Eingangskondensator dämpft Audio auf Busleitung

[Conny G. (conny_g)]

Hi,

ich arbeite an einer Schaltung, die auf einer Siedle-Türsprechanlage 
mithören und mitsteuern soll.
Schaltplan, Board und Foto der bestückten Platine (selbst geätzt, 
laminiert, beschriftet) anbei.

Details zum Bus hier:
Beitrag "Siedle In-Home-Bus Protokoll"

In Kürze:
Es liegen (an meinem Endgerät) 20V an, zum Senden von Daten senkt der 
Buscontroller die Spannung auf 2 Volt ab und schaltet dann die Bits 
zwischen 2 und 7 Volt.
Hierfür gibt es in meiner Schaltung den Detektor mit dem LM358, einer 
der beiden Opamps schaltet auf HIGH, wenn die Spannung abgesenkt wird 
("Carrier"), der zweite bei einem HIGH-Bit.
Zum Senden muss man die Leitung für 11 ms auf einem 1k-Widerstand, dann 
mit einem 50 Ohm-Widerstand die Bits wackeln.
D.h. der Controller sendet mit Spannung, die Slaves senden mit Strom.

Soweit funktioniert das auch alles prima und meine erste Anwendung 
funktioniert, eine automatische Schleuse: der Postbote klingelt aussen, 
man öffnet manuell, Schaltung merkt sich das und wenn der Postbote innen 
klingelt wird direkt durch die Schaltung geöffnet und man muss nicht 
mehr doof 1 Minute vor dem Türsprecher stehen bleiben.
Später soll das Videobild der Kamera noch aufs Smartphone kommen und man 
vom Smartphone aus öffnen können.

Nun gibt es aber ein Problem zwischen der 
Stromversorgungs-Eingangs-Beschaltung und dem Audio, das auf den Bus 
aufmoduliert ist.
Ich hatte die Schaltung zunächst mit einem 220µF Kondensator 
ausgestattet. Damit läuft sie prima, nur der Ton, der aus dem 
Lautsprecher draussen an der Türe rauskommt ist nur noch sehr sehr 
leise.

Dann hatte ich versucht den 220µF rauszunehmen und den 10µF Low-ESR 
durch einen 1µF zu ersetzen um die minimal Kapazität auf die Leitung zu 
bringen.
Damit geht jetzt allerdings der Bus nicht mehr, wenn die Anlage versucht 
etwas zu senden bricht sie nach zwei/drei Bits ab, weil meine Schaltung 
dazwischen funkt.
Dasselbe mit 10 oder mit 20µF am Eingang.

Mir ist nicht ganz klar, was da genau passiert, es scheint mit dem 
Zusammenbrechen der Spannung in meiner Schaltung zusammen zu hängen - 
mit 10µF zeigt mir das Oszi, dass noch die Hälfte der Bits gesendet 
werden. Heisst je mehr C, desto länger geht es gut.

Das heisst also: ich brauche mehr C, dass meine Schaltung die Spannung 
halten, kann. Logisch.
Aber mehr C dämpft das Audio auf der Leitung. Schlecht.

Ich hab jetzt keine Idee, wie ich das richtig mache... könnt ihr helfen?

Danke & Grüße,
Conny

[Georg A. (georga)]

Du brauchst eine dicke Spule, damit dein Eingangsteil mit dem C höhere 
Frequenzen nicht dämpft. Oder gleich (bei den Frequenzen völlig 
ausreichend und billiger) einen Gyrator.

[Conny G. (conny_g)]

Georg A. schrieb:
> Du brauchst eine dicke Spule, damit dein Eingangsteil mit dem C höhere
> Frequenzen nicht dämpft. Oder gleich (bei den Frequenzen völlig
> ausreichend und billiger) einen Gyrator.

Das ist mir unklar, was wäre dann die Verschaltung von LC? Und welchen 
Wert / Größenordnung von L brauche ich?
Gyrator habe ich gerade kurz recherchiert. Im Groben klar, ist ein 
Ersatz für die Spule.

[Georg A. (georga)]

Einfach eine Spule/Gyrator in Serie vor D1. Damit bekommst du einen mit 
der Frequenz steigenden Widerstand, d.h. das Audiosignal wird nicht mehr 
durch deine 220u gedämpft.

> Und welchen Wert / Größenordnung von L brauche ich?

Da fehlen noch ein paar Eckdaten, insb. welche Impedanz das Audiosystem 
auf der Leitung hat ;)

Andersrum gehts aber auch: Probiere statt einer Spule einen 
Widerstandswert, der das Audio nur leicht dämpft. Den Wert sollte die 
Spule dann per R=2*PI*f*L bei f>200Hz erreichen.

Vermutlich ist die Variante mit dem Gyrator aber simpler. Die mechanisch 
kleinen Spulen mit hohen L-Werten haben schon so durch den dünnen Draht 
einen recht hohen Widerstand, tw. >100 Ohm bei 100mH. Das kann mit einem 
Gyrator nicht passieren.

[Conny G. (conny_g)]

Georg A. schrieb:
> Einfach eine Spule/Gyrator in Serie vor D1. Damit bekommst du einen mit
> der Frequenz steigenden Widerstand, d.h. das Audiosignal wird nicht mehr
> durch deine 220u gedämpft.

Mmmh, verstehe ich nicht. Ich füge doch einen frequenzabhängigen 
Widerstand hinzu, inwiefern ist das besser für das Audiosignal?

>> Und welchen Wert / Größenordnung von L brauche ich?
>
> Da fehlen noch ein paar Eckdaten, insb. welche Impedanz das Audiosystem
> auf der Leitung hat ;)

Keine Ahnung, da gibts keine Doku... Soweit alles durch Probieren und 
Messen herausgefunden.

> Andersrum gehts aber auch: Probiere statt einer Spule einen
> Widerstandswert, der das Audio nur leicht dämpft. Den Wert sollte die
> Spule dann per R=2*PI*f*L bei f>200Hz erreichen.
>
> Vermutlich ist die Variante mit dem Gyrator aber simpler. Die mechanisch
> kleinen Spulen mit hohen L-Werten haben schon so durch den dünnen Draht
> einen recht hohen Widerstand, tw. >100 Ohm bei 100mH. Das kann mit einem
> Gyrator nicht passieren.

[Georg A. (georga)]

> Mmmh, verstehe ich nicht. Ich füge doch einen frequenzabhängigen
> Widerstand hinzu, inwiefern ist das besser für das Audiosignal?

Je höher die Frequenz, desto höher dann der gesamte Eingangswiderstand 
deiner Stromversorgung. Dein jetziger Eingangswiderstand liegt mit den 
220uF bei 100Hz bei 1/(2*PI*100*220e-6)=7 Ohm und wird zu höheren 
Frequenzen noch kleiner (=Hochpass). Das schliesst quasi alles im 
hörbaren Bereich kurz (ok, durch die Diode wirds nicht ganz so 
schlimm...)

Den Eingangswiderstand kann man entweder über einen normalen Widerstand 
in Serie erhöhen, das reduziert aber wieder den Strom, denn deine 
Schaltung ziehen kann. Mit einer Spule kommt DC noch gut durch, der 
Frequenzbereich vom Audio aber eben kaum bis gar nicht mehr.

[Conny G. (conny_g)]

Georg A. schrieb:
> Einfach eine Spule/Gyrator in Serie vor D1. Damit bekommst du einen mit
> der Frequenz steigenden Widerstand, d.h. das Audiosignal wird nicht mehr
> durch deine 220u gedämpft.

Ich glaube mir dämmert jetzt was. Habe den C (220µF) mit dem reinen 
Leitungswiderstand (als 10 Ohm angenommen, ein paar 10 Meter 
Klingeldraht) als RC-Tiefpass verstanden und eine Grenzfrequenz von 72 
Hz berechnet.
Das würde aber davon ausgehen, dass es einen "Ausgang" gibt, der hier in 
der Form ja nicht vorliegt.
Und ich fragte mich vorher, wie das L den Tiefpass "ausser Kraft" setzen 
soll - ist natürlich quatsch, weil das C kein Tiefpass ist.

Eher ist der C im Stromkreis des Busses in Serie zu sehen (als 
Terminierung quasi) und verhindert, dass das wahrscheinlich hochohmige 
Audiosignal sich an der "Terminierung" vernünftig aufbaut.
So gesehen ist bei der Frequenz der C als Serienwiderstand gerechnet zu 
niedrig und ein weiteres L in der Leitung in der Serie erhöht den 
frequenzabhängigen Widerstand ohne den Ohmschen hoch zu setzen...

So nochmal gerechnet hat der C im Audio-Bereich einen Widerstand von 
höchstens ein paar Ohm. Also ist meine Leitung für diese Frequenzen mit 
einem sehr niedrigen Widerstand terminiert.
Und ich bräuchte ein L von ein paar 100 mH um einen Widerstand von über 
10 kOhm zu erreichen.

Bin ich da auf dem richtigen Trip?

[Conny G. (conny_g)]

Georg A. schrieb:
>> Mmmh, verstehe ich nicht. Ich füge doch einen frequenzabhängigen
>> Widerstand hinzu, inwiefern ist das besser für das Audiosignal?
>
> Je höher die Frequenz, desto höher dann der gesamte Eingangswiderstand
> deiner Stromversorgung. Dein jetziger Eingangswiderstand liegt mit den
> 220uF bei 100Hz bei 1/(2*PI*100*220e-6)=7 Ohm und wird zu höheren
> Frequenzen noch kleiner (=Hochpass). Das schliesst quasi alles im
> hörbaren Bereich kurz (ok, durch die Diode wirds nicht ganz so
> schlimm...)
>
> Den Eingangswiderstand kann man entweder über einen normalen Widerstand
> in Serie erhöhen, das reduziert aber wieder den Strom, denn deine
> Schaltung ziehen kann. Mit einer Spule kommt DC noch gut durch, der
> Frequenzbereich vom Audio aber eben kaum bis gar nicht mehr.

Ja, genau, jetzt hab ich's kapiert.

[Georg A. (georga)]

> Habe den C (220µF) mit dem reinen Leitungswiderstand (als 10 Ohm
> angenommen, ein paar 10 Meter Klingeldraht) als RC-Tiefpass
> verstanden und eine Grenzfrequenz von 72 Hz berechnet.

Die Grenzfrequenz stimmt (naja, mit Diode und variable Stromaufnahme 
nicht mehr so ganz, aber egal). An sich hast du mit dem C und dem 
Leitungs-R und deiner strom-ziehenden Schaltung dahinter einen 
Hochpass mit Last. Für das Audiosignal, das davor sitzt, ist das dann 
aber leider eine Tiefpassfunktion ;)

[Ulrich H. (lurchi)]

Von 20 V auf 3,3 V ist ja noch einiges an Reserve. Da stört also ein 
Widerstand bei der Induktiviät nicht so sehr. Wie hoch ist denn etwa der 
Stromverbrauch ?

Einfacher wäre wohl eine Art Gyratorschaltung (im wesentlichen in Reihe 
zu D1) - das kann ggf. auch relativ einfach ausfallen. Es muss nur 
AC-maßig ein hoher Eingangswiderstand vorhanden sein. Dafür reicht in 
der einfachen Form schon 1 Transistor, 1-2 Widerstände und 1 
Kondensotor.

[Conny G. (conny_g)]

Ulrich H. schrieb:
> Von 20 V auf 3,3 V ist ja noch einiges an Reserve. Da stört also ein
> Widerstand bei der Induktiviät nicht so sehr. Wie hoch ist denn etwa der
> Stromverbrauch ?

Ohne Funkmodul bis zu 15mA, mit Funkmodul im Empfang plus 16, Sendemodus 
+45.
Also später meist 30 mit Peaks auf 80mA.

> Einfacher wäre wohl eine Art Gyratorschaltung (im wesentlichen in Reihe
> zu D1) - das kann ggf. auch relativ einfach ausfallen. Es muss nur
> AC-maßig ein hoher Eingangswiderstand vorhanden sein. Dafür reicht in
> der einfachen Form schon 1 Transistor, 1-2 Widerstände und 1
> Kondensotor.

Ok, werde ich mich heute mal mit beschäftigen wie man die aufbaut und 
testen.

[Conny G. (conny_g)]

Das sieht mir als erstes Testobjekt eigentlich ganz vernünftig aus:

http://www.loetstelle.net/projekte/gyrator/gyrator.php

Jetzt wäre nur noch interessant, wie man die Induktivität berechnet.

[Conny G. (conny_g)]

Mmh, ich könnte das mit einem BS170 aufbauen, alternativ einem IRLU024N. 
Wenn ich das recht sehe, muss ich den Spannungsteiler für die Steuerung 
aber dann auf den ausrechnen...?

[Conny G. (conny_g)]

So, ich habe das jetzt mal simuliert um mir klarer zu werden, was die 
Spule oder der Girator hier tun würden.

Links eine Spannungsquelle von 20V plus +/- 1V Sinuswelle, ein 
Audiosignal.
Das jeweils mit 100Hz, 3000Hz und 10kHz simuliert.

Man kann in "ohneAlles" sehen, dass das Audiosignal bei 3Khz aufwärts 
vom Kondensator zu 75% gekillt wird. Das entspricht der subjektiven 
Erfahrung am Lautsprecher der Anlage, wenn meine Schaltung dranhängt.

Bei der Simulation mit den 10mH sieht man schön, dass bei steigender 
Frequenz immer mehr des "Audio" an der Spule abfällt, sie also dafür 
einen hohen Widerstand hat und "hinten" eine geglättete Spannung 
herauskommt. So bleiben bei ab 3.000 Hz >90% der Amplitude auf der 
Leitung erhalten.

Grundsätzlich scheint die Gyrator-Simulation den Effekt zu haben, dass 
am Gyrator das Audiosignal abfällt.
Jedoch gibt es hier Ungereimtheiten:
- es fallen bei den Rs wie in obigem Link 4-5V am Gyrator (genau 
genommen am Mosfet) ab, das kommt mir komisch vor. Wenn man mit den Rs 
spielt, speziell R1 stark senkt, dann sinkt diese Spannung auf 3V +/- 
Amplitude.
- er verhält sich nicht frequenzabhängig, das müsste er aber doch tun, 
wenn er eine Induktivität simuliert?
- sogar bei DC auf der Leitung bleiben diese 3V am Mosfet

In meiner speziellen Anwendung könnte ich mit diesem Spannungsabfall am 
Mosfet von 3V bei 80mA leben, das wären nur 0,24W Verlustleistung.
Aber da stimmt doch was nicht?

[Georg A. (georga)]

Der "gemeine" Mosfet braucht zum Durchschalten je nach Strom so 3-4V am 
Gate. Da du ja nur zwei Anschlüsse hast, muss die Spannung irgendwie 
durch einen Spannungsabfall entstehen (dafür sind die 33R da). Wenn du 
einen Logiclevel-Mosfet nimmst, könnte man den notwendigen 
Spannungsabfall verringern.

Nebenbei simulierst du mit den 470nF/330k schon eine riesige 
Induktivität, so vom Gefühl her ein paar H. Da merkst du keinen 
Unterschied mehr zwischen 100Hz und 3.3KHz...

[Conny G. (conny_g)]

Georg A. schrieb:
> Der "gemeine" Mosfet braucht zum Durchschalten je nach Strom so 3-4V am
> Gate. Da du ja nur zwei Anschlüsse hast, muss die Spannung irgendwie
> durch einen Spannungsabfall entstehen (dafür sind die 33R da).

Ja, das macht Sinn. Und würde wie gesagt bei mir ja auch noch reichen.

> Wenn du
> einen Logiclevel-Mosfet nimmst, könnte man den notwendigen
> Spannungsabfall verringern.

Kann mal den IRLU024N probieren in der Simulation, den hab ich auch noch 
da für die Umsetzung.

> Nebenbei simulierst du mit den 470nF/330k schon eine riesige
> Induktivität, so vom Gefühl her ein paar H. Da merkst du keinen
> Unterschied mehr zwischen 100Hz und 3.3KHz...

In dem Vorschlag von
http://www.loetstelle.net/projekte/gyrator/gyrator.php
sind es 4.7µF. Ich hab mal testweise 4.7µF und 0.47µF eingesetzt gehabt, 
das schien keinen Unterschied zu machen.

Hier heisst es:
http://www.tube-town.de/ttforum/index.php/topic,12138.msg112099.html?PHPSESSID=65aedcbe6c024357483c90ea753a13f0#msg112099
das wären ca. 0.3H bzw. 300mH.
Ich müsste also mal 1/30stel C nehmen (150nF) und sehen, ob es dann 
frequenzabhängig wird. Das würde den 10mH entsprechen, die ich in der 
reinen L-Simulation hatte. Wenn die 0.3H oben stimmen.

[Ulrich H. (lurchi)]

Einen gewissen Spannungsabfall auch im DC-Fall braucht der Gyrator, um 
die Wechselspannung ausgleichen zu können, also bei reduzierter Spannung 
am Eingang trotzdem noch Strom durchzulassen. Die Amplitude des 
Wechselspannung bis zu der der Gyrator noch wirkt wird halt durch den 
Abfall im DC Fall begrenzt.

[Conny G. (conny_g)]

Georg A. schrieb:
> Nebenbei simulierst du mit den 470nF/330k schon eine riesige
> Induktivität, so vom Gefühl her ein paar H. Da merkst du keinen
> Unterschied mehr zwischen 100Hz und 3.3KHz...

Jaaa! Mit 15nF wird es den 10mH ähnlich, sh Screenshot.
Sehr cool, macht Spass so ein Gyrator.

[Conny G. (conny_g)]

Habe jetzt mal ein paar Mosfet-Typen durchprobiert, auch 3.3v LL - der 
Abfall am Gyrator wird aber nie wirklich weniger als die 4V.
In meinem Fall könnte ich auch damit leben.

Das scheint demnach der "Preis" des Gyrators gegenüber einer dicken 
Spule mit hohem Widerstand zu sein.
Wenn so eine Spule 100 Ohm hätte, dann wären das ja auch schon 2v.
Also "kostet" der Gyrator doppelt soviel bei kleinerer Bauform und mehr 
Flexibilität in der Induktivität nach oben.

[Conny G. (conny_g)]

Nein, quatsch:
Wenn ich einem IRLZ34N nehme und den R1 auf 30k absenke, dann bekomme 
ich eine Spannung am Gyrator von ca. 2V.
Das wäre ja völlig ok, ist auch nicht mehr als eine Spule von 100 Ohm.

Kann ich den R1 einfach auf 30k absenken?

Jetzt steht an, das mal real zu testen.

[Georg A. (georga)]

Mit einem bipolaren Transi gehts auch bei weniger Spannungsabfall. 
Braucht dann aber mehr C (vmtl. Elko) und weniger R. Nachdem du ja eh 
schon munter simulierst, kannst du das ja auch mal probieren ;)

[Conny G. (conny_g)]

Weniger R weil die Basis Strom statt Spannung braucht. Und weil L eine 
Funktion von R x C muss man sie über Kreuz anpassen, R runter, C hoch. 
Verstehe.

Als nächstes erstmal Praxistest mit was ich hab, sh Foto.

C ist auf dem Foto ein 1µF, den habe ich aber in 22nf ausgetauscht. 
Sowie die Widerstände angepasst (R1 = 47k, R2 = 220k).

Den Praxistest beim Audio hat die Schose jetzt wunderbar bestanden, 
herzlichen Dank!

Es gibt nun noch das Problemchen, das meine Bus-Dekoder und -Encoder 
hinter dem Filter sitzen.
Das ist anscheinend für den Dekoder kein Problem, der hat die Signale 
noch erkannt. Was mich wundert, in der Simulation kam da nur noch 
Garbage.
Aber der Encoder kommt nicht durch den Filter nach draussen, das Signal 
sieht nicht mehr gut aus.

D.h. ich muss den Schaltplan ändern und Decoder/Encoder vor dem Gyrator 
abzweigen.
Und die aktuelle Schaltung fies "hacken" mit Leiterbahn durchtrennen und 
so. würg. Aber naja, muss halt.
Wäre ja zu schön gewesen, wenn die erste produzierte Platine gleich 
tut...

[Conny G. (conny_g)]

Die Neugier...

Bipolar tut es auch, Spannungsabfall über den Gyrator hier nur knapp 
über 1V.

[Georg A. (georga)]

> Und die aktuelle Schaltung fies "hacken" mit Leiterbahn
> durchtrennen und so.

Wieso? Bau das doch anstatt der Diode ein... Dann musst du nichts 
aufkratzen.

[Conny G. (conny_g)]

Georg A. schrieb:
>> Und die aktuelle Schaltung fies "hacken" mit Leiterbahn
>> durchtrennen und so.
>
> Wieso? Bau das doch anstatt der Diode ein... Dann musst du nichts
> aufkratzen.

Ha, das ist eine gute Idee!
Musste nichts aufkratzen, nur ein via aufbohren und auf der Unterseite 
mein drähtchen anschließen. Lässt sich auch wieder rückgängig machen für 
die Statt-Diode-Lösung.
Die Schaltung hat gestern beim kurzen Test dann seltsames Verhalten 
gezeigt (abgestürzt/Reset bei Kommando auf dem Bus, noch nicht genauer 
diagnostiziert), vielleicht passt es mit Diode ersetzen dann besser.

[Conny G. (conny_g)]

Conny G. schrieb:
> Die Schaltung hat gestern beim kurzen Test dann seltsames Verhalten
> gezeigt (abgestürzt/Reset bei Kommando auf dem Bus, noch nicht genauer
> diagnostiziert), vielleicht passt es mit Diode ersetzen dann besser.

Es scheint der Fehlversuch mit dem Gyrator an der falschen Stelle 
verursachte einen Bauteildefekt.
Die Schaltung - ohne Gyrator - zieht jetzt auf einmal 80-100mA und mehr 
und zwischen GND und 3V3 habe ich einen Widerstand von 9 Ohm - das ist 
seltsam.

[Conny G. (conny_g)]

Conny G. schrieb:
> Conny G. schrieb:
>> Die Schaltung hat gestern beim kurzen Test dann seltsames Verhalten
>> gezeigt (abgestürzt/Reset bei Kommando auf dem Bus, noch nicht genauer
>> diagnostiziert), vielleicht passt es mit Diode ersetzen dann besser.
>
> Es scheint der Fehlversuch mit dem Gyrator an der falschen Stelle
> verursachte einen Bauteildefekt.
> Die Schaltung - ohne Gyrator - zieht jetzt auf einmal 80-100mA und mehr
> und zwischen GND und 3V3 habe ich einen Widerstand von 9 Ohm - das ist
> seltsam.

Konnte das jetzt endlich debuggen, lange keine Zeit gehabt...

Zuerst den Spannungsregler rausgenommen, immer noch Kurzschluss.
Dann mal meine Induktivität einseitig ausgelötet, die das Funkmodul 
versorgt.
Festgestellt, dass der Kurzschluss beim Funkmodul liegt.
Warum auch immer hat es das wohl gebrizzelt. Hoffen wir mal die RFM69 
sind nicht alle so empfindlich...
Also Funkmodul ausgelötet, Schaltung tut!

Jetzt muss ich nur noch den Gyrator auf ein Stückchen Lochraster 
bringen, dann kann die Schose mal in den Testbetrieb gehen. Freu mich.

[Conny G. (conny_g)]

Conny G. schrieb:
> Jetzt muss ich nur noch den Gyrator auf ein Stückchen Lochraster
> bringen, dann kann die Schose mal in den Testbetrieb gehen. Freu mich.

Mission accomplished. Gespannt auf den Produktivtest.