Typen und Kenndaten

Unterhaltungselektronik
Technik & Bildung
Fachkunde
Mikrofone
Typen und Kenndaten
Mikrofone wandeln Luftschall (exakt: Schallwechseldruck-Schwingungen) in eine
entsprechende elektrische Spannung um. Dazu gibt es verschiedene konstruktive
Möglichkeiten (Wandlerarten). Allen gemeinsam ist eine dünne, elastisch gelagerte
Membran. Die Unterschiede in den technischen Daten bestimmt besonders der Wandler.
M
ithilfe von Kohlekörnern (Granulat) lassen sich die Schwingungen
der Membran sehr simpel in elektrische Impulse umsetzen. Das erste „Kohlekörner-Mikrofon“ entstand 1980 und erfuhr fortan nur noch Detailveränderungen.
So gelang es 1923, die Klangqualität besonders bei tiefen Frequenzen stark zu verbessern. Dieses Kohlemikrofon diente bis in die
vierziger Jahre als Studiomikrofon und noch
viel länger als Mikrofonkapsel im Telefon.
Bild 1 zeigt den Grundaufbau. Es wird Hilfsenergie aus einer Gleichspannungsquelle benötigt. Das Kohlemikrofon liefert eine relativ hohe Spannung, ist also trotz seines simplen Aufbaus sehr empfindlich.
Auslenkung und nicht die Geschwindigkeit
zum Signal führt, handelt es sich technisch
betrachtet um einen Elongationsempfänger.
Dieses Mikrofon ermöglicht, da die Membran völlig frei schwingen kann, höchste
Tonqualität. Die untere Grenzfrequenz wird
durch die Kapazität und den Vorwiderstand
bestimmt. Da man die Kapazität kaum beeinflussen kann, wählt man einen hohen Widerstandswert. Das Mikrofon ist daher hoch-
ohmig und erfordert praktisch einen Impedanzwandler.
Diese Problematik führte zum HF-Kondensatormikrofon. Dabei wird die Kapazität
oder Impedanz mit HF-Technik gemessen.
Man benutzt z. B. eine HF-Messbrücke mit
phasenempfindlicher Auslesung oder setzt
die Kapsel als frequenzbestimmendes Bauteil in einem Oszillator ein. Das ermöglicht
den Verzicht auf einen Impedanzwandler
und die Signalerzeugung bis zu beliebig tiefen Frequenzen.
1962 entstand als Weiterentwicklung das
Elektret-Mikrofon, welches heute etwa 90 %
Marktanteil besitzt. Dank ihrer extrem kompakten Bauweise, des geringen Preises und
der guten Signalqualität finden sie sich in
fast jedem modernen Sprachkommunikationsmittel (Headset, Handy, Hörgerät usw.).
Die der Membran gegenüberliegende Kondensatorplatte trägt eine Elektret-Folie, in
der die Membranvorspannung sozusagen
„eingefroren“ ist. Dieses Mikrofon hat einen
Feldeffekttransistor integriert und wird über
einen mittelohmigen Widerstand an einer
Gleichspannung (ab 1,5 V) betrieben, wie es
Bild 3 zeigt. Die Mikrofonkapsel kann bis
zu einem Millimeter klein im Durchmesser
sein.
Bild 1: Grundaufbau
des Kohlemikrofons
Kondensatormikrofone
Das später entwickelte Kondensatormikrofon konnte das Kohlemikrofon teilweise verdrängen. Bild 2 zeigt das Funktionsprinzip.
Eine nur wenige Mikrometer dicke, elektrisch leitfähige Membran ist dicht vor einer
Metallplatte isoliert angebracht. Membran
und Gegenelektrode bilden einen Kondensator, der über eine Widerstand mit einer
Gleichspannung von z. B. 48 V aufgeladen
wird. Das elektrische Wechselsignal entsteht
durch die Membranbewegung, welche eine
sich ändernde Kapazität bedeutet. Da die
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rfe-Elektrohändler | 6 · 2013
Piezo- oder Kristallmikrofon
Hier ist die Membran mechanisch mit einem
piezoelektrischen Element gekoppelt (Bild
4). Dieses wird durch die Druckschwankungen minimal verformt und gibt eine entsprechende Wechselspannung ab. Üblicherweise
nutzt man die Piezokeramik Blei-ZirkonatTitanat. Solche Mikrofone waren bis etwa in
die fünfziger Jahre populär. Sie sind mechanisch robust, klirren aber stark und sind hochohmig.
Dynamische Mikrofone
Das dynamische Mikrofon arbeitet nach dem
Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
Hier führt die Geschwindigkeit der MemBild 2: Schema eines
Kondensatormikrofons
(NF-Technik)
Bild 3: Elektrischer Aufbau des
Elektret-Mikrofons
1,5…15 V
3k
Ua
FET
Wandler
(hochohmig)
Bild 4: Grundaufbau des
Piezomikrofons
branbewegung zum Signal, nicht die momentane Auslenkung, daher auch die Bezeichnung „Geschwindigkeitsempfänger“.
Hauptsächlich findet man es im Live-Bereich.
Das Tauchspulmikrofon ist eine spezielle
Ausprägung des dynamischen Mikrofons.
Der Begriff bezieht sich auf den Aufbau des
in Bild 5 dargestellten Wandlers: Die Membran ist fest mit einer Spule verbunden, die
in ein statisches Magnetfeld „eintaucht“. Man
nutzt den Luftspalt eines Topfmagneten. Die
relative Bewegung zwischen Spule und Magnetfeld erzeugt durch Induktion die Signalspannung. Die Vorteile dieses Mikrofontyps
sind:
\ mechanisch robust,
\ verträgt hohe Schalldrücke,
\ keine Spannungsversorgung erforderlich,
\ relativ preisgünstig.
Tauchspulenmikrofone haben aufgrund der
Spulenmasse eine relativ niedrige obere
Grenzfrequenz sowie ein schlechtes Impulsverhalten.
Auch das Bändchenmikrofon (Bild 6) ist eine Bauform des dynamischen Mikrofons.
Als Membran dient ein zickzackförmig gefalteter Aluminiumstreifen von etwa 3 mm
Breite und einigen Zentimetern Länge. Er
ist nur wenige Mikrometer dick. Bei Anregung durch Schall induziert die Bewegung
im Magnetfeld eine der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechende Spannung
an den Enden der Aluminiumstreifens.
Bändchenmikrofone besitzen einen fast frequenzlinearen Arbeitsbereich, und ihre äußerst leichte Membran verleiht ihnen eine
hohe obere Grenzfrequenz und ein gutes Impulsverhalten.
Bauform, Wandler
und Richtcharakteristik
Bild 5: Grundaufbau des
Tauchspulmukrofons
rfe-Elektrohändler | 6 · 2013
Die akustische Bauform eines Mikrofons ist
entscheidend für Richtcharakteristik und
Frequenzgang. Im Gegensatz zu Lautsprechern spielt die Membrangröße bezüglich
der tiefen Töne eine geringe Rolle, da ein
Mikrofon wie das Ohr lediglich als Sensor
wirkt und nicht Luft im tieffrequenten Bereich mit möglichst geringem Hub verdichten
muss.
Man unterscheidet zwei Wandlerprinzipien:
Abhängig von der akustischen Bauform des
Mikrofons folgt die Membran dem Schalldruck (Druckmikrofon, ungerichtetes Mikrofon) oder dem Schalldruckgradienten
(Druckgradientenmikrofon, gerichtetes Mikrofon). Bei einem Druckmikrofon ist die
Mikrofonkapsel rückseitig geschlossen,
beim Druckgradientenmikrofon jedoch
nicht. Hieraus ergeben sich Zwänge bezüglich der Richtcharakteristik.
Diese ermittelt man, indem das mit einem
Sinuston beschallte Mikrofon waagerecht in
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der Mitte eines schallisolierten Raums dreht
und die Spannung misst.
Es ergeben sich Kugelcharakteristik, Acht,
Nierencharakteristik (Bild 7) und Keulencharakteristik (Bild 8), wobei man noch spezielle (standardisierte) Ausformungen unterscheiden kann.
Beispiel Bändchenmikrofon: Prinzipbedingt
kann hier die Membran von beiden Seiten
vom Schall erreicht werden. Die akustische
Bauweise ist daher die eines Druckgradientenmikrofons. Daraus folgt die Richtcharakteristik einer Acht.
Kondensatorkapseln hingegen sind sowohl
als Druckmikrofon wie auch als Druckgradientenmikrofon gebräuchlich.
Bild 6: Grundaufbau
des Bändchenmikrofons
Bild 7: Typische nierenförmige Richtcharakteristik
0°
–5 dB
–10 dB
–15 dB
–20 dB
–25 dB
270°
90°
180°
Bild 8: Keulenförmige Richtcharakteristik. Nebenkeulen
sind in der Regel
unvermeidbar.
0°
–5 dB
–10 dB
–15 dB
–20 dB
–25 dB
270°
90°
Technische Daten
Das Wandlerprinzip bestimmt maßgeblich
die technische Qualität des Mikrofons, die
durch
\ Impedanz,
\ Empfindlichkeit,
\ Rauschabstand,
\ Frequenzgang,
\ Klirrfaktor,
\ Impulstreue
charakterisiert wird.
Als Impedanz bezeichnet man den Innenoder Ausgangswiderstand meist bei 1 kHz.
Ein Standardwert für dynamische Mikrofone ist 600 Ω. Bei Elektret-Mikrofonen sind
es einige Kiloohm.
Die Empfindlichkeit gibt man mit dem der
Membrangröße etwa proportionalen Feldübertragungsfaktor in Millivolt pro Pascal
(mV/Pa) an. Beispielsweise haben 1/4-ZollElektret-Kapseln 5...10 mV/Pa und 1-ZollKapseln bis zu 100 mV/Pa.
Je kleiner eine Kapsel, desto stärker ist ihr
Eigenrauschen im Verhältnis zum elektrischen Signal bei konstanter Beschallung, also der Rauschabstand.
Der Frequenzgang resultiert aus der Bauform, der Mikrofonabstimmung und dem
Wandlerprinzip. Je kleiner und je leichter die
Membran, desto weniger Eigenresonanzen
besitzt sie im hörbaren Bereich, und je weniger sie selbst in Resonanz gerät, desto unverzerrter gibt sie den Klang wieder.
Der Klirrfaktor gibt den Anteil nichtlinearer
Verzerrungen an. Bei dynamischen Mikrofonen ist er besonders gering.
Die Impulstreue wird mit einem Schall-Norminpuls getestet.
Weiter unterscheiden sich Mikrofone durch
die Art des Anschlusses. Dieser kann sowohl
symmetrisch als auch unsymmetrisch mit
verschiedenen Steckverbindertypen erfolgen.
Frank Sichla
180°
74
rfe-Elektrohändler | 6 · 2013
Bauelemente und Baugruppen
MOS-FETs als Schalterelement
In der Praxis benutzt man zunehmend elektronische Bauelemente mit Schaltereigenschaften
anstelle der früher üblichen mechanischen Schalter. Diese haben den Vorteil, dass sie
trägheitslos und prellfrei arbeiten, keinem Verschleiß unterliegen und damit eine hohe
Stabilität und lange Lebensdauer haben.
D
ie elektrischen Eigenschaften der
Bauelemente entsprechen, durch geeignete Maßnahmen unterstützt, denen herkömmlicher Schalter, das heißt, sie
besitzen zwei Zustände, von denen der eine
leitend ist und den Strom hindurchlässt, der
andere hochohmig ist und den Stromfluss
sperrt.
Derartige Eigenschaften erzielt man auch
bei analogen Bauelementen wie Transistoren
und MOS-Systemen (MOS, metal oxide semiconductor), obwohl diese von Natur aus
eine lineare Kennlinie aufweisen. Doch auch
diese besitzen im leitenden Zustand einen
niederen Widerstand, der einem geschlossenen Schalter entspricht. Im gesperrten Zustand ist ihr Widerstand sehr hochohmig und
entspricht einem geöffneten Schalter. Wichtig ist, dass sie den Wechsel zwischen den
beiden Zuständen sehr rasch vollziehen. Das
gilt vor allem dort, wo elektrische Größen
als Signale benutzt und trägheitslos geschaltet werden müssen, z. B. in der Kommunikationstechnik. Derartige Eigenschaften
werden vor allem von MOS-Elementen erfüllt.
Vom MOS-Element zum
idealen Schalter
MOS-Schalter besitzen gegenüber bipolaren
Transistoren, zu denen die herkömmlichen
Sperrschichttransistoren gehören, nur eine
gleichleitende, ladungsträgerführende
Schicht und werden deshalb auch „unipolare Transistoren“ genannt.
Durch technologische Fortschritte konnte
man die MOS-Strukturen soweit verkleinern, dass sehr kurze Ladungsträgerlaufzeiten zustandekommen und dass diese mindestens ebenso schnell sind wie bipolare
Transistoren.
Das Prinzip des Feldeffekt-Transistors wurde bereits 1928, also lange vor Beginn des
Halbleiterzeitalters von Lilienfeld entdeckt
und zum Patent angemeldet. Wegen der damals fehlenden Halbleiterwerkstoffe hatte es
aber zunächst keine praktische Bedeutung.
Auch als diese Werkstoffe verfügbar waren,
hatte man den Feldeffekt relativ spät genutzt.
Dabei bietet er eine Reihe von Vorteilen wie
rfe-Elektrohändler | 6 · 2013
der Möglichkeit, mit geringen Betriebsspannungen zu arbeiten und ihn auf Grund des
sehr hohen Eingangswiderstandes leistungslos zu steuern. Entsprechend gering ist auch
die im Kristall in Wärme umgesetzte Verlustleistung.
der Halbleiterkristall selbst (Substrat). Der
andere kann eine komplementäre (andersleitende) Halbleiterschicht sein, also eine nleitende Schicht in einem p-leitenden Kristall oder umgekehrt. Zwischen beiden entsteht ein pn-Übergang, der mit einer
entsprechend gepolten Spannung gesperrt
werden und die Komplementärschicht vom
übrigen Kristall isolieren kann.
Derartige Bauelemente nennt man Sperrschicht-FETs oder JFET von Junction-FET.
Der Teil des FET, mit dem diese Stromsteuerung möglich wird, ist das Tor oder Gate.
Wird der zwischen Gate und Substrat bestehende pn-Übergang in Sperrrichtung betrieben, erzielt man Eingangswiderstände zwischen 10 MΩ und 100 MΩ.
Wesentlich hochohmiger sind diese Werte
bei oxidisolierten Feldeffekt-Transistoren,
bei denen das Tor eine Metallschicht ist, die
durch eine dünne Quarzschicht (SiO2) vom
Kanal isoliert wird. Der Eingangswiderstand
Aufbau und Wirkung der
MOS-Systeme
Der Ladungsträgerstrom wird in MOS-Elementen innerhalb des Halbleiterkristalles
zwischen der Quelle (Source) und dem Abfluss (Drain) durch ein von außen einwirkendes elektrisches Feld gesteuert. Dieses Feld
drängt die Ladungsträgerbahnen im Kristall
zusammen und verringert damit den hindurchfließenden Strom. Elektrische Felder
entstehen zwischen zwei durch einen Nichtleiter getrennte Leiter, zwischen denen eine
Spannung wirkt. Bei Feldeffekt-Transistoren
(FET) ist einer der feldbestimmenden Leiter
Typ
n-Kanal-Verarmungstyp
(selbstleitend)
Kennlinienfeld
Schichtenaufbau
SiO2 (Quarz)
Gate
Source
Drain
ID
UP
p-Kanal-Verarmungstyp
(selbstleitend)
Gate
Drain
n-Si
Substrat
Source
n-Kanal-Anreicherungstyp
(selbstsperrend)
n-Kanal-Anreicherungstyp
(selbstsperrend)
Drain
Gate
Drain
n-Si
p-Si Substrat p-Si
30 V
ID
Gate
UDS
±2 V
4V
Source
Ra
+
US
–
Ra
–
US
+
Ra
+
US
–
UDS
–4 V
–3 V
–2 V
–1 V
–0,5 V
30 V
±2 V
–UDS
4V
3V
2V
1V
0,5 V
30 V
–ID
Drain
–2 V
–1 V
0V
1V
2V
p-Si
p-Si
n-Si Substrat n-Si
Source
30 V
–ID
UP
Gate
Substrat
2V
1V
0V
–1 V
–2 V
p-Si
n-Si
Substrat
Source
Schaltung
–UDS
Ra
–
US
–4 V
+
Bild 1: Übersicht über den grundsätzlichen Aufbau, die Kennlinienfelder, Schaltzeichen und
Spannungsversorgung möglicher MOS-Systeme
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US
US
p-Kanal
Ra
UE
UA
UE
a)
UA
n-Kanal
b)
Bild 2: Grundschaltung.
a) NMOS-Schalter; b) CMOS-Inverter.
analoger
Eingang
p-Kanal
analoger
Ausgang
n-Kanal
Steuerung
(Freigabe)
Inverter
Bild 3: Prinzipschaltung eines Analogschalters
mit komplementären MOSFETs
US
Eingang
Ausgang
CS
0
Ausgangssperre CS
Bild 4: CMOS-Schalter mit zusätzlichem
Freigabeeingang
wird hier nur von der Quarzschicht bestimmt
und die liegt bei etwa 1015 Ω. Derartige Bauelemente werden MOSFET oder IGFET
(Isoliertes Gate) genannt.
MOSFETs bzw. IGFETs werden in verschiedenen Technologien und Bauformen hergestellt und als VMOS-, SIPMOS-, NMOS
oder CMOS angeboten. Je nach Dotierung
stehen im Kanal vorwiegend Elektronen (nKanal-Typen) oder Löcher bzw. Defektelektronen (p-Kanal-Typen) als freie Ladungsträger zur Verfügung.
Eine weitere Unterscheidung trifft man danach, ob der Kanal zwischen Source und
Drain durch die Dotierung dauernd vorhanden ist oder ob er erst durch eine angelegte
Gate-Source-Spannung zustande kommt. Ist
er dauernd vorhanden, so kann er durch das
elektrische Feld des Gates eingeschnürt und
der hindurchfließende Strom verringert werden. Man spricht hier von selbstleitenden
Typen oder Verarmungstypen. Überschreitet
76
bei ihnen die Gate-Source-Spannung den
Wert der Abschnür- oder Pinch-off-Spannung UP, so wird der Drainstrom praktisch
null. Im Kennlinienfeld ist Up die Spannung,
bei der die Kennlinien ohne angelegte GateSource-Spannung den Bereich konstanten
Stromes verlassen (Bild 1).
Wird beim Verarmungstyp die Gate-SourceSpannung umgepolt, so erhöht diese den
Drainstrom. Dieses Verhalten ist für lineare
Verstärker günstig, für Schalteranwendungen dagegen ungeeignet. Deshalb verwendet
man für diese Zwecke die sog. Anreicherungstypen nach Bild 1. Bei ihnen ist der
Kanal nicht dotiert und damit auch nicht vorhanden. Dementsprechend fließt hier ohne
Gate-Source-Spannung auch kein Strom
zwischen Source und Drain. Das Bauelement
ist selbstsperrend. Legt man dagegen eine
entsprechend gepolte Spannung zwischen
Gate und das als Source dienende Substrat,
so werden die darin verfügbaren Minoritätsträger – das sind freie Ladungsträger, die in
der Minderzahl sind – in die Nähe des Gates
gezogen. Dort bilden sie den eigentlichen
Kanal, über den Ladungsträger transportiert
werden und über den dann Strom fließt. Bei
n-leitendem Substrat entsteht durch eine negative Gate-Source-Spannung ein p-leitender Kanal. Im p-leitenden Substrat erhält
man dagegen durch eine positive Gate-Source-Spannung einen n-leitenden Kanal. In
beiden Fällen wird das Bauelement niederohmig und bleibt das solange, solange die
Spannung am Gate wirkt.
Im Prinzip ist es gleichgültig, ob es sich dabei um n-Kanal- oder p-Kanal-FET handelt.
Trotzdem bevorzugt man dort, wo es auf extrem kurze Umschaltzeiten ankommt, den
n-Kanal-Typ (NMOS-Technologie). Bei ihm
wird der Kanal durch freie Elektronen gebildet, die im Kristall wesentlich beweglicher sind als Löcher. Sie eignen sich besonders gut als Schalter in digitalen Schaltkreisen mit der sog. positiven Logik, bei der
die 1-Signale durch positive Spannungen gebildet werden.
CMOS-Bauelemente
als Analogschalter
CMOS-Zellen haben auch in der Analogtechnik große Bedeutung. Ihr komplementärer Aufbau vermeidet zwangsläufig gekrümmte Übergangskennlinien und befreit,
wie man das von einem idealen Schalter erwartet, vom Zwang einer bestimmten Spannungspolarität. Deswegen dienen CMOSZellen oft als Analogschalter. Um beide Polaritäten der Analoggröße (z. B. einer
Sinusspannung) verzerrungsfrei durchzulassen, werden ein n-Kanal- und ein p-Kanaltyp
parallel geschaltet (Bild 3). Ein zusätzlicher
Inverter legt an das Gate des p-Kanalteils
negative Spannung, wenn am Gate des n-
Kanalteils die positive Freigabespannung
wirkt. Damit werden beide MOS-Teile
gleichzeitig leitend. Andererseits werden sie
gleichzeitig gesperrt, wenn die Steuerspannung null wird. Anwendung finden diese
Schalter beispielsweise in der Audiotechnik,
um Signalquellen zu- oder abzuschalten. Darüber hinaus haben sie in Multiplexeinrichtungen, in denen analoge Signale abgetastet,
quantisiert und damit in Digitalgrößen umgewandelt werden, eine große Bedeutung.
Der komplementäre Aufbau der CMOS-Zellen vermeidet gekrümmte Übergangskennlinien und befreit, wie man das von einem
idealen Schalter erwartet, vom Zwang einer
bestimmten Spannungspolarität.
In der Praxis ist man bestrebt, den Leistungsbedarf der Bauelemente zugunsten der Funktionsdichte und der Schaltgeschwindigkeit
gering zu halten. Deshalb ersetzt man den
Drainwiderstand, in dem ja bei eingeschaltetem Strom elektrische Leistung in Wärme
umgesetzt wird, durch ein zweites komplementär wirkendes MOS-System. Es handelt
sich um einen p-Kanal-Typ, der stets dann
gesperrt ist, wenn der n-Kanal-Typ leitend
wird. Diese Kombination aus n- und p-Kanaltypen nennt man CMOS-Technik, wobei
das C auf Complementary, also Komplementär hinweist. Bei offener (hochohmiger) Eingangsleitung sind beide MOS-Systeme gesperrt und damit hochohmig. Damit ist auch
der Ausgang hochohmig und potentialfrei.
Legt man den Eingang auf Nullpotential
(z. B. auf ein binäres 0-Signal) so wird der
n-Kanal-Typ hochohmig bleiben, der p-Kanal-Typ schaltet dagegen durch und wird niederohmig. Die positive Betriebsspannung
wird als Ausgangsspannung UA (z. B. als binäres 1-Signal) wirksam. Fügt man dem Eingang ein positives Signal (1-Signal) zu, so
wird der p-Kanal gesperrt und der n-KanalFET schaltet durch. Er zieht den Ausgang
auf Nullpotential (0-Signal) herab. CMOSZellen besitzen somit die negierende Wirkung einer NICHT-Schaltung bzw. eines Inverters, der elektrische Signale invertiert,
das heißt in ihrer Richtung bzw. Polarität
umkehrt und beispielsweise aus einem
0-Signal ein 1-Signal oder umgekehrt macht.
Da bei offenem Eingang beide Systeme gesperrt und in diesem hochohmigen Zustand
praktisch wirkungslos sind, werden sie in
Computersystemen zur Bussteuerung verwendet. Wegen dieses dritten hochohmigen
Zustandes bezeichnet man das Verhalten der
Bauelemente auch als Tristate-Verhalten. Ein
weiteres zugeordnetes MOS-System gibt entsprechend dem Bild 4 ihren Ausgang nur
unter bestimmten Voraussetzungen frei und
sorgt dafür, dass nur die freigegebenen
CMOS-Zellen wirksam werden. Damit lässt
sich beispielsweise die Richtung des Datenaustauschs auf Bussen steuern.
rke
rfe-Elektrohändler | 6 · 2013
Spannungsfolger mit slew-rate
Licht
ns
0…1 kV UV
USt.
R
Probe
UL
V
1G
dUV
UL = 1 GΩ · –––– · CProbe
dt
c Bild 1: Versuchsaufbau
UE
U
USt.
a)
t
e Bild 2: Verschiedene Verzögerungsverläufe
UE
U
USt.
b)
t
d Bild 3: Spannungsfolger
mit slew-rate
R2
–
N1
R1
10 k
–
UE
1M
+
C
1n
N2
ΔU
In einem Messaufbau aus dem
Bereich Solarzellenentwicklung
(Bild 1) lag folgende Situation
vor: Die zu untersuchende Probe
mit kapazitiver Charakteristik ist
mit 0…1 kV vorgespannt. Jeder
eingestrahlte kurze Lichtblitz
lässt an R einen kleinen Spannungsimpuls abfallen, der von V
weiterverstärkt wird. Aus Amplitude, Form und Abklingzeit, in
Abhängigkeit von UV, lassen sich
Rückschlüsse auf die Probe ableiten. Im Interesse hoher Bandbreite besitzt der Verstärker V
keinen Überspannungsschutz.
Daher besteht die Gefahr, dass
bei allzu rascher Neueinstellung
von UV der Ladestrom durch die
Probe und somit der Abfall an R
zu groß wird und den Eingang
von V zerstört. Weil die Steuerspannung USt. manuell oder von
einem Computer variiert wird,
muss mit Fehlern infolge mangelnder Vorsicht oder Softwareproblemen gerechnet werden.
Wirksamen Schutz bietet nur eine fest installierte Verzögerung.
Ein simples R-C-Glied ergäbe
einen Verlauf von USt. gemäß
Bild 2 a, mit abnehmender Steilheit. Optimal wäre aber ein rampenförmiger Anstieg (b): Die
Steilheit wird auf ein noch zulässiges Maß eingestellt; während der gesamten Umladezeit ist
der Verstärker nie gefährdet,
1M
+
UA
2 x AD 820
trotzdem wird der Endwert
schnellstmöglich erreicht.
Diese Aufgabe wurde durch die
Anordnung entsprechend Bild 3
gelöst. Der Einsatz des rail-torail-Typs AD 820 für N1 und N2
ermöglicht eine sehr einfache
Schaltung. UA folgt verzögert jeder Änderung von UE, wobei die
Rampe eine Steilheit von dUA/dt
= UB/(R1 · C) aufweist, im hier
gezeigten Beispiel mit symmetrischer Betriebsspannung UB
= ±10 V sind es 10 V/ms.
Um die Stabilität dieser gegengekoppelten Schaltung auch bei
hohen Frequenzen zu gewährleisten, muss R2 eingefügt werden. Seine Bemessung hängt von
R1, C sowie dem VerstärkungsBandbreite-Produkt von N1 ab
und sollte empirisch erfolgen. Es
treten zwei kleine Abweichungen
von der idealen Spannungsrampe
auf – ein Sprung ΔU zu Beginn
und ein leichtes Überschwingen
am Ende. In der Dimensionierung nach Bild 3 wurde mit R2 =
10 kΩ erreicht: ΔU = 120 mV,
Überschwingungen 80 mV, völlig
eingeschwungen 60 μs später.
Mit R2 = 4,7 kΩ lauten die Werte:
ΔU = 60 mV, Überschwingen
100 mV, Abklingzeit 150 μs. Alle
Angaben gelten für UB = ±10 V
und sind unabhängig von UE und
der Sprunghöhe ΔUE.
Michael Franke
Strommonitor für positive und negative Werte
I
20 m
20 m
100
100
+IN
5V
-15 V
100
–IN
5V
UOUT
LT 6105
100
–IN
U+
U–
Der LT 6105 ist ein Stromfühlverstärker, der auch mit sehr
kleinen Spannungsabfällen sowie positiven und negativen
Strömen zurechtkommt. Der
Eingangs-Gleichtaktbereich ist
sehr groß. Außerdem ist der IC
anspruchslos bei der Versorgung.
Bereits mit 3 V Betriebsspannung sind viele Anwendungen
möglich. Für die Überwachung
I
UA
4,99 k
-15 V
+IN
U+
UOUT
U–
LT 6105
UA
4,99 k
Verarbeitung positiver und
negativer Ströme ohne
Schaltungsänderung
rfe-Elektrohändler | 6 · 2013
von mittleren bis hohen Versorgungsströmen ist die gezeigte
Beschaltung meist optimal. Die
beiden Darstellungen zeigen:
Vertauscht man die Eingänge,
ändert sich nur die Richtung der
Ausgangsspannung, nicht aber
deren Betrag. Bei 1 A entsteht
hier ein Spannungsabfall von
20 mV, den der LT 6105 mit hoher Genauigkeit auf 1 V verstärkt. Alle Widerstände bestimmen die Genauigkeit mit und
sollten 1 % Toleranz besitzen.
Si.
Linear Technology Design Note
451, 2008
77
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