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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OP Spannungsfolger/Impedanzwandler: Definiertes Verhalten mit offenen IN+ Eingang


Autor: Thomas (Gast)
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Hallo,

ich meinte eine triviale Fragestellung zu haben, jedoch habe ich leider 
dazu bisher nichts gefunden.
Folgendes ist meine Herausforderung:
Ein Messfühler (Poti) muss über ein Spannungsmessgerät von einem 
Innenwiderstand von 48KOhm gemessen werden. Das Messgerät ist gesetzt 
und somit habe ich mich entschieden zwischen Poti und U-Messung einen OP 
als Spannungsfolger zu setzen, so dass der Poti nicht belastet wird und 
die Messung exakt wird. Die Genauigkeit ist mir wichtig. Ich verwende 
den OP LM324N mit +-15V. Der Poti teilt eine Spannung von 9V. Der Poti 
wird extern eingesteckt (siehe Messsignale Klemmreihe). Die Schaltung 
tut zunächst das was sie soll.
Nun das Problem:
Wenn der Poti ausgesteckt ist und der Eingang des OP "in der Luft" 
hängt, dann bekomme ich eine Spannung von ca. 14V am Ausgang des OP. Das 
soll nicht sein. Meine beiden Lösungsansätze:
1. Ich begrenze die Spannung über eine Zenerdiode (Uz=9,1V) am Ausgang. 
Nachteil: Damit schließe ich den OP Ausgang quasi kurz und ziehe ca. 
50mA. Ich weiß nicht wie lange das der OP aushält.
2. Bisher gewählte Variante (siehe Schaltung). Ich setze einen 
hochohmigen Widerstand am Eingang, so dass ich meinen offenen IN+ 
Eingang vermeide (eine Art pull-down Widerstand). Nachteil: Der 
Lastwiderstand des Poti ist damit über den Pull down Widerstand 
bestimmt.

Fazit: Gibt es zu dem Problem eines offenen OP Eingangs eine andere 
Lösung, so dass ich bei einem Impendanzwandler/Spannungsfolger keine 
"Überspannung" am Ausgang bekomme?

Autor: Joachim K. (minifloat)
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Nimm doch z.B. folgende Konstellation:
+9V o
    |
   | |        |\
 <-------*----|+\     ___
   |_|        |  >---|___|--*---*---o V_out
    |      +--|-/     1k    |  _|_
GND o      |  |/            |    / Z-Diode 9.1V
           +----------------+  /_\
                                |
                            GND o
So kann die Ausgangsspannung nicht über 9.1V steigen und nicht unter 
-0.7V fallen.
mfg mf

PS: Der Spannungsfolger bleibt trotzdem ein Spannungsfolger, da die 
Ausgangsspannung ja direkt an V_out zurückgemessen wird. Dass die 
Z-Diode schon leicht unter 9.1V zu Begrenzen anfängt, macht deswegen 
fast nichts aus.

Autor: Joachim K. (minifloat)
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Das Problem des in der Luft hängenden Eingangs bleibt natürlich 
weiterhin bestehen. Damit der OP nun nicht wild zu Schwingen anfängt, 
vielleicht einen kleinen Kondensator(10nF oder so) parallel zum Eingang.
mf

Autor: Noname (Gast)
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Wenn du den Widerstand zwischen den invertierenden und 
nichtinvertierenden Eingang schaltest, belastet er das Poti nicht, da 
der OP die Ausgangsspannung auf die Eingangsspannung regelt. Wenn der 
Eingang offen ist, stellt sich am Ausgang eine Spannung nahe 0V ein.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Thomas schrieb:
> 2. Bisher gewählte Variante (siehe Schaltung). Ich setze einen
> hochohmigen Widerstand am Eingang, so dass ich meinen offenen IN+
> Eingang vermeide (eine Art pull-down Widerstand). Nachteil: Der
> Lastwiderstand des Poti ist damit über den Pull down Widerstand
> bestimmt.

Welchen gigantischen Widerstand hat denn das Poti, dass eine Last von
120MΩ ein Problem darstellt? Wenn das Poti wirklich so hochohmig ist,
dann ist der LM324 die falsche Wahl als Opamp, da auch dieser das Poti
belastet. Du bräuchtest dann einen Opamp mit FET-Eingängen.

Autor: MaWin (Gast)
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> so dass der Poti nicht belastet wird
> und die Messung exakt wird.
> Die Genauigkeit ist mir wichtig.
> Ich verwende den OP LM324N

Wenn dir die Genauigkeit wirklich wichtig wäre,
und du das Messobjekt tatsächlich nicht belasten willst,
dann wählst du doch nicht den allerbilligsten
Feld-Wald-Und-Weisen OpAmp den es auf der ganzen Welt gibt.

> 2. Bisher gewählte Variante (siehe Schaltung). Ich setze einen
> hochohmigen Widerstand am Eingang, so dass ich meinen offenen IN+
> Eingang vermeide (eine Art pull-down Widerstand).

Das ist vernünftig, und bei einem ordentlichen OpAmp tun es dabei sehr 
hochohmige Widerstände, nur ein wenig niederohmiger als die Isolation 
der Buchse vom Stecker und der Platine. Also 1 MOhm geht locker, 10 MOhm 
sollten kein Problem sein. 100MOhm sind realisierbar, und selbst 1GOhm 
könnte man schaffen.

Ich bin sicher, bei derartigen Widerstandswerten wird Messwert von
deinem Poti nicht zu stark verändert.

Nimm halt einen ordentlichen OpAmp. Es muss ja nicht gleich ein AD549L
sein, ein TLC279 tut's sicher auch schon, so präzise wie ein LM324 ist 
der auch.

Den AUSGANG mit einer Z-Diode KURZZUSCHLIESSEN ist jedenfalls überhaupt 
nicht klug. Wenn, dann der von Mini Float forgeschalgenen Vorwiderstand, 
oder gleich den OpAmp mit niehr mehr versorgen, asl rauskommen darf. Das 
geht mit Rail-To-Rail OpAmps problemlos, wie TS914.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Noname schrieb:
> Wenn der Eingang offen ist, stellt sich am Ausgang eine Spannung nahe
> 0V ein.

Hast du das ausprobiert? Ich würde sagen, dass dann die Spannung beim
LM324 ebenso in Richtung 13-14V geht. Was genau passiert, hängt aber
auch von der Größer des Widerstands und der Offsetspannung des Opamps
ab.

Autor: Noname (Gast)
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Hast recht, funktioniert nicht. Es wird ja nur die Offsetspannung 
verstärkt, die nicht zwangsweise negativ ist. War etwas zu kurz 
gesprungen.

Autor: Thomas (Gast)
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Yalu X. schrieb:
> Welchen gigantischen Widerstand hat denn das Poti, dass eine Last von
> 120MΩ ein Problem darstellt? Wenn das Poti wirklich so hochohmig ist,
> dann ist der LM324 die falsche Wahl als Opamp, da auch dieser das Poti
> belastet. Du bräuchtest dann einen Opamp mit FET-Eingängen.
Der Poti hat 1KOhm. Der max. zulässige Schleiferstrom ist <= 3mA, jedoch 
wird empfohlen ~0,1uA. Wie ich auch aus anderen Beiträgen herausgelesen 
habe, sollte ich meine OP Wahl noch mal überdenken. Bisher hatte ich 
darüber überhaupt noch nicht nachgedacht.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Thomas schrieb:
> Der Poti hat 1KOhm.

Dann vergiss die Belastung durch den 120MΩ-Widerstand :)

Schon bei 1MΩ ist der maximale Fehler durch die Belastung nur 0,025%.
Bei 10MΩ sind es 0,0025% und bei 100MΩ gerade noch 0,00025%!

> Wie ich auch aus anderen Beiträgen herausgelesen habe, sollte ich
> meine OP Wahl noch mal überdenken.

Diese Beiträge entstanden in der Annahme, dass dein Poti ein paar Zig
Megohm hat. Nimm einen 1MΩ-Widerstand, lass den LM324 drin und gut ist.

Autor: Thomas (Gast)
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Yalu X. schrieb:
> Dann vergiss die Belastung durch den 120MΩ-Widerstand :)
> Schon bei 1MΩ ist der maximale Fehler durch die Belastung nur 0,025%.
> Bei 10MΩ sind es 0,0025% und bei 100MΩ gerade noch 0,00025%!
Stimmt, Danke. Ich hatte es in dieser Klarheit nicht durchgerechnet. Ich 
wollte wohl päpstlicher sein als der Papst und bin am "vernünftigen" 
Ziel vorbeigeschossen. Die 10MΩ, die aktuell eingebaut sind, sind mehr 
als ausreichend (Der Fehler des über den Poti gemessenen Wegs entspricht 
hierbei 6µm!). Die 120MΩ bekam ich nur als winzige SMD Bauteil; ich 
denke, ich werde ihn dennoch ausprobieren.

> Diese Beiträge entstanden in der Annahme, dass dein Poti ein paar Zig
> Megohm hat. Nimm einen 1MΩ-Widerstand, lass den LM324 drin und gut ist.
Ein Danke an alle!

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