEU: Es wird abschliessend in Teil 2 noch eine alternative Lösung mittels Bandgap-Referenzspannung vorgestellt.

Bild 3: Hier kommt die Stromsensor-Schaltung von Bild 2 mit dem Unterschied zum Einsatz, dass die Eingänge von Opamp A vertauscht sind. Uc ist beinahe +Ub im Betriebszustand und wird beinahe 0V (GND) zum Auslösen der Sicherungsfunktion. Das Relais unterbricht den Stromkreis. Nach der Beseitigung von Überlast oder Kurzschluss an +Ua, setzt man mit der Taste EIN die Schaltung wieder in Betrieb und das Relais schaltet ein. Anstelle eines Relais ist NEU! auch ein Power-MOSFET eine Option. Dazu und alles Andere (z.B. dimensionierbare Trägheit), detailliert beschrieben, in den folgenden beiden Links. Man beginnt mit den theoretischen Grundlagen in Teil 1 und man fährt fort mit der praktischen Anwendung in Teil2.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Der Transistor-LED- und der FET-Konstantstromzweipol

Der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses wurde erweitert und gewisse Teile davon differenzierter beschrieben. Ein Konstantstromzweipol hat, wie die Bezeichnung sagt, nur zwei Pole. Er eignet sich also dann, wenn nur zwei Anschlüsse zur Verfügung stehen, – z.B. als Ersatz für einen Widerstand, weil ein konstanter Strom gefordert ist.

Im ersten Teil wird gezeigt, wie man einen solchen recht präzisen Konstantstromzweipol mit bipolaren Transistoren und LEDs realisieren kann und im zweiten Teil erfolgt die Methode mit Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs). Diese Schaltung ist besonders einfach, besteht sie doch nur gerade aus einem JFET und einem einzigen Widerstand. Dafür ist diese Anwendung weniger genau. Diese Methode gibt es auch in integrierter Ausführung. Man nennt diese Bauteile Feldeffekt-, Konstantstrom- und Stromregeldioden, weil der Strom nur in eine Richtung, von Drain nach Source, fliessen darf.

Neu mit diesem Update sind die Beiträge „LED-ON-ANZEIGE FÜR VARIABLE BETRIEBSSPANNUNG“ und „SCHALTBOX FÜR NETZGERÄTE“.


Elektronik-Minikurse: Diverse technische Infos

Meist findet man meine Elektronik-Minikurse direkt via Suchmaschine. Ein gewisser Nachteil besteht darin, dass man das Inhaltsverzeichnis (die Index-Seite) nicht zu sehen bekommt. Grundsätzlich ist das vorteilhaft, weil man sogleich am Ziel ist. Will man trotzdem das Inhaltsverzeichnis besuchen, ist das kein Problem, weil im Header aller Minikurse hat man per Link den direkten Zugriff zum Inhaltsverzeichnis. Zusätzlich hat es Links zur Philosophie der Minikurse, zum Thema Leserfragen und zu einem Vorwort mit dem Titel „Simulieren und Experimentieren“. Und, last but not least, gibt es das Kapitel „Diverse technische Infos“.

In diesem Kapitel gibt es Infos, die z.T. viele Minikurse betreffen, wie z.B. Hinweise zu den Spannungsangaben und zur DC-Entkopplung. Darauf folgen Hinweise zu positivem und negativem Strom in Bezug zu Stromsenken und Stromquellen. JFETs spielen eine bedeutende Rolle. Sehr beliebt ist der BF245 (A bis C) bis er obsolet erklärt wurde. Es gibt Alternativen, genauer erklärt in einem Minikurs.

Neu ist das Kapitel „(Trimm-)Potentiometer, optimal eingesetzt“. Realisiert man das Potmeter als variablen Widerstand, empfiehlt es sich aus Gründen der Betriebssicherheit den Schleifer-Anschluss mit einem der Fixanschlüsse zu verbinden. Warum dies so ist und warum diese Verbindung dort sein sollte, wo die Impedanz am niedrigsten ist, z.B. GND, informiert dieser aktuelle Beitrag:

Gruss und viel Spass
Euer ELKO-Thomas


UPDATE: Master-Slave-Netzschalter mit Elektronik und Relais

Dieser Elektronik-Minikurs besteht seit Juni 2003. Die Schaltung damals war eine andere. Im April 2010 erneuerte ich sie mit zwei Versionen. Die eine Version ermöglicht den Einsatz eines Relais mit einer Spulen-Nennspannung von 48 VDC, die andere mit einer Spulen-Nennspannung von 220 VAC. Beide Relais werden verlustarm, direkt mit der 230VAC-Netzspannung, betrieben. Für die 230VAC-Version realisierte ich für meinen Bedarf ein Printlayout mit dem Programm SPRINT von Abacom. Mehr Infos zur Reproduktion des Printlayout liest man im Minikurs.

Das aktuelle Update wurde angeregt durch einen Leser, der die Schaltung nachbauen will, wobei der Standbystrom des Mastergerätes mit etwa 100 mA recht gross sein kann. Man beachte das Titelbild. R1 ist der Messwiderstand des Stromsensor. Dieser wird bei diesem hohen Standbystrom so niederohmig, dass im eingeschalteten Zustand des Mastergerätes die Verlustleistung an R1 mit 1.1 W so gross wird, dass der Widerstand ein 2-Watt-Typ sein sollte. Dies wäre noch kein Problem.

Es gibt allerdings dann ein Problem, wenn die Schaltschwelle variabel einstellbar sein soll, – auch ein Wunsch des Lesers. Mit einem Kleinleistungs-Potmeter geht das. Will man diese Möglichkeit haben mit einem kleinen Trimmpotmeter, liegt der maximale Standbystrom bei 45 mA. Da genügt ein Trimmpotmeter mit einer zulässigen Leistung von maximal 1/2 W. Alle Details dazu liest man in dieser Update-Version im Untertitel „VERLUSTLEISTUNG VON R1 BEI HÖHEREM STANDBY-STROM“.

Gruss und viel Spass
Euer ELKO-Thomas