|
Een signaalvolger is een handig meetapparaatje dat voor iedere elektronica hobbyist onmisbaar is. Het bestaat uit een oscillator en een versterkertje. Beide schakelingen gecombineerd leveren deze eenvoudige signaltracer op. |
Waarom is een signaalvolger zo handig?
Een combinatie van een audio-oscillator en een versterker
Als u te maken krijgt met een defect audio-apparaat en u hebt geen dure meetapparatuur zoals een functiegenerator en een oscilloscoop, dan kunt u soms zo'n apparaat tóch herstellen door gebruik te maken van een goedkope signaalvolger of signaltracer. Zo'n apparaat bevat twee uiterst eenvoudige schakelingen, zie onderstaand blokschema. Op de eerste plaats een simpele oscillator, die een signaal met een hoorbare frequentie genereert. Op de tweede plaats een al even simpele geluidsversterker die een klein luidsprekertje stuurt. De oscillator wekt het testsignaal op dat u in de ingang van het defecte apparaat stuurt. De versterker pikt dit op de verschillende punten in het defecte apparaat op en maakt het hoorbaar in een luidspreker. Als er op een bepaald punt iets vreemds met het signaal gebeurt, dan hoort u dat en hebt u de trap gevonden waarin het defect aanwezig is. U kunt zich vervolgens beperken tot het gedetailleerd onderzoeken van deze ene trap.
Met de twee potentiometers kunt u de uitgangsspanning van de oscillator en de gevoeligheid van de versterker regelen.
 |
| Het blokschema van een signaalvolger of signaltracer. (© 2017 Jos Verstraten) |
De beschreven schakeling
De in dit artikel gepresenteerde schakeling bevat een audio-oscillator die een vierkantgolfspanning met een frequentie van 1 kHz opwekt. Een vierkantgolf is een ideaal signaal voor dit soort toepassingen. Zo'n signaal bevat namelijk een heleboel harmonischen, sinusjes met veelvouden van de basisfrequentie. Op deze manier kunt u het apparaatje ook gebruiken in de middenfrequent schakelingen van analoge radio's. De uitgangsspanning van de oscillator is in twee bereiken instelbaar tussen 0 V en 150 mV en tussen 0 V en 1,5 V. De versterker heeft een in twee bereiken regelbare versterking en stuurt een 8 Ω luidspreker met een vermogen van 1 W. Letterlijk alle onderdelen kunnen op de print worden ondergebracht, zodat de nabouw bijzonder eenvoudig is. U kunt de print, samen met de luidspreker en twee platte batterijen van 4,5 V, onderbrengen in een P4 kastje van Teko, te koop voor nog geen tientje.
Het schema van de audio-oscillator
Slechts één op-amp doet het werk
Het volledig schema van de signaalgever is getekend in onderstaande figuur. De schakeling is opgebouwd rond een operationele versterker van het type 741. Dit IC werkt als astabiele vierkantgolf multivibrator. Dat is een gevolg van de dubbele terugkoppeling van de uitgang naar de twee ingangen. De inverterende ingang is aangesloten op het knooppunt van een integrerende terugkoppeling R3/C1. De niet-inverterende ingang is verbonden met het knooppunt van een resistieve terugkoppeling R2/R1.
 |
| Het schema van de audio-oscillator (© 2017 Jos Verstraten) |
Bespreking van de werking
Wat deze twee terugkoppelingen voor invloed hebben blijkt uit de grafieken van onderstaande figuur. Stel dat de batterijen van +4,5 V en -4,5 V worden aangesloten. De condensator C1 is ontladen, de inverterende ingang staat dus op 0 V. Stel verder dat de uitgang op een positieve spanning U++ staat. Deze spanning wordt teruggekoppeld naar de niet-inverterende ingang, zodat dit punt op een positieve spanning U1 staat, die kleiner is dan U++. Het blijkt nu dat de stelling klopt! Omdat de niet-inverterende ingang positiever is dan de inverterende, zal de uitgang van de op-amp vastlopen tegen de positieve voedingsspanning, dus inderdaad op U++ staan!
De condensator C1 gaat zich via weerstand R3 opladen uit de spanning U++. De spanning op de inverterende ingang gaat dus langzaam stijgen. Op tijdstip t1 wordt deze spanning iets groter dan U1. De inverterende ingang wordt nu positiever dan de niet-inverterende ingang. Het gevolg is dat de op-amp omklapt. De uitgang loopt vast tegen de negatieve voedingsspanning en wordt opeens gelijk aan U--. Ook deze spanning wordt via R2/R1 teruggekoppeld naar de niet-inverterende ingang, zodat deze op een spanning U2 komt te staan. U2 is in absolute waarde even groot als U1.
De condensator C1 gaat nu ontladen naar de negatieve uitgangsspanning U--. Op tijdstip t3 wordt deze ingang iets negatiever dan de niet-inverterende ingang. De schakeling klapt weer om, het proces herhaalt zich.
Op de uitgang ontstaat dus een vierkantgolf, waarvan de frequentie wordt bepaald door de laad- en ontlaadtijd van de condensator en door de waarde van de spanningen U1 en U2. De tijdconstante van de integrator R3/C1 en de weerstandsdeler R1/R2 zijn zo berekend dat de frequentie gelijk is aan 1 kHz.
 |
| De werking van de toongenerator. (© 2017 Jos Verstraten) |
De uitgangstrap van de audio-oscillator
De uitgangsspanning van de op-amp wordt aangeboden aan een spanningsdeler, samengesteld uit de weerstand R4 en de potentiometer R6. Deze onderdelen zijn zo berekend dat er over de potentiometer een spanning van 1,5 V valt, zodat de uitgangsspanning op de loper tussen 0 V en deze waarde is in te stellen. Sluit u de schakelaar S2, dan wordt een kleine weerstand R5 parallel gezet over de potentiometer. Hierdoor wordt het spanningsbereik verlaagd tot maximaal 150 mV. De loper van de potentiometer is via de condensator C2 verbonden met de uitgang van de schakeling.
Het schema van de versterker
Een buffer en een complementair eindtrapje
Het schema van de versterker is getekend in onderstaande figuur. Deze schakeling bestaat uit twee delen, een buffer rond IC2 en een complementair eindtrapje rond IC3, T1 en T2. Operationele versterker IC2 heeft een rechtstreekse terugkoppeling van de uitgang naar de inverterende ingang. Het gevolg is dat schakeling een zeer hoge ingangsimpedantie krijgt. Het te meten signaal wordt via condensator C3 aan de potentiometer R7 van 1 MΩ aangeboden. Vanwege de zeer hoge impedantie van de op-amp zal de ingangsimpedantie van de schakeling nu alleen bepaald worden door de waarde van de potentiometer, dus gelijk zijn aan 1 MΩ. Dat is meer dan voldoende om op de meest gevoelige punten van een schakeling te kunnen meten, zonder de werking van deze schakeling te verstoren.
 |
| Het schema van de versterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
De buffer wordt via C4 en R8 doorgekoppeld naar de ingang van de complementaire eindtrap. Dat is een standaard versterkerschakeling, waarbij de op-amp de basissignalen levert voor de twee eindtransistoren. Deze worden door middel van de weerstanden R11 en R12 en de dioden D1 en D2 ingesteld. De terugkoppeling van de uitgang naar de inverterende ingang via de weerstand R10 stabiliseert de schakeling. Als namelijk de uitgangsspanning in rust positief zou willen worden, dan wordt deze positieve spanning teruggekoppeld naar de inverterende ingang. Omdat de niet-inverterende ingang via weerstand R8 met de massa (0 V) verbonden is, zal de op-amp de uitgangstrap meer negatief gaan sturen. De ongewenste spanningsstijging op de uitgang wordt automatisch gecompenseerd. In principe komt het er dus op neer dat de schakeling het spanningsverschil tussen beide ingangen op nul zal houden, zodat ook de uitgang op nul staat.
Als u de schakelaar S3 sluit wordt de weerstand R9 opgenomen tussen de inverterende ingang en de massa. Hierdoor wordt maar een deel van de uitgangsspanning teruggekoppeld, zodat de versterking van de schakeling evenredig stijgt. Als bijvoorbeeld nu aan de niet-inverterende ingang een signaalspanning van 100 mV verschijnt, dan zal de spanning op de uitgang ongeveer gelijk moeten worden aan 2,5 V om de spanning op de inverterende ingang gelijk te maken aan de spanning op de niet-inverterende ingang. De versterker versterkt nu dus ongeveer 25 keer.
Vanwege de symmetrische voeding ligt de rustspanning op de uitgang van de versterker op 0 V. U kunt dus de luidspreker LS1 zonder koppelcondensator rechtstreeks met de uitgang van de versterker verbinden.
Voeding van de versterker
De eindtrap rond IC3, T1 en T2 wordt rechtstreeks gevoed uit de twee batterijen. De voeding voor de twee op-amp's wordt echter niet rechtstreeks van de batterijen betrokken, maar via RC-filtertjes R15/C5 en R16/C6. Deze zorgen ervoor dat eventuele schommelingen op de batterijspanningen worden afgevlakt. Dergelijke schommelingen kunnen ontstaan als u de versterker per ongeluk overstuurt en de luidspreker flink wat stroom uit de batterijen trekt.
De bouw van de schakeling
De print en componentenopstelling
In de twee onderstaande figuren worden de print en de componentenopstelling voorgesteld.
 |
| De print voor de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2017 Jos Verstraten) |
Tips voor de bouw
U kunt alle onderdelen rechtstreeks op de print solderen. Voor de assen van de twee potentiometers moet u twee gaten van 8 mm diameter boren in de twee grote koperen eilanden. Nadien kunt u de potentiometers op de print vastschroeven en kunt u de drie soldeerlipjes verbinden met de drie soldeereilandjes op de print. Voor de drie schakelaars moet u schuifschakelaars toepassen waarvan de aansluitlipjes 7,5 mm en 5 mm uit elkaar staan. U soldeert eerst stevige draadjes aan de zes soldeerlipjes, steekt die draadjes door de zes printgaatjes en drukt de schakelaar zo diep als mogelijk op de print. Voor de vier in- en uitgangen zijn standaard 4 mm stekkerbusjes toegepast. Ook die vier gaatjes moet u uitboren tot de busjes er precies in passen. Voor ieder gat hebt u de onderdelen van twee stekkerbussen nodig. Het schroefje en het ringetje worden verwijderd en nadien duwt u een extra isolatiebus om het metalen gedeelte. Deze combinatie gaat op de print en wordt aan de koperzijde op het eilandje vastgeschroefd.
 |
| Solderen van de schuifschakelaars op de print. (© 2017 Jos Verstraten) |
Afscherming tussen oscillator en versterker
Tot slot soldeert u tussen de generator en de versterker, zowel aan de bovenzijde als aan de onderzijde van de print, twee koperen schotjes. Deze zorgen ervoor dat het signaal niet inductief of capacitief rechtstreeks via de print wordt doorgekoppeld van generator naar versterker. Let er bij het solderen van het schotje aan de bovenzijde op dat de twee draadbruggetjes niet worden kortgesloten! Als u geen koperen plaatje hebt, kunt u twee stroken ongeëtste printplaat gebruiken.
Een voorbeeldje van de afwerking
Hoe u deze eenvoudige nabouwschakeling kunt omvormen tot een mooi apparaatje toont de onderstaande foto. De print en de luidspreker zijn in een Teko kastje gemonteerd. Achter de print is voldoende ruime voor een set batterijen, zodat het apparaatje overal is te gebruiken.
 |
| Een voorbeeld van de inbouw van de schakeling in een Teko kastje. (© 2017 Jos Verstraten) |
Arduino in control
