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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wie Schwingt diese Schaltung zum Ausgang?


Autor: Der kleine Niels (Gast)
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Servus beisammen,

da ich, wie viele andere scheinbar auch, einige unbeschriftete Spulen 
besitze, suche ich nach einem Schätzeisen um die Spulen unkomlpiziert 
schätzen (+-10% sind mehr als OK) zu können. Die Suche liefert da auch 
angeblich hervorragend funktionierende Schaltungen wie zum Beispiel 
folgende:
http://electronics-diy.com/lc_meter.php
ohne auf die Vertraulichkeit der Päzission eingehen zu wollen frage ich 
mich wie das überhaupt schwingen soll.
Ich habe mir den entsprechenden Ausschnitt mal herausgeschnitten (siehe 
Anhang), aber die Funktionsweise verstehe ich immernoch nicht.
Kann und wills mir vielleicht jemand erklären?


Also ich denke mir folgedes:
Beim Einschalten sind natürlich mal alle Cs leer. Der positive Eingang 
liegt dank dem Spannungsteiler R7, R8 auf >0V, der negative dank C11 in 
etwa auf GND. Der Ausgang steuert also auf die positive Rail aus und 
verharrt dort bis ( R10||R7, R8 bilden nun den Spannungsteiler ) C11 
ungefähr auf 2/3 V+ aufgeladen ist. Genau dann schwänkt der Ausgang um 
auf die negative Rail und C1 wird bis auf ca. 1/3 V+ entladen.... und 
wieder von vorn....
Die Frequenz ist also durch fast alle Bauteile ausser dem eigentlichen 
Schwingkreis C12(+C14) und L1 bestimmt???!??!???

Was denke ich da falsch? wie bekommet der Erdenker dieser Schaltung die 
Schwingkreisfrequenz des LC-Gliedes auf den Ausgang des OP???

Ich danke schonmal
MfG
Niels

Autor: MaWin (Gast)
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Ich denke es funktioniert so:

Der eigentliche Schmitt-Oszillaor, also alles rechts von C6, dient nur 
dem wiederholten Anstossen des Schwingkreises.
Der Schwingkreis selbst wird durch den Komparator verstärkt an den uC 
weitergeleitet.

Simulier's mal in LT-Spice.

Autor: Wilhelm (Gast)
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Der kleine Niels schrieb:

>ohne auf die Vertraulichkeit der Päzission eingehen zu wollen
>frage ich mich wie das überhaupt schwingen soll.

Das wird durchaus ein Oszillator sein, der irgendwie auf der 
Schwingkreisfrequenz aus C12 und L1 schwingen wird, und am Ausgang ein 
entsprechendes Rechtecksignal liefert.

>Ich habe mir den entsprechenden Ausschnitt mal herausgeschnitten
>(siehe Anhang), aber die Funktionsweise verstehe ich immernoch
>nicht. Kann und wills mir vielleicht jemand erklären?

LC-Oszillatoren gibt es in sehr sehr vielen Konfigurationen.

>Also ich denke mir folgedes:
>Beim Einschalten sind natürlich mal alle Cs leer. Der positive
>Eingang liegt dank dem Spannungsteiler R7, R8 auf >0V, der
>negative dank C11 in etwa auf GND. Der Ausgang steuert also
>auf die positive Rail aus und verharrt dort bis ( R10||R7, R8
>bilden nun den Spannungsteiler ) C11 ungefähr auf 2/3 V+
>aufgeladen ist. Genau dann schwänkt der Ausgang um auf die
>negative Rail und C1 wird bis auf ca. 1/3 V+ entladen....
>und wieder von vorn....
>Die Frequenz ist also durch fast alle Bauteile ausser dem
>eigentlichen Schwingkreis C12(+C14) und L1 bestimmt???!??!???

>Was denke ich da falsch? wie bekommet der Erdenker dieser
>Schaltung die Schwingkreisfrequenz des LC-Gliedes auf den
>Ausgang des OP???

Na ja, man sollte mal davon ausgehen, daß es sich um eine erprobte 
Schaltung handelt, bevor man die Funktion komplett in Frage stellt.

Mein Erklärungsversuch:

R9 und C11 dienen auf Grund der langen Zeitkonstante wohl hauptsächlich 
dem Zweck, daß die Schaltung sicher anschwingt, denn sie ist ohne das L 
und C links zunächst mal als astabile Kippstufe konfiguriert. R7, R8 und 
R10 bilden ein Rückkoppelnetzwerk mit einer Hysterese, bei der die 
untere Spannung bei 1/3 und die obere Spannung bei 2/3 liegt.

Schneidet man C6 heraus, wird die Schaltung als astabile Kippstufe durch 
R9/C11 bestimmt grob geschätzt ohne konkret zu rechnen irgendwo im 
Bereich von etwa 2 Hz herum schwingen. C6 ist eine Gleichstromsperre, da 
der Parallelschwingkreis aus C12 und L1 im eingeschwungenen Zustand 
symmetrisch um die Masse herum schwingt, also mit positiver und 
negativer Amplitude.

Ist das Ding mal angeschwungen, wirkt der OP jetzt als 
Gegentaktverstärker, um dem Schwingkreis Energie zuzuführen. Das sehr 
langsame RC-Glied R9/C11 pendelt sich bei hohen Frequenzen um 1/2 
Betriebsspannung ein, und stabilisiert den negativen OP-Input.

Bei eingeschwungenem Schwingkreis wird der positive Input des OP auch um 
1/2 Betriebsspannung herum pendeln.

Um endgültige Gewißheit zu bekommen, muß man die Schaltung wohl mal in 
den Simulator werfen (PSPICE, LTspice).

Ein L-Meßgerät (Metalldetektor), mit dem ich mal zu tun hatte, bestand 
im Kern aus einem Colpitts-Oszillator in Transistorschaltung, wobei ein 
Komparator das digitale Ausgangssignal erzeugte. Die L-Messung bzw. 
Erfassung von Abweichungen von L (Dämpfung durch Metalle) ist da auch 
sehr zuverlässig.

Je nach Kernmaterial (Eisen, Hysterese, Sättigung), ist L aber generell 
nicht unbedingt einfach zu messen. Dazu muß man sich auf jeden Fall 
Gedanken machen, z.B. ob man es mit einer Luftspule (ist relativ 
unproblematisch), einer SMD-Spule mit Ferritkern, oder einem 
Ausgangsübertrager aus Trafoblech für einen Röhrenverstärker zu tun hat.

Autor: Der kleine Niels (Gast)
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MaWin schrieb:
> Simulier's mal in LT-Spice.

3 Stundenlang probiert... mit SwitcherCAD. Resultat: Ich bin zu doof. 
Ich bekomm da 100 Gleichspannungen, aber schwingen tut rein gar nix.
Naja ich werde einfach hoffen, dass mein TL071 das auch kann und 
probiers damit aus.

ODer kann mir jemand sagen, dass irgendwas nicht funtioniert? Also mit 
TL071, der ja doch ein wenig anders ist als der LM311, den ich aber 
gerade nicht besitze.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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R7, R8, C6, R9 und C11 sorgen dafür, dass die DC-Potentiale an den
Komparatoreingängen jeweils auf der halben Versorgungsspannung liegen,
so dass die Schaltung single-supply-tauglich wird. Bei symmetrischer
Versorgung kann man diese Teile weglassen (dabei die Kondensatoren durch
Leitungen ersetzen).

Übrig bleiben L1, C12, IC4 und R10, also ein Verstärker mit hohem
Verstärkungsfaktor, der den Schwingkreis aus L1 udn C12 über R10
phasenrichtig anregt.

Auch bei symmetrischer Versorgung kann es je nach Anwendung sinnvoll
sein, den invertierenden Eingang des Komparators nicht direkt an Masse,
sondern an die über R9 und C11 tiefpassgefilterte Ausgangsspannung zu
legen, da dadurch die Offsetspannung des Komparators kompensiert wird,
die sonst zu Asymmetrien des Ausgangssignals führt. Diese Asymmetrien
sind aber sehr klein und stören beim Einsatz des Oszillators zur
Induktivitätsmessung überhaupt nicht.

Im Single-Supply-Betrieb (also in der Originalschaltung) sollten nach
dem Einschalten C6 und C11 beide etwa gleich schnell auf die halbe
Betriebsspannung aufgeladen werden, also tau1=R9*C11 in der gleichen
Größenordnung wie tau2=(R7||R8||R10)*C6 liegen. Laufen die DC-Anteile
der Spannungen an den Komparatoreingängen zu stark auseinander, kann es
passieren, dass der Oszillator nicht anschwingt (tau1<<tau2) oder dass
der Oszillator als Kippstufe arbeitet (tau1>>tau2) mit einer Frequenz,
die nicht durch L1 und C12, sondern durch R9, C11, R7, R8, R10 und C6
bestimmt wird.

R9=47kΩ ist für den normalen Anwendungsbereich der Schaltung schon ok,
aber 33k wären besser und kosten auch nicht mehr.

Im Anhang sind noch zwei Simulationsbildchen mit der Dimensionierung der
Teile wie im Original.

Edit:

Noch ein paar Erläuterungen zu den Diagrammen:

Darin ist Up die Spannung am nichtinvertierenden Eingang, Un die
Spannung am invertierenden Eingang und Ua die Ausgangsspannung.

Die erste Simulation ist mit UIC, die zweite ohne. Die zweite zeigt also
die Signale, nachdem C6 und C11 auf die halbe Betriebsspannung geladen
sind, was bei anfangs entladenen Kondensatoren natürlich wesentlich
länger als 1ms dauert.

Autor: mhh (Gast)
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Über R10 hast Du die Mitkopplung fürs Schwingen.

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

Der kleine Niels schrieb:
> ODer kann mir jemand sagen, dass irgendwas nicht funtioniert? Also mit
> TL071, der ja doch ein wenig anders ist als der LM311, den ich aber
> gerade nicht besitze.

Wenn Du das Teil aufbauen und benutzen willst, nimm einen LM311.
Das spielt in der gegebenen Dimensionierung 100%.
Der Meßfehler liegt unter 1%, Versionen mit AVR gibt es auch, die 
"Original-"AVR-Version von
http://home.ict.nl/~fredkrom/pe0fko/LCMeter/

scheint aber irgendwo einen Überlauf beim Berechnen zu haben, die 
manchmal zu unsinnigen Werten führt.
In der Codesammlung gibt es auch noch Abwandlungen mit anderer Software.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Der kleine Niels schrieb:
> Naja ich werde einfach hoffen, dass mein TL071 das auch kann und
> probiers damit aus.

Der verwendete OpAmp bzw. Komparator muss folgende Eigenschaften haben:

- Der Eingangs- und am Besten auch der Ausgangsspannungsbereich muss bis
  zur negativen Versorgungsspannung hinab reichen, sonst kann der
  Oszillator nicht anschwingen. Du solltest also einen Single-Supply-Typ
  nehmen.
- Er muss schnell genug sein, um bei den 550kHz, mit denen der
  Oszillator schwingt, noch ausreichend Ausgangsamplitude zu liefern.

Der TL071 erfüllt weder die eine noch die andere Forderung. Falls du
einen LM393 bzw. LM339 herumliegen hast: Der ist zwar langsamer als der
LM311, könnte aber auch noch funktionieren.

Autor: Der kleine Niels (Gast)
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Ich bin immer wieder erststaunt wie gut doch dieses Forum (und damit 
seid Ihr gemeint) ist. Ich bin euch mal wieder zu tiefst verbunden!

Ein Paar kleine Fragen hätte ich aber noch:
1. Der Schöpfer dieser Schaltung verwendet einen möglichst präzisen 
"Kallibrier"-Kondensator. Warum nicht gleich diesen präziesen 
Kondensator im LC-Schwingkreis verwenden? also Explizit?
Natürlich weiterhin zuschaltbar um externe Cs vermessen zu können, aber 
was spricht dagegen?
Hat jemand ne Erklärung parat?


2. Unter Verwendung mehrerer verschiedener zuschaltbarer Kondensatoren 
(darunter eben auch der Präziese) könnte man Messungen bei verschiedenen 
Frequenzen vornehmen und so je nach angeschlossener Spule oder eben 
Kondensator die Schwingfrequenz an seine Messbedürfnisse anpassen
=> größere Flexibilität und evtl durch mehrere Messungen höhere 
Schätzgenauigkeit?!
Sinnig oder Unsinnig?

Autor: Wilhelm (Gast)
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Der kleine Niels schrieb:

>1. Der Schöpfer dieser Schaltung verwendet einen möglichst
>präzisen "Kallibrier"-Kondensator. Warum nicht gleich diesen
>präziesen Kondensator im LC-Schwingkreis verwenden? also
>Explizit?

Das sollte aber durchaus auch möglich sein.

>2. Unter Verwendung mehrerer verschiedener zuschaltbarer
>Kondensatoren (darunter eben auch der Präziese) könnte man
>Messungen bei verschiedenen Frequenzen vornehmen und so je
>nach angeschlossener Spule oder eben Kondensator die
>Schwingfrequenz an seine Messbedürfnisse anpassen
>=> größere Flexibilität und evtl durch mehrere Messungen
>höhere Schätzgenauigkeit?!

Meßbereichserweiterung, kann man natürlich machen.

Ein kleines Problem ist vielleicht, daß Kondensatoren mit geringen 
Toleranzen etwas teuerer und evtl. auch schwerer beschaffbar sind.

Eine andere Lösung wäre ja, wenn man einen ADC-Pin und einen I/O-Pin 
frei hat, anstatt des Präzisionskondensators einen beliebigen zu nehmen, 
und über eine RC-Schaltung das C unmittelbar vor der L-Messung per 
Software zu messen (Lade-bzw. Entladespannung mit definierter Zeit). 
Damit umgeht man auch Temperaturdriften. Das erfordert nur einen 
präziseren Widerstand, und der ist ja nicht so teuer. Allerdings 
benötigt man eine sehr hochohmige ADC-Eingangsschaltung.

Die Wahl des OP sehe ich relativ unkritisch. Mit dem TL071 baute ich 
bereits vor langer Zeit mal die Schaltung rechts von C6. Sie diente 
einer Widerstandsmessung bei bekanntem C. Es handelte sich um einen 
Super-Low-Cost-Feuchtigkeitsmesser, wobei an beiden Enden eines 
Streichholzes je ein Verbindungsdraht angebracht (mit ein paar Windungen 
aufgewickelt) ist. Der Widerstand des Streichholzes liegt im Bereich 
100-1000 Megaohm. Das Streichholz ist R9. Am OP-Output ist eine LED, die 
je nach Luftfeuchte schnell oder langsam blinkt. Bevor das jetzt jemand 
kommentiert: Das war eine Spielerei, die jedoch ausgezeichnet 
funktioniert.

Bitte nicht vergessen: Der TL071 spielt erst ab 7V Betriebsspannung. 
Möglicherweise brauchst du ja einen, der bei 5V geht.

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