Gedanken zum Thema Gleichrichtung und Präzision
Hier nur ein kurzer Abriss der Gedanken, um die Denkprozesse zur Überarbeitung
und Entwicklung einer Adapterplatine transparent zu machen.
Die Problembereiche werden in 3 Teilbereiche aufgeteilt:
- Vollwellen Gleichrichtung
- Offset Kompensation
- OpAmp Rauschen ( nicht : Signal Rauschen ! )
Zunächst einmal gibt es ein Problem mit den bisher verwendeten Dioden.
Die in der Signalverarbeitung verwendeten Halbleitergleichrichterdioden haben keine lineare Kennlinie.
Um in die Leitphase zu gelangen, sind bei Siliziumdioden 0,7 Volt, bei Germaniumdioden 0,3 Volt
und beim Kupferoxydulgleichrichter im besten Fall 0,2 Volt zu überschreiten.
Die in dieser Hinsicht besseren Kenndaten hat die Schottkydiode, ein Metall-Halbleiter-Kontakt mit
einer Schwellenspannung von 0,3 Volt. Der Nachteil aller Gleichrichter ist die zu überwindende kleine
Fluss- oder Schwellenspannung. In passiven Schaltungen können sie kleine Wechselspannungssignale
entweder gar nicht oder nur mit nicht tolerierbaren Verzerrungen verarbeiten.
Die Demodulation eines amplitudenmodulierten Signals an einer Diode setzt eine Mindestamplitude der
Trägerfrequenz voraus, die deutlich oberhalb der Diodenflussspannung bleibt.
Dies führt dazu, dass ein Teil des zu messenden Signals - und zwar ausgerechnet
die "Störgeräusche" kaum zur Auswertung und Messung gelangen - also gerade die
"kleinen" Spannungen kaum angezeigt werden. Wobei in der bisherigen Schaltung
ohnehin durch den "Anzeigebereich" ( ab -20 dB ) ebenfalls diese Spannungen
eigentlich gar nicht angezeigt werden ( hier im Thread die Diskussion um die
nicht leuchtende / oder leuchtende erste Diode ) !
Um aber eine präzise Messung zu erreichen, ist in jedem Falle ein Wechsel von den
bisher verwendeten Siliziumdiode 1N4148 ( mit einer Durchbruchspannung von 0,7 Volt )
hin zu Schottkydioden 1N5817 ( mit einer Durchdruchspannung von nur 0,32 Volt ) angebracht.
Dabei ist zu beachten: In der Platine sind ohnehin Lötlöcher für die "normale" Bauart
vorgesehen und die Schottkydioden in der kleineren SMD Bauform sind ohnehin schlechter
wegen der höheren Durchbruchspannung ( erst ab 0,4 Volt ! ). Da ohnehin bei der
Modifikation auch die Dioden in der Polarität "andersherum" eingelötet sein müssen,
kann man dann ohnehin gleich auch die Dioden austauschen !
Dabei lasse ich bewusst hier das Problem des Temperaturkoeffizienten der Dioden
"unter den Tisch fallen" - billigend eine geringe Ungenauigkeit "in Kauf nehmend",
weil sonst die Modifikation / Update viel zu aufwendig wird für die meisten Benutzer !
Das nächste Problem bei der Umstellung von Halbwellengleichrichtung auf die
angestrebte Vollwellengleichrichtung ist eine Umstellung von einem OpAmp pro Kanal
auf zwei OpAmps pro Kanal !
Hier zunächst ein Blick auf die bisherige Auslegung der Gleichrichtung mit nur einem OpAmp
pro Kanal:
und nun zum Vergleich die Schaltung der geplanten Gleichrichtung in der Modifikation:
Spätestens hier werden 3 erhebliche Probleme klar:
1. Der bisherige OpAmp weist nur 8 Pins auf der vorliegenden Platine auf, wobei
die beiden OpAmps selbst nur zusammen 6 Pins haben !
2. Die Bauelemente welche "um" die OpAms "drumherum" vorhanden sind, um mit ihm
jeweils beschaltet zu sein, befinden sich auf der Platine !
In der angestrebten Beschaltung mit vier OpAmps kommen weitere 4 Widerstände
hinzu, für die auf der Platine gar kein Platz vorgesehen sind.
3. Die "Ausgangs"-Pins der bisherigen OpAmps in der Schaltung sind nicht exakt
identisch mit den später vorgesehenen "Ausgangs"-Pins der neuen Gleichrichtung !
Eigentlich sind in der bisherigen Platine die Pins 1 und 7 als Ausgänge ja
mit den Bauelementen aus der bisherigen Gleichrichtung verbunden, entsprechen
also eigentlich erst dem "Eingang" in die zweite OpAmp-Stufe.
Es gibt also für die Auslegung der "Adapterplatine" einige anspruchsvolle
"Denksport Aufgaben" ! ( ganz zu schweigen von der "Bauhöhe", wie von Karsten
zurecht in die Diskussion eingebracht.... )
Da bei einer "Vollwellengleichrichtung" steht ohnehin eine größere Spannung zu
Auswertung bei der Messung am Eingang des Controllers ATiny861 zur Verfügung
und der Gleichrichter soll auch ohnehin - um der Präzision willen - gar nicht
verstärken, sondern nur als Pufferstufe arbeiten mit einer Verstärkung gleich
1 - also ohne Verstärkung.
Deshalb müssen ohnehin zwei Widerstände auf der Platine ausgetauscht
werden. Da aber in der neuen Schaltung ein Wert = 1/2 R ist und der Basiswert
in der jetzigen Schaltung 10 k beträgt wäre die Beschaffung von 1/2 R = 5k
ziemlich schwierig, weil dies ein Wert ausserhalb der Normenwert Reihe ist.
Zwar kann man diesen Wert auch durch Parallelschaltung von 2 x 10k erhalten,
- nur dafür ist auf der Platine eigentlich kein Platz ! Hier ist die einfachere
Lösung die Änderung des "Basis"werts auf 15 k ! Dann ist der Wert 1/2 R = 7,5 k
und beide Werte sind Werte aus der Normenreihe und damit leicht erhältlich !
Allerdings muss man dann auch die beiden 10k Widerstände austauschen. Allerdings
müssen schon ohnehin die Dioden und 4 Widerstände ausgetauscht werden, da machen
2 weitere Widerstände "den Kohl auch nicht fett".
Hier nochmal ein Bild mit der Zusammenfassung der bisherigen Punkte und zum
direkten Vergleich nebeneinander:
Nun werfen wir einen Blick auf das Problem mit der Offsetspannung und dem Rauschen des OpAmps:
Zwar kann man mit entsprechender Beschaltung die Offsetspannung am OpAmp
"in den Griff bekommen" und sogar bei genauer "Einmessung" und "Justage"
beinahe bei jedem OpAmp "kompensieren" und auf beinahe "Null" bringen:
Allerdings muss dann wenn das Ganze Sinn machen soll, diese Maßnahme bei jedem OpAmp
vorgenommen werden - also im vorliegenden Fall 4 mal ein zusätzlicher Trimmer -
und eigentlich soll in einem solchen Fall der OpAmp mit einer "Dual"spannung gespeist
werden - also einer positiven
UND einer negativen Spannung ( statt GND ) und nicht
wie in der vorliegenden Schaltung nur mit einer positiven Spannung.
Und dann muss natürlich die Offsetspannungskompensation bei jedem OpAmp individuell
gemessen und justiert werden ! Und die zusätzlichen Bauteile müssen dann auch noch
auf der Adapterplatine untergebracht werden. Nicht zu vergessen dass der Offset
auch noch Temperaturabhängig ist !
Unter diesem Aspekt macht es Sinn, sich mehr Gedanken bei der
AUSWAHL des zu
verwendenden OpAmps zu machen.
Denn da lässt sich auch schon der größere Teil des
Problems lösen, zu mal die meisten Inhaber der Platine wohl eher nicht ein hoch-
präzises Milivoltmeter in der Werkstatt herumstehen haben für die Messung und
Justage.....
dies gilt Gleichermaßen auch für das Eigenrauschen des OpAmps !
Wir wollen schließlich nicht vergessen: Im ersten Beitrag, in dem ich über das Update
"laut nachdenke", habe ich schon auf die Diskrepanz hingewiesen, dass hier eigentlich
über eine Spannung von ca. 0,003 Volt ( bei einem gut selektierten OpAmp ) bis maximal
0,007 Volt ( bei einem schlecht selektierten OpAmp ) sprechen, da ja in der modifizierten
Schaltung das Problem nicht mehr verstärkt wird - Und der eigentliche derzeitige
Anzeigebereich bei derzeit -20 dB also erst ab 0,063 Volt einsetzt !
Siehe Tabelle in Posting #207 ( aus Seite 9 des Threads ).
so weit für heute
speedyG