UPDATE: Echter Differenzverstärker IV (EMG-Vorverstärker)


Für das Titelbild im Newsletter zu sehen, bitte den folgenden Link anklicken:
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Vor knapp einem Jahr am 29. Juni 2021 stellte ich das Gesamtprojekt, mit dem entsprechenden Titelbild, die EMG-Messanlage, im Newsletter vor. In diesem Newsletter steht der eigentlich wichtigste Teil im Fokus, wie es das Titelbild zum Ausdruck bringt. Es ist die Eingangstufe mit dem hochwertigen Instrumentations-Verstärker INA111. Übrigens, die eher selten verwendete Bezeichnung „Echter Differenzverstärker“ ist identisch mit dem Begriff Intstrumentationsverstärker.

Zur Realisierung der Verstärkung benötigt der INA111 nur gerade einen  Widerstand. Man liest es im INA111-Datenblatt RG (Figure 1: Basis-Connections, Seite 7). Bei einem Wert von 500 Ohm ergibt es via Gegenkopplung eine fixe Verstärkung von 100. Diese 500 Ohm sind im Titelbild und in Bild 3 mit zwei Präzisions Metallschicht-Widerständen R11 und R12 aufgeteilt.Die Widerstands-Toleranz beträgt je 1%. Man erkennt dies an der Zahl 1 im Widerstand.

Diese Aufteilung macht hier Sinn, wegen der zusätzlichen Schutzschaltung mit zwei LED mit grünem Licht (LD1 und LD2). Diese zusätzlich wirksame Schutzmethode, scheint etwas exotisch. Ich habe sie in der Literatur nirgends entdeckt. Das heisst, hat jemand diesen Trick auch schon angewendet, wäre ich an einem EMail-Kontakt interessiert.  Wie diese beiden LEDs schützen, zusätzlich mit den Transistoren T1 bis T4 in Funktion als Dioden, erklärt der Elektronik-Minikurs.

Die vollständige Erklärung des eingangsseitigen Verstärker beginnt mit Bild 3 und dem Titel „EMG-Vorverstärker-Deluxe“ und der zugehörigen Erklärung. Man erreicht diese Stelle mit hinunterscrollen. Ein anklickbarer Link für den Sprung zu Bild 3 fehlt mit der Absicht, dass es sich lohnt, beim langsamen hinunterscrollen, etwas vom Inhalt dazwischen zu erfahren. Eine Art Spaziergang. 😉

Unter dem Titel „Wichtige Links gleich am Anfang!“ hat es zwei weitere kleine EMG-Geräte-Links mit Batteriebetrieb. Im Link 9 ist es den „EMG-Testgenerator“. Im Link 10 den „EMG-Elektroden-Impedanztester“. Die genaueren Details liest man ebenfalls hier:

Echter Differenzverstärker IV: Anwendung mit EMG


Netzteilzusatz erzeugt symmetrische Spannung am Ausgang

Für das Titelbild im Newsletter zu sehen, bitte den folgenden Link anklicken: /public/schaerer/bilder/artgndt2.gif

Viele Labornetzgeräte arbeiten im Single-Supply-Modus. Das heisst, der Spannungs-Ausgang besteht aus einem Plus- und aus einem Minus-Pol. Nun kommt man in die Situation, bei der man ein zweites Labornetzgerät benötigt, um diesese beiden Geräte in Serie zu schalten, weil man eine Schaltung testen und vielleicht bearbeiten will, die eine symmetrische Betriebsspannung von z.B. ±12V benötigt. Dies bezeichnet man den Dual-Supply-Modus.

Dabei sollte man beide Spannungen gemeinsam steuern. Das funktioniert halbwegs zufriedenstellend, weil man schliesslich zwei Hände hat. Jede Hand an einem Poti. Wenn es aber wirklich genau sein sollte, ist das von Anfang bis zur Endeinstellung problematisch. Man weiss zudem auch nicht, ob das unregelmässige Hoch- und auch das Runterfahren mit den beiden Spannungsquellen Probleme bereiten können im Testobjekt. Unter Umständen kann das mehr lästig als lustig sein. Genau dem wollen wir hier mit diesem Elektronik-Minikurs abhelfen.

Wie das geht, beschreibt dieser neue Elektronik-Minikurs….

Netzteilzusatz erzeugt symmetrische Spannung

Gruss Euer  ELKO-Thomas


UPDATE: Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und Bandgap-Spannungsreferenz


Dies ist das Titelbild zum neuen Kapitel 10 mit dem Untertitel „Steuerbare präzise Konstant-Stromquelle“ mit den zwei Schaltungen in den Bilder 8 und 9. Funktionell sind beide Schaltungen identisch. Der einzige Unterschied besteht darin, Bild 8 hat als Leistungs-Endstufe eine Darlington-Schaltung (T1, T2) und Bild 9 eine MOSFET-Schaltung (T).

RL bedeutet Lastwiderstand, wobei es kann irgend etwas sein, das elektrisch leitend ist, um dieses Objekt zu testen. Eine Variante zum Widerstand wäre z.B. eine Silizium-Leistungsdiode. Das L steht hier für Leistung.

Die Schaltungen in Bild 8 und 9 sind für den Lern- und Experimentierzweck für niedrige Maximalströme im unteren 100-mA-Berbeich realisiert. Mit einem „kräftigen“ Darlington ist mehr möglich. Begrenzend für den Ausgang des Operationsverstärker (Opamp OA) kann der Basisstrom sein.
Will man dieses Problem gleich am Anfang umgehen, entscheidet man sich für die MOSFET-Version in Bild 9.

Die Präzision des Stromes ist bedingt durch die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Opamp OA. Für eine hochstabile Spannung sorgt eine Bandgap-Referenz (LM385). Zur Einstellung der Spannung dient das Potmeter P. Alternativ kann es auch eine externe
Spannungsquelle (EXT.U) sein. Die Gegenkopplung sorgt dafür, dass am Strommess-Widerstand die selbe Spannung liegt, wie am nichtinvertierenden Eingang des Opamps OA.

Der Strommess-Widerstand erzeugt die Spannung in Funktion des Stromes. Man misst die Spannung und berechnet den Strom. Alternativ mit einem Multimeter direkt in der +Ub-Leitung kann man ebenfalls den Strom messen. Warum das Kurzschliessen (S2) des Multimeters den konstanten Strom nicht verändert, liest man in diesem Elektronik-Minikurs:

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Geschichte – Funkeninduktor und Fritter (Kohärer)

Hier wird mit praktischen Beispielen erzählt, wie die Funktechnik im vorletzten Jahrhundert, noch bevor die Radioröhre erfunden war, ihren Anfang nahm. Es begann alles mit Hochspannung, Blitzen und Metallpulver (Fritter, Kohärer)! Das aktuelle Update besteht in der Erweiterung zum Röhrenzeitalter im Kapitel 11.

Gegen Ende des vorletzten Jahrhunderts begann die Epoche der drahtlosen Telegraphie mit gedämpften Wellen durch den Einsatz von starken Funkensendern und mechanisch aufgebauten und subtil abgestimmten Fritter-Empfängern, auch Kohärer-Empfänger genannt. Im ersten Weltkrieg waren solche Sendeanlagen für grosse Reichweiten intensiv im Einsatz. Im ersten Drittel des letzten Jahrhunderts bahnte sich bald das Ende an, als Lieben seine verstärkende Radioröhre, die Triode, erfand und die elektronische Sende- und Empfangstechnik mit der Übertragung von ungedämpften Schwingungen ihren Siegeszug antrat.

Dieser Geschichte-Elektronik-Minikurs zeigt auch, wie man selbst mit einem Funkeninduktor und einem selbstgebauten Fritter Funkversuche aus der Anfangszeit der Funkära durchführen kann. Es gibt auch einen kurzen Einblick in ein 100 Jahre altes Buch über Elektrotechnik und zeigt ausschnittweise wie damals Schaltungstechnik beschrieben wurden. Einen Kondensator musste man am Anfang natürlich selbst bauen… 🙂

Dies alles erfolgt in 9 Kapiteln. Gleich anschliessend in Kapitel 10 wird ein altes Lern-Baukastensystems mit dem Titel „Der KOSMOS-Radiomann“ vorgestellt. Aktuell und beliebt etwa in den 1950/1960-Jahren.

Ganz neu mit diesem Update ist Kapitel 11 mit dem Titel „Radio-Geschichte Schweiz“. Der Inhalt ist nicht von mir. Das Kapitel 11 beginnt mit einer kleinen Einführung. Darauf folgt der Link rein in die Geschichte. Das was gezeigt wird, fasziniert.

Warum die Schweizer Radio-Geschichte, ist schnell beantwortet. Ich habe als Schweizer selbst ein Teil dieser interessanten Geschichte miterlebt und auch zum Teil persönlich erfahren. So hatte ich z.B. als etwa 16-Jähriger die Gelegenheit einer privaten Führung durch die technischen Anlagen von Radio Sottens (westschweizer Landessender).

Gruss Euer
ELKO-Thomas


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.