EMG-Elektroden-Impedanztester
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
Einleitung
EMG-Messsysteme zu kaufen kosten oft sehr viel Geld. Dafür können
sie auch sehr viel, sind vielseitig und es gibt solche mit sehr vielen
Messkanälen. Speziell dann, wenn
intramuskuläre Messungen
(Skizze)
gefragt sind, kosten solche Systeme zusätzlich, u.a. weil die
Abschirmung jeder Messleitung aktiv realisiert sein muss, um die
Kapazität zwischen Leiter und Abschirmung zu neutralisieren
(Skizze:
Prinzip-Schaltung unten rechts).
Solche EMG-Messsysteme finden Anwendungen in Spitälern im praktischen
Alltag und in Forschungsinstituten. Je nach Anwendungsgebiet stellt man
sich die Frage, ob es nicht mit weniger Aufwand auch geht. Dabei stellt
sich nicht selten auch die Frage, ob es Sinn macht selbst das zu bauen,
was man wirklich benötigt. Selbstbau ist tatsächlich möglich, vor allem
erst recht dann, wenn Forschungsinstitute eigene Elektroniklabors und
Werkstätten haben. Ein weiteres Argument des Selbstbaus im Bereich der
Forschung ergibt sich, wenn man zuvor nicht weiss was man alles
realisieren will und welche Ideen in (naher) Zukunft aufkeimen, die man
in die Experimente mit einbringen will. Ein mir bekanntes und miterlebtes
Beispiel ist die Kombination mit Muskelkraftmessungen mit
Dehnungsmess-Streifen (DMS).
Für solche Bedingungen und Voraussetzungen eignen sich einige
Elektronik-Minikurse zur
Unterstützung. Eine Zusammenfassung geeigneter Links gibt es hier am
Schluss im Kapitel "EMG-Helps - Linkliste".
iEMG bedeutet intramuskuläres EMG, - eine
"Erfindung" einer Kollegin von einem gemeinsamen iEMG-Projekt. iEMG
liest man im Text, wenn der Teilinhalt, sich nur oder hauptsächlich auf
intramuskuläre EMG-Messung bezieht. Dies trifft auf den
EMG-Elektroden-Impedanztester hier nicht zu, weil auch Messungen
mit Oberflächen-Eleketroden (Haut) möglich sind.
Dieser Elektronik-Minikurs bietet mit einer Einzelschaltung eine Lösung,
dessen Funktion in teuren modernen EMG-Messsystemen integriert ist.
Misst man intramuskulär, ist es beim Einsatz von Elektroden, aus mit
Teflon isoliertem sehr dünnen Draht (korrosionsfreiem Edelstahl)
notwendig, die Kontaktierung zwischen der sehr kleinen abisolierten
Elektrodenfläche am Ende des Drahtes und dem Muskelgewebe, in der Nähe
der Nervenbahn, zu prüfen. Es geht darum, ob der Übergangswiderstand
etwa im vernünftigen Bereich liegt. Hohe Messpräzision interessiert
dabei nicht. Ob Kurzschluss oder Unterbruch, wird natürlich rasch
erkannt.
Betreffs Elektroden eine kleine
Skizze
zum Voraus. Hier gilt Teilbild 5.1. Was es mit der Injektionsnadel und
den abgewinkelten Elektrodendrähten auf sich hat, liest man in diesem
einführenden
EMG-Elektronik-Minikurs
im Kapitel "Elektroden".
Das Printlayout zur Schaltung ist leider nicht mehr auffindbar. Hätte
ich es, würde ich es selbstverständlich zur Verfügung stellen. Die
Schaltung eignet sich unabhängig von der EMG-Anwendung, für das
praktische Studium einzelner Teilschaltungen, die unter Umständen auch
einem andern Zweck dienen können. Geeignete Unterstützung findet man in
den andern
Elektronik-Minikursen.
Impedanz-Experiment mit Drahtelektroden
Bild 1 zeigt schematisch ein Experiment mit sehr dünnem Elektrodendraht,
wie bereits eingangs erwähnt. Anstelle eines biologischen Gewebes kommt
für dieses Experiment destilliertes Wasser zum Einsatz. Dieses muss man
mit der einigermassen richtigen Menge Kochsalz anreichern, so dass es in
etwa einer so genannten physiologischen Kochsalzlösung von 0.9 Prozent
entspricht. Wenn man es ganz genau machen will, physiologische
Kochsalzlösung von 0.9 Prozent bekommt man in Drogerien. Für dieses
Experiment ist dies unnötig teuer. Diese 0.9-Prozent-Lösung entspricht
der relativen Salzmenge (NaCL) im organischen Gewebe.
Da es hier ein messtechnischer Versuch ist betreffs des Widerstandes
zwischen Elektroden im salzhaltigen destillierten Wasser, kann man die
Kochsalzlösung leicht selbst herstellen. Man verwendet am besten gleich 1
Liter (1 kg) destilliertes Wasser (z.B. aus dem Supermarkt) und löst
darin 10 g Kochsalz. Ganz genau müssten es 9 g sein, aber darauf kommt
es hier nicht an.
Sektion A zeigt blockschematisch einen Sinusgenerator und zwei
Multimeter, eines zur Messung der Spannung und eines zur Messung des
Stromes. Davon wird der Widerstand, bzw. die Impedanz berechnet. Es ist
eine Impedanz, weil es neben dem ohmschen Widerstand auch einen kleinen
kapazitiven Anteil gibt. Sektion C deutet es an. Etwas mehr zum Thema
des kapazitiven Anteils liest man im Kapitel "Wie misst man das
Aktionspotenzial?" in
(1).
Sektion B zeigt den Behälter mit der physiologischen Kochsalzlösung. Ein
zweiadriges Kabel führt von der Sinus-Spannungsquelle zu einer Klemme,
die fix montiert die Kabelenden mit den Elektrodendrähten verbindet. An
dieser Stelle muss man mit einem feinen Messer die Teflon-Isolation
wegkratzen. Bei einem Draht mit einem Durchmesser von nur 0.08 mm
braucht es etwas Feingefühl. Passende Klammern zu finden ist nicht so
einfach. Es müssen solche sein, die beim Schrauben dafür sorgen, dass
zwei kleine Plättchen genau auf einander passen. Es gibt auch geeignete
Klemmkontakte (Clamp), wo sich das Schrauben erübrigt, wie es dieses
Foto
zeigt. Nur so kann man den feinen Draht sicher fixieren. Dieses
Klemmenproblem gibt es genau so beim intramuskulären Messen, wobei das
zugeführte Kabel mit der Klemme an der Hautoberfläche mit hochwertigem
festsitzenden Klebeband zugfest fixiert werden muss.
Sektion C zeigt den Drahtquerschnitt vergrössert in der physiologischen
Kochsalzlösung NaCL. Wie bereits erwähnt, besteht der elektrische
Drahtkontakt zur Flüssigkeit nur am vorderen Drahtende. Fein geschnitten
mittels scharfer Klinge erzeugt dies eine Kontaktfläche von 0.0064
mm2. Eine fast echte punktuelle Kontaktierung. Sektion D
illustriert grob die Situation des Widerstandes und der Kapazität als
Impedanz zwischen der kleinen Kontaktfläche und der Kochsalzlösung, in
der Funktion als
Elektrolyt.
Sektion E zeigt die Abhängigkeit der Impedanz von der Sinusfrequenz. Als
Referenzfrequenz gilt 1 kHz. Das ist leicht unterhalb der mittleren
Frequenz vom Frequenzspektrum der intramuskulären EMG-Spannung. Diese
liegt bei etwa 3 bis maximal 5 kHz. Der Sinn von 1 kHz ist, dass es eine
höhere Impedanz zeigt, die auf den Instrumentationsverstärker, bei der
iEMG-Messung, wirkt. Dies wiederum zeigt, wie wichtig es ist, dass
dieser Eingangsbereich sehr hochohmig ist. Möglichst nahe am Wert, der
die intergrierte Schaltung
(z.B. INA111) bietet.
Die Impedanz erhöht sich zusätzlich während dem Einsatz des
Elektrodendrahtes im Elektrolyten (NaCL). Illustriert nach 10 Minuten
und nach einem Tag nach dem Schneiden am vorderen Ende des Drahtes. Auf
die Messung selbst hat dies keine relevante Auswirkung, wie dies
nachfolgend Teilbild 2.2 zeigt.
Impedanz-Situation im Elektrolyt, stark vereinfacht
Teilbild 2.1 wiederholt den iEMG-Teil aus der Skizze in der Einleitung. Diese ist hier in Teilbild 2.2 mit dem kapazitiven Anteil symbolisch erweitert. Genau genommen ist das in "unendlicher" Auflösung wirkende Impedanznetzwerk dreidimensional. Aber, wir müssen dieses Thema nicht weiter vertiefen. Es geht nur darum, um grundsätzlich zu erkennen, dass die Impedanz zwischen der Spannungsquelle (Aktionspotenziale), via Elektrolyt und Elektroden zum Eingang des EMG-Verstärkers anliegt. Eine Veränderung der Impedanz des Elektrolyten ist von geringer Bedeutung, weil die Eingangsimpedanz der nachfolgenden Verstärkerschaltung um viele Grössenordnungen höher ist. Erwähnenswert für solche iEMG-Projekte ist der Instrumentationsverstärker INA111, der in diesem Elektronik-Minikurs (2) zur Anwendung kommt.
Die Prinzipschaltung
Diese Prinzipschaltung vermittelt keine präzisen Informationen. Sie
bietet eine kurze Funktionsübersicht. Ein Beispiel: Wären die Dioden D1
bis D4 tatsächlich direkt mit GND verbunden, würde dieser Teil der
Schaltung nicht funktionieren. Dazu fehlen hier die Elkos C2 und C6. In
der Detailschaltung, im nachfolgenden Bild 4, wird die Funktion dieser
Dioden erklärt.
Bei Schaltungen in den Elektronik-Minikursen, wo unterschiedliche
integrierte Schaltungen (ICs) im Einsatz sind, nummeriere ich diese
gemeinsam mit IC:A, IC:B, IC:C, IC:D etc. Da es hier als IC nur
Operationsverstärker (Opamps) gibt, erfolgt die Nummerierung mit OA:A,
OA:B, OA:C und OA:D. Die Bauteil-Nummern sind identisch mit denen im
nachfolgenden Bild 4, das die vollständige Schaltung zeigt. (OA =
Operational-Amplifier = Opamp)
OA:A1 dient der Erzeugung der Referenzspannung Ub/2 (Ub =
Betriebsspannung). OA:A2 arbeitet als Rechteckgenerator mit einer
Frequenz von 1.2 kHz. OA:A3 invertiert diese Rechteckspannung. Beide
Rechteckspannungen bilden gemeinsam eine Rechteck-Gegentaktspannung.
Die antiparallel geschalteten Dioden D1-D4 stabilisieren die
Rechteckspannungen auf einen niedrigen Wert. Die Stabilisierungsqualität
ist hier ausreichend. Die nachfolgend beiden passiven Tiefpassfilter
reduzieren die hohen Frequenzanteile des Frequenzspektrum, erzeugt durch
die steilen Schaltflanken der Rechteckspannung. Dadurch wird die
Impedanz des Elektrolyts und die im Bereich des Phasenüberganges zur
Elektrode im mittleren Bereich gehalten. Eine Sinusspannung ist richtig
für das vorausgehende Experiment in Bild 1 (siehe Impedanz Z).
Eine sägezahnähnliche Spannung genügt für die vorliegende Anwendung. Der
höherfrequente Anteil des Spektrums ist damit ausreichend reduziert.
Über R13 und R10 erfolgt, DC-entkoppelt mit C8 und C9, der Kontakt zu
den Drahtelektroden via abgeschirmtes Stereokabel. In Bild 3 bezeichnet
als "Abgeschirmtes-Elektrodenkabel". Dies vermeidet die Einkopplung von
Störspannungen (z.B. 50-Hz-Brummspannung), damit ist die Stabilität der
LED-Balkenanzeige gewährleistet. Man könnte für diese Messung ebenso ein
zweiadrig abgeschirmtes Kabel verwenden, jedoch nicht wenn man danach
zur biologisch bedingten Impedanz, zur iEMG-Messung, übergeht. Dazu als
Beispiel die Schaltung des Vorverstärkers zur intramuskulären
iEMG-Messung mit Guard-Drive. Dies bedeutet, dass die parasitäre
Kapazität zwischen Leitung und Abschirmung neutralisiert wird. Hier die
Schaltung
EMG-Vorverstärker-Deluxe
(Bild3) aus diesem Elektronik-Minikurs
(2) .
Man beachte in diesem Bild 3 des EMG-Vorverstärker-Deluxe die
Schirm-Anschüsse +Us und -Us (s = Schirm). Auf den beiden Schirmen liegt
die selbe EMG-Spannung wie bei den Elektroden-Eingängen +Ue und -Ue. Der
einzige Unterschied besteht darin, dass die Eletroden-EMG-Spannung
hochohmig ist und die selbe Spannung auf den Schirmen niederohmig. Dies
besorgen die Emitterfolger-Schaltungen mit den Transistoren T5 und T6.
Diese diskreten Transistorschaltungen erzeugen deutlich weniger
Rauschspannung, als eine Impedanzwandlerschaltung mit Opamps. Ausser man
bemüht sich nach extrem rauscharmen Exemplaren.
Phasenübergänge: Zurück zum
Bild 3 hier.
Beim Phasenübergang zwischen Metall-Elektrode und Elektrolyt (NaCL im
technischen Experiment oder im Muskelgewebe) entsteht eine elektrische
DC-Spannung Up. Es ist im Prinzip die Funktion einer elektrochemischen
Batterie. Diese DC-Spannung muss man vom Messsystem fernhalten und dies
geschieht mit C8 und C9. Die beiden natürlichen DC-Spannungsquellen Up
sind gleichpolig in Serie geschalten. Dies reduziert in der Theorie die
DC-Spannung zwischen den beiden Elektroden auf Null. In der Praxis
trifft dies nicht zu. Es ist die verbleibende niedrige Rest-DC-Spannung
die gefiltert werden muss.
Up ist die elektrolytisch bedingte DC-Spannung beim Phasenübergang. Das
selbe betrifft die Kapazität Cp und den Widerstand Rp. Cp und Rp
betrifft den Phasenübergang bei der Elektrode und aber auch die
C- und R-Anteile im Elektrolyten, wie in
Teilbild 2.2
gezeigt. Übrigens, die Entdeckung der kapazitiven Anteile im
elektrolytischen Medium ist noch gar nicht so alt. Sie geht meines
Wissens zurück auf eine Dissertation zum Thema Elektromyographie etwa in
den 1980er-Jahren. Cp und Rp bilden die Impedanz Zp oder einfach nur Z.
Endverstärker und LED-Balkenanzeige: Drei Opamps von einem
Quadopamp sind als
Instrumentationsverstärker
beschaltet. Es ist OA:B1-B3. Die beiden inversen sägezahnähnlichen
Spannungen addieren sich mit diesen drei Opamps. Am Ausgang steht die
doppelte Spannung für die LED-Balkenanzeige zur Verfügung.
Nochmals Abschirmung: Man neigt dazu anzunehmen, dass ein relativ
langes abgeschirmtes Stereokabel, die Impedanzmessung stört, auf Grund
der parasitären Kapazität zwischen Leiter und Schirm. Das trifft zu,
hält sich aber stark in Grenzen. Ich testete dies anstelle eines solchen
Kabels mit jeweils zwei Kondensatoren mit gleicher Kapazität. Dabei
zeigte sich, dass zwei Kondensatoren von je 150 pF bis zur Messung im
maximalen Bereich von 2.5 M-Ohm keine signifikante Auswirkung zeigt. Ein
zwei Meter langes abgeschirmtes Stereokabel hat eine Kapazität von je
knapp 100 pF. Gemessenes Beispiel 86 pF.
Die Schaltung im Detail
Die Funktionsweise im Überblick ist im Text zu Bild 3
Prinzipschaltung bereits ausführlich beschrieben. Es geht hier zu
Bild 4 vereinzelt um Details. Zur sehr einfachen Schaltung für die
Erzeugung der Referenzspannung Ub/2 (OA:A1) - die halbe Betriebsspannung
- bedarf es schon mal keine weitere Erklärung. Ebenso wenig für den
Rechteckgenerator mit OA:A2. Und sonst wird man mit Google leicht
vielfach fündig mit der Eingabe von
[rechteckgenerator operationsverstärker].
Die Stabilisierungsfunktion mit den antiparallel geschalteten Dioden D1
mit D2 und D3 mit D4 sieht man hier mit je einem Elko C2 und C6 ergänzt.
Erst dadurch stellt sich auf dem Pegel von Ub/2 die symmetrische
Rechteckspannung von etwa ±0.7 V ein. Dies ist möglich, weil die
Zeitkonstante von R11 mit C2 und R8 mit C6 sehr viel grösser ist als die
von R1 und C1 des Rechteckgenerators mit IC:A2. Man beachte Diagramm A
(A im Kreis). Die Messung erfolgt zwischen R11 und R12. Genau das selbe
Diagramm zeigt sich invertiert (spiegelbildlich) zwischen R8 und R9. Aus
Platzgründen ist dieses Diagramm nicht gezeichnet. Die Bezeichnung
von einer negativen Spannung bezieht sich hier stets auf die
Referenzspannung Ub/2, wenn nicht anders vermerkt.
Die beiden passiven Tiefpassfilter, bestehend aus R12 mit C3 und aus R9
mit C7, erzeugen aus den Rechteckspannungen die sägezahnähnliche
Spannungen B und C. Wie skiziert, gegeneinander invertiert. OA:A3
invertiert die Rechteckspannung von OA:A2. OA:B1-B3 arbeiten als
Instrumentationsverstärker. Am Ausgang von OA:B3 liegt die doppelte
sägezahnähnliche Spannung D, das Steuersignal für die LED-Balkenanzeige.
Problem Überspannung: Welche Rolle spielen die beiden Z-Dioden Z1
und Z2 mit je einer Z-Spannung von 12 V? Sie schützen die Eingänge von
Pin 10 (OA:B1) und Pin 5 (OA:B2). Wenn die Elektroden offen herumliegen,
kann zufällig ein E-Feld, im dümmsten Fall, eine zu hohe Spannung
erzeugen, wenn die Z-Dioden nicht existieren. Im Einsatz sind die
Eingänge von Opamps in CMOS-Technologie (LinCMOS) sehr hochohmig. Die
maximale Eingangsspannung darf die Betriebsspannung Ub (9V-Batterie)
nicht überschreiten und den GND-Pegel nicht mit mehr als -0.3 V
unterschreiten, gemäss
TLC274-Datenblatt,
auf Seite 5.
Ein kleines Experiment: Man kann es selbst testen mit einer
einfachen Verstärkerschaltung mit einem LinCMOS-Opamp (z.B. TLC271,
TLC272, TLC274). Es genügt Verstärkung von 1 mit einer totalen
Gegenkopplung vom Ausgang zum invertierenden Eingang. Dies ist möglich,
weil dieser Opamp unitygain-stable ist. Also bei Verstärkung von 1 nicht
oszilliert. Deshalb können unbenutzte Opamps eines Dual- oder Quad-Opamp
eingangsseitig so einfach beschaltet sein, wie dies Teilbild 5.5 zeigt.
Nebenbei bemerkt, im Dual-Supply-Betrieb ±Ub, kann man den
nichtinvertierenden Eingang ebenfalls auf GND setzen.
Zu den Teilbildern 5.1 bis 5.4: Die Ausgangsspannung Ua entspricht der
nichtinvertierenden Eingangsspannung Ue bis maximal etwa 1 V unter der
der Betriebsspannung. Bei Ub = +9 VDC sind es etwa 8 VDC. Man kann die
Eingangsspannung problemlos bis auf 15 VDC erhöhen (im Betrieb nicht
empfehlenswert!), die Ausgangsspannung bleibt auf diesen etwa 8 VDC
fixiert und es fliesst dabei kein signifikanter Strom in den
nichtinvertierenden Eingang. Ganz anders wenn man die Eingangsspannung
Ue in den Minusbereich (bezogen auf GND) verschiebt.Bei -0.3 VDC fliesst
gerade noch kein Strom. Bei etwa -0.5 VDC fliesst bereits ein schwacher
Strom. Erhöht man diese Spannung nur geringfügig steigt der Strom
deutlich. Dieses Problem und die Folgen davon vermeidet man mit einem
Widerstand vor dem nichtinvertierenden Eingang (Teilbild 5.4).
Damit kommen wir zurück zu
Bild 4.
Die Z-Dioden vermeiden eine höhere Spannung als 12 V. Es könnte auch
mehr sein. Auch mit 15V-Z-Dioden passiert noch nichts. Es ist aber ein
kritischer Zustand. Wenn aber an den Elektroden auch nur kurzzeitig eine
negative Spannung anliegt, begrenzt sie die Z-Diode, in der
Diodenfunktion, auf etwa -0.7 V. In diesem Zustand begrenzen die
Schutzwiderstände Rs den Strom, so dass der LinCMOS-Opamp keinen Schaden
erleidet. Über Rs liegen etwa maximal 0.4 V. Begrenzt durch 39 k-Ohm
(Rs), beträgt der Strom nur 0.01 mA. Dies richtet keinen Schaden an.
Wie man Eingänge von Opamps schützt mit unterschiedlichen Massnahmen
zeigt der folgende Elektronik-Minikurs
(4). Die folgende
Schaltung zeigt
Transistoren, alternativ zu Picoampere-Dioden im Einsatz. Dies kann sehr
wichtig bei hochohmigen Messungen sein. Kurzzeitige Überspannungen
entstehen durch Berührung der Elektroden oder durch freies Herumliegen,
wenn zufällig ein E-Feld auf die Elektroden einwirkt. Auch hier hat es
vor dem Eingang des Opamp einen Widerstand (R2), der ebenfalls ein
schädlicher Stromfluss vermeidet.
Mess-Schaltung: Die gesamte Mess-Schaltung besteht zur Hauptsache
aus dem Instrumentationsverstärker mit OA:B1-B3. Wie man leicht aus R14,
R15 und Ry erkennt, ist die Verstärkung sehr niedrig. Ganz im Gegenteil,
wenn die Elektroden zur Messung der sehr kleinen EMG-Spannungen
eingesetzt werden, wie dieser
EMG-Verstärker
(IC:A1-A3) für die Messung mit Oberflächenelektroden zeigt. IC:B1 und
IC:B2 dienen der zusätzlichen einstellbaren Verstärkung mit einem Poti
P1 und der Tiefpassfilterung für 1 kHz (R12 mit C4 und R15 mit C5), mit
dem Zweck die Rauschspannung zu reduzieren. Diese Schaltung dient für
die
EMG-Biofeedback-Anwendung.
R13 und R10 wirken in Serie mit dem Widerstand zwischen den beiden
Elektroden im elektrolytischen Medium als Spannungsteiler. Entsprechend
diesem natürlichen und variablen Widerstand, passen sich die Spannungen
B, C und D entsprechend an. Ebenso dem entsprechend die
LED-Balkenanzeige. Die Spannungen B und C entsprechen den Spannungen an
den Knotenpunkten von R13 mit Z1 und R10 mit Z2. Mit einer Änderung von
Ry kann man die Verstärkung für einen andern Messbereich anpassen. C8
und C9 dienen einzig dem Zweck, dass zwischen den Elektroden sicher eine
reine AC-Spannung anliegt.
Elektrodenstrom ungefährlich: Zwischen den beiden Elektroden
liegt die sägezahnähnliche AC-Spannung von etwa 0.8 Vpp (Spannungen B
und C). Dies ist die Spannung, wenn die Elektroden nicht im
elektrolytischen Einsatz sind. Der Quellwiderstand entspricht dem
Widerstand R13 plus R10. Das sind total 440 k-Ohm. Beträgt der
elektrolytische Widerstand z.B. 200 k-Ohm, erzeugt dies ein AC-Strom von
absolut ungefährlichen und nicht spürbaren 1.3 µA.
LED-Balkenanzeige: Wenn der Widerstand zwischen den Elektroden im
elektrolytischen Medium (Salzwasserlösung oder Muskelgewebe) etwa 10
k-Ohm (extrem niedriger Wert bei Oberflächenelektroden) beträgt,
leuchtet nur LED-1 hell. Bei einem Zwischenwert von 10 bis 25 k-Ohm
leuchtet LED-1 hell und LED-2 entsprechend dunkler. Ist es ein Wert
zwischen 100 bis 250 k-Ohm, leuchten LED-1 bis LED-4 hell und LED-5
entsprechend dunkler. Dieses Beispiel zeigt
Bild 3
ganz rechts.
Die Schaltung für LED-8 zeigt sich im Detail. R20 und Rx definieren die
Verstärkung des Opamp (OA:C1). Die Bauteil-Nummern sind für alle acht
Schaltungen gleich. Ebenso die Werte, ausser Rx. Rx definiert jeweils
die einzelnen Display-Werte für jeden Schaltungsblock von LED-1 bis
LED-8. Mit Rx kann man die Anzeige der Zwischenwerte nach Bedarf
optimieren.
Zur Schaltung im Detail. Nach der Verstärkung durch den Opamp (OA:C1-D4)
erfolgt die Einweggleichrichtung mit D5 und die Glättung mit R21 und
C12. R22 sorgt für die vollständige Entladung von C12, wen D5 nicht
leitet, weil die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Opamps zu
niedrig ist. Wenn man es ganz genau nehmen will, müsste man am
Basiseingang von T3 ein Widerstand setzen. Dann könnte man C12 kleiner
wählen.
Als LEDs kommen nur Lowcurrent-LEDs zum Einsatz, die schon bei etwa 1 mA
vernünftig leuchten. Lowcurrent-LEDs, hier der Typ
HLMP-K150,
und solche LEDs mit hoher Leuchteffizienz sind nicht dasselbe.
Lowcurrent-LEDs leuchten brauchbar hell bei geringem Strom, aber nicht
viel heller bei höherem Strom. Bei voller Batteriespannung von 9 VDC
beträgt der LED-Strom 1.2 mA, bei eingeschaltetem T3. Leuchten alle LEDs
sind es fast 10 mA, die in den Ausgang von OA:A1 (Ub/2) fliessen. Das
ist problemlos zulässig, weil der maximal zulässige Strom am Ausgang von
OA:A1 (Erzeugung der Ub/2-Referenzspannung), gemäss
TLC274-Datenblatt,
auf Seite 5, 30 mA beträgt.
Netzteil und Aus-Timer: Da das Testen des Elektodenwiderstandes
im Elektrolyten nur kurz im Einsatz ist, z.B. kurz vor den folgenden
(i)EMG-Messungen, eignet sich eine Netzteilschaltung, die mit einem
Taster eingeschaltet und durch eine Zeitverzögerung wieder ausgeschaltet
wird. Dies schont die Batterie. Mit dem Druck auf die Taste START, wird
C21, nur sehr leicht verzögert, durch R32 geladen. Diese Verzögerung mit
einer Zeitkonstante von knapp 70 ms vermeidet einen hohen Stromimpuls in
C21 und C22. Ohne diese Einschaltverzögerung ist T1 beim
Einschaltvorgang gefährdet. Nach dem Einschalten und Loslassen der Taste
START entladet sich C21 langsam durch den hochohmigen R33. Beim
Unterschreiten einer gewissen Gate-Source-Spannung von T2
(BS170)
öffnen T2 und T1. Die Ausschaltverzögerung
dauert etwa 6.5 Minuten. Durch Änderung der Werte von C21 und/oder R33
kann man die Ausschaltzeit dem eigenen Bedürfnis anpassen.
EMG-Helps - Linkliste
- ( 1) Elektro-Myographie (EMG) eine kleine Einführung
- ( 2) Echter Differenzverstärker IV
EMG-Vorverstärker Deluxe mit INA111 - ( 3) Echter Differenzverstärker I
(Instumentationsverstärker) - ( 4) Überspannungsschutz von empfindlichen Verstärkereingängen
- ( 5) Verstärkerschaltungen, Operationsverstärker, OTA, Instrumentationsverstärker, Isolationsverstärker...
- ( 6) SC-Tiefpassfilter-Einheit
mit umschaltbaren Grenzfrequenzen
SC-Filter-Schaltungen eignen sich oft für EMG-Anwendungen...
Thomas Schaerer, 21.09.2019 ; 10.11.2019