Autor: Thomas Schaerer

Ein 50-Hz-Notchfilter setzt man ein um Störeinflüsse der Netzspannung zu unterdrücken. Eine Filterbank besteht aus vielen solchen Filtern, hier in SC-Technik.

Misst man sehr kleine bioelektrische Signale, wie z.B. elektromyographische (EMG), muss man mit der Einwirkung von der 50-Hz-Netzspannung, kapazitiv eingekoppelt, rechnen, weil die Quellimpedanzen (Elektroden) oft sehr hochohmig sind. Dies, obwohl mit sogenannten Instrumentationsverstärkern differenziell gemessen wird. Der genannte Störeinfluss erfolgt zwar weitgehendst als Gleichtaktsignal. Deshalb wird das Störsignal stark gedämpft, jedoch oft ungenügend. Darum empfiehlt es sich nach verstärktem Signal, diesem zusätzlich den 50-Hz-Störanteil herauszufiltern. Der vorliegende Elektronik-Minikurs beschreibt eine Notchfilterbank in SC-Technik für viele Messkanäle.

Dies ist der erste Teil, der sich mit der analogen Schaltung befasst. Der zweite Teil befasst sich mit der Erzeugung des Taktsignales, das mittels PLL-Schaltung aus der Netzfrequenz gewonnen wird. Dies jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt, der separat angekündigt wird.

Lerneffekte: Operations- und echter Differenzverstärker (Links zu bestehenden Kurse) ; analoges Notchfilter ; mit einem integriertem SC-Tiefpassfilter wird eine SC-Notchfilter-Schaltung realisiert ; aus nicht vollständig durchdachter Applicationnote einer Firma wird eine gute Schaltung ; Umgang mit den SC-Tiefpassfilter-ICs LTC1061 und MAX280 mit einer ganz speziellen Eigenschaft ; Grenzen der Anwendung wegen der Rauschspannung von SC-Filtern.

• 50-Hz-Notchfilterbank in SC-Filter-Technik (Teil 1)

Die Relativitätstheorie von Albert Einstein feiert dieses Jahr den 100. Geburtstag. Das TECHNORAMA in Winterthur (Schweiz) präsentiert dazu eine spannende Sonderausstellung vom 25. Februar 2005 bis 12. März 2006.

Einsteins Ratschläge für das Studium (aus der Zeitschrift zur Sonderausstellung des TECHNORAMA):

Einstein hielt es für besonders wichtig, dass sich ein junger Geist zunächst seinen Weg in der Welt der Phänomene sucht und ihm Formeln ganz und gar erspart bleiben.

Nach Albert Einstein sollten in der Physik die ersten Lektionen nur das enthalten, was experimentell darstellbar und interessant zum Anschauen ist. Ein reizvolles Experiment, betonte er, sei in sich selbst oft wertvoller als zwanzig Formeln, die man sich mühsam ausdenken müsse.

• SWISS TECHNORAMA SCIENCE CENTER

Nervenaktionsimpulse entlang den Nervenfasern steuern den Muskel. Je mehr Impulse pro Zeiteinheit den Muskel erreichen, um so mehr spannt dieser sich…

Wenn eine motorische Nervenzelle einen Muskel zur Kontraktion anregt, werden auf der Faser Aktionsimpulse übertragen. Dazu werden der Faser entlang jeweils nacheinander Natrium- und Kaliumionenkanäle geöffnet und geschlossen. Dieser Prozess setzt sich in Richtung zum Muskel fort. Öffnet sich der Natriumionenkanal, wird lokal der Innenraum mit positiver Ladung überflutet. Dadurch steigt die Spannung sprunghaft von etwa -70 mV auf etwa +30 mV an. Die Amplitude beträgt etwa 100 mV. Gleich danach öffnet sich der Kaliumionenkanal und der Ladungsausgleich findet statt. Dort wo vorher der Impuls war, stellt sich erneut die Ruhespannung von -70 mV wieder ein. Der Natrium-/Kalium-Ionenaustausch und der Aktionsimpuls breiten sich entlang der Faser in Richtung motorische Endplatte aus, wo der Muskel angeregt wird.

Die vorliegende Webseite geht in groben Zügen auf den neurologischen Hintergrund ein. Es wird gezeigt wozu intramuskuläre EMG-Messungen und wozu EMG-Messungen mit Oberfächenelektroden geeignet sind. Wie extrem dünne Drahtelektroden eingesetzt werden, wird thematisiert und es hat eine Minibauanleitung für einfache sehr preisgünstige Oberflächenelektroden. Das akustische EMG-Biofeedback und eine Blockschaltung dazu werden ebenso erläutert, wie die Grundlagen zur wissenschaftlichen EMG-Messung in groben Zügen, und dabei werden die wichtigen Stellen mit den sehr wichtigen galvanischen Trennungen hervorgehoben. Am Schluss folgt noch eine kleine Linksammlung.

• Elektro-Myographie (EMG), eine kleine Einführung

Verwendet man nur schon mittelgrosse Ringkerntrafos im unteren 100-VA-Bereich in Netzteilen, gibt es Probleme. Ohne Begrenzung des Einschaltstromstosses kann man sie kaum vernünftig einschalten.

Bei solchen Ringkerntrafos müssen superträge Sicherungen oft nur deswegen mit einem überhöhten Stromwert im Primärkreis eingesetzt werden, weil die Trägheit beim Nennstromwert nicht ausreicht. Dies jedoch reduziert die Betriebssicherheit der gesamten Netzteilschaltung. Der vorliegende Elektronik-Minikurs zeigt wie mit relativ geringem Aufwand dieses Problem gelöst werden kann. Trotzdem ist die Angelegenheit nicht ganz so einfach wie sie ausieht, wenn man Wert auf hohe Funktionssicherheit legt. In einer praktischen Anwendung wurde diese Schaltung mit geringfügigem Mehraufwand mit einer Antiploppschaltung für Audio-Leistungsendstufen erweitert. Die gesamte Schaltung wurde in einem Audiometriemessplatz erfolgreich eingesetzt.

Am 12.06.2005 wurde dieser Elektronik-Minikurs mit Lerninhalten wesentlich erweitert. Man muss mehr lesen, aber es lohnt sich! Man erlernt den praktischen Umgang mit NTC-Heissleitern im Einsatz zur Einschaltstrombegrenzung und welchen Trick man anwenden muss, damit der Heissleiter im Betriebszustand der Schaltung oder des Gerätes kalt bleibt. Dies wird an einem praktischen Beispiel mit Schaltschema und Diagrammen illustriert. Es wird gezeigt, dass das Zusammenspiel von hohem Einschaltstromimpuls durch den Trafo und der sekundären Gleichrichter-Elko-Schaltung komplex, aber trotzdem möglich ist, auch ohne grossen mathematischen oder/und simulativen Aufwand, Lösungen zu finden. Es wird die ewige Frage beantwortet, warum man NTCs und keine Leistungswiderstände einsetzen sollte und es wird am Beispiel des sogenannten zweiten Durchbruch bei bipolaren Transistoren erklärt, warum man NTCs nicht parallel schalten darf.

Die Schmelzsicherung mit den Eigenschaften von flink bis superträge und was das Ausschaltvermögen bedeutet, ist ein weiteres Thema, so auch der Kaltleiter (PTC) als Ersatz für Schmelzsicherungen. Überstromverursacher, wie Halogenglühlampen und Motoren, werden mit dem Trafo kurz verglichen und es gibt auch noch eine einfache Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung einer Halogenglühlampe mit einer Leistung von 250 W, welche sich in der Praxis bewährt hat.

• Einschaltstrombegrenzung für Netzteile mit mittelgrossen Ringkerntrafos

Dieser Beitrag unter meinen Elektronik-Minikursen besteht jetzt seit etwa 5 Jahren. Der Inhalt teilt sich auf in zwei Teile: Es geht um das schlammfreie Eisen-III-Chlorid und um den optimalen Umgang mit Schaumätzern.

Eine E-Mail eines Lesers meiner ELKO-Elektronik-Minikurse zeigte mir, dass es offenbar nicht ganz so leicht ist, einem Schaumätzer das optimale Schäumen beizubringen. Deshalb habe ich einen Teil des Textes überarbeitet und darin steht jetzt eine genaue Anleitung wie man es erfolgreich richtig macht. Man liest dies im Kapitel: Tipp beim Schaumätzen: Mit Bier gehts besser!

• UPGRADE: Schlammfreies Eisen-III-Chlorid und Schaumätzer mögen Bier!

Beim vorliegenden EMG-Testgenerator geht es um eine kleine Schaltung, die ein Signal erzeugt um zu testen ob eine EMG-Messanlage funktioniert oder nicht.

Das ist vor allem dann sinnvoll und im Einsatz effizient, wenn in einer Klinik ein Patient mit Elektroden an eine EMG-Messanlage angeschlossen ist und die Qualität der Wiedergabe des Signales zu wünschen übrig lässt. Da gibt es zunächst zwei unterschiedliche Möglichkeiten: Entweder stimmt mit der Elektrodenkontaktierung an der Haut oder im Muskelgewebe und/oder mit der Massenelektrode etwas nicht oder die Elektronik der EMG-Messanlage hat ihre schlechten Tage. Für diese Fälle eignet sich die hier vorgeschlagene Schaltung, die in extremst einfacher Weise die menschliche EMG-Signalquelle ersetzt, dafür aber schnell aussagt, ob die EMG-Messanlage in die Reparatur gehen muss oder nicht. Bei meinen Mitwirkungen bei EMG-Messungen hat diese batteriebetriebene Schaltung, verpackt in einem kleinen Gerätchen, oft hervorragende Dienste geleistet.

Es gibt einige elektronische Details die dem Azubi und sonst Interessierten etwas bietet. Aber zuerst einmal gibt es ein wenig Einführung darüber was Elektromyographie (EMG) überhaupt ist und worauf es bei Messungen ankommt. Die getriebene Abschirmung (Guard-Drive) zwecks Neutralisation der Schirmkapazität wird kurz gestreift. Wie der einfache Dreieck-Signalgenerator arbeitet und was dabei wichtig ist wird erklärt. Es wird auch erklärt warum die Schaltung mit zwei Opmaps überhaupt eine Dreieckspannung erzeugt. Ein wichtiges Thema dabei ist auch, wie man kleine Spannungen mit akzeptablem Signal/Rausch-Abstand realisiert und dazu hat es noch eine pfiffige kleine LED-Anzeige die anzeigt ob das Gerät eingeschaltet ist und ob die Batterie geladen oder entladen ist, aber auch dann noch einige Zeit weiter arbeitet.

• EMG-Testgenerator

Ursache zu diesem Elektronik-Minikurs sind E-Mails von ELKO-Lesern die zum Ausdruck brachten, dass sie Probleme haben mit der Anwendung von Impulsen die mit der Frequenz des 230-VAC-Netzes synchronisiert sind.

In der Diskussion stellte sich jeweils heraus, dass es darum ging diese Impulse mit dem Sinusnulldurchgang der 230-VAC-Netzspannung zu synchronisieren. Ich habe mich mit diesem Problem etwas auseinandergesetzt und daraus entstand dieser Elektronik-Minikurs, der die Probleme thematisiert, die sich ergeben, wenn die Sinusspannung gestört ist. Es geht dabei vor allem um die niederfrequenten Rundsteuersignale, welche u.v.a. dazu dienen den Strompreis zwischen Hoch- und Niedertarif umzuschalten. Es wird eine Methode mitTiefpassfilterung gezeigt, welche eine exakte Phasenverschiebung von 180 Grad hat. Damit wird die Triggerung beim Sinusnulldurchgang und eine sehr hohe Unterdrückung der Störspannung garantiert. Wenn es allerdings darauf ankommt, dass es zwischen dem Sinusnulldurchgang auf dem 230-VAC-Netz und dem Triggerimpuls keine Laufzeitverzögerung geben darf, wird dieganze Angelegenheit problematisch und darum geht es hier zur Hauptsache. Es werden keine fertigen Rezepte geliefert. Dieser Elektronik-Minikurs regt zum Mitmachen an. Mehr dazu liest man im Kurs.

Der Inhalt an Elektronik bietet abgesehen vom Hauptthema einiges. Man lernt worauf es ankommt, wenn die Eingangsspannung bei einem Opamp oder Komparator die Grenzen der Betriebsspannung überschreitet. Der Latchup-Effekt gehört dazu. Die Eigenschaft des LinCMOS-Opamp TLC271 mit programmierbarer Leistung und Geschwindigkeit. Der Umgang mit einem Optokoppler mit geringem LED-Strom und eine bipolare Betriebsspannung von ±5 VDC und 2 mA für den Betrieb einer sehr sparsamen Schaltung direkt aus der 230-VAC-Netzspannung, bestehend aus Widerständen, Elkos und Z-Dioden mit einer Brummspannung von bloss 0.6 mV gibt es auch und eine solche Schaltung kann man noch für ganz anderes einsetzen. Ich wünsche allgemein eine spannende Lektüre.

• Synchronisation mit dem 230-VAC-Sinus-Nulldurchgang

Man kann das traditionsreiche 555-Timer-IC in CMOS-Version (LMC555, TLC555) auch als präzisen Schmitt-Trigger einsetzen. Hier in einer Anwendung um ein 50-Hz-Taktsignal zu erzeugen das synchron mit der 230-VAC-Netzfrequenz arbeitet.

Den Titel habe ich leicht verändert. Er hiess früher mit CMOS-555-Timer und die 230-VAC-Netzfrequenzsynchronisation. Der Link ist der selbe geblieben und der Inhalt wurde etwas erweitert. Wenn jemand diese Seite im Bookmark seines Internet-Browsers hat, muss man nichts ändern. Das Hauptgewicht liegt neu auf der 230-VAC-Netzfrequenzsynchronisation und nicht mehr auf dem 555-Timer-IC. Trotzdem kommt hier die CMOS-Version des 555-Timer-IC zu einem speziellen Einsatz als Schmitt-Trigger, der auch für ganz andere Aufgaben nützlich sein kann. So kann dieser Elektronik-Minikurs auch für ELKO-Leser interessant sein, die gar nicht an der Synchronisation mit der 230-VAC-Netzspannung interessiert sind.

Der Inhalt beginnt mit einer einfachen Komparatorschaltung, die mittels positiver Rückkopplung eine Hysterese erzeugt. Dies ist dasgrundsätzliche Schaltbild eines Schmitt-Triggers. Dann geht es ans Innenleben des LMC555 und TLC555 und es folgt in der Funktion eines Schmitt-Triggers eine praktische Anwendungen als 230-VAC-Netzfrequenzsynchronisation. Im Falle der herkömmlichen Komparatorschaltung mit positiver Rückopplung und die mit dem 555-Timer-IC ist die Funktion des Schmitter-Trigger exakt und leichtverständlich beschrieben. Zum Schluss wird noch gezeigt was man betreffs Synchronisation mit der 230-VAC-Netzfrequenz auf gar keinen Fall tun darf!

• UPGRADE: 230-VAC-Netzfrequenzsynchronisation mit dem CMOS-555-Timer-IC

<img src="/public/schaerer/bilder/ota_t.gif" align="left" hspace="15" vspace="5" border="0" alt="ist ein OTA\“ /> und [Ein Dynamiklimiter mit dem OTA LM13700]Dieser Elektronik-Minikurs gibt es seit dem Juni 2002. Neu ist das Kapitel bekommt man den OTA LM13700? Dieses Kapitel musste überarbeitet werden.

Ich möchte an dieser Stelle diesen Elektronik-Minikurs erneut empfehlen, weil das IC und die Dynamiklimiterschaltung mit diesem IC noch immer aktuell und ein gutes Lehrstück ist den LM13700 kennenzulernen. Ein Dual-OTA von National-Semiconductor, den es im DIL- und im SOIC-Gehäuse gibt.

• [Was ist ein OTA und Dynamiklimiter mit dem OTA LM13700]

Jeder Elektroniker weiss, ein Elektrolytkondensator (Elko) eignet sich nur für Gleichspannung (DC-Spannung) und nicht für Wechselspannung (AC-Spannung), ausser es ist ein spezieller bipolarer Elko…

…wie er z.B. in passiven Filterschaltungen in Lautsprecherboxen zum Einsatz kommt. Diese Elkos sind spannungssymmetrisch, d.h. sie können in beiden Polarten mit der selben DC-Nennspannung betrieben werden. Diese Elkotypen unterscheiden sich äusserlich von den unipolaren Elkos nicht. Dies ist eigentlich soweit allgemein bekannt.

Wahrscheinlich wesentlich unbekannter ist eine ganze spezielle Art des polarisierten Aluminium-Festkörperelektrolyt-Kondensators (Alu-Elko), welcher eine inverse DC-Spannung von 30 % der DC-Nennspannung zulässt und sogar maximal eine AC-Spannung von 80 % der DC-Nennspannung aushält. Man beachte das Datenblatt! Diese Elkos sehen dem Tantal-Tropfen-Elko sehr ähnlich, seine elektrischen Eigenschaften sind allerdings sehr unterschiedlich. Ein gewöhnlicher Tantal-Tropfen-Elko erträgt nicht die geringste invertierte DC-Spannung, von AC-Spannung wollen wir schon gar nicht reden und es gefällt ihm auch nicht, wenn er zu niederohmig ge- oder entladen wird. Auch das quittiert er sehr gerne mit Kurzschluss. Ganz im Gegensatz dieser spezielle Alu-Elko, der locker mit einem Seriewiderstand von 0 Ohm das stossartige Laden und Entladen zulässt und es gefällt ihm, wie schon oben erwähnt, von der Tradition des gewöhnlichen Elko drastisch abzuweichen. Betreffs Leckstrom hält er mit maximal wenigen Micro-Ampere mit andern modernen Alu-Elkos mit. In diesem Punkt schneidet der Tantal-Tropfen-Elko etwas besser ab. Nebenbei sei an dieser Stelle erwähnt, dass Tantal ein seltender Rohstoff ist! Man sollte sparsam mit ihm umgehen.

• Spezieller Alu-Elko für Wechselspannungseinsatz