Autor: Thomas Schaerer

UPDATE: 555-CMOS: 50%-Duty-Cycle-Generator (mit kapazitiver Sensor-Schaltung)

Thomas Schaerer

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Der Inhalt wurde leicht überarbeitet und es gibt ein neues Kapitel, das mit der Stabilität der Frequenz in Funktion der Betriebsspannung zu tun hat. Diese Stabilität ist für eine RC-Generatorschaltung hervorragend, vorausgesetzt man befolgt einige Regeln. Diese Regeln habe ich aus einem Experiment in einer Tabelle zusammengefasst. Diese Tabelle und die einfache Testschaltung schmücken das Titelbild. Die genaue Erklärung dazu folgt in diesem Elektronik-Minikurs.

Wenn man solche Experimente durchführt ist es wichtig, dass der Ausgang des LMC555-Generators nicht durch die Messleitung zum Oszilloskopen kapazitiv belastet wird und so die Messung negativ beeinflusst. Ein einfacher Buffer besteht darin, dass man ein einen zweiten LMC555 (oder TLC555) in seiner Schmitt-Trigger-Eigenschaft als Buffer verwendet. Das ist sehr einfach und erst noch elegant, wenn man die Messung von der minimalen (1.5 VDC) bis zur maximalen (15 VDC) Betriebsspannung durchführen will.

Es gibt Leute die den Unterschied nicht kennen zwischen einem LM555C und LMC555. LM555C ist kein Schreibfehler. Es gibt ihn tatsächlich und es ist die selbe bipolare Version wie der NE555. Der LMC555 ist die CMOS-Version. Auch das wird hier mal deutlich erklärt und mit Datenblatt-Links dokumentiert.

Kurz das Hauptthema zusammengefasst: Es geht um den bekannten Rechteckgenerator mit einem Tastgrad von 0.5 in der CMOS-Version des Timer-IC 555 LMC555 oder TLC555. Als frequenzbestimmende Bauteile benötigt es nur einen Kondensator und einen Widerstand. Als praktische Anwendung wird die kapazitive Feuchtemessung erklärt, die man ohne grossen Aufwand selbst realisieren kann.

Der Timing-Kondensator ist der kapazitiver Feuchtesensor. Die Luftfeuchtigkeit beeinflusst die Kapazität des Sensors und diese die Frequenz am Ausgang des LMC555 oder TLC555. Sonderbar ist, dass dieser kapazitive Sensor mit einem zusätzlichen Kondensator in Serie und parallel mit einem Widerstand beschaltet ist. Warum das so sein muss, wird im Kapitel „ANWENDUNG: KAPAZITIVE SENSORSCHALTUNG MIT LMC555“ genau erklärt.

Gruss und viel Spass
der ELKO-Thomas

UPDATE: LMC555 (CMOS) im Vergleich mit NE555 (bipolar)

Thomas Schaerer

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Dieses Update besteht zur Hauptsache aus einem neuen kleinen Kapitel mit dem Titel „555-TIMER-IC MIT ±Ub“. Wie jedes andere digitale und auch analoge IC, kann man auch den LMC555 (TLC555) und den NE555, ausser wie gewohnt mit +Ub, mit ±Ub betreiben, wie dies hier das Titelbild in der linken Bildseite illustriert. Das Einzige was sich ändert ist die Art des Abblockens mit Keramikmultilayer-Kondensatoren und Elkos (nur beim NE555). Mehr dazu liest man in diesem Kapitel.

Der Inhalt des rechten Bildteiles erinnert sogleich an den einen Aspekt bei dem sich die CMOS-Version von der älteren bipolaren Version vorteilhaft unterscheidet. Alle weiteren Unterschiede und eine leichte Überarbeitung in diesem Elektronik-Minikurs.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

 

UPDATE: Vom Operationsverstärker bis zum Schmitt-Trigger, kontinuierlich einstellbar. Eine Demoschaltung!

Thomas Schaerer

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Die leicht nachbaubare Demoschaltung ermöglicht es mit nur einem Potmeter die Wirkung der Verstärkung und des Komparators, ohne und mit Hysterese (Schmitt-Trigger), mit kontinuierlicher Änderung einzustellen. Eine Demo beginnt mit der Verstärkung 1. Durch Drehung am Potmeter erhöht sich die Verstärkung bis zum positiven und negativen Spannungslimit, gegeben durch die symmetrische Betriebsspannung und durch die Endstufe der Verstärkerschaltung. Ist die Mitkopplung gleich stark wie die Gegenkopplung, zeigt die Schaltung wie der Komparator arbeitet. Die Umschaltung des Ausgangspegels erfolgt mit jedem Nulldurchgang des Eingangspegels. Dreht man am Potmeter weiter in Richtung mehr Mitkopplung, zeigt sich die typische Schmitt-Trigger-Eigenschaft.

Das Update besteht aus dem neuen Kapitel „VARIABLE FREQUENZGANGKOMPENSATION“ mit Erläuterungen zu den Eigenschaften einer vollständigen Kompensation (Verstärkung = 1) und einer Teilkompensation (Verstärkung > 1) und sie liefert eine praktische Anleitung zu einer einfachen Demo zu diesem Teilthema.

Gruss
Euer ELKO-Thomas

UPDATE: Elektro-Myographie (EMG) eine kleine Einführung

Thomas Schaerer

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Dieser spezielle Elektronik-Minikurs weiht ein wenig in die physiologischen Geheimnisse der biologischen elektrischen Impulse ein, die es ermöglichen Muskelaktivitäten elektronisch zu messen. Der Inhalt wurde teilweise überarbeitet.

Was ist ein Neuron, ein Rezeptor, ein Axon, eine Synapse und ein Dendrit? Was ist der Zellkörper mit Zellkern und was sind Mitochondrien? Diese Inhalte werden kurz mit dem Zweck gestreift um überzugehen auf das Thema warum eine Nerven- oder eine Muskelfaser ein so genanntes Ruhemembranpotenzial (RMP) hat und dies die eine Grundlage dafür ist Aktionspotenziale (APs) zu erzeugen, die ihrerseits Muskeln kontrahieren lassen und wegen dieser APs eine solche Kontraktion mittels Elektroden elektronisch messbar ist. Einerseits dienen solche EMG-Messungen der medizinischen Forschung und anderseits der Analyse von Muskelerkrankungen und für Biofeedback-Anwendungen.

Das Titelbild zeigt in einer vereinfachten Darstellung zwei unterschiedliche EMG-Signale. Rechts im Bild die Messung mit Oberflächen-Elektroden auf der Haut (EMG) und links die intramuskuläre EMG-Messung (iEMG) mittels feinen Nadeln oder ultrafeinen mit Teflon isolierten Drähtchen, die nur an der Stirnseite des Drahtendes elektrischen Kontakt mit dem Muskelgewebe haben. Eine extrem kleine Kontaktfläche…

Rechts im Bild misst man ein Signal mit stark rauschähnlichem Charakter. Der Grund dafür liest man im Minikurs. Links geht es darum die APs so präzise wie möglich wieder zu geben. Dies setzt voraus, dass man Nadel oder Draht so nahe wie möglich zur Nervenfaser führt und platziert.

Weitere Bilder und Textinhalte zeigen wie man selbst preiswerte Elektroden für oberflächliche EMG-Messungen bauen kann. Ein Blockschema zeigt wie man ein akustisches EMG-Biofeedbackgerät realisiert und ein anderes wie man ein EMG-Messgerät prinzipiell für Forschungszwecke baut.

Zum Schluss gibt es eine Menge Links zu Elektronik-Minikursen im Themenkreis von Operations- und Instrumentationsverstärker, Rauschdämpfung, Überspannungsschutz, VCO, MOSFET, etc. Diese mögen dem Zweck dienen selbst etwas zu realisieren. Ein gutes Grundlagenwissen ist dazu die Voraussetzung. Für den persönlichen Gebrauch ist eine EMG-Biofeedback-Schaltung interessant.

BEEINDRUCKENDES RESULTAT DURCH DEN EINSATZ
MIT INTRA-MUSKULÄRER EMG-MESSUNG:
Eine Sekretärin welche den ganzen Tag konzentriert am Computer arbeitet und in gekonnter Weise schnell und fleissig Texte eintippt, beklagt sich am Abend über Nackenschmerzen. Wiederholt sich dies immer wieder, sind Entzündungen die Folge, die sich lästig dahinziehen können. Der Arzt diagnostiziert Verspannung der Nackenmuskulatur und verordnet Medikamente und vielleicht auch eine physikalische Therapie. Dies hilft vielleicht teilweise oder auch nur vorübergehend. Aus den intramuskulären EMG-Messungen zeigt sich allerdings die Erkenntnis, dass die Ursache nicht etwa eine verkrampfte Haltung bei der Arbeit ist, sondern die ständigen Fingerbewegungen beim Tippen auf die Tastatur erzeugen in den Muskeln im Nackenbereich ein wahres Feuerwerk von EMG-Aktionspotenzialen, die u.U. nicht ohne Folgen bleiben. Neu in diesem Update sind zwei Links: Eine Kurzbeschreibung mit dem Titel ASCHENPUTTEL IM NACKEN und den Link zur Dissertation.

Viel Spass beim Lesen,
Euer ELKO-Thomas

Update: Der Weihnachts LED-Stern mit 36 Leuchtdioden

Thomas Schaerer

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Neu ist an diesem längst bekannten Elektronikminikurs, der zum Basteln und Schenken zu Weihnachten anregen soll, dass man anstelle einer Fotodiode, in der Funktion als Dämmerungslichtschalter, auch eine LED verwenden kann. Wenn man den LED-Stern mit 36 LEDs bestücken will, kann man auch, mit wenig Zusatzschaltung, eine 37. LED als Fotodiode verwenden. Alles Weitere liest man im neuen Kapitel „LED ALS FOTODIODE – EINFACHER DÄMMERUNGSLICHTSENSOR“, dessen Inhalt auch für andere Anwendungen nützlich sein kann. In erster Linie geht es aber darum zu verstehen, worauf man achten muss, will man eine LED als Lichtempfänger benutzen.

Viel Spass Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Lowpower-MOSFET-Minikurs und Batterie-Betriebsspannung-Abschaltverzögerung

Thomas Schaerer

battofft

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Dieser Elektronik-Minikurs über Lowpower MOSFETs ist auf eine spezielle Anwendung, auf die Verzögerungsschaltung, oft auch Timer genannt, fokusiert. Trotzdem eignet sich dieser Inhalt um bereits erworbene Grundlagen über diese Art von Feldeffekttransistoren zusätzlich zu vertiefen. Für den Leser, der noch nicht weiss was ein Feldeffekttransistor (FET) ist, empfehlen sich die entsprechenden Grundlagenkurse von Patrick Schnabel. Diese findet man schnell mit der ELKO-Suchfunktion durch die Eingaben von Feldeffekt-Transistor, MOS-Schaltkreisfamilie, MOS-FET und MOSFET. Dieser Elektronik Minikurs befasst sich speziell mit dem BS170, der sehr bekannt und beliebt ist. Er wird scherzhaft oft auch den BC109 der MOSFET-Familien genannt, obwohl er dem BC109 um einiges überlegen ist.

Es beginnt in diesem Elektronik-Minikurs mit einem Vergleich zwischen einer Darlingtonschaltung mit zwei NPN Transistoren und dem Lowpower-MOSFET in N-Kanal-Technologie, eben mit dem BS170. Darin enthalten ist ein einfaches Prinzip, wie man eine sehr einfache Timer-Schaltung realisieren kann. Schnell wird klar, welche Vorteile eine MOSFET-Schaltung gegenüber der Darlington Schaltung aufweist. Im Nebenschauplatz wird anschaulich erklärt, warum eine Darlington-Schaltung im Schalterbetrieb (gesättigter Zustand) eine Kollektor-Emitterspannung hat, die nicht kleiner als eine Basis-Emitter-Spannung sein kann.

Danach steht in vollen Umfang der MOSFET BS170 im Fokus. Die Transfer-Charakteristik wird in dem Zusammenhang erklärt, wie es möglich ist, dass nach einer langen Verzögerungsdauer von etwa 6 Minuten nur eine Abschaltdauer von etwa 5 Sekunden erfolgt, und dies mit der einfachsten analogen Methode. Diese sehr detaillierte Erklärung ist zur Hauptsache Gegenstand dieses Update. Zum Schluss folgt ein neues Schaltbild mit einem zusätzlichen Lowdropout Spannungsregler. Nur mit so einem Spannungsregler ist es möglich eine 9V-Blockbatterie bis zur vollständigen Entladung zu nutzen.

Gruss
Euer ELKO-Thomas

Das RS-Flipflop und die elegante Entstörung

Thomas Schaerer

RSFF1_T1

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Digitale Schaltungen sind anfällig auf Störungen. Besonders auf steilflankige Rechteckspannungen. Die Ursache kann das Ein- und Ausschalten eines (teil-)induktiven Verbrauchers (Relais, Motor, Ventil) sein. Die Einkopplungen erfolgen oft durch parasitäre niedrige Kapazitäten. Diese bilden mit den Widerständen in den Schaltkreisen passive Hochpassfilter. Aus der CR-Signaldifferenzierung entstehen extrem kurzzeitige Impulse. Diese Nadelimpulse stören die Zustände von Flipflops, Register und andere sequentiellen Schaltkreise. Die Auswirkungen solcher Störungen können je nach Anwendung dramatisch sein.

Ein kurzer Überblick zeigt die üblichen Entstörmassnahmen in einer digitalen Einheit. Gleich danach geht es zum Hauptthema, dem RS-Flipflop (RS-FF), bei dem eine besonders wirksame und sichere Entstörung dann möglich ist, wenn das RS-FF quasidiskret mit NAND- oder NOR-Gattern realisiert ist. Mit einer gewissen Einschränkung in der Anwendung, eignet ein solch entstörtes RS-FF zusätzlich in der Funktion als Auto-Reset. Dies ist ein Reset, der bei der Einschaltung der Betriebsspannung erzeugt wird. Der nächste Schritt geht zur richtigen Auto-Reset-Funktion mit einem zusätzlichen NAND- oder NOR-Gatter oder alternativ mit einer kleinen Transistorschaltung. Dies eignet sich dann, wenn kein freies NAND- oder NOR-Gatter zur Verfügung steht.

Ein ganz spezielles (exotisches) RS-FF kommt in einem Elektronik-Minikurs zum Einsatz, bei dem ein Präzisions-Schmitt-Trigger das Hauptthema ist. Dieses RS-FF arbeitet mit einem Opamp oder Komparator. Man kann es ebenso gut entstören und es taugt auch für
einfache Anwendungen, z.B. in Verbindung mit einem Relais. Eine solche Anwendung wird hier vorgestellt.

WICHTIG: Im Nebeneffekt lernt man hier, dass das Schaltschema eines IC im Datenblatt sehr nützlich sein kann, um zu erkennen, ob etwas auch wirklich so funktioniert, wie es an anderer Stelle im Datenblatt beschrieben ist. Wir lernen hier, dass die Aussage, der LM324- und LM358-Opamp arbeitet bis hinunter auf 0 VDC (Singlesupply-Mode), mit Vorsicht zu „geniessen“ ist.

NEU: Der analoge Schalter III (mit bipolaren Transistoren)

Thomas Schaerer

Der JFET BF245A(B,C) gibt es nicht mehr! Da ich für viele Projekte – auch für die Elektronik-Minikurse – stets die A-Version (BF245A) benötige, evaluierte ich nach einem Ersatz. Ich fand zwei JFETs, den J113 und den PN4393 von Fairchild. Beide Typen sind in den Parametern für Schaltanwendungen ausreichend identisch zum BF245A. Der J113 ist jedoch leichter erhältlich und er ist sehr preiswert. Allerdings gibt es mit einer gewissen Einschränkung der AC-Signalspannung auch die Möglichkeit bipolare Transistoren (BJT) einzusetzen. Der Limit bestimmt die Emitter-Basis-Sperrspannung, die stets sehr niedrig ist. Entsprechend den Datenblättern ist dieser Wert oft mit 5 V angegeben. Dies bedeutet, dass eine AC-Signalspannung bis zu maximal 10 Vpp (3.5 Vrms bei Sinus) geschaltet werden kann.

Das Titelbild mit den drei Teilbildern 1 bis 3. Teilbild 1 zeigt die Prinzipschaltbilder zum Schalten analoger Spannungen, in der Regel eine niederfrequente AC-Signalspannung. Links die übliche Methode mit einem JFET und rechts im Austausch mit dem BJT. Teilbild 2 zeigt worauf es ankommt. Links sieht man, dass die negative Spannung von Ue nach Ua nicht übertragen wird. Warum, ist im Minikurs-Text exakt beschrieben und genau so, warum es im Schaltbild rechts mit der negativen Basisvorspannung funktioniert. In Teilbild 3 wird erklärt, dass in der praktischen Anwendung eines Synchrongleichrichters anstelle eines JFET ein BJT gleich gut funktioniert. Natürlich unter den soeben angedeuteten Beschränkung der Eingangsspannung Ue.

Die Schaltbilder in den Teilbildern 1 und 2 arbeiten mit einer symmetrischen Betriebsspannung (Dual-Supply) mit ±Ub und die Synchrongleichrichter in Teilbild 3 mit einer einfachen Speisung (Single-Supply) mit +Ub. Deshalb benötigt es eine Arbeits-, bzw. Referenzspannung Ux. Und warum diese etwas weniger sein muss als +Ub/2 ist ebenfalls im vorliegenden Minikurs ausführlich beschrieben.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

SPEZIAL-UPDATE: Der analoge Schalter I (der JFET)

Thomas Schaerer

anasw1t1

Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Warum ist dies ein Spezial-Update? Ganz einfach, es gibt inhaltlich, bezüglich der Schaltungstechnik, keine Erweiterung und auch sonst nichts Neues. Neu ist, dass es den JFET BF245 nicht mehr gibt. In meinen Elektronik-Minikursen, wo dieser JFET zum Einsatz kommt, ist es immer der A-Typ. Also der BF245A, weil dieser die niedrigste Gate-Source-Spannung benötigt, um den Drainstrom zu sperren. Das ist vor allem dann wichtig, wenn man mit einer niedrigen Betriebsspannung arbeitet, wie dies mit Batterien oft die Regel ist.

Es ging also darum einen geeigneten Ersatz zu finden und das selbstverständlich im selben TO-92-Gehäuse. Ich wurde fündig mit den beiden JFETs J113 und PN4393 von Fairchild mit sehr ähnlichen Parametern. Nennenswert ist der J113, weil er leichter erhältlich ist.

TO-92-Gehäuse: Man muss darauf achten, dass die Reihenfolge  Gate-Source-Drain bei den J113 und PN4393 umgekehrt ist zum BF245A. Das ist aber kein Problem, man muss diese J113- oder PN4393-Gehäuse vor dem Einlöten einfach um 180 Grad drehen, wie dies den oberen Teil des Titelbildes illustriert. Der Source-Anschluss bleibt dabei in der Mitte der beiden andern Anschlüsse. Drain und Source werden nicht vertauscht, obwohl dies bei JFETs zulässig wäre.

Der untere Bildteil soll an dieser Stelle nur kurz andeuten, was denn beim J113 (und PN4393) signifikant besser ist als beim BF245A. Dies ist sehr vorteilhaft, wenn es darum geht mit einem JFET analoge Spannungen, z.B. Audiosignale, zu schalten. Alles Weitere folgt im Elektronik-Minikurs. Der Trick mit dem Gatestrom für die zusätzliche Reduktion des Drain-Source-Widerstandes ist der rote Faden dieses Elektronik-Minikurses seit Beginn im Jahre 2003.

SMD-Alternative: Wenn man bereit ist SMD-ICs zu verarbeiten, gibt es für die BF245A, BF245B und BF245C die gleichwertigen Nachfolger BF545A, BF545B und BF545C von NXP.

Gruss
Euer ELKO-Thomas

UPDATE: Operationsverstärker I

Thomas Schaerer

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Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Dieses Update enthält das neue Kapitel DIE UNITY-GAIN-BANDBREITE. Diese Erweiterung klärt auf, warum die Unity-Gain-Bandbreite nur für die Verstärkung von 1 (nichtinvertierend) und nicht auch für die Verstärkung von -1 (invertierend) gilt. Als Beispiel dient der Opamp LF356 mit einer Unity-Gain-Bandbreite von 5 MHz. Das Titelbild illustriert die Details die dem Verständnis dienen. Als Nebenprodukt davon erfährt man, wie man mit einem einfachen Trick aus einem Opamp, der nicht bis hinunter zu einer Verstärkung von 1 arbeiten kann, weil die interne Kompensation reduziert ist, dies doch kann. Allerdings geht das nur mit einem Kompromiss…

Gruss Euer
ELKO-Thomas