Kondensator Kapazität?

[avrrobot]

Hallo,

Ich will ein relativ hochohmiges Signal eines Verstärkers mit einem Kondensator ein wenig
glätten. Ich werde so ungefähr eine Frequenz von 40 Hz bei 5V (annähernd Rechteck) haben
und will am Ende möglichst nur noch leichte Schwankungen haben.
Wie kann ich die Kapazität des Kondensators berechnen, den ich einsetzen muss?

MfG avrrobot

[Thegon]

... und will am Ende möglichst nur noch leichte Schwankungen haben.

Das heißt du willst das Signal komplett glätten, dass sozusagen Gleichspannung rauskommt? Das würde doch ein Tiefpass erledigen, dessen Grenzfrequenz weit unter diesen 40Hz liegt. Ändert sich denn das Tastverhältnis? Sonst kommt ja immer 2,5V raus, wenn 50%
Wenn nur ein Kondensator angeschlossen werden soll, dann hängt das ja davon ab, wie hochomig "relativ hochohmig ist".
Oder verstehe ich dich falsch?

Mfg Thegon

[avrrobot]

Es muss nicht komplett geglättet werden.
Im Prinzip wird sich die Amplitude des Signals ändern, und das will ich dann messen können.
Wie hochohmig das Signal genau ist weiß ich nicht, ich denke mal man könnte zur Not noch ne LED (also 20 mA)
dranhängen, aber ich will die Signalquelle nicht belasten, deshalb könnte ich ja auch noch einen Widerstand
dazuschalten.

[BASTIUniversal]

Hallo avrrobot,

um die Amplitude (also den Spannungshub den das Rechtecksignal macht) zu messen ist ein Tiefpass die falsche Methode. Der reagiert nur, wie Thegon schon geschrieben hat, auf eine Änderung im Tastverhältnis.
Ich würde da eher in Richtung "Spitzenwertgleichrichter" suchen. Ein Prinzipschaltbild findest du hier (ganz unten, Kapitel 4.3): http://www.loetstelle.net/grundlagen/operationsverstaerker/opamp_5.php

Gruß
Basti

[avrrobot]

Danke, die Schaltung sieht sehr einfach und sinnvoll aus.
Ist das die maximale Amplitude, die auf den gesamten Zeitraum gemessen wird, oder ist das immer die aktuelle Amplitude?
Außerdem: Das Signal darf nicht weiter verstärkt werden, ich weiß nicht genau, ob das hier der Fall ist !?

MfG avrrobot

[Thegon]

Nein, verstärkt wird hier nicht, weil beide OPV´s sind als einfache Eingangsfolger beschaltet. Der OPV versucht ja immer, (wenn er rückgekoppelt ist), dass an den beiden Eingängen die Spannung gleich ist. Der Ausgang der Schaltung ist wie du siehst, direkt mit einem (dem Invertiereden) eingang verbunden, somit sorgt der OPV schön dafür, dass am Ausgang immer die gleiche Spannung ist wie am Eingang. Die Diode bewirkt aber nun, dass der Kondensator, wenn er einmal aufgeladen wurde (also wenn eine Spitze vorbeigekommen ist) nicht wieder vom OPV entladen werden kann, folglich behählt der Kondensator die höchste Spannung, die am Eingang angelegt wurde ;-)
Im Prinzip könnte man die OPV´s auch ganz weglassen, nur dann hat man das Problem, dass die Signalquelle belastet wird (die müsste dann ja den Kondensator aufladen), und das ist ja bei hochohmigen Signalen nicht so toll.

Die Angezeigte Amplitude ist die höchste, die im gesamten Messzeitraum gemessen wurde, wenn eine neue messung eingeleitet werden soll, dann muss man nur den Kondensator entladen, dann beginnt die nächste Messung.
Nur allzulange sollte man sich auch nicht zeit lassen, denn je nach Kapazität und Typ fressen die Leckströme die Ladung mit der Zeit auf und die Messung stimmt nicht mehr ;-)

Mfg Thegon

[avrrobot]

Ich weiß ja nicht, ich messe ungefähr 4000 mal in der Sekunde, das kommt mir dann doch nicht so ganz optimal vor.

[Thegon]

Du willst 4000 mal in der Sekunde den Spitzenwert eines 40Hz - Signales messen?
Wozu denn dass? Der kann sich ja allerhöchstens 40 mal in der Sekunde ändern, dann misst du ja 100 mal das gleiche.

Oder willst du das ganze Signal abtasten? Aber wozu dann überhaupt den Spitzenwertgleichrichter?

Mfg Thegon

[avrrobot]

Stimmt, irgendwie hast du da Recht. Ich messe im Moment immer 4000 mal in der Sekunde,
aber das brauche ich dann ja nicht mehr unbedingt.
Na ja, jeder kann sich mal vertun.
Ich werde das ganze dann in nächster Zeit mal mit verschiedenen Aufbauten testen (hab grad nicht so viel Zeit),
darf ich annehmen, dass ich den Kondensator einfach mit einem Transistor entladen kann?
Die Kapazität des Kondensators ist (denke ich jetzt mal) eher egal, darf bloß nicht allzu hoch sein,
der Controller macht ja sehr hochohmige Messungen.

[Thegon]

Klar ;-)

Den Kondensator kann man sicher mit einem Transistor entladen, man kann ihn zwar nicht auf 0V entladen (wegen Uce), aber das ist auch garnicht nötig, es reicht eigentlich aus, wenn man den Kondensator tiefer entläd als man erwartet, dass die nächste Spitze groß sein wird.
Kapazität ist eigentlich egal, genau wie du sagst nicht ganz zu groß, sonst muss der OPV zu viel Energie reinstecken und das bedeutet entweder hohe Ströme oder dass es lange dauert. E
ventuell wäre ein kleiner Ladewiederstand direkt nach der Diode, noch vor der Rückkoppelung nicht ganz blöd, denn wenn der Kondensator ganz entladen ist und jetzt liegt auf einmal Spannung an dann fließen recht große Ströme, und das könnte einen empfindlichen OPV möglicher Weise beschädigen.

Also mal Konkret: Vorwiderstand 270 Ohm und Kondensator 100nF:
Damit wäre die Ladezeit, bis der Kondensator bis auf 99% gleich 5 Tau = 5 * R * C = 5 * 270 Ohm * 100nF = 135µs.
So lange müsste also eine Spitze sein, damit sie ganz erfasst wurde. Da dein Signal ja annnähernd Rechteck sein wird und eine Frequenz von 40Hz hat, dauert die Spitze also etwas weniger als 12,5ms, ist also fast 100 mal so lange als der Spitzenwertgleichrichter braucht, um sie zu speichern.
Das könnte also gehen. ;-)

Weil mich das Thema auch interessiert und ich für meine Laser - Datenübertragungsversuche auch einen Spitzenwertgleichrichter brauchen werde, werde ich einmal ein bisschen experimentieren und dann berichten.

Mfg Thegon

[Thegon]

Hallo,

ich habe jetzt ein bisschen experimentiert, und auch mit den konkreten Werten getestet.
Im großen und Ganzen hat es recht gut funktioniert, ich muss mich bezüglich dem Kondensator noch etwas korrigieren: jetzt ist ein 470nF Kondensator drin.
Trotzdem ist die Ladezeit ca. 150us und nicht etwa fünf mal so lange wie oben berechnet. Wie kann das sein? Der grund ist, dass der OPV in meiner Schaltung mit 12V versorgt wird, und wenn die Spitze dann kommt, dann steuert er voll auf. Ist der Kondensator jetzt aber auf 5V aufgeladen, dann macht der OPV schluss, denn so groß ist ja die Spitze. Der OPV muss den Kondensator also im Prinzip nur halb aufladen, was natürlich schneller geht.

Ein interessantes Problem hat sich noch ergeben: Ich habe einen LM324 verwendet, und dieser hat einen Input - Bias - Current von ca. 50nA. Das heißt, aus dem Eingang des OPV fließen kontinuierlich ca. 50nA heraus. (Steht so im Datenblatt, (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124-n.pdf) Note 9 bzw. Electrical Charakteristics).
Das mag Lächerlich klingen, aber im Laufe der Zeit läd das den Kondensator weiter auf und verfälscht den Messwert. Bei mir hat sich die Spannung in 10s um ca. 0,6 V erhöht.
Dem kann man entgegenwirken, indem man den Kondensator sehr häufig entläd (über den Transistor), sodass sich die Spannung nicht aufsummiert. Oder aber man schaltet einen sehr großen Widerstand über den Kondensator, der den Strom "auffrisst". Der größte den ich bei der Hand gehabt habe war 2M2, und mit dem hat es eigentlich wunderbar funktioniert, obwohl rein rechnerisch über 100M herauskommen. Naja, solltest du einen Anderen Typen verwenden, müsstest du halt nochmal im Datenblatt nachschauen, und dir überlegen, wie man dem am Besten entgegen wirkt.

Gemessen habe ich noch:
Die Ladezeit des Kondensators: ca. 150us
Die Entladezeit d. Kond. mittels Transistor : ca. 40us

Ich habe die Schaltung mit 40Hz Rechteck betrieben, das "oben leicht abgeschrägt" war, und die Ausgangsspannung der Schaltung "klebt" sozusagen immer an der Spitze der Pulse, also genauso wie es sein sollte.

Hier noch einmal die Schaltung, die ich jetzt ausprobiert habe und die ich vermutlich auch bei meiner Laser - Datenübertragung so ähnlich verwenden werde.

23049

Die +- 12V Versorgung müssen so groß nicht sein, man muss halt schauen, dass die Versorgungsspannung immer etwas größer ist als das Nutzsignal dann sein wird. (bzw. bei der negativen Spannung natürlich kleiner)

Mfg Thegon

[avrrobot]

Hallo,

Konkrete Datenwerte sind natürlich sehr praktisch für mich, danke.:)
Funktioniert deine Datenübertragung per Laser schon?
Und wenn, auf welche Reichweite? (Interresiert mich einfach gerade)
Irgendwie müsste das doch so ähnlich wie Glasfaserübertragung sein, bloß ohne Kabel.

MfG avrrobot

[Thegon]

Naja, noch nicht, muss noch ein bisschen basteln.
Eigendlich ist es eher eine Spielerei, ich möchte ganz gerne die Strecke von Balkon zu balkon über die Straße zu unseren Nachbarn gegenüber überbrücken, und so halt ein paar Buchstaben hin und her schicken oder so.
Keine Ahnung wie weit es funktionieren wird, ich habe eben vor, mittels Fototransistor den Laserstrahl (der leider schon ziemlich gestreut ist) aufzunehhmen und mittels zwei Spitzendetektoren (min/max) die Spannungen der beiden Zustände 0 und 1 extrahieren, und dann einen Komperator, dessen referenz genau zwischen den beiden Spannungen ist. Mal sehen was dabei herauskommt ;-)

Mfg Thegon