Heute kam der LMC6482IN-OPV mit der Post. Er ist Rail-to-Rail-Out fähig. Damit kann man den unten beschriebenen Transimpedanz-verstärker so erweitern, dass man damit seinen Puls messen kann:
Abb. 1: Screenshot Serieller Plotter der Arduino-Entwicklungsumgebung
Abb. 2: Simulierte Schaltung in Multisim Blue
Erläuterung der Schaltung:
a) Transimpedanzverstärker, siehe unten.
b) Hochpass: Ein Herzschlag ist eine periodische Bewegung. Das Blut wird dabei ‚ruckartig‘ durch die Gefäße gepumpt. Ist das Blutgefäß gerade voll, schwillt es an, wird damit dicker und absorbiert mehr Licht. Die perio-dische Bewegung zeigt sich also über eine periodische Volumenänderung in den Blutgefäßen als messbare Helligkeitsänderung. Diese periodische Helligkeitsänderung wird vom Schaltungsteil a) in eine Wechselspannung umgewandelt.
Allerdings ist die Fotodiode dabei niemals komplett abgedunkelt, es bleibt also eine Resthelligkeit, die einen Gleichspannungsanteil erzeugt. Diesen Gleichspannungsanteil muss man entfernen; damit „schält“man quasi den sehr schwachen Wechelspannunganteil heraus. Man spricht von einem ‚Filtern‘ der Spannung: Der hier verwendete Hochpassfilter sperrt die unveränderlichen Gleichspannungsanteile, die ‚hochfrequenten‘ periodischen Spannungsimpulse werden aber durchgelassen.
Diese Aufgabe übernimmt der Kopplungskondensator mit 2.2μF. Kondensatoren wirken auf Wechselspannungen wie Widerstände (Blindwiderstand). Dabei gilt zweierlei:
- Je höher die Kapazität des Kondensators, desto geringer ist sein sogenannter ‚kapazitiver Blindwiderstand‘.
- Je höher die Frequenz der Wechselspannung, desto geringer ist der ‚kapazitive Blindwiderstand‘.
Die Größe des Kondensators muss daher so gewählt werden, dass die zu erwartende Frequenz noch durchgelassen wird, niedrigere Frequenzen aber nicht mehr, bzw. deutlich abgeschwächt werden.
Auf das gefilterte Wechselspannungssignal (AC-Signal genannt, „AC“ für „Alternating Current“) wird nun noch ein Offset von 2.5Volt gelegt, damit es für den 5Volt-betriebenen zweiten Operationsverstärker optimal vorbereitet ist. Diesen 2.5Volt-Offset erzeugen die beiden Reihenwiderstände, die zusammen einen Spannungsteiler bilden.
c) AC-Gain: „Gain“ bedeutet „Verstärkung“. Da es sich hier um eine Nicht-Invertierende Verstärkerschaltung eines Operationsverstärkers handelt, besitzt die Verstärkung hier den Wert (1+R1/R2), das ist hier etwa (1+100kΩ/4,7kΩ) = 22,27. Damit wird das äußerst schwache AC-Signal der Herzschlagsmessung verstärkt. Der parallel zum 100kΩ -Widerstand geschaltete 1nF-Kondensator filtert hochfrequentes Rauschen – ähnlich wie der 10pF-Kondensator in der Transimpedanzstufe.
Die Schaltung „Inverting Amplifier (AC Coupled)“ ist vom Prinzip her in diesem Aufsatz vom MIT (Massachusetts Institute of Technology) sehr schön beschrieben: