experimenteller Verstärker für Arduino und Co

**Moppi** · 22.03.2021, 10:52

Hallo!

Um kleine/schwache Signale zu verstärken, habe ich etwas experimentiert. Mir ging es darum, das Signal eines Piezo-Elements, auch bei nur schwachen Änderungen, brauchbar auswerten zu können.

Ich habe die Schaltung bis jetzt nur experimentell, auf einem Steckbrett, aufgebaut. Was wegen Wackelkontakten äußerst ungünstig ist. Es ein kleiner, minimalistischer Verstärker, versorgt mit 5V Gleichspannung und direkt anschließbar an einen µC-AD-Eingang.

Ich würde die Schaltung gerne noch verbessern (Verstärkung: Widerstände), habe aber nur eingeschränkte Möglichkeiten und hochwertige Messinstrumente sowieso nicht. Vielleicht gibt es auch etwas, was ich noch nicht bedacht habe. Vorschläge, die mit wenig Aufwand verbunden sind, aber eine echte Verbesserung der Schaltung darstellen, würde ich daher begrüßen. Vielleicht kann die Schaltung auch mal jemand durch einen Simulator schicken, der sich mit solchen Programmen wirklich auskennt, um nützliche Erkenntnisse beizusteuern.

Bevor ich zur Beschreibung komme, hier die Schaltung:

Bild hier

Am Anfang habe ich einfach einen Transistor genommen, um das Signal eines Piezos zu verstärken. Das bringt aber nicht allzu viel, wenn man mit dem Piezo einfach nur die Basis ansteuert. Deshalb muss da ein Widerstand her, über den man die Basis vorspannen kann. Effektiv ist dann natürlich ein Spannungsteiler. Also kurz überlegt, welche Größe wohl sinnvoll wäre und dann habe ich mich für einen Megaohm-Trimmer entschieden. Das hat dann auch gut funktioniert. Wie ich später heraus fand und in Beispielschaltungen sah, ging dieser Schuss gar nicht so weit daneben. Also bin ich bei dem Trimmer geblieben. Damit ich nicht so viele Bauteile benötige. Hier ist dann schon eine gute Verstärkung möglich. Und man kann das am Arduino schon etwas besser auswerten. Allerdings ist auch das noch nicht so das Wahre. Aus diesem Grund kam nun, in einem zweiten Schritt, eine zweite Transistorstufe hinzu. Ich wollte auf jeden Fall eine größere Signalverstärkung. Nun kommt aber das Problem, dass beide Stufen sich beeinflussen würden. So habe ich, experimentell, einfach die zweite Stufe so gebaut, wie man das für Audiosignale auch tun würde. So dass die zweite Stufe von der ersten durch einen Kondensator entkoppelt ist. Die 1µF sind eine gute Größe auch für Frequenzen unter 100 Hz (hier keinen Keramikkondensator nehmen, sondern Tantal oder anderen Elko). Die 4.7k-Widerstände sind übrigens auch rein intuitiv gewählt.

Regulär werden noch Emitter-Widerstände, gepaart mit einem Kondensator, eingesetzt, um den Arbeitspunkt eines Transistors (bezüglich Exemplarstreuung und Temperatur) zu stabilisieren. Ich habe darauf verzichtet, da ich (nur und auch) eine möglichst große Signalamplitude benötige.

Bis jetzt habe ich mit der Schaltung im Experiment gute Ergebnisse bekommen. Signalausschläge zwischen fast 0 vom ADC und dem Maximalwert 1023, wobei die Empfindlichkeit einstellbar ist. Wie gesagt, liegt am Kollektor des ersten Transistors eine Gleichspannung an, die man durch den Megaohm-Trimmer direkt beeinflusst und auch die Verstärkung, das Signal des Eingangs beeinflusst diese Gleichspannung ins Positive oder Negative. Wenn man diesen Punkt (Q1 - 1, Kollektor) am AD-Eingang eines Arduino anschließt, kann man das auch so erkennen. In der zweiten Stufe wird dann eben das Wechselspannungssignal verstärkt, so dass am Ausgang der Schaltung fast nichts ankommt, bis der Eingang ein Signal liefert.

Ich habe mich mit meinem Oszi an die Ausgänge der Transistoren begeben, um die Theorie etwas zu veranschaulichen:

Bild hier

Linkes Bild die Verstärkung eines Signals, am Kollektor von Q1 gemessen. Rechtes Bild ein ähnliches Signal am Eingang (nicht dasselbe wie im linken Bild), am Ausgang gemessen. Da es sich um zwei verschiedene Signale handelt, die durch manuelles Klopfen erzeugt wurden, kann man daran den Verstärkungsfaktor nicht bestimmen. Ich habe mir Mühe gegeben, die Verstärkung möglichst hoch einzustellen, bzw. den Eingang möglichst empfindlich. Die Verstärkung in der ersten Stufe sollte rechnerisch bei 70 bis 80 liegen, die in der zweiten Stufe habe ich bisher nicht bestimmt (das Ergebnis ist ausreichend). In dieser Einstellung liefern laute Zurufe oder Streicheleinheiten des Piezo-Elements bereits brauchbare Signalausschläge am Ausgang. Was man hier im Bild sieht, ist ein ganz leichtes Klopfen mit der Spitze eines Schraubendrehers neben dem Piezo auf einer Papunterlage.

Mit freundlichem Gruß
Moppi

**021aet04** · 29.03.2021, 10:26

Das ist eine sehr interessante Schaltung, einfach und effektiv.

Du könntest dich auch noch über Klopsensoren informieren. Klopfsensoren werden bei Verbrennermotoren eingesetzt
um den Zündzeitpunkt zu verstellen (der Zündzeitpunkt wird an der Klopfgrenze gehalten).

Klopfsensoren sind ebenfalls Piezo-Sensoren (allerdings mit einer seismischen Masse).

Es gibt eigene Auswerte ICs wie z.B. TPIC8101 von TI. Bei diesem kann Verstärkung, Integrationszeit und
einen Bandpass einstellen. Angesteuert wird das IC über SPI. Dieser hat 2 Sensoreingänge.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tp...oogle.com%252F

MfG Hannes

**Moppi** · 29.03.2021, 11:14

Zitat von 021aet04

Das ist eine sehr interessante Schaltung, einfach und effektiv.

Ich muss allerdings noch prüfen, ob Temperaturschwankungen einen großen Einfluss auf die Transistoren haben. Normalerweise ja. Hier bin ich aber nicht sicher und konnte das so nicht feststellen. Weil ich vor allem eine Übersteuerung des Verstärkers anstrebe, um aus einem möglichst kleinen Signal ein möglichst Großes zu machen. Die letzte Stufe ist dabei rel. unkritisch. Problematisch ist vor allem der erste Transistor, weil dort der Arbeitspunkt an der Basis eingestellt wird, im Zusammenhang mit einem Piezo-Signal. Der verschiebt sich dann bei Temperaturschwankungen. Kommt dann auf die Piezo-Signale an; wenn die Spannungsausschläge von dort groß genug sind, fällt eine gewisse Temperaturabhängigkeit nicht so ins Gewicht. Sonst müsste ich das noch um Emitter-Widerstand + Kondensator erweitern.

Zitat von 021aet04

Du könntest dich auch noch über Klopsensoren informieren. Klopfsensoren werden bei Verbrennermotoren...

Da habe ich auch schon dran gedacht, beim Auto. Der Hinweis mit der Masse am Sensor ist gut! Ich dachte da schon drüber nach, ob das noch eine Option wäre, ein größeres Signal aus einem Piezo zu bekommen. Das könnte, je nach Fall, positive oder negative Auswirkungen haben.

Der TPIC8101 ist auch eine Überlegung Wert. Wegen der Größe. Danke für den Hinweis! Wenn das nicht so kompliziert anzusteuern und zu beschalten ist. Werde ich mir bei Gelegenheit mal genauer ansehen.

MfG

**021aet04** · 29.03.2021, 12:57

Sehr schön wenn ich helfen konnte.

Ich habe mich auch schon mit Klopfsensoren beschäftigt, deswegen habe ich mich vor einiger Zeit einmal mit den Sensoren beschäftigt.

Habe auch schon einen Sensor und einen TPIC hier, habe aber noch nichts damit gemacht.

Also wie schwer/einfach der anzusteuern ist, weiß ich nicht.

MfG Hannes

**Moppi** · 29.03.2021, 13:33

So weit ich gelesen habe, ist das ein IC nicht nur mit zwei Eingängen, sondern hat ja auch einen einstellbaren Bandpass, um die Hauptgeräusche besser hervorzuheben, die interessieren. Und dann wird das temperaturstabil sein. Die genaue Funktion habe ich noch nicht verstanden. Da gibt es wohl einen Eingang, wo man dann Signal anlegt und als Rückmeldung bekommt, ob in dem Zeitfenster die Frequenz erkannt wurde. Wozu das gut ist, weiß ich noch nicht.

Ich habe dann die Bauteile gezählt, das sind leider nicht weniger. Wenn also eine einfache Verstärkung, wie ich sie probiert habe, zweckmäßig ist, ist die Zahl der Bauteile etwa dieselbe. Ein Bandpass ist auch kein Problem, kann man da noch hinzufügen (Frequenzverlauf ist dann nur nicht so schön scharf oben und unten abgeschnitten - hier wär's möglich, dass der TPIC8101 besser ist - könnte aber dennoch gut brauchbar sein).

MfG

PS: noch ein paar kleine Änderungen, dann ist es ein ganz normaler NF-Verstärker. Fügt man noch eine Germaniumdiode, eine Spule und einen Kondensator hinzu, könnte man ein Radio mit einfacher Endstufe draus machen. Kann man dann empfangen, was wetter- und zeitbedingt so an Funkwellen anliegt.