Das EMG-Biofeedback-Gerät

 



EMG-Biofeedback, (auch) ein Bastelprojekt!



Einleitung zum Thema Elektromyographie (EMG)

Die Neurophysiologie befasst sich mit der Funktionsweise des Nervensystems. Gewisse Kenntnisse auf diesem Gebiet empfehlen sich, wenn man mit elektronischen Schaltungen zu tun hat, die dem Studium oder einer praktischen Anwendung messtechnischer Art dienen. Dazu zählt die Analyse von Myopathien (Muskelerkrankungen) und Behandlungen mittels EMG-Biofeedback. Man öffne zu dieser interdisziplinären Thematik diesen Link:

* * * Elektro-Myographie (EMG) eine kleine Einführung * * *

mit den folgenden Themen:

    1. Was ist Elektro-Myographie?

    2. Motorische Einheiten

    3. Elektrische Signale

    4. Wie misst man das Aktionspotenzial?

    5. Was bezweckt man mit EMG und iEMG?

    6. Elektroden:   Selfmade der kleinen Mess-Elektroden.  (Siehe Foto oben.)

    7. Akustisches EMG-Bio-Feedback (Therapeutischer Ansatz)

    8. EMG-Biofeedbackgerät (Blockschaltbild)

    9. Ein EMG-Messgerät (Blockschaltbild)

Ursprünglich diente der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses einem Praktikum am Institut für Signal- und Informationsverarbeitung der ETH-Zürich.

Für Anfragen per EMail, bitte direkt an mich.



Anwendung beim Patienten

Es ist durchaus möglich dieses kleine Gerät, im Bereich der Physiotherapie, an einem Patienten einzusetzen, z.B. für eine Trainingsaufgabe in Zusammenhang mit einem Muskelleiden. Dies wurde als Versuch in Zusammenarbeit mit einer Zürcher Klinik vor langer Zeit praktiziert. Zusätzlich zur Behandlung und Datenerfassung in der Klinik mit einem komplexen und teuren Gerät, wurde das kleine EMG-Biofeedback-Gerät dem Patienten mit nach Hause gegeben, damit er selbst an seinem Muskeltraining weiter arbeiten kann. Dies jedoch mit leicht fixierbaren medizinischen Elektroden. Die Fixierung mit Klebeband der selbst gebastelten Elektroden aus Printmaterial ist etwas umständlich. Diese Elektroden eignen sich eher für eine Demo oder etwas Spielerei (z.B Armmuskel spannen und hören wie hoch die Tonfrequenz aus dem Lautsprecher tönt oder den Muskel entspannen und hören wie tief die Tonfrequenz sinkt).



Einleitung zur Elektronik

Optimierung mal anders: Die Schaltung könnte man vielleicht einfacher und mit weniger Komponenten gestalten. Ich habe mich jedoch absichtlich nicht näher damit befasst, weil mich etwas anderes mehr interessierte. Nämlich, damals den Studierenden und aktuell dem Leser die Möglichkeit bieten, mit einer vielseitigen Schaltung unterschiedliche Funktionen kennen zu lernen, die einzeln auch für andere Aufgaben im Bereich der Elektronik interessant sein können. Es soll zusätzlich die Fantasie anregen.

Ein paar Hinweise zum folgenden Text:
Um lange Begriffe zu vermeiden, werden einige gekürzt:
    *   Potentiometer ---> Potmeter, eher Poti
    *   Trimmpotentiometer ---> Trimmpoti
    *   Elektrolytkondensator ---> Elko
    *   Keramikkondensator ---> Kerko
    *   Operationsverstärker ---> Opamp

Im Blockschema (Bild 1) und im Schaltschema (Bild 2) sind elektronische Teile in englisch beschriftet. Die Texte dazu jedoch stets in deutsch. Ein Beispiel: Instrumentationsverstärker liest man im Text. Im Schaltschema (Bild 2) steht Instrumentation-Amplifier. Oder im Text liest man von Verstärkung, im Schaltschema steht Gain.

Widerstände mit einer 1 in den rechteckigen Widerstandssymbolen bedeuten, dass es Widerstände sind mit einer Toleranz von ±1 %. Das Elko-Symbol von C1 beim Instrumentationsverstärker IC:A ist eigentlich nicht zulässig. Dies kommt davon, dass es früher spezielle Elkos gab, welche mit maximal 30 % falsch gepolter DC-Spannung zulässig waren. Diese Elkos waren deshalb beschränkt AC-fähig und darum hier geeignet. Mehr zu diesem Thema im im Kapitel "Die Schaltung" im im Abschnitt "Das C1-Kondensator-Problem". Eine alternative Lösung ist aktuell der Einsatz eines Kerko mit gleich grosser Kapazität. Dies gab es damals noch nicht, oder der Kerko war mit solch hohen Kapazitäten sündhaft teuer.

Schemata bitte ausdrucken! Es beginnt mit einem BLOCKSCHEMA (Bild 1) und setzt sich fort mit dem Schaltschema "DIE SCHALTUNG" (Bild 2). Es empfiehlt sich beide Schemata auszudrucken, weil man diese Bilder beim Lesen des Textes stets braucht. :

* * * * * BLOCKSCHEMA * * * * *

* * * * * DIE SCHALTUNG * * * * *

Mit einem entsprechend grossen Monitor kann man beide Bilder auch in die Arbeitsfläche integrieren.



Das Blockschema

Teilbild 1.1 zeigt die einzelnen Funktionseinheiten und erklärt wozu sie dienen. V1 (V = Verstärker) besteht aus drei Opamps, die den Instrumentationsverstärker bilden, um die externen sehr niedrigen AC-Spannungen (EMG) differenziell zu verstärken. Das passive Hochpassfilter HP bildet die Gegenkopplung. Weil die Verstärkung von DC-Spannungs-Anteilen unerwünscht sind, benötigt es zusätzlich den Kondensator. Die RC-Grenzfrequenz von HP liegt bei 10 Hz.

Wir betrachten jetzt kurz Teilbild 1.2. Hier wird gezeigt, wie die Referenzspannung Ux (2.6 VDC) die gesamte Schaltung erreicht. Ux ist der Arbeitspunkt, weil nur eine positive Betriebsspannung (Single-Supply) im Einsatz ist. +Ub und nicht ±Ub. Ux kontaktiert die Abschirmung des 2-adrigen Kabel zu den Elektroden. Die Abschirmung leitet Ux direkt zur grossflächigen Referenz-Elektrode. Diese ist kontaktiert an einer beliebigen Hautstelle.

Von dieser Referenz-Elektrode geht Ux via dem Hautwiderstand R_H zu den beiden kleinen EMG-Mess-Elektroden, die dort am Muskel fixiert sind, dessen EMG-Aktivität für das EMG-Biofeedback benutzt wird. Zwischen Elektrode und Haut kommt eine Leitpasta zum Einsatz. Dazu eignet sich z.B. eine Feuchtigkeits-Creme oder eine beliebige leitfähige Emulsion (Wasser-Fett-Gemisch). Mit Mayonnaise geht es auch... :-)

Jetzt wieder zu Teilbild 1.1 und auch 1.2. Von diesen beiden Mess-Elektroden wird Ux weiter zum gesamten System übertragen. Von V1 zu V2 zu V2a zum Synchron-Gleichrichter und zum Integrator. Bevor es zum VCO (Spannungs-Frequenz-Wandler) und Audio-Endverstärker kommt, erfolgt die Kompensation der Ux-Spannung. Man erkennt dies daran, dass zwischen dem Synchron-Gleichrichter und dem Integrator (Ux) steht und danach zwischen Integrator und VCO nicht mehr.

Was bedeutet Ux in Klammern? (Ux) enthält nicht nur die Referenzspannung Ux. Ux wird überlagert mit der EMG-Spannung an den Eingängen -IN und +IN beim Instrumentationsverstärker V1. Das gilt ebenso mit der verstärkten EMG-Spannung im gesamten Übertragungspfad bis und mit Vollweg-Synchron-Gleichrichter und Integrator. Zwischen dem Integrator und dem VCO arbeitet die Ux-Kompensation Ux-COMP.

Wenn die verwendeten Opamps rail-to-rail-fähig wären, könnte man Ux auf exakt 3 VDC einstellen (Bild 2: R10 = R11). Ux wäre dann symmetrisch zu +Ub und GND. Dies ist beim LinCMOS-Opamp nicht möglich, weil dieser zwar bis auf GND, aber nicht bis auf +Ub gesteuert werden kann. Deshalb Ux = 2.6 VDC bei einer Betriebsspannung +Ub = 6 VDC. Es ist dem geneigten Leser jedoch freigestellt nach passenden Rail-to-Rail-Opamps zu evaluieren. Man muss dann sehr genau die Datenblätter vergleichen. So lange es die LinCMOS-Opamp-Familien gibt, lohnt sich dieser Aufwand wohl kaum.

Die EMG-Verstärkung mit V1 erfolgt differenziell mit dem kleinen Elektrodenpaar an den Eingängen -IN und +IN. Von V1 geht die verstärkte EMG-Spannung, bezogen auf Ux, zu V2, einer kleinen Verstärkerschaltung mit der einstellbaren Verstärkung (GAIN) zwischen 10 bis 200. Das nachfolgende Tiefpassilter, mit einer Grenzfrequenz von 1 kHz, soll durch die Reduzierung der Frequenzbandbreite die Rauschspannung dämpfen. In Wirklichkeit (Bild 2) ist dieses Tiefpassfilter in der Verstärkerschaltung V2 integriert. Darum auch die Bezeichnung V2a.

Mit 6 VDC (+Ub) wird die gesamte Elektronik versorgt. Die Spannung von Ux beträgt 2.6 VDC. Ux ist verbunden mit der Referenzelektrode, abgebildet im zweiten Foto (siehe oben) mit einer kleinen Alustonge. Diese eignet sich um sie in der einen Hand zu halten. Ansonsten benutzt man eine grossflächige Elektrode auf der Haut fixiert oder ein so genanntes Erdband, das man um einen Arm herum fixiert. Ein so genanntes Antistatikband, das dem Zweck dient elektrostatische Spannungen zu entladen, eignet sich hier nicht, weil ein relativ hochohmiger Widerstand integriert ist.

Die EMG-Spannung zwischen den beiden Mess-Elektroden ist sehr niedrig. Bei entspanntem Muskel etwa 5 µV, bei Muskelanspannung einige 10 selten auch deutlich mehr als 100 µV. Das ist u.a. abhängig vom Alter des Probanden, wie ich mal an einem "Tag der offenen Tür" mit einigen Probanden feststellen konnte. Wie auch immer, diese Spannung muss man massiv verstärken. Die erste fixe Spannungsverstärkung von 100 übernimmt die Instrumentationsverstärkerschaltung V1. V2 erlaubt eine variable Verstärkung zwischen 10 und 200. Die einstellbare Gesamtverstärkung liegt zwischen 1'000 und 20'000. Nachfolgend ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von etwa 1 kHz. Der Zweck dieses Filters ist bereits erklärt.

Hüllkurve: Darauf folgt eine synchrone Vollweg-Gleichrichtung die keine Dioden benötigt. Im Anschluss folgt ein passiver Integrator mit einer einstellbaren Zeitkonstante zwischen 50 ms und 1s. Damit kann man einstellen, wie schnell die verstärkte und gleichgerichtete EMG-Spannung zum VCO folgen soll. Der Integrator arbeitet als Hüllkurven-Demodulator. Diese Hüllkurven-Spannung steuert den VCO. Je höher die Spannung am VCO-Eingang, um so höher die VCO-Frequenz. Der VCO ist Teil der integrierten PLL-Schaltung CD4046. Der VCO erlaubt einen nur sehr geringen Strom am Ausgang. Dieser muss mit dem nachfolgenden Endverstärker verstärkt werden. Das VOLUME-Potmeter ist symbolisch direkt mit dem Endverstärker verbunden. Die Wirklichkeit zeigt die Schaltung in Bild 2.

Hier die Wiki-Seite zum Thema Hüllkurven-Demodulator und davon das vergrösserte Hüllkurven-Bild. Das schwarze Signal symbolisiert die eigentliche EMG-Spannung im Frequenzbereich von wenigen 100 Hz bis knapp etwa 1 kHz. Das rote Signal ist die Umhüllende (Hüllkurve). Dieser Frequenzbereich ergibt sich durch die Einstellung des Integrators zwischen 50 ms (schnell) und 1s (langsam). Wegen der Gleichrichtung kommt nur die positive oder negative Hüllspannung zum Einsatz. Das ist genau so wie beim Langwellen-, Mittelwellen- und Kurzwellenradio mit der Ampltuden-(De)Modulation. Man beachte die Diagramme unter dem Kapitel "AM-Demodulation". Der VCO, der Endverstärker und das Netzteil sind, gleich nachfolgend, nur im Text zu Bild 2 erklärt.



Die Schaltung

Datenblätter: Es folgen zuerst in Reihen hintereinander Links zu den Datenblättern von einigen Bauteilen, die benötigt werden. Das sind die Opamp und diejenigen der selben Typen mit abweichenden Parametern, die wir vergleichend z.T. kurz betrachten zur Begründung warum diese Typen gerade nicht empfehlenswert sind.

Ein Beispiel: Für IC:A eignet sich der TLC274, jedoch nicht der TLC27M4 und ebenso nicht der TLC27L4. Mehr dazu weiter unten im Abschnitt "LinCMOS-Opamp von Texas-Instruments". Weiter geht es um IC:E, IC:F, JFET T1, MOSFET T2, und die Dioden betreffs Datenbätter.

Der JFET BF245A ist obsolet, aber es gibt noch kleinere Distributoren die den BF245A noch am Lager haben. Sonst gilt alternativ der J113. J113 ist nicht pinkompatibel mit BF245A. Das Problem beim Löten ist aber minimal. Bauteile mit einem * sind solche die im Einsatz sind und solche die alternativ sich für den Einsatz eignen.

  • TLC271* || TLC27M2* || TLC272 || TLC274* || TLC27M4 || TLC27L4 ||
  • CD4046* || TL750L5* || BS170* || BF245A* || J113* || 1N914* 1N4148* || 1N4002* ||

    • WICHTIGER HINWEIS!

      Die Erklärung der Funktionsweise der Schaltung in Bild 2 ist etwas kurz gehalten. Man beachte die Linkhinweise in den eckigen Klammern [HTMx]. x ist die Nummer, zugeordnet zu den einzelnen Schaltungsdetails. Zum Beispiel der Intrumentationsverstärker (IC:A2-A4) mit [HTM1], der eingangsseitige Überspannungsschutz (Dioden: D1-D4) mit [HTM2] oder der Synchron-Gleichrichter (IC:C1,C2) mit [HTM3]. Es folgen der Integrator mit Ux-Kompensation und den VCO mit [HTM4]. [HTM5] befasst sich mit dem Audioteil, speziell mit der Funktion von C9, R28 hnd D6.

      Im letzten Kapitel "Links" gibt es zu jedem [HTMx] den passenden Elektronik-Minikurs-Link, geeignet zur Vertiefung des Thema. Man kann auch jederzeit hier unterbrechen und in einem solchen Elektronik-Minikurs weiterlesen und sich informieren. Will man diese Linkliste und diesen Elektronik-Minikurs gleichzeitig auf dem Monitor haben, was auch empfehlenswert ist, kann man gleich hier auf Links-Separat klicken und dann mit der Maus die Fenstergrösse anpassen. Auf diese Art hat man den schnellsten Zugriff zu den ergänzenden Inhalten im geeigneten Elektronik-Minikurs.


    LinCMOS-Opamp von Texas-Instruments: Im Einsatz sind der Quad-Opamp IC:A TLC274, die beiden Dual-Opamp IC:B und IC:C TLC27M2 und der Single-Opamp TLC271.

    IC:A2-A4 bilden den Instrumentationsverstärker [HTM1]. Hier kommt es drauf an, wegen der Messung sehr kleiner Spannungen, das Eigenrauschen niedrig zu halten. Man hat die Wahl zwischen TLC274 mit niedrigster Rauschspannung, TLC27M4 mit etwa 1.3-facher und TLC27L4 mit knapp dreifacher Rauschspannung. Das M bedeutet Mediumpower und das L Lowpower. Das ist stets so u.a. bei diesen CMOS-Opamp-Familien, je niedriger die Wahl der Rauschspannung, um so höher ist der Leistungsverbrauch, und umgekehrt.

    Die Frequenzbandbreite ist ebenfalls höher, desto höher der Leistungsverbrauch ist. Die Priorität hat hier eine niedrige Rauschspannung, also muss man einen höheren Leistungsverbrauch, bzw. Strombedarf akzeptieren. Dieser beträgt beim rauscharmen TLC274 typisch etwa 3 mA, beim TLC27M4 typisch etwa 0.5 mA und beim TLC27L4 nur 40 µA. Man hat also, je nach Anwendung, eine gute Auswahl.

    Diese Unterschiede sind gross und man muss sie besonders dann berücksichtigen, wenn Batteriebetrieb gefragt ist. Dies trifft hier zu. Ein Kompromiss ergibt sich mit der Wahl von M-Typen nur gerade für die Dual-Opamps IC:B und IC:C (TLC27M2). Das Verhältnis von Signal- zur Rauschspannung ist deutlich grösser. Wie die Schaltung mit IC:B zusätzlich die Rauschspannung dämpft, liest man weiter unten im Abschnitt "Variabler Verstärker mit Tiefpassfilter".

    IC:D (TLC271) ist ein Einzel-Opamp bei dem man den so genannten Bias-Mode selbst, in drei Stufen, wählen kann. Wenn Pin 8 auf +Ub (hier 6 VDC) gesetzt ist, ist der Betriebsstrom am niedrigsten. Siehe Seite 3 im TLC271-Datenblatt Figure 1. Dies kann man sich hier leisten, weil nur eine sehr langsame Spannungsänderung, die Hüllkurve der verstärkten EMG-Spannung, verarbeitet werden muss, für die Steuerung des VCO IC:E (CD4046). Diese sehr niedrige Frequenz wird durch eine Änderung der EMG-Spannung erzeugt. Dies kann z.B. die Entspannung des Muskels sein, den man gerade testet.

    Instrumenationsverstärker: Zurück zum Instrumenationsverstärker [HTM1], realisiert mit drei Opamp mit einem Quad-Opamp des Typs TLC274 (IC:A2-A4). Die Gesamtverstärkung beträgt fix 100, erzeugt durch IC:A2,A3. IC:A4 arbeitet mit Verstärkung 1. IC:A4 erzeugt aus der Differenz-AC-Spannung eine AC-Spannung bezogen auf die Referenzspannung Ux. Trimmpoti TP1 dient dem exakten Abgleich für die maximale Unterdrückung eines Gleichtaktsignalanteils. Dies ist der Fall, wenn R9+TP1 = R8. TP1 muss ein Mehrgang-Trimmpoti sein, damit der optimale Abgleich leicht eingestellbar ist. Gelingt dies nicht, wird eine allfällige Gleichtakt-Störspannung an den Eingängen -INP und +INP schlecht unterdrückt.

    Das C1-Kondensator-Problem: Als ich diese Schaltung realisierte, gab es kleine polarisierte Elkos, welche eine inverse DC-Spannung von 30 % der DC-Nennspannung erlaubten. Also waren diese Elkos auch für AC-Spannungen in diesem begrenzten Bereich zulässig. Diese Produkte waren von der Firma VISHAY. Nach einigen Semstern des EMG-Praktikum wurde die Produktion dieser Elkos eingestellt. Mehr dazu, mit praktischen Anwendung, liest man speziell im Elektronik-Minikurs [HTM1a]. Man liest von der alternativen Lösung mit damals noch teuren Keramik-Multilayer-Kondensatoren (Kerko) mit der Problematik der Piezoempfindlichkeit, was besonders im Bereich von sehr kleinen AC-Spannungen (Signalspannungen: EMG, EKG, Audio, etc.) störend ist. Beim geringsten mechanischen Kontakt mit einem harten Objekt am Print oder sogar am Gehäuse kann der Kerko Spannungsimpulse erzeugen, welche die EMG-Spannung stören.

    In der Zwischenzeit hat sich einiges verändert. Es gibt aktuell winzig kleine SMD-Kerko mit den selben Daten, wie eine Kapazität von 10 µF und einer Nennspannung von 16 VDC. Getestet in Verbindung mit der Schaltung habe ich von CONRAD das Produkt 127'90'74. Die Piezo-Empfindlichkeit ist sehr gering. Mit leichtem Klopfen mit einem Zahnstocher direkt auf den Kerko erzeugt man Spannungsimpulse von etwa 25 µV. Das tut ja niemand. Mit Klopfen auf die Printfläche gleich neben dem SMD-Kerko liegt der Impuls unterhalb der Rauschspannung, zur Hauptsache erzeugt durch die Opamp IC:A2,A3.

    Man öffne das Foto mit dem bestückten Print. Alternativ kann man einen kleinen Wickelkondensator MKS2 von WIMA mit einer Kapazität von 10 µF und einer Nennspannung von 50 VDC (CONRAD: 450'662) auf die Print-Bauteilfläche kleben. Das rote Reckteck symbolisiert den geklebten Wickelkondensator MKS2 (C1b). Die beiden schwarzen Punkte sind die Anschlüsse. Diese verlötet man mit je einem kurzen isolierten feinen Draht mit den Lötaugen auf dem Print von C1. Man beachte die feinen blauen Linien mit den Pfeilen. C1a ist der spezielle Elko, wie beschrieben und den es nicht mehr gibt. Im Gegensatz zur Anwendung mit einem Kerko, hat man die Gewissheit, dass es sicher ganz sicher keinen Piezo-Effekt geben kann, falls man die Schaltung zu einem andern Zweck z.B. nichtbiologische präzise Messtechnik einsetzen will. Dies jedoch trifft hier nicht zu.

    Wozu braucht es R3 mit C1: R3 erzeugt mit R4 und R5 die fixe Verstärkung von 100. Ohne C1 (C1 überbrückt) von 0 Hz (DC) bis zur -3dB-Grenzfrequenz von etwa 17 kHz, resultierend aus der Verstärkung von 100 und der Unity-Gain-Bandreite von 1.7 MHz. Siehe TLC274-Datenblatt. 17 kHz sind zuviel. Dies hat einen signifikanten Nachteil. Mehr dazu im Abschnitt "Variabler Verstärker mit Tiefpassfilter" und gleich nachfolgend "Wozu das Tiefpassfilter?". Es geht dabei um den Kompromiss von niedriger Rauschspannung und dass man dafür eine niedrigere Frequenzbandbreite in Kauf nimmt. Für die Anwendung des EMG-Biofeedback mit Haut-Elektroden, genügt eine obere Grenzfrequenz von 1 kHz.

    Ohne C1 (C1 überbrückt) wird nicht nur die AC-Eingangsspannung von den Elektroden, es wird auch die DC-Offsetspannung von IC:A2 und IC:A3 verstärkt, die auch noch temperaturabhängig ist. Ohne C1 (C1 überbrückt) hat dies weiter zur Folge, dass am Ausgang von IC:A4 eine DC-Offsetspannung von 100 mV oder mehr anliegt. Mit C1 sind es typisch etwa 1 mV.

    Dieses R3*C1-Glied erfüllt noch einen ganz andern Zweck. Die Elektroden liefern nicht nur die EMG-Spannung. Es entsteht auch eine elktrochemische Spannung zwischen der Hautoberfläche und dem Elektroden-Metall. Die stets etwas feuchte Hautoberschicht erzeugt ein Elektrolyt. Als Elektrolyt bezeichnet man eine chemische Verbindung, die im festen, flüssigen oder gelösten Zustand in Ionen dissoziiert ist und die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegt. Mehr dazu im Wiki.

    Diese elektrolytisch bedingten gleichgepolten DC-Spannungen der beiden Elektroden subtrahieren sich, jedoch nicht vollständig. Es bleibt noch eine DC-Restspannung im mV-Bereich (leicht 10 mV möglich!) und dies stört, weil diese DC-Spannung ohne C1 verstärkt wird. Das passive Hochpassfilter R3*C1 vermeidet diese unerwünschte DC-Verstärkung. Mehr zu diesem Teil-Inhalt liest man hier [HTM1] im Kapitel "Instrumentationsverstärker nur für Wechselspannungen" mit den Bildern 7 und 8. Am besten gleich jetzt lesen...!

    Überspannungsschutz [HTM2] an den Eingängen: Gemäss "absolute maximum ratings" gilt für LinCMOS-Opamps, dass die Eingangsspannung nicht höher als die Betriebsspannung +Ub und nicht niedriger als -0.3 V unter GND sein darf. Dies muss man dann ganz speziell berücksichtigen, wenn eine mittel- oder sogar niederohmige Spannungsquelle mit dem Risiko von zu hohen Spannungswerten zum Einsatz kommt. Dann sollte man auf jeden Fall zwischen dem Knotenpunkt von den Dioden D1,D2 und dem Opamp-Eingang Pin 3 von IC:A2 einen zusätzlichen Widerstand einfügen, damit ein allfälliger Stromfluss durch die Diodenflussspannung begrenzt wird. Das selbe gilt für D3,D4 und Pin 12 für IC:A3. Hier ein Beispiel aus [HTM2], jedoch mit ±Ub als Betriebsspannung. Siehe R2 und R4. Diese zusätzliche Massnahme ist hier nicht notwendig.

    Wie kommt es mit den Elektroden zur Überspannung? Wenn das Kabel angeschlossen am Gerät und im eingeschalten Zustand offen herumliegt, ist das Risiko gegeben. Ist man selbst auch noch elektrisch aufgeladen, man erhebt sich z.B. von einem Kunststoffstuhl und berührt dabei eine oder beide Elektroden, dann kann es sein, dass spontan und sehr kurzzeitig z.B. 1000 V an diesen Elektroden liegen. Diese so genannte elektrostatische Spannung wird aber sofort mit den schnellen Dioden D1-D4, je nach Spannungspolarität, nach GND oder +Ub abgeleitet.

    Wenn man sich speziell für die elektrostatische Spannung interessiert, dann zur gelegentlichen Auflockerung den folgenden Artikel aus der Zeitschrift NEXUS lesen. Mit dem Thema hier hat es nichts zu tun.

    Variabler Verstärker mit Tiefpassfilter: Der Instrumentationsverstärker IC:A2-A4 hat eine fixe Verstärkung von 100. Die beiden nachfolgenden Verstärker mit IC:B1 und IC:B2 verstärken mit fix 11, bzw. mit fix 21. Weil beide Teile je ein Tiefpassfilter enthalten mit C4*R12, bzw. C5*R15, erfolgt im Übertragungsbereich ebenfalls eine schwache Dämpfung. Deshalb genügen die ungefähren Angaben der Verstärkungen mit 10 bzw. 20. Das Produkt der beiden Verstärkungen beträgt etwa 200. Multipliziert mit der Verstärkung des Instrumentationsverstärkers (IC:A2-A4) von 100, resultiert eine maximale Gesamtverstärkung von 20'000. Potmeter P1 GAIN ist dabei am rechten Anschlag (Pfeil nach oben). Der minimale Wert, Potmeter P1 GAIN ist am linken Anschlag (Pfeil nach unten), beträgt 1000.

    Wozu das Tiefpassfilter?: Zu diesem Thema gibt es einen speziellen Elektronik-Minikurs mit dem Titel "Rauschdämpfung mit Tiefpassfilter" [HTM6]. Wichtiges Kapitel in diesem Elektronik-Minikurs ist "Rauschverminderung durch Begrenzung des Frequenzbandes". Es empfiehlt sich, wenn auch nicht sofort, den ganzen Inhalt zu lesen.

    Ausgang EMG-TEST: Der Signaltest an diesem Ausgang mit einem Oszilloskop zeigt, ob der Verstärkerteil mit IC:A und IC:B richtig arbeitet. Dazu muss man ein symmetrisches Testsignal an -INP, +INP, Ux einspeisen. Für den Schnelltest eignet sich der EMG-Testgenerator und zum genauen Signaltest die Schaltung im Link zu Amplifier-Attenuator mit symmetrischem Ausgang. Siehe unter Kapitel "Links" etwas weiter unten "Es folgen Links zu Testschaltungen".

    Referenzspannungsquelle: Diese Schaltung mit dem Opamp IC:A1 ist ausführlich im VCO-Elektronik-Minikurs [HTM4] beschrieben. Siehe im Kapitel "Komfortable VCO-Schaltung mit Wechselspannungseingang" mit Bild 5 (Opamp IC:A1).

    Synchron-Gleichrichter: Diese Schaltung (IC:C1,C2) arbeitet als Vollweggleichrichter. Die Funktionsweise ist ausführlich im gleichnamigen Elektronik-Minikurs [HTM3] beschrieben. Ein wichtiger Hinweis dort: Der JFET BF245a,b,c gibt es nicht mehr. Alternativ zum bisherigen BF245A empfehlen sich J113 oder PN4393. Diese sind mit BF245A nicht pinkompatibel. Die Anpassung mit den drei Drähten des J113 oder PN4393 ist jedoch keine "Hexerei" auf einem bestehenden Printlayout mit der BF245-Anordnung von Drain, Source und Gate. Wobei man bei den JFETs Drain und Source ohne Nachteil vertauschen darf. Darum kann man JFETs sehr einfach auch als diskrete Analog-Switches einsetzen. Bei Interesse, mehr dazu liest man hier.

    TIME-CONST, Ux-Kompensation und VCO: Am Ausgang von Pin 7 des Opamp IC:C2 liegt konstant die Referenzspannung Ux mit 2.6 VDC. Um diese DC-Spannung zu messen, muss man die beiden Eingänge -INP und +INP mit Ux verbinden. An diesem Ux-Anschluss hat es ein Kerko Ck (100 nF) nach GND, um allfällige HF-Störungen von Aussen abzublocken.
    Alle Blockkondensatoren (Ck) sind Kerko mit einer Kapazität von 100 nF!

    Wenn anstelle dieser direkten kurzschliessenden Verbindung die Mess-Elektroden und die Referenzelektrode am Körper kontaktiert und an -INP, +INP und Ux angeschlossen sind, gibt es zur Ux-Referenz-Spannung von 2.6 VDC die Überlagerung der verstärkten und vollweg-gleichgerichteten EMG-Spannung an Pin 7 von IC:C2.

    Nochmals,- nicht vergessen, die Referenz-Elektrode muss am Körper fixiert und an Ux angeschlossen sein, weil die Referenzspannung Ux via Körper zu den Anschlüssen -INP und +INP übertragen werden muss. Die selben Überlegungen gelten, wenn anstelle des Körpers z.B. dieser EMG-Testgenerator angeschlossen wird. Dieses Gerät dient einem Schnelltest für EMG-Biofeedback-Geräte und EMG-Messgeräte mit denen man zum Teil u.a. auch intramuskulär messen kann. Mehr dazu erfährt man bei Interesse an EMG-Messgeräte hier ([HTM1]).

    Mit dem Potmeter P2 wird die Zeitkonstante eingestellt. Hat die Zeitkonstante, gegeben durch R22, P2 und C7, einen hohen Wert, max. 1 sec., folgt am Ausgang von IC:D Pin 6 die Spannung nur langsam der Änderung der EMG-Spannung. Diese Spannung steuert den VCO der integrierten PLL-Schaltung CD4046 IC:E (Pin 9). Die höchste Reaktionsgeschwindigkeit ergibt sich bei der minimalen Zeitkonstante von 50 ms. Dazu muss P2 auf 0 Ohm eingestellt sein.

    Falls es das Problem gibt, dass man für P2 keines mit 1 M-Ohm erhält, geht es auch mit 100 k-Ohm. R22 muss man auf 4.7 k-Ohm reduzieren und C7 auf 10 µF erhöhen. Wenn P2 = 0 Ohm, liegt 4.7 k-Ohm direkt zwischen Pin 7 von IC:C2 und C7. Das geht gerade noch. Wesentlich niedriger als etwa 5 k-Ohm stört es wegen Überlastung die Funktion des Synchron-Gleichrichter. Für C7 empfiehlt sich ein Tantal-Elko. Deshalb steht bei C7 (T).

    Die VCO-Steuerung funktioniert nur dann korrekt, wenn die Ux-Spannung mit dem Opamp IC:D auf den GND-Pegel subtrahiert wird und so dieser GND-Pegel an Pin 6 am VCO-Eingang Pin 9 anliegt. So liegt die Frequenz am Ausgang des VCO bei nahe 0 Hz. Die Einstellung dazu erfolgt mit dem Trimmpoti TP2. Dieser Abgleich muss man durchführen wenn -INP, +INP und Ux kurzgeschlossen sind. Nur so hat man die Gewissheit, dass für diesen Abgleich keine Eingangsspannung stören kann.

    Mehr zum Thema Ux-Komensation und VCO liest im Elektronik-Minikurs [HTM4]. Die Hauptsache liest man dazu im Kapitel "Komfortable VCO-Schaltung mit Wechselspannungseingang". Obwohl die Schaltungen die selben sind, wie hier in diesem Elektronik-Minikurs, ist die Bauteilnummerierung nicht identisch. Ein Beispiel: Die Diode D5 hier ist dort mit D1 bezeichnet. Diode D1 (D5) braucht es eigentlich nicht. Man kann sie tatsächlich weglassen. Warum sie trotzdem drin ist, hat etwas mit dem damaligen Praktikum zu tun. Man liest es ebenso im [HTM4]. Der Abschnitt beginnt mit "Es stellt sich jetzt noch die Frage wozu die Diode D1...".

    Wenn der CD4046 IC:E noch völlig unbekannt ist, empfiehlt es sich gelegentlich den ganzen Inhalt von [HTM4] zu lesen und das CD4046-Datenblatt konsultieren.

    Audio: Poti P3 dient der einestellbaren VCO-Ausgangsspannung (Pin 4) mit einem maximalen Pegel von 6 V. Damit wird die Lautstärke des Lautsprechers LS eingestellt. R27 (27 k-Ohm) und P3 (100 k-Ohm) bilden einen Spannungsteiler. Damit erzeugt R27 eine konstante Minimalspannung (HIGH-Pegel der Recheckspannung). Der Schleifer von P3 kann diese Minimalspannung nicht unterschreiten. Dies hat den Vorteil, dass man nicht erst P3 hochfahren muss um einen leisen Ton zu hören. Man hat einen vernünftigen Einstellbereich für die Lautstärke. Warum dies notwendig ist, erkennt man am folgenden Diagramm Transfer-Charakteristik aus dem Elektronik-Minikurs [HTM5].

    Die Rechteckspannung am VCO-Ausgang hat einen HIGH-Pegel von 6 V und einen LOW-Pegel entsprechend GND. Am Schleifer des Poti P3 beträgt der HIGH-Pegel ebenfalls 6 V, der LOW-Pegel jedoch 1.7 V. Damit ist der Drehwinkel klein genug vom tonfreien Zustand bis zum Einsatz eines leisen Tones, der bei etwa 2.5 V bis 3 V beginnt. Man kann natürlich R27 nach eigenem Bedarf entsprechend ändern.

    An dieser Stelle sei noch erwähnt, die Spannung zwischen Gate und GND ist im aktiven Zustand des Lautsprechers etwas höher als die Gate-Source-Spannung, weil ein gewisser Strom durch R30 und Lautsprecher LS fliesst. Bei der vollen (unerträglichen) Lautstärke beträgt der Batteriestrom etwa 40 bis 50 mA. Bei Zimmerlautstärke sind es etwa 10 bis 15mA. Die Rippelspannung an der Batterie beträgt bei voller Lautstärke etwa 0.1 Vpp, je nach VCO-Frequenz. Je höher diese ist um so kleiner ist die Rippelspannung. Verantwortlich dafür ist der Ladeelko C12 mit 470 µF.

    Warum C9 und R28? Eigentlich könnte man vom Schleifer des Poti P3, ohne C9 in Serie, direkt das Gate des MOSFET T2 (BS170) steuern. Dies hätte jedoch einen lästigen Nachteil zu Folge. Wenn keine EMG-Spannung anliegt, oder die Eingänge -INP, +INP sind mit Ux kurzgeschlossen, erzeugt der VCO keine oder fast keine Frequenz. Das ist bedingt durch die Kalibrierung mit TP2. Sind es 0 Hz kann der VCO-Ausgang zufällig auf HIGH (6V) oder LOW (GND) liegen. Liegt er auf HIGH, hat es, je nach Einstellung des Poti P3, eine recht hohe dauerhafte Gate-Spannung an T2. Dies hätte zur Folge, dass die Batterie ständig mit Strom belastet ist. Strom durch T2 (Drain/Source), R30 und Lausprecher LS. Dies überlebt die Batterie nicht all zu lange, wenn das Gerät eingeschaltet liegen bleibt und man hat es vergessen auszuschalten.

    Dieses Problem vermeidet das dem T2-Gate vorgeschaltete C9*R28-Hochpassfilter. Im VCO-Ruhezustand liegt das T2-Gate auf GND, unabhängig davon ob der Ausgang des VCO auf HIGH (6 V) oder auf LOW (GND) liegt. Es fliesst also kein Strom durch LS. Damit haben wir jedoch einen Nachteil, den es zu beseitigen gilt. Bei aktivem VCO liegt die HIGH-Spannung am Knotenpunkt ziwschen C9 und R28 auf +Ub/2 von maximal +3 V und die LOW-Pegelspannung nicht auf GND, sondern auf maximal -3 V. P3 auf maximale Spannung eibgestellt, vorausgesetzt.

    Diese +3 V am T2-Gate sind für den Maximalwert des Drainstromes viel zuwenig. Man werfe nochmals einen Blick auf das Diagramm. Daraus resultiert eine viel zu geringe maximale Lautstärke. Dieses Problem löst Diode D6. Man lese dazu das Kapitel "Der RCD-Differenzierer und seine Wirkung" im Elektronik-Minikurs [HTM5]. Dort erkennt man zusätzlich in Bild 6, warum es ein Vorteil hat, wenn man für D6 eine Schottky-Diode anstelle einer Silizium-Diode verwendet. Zwingend nötig ist das hier allerdings nicht.

    *** *** Audio-Endstufe: Eine Alkali-Mangan-9-Volt-Blockbatterie hat eine Kapazität von etwa 500 mAh. Diese eignet sich direkt für den Betrieb der Audio-Endstufe. Die Steuerung mittels MOSFET T2 ist bereits erklärt. Ergänzend, R30 und D7 dämpfen die Neigung zur Oszillation durch die Lautsprecher-Spuleninduktivität, angeregt durch die steilen Schaltflanken des VCO-Signals. R29 trägt ebenfalls dazu bei, dass die MOSFET-Schaltung, auch völlig unabhängig von R30 und LS, nicht zum Oszillieren neigt während der Schaltflanken.

    Betreffs R29 spielt die Gate-Source-Kapazität eine gewisse Rolle. Diese beträgt beim BS170 maximal 40 pF. Wenn R29 fehlt und Poti P3 ist so am Anschlag, dass der Schleifer quasi direkten Kontakt hat zum VCO-Ausgang, neigt der BS170 zum Oszillieren während den Schaltflanken. R29 verhindert dies in Funktion einer Dämpfung. Die Grösse von R29 ist eine empirische Angelegenheit. Man muss es ausprobieren. Ist R29 zu gross, reduziert dies die Flankensteilheit der Rechteckspannung am Gate und das selbe geschieht mit der Drain-, bz. Source-Stromflanke von T2. R29 mit 1 k-Ohm hat sich bewährt.

    Hochleistungs-MOSFETs haben eine deutlich höhere Gate-Source-Kapazität. Da muss man auch einen deutlich kleineren Widerstand (R29) wählen. Manchmal setzt man anstelle davon eine winzig kleine Ringkernrossel ein. Dies nur nebenbei erwähnt.

    Netzteil: Die 9V-Blockbatterie (Typ: Alkali-Mangan) speist den Lautsprecher mit dem MOSFET-Schaltkreis (T2: BS170) direkt. Der Ladeelkolko C12 hält durch seine Glättungsfunktion die mittelfrequente Impedanz niedrig. Dies ist notwendig für den problemlosen stabilen Betrieb des Spannungsregler IC:F (TL750L5) und der gesamten Schaltung. Für die höherfrequente Stabilität sorgen die Kerko Ck mit einer Kapazität von 100 nF in der Nähe der Betriebsspannung bei den ICs, wie das so üblich ist.

    Dieser Lowdropout-Spannungsregler IC:F erzeugt eine konstante geregelte Spannung von 5 VDC. Diese Spannung wird mit den beiden Dioden 1N4148 oder 1N914, D8 und D9, im Biaspfad auf etwa 6.2 VDC erhöht. Der Biasstrom des TL750L5, der durch diese beiden Dioden nach GND fliesst, beträgt typisch 1 mA, gemäss Datenblatt. Dieser Strom erzeugt in D8 und D9 je eine Flussspannung von etwa 0.6 VDC. Total also 1.2 VDC. Deshalb 6.2 VDC am Ausgang für +Ub. Einfachheitshalber liest man in der gesamten Beschreibung und in Bild 2 jeweils 6V oder 6 VDC. Mit diesem "Diodentrick" wird die temperaturbedingte hohe Stabilität der Ausgangsspannung des TL750L5 etwas reduziert. Silizium-Dioden haben eine Temperaturdrifft von etwa -2 mV/K. Bei zwei Dioden in Serie sind es -4 mV/K. Das ist für die vorliegende Anwendung unproblematisch, weil die grundlegende Spannungs-Toleranz des TL750L5 am Ausgang ±4 % (4.8V bis 5.2V) beträgt.

    Die Ladeschlussspannung einer Alkali-Mangan-Batterie liegt bei knapp 70 bis 75 Prozent der Nennspannung. Also bei etwa 6.7 VDC bei einer 9-Volt-Blockbatterie. Dies bedeutet, dass die Spannungsregelung gerade noch knapp richtig arbeitet. Dann allerdings nur noch für kurze Zeit. Wie bereits weiter oben in "Audio-Endstufe" erklärt, hat diese Batterie eine Kapazität von 500 mAh. Dies bedeutet, dass die Entladespannung bei einem Strom von 50 mA gilt, also genau genommen 6.7 VDC bei 50 mA. Es gilt die Regel: Test-Entladestrom etwa 10 % von der Kapazität.

    Ohne diese TL750L5-Spannungsregelung, mit den beiden Elkos C10 und C11 und nur mit C12 im Einsatz, würde die Schaltung bei einer mittleren bis hoch eingestellten Verstärkung (Poti P1) nicht stabil arbeiten. Die gesamte Schaltung wäre ein einziger Oszillator, weil die sehr kleine Rippelspannung am Ladeelko C12, erzeugt durch die Tonfrequenz am niederohmigen Lautsprecherkreis, würde auf den hochempfindlichen EMG-Eingang rückkoppeln.



    Die Printplatte

    Anstelle der beiden Begriffe Leiterplatte oder Platine, kommt der Begriff Print oder Printplatte, wie in meinen Elektronik-Minikursen üblich, zum Einsatz. Die Aufnahmen aller Fotos hier erfolgte im April 2001 mit einer Digital-Kamera, die noch nicht so scharfe Bilder erzeugte, wie es heute üblich ist. Da der Print in einem betriebseigenen Labor hergestellt wurde, gibt es keine Bauteilbeschriftung, wie dies z.B. in professionellen Bausätzen üblich ist.

    Es gilt deshalb dasselbe, wie damals im Praktikum. Es gibt für den Print eine Bauteilskizze mit deren Hilfe man die Bauteile einsetzt und verlötet. Es gibt nur eine Leiterbahnebene auf der Print-Unterseite und man benötigt nur eine einzige Drahtbrücke, gut sichtbar auf dem Foto, rechts neben den beiden Widerständen R18 und R20. Die Bezeichnung R18 und R20 sieht man in der Bauteilskizze. Dies nur grad ein Beispiel, das zeigen soll, mit Blick auf die Bauteilskizze ist es leicht den Print zu bestücken.

    Ein paar Hinweise zur Bauteilskizze. Es gibt drei Poti, P1 (GAIN), P2 (TIME-CONST) und P3 (VOLUME). Man erkennt, dass diese Poti-Typen, gemäss Materialliste, Lötpins haben zum direkten Einstecken und verlöten in den Print. Dies hat einen wichtigen Vorteil. Es liegen keine Verbindungslitzen unkontrolliert herum, die allfällig Rückkopplungseffekte erzeugen können. Man kann dies zwar weitgehend mit abgeschirmten dünnen und flexiblen Kabeln vermeiden. Dies empfiehlt sich dann, wenn man diese originalen Potis nicht bekommt man und auf andere Produkte ausweichen muss. Hier noch eine mechanische Skizze der originalen Poti von Distrelec.

    In der nächsten Skizze hat es drei Info-Kästchen:

    Info-Kästchen A: Wenn das IC links eine Kerbe (halbrund und nicht eckig) hat, dann gilt der Pin gleich unterhalb davon als Nummer 1. Dies unabhängig davon, ob es rechts einen Punkt hat oder nicht. Wenn das IC links beim unteren Pin, anstelle einer Kerbe, einen Punkt hat, dann ist dieser Pin Nummer 1.

    Info-Kästchen B: Das Symbol ein Punkt mit Ring zeigt einen stehend verlöteten Widerstand. R15, in der Bauteilskizze, ist ein solches Beispiel.

    Info-Kästchen C: Das typische Dioden-Symbol sieht man in der Bauteilskizze und hier. Der Ring beim Bauteil ist die Kathode.



    Printlayout

    Dieser Printlayout (<---hier zum Drucken!) zeigt die Komponenten-Seite. Die Leiterbahnen und die Lötaugen, quasi im Durchblick durch den Print, sind auf der hinteren Seite. Man erkennt es am Spiegelbild des Textes "EMG-BIOFEEDBACK-DEVICE". Man sieht diesen Text korrekt, wenn man die ausgedruckte Klarsichtfolie umdreht. Die Seite mit den Leiterbahnen und den Lötaugen muss auf die mit Fotolack beschichtete Seite des Printes gelegt, fixiert und belichtet werden. Man nennt dies Schicht-zu-Schicht-Kontakt. Diese Methode ergibt die schärfste Bildwiedergabe auf dem Print.

    Wenn man selbst kein UV-Belichtungsgerät, keine Entwicklung- und keine Ätzanlage besitzt und man hat auch keinen Zugriff wo es solche Geräte gibt, bleibt nur noch die Wahl, das pdf-File an eine Elektronik-Firma zu senden, die einen solchen Dienst anbietet. Als ich damals vor Jahrzehnten eine Printserie für ein anderes Projekt auswärts herstellen liess, gab es dies bei der Elektronik-Firma CONRAD. Es sieht danach aus, dass es bei CONRAD dieses Angebot heute noch gibt. Ein erster Hinweis zeigt dieser Link (August-2020).

    Nicht vergessen zu prüfen ob die Masse auf dem Ausdruck mit der Klarsichtfolie auch stimmen. Wenn nicht, beim Druckertool entsprechend justieren und den Ausdruck wiederholen. Nur so ist man sicher, dass die Lochabstände zwischen den IC-Pins auch stimmen. Die Breite des Printes beträgt 91 mm und die Länge 82 mm. Man kann ja zuerst auf Papier ausdrucken, um die Masse zu prüfen und erst danach auf Klarsichtfolie ausdrucken.



    Das Gehäuse-Problem

    Für den Einbau des fertig bestückten, verlöteten und elektronisch geprüften Print, gibt es das spezielle Gehäuse HP-9VB mit 9V-Batteriefach von PACTEC (USA). Die Produktion wurde leider vor vielen Jahren eingestellt. Ich hatte damals zur Zeit meines Praktikums, bis Ende Herbst 2016, gerade noch genug von diesen Gehäusen. Weitere Infos wo es noch gewisse Lager gibt, liest man in der Materialliste unter "Diverses".

    Leider fehlen die Vorlagen für die Frontplatten. Das waren, genau so wie beim Print, Postscript-Files. Die der Frontplatten habe ich leider nie in PDF-Files konvertiert. Diese Postscript-Files gingen verloren mit einer Aufräumaktion.

    Gehäuse-Kauf gelingt: Als erstes gleich einen Blick in die Originalskizze des Gehäuse HP-9VB von PACTEC. Falls man etwas mechanisches Geschick besitzt, der Aufwand der mechanischen Arbeiten ist nicht gross und auch nicht sehr schwierig. Eine Bohrmaschine sollte man haben oder ausleihen für das Bohren der Löcher für die Achsen der drei Poti P1, P2 und P3, für den Kippschalter und für die Löcher für den Schallaustritt des Lautsprecher. Dieses Foto zeigt ein fertiges Gerät und dieses Foto ein Bild der drei Poti (Distrelec: 164-35-338) mit den Stiften zum direkten Einlöten in den Print.

    Wenn das Unterteil des Gehäuses offen da liegt, sieht man drei Befestigungsbolzen, integriert im Kunstsoff des Gehäuses. Schrauben liegen mit dabei in einem Plastiksäckchen. Man montiert zunächst erst mal den bestückten Print. Man misst die Positionen für die drei Löcher zu den Poti-Achsen von den Kanten des Gehäuse so genau wie möglich. Die Positionierung des Kippschalters ist etwas schwieriger. Man muss von der Innenseite des Deckels die Situation genau betrachten. Es ist etwas schwierig dies mit Worten zu erklären.

    Man versteht es, wenn man den Print mit den drei Potis die Achsen durch die drei Poti-Löcher im Deckel schiebt. Dann erkennt man die Platzsituation für den Kippschalter zum Print und Gehäuse. Ich hoffe mit dieser Einführung kommt man weiter....

    Man kann Frontplatten auf Alu anfertigen (lassen), im Stil wie es das Foto zeigt. Ich benutzte damals Produkte von 3M-SCOTCHCAL. Diese Firma gibt es noch. Einfach "scotchcal" in Google eingeben und man hat schon mal einen ersten Eindruck.

    Gehäuse-Kauf gelingt nicht: Man kann den fertig bestückten Print auch ohne Gehäuse einsetzen oder man kauft sich ein grösseres Gehäuse und baut den bestückten Print ein. Es kann dabei von Vorteil sein, wenn das Gehäuse gross genug ist, um später eine weitere Schaltung einzubauen. Dies kann z.B. einen LED-Balken mit etwas Elektronik sein für zusätzlich ein optisches EMG-Biofeedback. Eine einfachere optische Möglichkeit gäbe es mit der Helligkeitssteuerung einer Niederspannungs-Glühbirne. Mit solchen Erweiterungen emfiehlt sich an Stelle einer kleinen 9V-Blockbatterie ein externes Netzteil mit genügend Power einzusetzen. Es empfiehlt sich unbedingt kein Schaltnetzteil einzusetzen, wegen dem kapazitiven Störeinfluss steiler Schaltflanken! Eine Entstördrossel im Niederspannungskabel hat nur eine bescheidene Entstörwikung.

    Die "böse" Ständerlampe:
    Es gilt generell, dass man mit EMG-Biofeedback- oder EMG-Messgeräten in möglichst AC-feldarmer Umgebung arbeitet, wegen der hohen Quellimpdanz und der sehr niedrigen EMG-Spannung. Eine Metall-Ständerlampe in der Nähe, wenn das Metallrohr nicht geerdet ist, stört massiv solche Messungen. Ein solches Problem entdeckte ich mal in einer Arztpraxis wo es mit den EKG-Messungen nicht funktionierte.



    Das Lautsprecher-Problem

    Es ist gar nicht so leicht den passenden Mini-Lautsprecher zu finden, wie es noch vor ein bis zwei Jahrzehnten selbstverständlich war. Dazu hier nochmals das Titelbild zum Kapitel "Die Printplatte" mit dem Mini-Lautsprecher. In der Schweiz gibt es einen kleinen Elektronik-Distributor der einiges auf Lager hat. Es ist die Firma GRIEDER-BAUTEILE, mit dieser Auswahl von Miniatur-Lautsprechern. Den benötigten Lautsprechertyp, vor allem wegen den mechanischen Massen, ist leider nicht mit dabei.

    Wenn die mechanischen Masse irrelevant sind und man dafür ein anderes Gehäuse kauft, hat GRIEDER einen interessant Typ. Es ist der Ratho-BL50. An Stelle von üblich 8 Ohm hat er eine Impedanz 45 Ohm. Dies bedeutet ein deutlich niedriger Energieverbrauch. Wahrscheinlich muss man an der originalen Schaltung AUDIO in Bild 2 nichts ändern. Es gibt allerdings ein Wehrmutstropfen. Man liest auf der Webseite "Nur solange Vorrat". Falls nicht mehr erhältlich, muss man halt nach anderen Quellen suchen.

    Bleiben wir beim 8-Ohm-Lautsprecher und dem Gehäuse HP-9VB von PACTEC. Ein wichtiges Kriterium beim Lautsprecher ist der Durchmesser, der nicht grösser als 40 mm sein darf. Die Dicke ist auch begrenzt, so dass man einen selbst gefertigten Alubolzen einsetzen kann mit einem Gewindeloch zur Befestigung auf dem Print. Die folgende mechanische Skizze in Bild 3 zeigt, wie es gemeint ist. Diese Masse gelten, falls der bestückte Print im originalen Gehäuse HP-9VB von PACTEC eingebaut wird, falls man dieses hoffentlich noch kaufen kann, wie im Kapitel "Das Gehäuse-Problem" näher beschrieben.

    Diese Skizze zeigt die Masse des damals verwendeten Mini-Lautsprechers Typ Nr.3312 von PUSTERLA. Skizze und Text sind selbsterklärend. Mit "Innnenseite des Deckels" betrifft es den Einsatz des Gehäuse HP-9VB von PACTEC.

    Nach erneuter Suche wurde ich fündig bei RS-ONLINE mit exakt den geeigneten elektrischen und mechanischen Daten:
    * RS PRO Kleinlautsprecher 8 Ohm / 1 Watt, 104dB, 36(Dia.) x 4.8mm *

    Es gibt auch Mini-Lautsprecher einer ganz andern Art, entdeckt beim Distributor DISTRELEC. Auch dieser würde sich eignen, mit einer ganz andern Befestigungsmethode, wobei es keine mechanische Arbeit bedingt und die Masse passen. Mehr dazu hier:
    * Miniatur-Lautsprecher KSSG-3108 von KINGSTATE*

    Alternativ gibt es den KSSG-3108 auch bei GM-Electronic.

    Es gibt von KINGSTATE zum KSSG-3108 eine Skizze mit den mechanischen Daten, die ich für die vorliegende Anwendung etwas ergänzt habe mit rotem Text:

    AR ist die Abkürzung für Araldit und es sind kleine Klebepunkte. Es kann aber auch einen andern Zweikomponenten-Kleber sein. Die Seite mit dem Ton-Ausgang verklebt man mit der Innenseite des Gehäuses im Deckel, wo ebenfalls die Löcher sind für den Ton-Ausgang (siehe Foto des Gehäusedeckel) an ein paar Stellen, z.B. dort wo AR hinweist. Es sind die im Kreis angeordneten 10 Löcher inklusive das Loch in der Mitte.

    Der Durchmesser von 31.8 mm ist okay. Das Maximum liegt bei 40 mm, begrenzt durch die Kanten des Printes. Die Höhe von 15 mm passt auch. Die Distanz zwischen der Innenseite des Deckels und des Printes beträgt 19 mm. Die 5.5 mm langen Anschlussstifte des Lautsprechers muss man auf etwa 3 mm kürzen, dann passt es prima.

    Die elektrischen Anschlüsse verbindet man mit zwei isolierten Kabellitzen mit den beiden Lötpins (GND/Lautsprecher) auf dem Print. Es empfiehlt sich dabei, die beiden Kabel vor dem verlöten zu verdrillen. Auf diese Weise vermeidet man magnetische Streufelder, die sich evtl. in die Leiterbahnen im sensiblen Teil der Schaltung induktiv einkoppeln. Die Frequenzen sind zwar sehr niedrig, aber die Flankensteilheit des Rechteckstroms ist relativ hoch.



    Links

    Es folgen die Links, welche in Beziehung zu diesem Bastelprojekt stehen:

    • Operationsverstärker I [HTM1]
      Thematisch sehr umfassend: Geeignet für den Einstieg mit bereits erworbenem einfachem Grundlagenwissen.
    • Echter Differenzverstärker I [HTM1]
      Der echte Differenzverstärker (Instrumentationsverstärker) hat gegenüber dem einfachen Differenzverstärker den Vorteil des sehr hohen Eingangswiderstandes. Eine wichtige Voraussetzung für u.a. EMG-Messungen.
    • Echter Differenzverstärker II [HTM1]
      Das Hauptthema ist hier das Bezugspotenzial, auch als Referenz- und Arbeitspunktspannung bezeichnet. Damit stehen auch die DC-Offsetspannung und dessen Einstellmethoden im Fokus.
    • Echter Differenzverstärker III [HTM1]
      Hier wird der Instrumentationsverstärker in seine Opamp-Teile zerlegt, um die einzelnen Vorgänge anschaulich zu verstehen. Interessant, wie bei der Gleichtaktverstärkung die Eingangsstufe ihren verstärkenden Einfluss verliert und sich zu zwei einzelne Impedanzwandler reduziert. Man muss dabei in den voran gehenden Minikursen die virtuelle Spannung (virtueller GND) verstanden haben.
    • Echter Differenzverstärker IV [HTM1]
      Thematisiert wird hier die professionelle EMG-Verstärkertechnik für die invasive intramuskuläre Messung. Für den interessierten Leser empfiehlt es sich hier reinzugucken. Es enthält auch ein Grundsatzthema zur Arbeitsweise des Instrumentationsverstärkers betreffs Unterdrückung von Gleichtaktsignalen.
    • Polarisierter Elektrolytkondensator für Wechselspannung und inverse Gleichspannung [HTM1a]
      Es betrifft den den speziellen Elko (C1), der mit maximal 30 % der Nennspannung verkehrt gepolt benutzt werden darf. Wählt man einen Elko mit genügend hoher Nennspannung, kann man ihn an eine AC-Spannung betreiben. Leider gibt es diese Elko-Serie nicht mehr. Man könnte alternativ einen nichtpolarisierten Elko einsetzen. Diese sind leider zu gross, wenn man das angeboteten Printlayout verwenden will. In der Zwischenzeit gibt es kleine Multilayer-Keramikkondensatoren mit selben Kapazität von 10 µF. Einen solchen kann man einsetzen. Ein solcher Kerko habe ich betreffs geringem Piezzo-Effekt geprüft. Mehr dazu in der Materialliste unter "Keramik-Kondensator statt Spezial-Trocken-Elko".
    • Der Synchron-Gleichrichter [HTM3]
      Normalerweise werden Präzisionsgleichrichter für niedrige Ströme im Bereich der analogen Signalverarbeitung mit Opamps und Dioden realisiert. Es geht aber auch ohne Dioden mit Hilfe eines elektronischen Umschaltvorganges im Augenblick des Spannungs-Nulldurchganges.
    • Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)... [HTM4]
      Man lernt wie ein einfacher Oszillator mit einem Schmitt-Trigger-NAND-Gatter (CD4093) arbeitet und wie man diesen zu einem VCO erweitert. Dies dient dem Einstieg. Das Ziel ist zu verstehen wie der VCO in der integrierten PLL-Schaltung CD4046 (MC14046) arbeitet, der im EMG-Biofeedback-Gerät zum Einsatz kommt. Thematisiert wird hier auch die Referenzspannungsquelle (Bild 5) zur Erzeugung von Ux.
    • Vom passiven RC- zum passiven RCD-Hochpassfilter/Differenzierer [HTM5]
      Dieser Differenzierer aus Widerstand, Kondensator und Diode befindet sich zwischen VCO und Lautsprecherendstufe. Er vermeidet unnötig hohen Batterieverbrauch, wenn der VCO ohne Ausgangsfrequenz im Zustand des logischen HIGH-Pegel stehen bleibt. Die Diode sorgt dafür, dass das Gate des MOSFET genug Spannung erhält.
    • Rauschdämpfung mit Tiefpassfilter [HTM6]
      Das Thema ist die Reduktion der Rauschspannung durch Reduzierung der Frequenzbandbreite. Dies macht dann Sinn, wenn zur Anwendung nur ein Teil der Bandbreite benötigt wird.

    Es folgen Links zu Testschaltungen:

    • EMG-Testgenerator
      Dieser EMG-Testgenerator ist eine kleine Schaltung, die eine Dreieckspannung erzeugt, um zu testen ob eine EMG-Messanlage funktioniert oder nicht. Das ist vor allem dann sinnvoll und im Einsatz effizient, wenn in ein Patient mit Elektroden an eine EMG-Messanlage angeschlossen ist und die Qualität der Wiedergabe des Signales zu wünschen übrig lässt.
    • Amplifier-Attenuator mit symmetrischem Ausgang
      Diese Schaltung ist ein wichtiges Werkzeug, wenn es darum geht, ein asymmetrisches analoges Signal in ein symmetrisches zu konvertieren, wie z.B. zum Testen eines empfindlichen EMG-Vorverstärkers. Die Schaltung ist realisiert mit hochwertigen Opamps von Linear-Technology, bzw. Analog-Devices.



    Thomas Schaerer, dd.08.2020