Ricevitore ELF 0,001-10 Hz

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" e magari con un punto di "0" virtuale centrato sull'entrata non invertente: Uno come pre-amp, uno come amplificatore secondario (filtro?), e l'ultimo come amplificatore finale. Il segnale in uscita dovrà essere poi inviato alla SB di un PC senza danneggiarla.

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

Gabriele Cataldi

siccome mi ha incuriosito sta cosa ti faccio qlc domanda:perchè usare un finale?Devi solo alzare l'ampiezza a livello sufficente per il pc che deve accogliere i dati (cosi ho capito io) bata un pre (secondo me) capisco la scelta degli op amp che sn molto fedeli (cosi pare) nella neutralità del segnale in uscita,nn so a cosa servano gli altri vincoli.Cmq se posti qlc schema della parte audio ''aiuti gli altri ad aiutarti'' e poi c'e' un ragazzo nel forum che lavora molto con i pre ad operazionali cuffia o altro (se nn ricordo male giusto alle tensioni che ti occorrono) se ti rivolgi a lui forse vai nella direzione giusta,nn ricordo il nick cmq sia lo trovi qui nelle autocostruzioni pagine precedenti ci sn delle discussioni in merito a questi pre e dovresti trovare il nick dell'autore.

Grazie Valvolas!
In questi ultimi anni ho cercato, senza grossi risultati, di comprendere come potevo costruire un ricevitore per la banda ELF. Purtroppo, in rete e in commercio, non ci sono amplificatori ELF degni di questo nome..., infatti anche quei pochi commercializzati o sponsorizzati tali (per la banda ELF intendo) in realtà hanno sempre delle limitazioni operative (soprattutto filtri) che ne riducono drasticamente l'efficienza a frequenze inferiori ai 300 Hz.

Allora veniamo ai dati tencnici di quello che ho in mente...:
L'amplificatore ELF che sto cercando di costruire mi servirà per monitorare le deboli variazioni elettromagnetiche del fondo geomagnetico terrestre. Tale apparecchiatura, infatti, verrà utilizzata nell'ambito di un progetto di ricerca internazionale sui precursori sismici di tipo geomagnetico (SGP - Seismo Geomagnetic Precursors) che avrà importanti risvolti sia nell'ambito di questo tipo di ricerca (di cui, purtroppo, in Italia non se ne parla affatto) che nell'ambito della sicurezza di tutti noi e dei nostri figli.

Per captare il fondo geomagnetico terrestre utilizzerò un'antenna a bobina, cioè un induttore contenente decine di migliaia di spire avvolte su un nucleo ferromagnetico che porterà l'induttanza totale dell'induttore a valori di alcune centinaia di Henry. Il prototipo di bobina che debbo creare (attualmente il progetto di ricerca scientifica che dirigo, utilizza 3 induttori di questo tipo e un amplificatore non propriamente concepito per lavorare nella banda ELF) avrà un nucleo in ferro dolce di sezione cilindrica, del diametro di 1 Cm e lunga 50 cm, per un totale di 35000 spire realizzate con filo di rame da 0,3 mm. Stando alle caratteristiche del campo geomagnetico (intensità variabile massima: 1-300nT; minima: frazioni di pT), ai capi della bobina dovrebbe uscire una tensione di 11nV, che una volta amplificati e filtrati adeguatamente debbono essere inviati alla sound blaster di un PC per essere analizzati spettrograficamente.

Mi hai chiesto perché utilizzare dei amplificatori operazionali..., beh non so se ho una risposta giusta, in effetti basta amplificare questo segnale per renderlo visibile ad un PC.
Il segnale derivato dall'antenna a bobina, poiché è prodotto da un campo magnetico ambientale variabile, può anche cambiare di polarità..., ecco dunque che utilizzando un operazionale con modalità non-invertente e con un'alimentazione duale reale o duale virtuale, si riuscirebbe ad amplificare qualsiasi segnale elettrico, negativo o positivo rispetto al riferimento 0V imposto nel circuito. La mia idea era quella di creare un punto virtuale di "0" partendo da un'alimentazione singola e non duale, attraverso un ponte di resistenze collegate all'entrata non-invertente dell'operazionale. In questo modo, utilizzando dei disaccoppiatori DC in entrata e i uscita, si potrebbe disaccoppiare la tensione continua proveniente dall'antenna a bobina in modo dale da non amplificarla.
Il problema però è il seguente, i condensatori (normalmente utilizzati come disaccoppiatori della continua) hanno una reattanza che aumenta in proporzione diretta della lunghezza d'onda dei segnali elettrici che li attraversano: si comportano come delle resistenze. Questo significa che, a 0Hz la reattanza di un condensatore è uguale miliardi di miliardi di Ohm (infiniti Ohm) e viceversa. Inoltre ho bisongo di inserire dei filtri per sopprimere la onnipresente interferenza di rete a 50 Hz con tutte le sua armoniche di risonanza: premesso che non debbo andare oltre i 10 Hz, l'amplificatore deve comunque avere dei filtri per eliminare queste interferenze parassite per ridurre il surriscaldamento e il rumore elettronico o auto-oscillazioni...

Come detto, la frequenza dei segnali elettrici che debbo amplificare varia da 0,001 Hz a 10 Hz. Un condensatore da 2200uF utilizzato per disaccoppiare la continua sull'ingresso non-invertente del Chip, ha una reattanza >72KOhm!!!, questo significa che almeno con questo tipo di condensatore, 0,001 Hz li vedo per miraloco. Un condensatore da 10mF ha invece una reattanza <20KOhm a 0,001 Hz, una resistenza molto inferiore al condensatore precedente, ma sempre elevata...
In soldoni significa che, tutto ciò determina una riduzione della sensibilità dei segnali elettromagnetici che da circa 1Hz, si avvicinano a 0 Hz...

Come risolvere questo problema? Non lo so..., ed infatti sono in un vicolo cieco!!! E poi: in che modo inserire altri stadi?..., regolazioni, etc...?
L'unico modo che ho per ringraziarvi dell'aiuto che mi offrirete è di indicare nelle prossime pubblicazioni scientifiche (di rilievo internazionale) che produrrò attraverso questo ricevitore, tutti coloro che, gentilmente, mi aiuteranno a realizzarlo.
Aiutatemi!!!!

Gabriele Cataldi

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LTPA Observer Project, Radio Emissions Project

European Geosciences Union (EGU), Natural Hazards, Earthquake precursors and prediction
American Geophysical Union (AGU)

Questo è lo schema base del pre-amp che vorrei utilizzare... Ovviamente vorrei portare la frequenza di taglio dell'LPF almeno a 15 Hz. I condensatori presenti sugli ingressi dell'operazionale e sull'uscita dovrebbero lavorare come dei disaccoppiatori di continua. Il punto "0V" vituale in realtà equivale a +6V in quanto tutto il circuito è alimentato con alimentazione singola e non duale. In pratica il Chip lavora amplificando tutti i segnali in ingresso che si discostano positivamente (+) e negativamente (-) dal valore +6V (0V virtuale), e grazie ai disaccoppiatori la tensione di +6V reale presente sull'ingresso non-invertente, non viene amplificata dal chip... A questo punto, per non non avere sulll'uscita della Sound Blaster +6V, potrei utilizzare un punto di 0V virtuale anche inferiore a +6V reali, in quando il segnale in entrata e di miliardesimi o al massimo milionesimi di Volt... Ecco dunque che anche un punto di 0V virtuale corrispondente a +0,1V reali sarebbe già sufficiente per determinare l'amplificazione della sinusoide negativa dei segnali elettrici in entrata.

Non so se può andare come schema e non so se funzioni correttamente, ma deriva da alcuni schemi che ho avuto modo di vedere su alcuni libri e in alcuni rari siti web.
Cosa ne pensate???

Gabriele Cataldi

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LTPA Observer Project, Radio Emissions Project

European Geosciences Union (EGU), Natural Hazards, Earthquake precursors and prediction
American Geophysical Union (AGU)

Secoli fa ho giocato anch'io un po' con la gamma VLF, usando uno schema a transistor preso da una rivista di elettronica anni '70. Gli opamp erano di là da venire.
Clicks, chirps, pops, whistlers, uhms...

Hai gia visto questo articolo?
http://www.vlf.it/kurt/elf.html

E questo sito: http://www.vlf.it

Se non hai fretta, mi metto in contatto con qualcuno che conosco del giro del Politecnico di Torino che magari conosce qualcuno che forse ha sentito di qualcuno che ne sa qualcosa.

Giusto per fare un po' di brainstorming, non so se possano essere ipotesi valide:
1) con un'alimentazione a batterie puoi avere un'alimentazione duale senza le spurie a 50 Hz della alimentazione di rete
2) invece dei condensatori in uscita per la continua si potrebbe pensare a dei trasformatori, tipo i trasformatori di uscita (output transformer) utilizzati sugli amplificatori valvolari o negli stadi di uscita di preampilificatori o DAC. Non so però se e quali controindicazioni ci possano essere alle bassissime frequenze.

Grazie per la risposta Smanetton.
Specifico che il ricevitore deve essere ELF e non VLF. La banda di frequenze di mio interesse, infatti, va da 0,001 a 10 Hz circa...
Si, ho già visto i siti in alto. Il progetto più interessante e più semplice sembra essere il "minimal loop", ed infatti lo schema di base che ho proposto è proprio di questo tipo con l'unica differenza che ho intensione di utilizzare una modalità "non-invertente" che abbia anche la possibilità di fare delle regolazioni.

Un consiglio come quello che mi proponi è molto interessante!!! Magari!

Gabriele.

Switters ha scritto:Giusto per fare un po' di brainstorming, non so se possano essere ipotesi valide:
1) con un'alimentazione a batterie puoi avere un'alimentazione duale senza le spurie a 50 Hz della alimentazione di rete
2) invece dei condensatori in uscita per la continua si potrebbe pensare a dei trasformatori, tipo i trasformatori di uscita (output transformer) utilizzati sugli amplificatori valvolari o negli stadi di uscita di preampilificatori o DAC. Non so però se e quali controindicazioni ci possano essere alle bassissime frequenze.

Si si, ho pensato ad un'alimentatore a batterie..., è molto semplice fare un tensione duale!..., purtroppo però il ricevitore deve lavorare 24h24 e 7 giorni su 7, e per me sarebbe troppo complicato equipaggiare il tutto di un sistema di alimentazione di rete che carichi anche le batterie o cose del genere... Un'altra alternativa sarebbero i pannelli solari, che caricano anche delle batterie..., ma torniamo a punto precedente...

Per quanto riguarda l'uso di trasformatori è la prima volta che sento un'ipotesi del genere..., ma potrebbe essere utile. Purtroppo non conosco minimamente di cosa si tratta...!

GRAZIE!
Gabriele.

Radio Emissions Project ha scritto:

Switters ha scritto:Giusto per fare un po' di brainstorming, non so se possano essere ipotesi valide:
1) con un'alimentazione a batterie puoi avere un'alimentazione duale senza le spurie a 50 Hz della alimentazione di rete
2) invece dei condensatori in uscita per la continua si potrebbe pensare a dei trasformatori, tipo i trasformatori di uscita (output transformer) utilizzati sugli amplificatori valvolari o negli stadi di uscita di preampilificatori o DAC. Non so però se e quali controindicazioni ci possano essere alle bassissime frequenze.

Si si, ho pensato ad un'alimentatore a batterie..., è molto semplice fare un tensione duale!..., purtroppo però il ricevitore deve lavorare 24h24 e 7 giorni su 7, e per me sarebbe troppo complicato equipaggiare il tutto di un sistema di alimentazione di rete che carichi anche le batterie o cose del genere... Un'altra alternativa sarebbero i pannelli solari, che caricano anche delle batterie..., ma torniamo a punto precedente...

Per quanto riguarda l'uso di trasformatori è la prima volta che sento un'ipotesi del genere..., ma potrebbe essere utile. Purtroppo non conosco minimamente di cosa si tratta...!

GRAZIE!
Gabriele.

Purtroppo a frequenze così basse un trasformatore non va bene.

Switters ha scritto:Giusto per fare un po' di brainstorming, non so se possano essere ipotesi valide:
1) con un'alimentazione a batterie puoi avere un'alimentazione duale senza le spurie a 50 Hz della alimentazione di rete
2) invece dei condensatori in uscita per la continua si potrebbe pensare a dei trasformatori, tipo i trasformatori di uscita (output transformer) utilizzati sugli amplificatori valvolari o negli stadi di uscita di preampilificatori o DAC. Non so però se e quali controindicazioni ci possano essere alle bassissime frequenze.

appunto oggi pensavo all'uso di translatori anzichè i caps che hanno le problematiche di impedenza e di filtro a quelle frequenze,ma mi domandavo se pur separando galvanicamente potessero scendere cosi in basso....
ps ho scritto quasi in contemporanea con sonic e nn avevo letto il suo post

Questi li conosci?

http://www.aricernusco.it/fileadmin/uploads/precursori-sismici/Wingate-RxELF.doc
http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=AD0476983

per togliere il condensatore in uscita si può fare un servocontrollo elettronico.
Sono usati anche in audio, ma non so se possono lavorare bene così vicino alla continua.

Interessantissimo il primo progetto... Peccato che abbia tensione duale pero... Mmm...
Il secondo è un abstract ma non dice nulla di concreto...

Grazie ancora!
Gabriele

sonic63 ha scritto:per togliere il condensatore in uscita si può fare un servocontrollo elettronico.
Sono usati anche in audio, ma non so se possono lavorare bene così vicino alla continua.

Forse ho sentito qualcosa del genere... Ma non ricordo di cosa si trattasse...
Gabriele.

Anche questi potrebbero essere interessanti:

http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a114474.pdf
http://www.stormwise.com/project12.htm

Radio Emissions Project ha scritto:
...
cut
...che una volta amplificati e filtrati adeguatamente debbono essere inviati alla sound blaster di un PC per essere analizzati spettrograficamente.

... in effetti basta amplificare questo segnale per renderlo visibile ad un PC.
cut
...

Scusami, magari mi sfugge qualcosa, ma il segnale amplificato viene mandato alla scheda audio del PC con il range di frequenza originale (0,001Hz/10Hz)?

Ma ce la fa la scheda? Non ci sono LPF sulle schede audio?
Inoltre, è sufficientemente precisa a queste frequenze?
Che software userete per l'analisi del segnale?

P.S. Scusa la sfilza di domande, ma sono incuriosito

i Traslatori o trasformatori segnale si usano e si usavano anche in tlc x trasferire i segnali senza che ci fosse una continuità metallica spesso per motivi di sicurezza in ambienti di terre elettriche industriali considerati ''pericolosi''ed evitare l'intromissioni di correnti negli stadi di utilizzo oppure per altri usi.Sono dei separatori ''galvanici'' si usano a tuttora (come principio) per le applicazioni nei valvolari di uscita nei finali.Fino a che frequenze si spingano in basso nn te lo so dire so che nelle tlc si arriva intorno (sicuramente) ai 300 Hz ma probabilmente (ciro lo sa di certo) ci si puo' spingere tranquillamente anche sotto.
Per la 50Hz penso che utilizzando cavetteria appropriata (schermi doppi semibilanciati) e un buono stadio di alimentazione (i moltiplicatori di capacità qui da noi danno risultati piu che decorosi sul fondo) dovresti essere relativamente al sicuro,Credo (ma è una affermazione hobbistica) che andare su alimentazioni switch con quelle problematiche che hai,sia un po azzardato e credo che quei due caps da 2200 siano un po' come dire ''esigui'' x annichilire da soli il fondo dell'alternata pero' esprimo una opinione,naturalmente discutibile,e potrei essere smentito dai fatti

Non posso editare il messaggio precedente, non intendevo LPF ma HPF prima dello stadio ADC

Allora,
il software per analizzare i segnali attraverso la scheda audio del PC è Spectrum Lab, un noto software gratuito che, agendo sull'oscillatore al quarzo delle schede, riesce a lavorare addirittura a frazione del milliHz.
Riguardo i filtri HPF o disaccoppiatori DC presenti nelle schede audio non so cosa dirti in merito di certo; c'è chi dice che comunque sino a 0,02 Hz... Io non so dirti com'è veramente la storia, e posso parlare solo per ciò che concerne la mia esperienza...: io ho fatto delle prove e so che con la mia scheda audio posso lavorare a frequenze anche inferiori al mHz (Allego un tipico spettrogramma realizzato con la mia stazione di monitoraggio):



se non fosse così non credo che riuscirei a produrre spettrogrammi che hanno una risoluzione di circa 1 mHz.

Grazie.
Gabriele.

Interessantissimo l'articolo sull'amplificatore ELF... In verità lo avevo visto però, non adoperando operazionali, lo snobbavo un po'...

A questo punto la domanda sorge spontanea: è meglio un PNP o NPN o un classico operazionale per costruire un ricevitore ELF??? E quali sono i pro e i contro?

Grazie.
Gabriele.

In effetti il ricevitore a transistor è molto interessante! e stando ai dati forniti dal creatore riesce ad amplificare tutta la sinusoide dell'onda che attraversa i due transistor.



Cosa ne pensate?

Gabriele.

il circuito è semplice e i componenti reperibilissimi se c'e' scritto che funge varrebbe la pena di provare nn so bene a cosa servono i due diodi sembrano una sorta di trigger,cmq sia devi prestare attenzione alla componentistica anche passiva mettici resistenze carbone che le metalliche sono induttive,e alla cavetteria (20-35/20-37 schermo).E come ti dicevo prima,a fornire i 9V con un adeguato filtraggio per evitare la 50hz,a meno che tu nn ci metta una bella batteria o piu da 9V in parallelo per aumentarne l'autonomia che nn mi sembra poi una cattiva idea.Guarda nel forum (se opti x l'alimentazione di rete) i progettini per moltiplicatori o giratori che con un solo transistor fornisci una dc abbastanza lineare ma con fondo assente-L'ingegnarizzazione (chiamiamola cosi ) con le tue problematiche diventa importante,occhio ai versi dei condensatori che quelli,se li usi polarizzati nn sono stati segnati vedi il 100 micro all'ingresso.Quel transistor si trovava anche al supermercato il che agevola le cose,forse oggi trovi qlc equivalente piu performante.Sei in grado di tirarlo in piedi questo circuitino?

valvolas ha scritto:il circuito è semplice e i componenti reperibilissimi se c'e' scritto che funge varrebbe la pena di provare nn so bene a cosa servono i due diodi sembrano una sorta di trigger...

I due diodi in quella configurazione negli ingressi a radiofrequenza da antenne servono ad annullare le scariche statiche impulsive sopra la soglia di conduzione. Per antenna filari o dipoli è un must, meno importante per antenne a telaio.

Smanetton ha scritto:

valvolas ha scritto:il circuito è semplice e i componenti reperibilissimi se c'e' scritto che funge varrebbe la pena di provare nn so bene a cosa servono i due diodi sembrano una sorta di trigger...

I due diodi in quella configurazione negli ingressi a radiofrequenza da antenne servono ad annullare le scariche statiche impulsive sopra la soglia di conduzione. Per antenna filari o dipoli è un must, meno importante per antenne a telaio.

grazie è roba da radiantisti allora...Quei curiosi cugini che inscatolano condensatori moderni nei vecchi contenitori e mettono misteriose stecche di ferro sui tetti e che continuano a spostarle :hehe:Lavora a soglie (un po') come i trigger se un giorno saro' preso dalla smania della supereterodina lo andro' a ripescare

valvolas ha scritto:il circuito è semplice e i componenti reperibilissimi se c'e' scritto che funge varrebbe la pena di provare nn so bene a cosa servono i due diodi sembrano una sorta di trigger,cmq sia devi prestare attenzione alla componentistica anche passiva mettici resistenze carbone che le metalliche sono induttive,e alla cavetteria (20-35/20-37 schermo).E come ti dicevo prima,a fornire i 9V con un adeguato filtraggio per evitare la 50hz,a meno che tu nn ci metta una bella batteria o piu da 9V in parallelo per aumentarne l'autonomia che nn mi sembra poi una cattiva idea.Guarda nel forum (se opti x l'alimentazione di rete) i progettini per moltiplicatori o giratori che con un solo transistor fornisci una dc abbastanza lineare ma con fondo assente-L'ingegnarizzazione (chiamiamola cosi ) con le tue problematiche diventa importante,occhio ai versi dei condensatori che quelli,se li usi polarizzati nn sono stati segnati vedi il 100 micro all'ingresso.Quel transistor si trovava anche al supermercato il che agevola le cose,forse oggi trovi qlc equivalente piu performante.Sei in grado di tirarlo in piedi questo circuitino?

Grazie per le molteplici risposte!, peraltro interessantissime!

Cavolo, mi hanno sempre detto di preferire resistenze a film metallico in quanto generano meno rumore delle altre quando si scaldano (oltre ad avere una tolleranza migliore) e per realizzare circuiti per applicazioni di tipo geomagnetico sono sempre preferibili a quelle a carbone..., ora invece so che possono trasmettere interferenze in quanto sono metalliche... Man mano che si va avanti col discorso le cose si fanno più complicate...
Mmmm..., non so se realizzo questo circuitino, a questo punto vorrei sapere quali sono i vantaggi e gli svantaggi rispetto ad un ricevitore con operazionali... Insomma, anche utilizzando mpsa42 al posto dei più obsoleti 2N3904, che tipo di rumore producono? Un OP27 tra 0,1 e 10 Hz ha un rumore di soli 3nV/Hz, è il migliore, considerando la sensibilità dell'entrata ed il prezzo. Questo rumore, una volta amplificato, raggiunge un livello leggermente più basso rispetto ai più piccoli segnali geomagnetici che è possibile captare... Un transistor, invece, che densità di rumore elettronico ha?

Ecco, queste sono le mie perplessità. L'utilizzo di transistor rende sicuramente la realizzazione del ricevitore più semplice, ma a quale prezzo? La realizzazione di un circuito alimentato da tensione singola creando un punto di 0V virtuale sembrerebbe incoraggiante... e mi risolverebbe dei problemi non di poco conto come la possibilità di tenere acceso il ricevitore 24H24 senza doverlo spegnere per sostituire le batterie.... A questo punto, sembra evidente che ogni schema ha i suoi punti di forza e i suoi lati negativi, in quando un circuito perfetto forse non esiste...

Cosa mi consigliate?considerando il tipo di segnale de debbo amplificare, il bassissimo rumore elettronico che debbo mantenere?
Grazie ancora!
Gabriele.