BP:AC Vorverstärker mit Bandpassfilter

Das Spannungssignal, dass bei der Durchführung des Barkhausen-Effekts erzeugt wird, liegt bei ca. 1 mV. Um dieses über Lautsprecher hörbar machen zu können wird ein Vorverstärker mit einer Verstärkung von ca. 1000 benötigt. Für dieses Projekt wurde dabei die Schaltung aus dem Paper "Demonstrating the Barkhausen effect with high signal-to-noise ratio" von Jan-Peter Meyn verwendet.

Für diese Schaltung wurden die beiden Kondensatoren C1 und C5 mit einer Kapazität von 6,8 μF durch jeweils eine Parallelschaltung zweier Kondensatoren mit 10 μF und 22 μF ersetzt, da wir nur diese auf Lager hatten. Parallelgeschaltet ergibt sich so auch eine Kapazität von:

$C12=C67={\frac {1}{1/10\,\mu {\text{F}}+1/22\,\mathrm {\mu } {\text{F}}}}=6,875\,\mu {\text{F}}.$

Der Widerstand R7 mit einem elektrischen Widerstand von 330 Ω wurde durch einen mit 220 Ω ersetzt um die Verstärkung noch weiter zu erhöhen.
Die Verstärkung für jeden einzelnen Operationsverstärker (OP27) lässt sich dabei aus dem Verhältnis der beiden parallel geschalteten Widerstände R2 und R3 bzw. R6 und R7 berechnen. Die Verstärkung für diese Schaltung berechnet sich dann zu:

$V={\frac {10\,\mathrm {k} \Omega }{330\,\Omega }}\cdot {\frac {10\,\mathrm {k} \Omega }{220\,\Omega }}=30,3\cdot 45,45=1377,3$

Der eingebaute Bandpassfilter setzt sich aus zwei Hochpässen und zwei Tiefpässen zusammen. Dabei ergibt sich die Grenzfrequenz des ersten Hochpasses zu $f_{G}={\frac {1}{2\cdot \pi \cdot R3\cdot C12}}=$70,15 Hz, des zweiten Hochpasses zu $f_{G}={\frac {1}{2\cdot \pi \cdot R7\cdot C67}}=$105,23 Hz und die des Tiefpasses zu $f_{G}={\frac {1}{2\cdot \pi \cdot R2\cdot C3}}={\frac {1}{2\cdot \pi \cdot R6\cdot C8}}=$16 kHz.

Fertige Box mit dem Vorverstärker.

Benötigtes Material

• Punkt-Streifenrasterplatine mit den Maßen 10 cm $\times$ 5 cm
• Lötkolben, Lötzinn, Silberdraht, Kupferlitze (0,14 mm), Zange
• Symmnetrische Spannungsversorgung (DC, ± 15 V, max. 500 mA)
• 3D-Drucker
• 3D-Druck-Modell für die Box und den Deckel
• 7 Bananenbuchsen, 4 mm (3 rote, 3 blaue, 1 schwarze)
• Lötbare Schraubklemmen (zwei 2-polige und eine 3-polige)
• 2 Operationsverstärker (hier: OP27)
• R1 = 47 kΩ, R2 = R6 = 10 kΩ, R3 = 330 Ω, R4 = 100 Ω, R5 = 4,7 kΩ, R7 = 220 Ω
• C1 = C6 = 10 μF, C2 = C7 = 22 μF, C3 = C8 = 1 nF}, C4 = 100 nF, C5 = 1 μF

Versuchsaufbau

Schritt 1

Zunächst muss die Schaltung auf der Punkt-Streifenrasterplatine geplant werden. Dazu kann es sich lohnen vorher festzulegen an welchen Positionen sich die Anschlusskleppen und die Operationsverstärker befinden sollen.

Schritt 2

Nun kann die Schaltung gelötet werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Bauteile auf der unbeschichteten Seite platziert werden.

Schritt 3

Bevor es nun weiter geht sollte die Schaltung getestet werden. Dazu kann ein Spannungssignal eines Frequenzgenerators mit einer Amplitude von 10 mV und einer Frequenz zwischen 70 Hz und 16 kHz an den Eingang der Schaltung angelegt werden. Mit einem Multimeter kann so die Spannung an verschiedenen Stellen der Schaltung gemessen und so die Funktionsfähigkeit der Schaltung überprüft werden.

Schritt 4

Nun kann nach den Vorlagen Box und Deckel die Box für die Schaltung gedruckt werden.

Schritt 5

An jede der Buchsen wird nun ein 5 cm langes Stück der Kupferlitze gelötet. Die Buchsen können dann in die dafür vorgesehenen Löcher eingesetzt und mit den beiden Muttern festgeschraubt werden. Die anderen Enden der Kupferlitzen werden dann in die dafür vorgesehenen Anschlussklemmen eingesetzt und festgeschraubt.

Schritt 6

Deckel drauf und mit einem Beschriftungsgerät entsprechend beschriften.

Verwendete Schaltung

Fotos

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       Fertige Box des AC Verstärkers mit den Steckern über den Eingang links, die Stecker für den Ausgang rechts und die Stecker für die symmentrische Spannungsversorgung in der Mitte.
  

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       Fertige Box des AC Verstärkers mit den Steckern über den Eingang links, die Stecker für den Ausgang rechts und die Stecker für die symmentrische Spannungsversorgung in der Mitte.
  

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       Fertige Box des AC Verstärkers mit den Steckern über den Eingang links, die Stecker für den Ausgang rechts und die Stecker für die symmentrische Spannungsversorgung in der Mitte.
  

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       Schaltung des AC Verstärkers mit einem Bandpass. Diese besteht aus zwei Operationsverstärkern und mehreren Hoch- und Tiefpässen.
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0