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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Ultraschallwandler von 5V auf 3V als VCC umbauen


Autor: Joern DK7JB (moin)
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Die Schaltung (im Anhang) habe ich verwendet um per Ultraschall 
Entfernungen zu messen. Mit den Ergebnissen (Reichweite, Genauigkeit, 
niedriger Stromverbrauch und Kosten) bin ich eigentlich sehr zufrieden.
Ich möchte jetzt aber die Schaltung von 5V Versorgungsspannung auf 3V 
umbauen.
Vielleicht könnt ihr mal einen Blick auf die Schaltung werfen und 
Probleme die möglicherweise auftreten könnten benennen. Vielleicht habt 
ihr auch noch Verbesserungsvorschläge.
Jetzt eine 'kurze' Erklärung der Schaltung:

Version 5V:
Die Schaltung kommt mit einem einzigen Ultraschallwandler aus. 
(US-Empfängerkapsel von Reichelt 40kHz).
Sendemodus: Zunächst sind die beiden BSS123 so geschaltet, dass ein 
Sendeimpuls direkt von einem Port eines ATMEGA168 erzeugt werden kann. 
Dabei werden "Burst-High" und "Burst-Low" wechselseitig gegen 5V bzw 
Masse geschaltet (16 Impulse).
Empfangsmodus: Burst-Low wird dauerhaft gegen Masse geschaltet. Der Pin 
wird LOW geschaltet und zusätzlich mit Q7 besser gegen Masse gezogen. 
Dies hat zu einer deutlichen Verbesserung der Empfindlichkeit geführt. 
Burst-High wird mit Q6 vom Controller abgetrennt um das kleine 
Antwortsignal nicht zu stören.
Das Signal wird dann von der Transistorstufe verstärkt und von einem ADC 
des ATMEGAs ausgewertet.

Umbau auf 3V Versorgung:
Wenn ich nur die Versorgungsspannung auf 3V vermindere, nimmt natürlich 
die Empfindlichkeit viel zu stark ab. Meine Idee ist die 
Verstärkerschaltung zusammen mit dem ATMEGA mit 3V zu betrieben. Nur der 
Sendeburst wird weiterhin mit 5V angesteuert (2 Knopfzellen in Reihe mit 
5V Regler LP2950).
Mit dem ATMEGA wird über eine Pegelanhebung um ca 0,7V (Diode und 
Widerstand) ein 74AC245 angesteuert (mit 5V betrieben). Mit diesem 
Treiber wird dann der Sendeimpuls erzeugt.

Bevor die Frage kommt, warum ich zur Anhebung des Sendepegels keinen 
MAX232 verwende:
-Stromverbrauch viel zu hoch
-Sendeimpuls ist viel zu stark. Der US-Wandler schwingt zu lange nach 
und der Empfang wird für kurze Entfernungen nicht möglich.

Frage:
-Wo sind Schwierigkeiten zu erwarten?
-Was haltet ihr von meinem Änderungsvorschlag?

Autor: Michael H* (Gast)
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auf anhieb würde ich die beiden spannungsteiler aus R1-R2, R3-R4 noch 
anpassen

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Mögliche Probleme:
Die Transistoren im Verstärker haben nicht mehr viel Luft. Mach den 
hochohmiger (besonders R2+R3, auch R1+R4) und lass den Verstärker auch 
auf 5V laufen.

Die Diode D1 sollte dann wohl besser eine Schottky-Diode werden.

Q6 und Q7 schalten mit 3V nicht mehr so gut durch. Aber das dürfte 
trotzdem noch gehen...
Datenblatt BSS123: Threshold  2 V

Nimm statt dem 74AC245 nen LVC4245, und du musst diese (zwielichtigen) 
Tricks mit den Dioden und Widerständen nicht machen. Siehe dazu 
http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnot...

>Burst-High wird mit Q6 vom Controller abgetrennt...
Diese Ecke solltest du sowieso nochmal überdenken, ich bin mir nicht 
sicher, ob das (schon im Original mit 5V) so funkioniert, wie du dir das 
ausgedacht hast. Was für einen Pegel hat denn Burst_High_2, wenn der 
Mosfet abschalten soll? Und wie soll der Mosfet eine positive Spannung 
an Burst_High_2 auf die Kapsel schalten?
Da könntest du stattdessen einfach die Ausgänge des LVC4245 hochohmig 
schalten...

Autor: Joern DK7JB (moin)
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Ich werden die Schaltung nochmals auf dem Steckboard bauen, da es nun 
wohl wieder einiges zum Ausprobieren gibt  :-)

R2+R3 und R1+R4 hochohmiger:
Warum sollen die Spannungsteiler hochohmiger?
Was sagt euch euer Gefühl? Welche Werte könnten eine Verbesserung 
bringen?
Um Faktor 1,5 größer??

Schaltung mit 5V betreiben?
Ist natürlich möglich. Es muss dann aber vor der AD-Wandlung wieder ein 
Spannungsteiler kommen. Bei einer Entfernung von 20-40cm muss dann eine 
Überlagerung von dem Nachschwingen des Wandlers und dem Eintreffen der 
Schallwelle ausgewertet werden.
Ein Spannungsteiler ist bei R8&C7 wohl unschön.

Ist Q6 sinnvoll?
Jetzt bewege ich mich auf dünnem Eis :-(
Ich bin mir ziemlich sicher, dass ich beim Entwurf der Schaltung eine 
sehr deutliche Verbesserung bemerkt habe und ohne Q6 nur schlechte 
Ergebnisse erzielt habe.
Der Sendevorgang sieht so aus:
-Sendevorgang vorbereiten:  Steuer_Low = 0 & Steuer_High = 1
-Burst:   Burst_High und Burst_Low sind wechselseitig 1 und 0
-Sendevorgang beenden:      Steuer_Low = 1 & Steuer_High = 0 und 
Burst_High&Low werden am Controller als Eingang geschaltet

Nach deinem Einwand kann ich mir die Funktionsweise nur noch so 
erklären:
Wenn Steuer_Low = 0 geschaltet ist, wird damit die Masse abgekoppelt.
Wenn Steuer_High = 1 geschaltet wird, kann Burst_High = 0 und Burst_Low 
= 1 geschaltet werden. Wenn im umgekehrten Fall Burst_High = 1 und 
Burst_Low = 0 macht er nur indirekt das was ich möchte :-(. Kann es 
sein, dass dann über die interne Diode ein HIGH-Pegel anliegt??????

Autor: Joern DK7JB (moin)
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Nachtrag zum 74LVC4245
Schöner Baustein !
- Verstehe ich das Datenblatt richtig, dass schon jeweils ein Gatter 
meinen Wandler treiben kann und dass nur für die Versorgung des ICs ein 
Strom von <10µA fließen??
- Sollten Steuer_High&Low auch über diesen Baustein versorgt werden?

Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

wie wäre es mit einem kleinen Transformator, um die Spannung zu erhöhen?


Gruß,
  Michael

Autor: Joern DK7JB (moin)
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Die Frage ist, ob ich dann noch mit einem Wandler auskomme. Auf einen 
zweiten Wandler will ich verzichten.
Hast du eine Schaltungsidee?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>Warum sollen die Spannungsteiler hochohmiger?
Stichworte: Batterien, Stromverbrauch, Globale Erwärmung
>Um Faktor 1,5 größer??
- Basisspannungsteiler mindestens Faktor 10
- die CE-Strecke hält locker den Faktor 3 aus
  (denn die Geschichte um Q2 ist ziemlich hochohmig)
  dann aber auch den Wert von C2 dritteln...

>Nachtrag zum 74LVC4245
> Verstehe ich das Datenblatt richtig, dass schon jeweils ein Gatter
> meinen Wandler treiben kann
Das kommt auf deinen gewünschten Strom an. Wenn da ursprünglich nur 1 
Controllerpin die Ansteuerung übernommen hat, dann ja.
> Sollten Steuer_High&Low auch über diesen Baustein versorgt werden?
Dann hättest du gleiche Steuerpegel...
Aber nach wie vor wundert mich, ob und wie diese High-Schalterei 
überhaupt funktioniert (Q6).

>Transformator...
Dazu fallen mir nur Sachen ein, die das Ganze komplizierter machen:
Spule, Schwingkreis, Abgleich, Dämpfung, Ausschwingen, e-Funktion

Autor: Joern DK7JB (moin)
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Am liebsten würde ich die gesamte Schaltung nur mit 3V betreiben und mir 
so die Probleme mit einer zweiten Spannungsversorgung sparen. Wie 
beschrieben ist dann aber mein Sendeimpuls viel zu schwach. Bei der 
Schaltung muss ein Mittelweg von zu kleiner und zu großer Sendeleistung 
gefunden werden.
Vielleicht könnte man aber den Verstärkerkreis noch verbessern.
Sind bei 3V vielleicht andere Transistoren besser geeignet? Auf welche 
Kenngröße müsste ich dann aber im Datenblatt achten oder hättet ihr 
einen Vorschlag (SMD oder zum Ausprobieren bedrahtet).

Zu der fragwürdigen Funktionsweise von Q6
Was haltet ihr von meinem Erklärungsversuch von 22:25 Uhr (untere 
Hälfte)?

Transformator
Mein einfacher und kleiner Aufbau in SMD wird mir dann viel zu groß. 
Wahrscheinlich bekomme ich mir dann auch noch größere Schwierigkeiten 
mit dem Gesamtaufbau.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>Was haltet ihr von meinem Erklärungsversuch von 22:25 Uhr ?
Der ist gar nicht so ohne,
aber da bleiben am Schluss ein paar Fragezeichen übrig ;-)

Du hast an der Source von Q6 entweder 5V oder 0V.
Mit 5V an der Source findest du im Datenblatt nur 1 Kennlinie, das ist 
die der parasitären Body-Diode.
D.h. auch: Du kannst deine 5V (BURST_HIGH) niemals komplett auf den 
Transducer schalten, da ist immer eine Diode dazwischen...

Also kann bestenfalls die Betriebsart mit 0V an der Source Sinn machen.
Wenn STEUER_HIGH = 0 ist, wird tatsächlich der Q6 gesperrt. Aber du 
schaltest BURST_HIGH ja hochohmig.

Das einzige, was du mit dem Q6 definiert machen kannst, ist, dein 
Eingangssignal (an C1) kurzzuschliessen. Nämlich, wenn BURST_HIGH = 0V 
und STEUER_HIGH = 1.

>sehr deutliche Verbesserung bemerkt habe...
Wenn sich da was ändert nutzt du irgendwelche Effekte, die der 
Hersteller im Datenblatt nicht beschreibt oder garantiert.

>-Sendevorgang beenden:  Steuer_Low = 1 & Steuer_High = 0 und
>         Burst_High&Low werden am Controller als Eingang geschaltet
Um wenigstens in (vom Datenblatt) definierten Bereichen zu bleiben, 
solltest du BURST_HIGH auf 0V setzen.

Eigentlich gehört da ein bidirektionaler Schalter hin, weil BURST_HIGH 
ja aktiv 5V und 0V sein muss. Die 5V gehen aber wie gesagt nur über die 
Diode von Q6.

>dass ich beim Entwurf der Schaltung eine sehr deutliche Verbesserung >bemerkt 
habe
Hast du damals Q6 und Q7 gleichzeitig eingebaut?


Welche Pegel hast du denn überhaupt beim Senden (Oszi)?


>Sind bei 3V vielleicht andere Transistoren besser geeignet?
Nein, jeder ein Transistor braucht mindestens ca. 0,7V um zu 
funktionieren. Und je weiter ich von diesen 0.7V wegkomme, umso weniger 
fallen die ins Gewicht. Bei 50V kann ich die erst mal ignorieren und 
meinen Arbeitspunkt so irgendwo schön in die Mitte legen. Ob der dann 
bei 23V oder 27V ist, da ist nicht so wichtig. Bei 3V muss man da etwas 
genauer hinschauen...
Prinzipiell wird der Verstärker auch mit 3V funktionieren, nur solltest 
du eben die Arbeitspunkte kontrollieren und ggf. anpassen 
(Basisspannungsteiler R2+R3).

Autor: Jörn B. (moin) (Gast)
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Den Pegel kann ich erst morgen mit den Oszi überprüfen - wird 
nachgeholt.

Auf einen bidirektionalen Schalter hatte ich damals aus Platzgründen 
verzichtet. Meine 'Lösung' ist schön klein  :-)

Das Problem war immer der Empfangszeitraum in dem ich alle Störungen und 
Überschwingungen vermeiden musste. Ich bin damals nach dem Prinzip 
"Versuch-Irrtum-Nachdenken" vorgegangen.
Bei Transistoren bin ich meist durch probieren zu meinen Ergebnissen 
gekommen (dauert lange). Wie finde ich den optimalen Arbeitspunkt 
(Hauptfrage) und wie hochohmig kann ich den Spannungsteiler machen?

Ob ich mit einem 74LVC4245 eine ähnliche Güte erreiche muss sich erst 
zeigen. Vielleicht könnte man meinen Aufbau noch verbessern, indem man 
zu Q6 noch eine Diode mit niedriger Durchlassspannung parallel schaltet 
:-)
Den 74er werde ich erst in ein oder zwei Wochen bekommen.

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