Autor: Thomas Schaerer

Operationsverstärker IV: Störprobleme

Thomas Schaerer

Dieser neue vierte Elektronik-Minikurs zum Thema Operationsverstärker (Opamp) befasst sich mit unterschiedlichen Störproblemen bei Opamp-Schaltungen. Es beginnt mit der störarmen Beschaltung. Es gilt der elementare Grundsatz, dass eine analoge signalverstärkende oder signalverarbeitende Schaltung so niederohmig wie möglich realisiert sein sollte. Dies reduziert das Risiko der parasitär-kapazitiven Einkopplung von elektrischen Wechselfeldern. Eine solche Störquelle ist oft in unmittelbarer Nähe, nämlich eine parallele Leiterbahn…

Teilbild 1: Eine empfindliche Stelle der parasitären Einkopplung beim Opamp ist der invertierende Eingang, weil dieser, als virtueller GND, auf einen niedrigen Strom empfindlich reagiert und so in R2 und somit auch am Ausgang Ua die Störspannung Us verstärkt wiedergibt. Ähnliches gilt bei nichtinvertierendem Eingang, jedoch ist die Funktionsweise etwas anders. Der Strom wirkt direkt auf R3. Die Störspannung liegt an R3 und wird durch „(R2/R1)+1“ verstärkt. Us ist die Stör- oder im Speziellen die 50-Hz-Brummspannung. Der Zeigefinger illustriert das spielerische Experiment. Je näher der Zeigefinger beim invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang ist, um so grösser ist die Kapazität Cx im unteren pf-Bereich.

Teilbild 2: Hier geht es um eine reale Störsituation. Der punktierte Bereich der beiden parallelen Leiterbahnen bilden die Kapazität Cx. Wenn Us eine Rechteckspannung im unteren Volt-Bereich aufweist, z.B. als Teil einer benachbarten digitalen Schaltung, dann wird Us im Bereich von Cx in den Abschnitt der Leiterbahn zum invertierenden Eingang eingekoppelt mit der entsprechenden Auswirkung auf Ua. Der nichtinvertierende Eingang ist hier mit GND verbunden, weil nur die Störspannung zum Ausdruck kommen soll. Warum diese als feine Nadelimpulse gezeichnet sind, erfährt man im Minikurs.

Die Teilbilder 3 bis 5 zeigen, dass die Bahnlänge zum invertierenden Eingang so kurz wie möglich gehalten werden sollte. Dies erreicht man, wenn die Bauteile (hier R1 und R2) möglichst nahe beim invertierenden Eingang verlötet sind. Häufig verwendet man zur Kalibrierung oder Steuerung der Verstärkung eine Kombination aus Widerstand und (Trimm-)Potmeter. Es versteht sich von selbst, dass R2 so nahe wie möglich beim invertierenden Eingang liegt.

Viel Spass beim Lesen des neuen vierten Opamp-Minikurses.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Echter Differenzverstärker III

Thomas Schaerer

Neu in der Einleitung: Die zum Experimentieren und Gebrauch empfohlenen gut bekannten JFET-Operationsverstärker TL061…TL064, TL71…TL074, TL081…TL084 und LF356 werden mit Datenblattzugriff vorgestellt und in den hier wichtigen Daten miteinander verglichen. Das sind die äquivalente Rauschspannungsdichte in nV/root(Hz), die Unity-Gain-Bandbreite in MHz und die Slewrate in V/µs.

Das neue Kapitel lautet „DAS GEGENTEIL DES INSTRUMENTATIONSVERSTÄRKERS“. Dies hat mit der Funktionsumkehr zu tun. Der Instrumentationsverstärker bezieht eine symmetrische (differenzielle) Eingangsspannung und liefert in der Regel eine asymmetrische Ausgangsspannung, bezogen auf GND, bei symmetrischer Speisung (±Ub) der Schaltung. Das Gegenteil davon ist eine Schaltung die eine asymmetrische Spannung bezieht und eine symmetrische Spannung liefert. Für beides gibt es fertige integrierte Bausteine. Uns interessiert hier, wie man auch das „Gegenteil“ selbst realisieren kann mit herkömmlichen und leicht erhältlichen Opamps.

Man beachte dazu das Titelbild. Teilbild 1 zeigt den typischen Instrumentationsverstärker. Den ersten Teil davon fokussieren wir in Teilbild 2. In Teilbild 3 verschwindet Ue2 am nichtinvertierenden Eingang (Opamp A2). Dieser wird mit GND verbunden. Damit haben wir das was wir wollen, ein Asymmetrie/Symmetrie-Wandler mit frei dimensionierbarer Verstärkung. Allerdings eignet sich diese Schaltung nur für fix dimensionierte Verstärkung. Ein Beispiel mit Verstärkung 10 zeigt Teilbild 4. Warum es diese Einschränkung gibt und weshalb bei variabler Verstärkung eine andere Schaltung zum Einsatz kommen muss, erklärt das neue Kapitel in diesem Elektronik-Minikurs. Viel Spass beim Lesen!

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler und zwei Akku-Ladeschaltungen mit LM317LZ und LM317

Thomas Schaerer

Dieser Elektronik-Minikurs beschäftigt sich mit den 3-pin-Spannungsreglern des Typs 78xx, 79xx (fixe Ausgangsspannungen) und LM317, LM337 (frei dimensionierbare Ausgangsspannungen). Dabei geht es um bekannte Netzteilschaltungen, jedoch ins Detail hinein thematisiert. Mittels LM317 und LM337 kann man symmetrische Ausgangsspannungen erzeugen. Eine weitere Schaltung zeigt, wie man bei Bedarf die Symmetrie oder die Asymmetrie exakt einstellen kann.

Mit zwei LM317 ist es mit wenig Aufwand möglich ein Netzteil mit konstanter und strombegrenzter Ausgangsspannung zu realisieren. Vorausgesetzt, die relativ grosse Dropoutspannung stört nicht. Damit ist auch schon klar, dass sich diese Methode nur für kleine Leistungen eignet. Eine solche Schaltung eignet sich zur Realisierung einer kleinen Akku-Ladeschaltung. Diese ladet mit einem konstanten Strom der 1/10 der Akkukapazität entspricht und im Zustand der Ladeschluss-Spannung der Ladestrom so gering ist, dass dieser gerade noch der Ladeerhaltung des Akku dient. Dies setzt voraus, dass die Ladeschluss-Spannung exakt eingestellt werden kann.

NEU! Es gibt es eine Erweiterung, angedeutet in Teilbild 1 (Titelbild). Anstelle der üblichen Diode, um einen Stromrückfluss zu vermeiden, kommt ein PNP-Transistor zum Einsatz, der einige Vorteile mit sich bringt. Wegen der begrenzten Emitter-Basis-Sperrspannung von typisch 5 bis 6 V, eignen sich nur Akku mit niedrigen Spannungswerten, wie z.B. maximal drei in Serie geschalteten NiMH-Akkuzellen.

Ein anderes Thema beschäftigt sich mit dem Gegenteil. Schaltet man ein Netzteil aus, besteht oft das Risiko, dass die am Netzteil angeschlossene Schaltung kurzzeitig ein Strom ins Netzteil zurück liefert, weil sich ein Elko entladet. Dies zerstört den Spannungsregler. Abhilfe zeigen die Rückflussdioden in den Teilbildern 2 und 3, wobei die Schaltung in Teilbild 3 eine LM317-Stromquelle ist. Auch da kann diese Massnahme, je nach Einsatz, notwendig sein.

Teilbild 4 illustriert wie der unerwünschte Rückstrom durch den 7805-Spannungsregler fliesst, wenn die Rückfluss-Diode DR fehlt.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

LED als Fotodiode – einfacher Dämmerungslichtsensor

Thomas Schaerer

Halbleiter sind grundsätzlich lichtempfindlich. Als es noch Germanium-Transistoren in schwarz gefärbten Glasröhrchen gab, z.B. den OC71, musste man nur den schwarzen Lack entfernen und man hatte bereits die Funktion eines Fototransistors. Eine LED in der Funktion als Fotodiode hat einen sehr niedrigen Wirkungsgrad. Kombiniert man die LED mit einem oder gleich zwei Transistoren (Darlington), hat man einen recht empfindlichen diskreten Fototransistor. Es empfehlen sich Transistoren mit hoher Stromverstärkung auch im Bereich niedriger Kollektorströme. Grüne LEDs sind wesentlich tageslichtempfindlicher als rote oder gelbe.

Wozu aber soll man LEDs als Fotodioden-Ersatz verwenden? Diese Frage ist wohl berechtigt, weil in der professionellen Schaltungstechnik dürfte dies wohl kaum ein Thema sein, denn Angebote zu Fotodioden oder auch Fototransistoren gibt es reichlich. Für den Hobbybastler sieht es oft etwas anders aus. Er hat in den Schubladen eine Menge an gebräuchlichen Bauteilen, u.a. auch preiswerte LEDs herumliegen. Wenn so jemand z.B. ein Spielzeug mit vielen LEDs realisieren will, das mit Licht geschaltet werden soll, kommt ihm die LED als Fotodiode gerade gelegen, weil er nicht wegen nur grad einer Fotodiode oder eines Fototransistors eine Bestellung aufgeben muss. Und dazu kommt noch der Lerneffekt zur LED als Fotodiode. Und dazu kommt noch der Lerneffekt zur LED als Fotodiode und wie man sie mit zwei Transistoren so beschaltet, dass sie praktisch genutzt werden kann.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Update: Elektronikgeschichte – Funkeninduktor und Fritter (Kohärer)

Thomas Schaerer

Das Update dieses History-Elektronik-Minikurses ist eine Überarbeitung von Text und Bild und mit ein paar zusätzlichen Links. Der Zweck eines History-Elektronik-Minikurses besteht darin, dem jungen Leser ein wenig Elektrotechnik näher zu bringen, die vor vielen Jahrzehnten, zum Teil sogar vor mehr als einem Jahrhundert, aktuell war. Wobei man dann von Elektronik reden muss, wenn Elektronenröhren (Radioröhren), Kaltkathoden-Relaisröhren oder Thyratrons zum Einsatz gekommen sind. Hier gehen wir in der Zeit soweit zurück, als es diese Röhren noch nicht gab. Eine kleine Ausnahme gibt es mit der so genannten Geissler-Röhre…

In diesem Minikurs wird mit praktischen Beispielen erzählt, wie die Funktechnik im vorletzten Jahrhundert, noch bevor die Elektronenröhre erfunden war, ihren Anfang nahm. Es begann alles mit Hochspannung, Blitzen und Metallpulver!

Gegen Ende des vorletzten Jahrhunderts begann die Epoche der ersten 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 allerdings bald das Ende an, als Robert von Lieben seine verstärkende Elektronenröhre, die Triode, erfand und die elektronische Sende- und Empfangstechnik mit der Übertragung von ungedämpften Schwingungen ihren Siegeszug antrat.

Dieser Minikurs zeigt auch, wie man selbst mit einem Funkeninduktor und selbstgebautem 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 wurde. Einen Kondensator musste man per Anleitung natürlich selbst bauen…

Viel Spass beim Lesen,
Euer ELKO-Thomas

Update: LMC555 und TLC555 (CMOS) im Vergleich mit NE555 (BJT)

Thomas Schaerer

Der vorliegende Elektronik-Minikurs befasst sich seit dem Jahre 2009 mit den Unterschieden zwischen der modernen CMOS-Version LMC555 und TLC555 und der alten BJT-Version NE555.

Sinn und Zweck dieses Minikurses ist es die signifikanten Vorteile der CMOS-Version ins Bewusstsein der Elektroniker zu bringen. Es zeigt sich in den Elektronik-Foren, dass der alte NE555 noch immer einen viel zu hohen Bekanntheitsgrad hat. Es gibt nur zwei mir bekannte Vorteile des NE555 gegenüber LMC555 oder TLC555: Die deutlich höhere Strombelastbarkeit des Ausgangsignales und die etwas höhere maximal zulässige Betriebsspannung. Betreffs höherer Strombelastung lohnt es sich meist einen preiswerten NPN-Transistor (BJT) oder N-Kanal-MOSFET einzusetzen und dafür die Vorteile der CMOS-Version des 555-Timer-IC zu nutzen.

Das Titelbild verkündet es! Es geht bei diesem Update um eine ganz spezielle Angelegenheit. Es geht um den Control-Eingang, der zur Impulsbreitenmodulation (PWM) oder für die Kalibrierung eines präzisen Tastgrades von 50% (Rechteckgenerator) bzw. der Impulszeiten (Monoflop) dient. Mehr Details dazu in weiteren 555er-Minikursen, erwähnt in diesem Minikurs.

Sehr oft wird dieser Control-Eingang nicht benötigt. Dann sollte, gemäss Herstellerangaben, dieser Eingang mit einem Kondensator, zwecks störfreiem Betrieb, abgeblockt werden. Störimpulse auf dieser Leitung sollen nach GND abgeleitet werden. Seltsam ist, dass die Hersteller sehr unterschiedliche Kapazitätswerte zwischen 1 nF und 100 nF angeben. Mit dieser Angelegenheit befasste ich mich und habe dies als Update hier zusammengefasst. Angedeutet ist dies im dritten Teil des Titelbildes. Im ersten Teil wird erklärt, wie die Eigentakt- und Fremdtaktstörung zustande kommt und im zweiten Teil wird für die Eigentaktstörung die Situation ausführlicher erklärt und welche zusätzliche Massnahmen, je nach Anwendung und Anforderung, empfehlenswert sind. Zu lesen ist dieser Inhalt im neuen Kapitel „DER CONTROL-EINGANG UND DER BLOCK-KONDENSATOR Cc“.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Update: Operationsverstärker III: Die virtuelle Spannung, noch einmal – und der Einschwingvorgang

Thomas Schaerer

Dieser Elektronik-Minikurs OPERATIONSVERSTÄRKER III erweitert OPERATIONSVERSTÄRKER I im Themenbereich der virtuellen Spannung und des virtuellen GND. Während in OPERATIONSVERSTÄRKER I diese Virtualität eher beiläufig zu den praktischen Grundschaltungen thematisiert wird, ist sie im ersten Kapitel und im Kapitel „WIE KOMMT ES ZUM VIRTUELLEN GND UND ZUR VIRTUELLEN SPANNUNG?“ in diesem Elektronik-Minikurs sehr zentral. Der Inhalt ist hier differenzierter und trotzdem anschaulich erklärt. Dies ist nicht neu und existiert in dieser Form bereits seit August 2014. Neu ist eine vollständige Überarbeitung dieses Kapitels.

Das Titelbild zeigt in sieben Etappen die Inhalte dieses Minikurses. Bild 1 zeigt wie beim Impedanzwandler kein Unterschied besteht zwischen der virtuellen (Uv) und der Ausgangsspannung (Ua). Das selbe gilt auch für Bild 2. Deutlich wird der Unterschied mit Bild 3 mit zugehörigem Text. Bilder 2 und 3 mit Text dienen dem Vergleich zwischen dem echten und dem virtuellen GND.

In Bild 4 mit Text geht es um die sehr hohe Leerlaufverstärkung mit DC-Spannung oder einer sehr niedrigen Signalfrequenz, welche am nichtinvertierenden Eingang des Opamp eine extrem niedrige Signalspannung erzeugen, – praktisch Null Volt (Ud). Bilder 5 und 6 thematisieren Grundlegendes zur Beschaltung eines Leistungs-Opamp. In Bild 7 geht es darum zu zeigen was passiert, wenn der virtuelle GND mit dem echten GND sukzessive kurzgeschlossen wird. Einen praktischen Nutzen hat dies nicht, aber das Experiment lohnt sich…

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Im Fokus: Rückfluss-Diode im Netzteil (Akkuladeschaltung)

Thomas Schaerer

IM FOKUS ist eine neue Elektronik-Minikurs-Idee (Juni 2013). Es geht darum ein Thema in den Raum zu stellen, das von allgemeinem Fachinteresse ist. Dieses Thema wird so weit wie nötig erklärt. Oft bietet Wikipedia eine hervorragende einführende Erklärung, wenn es grundlegend mit Physik zu tun hat. Danach werden Elektronik-Grundlagen- und Elektronik-Minikurse aus dem ELKO vorgestellt, wo das Thema in praktischer Form präsentiert wird. Ein praktischer Anlass kann sein, wenn ich feststelle, dass in Elektronik-Foren/Newsgruppen immer wieder die selben Inhalte befragt und diskutiert werden.

Diesmal geht es um das Thema Rückfluss-Diode im Netzteil, speziell auch wenn das Netzteil zum Laden eines Akku dient. Dabei besteht generell eine Unsicherheit, ob ein Netzteil oder Netzgerät sich auch als Ladegerät für Akkus eignet. Dies ist dann der Fall, wenn das Netzteil neben einer präzisen Spannungseinstellung auch eine Strombegrenzung enthält, die leicht einstellbar ist und sicher funktioniert. Dies gilt z.B. für Blei(gel)-Akkus, aber nicht nur…

Im Titelbild zeigt das obere Teilbild ein 5VDC-Netzteil das eine digitale Schaltung speist. Besonders heikel ist die Situation bei der Ausschaltung der eingangsseitigen 12VDC-Spannung, wenn an dieser Spannung z.B. ein Ventilator (oder eine andere Last) geschaltet ist. Da kommt es auch dann zum Rückstrom im Augenblick der Abschaltung, wenn CL deutlich grösser ist als C4. Mit einer Rückfluss-Diode bleibt der Spannungsregler (hier: LM7805) vor Schaden verschont.

Das untere Teilbild zeigt eine ganz einfache Ladeschaltung, die aus zwei Spannungsreglern des Typs LM317LZ (LZ=LowPower) besteht. IC:A dient als Strombegrenzer und IC:B für die Spannungsbegrenzung. Der kleine 3V-Akku befindet sich in einem Mini-UKW-Empfänger.

Im Fokus: Rückfluss-Diode im Netzteil (Akkuladeschaltung)

Gruss Euer
ELKO-Thomas

EXOR-Logik mit IC oder Transistoren (BJT) – Überwachung von Motorrad-Lampen

Thomas Schaerer

Auslöser dieses neuen Elektronik-Minikurses für die Rubrik „DIGITALE SCHALTUNGEN: GRUNDLAGEN, KLEINE ANWENDUNGEN“ war der Wunsch eines Motorradfahrers auf dem Anzeigeboard mit nur einer zusätzlichen LED zu erkennen, ob das Abblendlicht des Scheinwerfer oder/und die linke oder rechte Blinklampe aktiv ist. Das funktioniert recht einfach mit dem Einsatz einer Exklusive-Oder-Schaltung, auch EXOR oder einfach nur XOR genannt. Dies veranlasste mich zunächst die Eigenschaft des XOR-Gatter zu fokussieren und da fiel mir auf, dass es bei den intergrierten AND-, NAND-, OR- und NOR-Gatter solche ICs gibt mit mehreren Eingängen, jedoch nicht bei XOR- und XNOR-Gatter. Da gibt es nur Gatter mit zwei Eingängen. Der Grund ist der, dass ein XOR oder XNOR mit nur schon drei Eingängen nicht zu 100 % richtig arbeitet. In der Einleitung wird dies thematisiert.

Im nächsten Schritt befassen wir uns mit der gestellten Aufgabe und der XOR-Logik. Es wird kurz gezeigt, wie ein XOR-Gatter mit vier NAND-Gatter realisiert wird und wie ein XOR-Gatter auch als steuerbarer Inverter nützlich sein kann. In den folgenden Kapiteln werden zwei Schaltungsvarianten vorgestellt. Die eine Variante mit dem Einsatz eines CMOS-IC mit vier XOR-Gatter, von dem zwei verwendet werden. Die alternative Variante ist eine diskrete XOR-Schaltung mit vier Transistoren (BJT). Diese Schaltung ist vor allem für höhere Betriebsspannungen geeignet, wenn man nicht extra eine Spannungsstabilisierung einsetzen will.

Im Auto oder Motorrad gibt es signifikante Störungen die mit Überspannungen behaftet sind. Dazu untersuchen wir eine Test-Applicationnote von SGS-Thomson und verwenden diese als Referenz zur Realisierung einer Schutzumgebung für die beiden XOR-Schaltungen. Bei der CMOS-Variante ist natürlich der Latchup-Effekt ein Thema.

Ganz am Schluss folgt der Hinweis, dass es für den Selbstbau an Mopeds, Motorräder oder Autos gesetzliche Bestimmungen gibt, worüber man sich vorsichtshalber informieren sollte…

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Update: Operationsverstärker I

Thomas Schaerer

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Das Update mit Bild 1 thematisiert eine oft verwirrende Darstellung der Strompfeile zur Erklärung des Opamp als invertierender Verstärker. Die ungeeignete Darstellung zeigt Bild 1a. Man sieht es auch sofort, die Knotenregel – eine sehr einfache Regel – wird verletzt, vorausgesetzt man hält an der konventionellen Stromrichtung von Plus nach Minus fest. Ie und Ia fliessen zum invertierenden Eingang, der ein Strom-Knotenpunkt sein müsste. So ist er dies jedoch nicht, wenn Ie und Ia zu diesem Knotenpunkt fliessen, jedoch die Summe dieser beiden Ströme nicht weiter fliesst. Wohin denn auch? Bestimmt nicht in den invertierenden Eingang des Opamp. Da fliesst schon auch ein Strom, ein parasitärer und so klein, dass dieser hier keine Rolle spielt. Diese ungeeignete Darstellung wird oft durch eine nachfolgende Gleichung korrigiert, wenn Ia negativ definiert ist. Das sollte aber  deutlich zum Ausdruck kommen. Wir kommen zu Bild 1b, mit den geeigneteren Strompfeilen (von Plus nach Minus), wo man graphisch leicht erkennt, dass der invertierende Eingang ein Strom-Knotenpunkt ist. Bild 1c erweitert Bild 1b mit mehr Details, welche im Update exakt und praxisnah an einem Beispiel mit und ohne Last an Ua erklärt wird. Siehe im Elektronik-Minikurs zweites Kapitel mit Bild 1 und dem Untertitel „KNOTENREGEL NOCHMALS:“.

Das Update mit Bild 2 hat etwas mit dem praktischen Versuchsaufbau analoger Schaltungen zu tun. Es geht dabei um die beliebten Experimentier-Steckboards. Wegen den parallelen Leiterbahnen, nimmt man zwangsläufig parasitäre Kapazitäten in Kauf. Sind es nur niedrige Signal-Frequenzen, ist das kaum ein Problem. Aber schon im unteren 100-kHz-Bereich zeigt sich ein Problem, das je nach Art der Entstehung, leicht kompensiert werden kann. Dieses Beispiel soll zeigen, dass es je nach Anwendung und Anspruch einen sauberen Experimentieraufbau erfordert. Mehr Details und was die Diagramme in den Bildern 2b bis 2e bedeuten, im Update-Titel „UGBW: EXPERIMENTIEREN MIT HÖHEREN FREQUENZEN – PROBLEME“.

Gruss Euer
ELKO-Thomas