Autor: Thomas Schaerer

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

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

Dieser Elektronik-Minikurs zeigt wie man mittels preiswerten CMOS-ICs Spannungsverdoppler und Spannungsspiegel realisieren kann und wie mit einfacher Methode stabilisierte Spannungen erzeugt werden können.

Schritt für Schritt wird eingeführt, wie mit geringer Leistung eine höhere stabilisierte Spannung (Hilfsspannung) als die Betriebsspannung ist, realisiert werden kann. Es kommt ein LM317L zum Einsatz. Die selbe Grundschaltung ermöglicht es, mit geringfügiger Änderung, einen Spannungsspiegel oder einen negativen Spannungsverdoppler zu realisieren. Zur Stabiliserung kommt ein LM337L zum Einsatz. Zum Schluss gesellt sich noch ein Zweiphasenspannungsvervielfacher. Weil es hier wichtig ist, wird noch speziell auf die Bedeutung der Abblockkondensatoren eingegangen.

• Positive und negative Zusatzspannung aus Gleichspannung

Dass die Weltgeschichte in Blut gebadet ist, wissen alle, welche die Geschichte objektiv wahrnehmen. Dass aber die Geschichte der Elektrotechnik auch ihre dunklen Kapitel hat, von denen nur wenige Bescheid wissen, liest man u.a. im folgenen Bericht:

Wenn man von Edison hört, denkt man sogleich an die vielen Erfindungen. So baute er im Jahre 1876 das erste Mikrophon, das Kohle-Mikrophon, das bis in die 1970er-Jahre in den Telefonapparaten zum Einsatz kam. Nur zwei Jahre später baute Edison seine Sprechmaschine, den Phonographen und schon ein Jahr später kam die Erfindung der Glühlampe hinzu, die bis heute noch vielseitig zum Einsatz kommt. Edison leistete auch Verbesserungen in der Akkumulatorentechnik und man vergesse nicht, dass das Schraubgewinde des Glühlampensockels, den Namen Edisongewinde trägt.

Bei all diesen wertvollen Erfindungen, wundert es nicht, wenn dieser Erfinder auch noch heute verehrt wird. Kaum jemand kennt, oder besser gesagt, kaum jemand kannte auch die dunkle und unehrenhafte Vergangenheit des Erfinders Thomas Alva Edison. All diejenigen welche die ZDF-Expeditionssendung X: Der Stromkrieg – Edisons mörderischer Plan vom 10.10.2004 gesehen haben, wurden eines Besseren belehrt. Dieses dunkle Kapitel in Edisons Wirken streicht dieser neuste Beitrag zur Geschichte der Elektrotechnik hervor. Das was damals passierte, sollte nicht nur der ELKO-Leser wissen. Ich denke es ist wichtig, dass diese Inhalte, welche kaum in den Lexika nachzulesen sind, der Allgemeinheit bekannt sind. Man sollte sie weiter erzählen.

Im Schatten Thomas Alva Edisons wirkte damals Nikola Tesla, ein Erfinder dem zu Lebzeiten bis heute eine verdiente Würdigung versagt blieb. Hier etwas Licht ins Dunkel zu bringen, war meine zweite Motivation diesen Beitrag zu schreiben. Tesla war der eigentliche Erfinder der elektrotechnischen Zukunft. Er erfand den Wechselstrom und den Drehstrom der rasch seinen Siegeszug antrat und weltweit Anwendung fand. Ohne diese Erfindung von Tesla gäbe es die heutige Selbstverständlichkeit der Elektrizität mit ihrer enorm vielseitigen Anwendung nicht! Tesla hat in seinem Leben mehr als 700 Patente eingereicht. Dass Tesla und andere bei ihren Arbeiten an Projekten in Sachen Energie verfolgt worden sind, wird ebenso thematisiert.

Ich hoffe, dass es mir gelingt, einen bescheidenen Beitrag zu leisten, damit objektives Wissen allzu wirklichkeitsverzerrte Vorstellungen über den Erfinder Thomas Alva Edison für immer beseitigt und sein Gegenspieler und genialen Erfinder Nikola Tesla bekannter zu machen. Gewiss, man darf und soll den Erfinder Edison für seine wirklichen technischen Erfindungen würdigen, man möge aber ebenso niemals seine moralisch entsetzliche Praxis der Propaganda vergessen. Mehr dazu liest man in:

• Der Stromkrieg zwischen Edison und Tesla, und Teslas Wirken

Dieser Elektronik-Minikurs, der seit 26.06.2002 besteht, wurde mit dem Ziel überarbeitet, dass der Inhalt verständlicher wird. Neu sind auch viele Links, die auf andere geeignete und teils ergänzende Elektronik-Minikurse hinweisen.

Es hat sich gezeigt, dass viele Elektronikanfänger Probleme haben die Elektronik-Minikurse über die echten Differenzverstärker zu verstehen. Dies kommt davon, dass grundlegendes Wissen über den Operationsverstärker (Opamp) oft fehlt. Die Grundlagen von Patrick Schnabel vermitteln u.a. das Wissen wie man einfache invertierende und nichtinvertierende Verstärkerschaltungen berechnet. Das ist gut und wichtig. Diese Links findet man, wie bisher, in diesem Elektronik-Minikurs gleich zu Beginn in der Einleitung.

Allerdings ermöglicht dieses Wissen noch nicht zu verstehen, wie eine Verstärkerschaltung mit einem Opamp wirklich funktioniert. Dazu genügen Formeln und Zahlen alleine nicht. Man muss eine solche Schaltung anschauen und es gehören Worte dazu mit denen das Verständnis vermittelt und vertieft wird.

Opamps sind wesentlich komplexer als es beim Elektronikbeginner (Azubi) den Anschein erweckt. Dies kommt hier darin zum Ausdruck, dass ein Kapitel sich nicht nur gerade auf den Titel beschränkt. So steht im ersten Kapitel das Thema der virtuellen Masse (GND) auch in einem gewissen Zusammenhang mit der Geschwindigkeit des Opamp und dessen Regeleigenschaft wenn die Gegenkopplung wirkt. Dieses Thema wird im neuesten Elektronik-Minikurs III vertieft.

Es geht aber auch um die Dimensionierung einfacher Verstärkerschaltungen, die Gleichspannungen (DC-Spannungen) und Wechselspannungen (AC-Spannungen) oder nur AC-Spannungen verstärken. Man lernt dabei worauf es ankommt, wie eine solche Schaltung bei bipolarer Speisung (±Ub und GND) oder bei unipolarer Speisung (+Ub und GND) richtig betrieben wird und wie eine zusätzliche Schaltung zur DC-Offsetkompensation realisiert und eingesetzt wird. Dieses Thema wird aber speziell in II (siehe zweiter Link) vertieft.

Ebenfalls thematisiert wird hier der Aussteuerungsbereich des Opamp und was man tun muss, damit diese symmetrisch zur Betriebsspannung erfolgt. Wenn eine Verstärkerschaltung mit bloss einer Betriebsspannung (unipolar) betrieben werden muss, darf man eine Verstärkerschaltung nicht mit GND, sondern man muss sie in der Regel mit der halben Betriebsspannung referenzieren. Es wird hier gezeigt, welche Schaltungsmethoden zu welchen Anforderungen geeignet sind. Zuletzt wird noch angedeutet wie eine Schaltung zur Erzeugung eines virtuellen GND grundsätzlich realisiert wird, die entsprechend ausgebaut, auch bei höheren Strömen im Ampere-Bereich aktiv anstelle einer bipolaren Spannungsquelle eingesetzt werden kann.

An dieser Stelle muss einmal klargestellt werden, dass die Angelegenheiten der Operationsverstärker derart umfangreich und komplex sind, dass meine Elektronik-Minikurse zu diesem Thema nie vollständig sein können und deshalb weitere Literatur hinzugezogen werden muss. Kurse im ELKO sind stets das was sie sind und sein wollen: Begleitendes und praxisorientiertes Unterrichtsmaterial.

• UPGRADE: Operationsverstärker I

• Operationsverstärker II

Dieser Elektronik-Minikurs über Operationsverstärker beschäftigt sich speziell mit dem Thema der virtuellen Spannung, bzw. virtuellen GND, da nicht wenige Azubis Probleme haben zu verstehen wie es dazu kommt.

Ein möglicher Weg zum Verständnis beginnt mit dem einfachen Impedanzwandler, dem vollständig gegengekoppelten Operationsverstärker als Verstärker mit einer Verstärkung von 1, bei dem offensichtlich ist, dass die Spannung am invertierenden Eingang, die stets die virtuelle Spannung oder die virtuelle Masse (virtueller GND) ist, identisch ist mit der Ausgangsspannung des Opamp und diese ist stets sehr niederohmig. Genau das selbe trifft zu, wenn die virtuelle Spannung am invertierenden Eingang nur ein Teil der Ausgangsspannung beträgt, wie diese im einfachsten Falle mit zwei Widerständen als spannungsteilendes Gegenkopplungsnetzwerk erzeugt wird. Es wird erläutert, dass der virtuelle GND mit seinem extrem niederohmigen Quellwiderstand die Folge eines Regelungsprozesses, gegeben durch die sehr hohe Leerlaufverstärkung, ist, während der echte GND eine statisch feste Referenz zu einer Spannung ist.

Im Nebenschauplatz liest man etwas zur endlichen Geschwindigkeit des Opamp, über den Slewrate und darüber welche Auswirkung die äquivalente DC-Offsetspannung bei hoher Verstärkung hat.

• Operationsverstärker III

Lerninhalte:

Man erlernt das Prinzip dieser Konstantstromquelle und am Schluss kann jeder seine eigene LED-Testschaltung bauen und versteht wie sie funktioniert. Das kleine Bild deutet an, wie die Konstantstromquelle, bzw, der LED-Tester arbeitet. Der Azubi lernt schrittweise die Wirkungsweise dieser Konstantstromquelle kennen. Es beginnt mit der einfachsten Opamp-Schaltung, mit dem Impedanzwandler. Im folgenden Schritt wird erst eine Diode im Gegenkopplungspfad eingebaut und wir analysieren die Spannungen. Im nächsten Schritt wird an Stelle der Diode die Basis-Emitterstrecke eines Transistors eingebaut und ein Widerstand zwischen Emitter und GND definiert in Abhängigkeit der Eingangsspannung den konstanten Kollektorstrom. Konstant im Sinne davon, dass der Strom unabhängig des Widerstandes im Kollektorkreis auf einem stabilen Wert bleibt. Damit ist die Konstantstromquelle realisiert. So ideal wie es jetzt aussieht, ist es aber trotzdem nicht, wenn es ganz genau sein soll: Stichwort Early-Effekt, dessen Auswirkung kurz erklärt wird.

Im naechsten Schritt erlernt man die Unterschiede der bipolaren Opamps, nämlich solche mit NPN- und PNP-Eingangs-Transistoren. Und man lernt, warum sich in diesem Projekt nur Opamps mit NPN-Eingangs-Transistoren, von denen es sehr viele gibt, eignen. Es wird aber auch gezeigt, dass durchaus auch gewisse BiFET-Opamps in Frage kommen.

Im naechsten Schritt folgt die vollständige Dimensionierung einer solchen Konstantstromquelle und im letzten Teil folgt die Schaltung des LED-Testers mit umschaltbaren Konstantströmen mit Werten 1, 2, 5, 10, 20 und 50 mA.

• Konstantstromquelle mit Bandgap-Spannungsreferenz und Opamp, und eine LED-Testschaltung