Update: EMG-Vorverstärker-Deluxe mit INA111

EMG ist die Abkürzung von Elektromyographie. Dazu gleich hier die einleitenden Worte aus dem Wikipedia: „Die Elektromyografie (oder Elektromyographie) (EMG) ist eine elektrophysiologische Methode in der neurologischen Diagnostik, bei der die elektrische Muskelaktivität anhand von Aktionsströmen der Muskeln gemessen und (graphisch) dargestellt wird.“

Während vielen Jahren beschäftigte ich mich mit EMG im Bereich der Messtechnik und des Biofeedback. In der Messtechnik gibt es zwei unterschiedliche Methoden. Es ist die Oberflächen-Methode (Elektrode/Haut-Kontakt) und die intramuskuläre Methode mittels Nadel- oder beinah haarfeinen Drähtchenelektroden, im Muskel implementiert. Das Titelbild deutet in Blöcken die Schaltungen an.

Im ersten Block sieht man als Symbol den Instrumentationsverstärker INA111 mit den beiden Eingängen und der Kabelabschirmung, wobei der Schirm nicht wie üblich mit GND verbunden ist. Der Schirm hat die selbe EMG-Spannung und Phasenlage wie die Leitung von der Elektrode zum Eingang des INA111. Dies geschieht durch Impedanzwandlung (hier nicht dargestellt). Der Zweck ist die Neutralisierung der Kapazität zwischen Leitung und Schirm. So erreicht man eine minimale Verzerrung des EMG-Signals, weil es die Bandbreite der übertragbaren Frequenz erhöht.

Wenn der Wunsch zum Nachbau oder auch nur Teilnachbau, ebenso der andern Teile, besteht, kann man bei mir EMG8DOKU_PDF.ZIP via E-Mail bestellen. Dieses ZIP-File beinhaltet die vollständigen Schaltungs-Unterlagen. Meine bisherige Diskussionserfahrung zeigt, dass dort wo das Geld fehlt für den Kauf einer teuren Anlage, das Interesse am Eigenbau besteht. Das ist dort oft möglich, wo Elektrotechnik- und Medizin-Institute (auch Spitäler) zusammen arbeiten.

Übrigens, diese Inhalte eignen sich auch zur Gestaltung von Präsentationen und Vorträgen. Sehr geeignet für Studierende. Ich kann es gerne dafür empfehlen, weil ich einige Feedbacks im Laufe der Zeit erhalten habe.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


Elektronikgeschichte: Die Kaltkathoden-Röhre (Update)

Es gibt zur Zeit drei Elektronik-Minikurse dieser Art (Geschichte). Wir befassen uns hier mit der Geschichte der Kaltkathoden-Röhre und einer praktische Anwendung mit dem Beispiel einer Timer-Schaltung (Bild 3 im Titelbild).

Bild 1 links zeigt ein Vertreter der beiden Kaltkathoden-Röhren. Diese war die eher am häufigsten gebrauchte so genannte Relaisröhre mit einer kleinen Zündelektrode ZE, welche die Ionisation der Gasfüllung einleitet und so den Strom zwischen Anode A und Kathode K auslöst und fliessen lässt bis der Anoden-Stromkreis, auch nur sehr kurz, unterbrochen wird.

Bild 1 rechts ist der kleine Bruder des eher bekannten grossen Thyratron für sehr hohe Schaltleistung. Mit der negativen Spannung am Steuergitter G wird die Zündspannung zwischen Anode und Kathode definiert. Dies hat eine gewisse Ähnlichkeit mit der wohl bekannten Triode (z.B. ECC82) unter den  Elektronenröhren, auch als Radioröhren bekannt. Bei der Triode wird mit einer negativen Spannung am Steuergitter den Elektronenstrom, von der geheizten Kathode zur Anode, gesteuert.

Bild 2 zeigt eine Blinkschaltung mit der Glimmlampe GL. Diese arbeitet nach dem selben Prinzip der Ionisation eines Gases. Kondensator C ladet sich via R1 auf bis zur Zündspannung von GL. Blitzartig wird die Gasfüllung ionisiert und es fliesst ein kurzzeitiger Strom von der einen zu der andern Elektrode bis die Brennspannung, durch die Entladung von C, unterschritten wird. GL erlischt, weil kein Strom mehr fliesst. Die Ladung von C durch R1 erfolgt erneut bis zur nächsten Ionisation des Gases in GL. Die Blinkfrequenz ist abhängig von R1 und C und die Leuchtdauer von R2 und C. Die Spannung am Ausgang gleicht einem Sägezahn.

Bild 3 zeigt eine Timer-Schaltung von anno dazumal mit der Kaltkathoden-Relaisröhre V3 (Bild 1 links) und zur Spannungsstabilität dienen zwei in Serie geschalteten Stabilisator-Röhren (Stabilo-Röhren), V1 und V2. Mehr Details auch dazu im Minikurs.

Zum Schluss dieses Elektronik-Minikurses hat es zwei Links zu den beiden andern, weiter oben kurz angedeuteten, Geschichte-Minikursen mit den Titeln:
Funkeninduktor und Fritter (Kohärer)“ und „Der Stromkrieg zwischen Edison und Tesla“. Der Begriff Elektronik passt für diese beiden Geschichte-Minikurse eher nicht. Besser geeignet wäre Elektrotechnik. Für „Stromkrieg“ eignet sich auch Physik.

Mit dem folgenden Link befinden wir uns zurückversetzt in eine Zeit, als man mit Kaltkathoden-Relaisröhren und  Kaltkathoden-Thyratrons elektronische Schaltungen realisierte. Mit Google findet man zusätzlich eine grosse Zahl von Beiträgen.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


LM317 mit elektronischer Sicherung

Es gibt viele Schaltungen zum Thema elektronische Sicherung für DC-Spannungen. Viele dieser Schaltungen sind diskret mit wenig Transistoren realisiert. Zur Strombegrenzung dient ein Shuntwiderstand. Als Referenzspannung für den Maximalstrom wirkt die Basis-Emitter-Spannung von einem dieser Transistoren.

Besonders dann wenn für eine präzis geregelte DC-Spannung ein Leistungs-IC zum Einsatz kommt, gibt es eine elegante Lösung, wenn die elektronische Sicherung mit dem Netzteil zusammen arbeitet. Dieses Prinzip zeige ich hier an einem Beispiel. Als Spannungsregler kommt der berühmte LM317 zum Einsatz mit einem maximalen Strom von 1.5 Ampere. Genügt dies nicht, wäre der LM338 mit 5 Ampere der passende Kanditat. Der Vorteil dieser Methode ist, dass der Kurzschluss-Strom begrenzt ist durch den geregelten maximalen Strom (Safe-Operating-Area) des LM317 oder LM338. Mehr Details in diesem Elektronik-Minikurs.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

 


Im Fokus: DAS SC-TIEFPASSFILTER

Was sind die Vorteile von den SC-Tiefpassfiltern im Vergleich zu den analogen aktiven Tiefpassfiltern, realisiert mit Operationsverstärkern (Opamp). Dies wird weitgehend beantwortet in bereits bestehenden Elektronik-Minikursen mit praktischen Anwendungen von SC-Tiefpassfiltern aus früheren Projekten. Zusätzlich motiviert, zu diesem einführenden Teil, hat mich eine Diskussion im ELKO-Forum.

Ein paar Beispiele von den Themen:

Warum SC-Filter? ; Die CMOS-Geschichte in Kürze ; Der RC- und der SC-Integrator ; Komplexere SC-Filter ; Clock, Abtastung und Non-Overlapping ; Das SC-Tiefpassfilter mit analogem Vor- und Nachtiefpassfilter ; Steuerbares SC-Tiefpassfilter mit (steuerbaren) analogen Filtern ; 50-Hz Notchfilterbank in SC-Filter-Technik ; Sinusgeneratoren und der SC-Sinusgenerator ; Internet und Literatur zu SC-Filtern und Bauteile.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


Im Fokus: Der Millereffekt

Wikipedia: „Als Millereffekt wird die effektive Vergrösserung der parasitären Kapazität zwischen Ausgang und invertierendem Eingang eines Spannungsverstärkers bezeichnet. Dieser Effekt ist meist störend, kann aber auch zum Erzeugen grösserer effektiver Kapazitätswerte vorteilhaft verwendet werden. Der Effekt ist nach John Milton Miller benannt, der ihn 1919 entdeckt hat. Eine Verallgemeinerung des Millereffekt ist das Millertheorem.“

Man beachte das Titelbild. Bild A zeigt den einfachsten Verstärker mit einem NPN-Transistor (BJT). Cm0 ist die echte Kapazität zwischen Kollektor und Basis. Bei Kleinsignal-Transistoren (z.B. BC547) liegt diese parasitäre Kapazität im unteren pF-Bereich.

Cx ist hier in einer kleinen Wolke dargestellt, weil es ist ja nicht so, dass die Kapazität eines physikalisch existierenden Kondensators erhöht wird. Cx ist die grössere (virtuelle) Millerkapazität, die als Gegenkopplung auf die Basis rückwirkt. Die Ursache liegt in der Spannungsänderung am Kollektor. Cx wirkt begrenzend auf die Frequenzbandbreite bei AC-Spannungen. Bild B zeigt den Trick, wie man die kleine Verstärkerschaltung beschleunigt. Es ist der Kondensator Cb parallel zu Rb. Bild C zeigt exakt das Gegenteil wie man die Verstärkerschaltung absichtlich bremst. Mit dem zu Cm0 parallel geschalteten realen Kondensator Cm. Hier wird die Kapazität Cm virtuell erhöht.

Bild D zeigt diesbezüglich ein einfaches Experiment. Wird der Schalter auf +Ub gesetzt, sinkt, durch Cm stark gebremst, die Kollektor-Emitterspannung von T2. Der LED-Strom steigt und die LED leuchtet langsam heller. Wird der Schalter auf GND gesetzt, geschieht das Umgekehrte, die LED leuchtet langsam dunkler. Diese Zeiten sind dabei deutlich länger als die Rb*Cm-Zeitkonstante aus dem Grund des Millereffektes. T1 und T2 bilden ein Darlington.

Die Schaltung in Bild E ist eine Erweiterung von Bild D. Geeignet für eine messtechnische Aufgabe als Beispiel. Mehr dazu im Detail in diesem Elektronik-Minikurs.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


Das EMG-Biofeedback-Gerät

Die Neurophysiologie befasst sich mit der Funktionsweise des Nervensystems. Im Bereich der Muskeln gilt die Betrachtungsweise der Motorischen Einheiten. Der erste Link in diesem Elektronik-Minikurs erklärt dies u.v.a. genauer.

Gewisse Kenntnisse in diesem Gebiet empfehlen sich, wenn man mit elektronischen Schaltungen zu tun hat, die dem Studium oder einer praktischen Anwendung messtechnischer Art dienen. Dazu zählen die Analyse von Myopathien (Muskelerkrankungen) und die Behandlungen mittels EMG-Biofeedback mit akustischem oder optischem Feedback. Betreffs Analyse von Myopathien, messbar mit Oberflächenelektroden oder mittels feinen Drähtchenelektroden intramuskulär in der Nähe der Nervenbahnen. Je nach dem was man messen will.

Für diesen Bereich entwickelte ich zur Forschung und zur praktischen Anwendung die dazu notwendigen Geräte. Dies brachte mich auf die Idee für Studierende im Bereich der Elektrotechnik ein Praktikum zu realisieren. Nachdem ich pensioniert wurde, kam ich auf die weitere Idee diesen speziellen Elektronik-Minikurs zu schreiben. Dabei lernt man alle Elektronik-Minikurse kennen, die es längst gibt, die auch mit EMG etwas zu tun haben. Auf diese Weise ist dieser Elektronik-Minikurs mit diesen andern mit lokalen Links vernetzt. Diese andern Minikurse dienen als Grundlagen, die aber bereits allgemeine Grundlagen der Elektronik voraussetzen.


UPDATE: Pullup-,Pulldown-Widerstand, Openkollektor, Wired-OR, Latchup-Effekt

In diesem überarbeiteten Elektronik-Minikurs beschäftigen wir uns mit dem Pullup- und dem Pulldown-Widerstand im Gebrauch von digitalen Schaltungen. Es geht dabei um die alten TTL- und die modernen CMOS-Eingangsstufen. Weil beim kurzen Rückblick ins TTL-Zeitalter auch die damals moderne, schnellere und leistungsreduzierte Lowpower-Schottky-Version (LS-TTL) mit einbezogen ist, wird auch kurz erklärt, was neben der Schottky-Diode der Schottky-Transistor ist.

Danach liegt der Fokus auf CMOS. Störprobleme beseitigen und korrigieren sind ein Thema. Weitere Inhalte sind unbenutzte Logik-Eingänge, Openkollektor-Ausgänge und die Wired-OR-Verknüpfung an einem praktischen Beipsiel mit Lichtsensoren.

Ganz neu ist das Thema, was passiert wenn eine CMOS-Schaltung an aktiven Eingangssignalen angeschlossen ist und die Betriebsspannung fehlt, z.B. auf Grund eines lokalen Untersbruchs der Spannungsversorgung oder auch durch einfaches Abschalten. Vorgestellt wird dies an einem praktischen nachvollziehbarem Experiment, z.B. mit einem Steckboard.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

 


UPDATE: Einfaches Labornetzteil 0…20VDC / max.3A

Es gibt einen ersten Teil zu diesem Elektronik-Minikurs. Dieser befasst sich mit der komplementären Darlington-Schaltung, die aus einem NPN- und einem PNP-Transistor besteht. Erfunden wurde diese Art des Darlington vom Ungaren George Clifford Sziklai, der seine Erfindung im Jahre 1956 zum Patent anmeldete. Man bezeichnet diese Art des Darlington als Sziklai-Connections. Siehe am Schluss in der Linkliste dieses Minikurses.

Dieser Minikurs beschreibt ein einfaches Labornetzteil zum Nachbau. Das wirklich Interessante liegt in den Details zum Studium, das auch zum praktischen Experimentieren anregen soll. Im Laufe der Zeit gab es einige Ergänzungen und Änderungen in einer Folge von Updates. Man betrachte das Titelbild zu diesem Newsletter.

Bild A: Diese erste Version zeigt eine direkte Verbindung vom Ausgang des Opamp OA zur Basis des T1/T2-NPN-Darlington und zum Transistor T3, der mit dem Shuntwiderstand Rsh die Strombegrenzung an +Ua erzeugt. Im Betriebszustand liefert OA nur einen sehr kleinen Strom zur Basis von T2, weil die Stromverstärkung des komplementären NPN-Darlington T1/T2 sehr hoch ist. Bei starker Überlastung, bzw. Kurzschluss an +Ua will OA seine maximale Ausgangsspannung liefern. Dies kann er aber nicht und deshalb steuert er sich in die eigene Strombegrenzung. Ist +Ue aber zu hoch, wird die maximal zulässige Verlustleistung überschritten und die Zerstörung von OA liegt nahe.

Bild B: Mit Rn1 ist das Problem unschön gelöst. Unschön, weil für den Kurzschlussfall an +Ua, muss es ein 1-Watt-Widerstand sein. Alternativ ohne Rn1, dafür die Z-Diodenschaltung aus Rm1 und Zm1. Das geht aber nur dann, wenn +Ue im Minimum deutlich grösser ist als eigentlich nötig.

Bild C: Diese Lösung besteht aus einer Konstantstromquelle Iq an stelle von Rn1. Diese ist so dimensioniert, dass sie unterhalb der Strombegrenzung als Widerstand wirkt, weil alleine T1/T2 diesen Strom bestimmt. Ist jedoch die Strombegrenzung im Einsatz, dann arbeitet Iq als konstante Stromquelle und da fliesst der grösste Anteil via T3 zu +Ua und durch die angeschlossene Last nach GND. Als konstanter Strom genügen wenige mA. Ncht getestet habe ich die Methode mit einem JFET (Bild C1). Sollte auch funktionieren. Weniger Bauteile, dafür mehr Spannungsabfall, bzw. mehr +Ue im Minimum.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Vom Logikpegelwandler zum Impulsgenerator (Endstufe)

Text und Bilder sind überarbeitet und ergänzt mit einer Schaltung die eher als Anregung dazu dient etwas anderes, auf Grund eigener Ideen, zu „erfinden“. Es geht dabei um ein sehr bekanntes CMOS-IC mit einem bipolaren Vorgänger und seiner erfolgreichen Geschichte.

Was beinhaltet dieser Elektronik-Minikurs, in wenig Worten zusammengefasst? Ein Logikpegelwandler verbindet Logikschaltungen unterschiedlicher IC-Familien. Dabei kann man z.B. eine alte, aber noch immer funktionsfähige, TTL-Schaltung mit einer CMOS-Schaltung mit unterschiedlichen Logikspannungen kombinieren. Die Anwendung ist aber keinesfalls auf Logikschaltungen begrenzt. Es kann kann auch sein, dass ein Logikpegelwandler dazu dient, ein digitales Ausgangssignal von einem Mikrocontroller (z.B. Arduino) für eine Schaltung zu wandeln, wo, aus welchem Grund auch immer, eine ±-Schaltspannung benötigt wird. Solches gibt es tatsächlich.

Thematisiert sind unterschiedliche Transistorschaltungen. Dabei geht es um die Schaltgeschwindigkeit. Also ist auch der Miller-Effekt ein Thema mit einem Link zum dafür geeigneten Elektronik-Minikurs. Als praktisches Beispiel zeigt eine Schaltung eine JFET-Steuerung für zwei Tiefpassfilter, realisiert mit je einem OTA. Eines dieser TP-Filter dient als Antialiasing- und das andere als Smoothing-Tiefpassfilter in Verbindung mit einem SC-Tiefpassfilter.

Danach folgen Logikpegelwandler mit ICs, etwas exotisch mit einem integrierten Analogschalter. Diese Schaltung dient auch als Grundlage für eine Endstufe für den Einsatz mit einem beliebigen Impulsgenerator für spezielle Anwendungen. Danach folgen noch integrierte Komparatoren für die selbe Hauptaufgabe als Logikpegelwandler.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

 


Einschaltverzögerung mit LMC555 oder TLC555

Es gibt acht Elektronik-Minikurse, bei denen der 555-Timer das Hauptthema ist. Wie immer steht die CMOS-Version im Fokus. Warum dies so ist, liest man in einem speziellen Minikurs, bei dem die alte bipolare Version (NE555) mit der moderneren CMOS-Version (TLC555, LMC555) in der Praxis verglichen wird. Dazu kommen weitere Minikurse, wie z.B. zum Thema SC-Tiefpassfilter, wo der TLC/LMC555 eine wichtige Nebenrolle spielt. In diesem neuen Minikurs hier steht der LMC/TLC555, mit seiner Eigenschaft als Schmitt-Trigger, im Fokus.

Das Titelbild zeigt es mit den Bildern A, B und C. Der Ursprung zeigt Bild A mit dem NE555 in der Funktion als Abschaltverzögerung. Wo man diese Schaltung findet, steht in diesem neuen Minikurs. Der Widerstand R5 ist neu, ohne scheinbar eine Funktion zu haben. Aber eben, nur scheinbar…

Auf Grund von interessierten Lesern nach einer ähnlichen 555er-Schaltung als Einschaltverzögerung, folgt die ebenso einfache Lösung, mit einem Kontakt als Auslöser, die Schaltung B. Was sofort auffällt, die Schaltung vor dem 555-Timer ist in Bild B unten was in Bild A oben ist und umgekehrt. Das ist eigentlich schon alles. Was es mit der erweiterten Schaltung in Bild C auf sich hat, liest man detailliert in diesem neuen Elektronik-Minikurs:

Gruss Euer
ELKO-Thomas