Autor: Thomas Schaerer

Das EMG-Biofeedback-Gerät

Thomas Schaerer

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

Thomas Schaerer

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

Thomas Schaerer

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)

Thomas Schaerer

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

Thomas Schaerer

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

UPDATE: Das SC-Filter, eine kurze Einführung

Thomas Schaerer

Zuerst eine kritische Betrachtung: Sind Switched-Capacitor-Filter (SC-Filter) im Zeitalter der zunehmenden Digitalisierung analoger Signale überhaupt noch aktuell, denn nicht erst seit heute werden Filterfunktionen digital, z.B. mit so genannten Digitalen Signalprozessoren (DSP), realisiert. In der Tat, SC-Filter sind trotzdem noch immer sehr gefragt, wie eine Nachfrage beim Bauteile-Distributor Mouser ergab. Auch RS-Online und Farnell sind in diesem Sektor noch aktiv.

Dieser SC-Filter-Elektronik-Minikurs ist die Einleitung für alle andern Elektronik-Minikurse bei denen das SC-Filter Teil eines Ganzen ist oder es ist das zentrale Thema. Bilder und Texte sind neu überarbeitet.

Im Kapitel „Warum SC-Filter?“ geht es um die bedeutungsvollen Vorteile gegenüber den aktiven RC-Filterschaltungen, wobei auch die Nachteile deutlich thematisiert sind. Diese Vorteile und Nachteile begleiten uns immer wieder in der gesamten Einführung und ebenso in den zum Teil weiteren fünf Elektronik-Minikursen, wo SC-Filters im Einsatz sind. Linkliste am Schluss.

Die Funktionsweise leicht und praxisorientiert erklärt. Wozu das Taktsignal? Was bewirkt das Abtasten des analogen Signals und warum dürfen sich die Steuersignale nicht überlappen? Eine einfache digitale Schaltung zeigt, wie man eine Non-Overlapping-Schaltung leicht selbst realisieren kann. Eine solche Schaltung kann auch für eine ganz andere Anwendung nützlich sein. Dies betrifft in der Andeutung die Teilbilder 1, 2a und 2b hier im Titelbild.

Das SC-Filter ist ein getastetes System und darum erscheinen die analogen Spannungen am Ausgang mit feinen Stufen. Stört dies, muss man zusätzlich zeitkontinuierlich mit einem RC-Tiefpassfilter (Smoothing-Filter) dämpfen, was aber oft mit einem passiven RC-Filter, je nach Anwendung, genügt. Das exakt selbe RC-Filter gehört an den Eingang des SC-Filters für die Antialiasing-Funktion. Teilbild 3 zeigt eine Deluxe-Ausführung mit je einem Butterworth-Tiefpass 2. Ordnung.

Teilbilder 4 und  5 deuten darauf hin, welchen Aufwand die Realisierung eines aktiven RC-Tiefpassfilter 8. Ordnung verursacht im Vergleich mit einem SC-Tiefpassfilter mit den selben Eigenschaften. Nicht vergessen, man kann beim Experimentieren mit diesen ICs einiges lernen…

Gruss Euer
ELKO-Thomas

EMG-Elektroden-Impedanztester

Thomas Schaerer

Im Laufe von vielen Jahren sind einige Elektronik-Minikurse entstanden, welche sich auch mit der Elektromyographie (EMG) befassen und es gibt solche, welche EMG zum Hauptthema haben. Etwas speziell ist das intramuskuläre Messen elektromyographischer Signale (iEMG).

Gerade hier ist es wünschenswert, nach dem Implantieren von sehr dünnen Drahtelektroden, zu messen, ob die Elektroden Kontakt haben mit dem Muskelgewebe oder ob ein Unterbruch oder ein Kurzschluss besteht. Wenn Kontakt vorhanden, ist es sinnvoll etwas über den elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden im Muskelgewebe zu erfahren. Diese Ohmwerte sind stets ungenau. Es geht dabei um Richt- bzw. Erfahrungswerte. Deshalb die Grobanzeige mittels LED-Balkenanzeige. Die „graue“ LED im Titelbild bedeutet reduzierte Leuchtstärke und ein Widerstandswert von etwa 200 k-Ohm. Für intramuskuläres Messen ein realistischer Wert. Wenn mehr als etwa 2.5 M-Ohm oder bei offenem Kontakt, leuchten alle LEDs.

Mit der Eingabe von ELEKTRONIK und ELEKTROMYOGRAPHIE  in Google, findet man auf der ersten Seite zwei ELKO-Links (emg1.htm, emg_pps.htm) zu dieser Thematik mit zusätzlichen Informationen, zum Teil in weiteren Links.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung

Thomas Schaerer

Der Text wurde vollständig überarbeitet und verbessert mit einer Ergänzung für den Einsatz in elektromedizinischen Anwendungen. Dabei steht, auf Grund von meinen eigenen Erfahrungen, stets die Elektro-Myographie (EMG) im Fokus. Ursprünglich diente die praktische Schaltung (Bild 5) im Einsatz für einen speziellen Audiometriemessplatz.

In Zusammenhang mit hoch empfindlichen EMG-Messungen, wird die Alternative thematisiert, wie gut eignet sich anstelle eines relativ schwer gewichtigen Netzteiles mit einem Ringkerntrafo, ein moderner Schaltregler, konzipiert für die medizinische Anwendung, mit den selben Ausgangsleistungen. Die Verlustleistung ist, wie zu erwarten, minimal, die Isolationsspannung perfekt der Norm entsprechend und ebenso der sehr niedrige Erdableitstrom. Bedenklich sind jedoch die Störspannungen bis zu 100 mV, teils auch mehr, bei einer Frequenzbandbreite von z.B. 20 MHz. Wegen den oft komplexen parasitären Effekten (u.a. Streueffekte) ist die Entstörung oft nur mangelhaft realisierbar und bleibt unbefriedigt.

Geht es um Netzteile, gibt es manchmal auch Probleme mit Störungen wegen dem Gleichrichter. Neu thematisiert ist die Tatsache, dass auch Gleichrichter-Dioden im Einsatz mittel- bis hochfrequent stören. Thematisiert wie bisher, jedoch etwas differenzierter, ist das Störverhalten vom digitalen zum benachbarten analogen Teil innerhalb einer signalverarbeitenden Schaltung.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

 

Stromspiegel-Schaltungen

Thomas Schaerer

Es gibt drei Elektronik-Minikurse zum Thema Konstantstromquelle. Thematisiert sind u.a. Schaltungen mit Transistor und LED. Dies eignet sich für viele Anwendungen. Die LED als Referenzspannung, weil sie den selben negativen Temperatur-Koeffizienten aufweist wie die der Basis-Emitter-Spannung eines Silizium-Transistors (BJT) von -2mV/K. Mit LED und Transistor gibt es auch die Methode des Konstantstromzweipol, ähnlich wie man dies mit JFET und Widerstand, in einfachster Form, kennt.

Eine besonders stabile konstante Stromquelle besteht aus Bandgap-Referenz, Operationsverstärker und Transistor. Ersetzt man die eingangsseitige Bandgap-Referenz durch einen Widerstand und speist diesen mit einem variablen Strom, erzeugt dies am Ausgang der Schaltung ebenfalls einen variablen Strom (Spiegelfunktion), der, trotz dieser Veränderbarkeit, in dem Sinne hochstabil ist, wenn die Betriebsspannung oder der Lastwiderstand am Ausgang sich in einem zulässigen Bereich ändert. Damit sind wir beim Thema STROMSPIEGEL, wobei der Stromspiegel, realisiert nur mit Transistoren nicht dazu gehört. Dieses Thema folgt später in einem Update. Dafür zeigt ein praktisches Beispiel wie eine variable Stromquelle mit LED und Transistor dem Zweck dient, eine Stromspiegelschaltung dynamisch zu testen, – sofern die Einfachheit für die Anwendung genügt.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Der 555-CMOS-Timer als Impulsbreitenmodulator (PWM)….

Thomas Schaerer

Der vollständige Titel lautet „Der 555-CMOS-Timer als Impulsbreitenmodulator (PWM) zur Steuerung eines kleinen DC-Ventilators“. Dieser vollständige Titel ist zu lang für die Titelzeile und er vermittelt nicht das eigentliche Ziel dieses Update.

Der Kern liegt in den elektronischen Details, die auch für andere Projekte nützlich sein können. Hier habe ich in Wort und Bild einiges verbessert und erweitert. Ursprünglich ging es um die PWM-Anwendung für einen kleinen DC-Tischventilator mit einer kleinen Leistung von 6 Watt. Mit entsprechenden Ergänzungen, kann man mit der selben Basisschaltung, PWM-Erzeugung mit einem LMC555 oder TLC555 (kein NE555) inklusive Anlaufbeschleunigung, leistungsstärkere DC-Motoren betreiben. Neu ist eine Version mit einem DC-Motor für 24 VDC und maximal 3 A, angedeutet hier im Titelbild mit Bild 1.

Damit die Belastung am Ausgang keine Rückwirkung haben kann auf die Elektronik, die das PWM-Signal erzeugt, eignet sich eine Treiberstufe. Dazu eignet sich durchaus einen zweiten LMC555 oder TLC555 oder aber eine diskrete Schaltung mit zwei Transistoren (BJT). In Bild 2 sieht man eine solche, zwischen Komparator und MOSFET-Schaltstufe.

Dieser Elektronik-Minikurs gehört zur Gruppe, die sich mit der CMOS-Version des 555-Timers (LMC555, TLC555) mit praktischen Anwendungen beschäftigt. Weil hier PWM ein zentrales Thema ist und es zu einem interessanten Vergleich kommt, ist neu die PWM-Methode mit Dreieckgenerator und Komparator mit Pegelshifting ein Thema mit ebenfalls einer praktischen Anwendung. Beide Schaltungs-Varianten haben ihren eigenen Vorteil. Worin dieser besteht wird im neusten Update erklärt. In Bild 2, mit dem Dreieck-Generator, fehlt die ANLAUF-Funktion. Sie ist, wenn überhaupt notwendig, ein Teil der Schaltung, welche die Steuerspannung /Ut liefert. Die seltsame Bezeichnung /Ut ist im Minikurs erklärt und hat seinen Sinn.

Eine Komparatorschaltung neigt oft zum kurzzeitigen Oszillieren (Burst) während der Schaltflanke am Ausgang. In diesem Zustand tritt eine sehr hohe Verstärkung in Erscheinung. Auslöser für solche Bursts sind oft parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, gegeben u.a. durch die Leiterbahnen. Auch diese Angelegenheit ist hier thematisiert und ebenso auch gleich der „mysteriöse“ Widerstand am Gate-Eingang eines Leistungs-MOSFET.

Gruss Euer
ELKO-Thomas