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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OP-Amp Grenzen


Autor: Stephan S. (outsider)
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Um einen Gleichstrom von 0-600mA zu messen würde ich gerne mit einem 
Shunt und nachgeschaltetem OP Amp arbeiten. Um die Beeinflussung der 
nachfolgenden Schaltung und die Verluste möglichst gering zu halten 
würde ich einen möglichst kleinen Shunt benutzen. Das Signal soll auf 
einen ADC eines AVR. Somit hätte ich eine maximale Auflösung von 
600mA/1024=0,6mA.

Jetzt stellt sich mir die Frage: Wie klein kann ich den Shunt machen? Ab 
welchem Spannungsabfall wird ein OP überfordert sein? Da ich keine 
symmetrische Spannungsversorgung habe würde ich einen TS914 wählen da 
dies ein r2r Typ ist. Um Störungen zu vermeiden würde ich den OP so nahe 
wie möglich an den Shunt platzieren. Eine mögliche Fehlerquelle sehe ich 
in Vio, die ist mit maximal 12mV angegeben. Wenn ich jetzt z.B. maximal 
100mV am Shunt haben will dann müsste ich für 2,5V ADC Referenzsspannung 
eine Auflösung von 100mV/1024=100µV und einen Verstärkungsfaktor von 25 
einstellen. Bei 12mV Vio hätte ich aber ja schon einen Fehler von etwa 7 
Bits, oder sehe ich da etwas falsch?

Wie geht man für eine Dimensionierung wirklich vor? Und welche Parameter 
eines OP sind dafür noch wichtig? Im Prinzip will man ja den Shunt immer 
möglichst klein wählen.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Autor: Stephan S. (outsider)
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Ja das ist eine ähnliche Problemstellung. Aber da ist nichts von OP 
Parametern erklärt, auch in den Links gehts nur zu den Grundschaltungen 
die mir mehr oder weniger bekannt sind.

Mir gehts nicht nur um die Problemstellung, sondern auch darum die 
Zusammenhänge richtig zu verstehen und dann selbst rechnen zu können. 
Threads mit "mach 150mV als maximale Spannung am Shunt, dann gehts 
schon" hab ich genügend gefunden.

Am besten wärs wohl echt "OPAMPS for Everyone" durchzuarbeiten und zu 
verstehen, aber da wäre ich Wochen beschäftigt und ich muss ja nicht auf 
allen Gebieten OP Spezialist werden.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Stephan S. schrieb:

> Bei 12mV Vio hätte ich aber ja schon einen Fehler von etwa 7
> Bits, oder sehe ich da etwas falsch?

Das siehst du völlig richtig.  Du musst also entweder einen OPV
mit sehr geringer Offsetspannung benutzen oder aber eine Offset-
kompensation vorsehen (geht ja letztlich recht einfach: wenn kein
Strom fließt, die Ausgangsspannung auf 0 kalibrieren).

Irgendwo (ich glaube, es war Maxim) habe ich auch schon was gelesen
von speziellen ICs für genau diesen Zweck.  Bei denen kann man die
Fühleranschlüsse direkt an den Shunt schalten, d. h. ein Eingang
darf eine geringfügig höhere Eingangsspannung als die Versorgungs-
spannung haben.

Autor: Lukas B. (lukas-1992) Benutzerseite
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> Irgendwo (ich glaube, es war Maxim) habe ich auch schon was gelesen
> von speziellen ICs für genau diesen Zweck.  Bei denen kann man die
> Fühleranschlüsse direkt an den Shunt schalten, d. h. ein Eingang
> darf eine geringfügig höhere Eingangsspannung als die Versorgungs-
> spannung haben.

Meinst du solche wie den INA138?

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Lukas B. schrieb:
>
> Meinst du solche wie den INA138?

Ja, zum Beispiel.
Funktioniert sehr gut.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Die Shuntspannung wird um einen Faktor verstaerkt um den ADC Bereich 
auszunutzen. Um denselben Faktor wird die Offsetspannung verstaerkt, dh 
je kleiner der Shunt, desto weniger Offset darf der OpAmp haben. Ich 
verwend bevorzugt dem MCP617, mit weniger als 150uV Offset.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Der MCP617 klingt gut und günstig. Scheint nur bei Hobbybastlern nicht 
so bekannt zu sein weils in bei Reichelt nicht gibt. OPA2340 oder 
LMC6062 machen mir auch nen guten Eindruck. Falls mir nichts einfällt 
woher ich relativ einfach eine symetrische Spannung für einen OP07 
machen kann, werde ich mich wohl für einen der drei ersteren 
entscheiden. Wobei der OP07 sogar noch deutlich günstiger wäre und ich 
auch sehr kleine Ströme relativ genau messen könnte, welche bei den R2R 
Typen mit 0/5V untergehen würden, bzw. ich laufend einen Strom messen 
würde wo keiner ist. Bei 50mV unterster Spannung würde ich in meinem 
Fall dann immer mindestens 12mA messen. Das ist auch nicht so schön. Ich 
könnte dann dann höchstens per Software alles was <=12mA ist als Null 
definieren. Mal sehen...

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Stephan S. schrieb:
> Bei 50mV unterster Spannung würde ich in meinem
> Fall dann immer mindestens 12mA messen. Das ist auch nicht so schön. Ich
> könnte dann dann höchstens per Software alles was <=12mA ist als Null
> definieren. Mal sehen...

Oder eben einfach einmalig kompensieren, ein Faktor 10 ist dabei bequem 
rauszuholen.

Wenn Du also mit ca. 1.5 mA "Fehl-Strom-Anzeige" bei 600mA Fullscale 
"leben" kannst: Dann ist Dein Problem der Messung als erledigt 
einzustufen.

Wenn nicht, müßte man tiefer einsteigen.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Wie würdest du das kompensieren? Ich seh da jetzt zwei Probleme:

1.Spannung die durch Vio ensteht, die könnte man bei einem Typen der 
Kompensationsanschlüsse hat (µA741 hat sowas glaube ich) mit einem Poti 
wegkriegen. Macht man so etwas bei Typen ohne Anschlüsse durch externe 
Beschaltung an an + und - Eingängen?

2. Der R2R kommt nicht auf 0V herunter, wie kompensiert man das? Indem 
man sagt dass 50mV 0mA entspricht und den OP so kompensiert dass er am 
Eingang wirklich 50mV hat, also bei einer minimalen positiven 
Eingangsspannung sofort über die 50mV geht? Kligt auch möglich.

Hier gehts aber irgendwie schon wieder mehr um grundlegendes 
Verständnis, was natürlich schon interesant wäre.

Wenns wirklich drum ginge das Problem schnell zu lösen müsste ich nen 
DC/DC Wandler mit +/-12V Ausgang nehmen und nen OP07. Die Lösung kostet 
auch nur so 3 Euro mehr.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Schau einfach mal ins Datenblatt des z.B. op07, da steht all das 
skizziert.


BTW: Die Mär das OPV eine Vio Kompensationsanschluß benötigen um im 
Offset kompensiert zu werden hält sich doch seit Jahrzehnten. Und das 
trotz der Bemühungen der Hersteller gute Datenbücher zu veröffentlichen, 
die genau diese Notwendigkeit widerlegen.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Irgendwie kann ich dir nicht ganz folgen. Im Datenblatt vom OP07 finde 
ich skizziert wie man an Offsetanschlüssen mittels eines Potis einen 
Abgleich vornimmt.

Bei Elektronikkompendium habe ich die Lösung gefunden wie man auch Typen 
ohne Offsetabgleichanschluss anpassen kann. Da ists für einen nicht 
invertierenden Verstärker skizziert.

Die Problematik dass ich bei einem R2R Typen und 0/5V 
Spannungsversorgung nicht auf 0 herunterkommt löst das aber glaube ich 
auch auch nicht.

Autor: T. C. (tripplex)
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Man darf aber auch wirklich nur Vio durch diese Anschlüsse kompensieren,
wenn man nun aber nun auch das vom Messsystem eigene Offset damit
einbezieht geht der gute Temperaturdrift vom OpAmp verloren -
Das steht aber auch in den Datenblättern der OpAmps.

Man kann aber auch nichtinventierend Verstärker kompensieren ohne
das man einen OpAmp hat der Offset-Trimm Anschlüsse hat, aber dafür
brauch man eine Symmetrische Spannungsversorgung und eine kleine drum
rum Schaltung.


Der OPA2340 ist ein echter R2R.
Dieser kommt bei mir wenn ich den Als Impendanzwandlerschalte auf
0.3mV herunter.
Bei 100kOhm Last sind dir 1mV - 5mV bis an die Betriebsspannungsgrenzen
garantiert. Hinzukommt das die diesen OpAmps einfach durch einen großen
Widerstand an Nichtinventierenden Eingang Schützen kannst und dieser
somit auch bei 50V Shunt Spannung ( was aber unrealistisch ist aber nur 
ein Beispiel sein soll ) nicht kaput geht wenn du den Strom am Eingang 
auf maximal 10mA limitierst. Mit seinen Offset von 150 µV - 500 µV 
kannst du
sogar genau verstärken.

Um es noch genauer zu machen kannst du einen 2 * 4:1 Multiplexer wie den
MAX338 nehmen und 4 Shunts mit 4 Mosfets umschaltbar machen um 
verschiedene
Auflösungsbereiche zu erhalten. (Welche mit kleinen Ruhestrom )
Wenn du jetzt noch 64 Werte von den Internen ADC nimmst und eine 
vernüftige
Referenz benutzt kannst du sogar mit 12 Bit rechnen ( AVR Note 123 ) und
hast ein sehr schönes Strommessgerät was einige Gimmicks auf dem Kasten 
hat. Nur mal so eine Idee ;)

Autor: Stephan S. (outsider)
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Der OPA2340 klingt echt gut. Die Eingangsimpedanz eines AVR ADC sollte 
eigentlich recht hoch sein und von daher würd der prima passen.

Strombegrenzung brauche ich nicht, da kann eigentlich kein zu großer 
Strom ankommen.

Das mit dem AVR Note 123 klingt zwar wirklich interessant, aber sooo 
genau brauch ichs dann auch wieder nicht :-) In ner anderen Anwendung 
vielleicht mal.

Autor: X- Rocka (x-rocka)
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Ist doch ganz einfach:
- Ladungspumpe um negative Spannung zu erzeugen
- MUX an OP-Eingang
- Schalten des OP-Eingangs nach entweder Masse (0-Abgleich), geteilte 
Referenzspannung, und Eingangssignal.
- Vorm Strom messen Nullabgleich und Kalibrierung.
=> und schon sind offset und Verstärkungsfehler Wumpe!

;)

Habe sowas ähnliches gerade mit nem ATmega168 gemacht, ADC auch noch mit 
256-fachem Oversampling. Mit entsprechend guter Referenz und 
Teilerwiderständen sind da locker echte 10bit drin.

Autor: Ulrich (Gast)
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Für nur einen Kanal ist der Weg mit Multiplexer und neagtiver 
Versorgungsspannung zur NUllpunktskompensation etwas zu kompliziert. 
Wenn einen sehr kleinen Offset haben will gibt es fertige 
Chopperstbilisierte OPs (z.B. AD8551, LTC2050,...) auch als R-R 
Ausführung. Der oben erwähnte OPA2340 ist auch schon nicht schlecht.

Nicht nur der OP ist wichtig, auch bei shunt muß man etwas aufpassen, 
sonst kann man merkliche Fehler duch Thermospannungen erzeugen, also 
eine gleichmäßige Wärmeabfuhr achten.

Etwas oversampling ist nicht verkehrt, und die Kosten sind oft nicht 
groß. Der Zugewinn an Genauigkeit ist aber begrenzt, denn Werte wie die 
INL verbessern sich nur marginal.

So teuer ist auch ein AD wandler mit hoher Ausflösung (z.B. MCP3421) 
nicht mehr - da würde man auch ohne externe Verstärkung auskommen.

Autor: T. C. (tripplex)
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Der MCP3421 hat eine sagenhafte Bandbreite von 4 Samples der Sekunde,
das Eingangsignal sollte für die 18 Bit auch entsprechend Aktiv
gefiltert werden und das Layout dafür ist auch kein Zuckerschlecken.
(Wenn man wirklich etwas von den 18 Bits haben möchte )

Autor: Ulrich (Gast)
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@Pascal: Bei einem Signal Delta A/D braucht man keine wirklich 
aufwendige Filterung. Schon ein einfaches RC Glied ist genug. Filtern 
wäre da mit dem µC internen AD schon mehr angesagt.
Bei weniger Auflösung ist der Wandler auch schneller, z.B. 14 Bit mit 60 
Samples je Sekunde.

Autor: avr (Gast)
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Wenn man im 5 Volt-System einen OPV ohne Leistung
aber mit symetrischer Versorgung benötigt um "echte"
0 bzw. 5 Volt zu erreichen ist ein MAX232 gut.
Als doppelte Ladungspumpe mit Elkos>=1µF, ein Tin auf GND
der andere auf 5V hat man an Tout +- 7..9 Volt bei
ca. 5-10 mA.
Um ein Signal für den AD aufzubereiten ausreichend.

avr

Autor: T. C. (tripplex)
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@UIrich:
Ich meinte,
Warum sollte man bei einen 10 Bit Wandler Filtern?
Bei 5V Referenz wäre ein LSB= ~5mV was beim 18 Bit Wandler
schon 8 Bits sind.
Wenn man mit den Argument kommt das man bei einen 10 Bit Wandler
Filtern muss dann ist der 18 Bit Wandler auch fehl am Platz, da
das Signal im Rauschen untergehen würde.

Autor: X- Rocka (x-rocka)
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egal ob 8 oder 10 oder sonstwas an bit:
vor einen ADU gehört ein Tiefpass.
wie schon oben erwähnt reicht ja evtl ein RC.

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