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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strom messen mit Shunt und LM358


Autor: fbeek (Gast)
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Hallo Leute,

ich würde gern den Strom messen der durch die 12V meines kleinen 
Bastelnetzteils fliesst. Dazu habe ich in die 12V Schiene einen 0.12Ohm 
5W Widerstand eingebaut. Nun muss ich die Spannung die an diesem Abfällt 
ja verstärken um sie mit dem ADC meines Atmega8 messen zu können.

Da ich ne Menge LM358N OpAmps hier rumliegen habe würde ich gerne einen 
davon dazu verwenden.

Ich denke ich muss diesen als Differenzverstäker beschalten.Da ich noch 
nie mit OpAmps gearbeitet habe bekomme ich es nicht hin die Widerstände 
zu dimensionieren.

Könnte mir jemand von euch hilfestellung geben?

Der Maximale Strom liegt bei 2A und der ADC nutzt 5.00V als 
Referenzspannung.

MfG

Florian

Autor: astroscout (Gast)
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Wo hast du den Shunt eingebaut?
Wenn du ihn gegen Masse gelegt hast, dann kannst du auch einfach einen 
nicht-invertierenden Verstärker nehmen. Dieser lässt sich sehr einfach 
berechnen.

Ansonsten kannst du dir die Sache vereinfachen, indem du alle 
Widerstände beim Differenzverstärker gleich wählst (z. B. 1kOhm) und 
dahinter einen Invertierenden bzw. nicht-invertierenden Verstärker 
hängst.

Autor: Michael (Gast)
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Du könntest aus den 5V mittels Spannungsteiler dem ADC auch eine 
Referenzspannung mitgeben, die den 2A entsprechen (hier also 0.24V). 
Dann musst du dich nicht mit Kompensationen am OP rumschlagen und was es 
noch so da gibt ;)

Autor: fbeek (Gast)
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Guten Morgen,

der Shunt ist wie folgt eingebaut:

VCC 12V->Shunt->Last->GND

Das Problem ist das ich noch andere Werte aufnehme welche von 0-5V 
laufen weshalb ich nicht einfach die Referenzspannung ändern kann.

Das mit der "Doppelverstärker" wäre eine möglichkeit. Der Lm358 hat ja 2 
OpAmps eingebaut.

Wenn ich das richtig verstehe, würde der Diff.verstärker den Bezugspunk 
ändern so das ich die Spannung gegen GND messen kann und der nicht 
Inv.verstärker verstärkt mir dann das Signal oder?

Danke schon mal

fbeek

Autor: Hc Zimmerer (mizch)
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Die Untergrenze der Referenzspannung beim Mega8 beträgt 2 V, also wäre 
0,24 V Vref ohnehin ein Holzweg.

Autor: BMK (Gast)
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Die Eingänge vom LM358 können keine Signale verarbeiten,
die nahe (oder direkt) an +Vcc liegen, da muss mindestens
1,5V Abstand nach unten sein.

Stichwort: 'Input Common-Mode Voltage Range'

Highside-Messung geht so nicht. Low-Side Messung wäre möglich.

Autor: fbeek (Gast)
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Also,

 ich habe mal eine kleine Spice Simulation gemacht. Dabei hab ich einen 
Differenzverstärker und einen nicht Invertierenden Verstärker benutzt. 
Alle der Diff.ver. hat eine Verstärkung von 10 und der andere eine von 
2. Damit würde meine zu messende Spannung von 200mV bis 4.5 V bei einem 
Strom durch den Shunt von 59mA bis 1,96A. So genau muss es ja nicht 
sein. Ich will den Verbrauch nur abschätzen können.

Flo

Autor: Franz B. (byte)
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Es gibt eine einfache Schaltung zu dem Thema. Ich habs jetzt gerade 
nicht da, aber prinzipiell müste es die gleiche wie die Innenschaltung 
des INA138 sein. (Siehe Deckblatt)

=> http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina138.pdf

Der Baustein währ ideal für sowas. Aber das kann man auch mit normalen 
OPV nachbilden (358)... entsprechen mit ein paar Nachteilen. Da du nur 
12V hast könnte es gehen. Du müstest VCC für den OPV VOR deinem 12V 
Spannungsregler abgreifen soferns einen gibt. (max 32V) Oder du nimmst 
einen "OverTheTop" OPV.

Wobei sich die Frage stellt wie deine Schaltung überhaupt aussieht. Weil 
so kann man nicht sagen wo und wie man so eine Schaltung integrieren 
kann/soll. Aber grundsätzlich kann man sagen das Highside-Strommessung 
bei relativ niedrigen Spannungen noch mit "Bastelkiste" machbar ist.

Autor: fbeek (Gast)
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Ok also vor dem Shunt sitzt ein 78S12 welcher aus einem 19V Notebook 
Netzteil
(Ich weiss das ist verschwendung aber geht im moment nicht anders) 
gespeist wird. Ich soll den Opamp also mit den 19V speisen um die 
Signale überhaupt erst bearbeiten zu können. Das heisst sagen wir ich 
betreibe den OpAmp mit 19V dann kann ich Eingangssignale bis 17,5 Volt 
verarbeiten wenn ich richtig verstehe oder?

Autor: derWarze (Gast)
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Zur Messung in der Highside verwendet man meist die angehängte 
Schaltung.
Im Datenblatt des LM358 könnte eine ähnliche Schaltung sein.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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Hallo,

da war "derwarze" etwas schneller. Anbei trotzdem meine Version der 
Schaltung.
Ich bin jedoch auch der Meinung, dass ein LM358 nicht der richtige OPV 
ist.
(wegen :Stichwort: 'Input Common-Mode Voltage Range').
TL082 o.ä. tut es aber (evt. auch MC1458).

Durch den Einsatz eines 5K Potis als R11 lässt die Schaltung sich dann 
auch prima abgleichen.


Gruss Klaus

Autor: Franz B. (byte)
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fbeek schrieb:
> Ok also vor dem Shunt sitzt ein 78S12 welcher aus einem 19V Notebook

Theoretisch... müstest du den Shunt sogar vor den Spannungsregler 
setzen. Weil dir an dem Shunt entsprechend Spannung abfällt und nicht 
ausgeregelt werden kann. Aber ich denke bei dir wirds nicht so genau 
gehen.

> betreibe den OpAmp mit 19V dann kann ich Eingangssignale bis 17,5 Volt
> verarbeiten wenn ich richtig verstehe oder?

So kann man das grob stehen lassen. Das Problem ist aber auch der 
"untere" Bereich. Id. Regel können nur Rail2Rail OPVs den kompletten 
Bereich nutzen. Es könnte sein das der 358 nicht ganz auf 0V 
runterkommt. (Abhängig von der Last am Ausgang des OPV). Da ein 
Transistor damit angesteuert wird, müste es trotzdem Funktionieren. 
Könnte aber bei falsche Dimensionierung ein Problem verursachen.

derWarze schrieb:
> Zur Messung in der Highside verwendet man meist die angehängte
> Schaltung.
> Im Datenblatt des LM358 könnte eine ähnliche Schaltung sein.

Das is die Variante mit dem FET. Mann muss wie gesagt auf VCC aufpassen. 
Das kann so nicht jeder OPV. Meines Wissens nach kann das zb. der 741, 
301 aber die neueren 358, 324 nicht. (aus der Bastlerkistenfraktion)

Autor: fbeek (Gast)
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Ok ich habe nun mal diese Version simuliert und dann komm ich bis auf 
2.4 V bei 2 Amp und 0,2V bei ca. 60 mA. Aber das kann ich ja immernoch 
anheben mit den 2ten OpAmp der im Gehäuse sitzt.

Du hast natürlich recht mit der Regelung da habe ich geschlafen :-).

Kennt einer das B gegenstück zum 2n3904?

Autor: Franz B. (byte)
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fbeek schrieb:
> Aber das kann ich ja immernoch
> anheben mit den 2ten OpAmp der im Gehäuse sitzt.

Wieso anheben? Du must nur die Widerstände endsprechend anpassen. Dann 
bekommst du was du haben willst.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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>Theoretisch... müstest du den Shunt sogar vor den Spannungsregler
>setzen. Weil dir an dem Shunt entsprechend Spannung abfällt und nicht
>ausgeregelt werden kann. Aber ich denke bei dir wirds nicht so genau
>gehen.


... eher nicht.
eine gute Idee wäre aber die Versorgung des OPV vor dem Spannungsregler 
abzunehmen und den Shunt hinter den Regler zu setzen.

Gruss K

Autor: fbeek (Gast)
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Stimmt, sorry mein Fehler.

Ich werde es dann so machen.

Hat einer ne Idee was man mit dem freien OpAmp noch machen könnte? Der 
muss ja nicht brachliegen?

Autor: Franz B. (byte)
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Klaus De lisson schrieb:
> ... eher nicht.
> eine gute Idee wäre aber die Versorgung des OPV vor dem Spannungsregler
> abzunehmen und den Shunt hinter den Regler zu setzen.

Deswegen hab ich ja ursprünglich geschrieben das es bei seiner Schaltung 
ohne Probleme funktionieren könnte, wenn er VOR dem Regler VCC abgreift. 
Da er den Shunt ja nach dem Regler hat. Aber da wusten wir ja noch nicht 
was für einer das ist. Hätt ja auch einer mit seperaten Feedback sein 
können (>=4 Beinchen)

Ich habs halt der Ordnunghalber mal erwähnt. Solange Rshunt so klein 
ist, machts fast nix aus. Aber er sollte schon wissen das bei 2A dann 
nur noch 11,76V rauskommen.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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klar !

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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So wie in der angehaengten Schaltung kannst du deine Strommessung 
machen.
Der ersdte Verstaerker U1 bildet die differenz die am 0.12 Ohm 
Widerstand abfaellt gegen 0 ab. Der 2. Verstaerker macht daraus deine 5V 
fuer den ADC.
Da der LM358 nicht bis an die Versorgung kann ist der 1. OP hier nur als 
1x Verstaerker beschaltet. Dadurch liegen beide Eingange auf UB/2 . 
Dafuer muss dann der 2. OP deine noetige Verstaerkung bis 5V aufbringen. 
Allerdings sei gesagt das er nicht bis auf 0V runterkommt.

Autor: apfelmännchen (Gast)
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Hab schon mal einen Stromspiegel mit dem LM358 gemacht.

Wie schon erwähnt, braucht der LM358 eine Versorgungsspannung, die 1.5V 
über den Eingangssignalen liegt.

Deshalb hatte ich den 2. OPV als Rechteckgenerator beschaltet und habe 
damit DIE EIGENE Versorgungsspannung über eine Verdopplerschaltung auf 
ca. 20V erhöht.

Einfacher gehts aber sicher mit nem R2R Verstärker.

Autor: Franz B. (byte)
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Helmut Lenzen schrieb:
> Allerdings sei gesagt das er nicht bis auf 0V runterkommt.

Eben. Das Problem hat er mit der obrigen Schaltung (3 Varianten) nicht.. 
und er spart sich einen OPV (den man dann für andere Zwecke benutzen 
kann) Dieses Schaltungsschema is eher die Bastelkistenversion (für 
Normalsterblich erhältliche Bausteine) für höhere Spannungen.

Autor: apfelmännchen (Gast)
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Differenzverstärker hat gegenüber Stromspiegel einen Nachteil:

1% Toleranz bei den Spannungsteilern verursacht einen Fehler von 1% von 
12V, also 120mV. Also einen Fehler von +-1A in der Messung.

Autor: fbeek (Gast)
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Hallo, ich habe die Schaltung von Klaus de Lissen nun nachgebaut.

Aber wie Rechne die Werte nun in eine Ampere Angabe um?

MfG

Flo

Autor: HildeK (Gast)
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Er hat zwar die Formel hingeschrieben, aber da sind noch ein paar 
Unstimmigkeiten drin.
Die Spannungen an R1 und R3 sind gleich groß, also fließt durch R3 der 
Strom Iout * R1 / R3. Dieser Strom fließt auch durch R11 (vorausgesetzt 
du nimmst die Spannung an R11 hochohmig ab).
Damit wird die Spannung an R11 zu
U_R11 = R11 * Iout * R1 / R3.
Mit der vorliegenden Dimensionierung also 1V pro Ampere Ausgangsstrom.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Mit dem angegebenen TL082 funktioniert die Schaltung allerdings nur,
wenn die Versorgungsspannung V+ des Opamps mindestens 2V größer als +IN
ist. Möchtest du den Opamp direkt an +IN betreiben, muss es einer mit
Rail-to-Rail-Input sein.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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@Yalu X.

.. das glaube ich nicht. tl082 kann am eingang bis +UB.

gruss k

Autor: mhh (Gast)
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Klaus De lisson schrieb:
> .. das glaube ich nicht. tl082 kann am eingang bis +UB.

Geht - ja. Aber vom Hersteller nicht garantiert. Kann also auch mal ein 
Exemplar nicht funktionieren.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Klaus De lisson schrieb:
> .. das glaube ich nicht. tl082 kann am eingang bis +UB.

Ja, da hätte ich wohl vorher mal ins Datenblatt schauen sollen ;-)

Garantiert sind zwar nur ±11V Eingangsspannung bei ±15V Versorgungs-
spannung, aber das Schematic sieht so aus, als ob die +15V nur dann
nicht erreicht würden, wenn die Eingangs-FETs extrem verkrüppelt sind,
was sicher äußerst selten der Fall ist.

Trotzdem würde ich, wenn ich die Schaltung verkaufen wollte, mit einem
Rail-to-Rail-Input, bei dem am besten noch ein paar 100mV Over-the-Top
garantiert sind, ruhiger schlafen.

Autor: Franz B. (byte)
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Also wie gesagt... die alten 741, 301 etc können das Prinzipiell. 
Ausserhalb der Spezifikationen, aber es geht. Daszu steht was auf den 
ELKO-Seiten. Sehr interessant uns Ausführlich.
=> http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Oder halt dann sowas...
=> 
http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H...

Da gibts von den LTs ein paar nette "Over the Top" OPVs die einiges 
vertragen am Eingang.

Autor: GB (Gast)
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http://www.diodes.com/zetex/_pdfs/3.0/appnotes/apps/an32.pdf
Die Schaltung lässt sich auch mit Einzeltransistoren realisieren, ist 
dann nicht ganz so genau...

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