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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PWM mit OP auf 12V Ausgang?!


Autor: Max (Gast)
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Hallo,

ich möchte folgende Schaltung wie im Bild zu sehen ist einsetzen. Das 
PWM Signal soll von einem ATMega16 aus kommen. Wenn ich nun den OP an 
+12V und Masse anschließe, in welchem Spannungsbereich bewegt sich dann 
mein Ausgangssignal? Kann ich dann maximal ein 12 V Pegel am Output 
messen oder doch nur 5V?

Danke im Voraus!

lg Max

: Verschoben durch Moderator
Autor: Uwe N. (ex-aetzer)
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Hallo Max,

bin nicht wirklich Schaltungsexperte, aber ich gehe davon aus, das dein 
Ausgang max. 5V ausgibt, da dein OPV als Buffer geschaltet ist.

Gruss Uwe

Autor: brott (Gast)
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Moin, was du hast ist ein Impedanzwandler oder Spannungsfolger - der hat 
eine Verstaerkung von 1, das heisst, dass das was rein geht auch raus 
geht (also ganz platte Aussage zur Spannung).

Schau mal hier: 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Operations...

Bin jetzt auch nicht der super Schaltungsexperte (also bitte 
korrigieren, falls es nicht passt), aber schau dir mal den Komparator an 
(auf Rail-to-Rail bauteil achten).

Ausserdem scheinen mir deine Tiefpaesse etwas komisch zu sein - hab 
jetzt aber gerade keine Zeit nachzurechnen - feierabend :)

Autor: Max (Gast)
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Ich muss jetzt mal doof fragen:
Wie rechne ich denn den Tiefpass nach?

Schaltungstechnisch bin ich leider noch ein blutiger Anfänger, wie man 
sicherlich auch schon an der ersten Frage erkannt hat! Aber die 
Argumentation klingt logisch...es kommen also leider nur 5V raus :'(!

Autor: Jochen (Gast)
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Servus,

ja da kommen in deiner Konfiguration nur 5v raus aber:

- Wie ein vorrednerschon schrieb, wenn du nur einseitig also nur mit +12 
und 0V arbeitest achte bitte drauf, dass du Rail to Rail OPs verwendest, 
da du sonst nicht auf ganz 0 bzw ganz 12V kommen kannst.

-schau dir mal an wie ein Verstärker mit Faktor größer 1 aufgebaut ist, 
mit wenigen Widerständen ganz leicht gebaut musst nur das Verhätlnis 
zwischen 5V und 12V bestimmen.

http://www.mikrocontroller.net/articles/Operations...


Jochen

Autor: Max (Gast)
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Vielen Dank erstmal.

Ich denke ich werde einfach einen nicht invertierende OP Schaltung 
verwenden. Das wird ja insoweit mit dem PWM Signal am negativen OP 
Eingang kompatibel sein?!

Ich möchte aber auch einen gewissen Strom aus meinem OP ziehen (ca. max. 
300 mA). Außerdem soll ja eben der OP ein Rail to Rail OP sein.

Kann mir da jemand einen empfehlen?

lg Max

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Ich habe den Thread von vom Forum Platinen nach Analogtechnik
verschoben, wo er besser hinpasst und wo es evtl. mehr Antworter gibt.

Max schrieb:
> Ich möchte aber auch einen gewissen Strom aus meinem OP ziehen (ca. max.
> 300 mA).

Das ist eine ganze Menge Strom für einen  OpAmp. Standardtypen können
nur etwa 10mA bis 40mA. Du brauchst also einen Leistungs-OpAmp.

> Außerdem soll ja eben der OP ein Rail to Rail OP sein.

Power und Rail-to-Rail ... da fällt mir auf Anhieb kein Typ ein.
Aber du kennst jetzt die beiden Stichworte, mit denen du bei den
einschlägigen Herstellern vielleicht fündig wirst.

Alternativ kannst du einen gewöhnlichen OpAmp nehmen und noch etwas
diskrete Leistungselektronik hinten anfügen. Die Sache würde sich aber
vereinfachen, wenn du den Ausgang nicht ganz bis an die Versorgungs-
spannungsgrenzen aussteuern müsstest.

Was soll denn mit der Schaltung gesteuert werden?

Autor: Max (Gast)
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Ich habe leider keinen bezahlbaren Leistungs OP mit Rail to Rail 
gefunden! Deswegen setze ich nun den L165 ohne Spannungsverstärkung ein.

Ich möchte also ca. 350mA ziehen bei einer Versorgungsspannung von 
+-12V. Maximale Ausgangspannung ist ja dann (wie oben festgestellt 
worden ist) 5V.

Kann ich das mit dem OPamp garantieren. (Datenblatt beigefügt)


PS: Die SChaltung ist nur eine Stromsteuerung...ich möchte also einen 
Einfluss auf den Strom über meinem Widerstand haben.

Autor: byte (Gast)
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> Deswegen setze ich nun den L165 ohne Spannungsverstärkung ein.

Aber Vorsicht... soweit ich noch in erinnerung habe schwingt der L165 
gern.. (ähnlich dem TDA2030) insbesondere bei kleinen Verstärkungen 
(<22).

Autor: Thomas Klima (rlyeh_drifter) Benutzerseite
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die Forderung nach Rail to Rail ist doch Unsinn.

du fährst den Ausgang nur von 0..5V bei einer Versorgung von +-12V, da 
brauchst kein RtR.

und bei Versorgung GND-12V brauchst auch kein RtR, sondern einen Opamp 
mit Input Common Mode Range including Ground.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Max schrieb:
> Ich möchte also ca. 350mA ziehen bei einer Versorgungsspannung von
> +-12V. Maximale Ausgangspannung ist ja dann (wie oben festgestellt
> worden ist) 5V.
>
> Kann ich das mit dem OPamp garantieren. (Datenblatt beigefügt)

Prinzipiell ja, aber siehe Kommentar von "byte". Ich habe keine
praktischen Erfahrungen mit dem L165, aber vielleicht gibt es ja noch
ganz andere Alternativen:

Ich schrieb:
> Was soll denn mit der Schaltung gesteuert werden?

Wenn du es nicht verraten möchtest, werde ich selber mal raten ;-)

PWM, Tiefpass, 350mA und Stromsteuerung klingen sehr nach variabler
LED-Ansteuerung. Das würde ich aber etwas anders angehen, auch dann,
wenn etwas anderes als eine LED mit geregeltem Strom beschickt werden
soll.

Wenn das das Ganze analog geschehen soll, kannst du es so wie im Anhang
machen. Über das Tastverhältnis des 5V-PWM-Signals wird der LED-Strom
linear von 0 bis 380mA geregelt.

Die analoge Ansteuerung hat den Nachteil, dass weiße LEDs bei geringen
Helligkeiten grünlich leuchten. Deswegen ist es oft besser, die LED ohne
Tiefpass direkt mit dem (stromverstärkten) PWM-Signal anzusteuern. Das
geht am einfachsten über einen Mosfet und einen LED-Vorwiderstand.

Autor: Max (Gast)
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Thomas Klima schrieb:
> die Forderung nach Rail to Rail ist doch Unsinn.

> du fährst den Ausgang nur von 0..5V bei einer Versorgung von +-12V, da
> brauchst kein RtR.

Wenn ich die Verstärkung von 2,4 weglasse dann ja!


> und bei Versorgung GND-12V brauchst auch kein RtR, sondern einen Opamp
> mit Input Common Mode Range including Ground.

Was ist ein Input Commoun Mode Range including? Was macht das? Der L165 
hat das ja!

byte schrieb:
> Aber Vorsicht... soweit ich noch in erinnerung habe schwingt der L165
> gern.. (ähnlich dem TDA2030) insbesondere bei kleinen Verstärkungen
> (<22).

Ich habe ja eine Verstärkung von 1. Aber was genau heißt nun er 
schwingt? Wie steuert man dagegen?

Autor: Max (Gast)
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Yalu X. schrieb:
>> Was soll denn mit der Schaltung gesteuert werden?
>
> Wenn du es nicht verraten möchtest, werde ich selber mal raten ;-)

Ich weiß es klingt doof, aber es ist so wie ich es gesagt habe. Ich 
möchte einfach eine von mir regelbare Stromstärke (aus meinem 12V 
Spannungsregler) über einen Widerstand schicken. Diese Stromkennlinie 
schau ich mir dann mit dem Oszi an... klingt wie gesagt doof ist aber so 
;-).

Autor: Max (Gast)
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Sorry für den Dreifachpost!

Aber die Schaltung gefällt mir trotzdem. So umgehe ich ja den L165 
nehmen zu müssen. Vielen Dank!!!

Ich muss den Strom nur aus meinem 12 Volt Netz ziehen. Dafür setze ich 
einfach noch Widerstände am OP (-Eingang) ein, um ein Verstärkung mit 
dem Faktor 2,4 zu haben oder?


Nur mal zum Nachvollziehen:
1.Wie berechnet man die Widerstands und Kondensatorwerte am +Eingang des 
OP?
2.Welchen Zweck erfüllt R3? Ich hatte schon eine PWM SChaltung im 
Einsatz ohne diesen Widerstand

Masterfrage:
Mit was für einem Programm hast du das Bild von dem SChaltungsentwurf 
oben gemacht?

lg Max

Autor: byte (Gast)
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Max schrieb:
> Ich habe ja eine Verstärkung von 1. Aber was genau heißt nun er
> schwingt? Wie steuert man dagegen?

Is schon lange her. Aber es müsten einige Beiträge hier im Forum dazu 
rumschwirren. Es gibt Beschaltungen mit R/Cs und soweit ich weis auch 
einen Trick mit einem Widerstand damit man ihm das schwingen abgewöhnen 
kann. In den Datenblättern der L165 bzw. TDA2030 müsts auch drinstehen. 
Stark vereinfacht gesagt => Die Rückkopplung is halt so schnell, das bei 
einer "Störung" der Kollege völlig ausflippt und keinen Stabilen Zustand 
erreicht.

Allgemein kannst auch die Wald und Wiesen OPV LM358/LM324 mit einem 
Transistor/Motzfet verstärken. Sieht ähnlich wie die Schaltung oben aus. 
Siehe Datenblätter der OPs, Grundlagen hier in den Artikeln, bzw. im 
Forum steht auch was dazu. => Suchen

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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> Ich muss den Strom nur aus meinem 12 Volt Netz ziehen.

Die Schaltung funktioniert ohne Änderung bis etwa 30V, also auch mit
12V.

> 1.Wie berechnet man die Widerstands und Kondensatorwerte am +Eingang
> des OP?

R1, C1, R2 und C2 bilden einen Tiefpass 2. Ordnung. Ich habe gerade die
genaue Formel für die Grenzfrequenz nicht im Kopf. Wenn aber R1*C1=R2*C2
ist, dann ist, ganz grob gerechnet, fg = 1/(2*pi*R1*C1). Sie sollte auf
jeden Fall deutlich unter der PWM-Frequenz liegen, damit die Welligkeit
des Ausgangsstroms der Schaltung gering bleibt. Bei der Dimensionierung
habe ich einfach deine Werte genommen, und R1 durch 10 dividiert und C2
mit 10 multipliziiert, um einen etwas schärferen Knick im Frequenzgang
zu erhalten.

> 2.Welchen Zweck erfüllt R3? Ich hatte schon eine PWM SChaltung im
> Einsatz ohne diesen Widerstand

Er war dazu gedacht, die Eingangsspannung am OpAmp auf etwa 1,4V  und
damit den Ausgangsstrom auf etwa 350mA zu begrenzen, um zu verhindern,
dass die (fälschlicherweise angenommene) LED zerstört wird. Ich sehe
aber gerade, dass er natürlich auch die Filtereigenschaften negativ
beeinflusst, also lass ihn einfach weg.

> Masterfrage:
> Mit was für einem Programm hast du das Bild von dem SChaltungsentwurf
> oben gemacht?

Mit Eagle.

Autor: Max (Gast)
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Ich lese aus dem Datenblatt des LM358 leider nicht heraus, dass es ein 
Rail to Rail OP ist. Das heißt doch, dass ich niemals bei einer 
Versorgungsspannung von 12V eine Ausgangspannung von 12 V erreichen 
kann?!

Ein rail to rail OP wäre der TS912. Kann ich den beispielsweise 
ersatzweise nehmen? Oder gibt es noch weitere Auswahlkriterien?

Yalu X. schrieb:
>> Ich muss den Strom nur aus meinem 12 Volt Netz ziehen.
>
> Die Schaltung funktioniert ohne Änderung bis etwa 30V, also auch mit
> 12V.

Also kann ich den OP hier auch als nichtinvertierenden Verstärker 
einsetzen? (Widerstände einbauen) Dann bekomme ich aus meinem 5V PWM 
Signal eine 12 V DC Spannung?!

Autor: Thomas Klima (rlyeh_drifter) Benutzerseite
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1, der LM358 braucht nur genug Spannung liefern damit der Transistor 
ordentlich aufsteuert, dazu reicht die Spannung an R4+2*Ube.  Also 
wieder nix mit RtR.

2, du wolltest doch nur den AusgangsSTROM einstellen, warum plagt dich 
die Spannung so?

3, Was zum Grübeln: Die Schaltung ist eine Stromquelle und hat einen 
OpenCollector Ausgang, damit kannst ohne Probleme auch eine Spannung von 
12V am Ausgang erzielen, wennst nur die Last niederohmig genug machst 
und gegen 12V schaltest.

Autor: Max (Gast)
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Thomas Klima schrieb:
> 1, der LM358 braucht nur genug Spannung liefern damit der Transistor
> ordentlich aufsteuert, dazu reicht die Spannung an R4+2*Ube.  Also
> wieder nix mit RtR.

Apropo...wie wird denn überhaupt garantiert, dass der Transistor 
aufsteuert???

Thomas Klima schrieb:
> 2, du wolltest doch nur den AusgangsSTROM einstellen, warum plagt dich
> die Spannung so?

Ich möchte wissen was die maximale Ausgangspannung ist, damit ich meinen 
Widerstand dimensionieren kann.

Autor: naja (Gast)
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Max schrieb:
> Ich möchte wissen was die maximale Ausgangspannung ist, damit ich meinen
> Widerstand dimensionieren kann.

Den Vorwiderstand vor der LED?
Die Konstantstromquelle spielt Vorwiderstand.



(Noch als Hinweis zum L165: Verstärkung von 1 funktioniert nur für 
Gleichspannungs-/ -stromverstärkung, nicht bei Wechselgrößen. Dabei wird 
Schaltungstechnisch eine höhere Verstärkung für Wechselgrößen 
dimensioniert.)

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Max schrieb:
> Ich möchte wissen was die maximale Ausgangspannung ist, damit ich meinen
> Widerstand dimensionieren kann.

Liegt am nichtivertierenden OpAmp-Eingang die Spannung Ue an, so ist der
Ausgangsstrom

  Ia = Ue/R4

Mit Ue kann man also den Ausgangsstrom proportional einstellen.

Das funktioniert natürlich nur solange, wie die Schaltung auch die
benötigte Spannung am Lastwiderstand bereitstellen kann. Es ist klar,
dass ein großer Widerstand (z.B. 1kΩ) in Verbindung mit einem großen
Sollstrom (z.B. 1A) Probleme machen, weil man im Beispiel eine Spannung
von 1kΩ·1A=1000V aufbringen müsste.

Wie groß ist nun die maximale Spannung, die die angegebene Schaltung
aufbringen kann?

Nehmen wir die Dimensionierung mit R4=3,9Ω und eine Versorgungsspannung
von 12V an. Bei einem Strom von 350mA fallen an R4 1,4V und an T1 etwa
0,8V¹ ab, also bleiben am Lastwiderstand noch 9,8V übrig. Der Lastwider-
stand sollte also nicht größer als 28Ω sein. Ist er größer, geht sinkt
der Strom von 350mA auf einen kleineren Wert.

Man kann die maximale Spannung noch etwas erhöhen, indem man R4 kleiner
macht¹ und/oder den Darlingtontransistor durch einen Mosfet ersetzt.
Größere Verbesserungen erreicht man aber nur dadurch, dass man die
Versorgungsspannung deutlich erhöht.

¹) lt. Datenblatt Fairchild
²) Dann muss aber auch Ue entsprechend kleiner werden, um den gleichen
   Ausgangsstrom zu erzeugen.

Autor: Max (Gast)
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Ok super vielen Dank! Dann steht die Seite rechts von meinem OP fest 
;-)!!!

So und noch (hoffentlich) die letzte Frage:

Bei Änderung meines 8bit PWM Signals bekomme ich ja, wenn ich genau 
hinschaue, eine nahezu rechteckige Stromkurve (Treppenförmig).

Wenn ich aber die Kondensatoren groß genug wählen würde, würde doch die 
Spannung an meinem invertierenden OP Eingang langsamer ansteigen. 
Folglich würde sich mein Strom auch nicht sprunghaft verhalten, sondern 
er würde ebenfalls (relativ) langsam ansteigen!

Funktioniert das so wie ich mir das vorstelle? Welche Werte für die 
Kondensatoren wären sinnvoll? Könnte ich theoretisch sogar Elkos 
einsetzen?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Max (Gast)

>Bei Änderung meines 8bit PWM Signals bekomme ich ja, wenn ich genau
>hinschaue, eine nahezu rechteckige Stromkurve (Treppenförmig).

Ja.

>Wenn ich aber die Kondensatoren groß genug wählen würde, würde doch die
>Spannung an meinem invertierenden OP Eingang langsamer ansteigen.
>Folglich würde sich mein Strom auch nicht sprunghaft verhalten, sondern
>er würde ebenfalls (relativ) langsam ansteigen!

Ja.

>Funktioniert das so wie ich mir das vorstelle?

Ja, macht man aber dennoch eher selten.

> Welche Werte für die
>Kondensatoren wären sinnvoll?

Keine Ahnung wie schnell/langsam für dich OK ist.

> Könnte ich theoretisch sogar Elkos einsetzen?

Ja.

MFG
Falk

Autor: Max (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
>> Welche Werte für die
>>Kondensatoren wären sinnvoll?
>
> Keine Ahnung wie schnell/langsam für dich OK ist.

Die Frage ist dabei, wie man die Geschwindigkeit dessen berechnen kann.

lg Max

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