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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Impedanzwander


Autor: Manfred Henf (nyctalus)
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Hallo,

ich schlage mich seit Wochen als Halblaie mit einem Problem der 
Impedanzwandlung herum und nutze zum ersten Mal ein Forum.

Also!

Ich möchte ein niedrigohmiges Signal aus einer Sprechenden Uhr mit einem 
hochohmigen Signal aus einem Ultraschallwandler (16fach Teiler - 
HCF4024B) zusammenführen und den VOX-Mikrofoneingang eines digitalen 
Diktiergerätes bedienen (siehe Anhang). Ziel ist es Zeitstamps in die 
Signale des Ultraschalldetektors zu setzen. Es sollen also konkret 
Fledermausrufe umgesetzt und mit einer Sprachausgabe kombiniert werden.

Ein Bekannter hat sich die beigefügte Schaltung mit Operationsverstärker 
(LM358N) ausgedacht (Anhang). Leider wird nur das "niedrigohmige Signal" 
der Uhr durchgeschaltet (OP2), das "hochohmige Signal" (OP1) leider 
nicht.

Wer kann mir helfen? Ich bin schon sehr verzweifelt!

Für schnelle Hilfe im Voraus danke!!!

Autor: HildeK (Gast)
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Zunächst ist der Ansatz richtig.
Wie groß sind denn deine Pegel an den jeweiligen Ausgängen?
Aktuell hast du für die Uhr eine Verstärkung von 25, und für den 
US-Wandler von 0,5.
Außerdem wird es so sein, dass bei der einseitigen Versorgung (?) dein 
DC-Offset völlig daneben ist. Z.B. darf dann am OP2 der +E nicht an GND 
hängen, sondern auf UB/2. Das erfordert auch eine DC-Abtrennung am 
Ausgang der Uhr.
Auch OP1 wird u.U. falsch betrieben - welcher DC-Offset kommt denn aus 
dem Bat-Detektor? Hier würde ich auch ein C  und einen Spannungsteiler 
auf UB/2 am +E vorsehen.
Alternativ die OPAs einfach symmetrisch versorgen. Dann geht es so, wie 
gezeichnet - wenn die Verstärkungen richtig sind.

Autor: Edi (Gast)
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Wenn das Signal vom Bat-Detektor wirklich hochohmig ist, ist ein LM358 
vielleicht nicht die beste Wahl, da würde ich eher einen OP mit FET- 
oder MOSFET-Eingang nehmen, allerdings auch mit einem hochohmigen 
Widerstand gegen GND bzw. dem Bezugspotential.

Die Kommentare von HildeK kann ich nur unterstreichen.

Autor: HildeK (Gast)
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Ich hatte gerade Zeit :-)

Links deine Variante, jedoch mit Dual-Supply, rechts die Erweiterungen, 
die für den Single-Supply-Betrieb notwendig sind.

Autor: Manfred Henf (nyctalus)
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Hallo,

jetzt bin aber von den Socken, wie schnell das mit der Antwort geht. 
Schon einmal vielen Dank, besonders für die Schaltungsvorschäge.

Noch eine Frage (Kommentar von Edi): Ich habe gerade nur LM358 zur Hand 
kann ich diese statt der vorgeschlagenen LM324 nutzen?

Autor: HildeK (Gast)
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>Noch eine Frage (Kommentar von Edi): Ich habe gerade nur LM358 zur Hand
>kann ich diese statt der vorgeschlagenen LM324 nutzen?
Ich habe keinen LM358 im Simulationsprogramm.
Das ist auch nicht nötig: der LM358 beinhaltet 2 OPAs im DIL8, der LM324 
vier im DIL14, die jedoch sonst identisch sind.

Autor: Edi (Gast)
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Nachdem in der Skizze "Kristallhörer" steht, gehe ich von einer Impedanz 
von etlichen Megohm aus, 10 kOhm als Innenwiderstand in der Simulation 
scheint da nicht zu reichen. Ein LM324 bzw. LM358 ist da viel zu 
niederohmig, ich würde eher z. B. sowas nehmen:

http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=2;GROUPID=291...

Und vom nichtinvertierenden Eingang noch einen hochohmigen Widerstand 
(20 MOhm) gegen GND bei bipolarer Versorgung, bzw. als R7 (statt 220k) 
bei unipolarer Versorgung.

Autor: yalu (Gast)
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Edi schrieb:

> Nachdem in der Skizze "Kristallhörer" steht, gehe ich von einer
> Impedanz von etlichen Megohm aus, 10 kOhm als Innenwiderstand in der
> Simulation scheint da nicht zu reichen.

Die Impedanz eines Kristallohrhörers ist komplex und damit frequenz-
abhängig. Während sie für DC nahezu unendlich ist, wird sie im Bereich
der Resonanzfrequenz sehr klein. Da in der vorliegenden Anwendung der
Frequenzbereich nicht sehr niedrig liegt, würde ich die Impedanz als
nicht so riesig ansehen.

> Ein LM324 bzw. LM358 ist da viel zu niederohmig,

Der Eingangswiderstand der Spannungsfolgerschaltung mit dem LM358 (ohne
den Widerstand zur Arbeitspunkteinstellung) dürfte im GΩ-Bereich und
damit mehrere Größenordnungen über der Ohrhörerimpedanz bei den Fleder-
mausfrequenzen liegen. Leider sind im Datenblatt des LM358 keine Angaben
zu den Eingangswiderständen zu finden, deswegen bin ich von üblichen
Werten für Billig-OpAmps ausgegangen.

Kurz: Da Manfred den LM358 schon herumliegen hat, einen FET-OpAmp aber
erst bestellen müsste, ist es durchaus angebracht, erst einmal den LM358
auszuprobieren.

> Und vom nichtinvertierenden Eingang noch einen hochohmigen Widerstand
> (20 MOhm) gegen GND bei bipolarer Versorgung, bzw. als R7 (statt 220k)
> bei unipolarer Versorgung.

Ja, der Widerstand ist wichtig, um trotz der hohen DC-Impedanz des Ohr-
hörers für einen definierten Arbeitspunkt zu sorgen. Er darf auch gerne
etwas höher als die von HildeK vorgeschlagenen 220kΩ sein, bei mehr als
1MΩ sollte evtl. ein gleichgroßer Widerstand in den Gegenkopplungszweig
des OpAmps gelegt werden, um den Eingangsruhestrom zu kompensieren.

Kommt man tatsächlich mit den von dir vorgschlagenen 20MΩ aus (wovon ich
ausgehe), wird man auch keinen Unterschied zwischen einem Bipolar- und
einem FET-OpAmp merken, da der Eingangswiderstand der Gesamtschaltung in
beiden Fällen durch die 20MΩ und nicht durch den OpAmp bestimmt wird.

@Manfred:

Da die Uhr ein viel stärkeres Signal liefert als der Ohrhörer, solltest
du den 2kΩ- und den 100kΩ-Widerstand tauschen oder durch Ausprobieren
den jeweils günstigsten Wert herausfinden. Je kleiner der Widerstand,
umso größer ist die Verstärkung für den jeweiligen Signalzeig.

Da die Feldermaussignale von hoher Frequenz sind und einer hohen Ver-
stärkung bedürfen, ist dafür der LM358 evtl. nicht schnell genug. Es
bietet sich deswegen an, einen Teil der Verstärkung von OP1 auf OP2 zu
verlagern, der dazu als nichtinvertierender Verstärker gschaltet würde.

Autor: Edi (Gast)
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yalu schrieb:
> Die Impedanz eines Kristallohrhörers ist komplex und damit frequenz-
> abhängig. Während sie für DC nahezu unendlich ist, wird sie im Bereich
> der Resonanzfrequenz sehr klein.

Das stimmt.

> Da in der vorliegenden Anwendung der Frequenzbereich nicht sehr niedrig
> liegt, würde ich die Impedanz als nicht so riesig ansehen.

Über das Signal wissen wir leider überhaupt nichts, weder die Amplitude, 
die Frequenz bzw. Bandbreite noch den zeitlichen Verlauf. Also muss man 
vom ungünstigsten Fall ausgehen.

Wikipedia schreibt: "Fledermäuse können Frequenzen zwischen 9 kHz und 
200 kHz ausstoßen."

> Leider sind im Datenblatt des LM358 keine Angaben
> zu den Eingangswiderständen zu finden

Der Eingangswiderstand wird bei bipolaren Eingängen auch nicht 
angegeben, aber der Eingangsstrom:

Input Bias Current: typ. 20nA, max. 150nA (Tamb = 25°C)

Dieser Strom (DC!) muss fließen können, und für eine (für DC) so 
hochohmige Quelle wie einem Kristallhörer ist das zu viel.

> Kommt man tatsächlich mit den von dir vorgschlagenen 20MΩ aus (wovon ich
> ausgehe), wird man auch keinen Unterschied zwischen einem Bipolar- und
> einem FET-OpAmp merken, da der Eingangswiderstand der Gesamtschaltung in
> beiden Fällen durch die 20MΩ und nicht durch den OpAmp bestimmt wird.

Da hast Du allerdings recht, da würde ein TL072 o. ä. durchaus gehen.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Jungs, das ist ein Bat-Detektor, der einen Ausgang für einen 
Kristallohrhörer hat. Der Kristallohrhörer ist nicht die Quelle! Also, 
die 220k Eingangswiderstand (R7) gehen voll in Ordnung.

Ich gehe mehr und mehr dazu über bei solchen Schaltungen den TLC277 
(oder auch TLC272) zu nehmen.

Kai Klaas

Autor: yalu (Gast)
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Kai Klaas schrieb:
> Jungs, das ist ein Bat-Detektor, der einen Ausgang für einen
> Kristallohrhörer hat. Der Kristallohrhörer ist nicht die Quelle!

Auweia, ich glaube du hast recht ;-)

Ich habe mich durch die Abbildung im Eröffnungsbeitrag verwirren lassen,
wo ein "Ultraschallwandler" direkt mit dem Eingang von OP1 verbunden
ist. Ich ging davon aus, dass es sich bei dem Wandler um einen Piezo-
schallwandler in Form eines Ohrhörers handelt. Es scheint sich aber wohl
ein komplettes elektronisches Gerät dahinter zu verbergen.

@Manfred Henf:
Bitte vergiss meinen obigen Beitrag.


@Edi (nur der Vollständigkeit halber):
>> Leider sind im Datenblatt des LM358 keine Angaben zu den
>> Eingangswiderständen zu finden
>
> Der Eingangswiderstand wird bei bipolaren Eingängen auch nicht
> angegeben, aber der Eingangsstrom:

Bei einigen schon, z.B. beim OP07:

                                     Min    Typ    Max   Unit
  Input Bias Current:                      ±1.2   ±4.0    nA
  Input Resistance, Diffential Mode:  15     50           MΩ
  Input Resistance, Common Mode:            160           GΩ

Der letztendlich fließende Eingangsstrom wird wird von allen drei
Parametern bestimmt.

> Dieser Strom (DC!) muss fließen können, und für eine (für DC) so
> hochohmige Quelle wie einem Kristallhörer ist das zu viel.

Richtig, deswegen braucht man den Arbeitspunktwiderstand (die 220kΩ bzw.
20MΩ) vom Eingang nach Masse. Da es sich um einen reinen Gleichstrom
handelt, hat er keinen Einfluss auf das vom Wandler kommende AC-Signal.
Der Strom ist nur insofern von Bedeutung, dass die maximale Größe des
Arbeitspunktwiderstands von ihm abhängt. Beim LM358 und 5V Versorgungs-
spannung sind die 20MΩ schon etwas zuviel, weil damit die Eingangs-
spannung evtl. aus dem erlaubten Gleichtaktbereich hinausgeschoben wird.
Beim FET-OpAmp hingegen darf der Widerstand noch ein ganzes Stück größer
werden.

Aber nachdem die Quelle wohl nicht wirklich hochohmig ist, erübrigt sich
die Diskussion :)

Autor: HildeK (Gast)
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Für die Verstärkung der beiden Zweige hatte ich die Vorgaben vom TO 
übernommen, da bisher keinerlei Angaben über die Pegel (und die 
tatsächlichen Innenwiderstände) der Quellen gemacht wurden. Sie könnten 
völlig falsch sein. Die Verstärkung für den LS-Ausgang ist sicherlich zu 
hoch gewählt und die für den BAT-Ausgang zu niedrig. Vermutlich muss er 
R3 verkleinern und R5 vergrößern (in meinem Schaltbild, links).
Das hätte dann der erste Versuch des TO mit der angegebenen Schaltung 
schon gezeigt.
Ideal wäre auch, wenn der TO einfach mal mit einem Skope die beiden 
Ausgänge ausmessen könnte:
- Pegel und DC-Offset ohne Last
- dto. mit Last, z.B. 1 kOhm

Man sollte ihm vielleicht auch noch sagen, dass z.B. der Uhrenausgang 
nicht zwangsläufig auf einen kleinen Widerstand gehen muss, nur weil er 
im Stande ist, einen LS zu treiben.

Einen Widerstand vom US-Wandler-Ausgang nach GND ist sicherlich 
angebracht - aber auch hier fehlen Angaben, wie dessen Ausgang aussieht. 
Vermutlich ist er aber C-gekoppelt, so dass der vorgeschlagene R nach 
GND noch dazu muss.
Unabhängig davon, dass der Ausgang nur einen Kristallhörer treibt - so 
richtig hochohmig wird der trotzdem nicht sein. Wozu auch? Da ist 
bestenfalls ein Serienwiderstand als Kurzschlussschutz drin - mit kaum 
1k Größe. Wahrscheinlich kann sogar der Impedanzwandler einfach 
weggelassen werden.

Dass andere OPAs hier ev. sich besser verhalten, z.B. bez. DC-Offset, 
ist klar. Allerdings hat der eine Zweig nur v=0.5 und damit werden auch 
die Offsets im mV-Bereich bleiben.

Autor: Nyctalus (Gast)
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Hallo,

da habe ich aber was losgetreten. An dieser Stelle schon einmal vielen 
Dank an alle für die rege Diskussion und die guten Ideen.

Hier noch einmal ein paar Erklärungen:

Es handelt sich um den Aufbau einer sog. Horchbox. Zunächst werden die 
eingehenden Ultraschallaute der Fledermäuse (ultrasonic transducer) 
verstärkt (2xLM386) dann 16fach (4024) geteilt. Dadurch werden die 
Ultraschalllaute der Fledermäuse, die zwischen ca. 18 und 80kHz liegen 
in den für Menschen hörbaren Bereich <16kHz "umgewandelt".

Die Eigenart der Schaltung mit dem 4024 ist, dass er einen hochohmigen 
Ausgang hat. Eine Impedanz 2MOhm (Kristallohrhörer von Conrad, keine 
Daten zur Impedanz) könnte schon hinkommen.

Mein Problem ist es die Zeitansage der Uhr mit den Signalen des 
Ultraschallwandlers (Bat-Detector) elektronisch zu kombinieren, damit 
für das Aufnahmegerät (digitales Diktiergerät "Olympia Memo 99" mit VOX 
Mikrofoneingang) ein brauchbares, nicht übersteuertes Signal bekomme. 
Auf diese Weise hat man ein automatisches Aufnahmegerät (Aufnahme nur 
wenn eine Fledermaus vorbeifliegt oder die Uhr "spricht" (VOX)), das 
Hinweise auf die nächtlichen Aktivitäten der Fledermäuse liefert ohne 
sich die Nacht um die Ohren schlagen zu müssen.

Vielleicht ist die anhängende Schaltung (siehe auch 
http://home.earthlink.net/~bat-detector/SBD2.html) des 
Ultraschallwandlers hilfreich, um die Daten für die benötigten Bauteile 
weiter zu spezifizieren. Der Ultraschallwandler funktioniert mit dem 
beschriebenen Kristallkopfhörer tadellos.

Leider kann ich keine Pegelmessungen vornehmen. Ich besitze auch kein 
Oszilloskop. Über die Impedanz der einzelnen Komponenten kann ich nur 
Mutmaßungen anstellen. Wie gesagt, ich bin relativer Laie mit einiger 
Erfahrung im Elektronikbasteln.

Ich werde jetzt, wenn ich wieder Zeit finde, die Schaltung von Hilde 
(Single-Supply-Betrieb) aufbauen und es erst einmal auf diese Weise 
probieren. Das soll aber keinen hindern weitere wertvolle Tipps zu 
geben.

Für weitere Hilfe schon einmal vielen Dank!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Manfred,

>Die Eigenart der Schaltung mit dem 4024 ist, dass er einen hochohmigen
>Ausgang hat. Eine Impedanz 2MOhm (Kristallohrhörer von Conrad, keine
>Daten zur Impedanz) könnte schon hinkommen.

In der Stückliste ist für den Ausgang ein 10k Poti erwähnt. Damit ist 
der Innenwiderstand maximal rund 10k/4 = 2,5k.

Also, das ist mal wieder eine Schaltung! Am Eingang zwei stromfressende 
Leistungsverstärker und am Ausgang ein CMOS4024? Ist das nicht total 
bescheuert? Ich würde am Eingang zwei normale OPamp verwenden und an den 
Ausgang einen zusätzlichen Puffer hängen. Wenn du dort einen LM386 
anordnest, kannst du sogar einen Lautsprecher treiben.

Kai Klaas

Autor: MaWin (Gast)
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> 2xLM386

Wie kommst du auf das Ding?

Wenn du schon Fledermäuse erkennen willst, wäre es vielleicht gut, alle 
anderen (tiefern und wesentlich höheren) Geräusche auszufiltern. Schlag 
man nach, was ein Bandpass ist.

Ausserdem könntest du mal nachgucken, wie laut die sind (nämlich über 
120dB), welche Schnelle das ist, und ob ein US-Empfänger nicht direkt an 
einem Komparator reicht, da du sowieso keine Analogsignale mehr 
weiterverarbeitest.

Ob man das Signal wirklich teilen sollte, oder nicht doch wie ein 
Zeitlupenkamera schnell aufzeichnet und langsam wiedergibt - was mit 
Digitaltechnik gar noch einfacher ist als damals - und dabei wenigsten 
sden Analogpegel beibehält, sei dahingestellt.

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