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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frequenz mit R, C und Schmitt-trigger Inverter erzeugen


Autor: stefan (Gast)
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Guten Morgen,

durch einen Kondensators, Widerstand und einem Schmitt-trigger Inverter 
sollen Frequenzen erzeugt werden, welche ich dann mit dem Raspberry PI 
zero auslese.

Das Ganze, Skizze von Schaltplan siehe Anhang, funktioniert auch gut. 
Als erstes habe ich einen 100nF Kondesator verwenden. Wie Widerstände 
habe ich schrittweise von 5kOhm auf 200kOhm erhöht. Und wie in der 
Formel f=1/(R*C) ersichtlich, wird die Frequenz bei steigenden 
Widerstand kleiner.
Wenn ich jedoch jetzt einen 22pF Kondensator verwende trifft die Formel 
nicht mehr zu, bei einem Widerstand von 1MOhm messe ich eine Frequenz 
von 2400, bei 300kOhm 1925 und bei 2MOhm 5000, die Frequenz steigt also 
mit steigenden Widerstand, und das ist für mich nicht erklärbar, hat da 
jemand eine Idee wieso das so ist?

Schlussendlich wird sich die  Kapazität vom Kondensator, im pF Bereich 
ändern und der Widerstand fix bleiben, bis dahin wollte ich aber mal 
fixieren welchen Widerstand ich nehmen muss, damit ich einen möglichst 
großen Frequenzbereich mit dem Raspberry PI zero messen kann.

Als Schmitt-trigger Inverter verwende ich den CD74HC14E, der hat einen 
Eingangs Kapazität von 10pF, das dürfte aber kein Problem sein, oder?

Ich bin ich der Elektrotechnikexperte, daher kann es gut sein, dass ich 
einen Fehler in meinem Schaltplan, siehe Anhang, habe.

Ich bin am Ende meiner Weisheit und freue ich über Ideen, Hilfe und 
Vorschläge.

LG Stefan

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Autor: Klaus R. (klara)
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stefan schrieb:
> Wenn ich jedoch jetzt einen 22pF Kondensator verwende trifft die Formel
> nicht mehr zu,

stefan schrieb:
> Als Schmitt-trigger Inverter verwende ich den CD74HC14E, der hat einen
> Eingangs Kapazität von 10pF, das dürfte aber kein Problem sein, oder?

Dann errechne doch die resultierende Kapazität. Hinzu kommen sicher noch 
ein paar pF durch Deinen Aufbau und den Leiterbahnen.
mfg Klaus

Autor: W.S. (Gast)
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stefan schrieb:
> und einem Schmitt-trigger Inverter

Wo ist dein Inverter? Ich sehe da nur drei Nicht-inverter.

Also, normalerweise reicht für sowas ein einziger Inverter mit Hysterese 
am Eingang aus: Kondensator vom Masse gegen Eingang, Widerstand vom 
Eingang gegen Ausgang. Da der Inverter ja invertiert (wer hätte das 
gedacht..), zieht er seinen eigenen Eingang immer in die Richtung, die 
der Eingang gerade NICHT hat.

W.S.

Autor: stefan (Gast)
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Danke für die rasche Antwort.

Die resultierende Gesamtkapazität beträgt 6,9pF also ca 7pF.

Das Problem was ich habe ist, dass die Frequenz mit steigenden 
Widerstand steigt(es sollte aber genau andersrum sein), nicht dass der 
Wert nicht genau stimmt.

Autor: Ingo Less (Gast)
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Deine Schaltung ist Murks, weil du den Kondensator mit dem Ausgang des 
zweiten Treibers wie eine Art Ladungspumpe schaltest.

Häng das C auf Masse mit der einen Seite

Autor: stefan (Gast)
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W.S. schrieb:
> Wo ist dein Inverter? Ich sehe da nur drei Nicht-inverter.

Ups, da hatte ich das falsche Schaltzeichen, sorry.

Jetzt sollte es passen.

W.S. schrieb:
> Kondensator vom Masse gegen Eingang, Widerstand vom
> Eingang gegen Ausgang

Dann werde ich das mal probieren.

Autor: Michael M. (michaelm)
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Autor: Harald W. (wilhelms)
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Michael M. schrieb:

> 
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiVzeGl6qHgAhUJCuwKHXsFDm0QFjAAegQIBxAC&url=https%3A%2F%2Fhome.zhaw.ch%2Fkunr%2FElektronik2%2FSlides%2Foszillatoren.pdf&usg=AOvVaw0Nv6h35HHs5h3LWJBfQwhv

Am besten nimmt man die Schaltung 6 auf Seite 12. Sie arbeitet
wesentlich präziser. Allerdings sollte der verwendete Kondensator
deutlich grösser als die internen Cs im IC sein.

Autor: stefan (Gast)
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Danke mal für eure zahlreichen Antworten.

Harald W. schrieb:
> Allerdings sollte der verwendete Kondensator
> deutlich grösser als die internen Cs im IC sein.

ich kann die verwendete Kondensatorkapazität nicht wirklich vergrößern, 
da der Kondensator als zwei Platten Metall und dazwischen Holz besteht 
und die Kapazität ist abhängig von der Feuchtigkeit des Holzes. Gibt es 
da noch andere Möglichkeiten, außer den Abstand und die Größe der 
Metallplatten zu verändern um die Kapazität größer zu machen?

Und was sind die Auswirkungen wenn die Kapazität zu klein ist?

Autor: Hannes (Gast)
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stefan schrieb:
> Gibt es
> da noch andere Möglichkeiten, außer den Abstand und die Größe der
> Metallplatten zu verändern um die Kapazität größer zu machen?

Das Dielektriukum wechseln, aber das ist ja auch nicht änderbar (Holz) 
bei dir.

stefan schrieb:
> Und was sind die Auswirkungen wenn die Kapazität zu klein ist?

Das kommt darauf an wieviel Strom du ins Holz (also im Kondensator) 
verlierst und was du für einen Inverter hast. Wenn der Inverter einen 
sehr hohen Eingangswiderstand hat, dann sollte es auch mit sehr kleinen 
Kapazitäten funktionieren. Erwarte dann aber nicht, dass du zuverlässig 
sehr sehr kleine Frequenzen erzeugen kannst.
Das größte Problem wird denke ich die Genauigkeit sein. wenn du einen 
sehr kleinen Kondensator und einen großen Widerstand hast, dann können 
zum Beispiel Temperaturschwankungen, Bauteilalterung, usw. einen 
erheblichen Unterschied verursachen.

Ich rate dazu es auszuprobieren auf einem Steckbrett. Der Teileaufwand 
ist ja überschaubar.

Autor: Hannes (Gast)
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So ein Ding wird übrigens "Kippschwinger" oder "Relaxation oscillator" 
genannt.

Autor: Michael M. (michaelm)
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stefan schrieb:
> ich kann die verwendete Kondensatorkapazität nicht wirklich vergrößern,
> da der Kondensator als zwei Platten Metall und dazwischen Holz besteht

also Basteln wie vor 100 Jahren.... Nach dem Eingangsbeitrag hatte ich 
bedrahtete Bauteile vor Augen ^^

Wie groß sind deine Metallplatten L x B in mm?

Bei Abmessungen bis zu 20mm würde ich mal versuchsweise PE-Folie 
einsetzen, wenn es etwas bessere Qualität sein soll, dann 
Glimmer-Isolierscheiben (für Halbleiter)
Kannst ja auch "Multilayer" ausprobieren... :-)

: Bearbeitet durch User
Autor: Günter Lenz (Gast)
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stefan schrieb:
>ich kann die verwendete Kondensatorkapazität nicht wirklich
>vergrößern, da der Kondensator als zwei Platten Metall und
> dazwischen Holz besteht

Mit so einen Kondensator kann man nicht gut einen
Relaxation-oscillator, der eine niedrige Frequenz
hat, bauen. Da geht es mit LC-Oszillatoren besser,
und dann die Frequenz mit Frequenzteiler runterteilen.
Benutze einen vernüftigen Drehko.

https://www.box73.de/index.php?cPath=82_101

Oder mach den Kondensator in deiner Schaltung
vernünftig groß und den Widerstand variabel,
daß geht auch, und besser.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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stefan schrieb:

> ich kann die verwendete Kondensatorkapazität nicht wirklich vergrößern,
> da der Kondensator als zwei Platten Metall und dazwischen Holz besteht
> und die Kapazität ist abhängig von der Feuchtigkeit des Holzes.

Nun, da werden noch weitere Versuche deinerseits nötig sein. Ich
vermute, die obige Schaltung 6 wird da etwas besser geeignet sein
als Deine ursprüngliche.

> Und was sind die Auswirkungen wenn die Kapazität zu klein ist?

Die sind undefiniert, da vermutlich keiner ausser Dir diese ICs
so anwenden will wie Du. Es wird da auch Unterschiede zwischen
ICs mit gleicher Nummer aber unterschiedlichen Hersteller und
Herstellungsjahr geben.

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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stefan schrieb:
> ich kann die verwendete Kondensatorkapazität nicht wirklich vergrößern,
> da der Kondensator als zwei Platten Metall und dazwischen Holz besteht
> und die Kapazität ist abhängig von der Feuchtigkeit des Holzes.

Aha. Das soll also ein Sensor sein.

Und was ist jetzt nochmal dein Problem? Die Abhängigkeit der Frequenz 
von der Kapazität ist ja trotzdem noch gegeben. Am Widerstand mußt du in 
dieser Anwendung doch nichts ändern.

Mögliche Erklärungen:

1. parasitäre Kapazitäten. Nicht nur IC-Eingänge, auch Widerstände haben 
solche. Jeder Widerstand in deiner Schaltung ist in Wirklichkeit die 
Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator von einigen 
pF.

2. Verlustwiderstand deines "Kondensators". Sind deine Metallplatten 
denn isoliert? Denn feuchtes Holz ist ein Widerstand. Auch dein 
Kondensator ist in Wirklichkeit die Parallelschaltung aus einem 
Widerstand und einem Kondensator.

Autor: MaWin (Gast)
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stefan schrieb:
> Schlussendlich wird sich die  Kapazität vom Kondensator, im pF Bereich
> ändern

Dafür ist die Schaltung ungeeignet. Deswegen:

stefan schrieb:
> Als Schmitt-trigger Inverter verwende ich den CD74HC14E, der hat einen
> Eingangs Kapazität von 10pF,


> das dürfte aber kein Problem sein, oder

Du meinst, du wünscht dir kein Problem.

Die Schaltung ist auch nicht berechenbar, weil die Spannung am Eingang 
vom ersten Inverter beim Umschalten auf einen Wert ausserhalb der 
Versorgungsspannung springt und dsr C über die Eingangsschutzdiode 
ruck-zuck entladen wird.

Simulier die Schaltung halt mal in LTSpice.

Wieviel der Gesamtladung das prozentual ausmacht hängt von den 
Schaltschwellen des Chips ab, ist also nicht berechenbar.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Axel S. schrieb:
>Aha. Das soll also ein Sensor sein.

Also wenn das ein Feuchtigkeitssensor werden soll,
soll er lieber das stück Holz als Widerstand
benutzen und für den Kondensator,
einen richtigen Kondensator einsetzen.

Autor: Christoph db1uq K. (christoph_kessler)
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Zur Messung kleiner Kapazitätsänderungen gibt es eine Schaltung für 
einen alten Feuchtesensor:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Feuchtesensor#Philips_H1_2322_691_90001
der Link zum Webarchiv funktioniert noch:
https://web.archive.org/web/20060618143150/http://docs.poulter.de/Elektronik/Sensoren/Luftfeuchtesensor%20VALVO.pdf
auf Seite 5, mit zwei Oszillatoren gegeneinander, einer fest und der 
andere von der Kapazität des Sensors verändert.

Ich sehe gerade, kein NAND sondern NOR CD4001

: Bearbeitet durch User
Autor: MaWin (Gast)
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Christoph db1uq K. schrieb:
> Zur Messung kleiner Kapazitätsänderungen gibt es eine Schaltung für
> einen alten Feuchtesensor:

Der ist allerdings auch dafür bekannt, dass er eher mit der Temperatur 
geht als mit der Feuchte.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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MaWin schrieb:
> Christoph db1uq K. schrieb:
>> Zur Messung kleiner Kapazitätsänderungen gibt es eine Schaltung für
>> einen alten Feuchtesensor:
>
> Der ist allerdings auch dafür bekannt, dass er eher mit der Temperatur
> geht als mit der Feuchte.

Das ist auch eine blöde Schaltung. Obige Schaltung 6 hat eine
wesentlich geringerere Temperaturabhängigkeit.

Autor: Michel M. (elec-deniel)
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Autor: Christoph db1uq K. (christoph_kessler)
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Ich habe die Schaltung nie benutzt.

Ich vermute nur, dass bei kleinen Kapazitätsänderungen so eine Schaltung 
eine größere Empfindlichkeit hat.

Der kapazitätsabhängige Oszillator ist mit dem anderen über ein NOR 
synchronisiert und liefert eine pulsbreitenmodulierte 
Ausgangsschwingung. Erst das Zeigerinstrument macht daraus eine 
DC-Anzeige. Der Aussteuerbereich ist damit vorgegeben.  Das Maximum wird 
erreicht, wenn der obere Oszillator eine doppelt so große Periodendauer 
hat wie der untere. Das wäre eine Frequenzänderung von 2:1 wenn ich das 
richtig deute, bei einer Kapazitätsänderung von ebenfalls 2:1.

Beide Oszillatoren driften mit der Temperatur in erster Näherung in die 
gleiche Richtung, sodass das Periodendauerverhältnis etwa gleich bleibt.

: Bearbeitet durch User
Autor: W.S. (Gast)
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stefan schrieb:
> Ups, da hatte ich das falsche Schaltzeichen, sorry.
>
> Jetzt sollte es passen.

Nein, es paßt noch immer NICHT! Was treibst du da eigentlich mit dem 
Kondensator??? Du schaltest ihn zwischen einen Ausgang und die 
Begrenzerdioden deines Einganges. Das ist, als ob du mit ner breiten 
Kiste und mit Gewalt durch einen engen Gang rennen willst: Du rammelst 
bei jedem Schritt an eine der Wände an.

W.S.

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Da fehlt ein Widerstand. Wenn du es so machst, hält sie sich viel 
stärker an die berechneten Werte und liefert ein saubereres 
Ausgangssignal: 
http://stefanfrings.de/coding_for_tomorrow/merkblaetter/Merkblatt%20CD4069.pdf

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Autor: stefan (Gast)
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Danke für die vielen Antworten und Vorschläge.

Michael M. schrieb:
> Wie groß sind deine Metallplatten L x B in mm?

Es sind 500x4mm, es ist ein Holzstab.

Günter Lenz schrieb:
> Da geht es mit LC-Oszillatoren besser,
> und dann die Frequenz mit Frequenzteiler runterteilen.

Dann werde ich mir das auch mal anschauen.

Axel S. schrieb:
> 1. parasitäre Kapazitäten. Nicht nur IC-Eingänge, auch Widerstände haben
> solche. Jeder Widerstand in deiner Schaltung ist in Wirklichkeit die
> Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator von einigen
> pF.

Daran habe ich nicht gedacht, danke für die Erklärung.

Günter Lenz schrieb:
> Also wenn das ein Feuchtigkeitssensor werden soll,
> soll er lieber das stück Holz als Widerstand
> benutzen und für den Kondensator,
> einen richtigen Kondensator einsetzen.

Das geht leider aufgrund der Holzeigenschaften nicht. Da der Widerstand 
von Holz, unter 5% Holzfeuchte extrem ansteigt.

Christoph db1uq K. schrieb:
> Zur Messung kleiner Kapazitätsänderungen gibt es eine Schaltung für
> einen alten Feuchtesensor:
> https://www.mikrocontroller.net/articles/Feuchtesensor#Philips_H1_2322_691_90001
> der Link zum Webarchiv funktioniert noch:
> 
https://web.archive.org/web/20060618143150/http://docs.poulter.de/Elektronik/Sensoren/Luftfeuchtesensor%20VALVO.pdf
> auf Seite 5, mit zwei Oszillatoren gegeneinander, einer fest und der
> andere von der Kapazität des Sensors verändert.
>
> Ich sehe gerade, kein NAND sondern NOR CD4001

Ich verstehe leider nicht ganz wie diese Schaltung funktioniert.
Aber ich habe jetzt einmal
Harald W. schrieb:
> Am besten nimmt man die Schaltung 6 auf Seite 12.
diese Schaltung ausprobiert und die wirkt bis jetzt ganz gut.

Autor: stefan (Gast)
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Stefanus F. schrieb:
> Da fehlt ein Widerstand. Wenn du es so machst, hält sie sich viel
> stärker an die berechneten Werte und liefert ein saubereres
> Ausgangssignal:
> http://stefanfrings.de/coding_for_tomorrow/merkblaetter/Merkblatt%20CD4069.pdf

Bei der Formel F = 1 / (2,6  R  C) bezieht sich das R nur auf R2a und 
R2b oder auf alle drei?

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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stefan schrieb:
> Bei der Formel ... bezieht sich das R auf ?

R ist der Frequenzbestimmende Widerstand, also R2a+R2b.

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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W.S. schrieb:
> Nein, es paßt noch immer NICHT!

Albern. Das ist die Standardschaltung für den 2-Inverter Oszillator. 
Allerdings baut man die normal nicht mit Schmitt-Triggern, weil man das 
erste Gatter mit dem Widerstand in den linearen Bereich ziehen will.

Und ja, der Kondensator bringt den Eingang des ersten Gatters regelmäßig 
außerhalb des normalen Arbeitsbereichs. Bei CMOS übernehmen dann die 
Schutzdioden. Ein extra Widerstand wird gelegentlich empfohlen, ist aber 
erst bei Kapazitäten jenseits einiger Dutzend nF wirklich notwendig. Der 
Einfluß auf die Frequenz ist in dieser Anwendung auch vollkommen Wumpe, 
weil es ja nur darum geht, eine Frequenzänderung zu messen.

Autor: Michael M. (michaelm)
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stefan schrieb:
> Michael M. schrieb:
>> Wie groß sind deine Metallplatten L x B in mm?
>
> Es sind 500x4mm, es ist ein Holzstab.

Soll das ganze denn nun einen Feuchte-Sensor darstellen oder ist der 
Hintergrund etwas anderes??

Autor: stefan (Gast)
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Stefanus F. schrieb:
> R ist der Frequenzbestimmende Widerstand, also R2a+R2b.

Ok, danke

Axel S. schrieb:
> Allerdings baut man die normal nicht mit Schmitt-Triggern, weil man das
> erste Gatter mit dem Widerstand in den linearen Bereich ziehen will.

Was verwendet man den normalerweiße?

Michael M. schrieb:
> Soll das ganze denn nun einen Feuchte-Sensor darstellen oder ist der
> Hintergrund etwas anderes??

Nein, es soll nur die Feuchtigkeit des Holzes automatisch gemessen 
werden.

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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stefan schrieb:
> Was verwendet man den normalerweiße?

CMOS Inverter, wie der von mir gezeigte CD4069.

: Bearbeitet durch User
Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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stefan schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Allerdings baut man die normal nicht mit Schmitt-Triggern, weil man das
>> erste Gatter mit dem Widerstand in den linearen Bereich ziehen will.
>
> Was verwendet man den normalerweiße?

Normalerweise (das kommt von Weisheit, nicht von der Farbe) verwendet 
man schlichte Inverter wie 74HC04 oder invertierende Gatter wie 74HC00 
oder 74HC02. Für Sonderfälle gibt es sogar unbuffered CMOS Inverter wie 
74HCU04 bzw. 4049UB.

Autor: stefan (Gast)
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Stefanus F. schrieb:
> CMOS Inverter, wie der von mir gezeigte CD4069.

Axel S. schrieb:
> Normalerweise (das kommt von Weisheit, nicht von der Farbe) verwendet
> man schlichte Inverter wie 74HC04 oder invertierende Gatter wie 74HC00
> oder 74HC02. Für Sonderfälle gibt es sogar unbuffered CMOS Inverter wie
> 74HCU04 bzw. 4049UB.

Ok, danke. Dann werde ich mir die mal anschauen.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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stefan schrieb:

>> Normalerweise verwendet
>> man schlichte Inverter wie 74HC04 oder invertierende Gatter wie 74HC00
>> oder 74HC02. Für Sonderfälle gibt es sogar unbuffered CMOS Inverter wie
>> 74HCU04 bzw. 4049UB.
>
> Ok, danke. Dann werde ich mir die mal anschauen.

Die Erkenntnis gbs auch schon am 4.2. um 11.10 Uhr.

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