23.12.16: Der Monoflop-Integrator
Während alle mit dem Conrad-Elektronik-Kalender 2016 spielen und schon neue und interessante Versuche für den Kalender-Wettbewerb ausarbeiten, sitze ich hier an den Vorbereitungen für den Kalender 2017. Franzis muss nämlich schon recht früh wissen, welche Bauteile reinkommen, damit später alles rechtzeitig fertig wird. Bei den Versuchen mit einem Piezo-Schallwandler und einem OPV LM324 habe ich eine Schaltung gefunden, die sich ganz anders verhält, als ich erwartet hatte. Ein Geräusch oder ein Klopfen sollte den Ausgangzustand umschalten. Dabei dachte ich eigentlich wegen der Rückkopplung für den Elko an ein abruptes Umschalten wie bei einem Flipflop.
Spannungsverlauf am Ausgang des OPV
Wenn man genauer hinschaut, sieht man, dass die Schaltung tatsächlich abrupt in Richtung Low-Zustand kippt, aber nur um rund 0,5 V. Danach hält etwas den weiteren Abstieg auf. Ein idealer Operationsverstärker würde sich ganz anders verhalten. Hier werden jedoch besondere Eigenschaften des bipolaren OPV mit PNP-Eingangsstufe (LM358, LM324) ausgenutzt. Der Eingangsstrom liegt bei etwa 30 nA, sodass ein Spannungsabfall von 10 mV am invertierten Eingang liegt, am nichtinvertierten Eingang dagegen nur 3 mV. Der Unterschied reicht aus um einen stabilen Ruhezustand zu erzeugen. Der Sensor muss mindestens -7 mV aufbringen um den Zustand zu ändern. Beim Umkippen in den Rot-Zustand zieht der Elko die Spannung am +Eingang hoch. Er muss sich dann soweit aufladen, dass die Eingangsspannung wieder bis auf unter 7 mV absinkt, was etwa eine halbe Minute dauert. Dann kippt der Ausgangszustand um. Damit würde der Eingang um einige Volt unter Null gezogen, was allerdings nicht mehr zum normalen Arbeitsbereich des OPV gehört. Unterhalb von -0,5V kehrt sich die Funktion des Eingangs um. Aus einer Rückkopplung wird daher für eine gewisse Zeit eine Gegenkopplung. Damit hat man einen Integrator, da der Elko nun zu einem invertierenden Eingang führt. Deshalb ändert sich der Ausgangszustand nur langsam.
Der verbotene Bereich unter -0,5V hat mich schon einmal beschäftigt, und zwar beim Komparator LM311, der praktisch die gleiche PNP-Eingangsschaltung hat. Bei der Entwicklung des Sprarrow gab es Komparator-Übersteuerungsprobleme, die ebenfalls bei Spannungen unter -0,5 V auftreten und am Ende mit Shottkydioden verhindert wurden. Hier ist es anders, das besondere Verhalten der Schaltung darf so bleiben. Wenn es von vornherein das Ziel der Entwicklung gewesen wäre, hätte ich nach sehr viel komplizierten Lösungen gesucht. Auf solche Nebeneffekte achtet man ja erst, wenn man sie zufällig entdeckt. Aber so findet man durch Zufall immer wieder Neues, wobei nicht ausgeschlossen werden kann, dass diese Schaltung schon mehrfach gefunden wurde. Aber Achtung, das funktioniert nicht mit jedem OPV, es muss schon ein LM324 oder LM358 sein!
Während alle mit dem Conrad-Elektronik-Kalender 2016 spielen und schon neue und interessante Versuche für den Kalender-Wettbewerb ausarbeiten, sitze ich hier an den Vorbereitungen für den Kalender 2017. Franzis muss nämlich schon recht früh wissen, welche Bauteile reinkommen, damit später alles rechtzeitig fertig wird. Bei den Versuchen mit einem Piezo-Schallwandler und einem OPV LM324 habe ich eine Schaltung gefunden, die sich ganz anders verhält, als ich erwartet hatte. Ein Geräusch oder ein Klopfen sollte den Ausgangzustand umschalten. Dabei dachte ich eigentlich wegen der Rückkopplung für den Elko an ein abruptes Umschalten wie bei einem Flipflop.
Spannungsverlauf am Ausgang des OPV
Im Ruhezustand ist die grüne LED an. Es dauert etwa eine halbe Minute, bis sich der Sensor von selbst auf maximale Empfindlichkeit eingestellt hat. Ein Geräusch oder eine Erschütterung bewirkt dann ein abruptes Umschalten von Grün auf Rot. Dann dauert es etwa eine halbe Minute bis die Schaltung wieder in den Zustand Grün umschaltet. Der Wechsel von Rot nach Grün ist aber anders als erwartet ein langsames Überblenden. Wenn die rote LED ganz aus ist, dauert es noch etwa zehn Sekunden, bis die Schaltung wieder bereit für neue Geräusche ist.
Wenn man genauer hinschaut, sieht man, dass die Schaltung tatsächlich abrupt in Richtung Low-Zustand kippt, aber nur um rund 0,5 V. Danach hält etwas den weiteren Abstieg auf. Ein idealer Operationsverstärker würde sich ganz anders verhalten. Hier werden jedoch besondere Eigenschaften des bipolaren OPV mit PNP-Eingangsstufe (LM358, LM324) ausgenutzt. Der Eingangsstrom liegt bei etwa 30 nA, sodass ein Spannungsabfall von 10 mV am invertierten Eingang liegt, am nichtinvertierten Eingang dagegen nur 3 mV. Der Unterschied reicht aus um einen stabilen Ruhezustand zu erzeugen. Der Sensor muss mindestens -7 mV aufbringen um den Zustand zu ändern. Beim Umkippen in den Rot-Zustand zieht der Elko die Spannung am +Eingang hoch. Er muss sich dann soweit aufladen, dass die Eingangsspannung wieder bis auf unter 7 mV absinkt, was etwa eine halbe Minute dauert. Dann kippt der Ausgangszustand um. Damit würde der Eingang um einige Volt unter Null gezogen, was allerdings nicht mehr zum normalen Arbeitsbereich des OPV gehört. Unterhalb von -0,5V kehrt sich die Funktion des Eingangs um. Aus einer Rückkopplung wird daher für eine gewisse Zeit eine Gegenkopplung. Damit hat man einen Integrator, da der Elko nun zu einem invertierenden Eingang führt. Deshalb ändert sich der Ausgangszustand nur langsam.
Der verbotene Bereich unter -0,5V hat mich schon einmal beschäftigt, und zwar beim Komparator LM311, der praktisch die gleiche PNP-Eingangsschaltung hat. Bei der Entwicklung des Sprarrow gab es Komparator-Übersteuerungsprobleme, die ebenfalls bei Spannungen unter -0,5 V auftreten und am Ende mit Shottkydioden verhindert wurden. Hier ist es anders, das besondere Verhalten der Schaltung darf so bleiben. Wenn es von vornherein das Ziel der Entwicklung gewesen wäre, hätte ich nach sehr viel komplizierten Lösungen gesucht. Auf solche Nebeneffekte achtet man ja erst, wenn man sie zufällig entdeckt. Aber so findet man durch Zufall immer wieder Neues, wobei nicht ausgeschlossen werden kann, dass diese Schaltung schon mehrfach gefunden wurde. Aber Achtung, das funktioniert nicht mit jedem OPV, es muss schon ein LM324 oder LM358 sein!
Franzis-Radio-Kalender 2016
Der FM-Radiokalender 2016 von Franzis entspricht technisch dem von 2014 ../Lernpakete/Kalender14/UKWKalender14.html. Ein Anwender bat um Hilfe bei der Zuordnung der Bauteile. Deshalb habe ich dieses Foto meines letzten Testaufbaus gemacht. Alles hat damit wunderbar funktioniert.
Der FM-Radiokalender 2016 von Franzis entspricht technisch dem von 2014 ../Lernpakete/Kalender14/UKWKalender14.html. Ein Anwender bat um Hilfe bei der Zuordnung der Bauteile. Deshalb habe ich dieses Foto meines letzten Testaufbaus gemacht. Alles hat damit wunderbar funktioniert.
15.12.16: Arduino Uno bequarzt
Der Arduino Uno verwendet an seinem ATmega328 leider nur einen Keramikresonator. Solche Typen erreichen typische Genauigkeiten von 0,5%. Bei 16 MHz können Abweichungen in der Größenordnung von 50 kHz beobachtet werden. Das wurde mit dem SDR-Shield gemessen, wobei es schwierig war, den Oszillator überhaupt zu finden. Was noch schlimmer ist: Der Keramikresonator ist sehr temperaturabhängig. Es reicht fast schon, ihn scharf anzuschauen, um die Frequenz messbar zu ändern (Wärmestrahlung des nahen Auges ...). Der USB-Controller auf derselben Platine hat übrigens einen 16-MHz-Quarz, weil man sich am USB keine so großen Abweichungen leisten kann.
Für eine Anwendung als Echtzeituhr brauchte ich eine bessere Stabilität des Prozessortakts. Die Lösung war einfach. Keramikresonator auslöten, Quarz einlöten. Der Widerstand am Resonator bleibt drin und dient als Halterung für den Quarz. Der Oszillator schwingt sauber an und ist nun sehr stabil. Es wurde zwar noch eine Abweichung von -4 kHz gemessen, aber dieser konstante Fehler lässt sich per Software korrigieren.
Der Arduino Uno verwendet an seinem ATmega328 leider nur einen Keramikresonator. Solche Typen erreichen typische Genauigkeiten von 0,5%. Bei 16 MHz können Abweichungen in der Größenordnung von 50 kHz beobachtet werden. Das wurde mit dem SDR-Shield gemessen, wobei es schwierig war, den Oszillator überhaupt zu finden. Was noch schlimmer ist: Der Keramikresonator ist sehr temperaturabhängig. Es reicht fast schon, ihn scharf anzuschauen, um die Frequenz messbar zu ändern (Wärmestrahlung des nahen Auges ...). Der USB-Controller auf derselben Platine hat übrigens einen 16-MHz-Quarz, weil man sich am USB keine so großen Abweichungen leisten kann.
Für eine Anwendung als Echtzeituhr brauchte ich eine bessere Stabilität des Prozessortakts. Die Lösung war einfach. Keramikresonator auslöten, Quarz einlöten. Der Widerstand am Resonator bleibt drin und dient als Halterung für den Quarz. Der Oszillator schwingt sauber an und ist nun sehr stabil. Es wurde zwar noch eine Abweichung von -4 kHz gemessen, aber dieser konstante Fehler lässt sich per Software korrigieren.
9.12.16: Ein zweites Leben für NiMh-Akkus
Wenn meine DECT-Telefone mal schlapp machen, liegt das fast immer an den Akkus. Kein Problem, Ersatz gibt es bei Reichelt. Aber ich kann ja nichts wegwerfen, und deshalb gibt es hier mehrere Telefon-Akkus mir 2,4 V und ehemals 550 mAh. Sie sind nicht ganz kaputt, sondern nur etwas hochohmig. Jetzt erst ist mir aufgefallen, dass der Stecker genau in den Micro:Bit passt. Also aufgeladen und ein schneller Test: Der Micro:bit läuft prima mit der etwas reduzierten Spannung. Und weil die Platine ja nur rund 3 mA im Leerlauf bis 10 mA mit voller Anzeige braucht, sind auch sehr schwache Akkus noch brauchbar.
Andere lassen den Micro:bit übrigens mit Li-Akkus laufen. 3,7 V ist schon etwas mutiger, weil ja offiziell nur 3 V angesagt sind. Aber ich habe es mit einem Netzteil überprüft: Sogar bei 4 V wird der Controller noch nicht sauer.
Wenn meine DECT-Telefone mal schlapp machen, liegt das fast immer an den Akkus. Kein Problem, Ersatz gibt es bei Reichelt. Aber ich kann ja nichts wegwerfen, und deshalb gibt es hier mehrere Telefon-Akkus mir 2,4 V und ehemals 550 mAh. Sie sind nicht ganz kaputt, sondern nur etwas hochohmig. Jetzt erst ist mir aufgefallen, dass der Stecker genau in den Micro:Bit passt. Also aufgeladen und ein schneller Test: Der Micro:bit läuft prima mit der etwas reduzierten Spannung. Und weil die Platine ja nur rund 3 mA im Leerlauf bis 10 mA mit voller Anzeige braucht, sind auch sehr schwache Akkus noch brauchbar.
Andere lassen den Micro:bit übrigens mit Li-Akkus laufen. 3,7 V ist schon etwas mutiger, weil ja offiziell nur 3 V angesagt sind. Aber ich habe es mit einem Netzteil überprüft: Sogar bei 4 V wird der Controller noch nicht sauer.
7.12.16: Glimmlampe mit drei Anschlüssen.
Noch eine seltsame Anzeige-Glimmlampe: Eine TG121A von Siemens aus Japan? Diese Anzeige konnte ich in Gang setzen. Rot kommt an Minus (!), Gelb über einen Widerstand an +120 V oder so. Und der grüne Anschluss ist ein Steuereingang. Legt man ihn in an Minus, ist die Anzeige aus. Ab ca. +30 V ist sie an. Wenn sie ausgeschaltet ist, fließt trotzdem Strom. Anscheinend wandert die Glimmentladung dann auf die dunkle Seite der Anode, wo das Sichtfenster abgedeckt ist.
Das Bauteil habe ich von meinem Freund, dessen Vater vor langer Zeit in der Luft- und Raumfahrt-Forschung tätig war. Ich weiß allerdings nicht, in welches Raumschiff diese Anzeige mal eingebaut werden sollte. Jedenfalls muss das lange vor der Erfindung der LED gewesen sein.
Noch eine seltsame Anzeige-Glimmlampe: Eine TG121A von Siemens aus Japan? Diese Anzeige konnte ich in Gang setzen. Rot kommt an Minus (!), Gelb über einen Widerstand an +120 V oder so. Und der grüne Anschluss ist ein Steuereingang. Legt man ihn in an Minus, ist die Anzeige aus. Ab ca. +30 V ist sie an. Wenn sie ausgeschaltet ist, fließt trotzdem Strom. Anscheinend wandert die Glimmentladung dann auf die dunkle Seite der Anode, wo das Sichtfenster abgedeckt ist.
Das Bauteil habe ich von meinem Freund, dessen Vater vor langer Zeit in der Luft- und Raumfahrt-Forschung tätig war. Ich weiß allerdings nicht, in welches Raumschiff diese Anzeige mal eingebaut werden sollte. Jedenfalls muss das lange vor der Erfindung der LED gewesen sein.
5.12.16: Geschaltete Glimmlampe
Diese seltsame Anzeige-Lampe ist mir zugelaufen. Die Glimmlampe wird durch einen Transistor geschaltet. Alles ist sehr professionell gelötet und sieht nach Industrie aus. Den Transistor kenne ich nicht, aber mein Ohmmeter sagt, dass es ein PNP-Germanium-Transistor ist, dessen TO5-Gehäuse vollständig vom Rest isoliert ist. Und die Verschaltung deutet drauf hin, dass er die volle Zündspannung der Glimmlampe schaffen musste, was für einen Ge-Transistor keine leichte Übung ist. Wo das wohl mal eingesetzt war? Vielleicht die Haupt-Betriebsanzeige für ein Atomkraftwerk aus den 1970er Jahren?
Alfred Altner schrieb dazu: Der bei der geschalteten Glimmlampe verwendete Transistor hat ein "M" aufgedruckt, nehme mal an der Hersteller ist Motorola. Dann könnte es der MA201 sein: www.semicon-data.com/transistor/tc/ma/MA201.html
Und tatsächlich, der MA201 geht bis 105 V, max. 200 mA, max. 150 mW : The MA201 is a PNP germanium transistor preferred for use in high voltage applications in the audio frequency range.
Diese seltsame Anzeige-Lampe ist mir zugelaufen. Die Glimmlampe wird durch einen Transistor geschaltet. Alles ist sehr professionell gelötet und sieht nach Industrie aus. Den Transistor kenne ich nicht, aber mein Ohmmeter sagt, dass es ein PNP-Germanium-Transistor ist, dessen TO5-Gehäuse vollständig vom Rest isoliert ist. Und die Verschaltung deutet drauf hin, dass er die volle Zündspannung der Glimmlampe schaffen musste, was für einen Ge-Transistor keine leichte Übung ist. Wo das wohl mal eingesetzt war? Vielleicht die Haupt-Betriebsanzeige für ein Atomkraftwerk aus den 1970er Jahren?
Alfred Altner schrieb dazu: Der bei der geschalteten Glimmlampe verwendete Transistor hat ein "M" aufgedruckt, nehme mal an der Hersteller ist Motorola. Dann könnte es der MA201 sein: www.semicon-data.com/transistor/tc/ma/MA201.html
Und tatsächlich, der MA201 geht bis 105 V, max. 200 mA, max. 150 mW : The MA201 is a PNP germanium transistor preferred for use in high voltage applications in the audio frequency range.