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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Messverstärker mit V < 1


Autor: Mike (Gast)
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Hallo allerseits,

hab da ein kleines Problem und mich interessiert mal, wie ihr das lösen 
würdet.

Ich hab hier ein USB-Messmodul mit dem ich Spannungen bis zu 10 V messen 
kann. Nun kommt es ja vor, dass man auch mal Spannungen messen mag, 
welche größer als 10 V sind. Es gibt nun natürlich verschieden 
Möglichkeiten den Messbereich anzupassen.

1. Mittels ohmischen Spannungsteiler. Dabei hab ich aber ein schlechtes 
Bauchgefühl da es ja entweder hoher Eingangswiderstand und hoher 
Ausgangswiderstand bedeutet oder niedriger Eingangswiderstand und 
niedriger Ausgangswiderstand

2. Mittels Operationsverstärker: Da fiel mir so auf Anhieb der 
Invetierende Verstärker ein. Vorteile sind halt hoher Eingangswiderstand 
(je wie man den Widerstand am Eingang wählt) sowie niedriger 
Ausgangswiderstand (Ausgang verhält sich wie eine Spannungsuelle).

Idee zwei hab ich derzeit umgesetzt mit einem 10 MOhm Widerstand am 
Eingang sowie einem 2 MOhm Widerstand am Ausgang sodass ich nun maximal 
50 V messen kann. Funktioniert soweit auch ganz gut nur frag ich mich 
grade, obs nicht noch was besseres gibt. Mit Mikrokontrollern hab ich ja 
sowas von keine Ahnung, könnte mir aber vorstellen, dass es da auch 
interessante Lösungen gibt.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Das Klassiker: Hochohmiger Spannungsteiler vorne und nichtinvertierender 
OPV dahinter. Der Vorteil: er invertiert nicht.

Autor: Mike (Gast)
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Wäre auch eine Idee, braucht aber mehr Bauteile als der invertierende 
OPV. Ich hab den invertierenden OPV ja aufgebaut und von meiner 
Testspannung leg ich den positiven Anschluss an Masse und die Masse an 
den Eingang. Damit hab ich quasi eine negative Eingangsspannung und 
bekomme am Ausgang eine positive Spannung.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Mike wrote:

> Wäre auch eine Idee, braucht aber mehr Bauteile als der invertierende
> OPV.

Der invertierende braucht 1xOPV und 2xR. Der nicht-invertierende braucht 
1xOPV und 2xR - der OPV arbeitet dabei als Impendanzwandler ohne R.

Wo ist da also der Unterschied im Aufwand?

> bekomme am Ausgang eine positive Spannung.

Jo, wenn du GND derart frei wählen kannst spricht nichts dagegen.

Autor: Mike (Gast)
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>Wo ist da also der Unterschied im Aufwand?

Ich muss dann noch den hochohmigen Spannungsteiler davor schalten, 
schätzungsweise sind das mindestens 2 Widerstände mehr.

Bei GND bin ich sehr frei in der Wahl da ja die zu messende Spannung nix 
mit der Verstärkerschaltung zu tun haben wird außer, dass sie halt 
"verstärkt" wird.

"Verstärkt" ist hier natürlich mit Vorsicht zu genießen, eigentlich 
müsste man "abschwächen" oder sowas in der Richtung sagen, da ich ja aus 
50 V 10 V machen will und damit eine Verstärkung kleiner 1 benötige 
(hier V = 1/5).

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Normaler weise hat ein Messgerate einen definierten Eingangswiderstand. 
Da brauchts normalerweise noch nicht einmal einen Spannungsteiler 
sondern nur einen Vorwiderstand.  Mal angenommen dein USB Modul hat 
1MOhm und hat einen Bereich von 0 .. 10V . Schalte 4MOhm davor und der 
Bereich erweitert sich auf 50V.

Gruss Helmi

Autor: Andreas K. (a-k)
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Mike wrote:

> Ich muss dann noch den hochohmigen Spannungsteiler davor schalten,
> schätzungsweise sind das mindestens 2 Widerstände mehr.

Die 2 sind mir bekannt. Wo sind die anderen beiden? Ein OPV als 
Spannungsfolger hat 0 Widerstände.

Autor: Mike (Gast)
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Mir ist es auf der Heimfahrt gekommen was du gemeint haben könntest. 
Habe vorhin noch an den Nichtinvertierenden Verstärker gedacht mit 
seinen zwei Widerständen. Da hab ich wieder komplizierter gedacht als 
ich wollte.

Nur einen Widerstand davor schalten ginge natürlich auch aber was, wenn 
mal eine höhere Spannung anliegt als vorgesehen? Bei einem OPV hab ich 
halt den Vorteil, dass ich die Spannung für das USB-Modul begrenzen kann 
durch die Versorgungsspannung des OPV. Da brauch ich keine Angst haben 
wenn auch mal 100 V anliegen, beim Spannungsteiler wäre das zumindest 
der Tod des verwendeten Kanals. Das ist halt so mein Hauptgrund für mein 
schlechtes Bauchgefühl.

Natürlich ist eine zu hohe Spannung auch beim Spannungsfolger eventuell 
problematisch, die halten ja auch net jede Spannung am Eingang aus. Der 
invertierende hat hier ja ebenfalls den Vorteil, dass die Eingänge quasi 
auf Masse liegen. Das war u.a. ein Grund warum ich mich dafür entschied. 
Aber ich hab das bisher noch nicht getestet, weis also nicht ob das 
wirklich was bringt.

Noch eine Frage zum hinterherschieben: Wie siehts denn mit dem Fehler 
aus? Beim ohmischen Spannungteiler hab ich lediglich den Fehler der 
Widerstände. Wie siehts in Verbindung mit OPVs aus? Die Offsetspannung 
spielt wahrscheinlich eine Rolle aber wenn ich einen OPV mit niedriger 
Offsetspannung wähle (z.B. OP07 hab ich derzeit eingesetzt) dürfte das 
kaum noch auffallen, oder?

Autor: Andreas K. (a-k)
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Die Offsetspannung ist beim OP07 mit seinen 30µV kaum relevant, der 
Eingangssstrom hingegen könnte bei der sehr hochohmigem Auslegung schon 
eine Rolle spielen: 10MOhm * 1nA = 10mV. Andere OPVs mit höherer 
Offsetspannung aber MOSFET-Eingängen sind in diesem Fall besser.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Der invertierende hat hier ja ebenfalls den Vorteil, dass die Eingänge quasi auf 
Masse liegen.

Aber auch nur solange er selber Betriebsspannung hat.

Beim Spannungsteiler wuerde ich dir als Schutz 2 Zenerdioden mit in 
Reihe liegenden Sperrschicht-FETS die als Diode geschaltet sind 
vorschlagen. Die FETs um einen niederigen Leckstrom zu bekommen und die 
Z-Diode fuer die Begrenzungsspannung.


----R-----+------------+------+-------
          |            |      |
          | G         D|S     |
         FET          FET     |
         D| S         G|      R
         Z-Diode      Z-Diode |
          |            |      |
----------+------------+------+------

Gruss Helmi

Autor: Mike (Gast)
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Hm..also der OP07 hat ja weniger als 10 nA Eingangsoffsetstrom. Ich wähl 
mal 10 nA weil sich damit leicht rechnen lässt: 10 MOhm * 10 nA = 100 
mV. Das auf den Messbereich bezogen macht eine Abweichung von 0.2 %. 
Damit kann ich selbst bei dieser hochohmigen Auslegung prima Leben. Die 
Fehler der Widerstände kommt da noch hinzu aber selbst das genügt mir 
dann noch locker. Von daher seh ich derzeit kein Problem.

Helmi:

Eine interessante Idee. Hab noch nie drüber nachgedacht, J-FETs als 
Dioden zu schalten. Werd ich mir mal anschaun.

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