Amplificatore Radio ELF

Salve a tutti.
Sono nuovo nel forum. Mi chiamo Gabriele Cataldi e, come fondatore, faccio parte dello staff di ricerca del Radio Emissions Project, un progetto indipendente che da alcuni anni ormai studia i segnali radio geomagnetici correlati con l'attività sismica globale M6+.
Nell'ambito della mia attività di ricercatore (che è in realtà una passione e non un lavoro, infatti nella vita mi occupo d'altro), sto cercando di realizzare un amplificatore ELF appositamente concepito per lavorare nella banda ELF ed esattamente tra 0,001 e 10 Hz
Poiché il fondo geomagnetico terrestre può essere rappresentato come un'emissione composta per stragrande maggioranza da una componente magnetica, l'antenna da impiegare deve essere di tipo a bobina.

Io utilizzo già questo sistema, ma l'amplificatore che posseggo non è proprio stato concepito per amplificare i segnali ELF, ma più che altro VLF; dunque ho la necessità di costruire un ricevitore specifico, più efficiente, equipaggiato di un'elettronica semplicissima e poco costosa, che mi permetta di monitorare il fondo geomagnetico in modo più efficace.

Come ho già detto, non ho profonde conoscenze in elettronica, ma conosco lo schema base "non-invertente" di un AMP-OP. So che questo può lavorare in diversi modi, con alimentazioni duali o singole, con filtri, etc.

La cosa migliore sarebbe poter realizzare un ampli ELF che può essere alimentato con tensione singola (con un semplice alimentatore 12V) e con una serie di 3 chip in cascata fatti lavorare in modalità "non-invertente": Uno come pre-amp, uno come amplificatore secondario, e l'ultimo come amplificatore finale. Il segnale in uscita dovrà essere poi inviato alla SB di un PC.

Allego uno schema che ho finito di realizzare da poco ma che mi hanno detto possa avere dei problemi a funzionare correttamente. Cosa ne pensate?

Chiedo il vostro cortese aiuto, per creare questo circuito.
Spero di ricevere risposta.
Un caro saluto a tutti.

Gabriele Cataldi

Salve,
ho allegato lo schema di un pre-amp realizzato con un OP27.
La configurazione che vedete è ad alimentazione singola ma è stato volutamente creato uno "0V" (+6V) virtuale collegato sull'entrata non-invertente dell'OP27 in modo tale da poter amplificare anche la sezione dell'onda sinusoide negativa che proviene dall'antenna (nel nostro caso, un'antenna a bobina). Inoltre, i condensatori elettrolitici C1 e C2 servono per disaccoppiare la DC e fare il modo che il chip non amplifichi i +6V presenti sull'entrata non-invertente che si ritroveranno così all'uscita non amplificati. Questa configurazione, dovrebbe, amplificare solo i segnali che si discostano dallo 0 virtuale.
Si tratta di uno schema proposto proprio all'interno del sito. Un amico però, mi ha detto che sarebbero necessari dei diodi zener da collegare nello schema in un punto che non ho capito. I diodi servirebbero per regolare la tensione (???)... E' vero?

Inoltre vorrei porvi un altro quesito... La configurazione proposta può amplificare i segnali che hanno una frequenza compresa tra 0,001 e 10 Hz? So infatti che i condensatori per disaccoppiare la DC lavorano come delle resistenze rispetto alla frequenza che le attraversa e, calcolando la reattanza, per amplificare un segnale con frequenza di 0,001 Hz, servirebbe un elettrolitico enorme. Come risolvere la questione? Utilizzando un'induttanza (la cui reattanza aumenta con l'aumentare della frequenza?, al contrario degli elettrolitici?).

Grazie!
Gabriele.

Ancora nuovamente saluti.
Questo che vi allego è lo schema finale dell'amplificatore ELF, in realtà si tratta del primo stadio, il Pre-Amp. C1, C2 e C7 sono dei disaccoppiatori di corrente continua la cui reattanza a 0,001 Hz è però >72KOhm (2200uF)! Ricordo che tale amplificatore deve essere utilizzato per amplificare il fondo geomagnetico terrestre che è collocato tra 0,001 e 5 Hz. Secondo voi, per ridurre la resistenza dei condensatori ad una frequenza di 0,001 Hz, potrei mettere al posto di condensatori da 2200uF, tre condensatori da 10mF? Questo mi permetterebbe di avere una reattanza di 15,9 KOhm..., ancora molti, ma decisamente meno dei 72KOhm precedenti...

C5, C6, C7 e C8 servono invece per ridurre le interferenze di rete. Secondo voi può andare?
C3, invece, dovrebbe lavorare come un filtro passa basso, con taglio a 100 Hz... Se volessi raggiungere una frequenza di taglio di 15 Hz, che capacità dovrei inserire in C3?

Spero di ricevere qualche risposta...
Grazie in anticipo.
Gabriele.

Ciao Gabriele,

Il tempo serve sempre per pensare e non puo' che portare nuove idee, risposte e chiarimenti.

In questo messaggio non troverai lo schema ma alcune considerazioni per un passo in avanti.


*) Un amplificatore non si puo' progettare solamente conoscendo la banda del segnale, e' necessario sapere anche la sua ampiezza. Capisco che in un apparato sperimentale non sai tutto a priori ma un'idea la devi avere.

*) Se la frequenza e' di 0.001 potresti anche considerare di amplificare la DC ma devi vedere se non saturi gli amplificatori.
In alternativa parti da una banda inferiore piu' alta e usa valori di C piu' bassi e di tipo ceramico.

*) Lo stadio preamplificatore mettilo fisso e non con potenziometro regolabile. Lo stadio iniziale e' il piu' soggetto a rumori. Un rumore che entra nel preamplifcatore lo trovi dopo. I fili di collegamento con il potenziometro funzionano da antenna e inietteresti un rumore inutile. Il guadagno lo inserisci nello stadio secondario.

*) Per limitare il problema dei 50Hz configura gli amplificatori come bassa basso. C5 e C7 dello schema precedente ti aiutano poco.

*) In strumenti di misura se devi misurare fino a 5Hz considera di far passare anche segnali fino a 30-40 Hz (non oltre in modo da togliere i 50Hz). Se posizioni un filtro a 5Hz, inizia a filtrare una decade prima e alteri anche il segnale che vuoi misurare.

*) Proteggi le linee in ingresso con due diodi BAT85 come ho fatto nel progetto Scheda per il controllo dei motori DC e stepper . Considerazioni sui diodi di protezione li trovi in questa Brief Note .


Saluti,

Mauro

Ciao Mauro,
innanzitutto grazie per i preziosi consigli!
in effetti non avevo specificato alcuni particolari.

Stando alla Classificazione Internazionale delle Pulsazioni Geomagnetiche (Classificazione IAGA), il fondo geomagnetico misurato a 0,002 Hz non è inferiore a 300nT; mentre a 5 Hz raggiunge circa 1nT. Man mano che si sale di frequenza l'intensità si riduce progressivamente sino a risalire un pochino attorno agli 8 Hz (prima risonanza di Schumann): qui il campo magnetico misurato raggiunge circa 1,8 pT. Ricordo che l'intensità media dell'interferenza di rete domestica (50 Hz) presente in un'area sub-urbana, raggiunge circa 100nT.

Queste sono le ampiezze dei segnali che intendo amplificare.
La mia idea iniziale era proprio quella di amplificare anche la DC, ma mi fu sconsigliato proprio a causa della saturazione dei chip... Però, credo, che ponendo dei filtri passa basso (LPF) di 2° ordine, con un taglio di 35 Hz (seguendo il tuo ragionamento sulla frequenza di taglio): uno in entrata primo del pre-amp; uno tra il pre-amp e il secondo chip e l'ultimo tra il 3° chip e la linea d'uscita a cui verrà connessa la sound blaster, forse si riescono a ridurre molte interferenze, principalmente quella di rete... Ma questà è solo una mia supposizione. Tali filtri, sarebbero affiancati a quelli presenti sulle linee dell'alimentazione dei Chip, ma come giustamente tu mi hai detto: questi da soli, ovviamente, non sono risolutivi... Ecco dunque perché vorrei interporre almeno tre serie di filtri LFP di 2° ordine tra gli stadi... La tipologia di questi filtri sarebbe quella "passiva", per non starmi a complicare la vita con altri chip sulla PCB: non sono un tecnico elettronico, ma un semplice appassionato, ma se è possibile agire direttamente sul pre-amp ed eventualmente sui chip degli stati successivi senza aggiungere altri chip per creare ad-hoc dei filtri attivi, allora il discorso cambia...

A questo punto ti chiedo una cosa: se è possibile realizzare dei filtri LPF agendo direttamente sugli stadi amplificanti, e se si; come dovrei realizzare questi circuiti? Intendendo proprio lo schema?

Ok per il gain fisso del pre-amp per evitare interferenze!

Per quanto riguarda gli Bat85, ti dico che avevo acquistato gli Bat42, con If a 400mV che reggono fino a 100mA. Andrebbero bene questi?

A questo punto, riassumendo, considerando la tipologia di segnali che debbo amplificare, dammi un consiglio. Come pensi che debba far lavorare il pre-amp?, tenendo in considerazione anche la possibilità di far lavorare come filtri il Pre-amp e i possibili altri chip in cascata (forse almeno un altro stadio è indispensabile)?

Grazie ancora Mauro.

Gabriele.

PS: allego uno progetto che avevo realizzato sul tipo di ampli ELF che avevo in mente... Probabilmente contiene molti errori, e dopo questa chiacchierata è superato, ma è per farti capire cosa avevo in bene...