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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Operationsverstärker: "Grundschaltung" zur Spannungsmessung


Autor: Holger Scholz (Gast)
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Guten Abend,

kenne mich mit Analogtechnik wenig aus und bin eher in der 
Digitaltechnik bewandert, deshalb meine Frage zu einer OPV Schaltung. 
Möchte kleine Ströme, bzw. Spannungen über mehrere Dekaden hinweg 
verstärken. Hierzu habe ich bereits das hier im Forum gefunden: 
Beitrag "Strom- Spannungswandler im uA/nA Bereich (100nA.100uA) für uController"
Daraufhin habe ich (fast genau, s.u.) die mittlere Schaltung mit den 
Dioden (Temperaturkompensation mit einer zweiten Diode) aus 
http://www.elexs.de/messen6.html genommen und aufgebaut. Dabei habe ich 
die folgenden Bauteile verwendet (ganz schöne Fummelei das mit dünnem 
Draht zusammenzubrutzeln):
- OPV = TLC 272 CD SMD und auch TS 912 D
- VCC- = GND
- VCC+ = +5V
- Dioden = BAT 54C SMD
- Rs = 22k bzw. 150k (150k statt der 160k)
Als Messgröße/Eingangsspannung dient ein Silizumphotoelement. Dies ist 
mit GND an IN+ der 1. OPV Stufe angeschlossen (die ja auch auf GND 
liegt) und mit dem anderen Pin an IN- der 1. OPV Stufe (die 
"Spannungsquelle" liegt also direkt zwischen den beiden OPV Eingängen). 
Mit einem DMM kann ich zwischen IN- und IN+ der 1. OPV Stufe je nach 
Helligkeit zwischen 0mV und ca. 80mV messen. Der Ausgang hat jedoch 
immer eine feste Ausgangsspannung, völlig unabhängig von der Spannung 
zwischen den Eingängen. Was geht hier schief??? Stehe total auf dem 
Schlauch.
Würde mich von jedem über eine Hilfe sehr freuen. Vielen Dank,

Holger

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Auf die Gefahr hin, hier ein großes Geheimnis zu verraten:

Du weißt, das bei den  Siliziumfotoelmenten der AusgangsSTROM dem 
Logratihmus der Beleuchtungsstärke proportional ist?


Wenn Du Deine Schaltung geringfügig anders aufbaust, d.h. den 
Eleemetstrom nutzt,  hast Du als Ausgangswert einen dem Logarithmus des 
Beleuchtungsstärlke proportinalen Spannungssignal.

Stichwort ist: I/U-Konverter mit OPV, auch als invertierende 
Grundschaltung betitelt.

hth,
Andrew

Autor: Holger Scholz (Gast)
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Hallo Andrew,

bitte nicht lachen: nein, das wusste ich nicht.
Wenn ich dich richtig verstehe, reicht also 
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thum... 
vollkommen aus? Werde es also mal mit einem  einfachen Widerstand als 
Rückkopplung versuchen und testen.

Schon mal danke für die schnelle Hilfe, evtl. reicht das ja schon.

Holger


P.S. Mich würde natürlich trotzdem interessieren, warum die Schaltung so 
nicht läuft

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Holger,

> Als Messgröße/Eingangsspannung dient ein Silizumphotoelement. Dies ist
> mit GND an IN+ der 1. OPV Stufe angeschlossen (die ja auch auf GND
> liegt) und mit dem anderen Pin an IN- der 1. OPV Stufe (die
> "Spannungsquelle" liegt also direkt zwischen den beiden OPV Eingängen).
Es handelt sich bei der Quelle eher um eine Stromquelle als um eine 
Spannungsquelle.

> Mit einem DMM kann ich zwischen IN- und IN+ der 1. OPV Stufe je nach
> Helligkeit zwischen 0mV und ca. 80mV messen. Der Ausgang hat jedoch
> immer eine feste Ausgangsspannung, völlig unabhängig von der Spannung
> zwischen den Eingängen. Was geht hier schief??? Stehe total auf dem
> Schlauch.
Das hört sich für mich so an, als hättest Du die Diode verkehrtherum 
eingebaut. Der Photostrom muß zum (-)Eingang des OPV hinfließen, sonst 
kann er gar nicht über die Rückkopplungsdiode weiterfließen.
Außerdem kann die Schaltung ohnehin nur positive Spannungen ausgeben 
(--> Versorgungsspannung).

http://focus.ti.com/lit/an/sboa061/sboa061.pdf
Abb. 4 zeigt Dir die Richtung, in die die Photodiode gepolt sein muß.
Die Richtung kannst Du mit dem Digitalvoltmeter (Diodeneingang) 
nachmessen.


Gruß,
  Michael

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Andrew Taylor (marsufant)

>Auf die Gefahr hin, hier ein großes Geheimnis zu verraten:

Wie gefährlich.

>Du weißt, das bei den  Siliziumfotoelmenten der AusgangsSTROM dem
>Logratihmus der Beleuchtungsstärke proportional ist?

Das glaube ich kaum. Es ist eher die Spannung.

>Wenn Du Deine Schaltung geringfügig anders aufbaust, d.h. den
>Eleemetstrom nutzt,  hast Du als Ausgangswert einen dem Logarithmus des
>Beleuchtungsstärlke proportinalen Spannungssignal.

Nöö, das hat er auch ohne jegliche Zwischenschaltung.

>Stichwort ist: I/U-Konverter mit OPV, auch als invertierende
>Grundschaltung betitelt.

Damit hat ein einen linearen Zusammenhang zwischen Beleuchtungstärke und 
Ausgangsspannung. Siehe

Lichtsensor / Helligkeitssensor

MFG
Falk

Autor: aha (Gast)
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Was der Poster braucht, ist ein Stromlogarithmierer. Den kann man selbst 
bauen, oder auch fertig kaufen. zB den AD8 8304, der macht 8 Dekaden, 
oder 160dB, da muss man gut sein, das zu erreichen.

Autor: Holger Scholz (Gast)
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Hallo zusammen,

vielen Dank für eure Ratschläge. Werde morgen wohl mal ein paar Sachen 
neu kaufen müssen und ein wenig probieren.
Wenn ich es richtig verstehe, ist die Schaltung mit dem Logarithmierer 
und der Temperaturkompensation nur was für erhöhte Anforderungen, bzw. 
auch nur für prof. Layout und Fertigung geeignet. Werde es also mit 
einer "einfachen" Widerstandsbeschaltung versuchen.

Dank,

Holger

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Holger,

> Wenn ich es richtig verstehe, ist die Schaltung mit dem Logarithmierer
> und der Temperaturkompensation nur was für erhöhte Anforderungen, bzw.
> auch nur für prof. Layout und Fertigung geeignet.
Der Logarithmierer ist nicht mehr und nicht weniger professionell als 
die anderen Schaltungen auch.

Die Temperaturkompensation braucht der Logarithmierer nur deshalb, weil 
die Kennlinie der Diode stark temperaturabhängig ist. Allerdings ist die 
Temperaturkompensation schon eingebaut - also keine Angst, wenn ein oder 
zwei Bauteile mehr in der Schaltung sind.

Ein Widerstand ist im Hinblick auf die Temperatur wesentlich gutmütiger 
und braucht deshalb bei einfachen Anwendungen keine 
Temperaturkompensation.
Schau Dir auch mal die Datenblätter von OPA380 bzw. OPA2380 an. Das sind 
schnelle Spezialbausteine für solche Anwendungen.

> Werde es also mit
> einer "einfachen" Widerstandsbeschaltung versuchen.
Das kannst Du natürlich machen. Allerdings wolltest Du, wenn ich das 
richtig lese, die Ströme über mehrere Dekaden hinweg verstärken.
Mit dem Widerstand wirst Du schnell entweder zu einer Sättigung des OPV 
kommen oder Probleme mit der Auflösung bei der AD-Umsetzung bekommen. 
Solche Probleme hast Du beim Logarithmierer eher nicht. Der Logarithmus 
ändert sich schließlich linear mit der Anzahl der Größenordnungen, um 
die sich der Strom ändert.

Wenn Du eine solche Schaltung aufbauen willst,
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thum...
solltest Du für Deine Anwendung übrigens R1=0 wählen. Dann hast Du einen 
Stromverstärker.


Gruß,
  Michael

Autor: Michael (Gast)
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Also unter der Annahme, dass das Photoelement eine positive 
Spannung(bzw. Strom) ausgibt würde ich mal sagen, dass das nicht gehen 
kann nach Beschaltung aus dem ersten Post weil die Ausgangsspannung des 
OPs negativ sein müsste er aber als niedrigstes Potential GND nur hat, 
tiefer kommt er also gar nicht. Ins Datenblatt des OPs hab ich nun auch 
nciht geschaut aber bei einer Eingangsspannung von 0-80 mV könnte das 
auch kritisch werden. Ist ja nicht selten so, dass die Eingangsspannung 
ein (paar) Volt von der Betriebsspannung des OPs entfernt sein muss 
damit dieser noch richtig arbeitet.

Autor: Holger Scholz (Gast)
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Hallo Michael x2 ;=)

also gut: das Problem mit der linearen Verstärkung über ein R in der 
Rückkopplung habe ich nun gerade selber beim Basteln erfahren: die 
zweite OP-Stufe gibt relativ schnell fast 5V aus (also max). Also sollte 
es doch ein Logarithmierer sein...
Das Teil will aber ums Verrecken (noch) nicht laufen! :=(
Es freut mich aber zu hören, dass diese Schaltung auch "Anfänger" 
geeignet ist. Insofern bin ich da guter Dinge. Mein Basteltrieb ist 
zumindest geweckt.
Die OPA380 bzw. OPA2380 habe ich mir mal angesehen, kann ich hier in der 
Umgebung aber nicht bekommen (nach 2 Telefonaten). Lt. Datenblatt sehe 
ich da zusätzlich kein "nichtlineares Bauelement" in der Rückkopplung. 
Insofern: warum Spezialbausteine/besonders geeignet, sind doch "nur" 
zwei fertig verschaltete OPs?


Die erste Stufe (invertierend) möchte also eine negative Spannung 
ausgeben, kann dies aber nicht, da nur GND vorhanden. Hmmm, sehe ich 
ein, klingt logisch. Also hätte ich doch die folgende Möglichkeit:
- In+ der ersten Stufe nicht auf GND ziehen, sondern mittels 
(hochohmigen) Spannungsteilers auf z.B. 1 V bringen (5V Quelle ist 
vorhanden, 1Meg und 250k), oder? Die zweite Stufe ist ja nur eine 
Verstärkung, die ich verringern würde, indem ich R1=R2 setze (z.B. je 
100k), also Verdopplung insgesamt. So dürfte die auch nicht in die 
Sättigung kommen.

Was macht die Einspeisung nach den Dioden (5V mit den 22k) genau? Würde 
die jetzt weglassen wollen...

So langsam glaube ich verstehe ich diese Schaltung auch nahezu komplett 
(freu) ;=)

Danke für eure Hilfe, bin mal wieder ein großes Stück schlauer. Morgen 
ist Bastelpause, aber Mi geht es weiter. Gruß,

Holger

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