INA152 und TINA TI

[Christian B. (chbalnuweit)]

Hallo,

ich habe mir eine Schaltung ausgedacht, die eine Differenzspannung 
verstärken und dann mit einem Offset versehen soll.
Dazu nutze ich den TI INA152. Meine Schaltung habe ich vorher mit dem 
Tool TINA von TI simuliert und dort hat sie funktioniert wie gewünscht.

In der Simulation gebe ich in diesem Beispiel 0V auf den Eingang und am 
Ausgang liegt demzufolge nur der Offset von 1,65V an, wie ich ihn mit 
Hilfe des Spannungsteilers einstelle.

In der Realität liegen nun aber 2,55V am Ausgang des INA152 an obwohl 
die Differenzspannung am Eingang 0V ist. Die Referenzspannung an Pin 1 
beträgt aber 1,65V (mit dem Multimeter gemessen).

Wo könnte der Fehler liegen?

Viele Grüße
Christian

[Achim S. (Gast)]

Wie hast du denn in der Schaltung die Differenzspannung am Eingang auf 
0V gelegt? Einfach indem du beide Eingänge kurzschließt und ansonsten 
offen lässt (wie in deiner Simulation).

Oder vielleicht indem du beide Eingänge auf 0V oder ein anderes 
Potential legst? Das macht einen Unterschied (kannst du auch in Tina 
ausprobieren, indem du Pin3 mit Masse verbindest).

Christian B. schrieb:
> ich habe mir eine Schaltung ausgedacht, die eine Differenzspannung
> verstärken und dann mit einem Offset versehen soll.

Ich fürchte, die Schaltung funktioniert nicht so, wie du dir das 
vorgestellt hast. Der Teiler als Quelle für U_ref ist schon etwas 
unschön (weil nicht ganz niederohmig), aber der 180kOhm in er 
Rückkopplung macht dir das gewünschte Differenzverstärker-Verhalten 
komplett kaputt. Für eine bestimmte Kombination der Eingänge 
(kurzgeschlossen und ansonsten nicht angesteuert) bekommst du zwar das 
gewünschte Ergebnis (wie du es auch simuliert hast). Aber für ziemlich 
alle anderen Eingangswerte liefert die Schaltung nicht das Ergebnis, das 
du dir erhoffst.

Schau dir in

http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker

den Abschnitt "Differenzverstärker" an. Wenn die Widerstände nicht die 
nötige Symmetrie aufweisen, dann erhältst du die erste, "komplizierte" 
Formel für die Ausgangsspannung (bezogen auf deinen U_ref Wert). Das ist 
wohl nicht, was du wolltest....

[Christian B. (chbalnuweit)]

Achim S. schrieb:
> Wie hast du denn in der Schaltung die Differenzspannung am Eingang auf
> 0V gelegt? Einfach indem du beide Eingänge kurzschließt und ansonsten
> offen lässt (wie in deiner Simulation).
>
> Oder vielleicht indem du beide Eingänge auf 0V oder ein anderes
> Potential legst? Das macht einen Unterschied (kannst du auch in Tina
> ausprobieren, indem du Pin3 mit Masse verbindest).

Ich messe die Differenzspannung über einem Shunt. Und wenn kein Strom 
durch den Shunt fließt, dann bin ich davon ausgegangen, dass die 
Differenzsspannung 0V beträgt.

> Christian B. schrieb:
>> ich habe mir eine Schaltung ausgedacht, die eine Differenzspannung
>> verstärken und dann mit einem Offset versehen soll.
>
> Ich fürchte, die Schaltung funktioniert nicht so, wie du dir das
> vorgestellt hast. Der Teiler als Quelle für U_ref ist schon etwas
> unschön (weil nicht ganz niederohmig), aber der 180kOhm in er
> Rückkopplung macht dir das gewünschte Differenzverstärker-Verhalten
> komplett kaputt. Für eine bestimmte Kombination der Eingänge
> (kurzgeschlossen und ansonsten nicht angesteuert) bekommst du zwar das
> gewünschte Ergebnis (wie du es auch simuliert hast). Aber für ziemlich
> alle anderen Eingangswerte liefert die Schaltung nicht das Ergebnis, das
> du dir erhoffst.
>
> Schau dir in
>
> http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker
>
> den Abschnitt "Differenzverstärker" an. Wenn die Widerstände nicht die
> nötige Symmetrie aufweisen, dann erhältst du die erste, "komplizierte"
> Formel für die Ausgangsspannung (bezogen auf deinen U_ref Wert). Das ist
> wohl nicht, was du wolltest....

Danke für die Erklärung! Es wundert mich nur, dass es in der Simulation 
funktioniert. ich habe es auch mit einem Sinus von +/-50mV (das 
entspricht der Größenordnung des zu erwartenden Spannungsabfall über dem 
Shunt bei +/-10A) Am Ausgang des INA152 kam dann ein Sinus mit 0-3,3V 
raus.

Und ja, bei 180kOhm in der Rückkopplung bin ich auch etwas stutzig 
geworden... =/ Ich hätte mich wohl nicht auf die Simulation verlassen 
sollen =/

Danke und viele Grüße,
Christian

[Helmut S. (helmuts)]

> Ich hätte mich wohl nicht auf die Simulation verlassen sollen =/

Falsch!

Du hättest das simulieren sollen was du wirklich aufbauen willst.
Dein realer Sense-Widerstand hängt nicht isoliert in der Luft sondern 
hat vermutlich einen Bezug zur Masse deiner Verstärkerschaltung. Genau 
diesen Sachverhalt hast du in deiner Simulation nicht betrachtet.

[Christian B. (chbalnuweit)]

Helmut S. schrieb:
>> Ich hätte mich wohl nicht auf die Simulation verlassen sollen =/
>
> Falsch!
>
> Du hättest das simulieren sollen was du wirklich aufbauen willst.
> Dein realer Sense-Widerstand hängt nicht isoliert in der Luft sondern
> hat vermutlich einen Bezug zur Masse deiner Verstärkerschaltung. Genau
> diesen Sachverhalt hast du in deiner Simulation nicht betrachtet.

Hmm... der Shunt ist in der Motorleitung eines Motortreibers (VNH3SP30). 
Allerdings ist momentan noch kein Motor angeschlossen. Daher bin ich 
davon ausgegangen, dass 0V Differenzspannung anliegen und 1,65V aus dem 
INA152 rauskommen müsste.

Ich mache morgen mal eine Simulation mit Spannungsquelle --> Shunt --> 
Last (Motor)--> GND

Gruß, Christian

[Helmut S. (helmuts)]

Wenn du 180kOhm in die Rückkopplung einbaust, dann musst du auch 180kOhm 
in Richtung deiner Referenzspannung einfügen. (Genau genommen musst du 
die 1k||2.2k abziehen.
Nur wenn beide Zweige völlig symmetrisch sind hat man die notwendige 
Gleichtaktunterdrückung.

[Christian B. (chbalnuweit)]

Verdammt ich denke da komm ich um eine neue Platine nicht drum herum =/
Ich habe es gerade nochmal mit Shunt, Last und Massebezug simuliert...

Was haltet ihr von der Schaltung im Anhang (ohne Isolationsverstärker)? 
Ich habe sie aus diesem Forumsbeitrag:
Beitrag "Trennverstärker für RedLab von Meilhaus"
Diese Schaltung verstärkt aber nur das Signal und verschiebt es nicht 
ins positive.

Oder ist es besser, das ganze "diskret" mit OPs aufzubauen und nicht so 
einen fertigen Shunt-Monitor zu verwenden?

Danke und viele Grüße,
Christian

[Bastler (Gast)]

Warum glaubst du, werden die 4R's von TI einzeln mit Laser getrimmt?
Sicher nicht, weil es egal ist, ob einer davon 40k oder 220k hat.
Wenn das Ding funktionieren soll, dann muß "sense" direkt an den Ausgang 
und "ref" an eine im Verhältnis zu 40k niederohmige Spannungsquelle, 
alternativ an eine 0Ω/0V Quelle, sprich an Masse. Dann hat man einen 
Differenzverstärker mit v=1. Braucht man mehr Verstärkung, dann müssen 
in beide Zweige, "ref" und "sense" identische Widerstände rein. Sind 
beide 40k, dann verstärkt das ganze 2fach. Sind die beiden 
unterschiedlich, so hat man vereinfacht unterschiedliche Verstärkung für 
den + und den - Eingang. Das kann gewünscht sein, ist es aber nur 
selten.

BTW, das ist mMn auch der Grund für das Schwingen von U.Radig's Netzteil 
bei Strombegrenzung. Dort gibt es eine High-Side-Strommessung per Shunt 
und einen "schrägen" Differenzverstärker, der nicht nur die 
Shuntspannung, sondern auch den Ripple auf dem Siebelko mißt. Nicht die 
100hz, sondern was die Stromregelung so an Reaktionszeit mitbringt: 
~50khz.

[Marc P. (marcvonwindscooting)]

Christian B. schrieb:
> Oder ist es besser, das ganze "diskret" mit OPs aufzubauen und nicht so
> einen fertigen Shunt-Monitor zu verwenden?

Warum nicht einen INA193 nehmen. Gleiche Firma, einfacher zu benutzen, 
weniger kritische Abgleicherei.

[Christian B. (chbalnuweit)]

Marc P. schrieb:
> Warum nicht einen INA193 nehmen. Gleiche Firma, einfacher zu benutzen,
> weniger kritische Abgleicherei.

Hm... mit dem INA193 kann ich aber den Strom nicht in beide Richtungen 
detektieren oder? Und wie bekomme ich da meinen Offset rein, damit ich 
ein rein positives Signal bekomme?

Wenn ich es richtig sehe, müsste die Schaltung im Anhang (aus dem INA193 
Datenblatt) genau das sein, was ich suche, richtig?

Gruß,
Christian

[Achim S. (Gast)]

Marc P. schrieb:
> Warum nicht einen INA193 nehmen.

Einen dedizierten Shunt-Monitor zu verwenden im Prinzip der richtige 
Ansatz. Das Dumme an den meisten dieser Dinger ist nur, dass sie im 
single supply Betrieb alle mehr oder minder ungenau werden, wenn das 
Signal gegen Null geht (der INA193 wird laut Datenblatt typisch beim 
300mV am Ausgang stehen bleiben.

Das Leben wird meist viel  einfacher, wenn man eine negative 
Hilfsspannung zur Verfügung hat. Mein Vorschlag wenns genau sein muss: 
die negative Versorgung zur Not mit einer Ladungspumpe erzeugen und dann 
mit einem dedizierten Current Shunt arbeiten.

Christian B. schrieb:
> Hm... mit dem INA193 kann ich aber den Strom nicht in beide Richtungen
> detektieren oder?

Ups, der Strom fließt in beide Richtungen? Hast du dann vielleicht auch 
positive und negative Versorgung für die Schaltung verfügbar?

Christian B. schrieb:
> Und wie bekomme ich da meinen Offset rein, damit ich
> ein rein positives Signal bekomme?

Das wird einfach (oder sogar unnötig) wenn du eine negative 
Hilfsspannung hast.

[Achim S. (Gast)]

noch ein kleines Post Scriptum: mit dem AD8210 kommst du wahrscheinlich 
auch ohne negat. Hilfsspannung aus. Der Strom darf in beide Richtungen 
fließen, und den gewünschten Offset kannst du über die beiden 
Ref-Eingänge einstellen.

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8210.pdf

[Christian B. (chbalnuweit)]

Achim S. schrieb:
> Ups, der Strom fließt in beide Richtungen? Hast du dann vielleicht auch
> positive und negative Versorgung für die Schaltung verfügbar?

Vielleicht habe ich auch die ganze Zeit einen Gedankenfehler:

Also ich habe eine +12V Spannungsversorgung und eine H-Brücke 
(Vollbrücke). Der Shunt sitzt in der Motorleitung zwischen den beiden 
Halbbrücken.
Je nach Ansteuerung fließt der Strom also "von links nach rechts" oder 
von "rechts nach links" und somit wird der Spannungsabfall am Shunt mal 
positiv und mal negativ sein. Oder habe ich einen Denkfehler?

Danke und Gruß, Christian

[Christian B. (chbalnuweit)]

Achim S. schrieb:
> noch ein kleines Post Scriptum: mit dem AD8210 kommst du wahrscheinlich
> auch ohne negat. Hilfsspannung aus. Der Strom darf in beide Richtungen
> fließen, und den gewünschten Offset kannst du über die beiden
> Ref-Eingänge einstellen.
>
> http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8210.pdf

Das sieht doch mal gut aus! Ich glaube den IC werde ich ausprobieren! 
Danke!!!

[Achim S. (Gast)]

Christian B. schrieb:
> Der Shunt sitzt in der Motorleitung zwischen den beiden
> Halbbrücken.

dann hast du soweit richtig gedacht: der Strom fließt mal in die eine 
und mal in die andere Richtung. Nicht ganz schön ist dabei noch, dass 
der Shunt mal an Vss und mal an Vdd hängt (oder sogar noch leicht 
außerhalb dieses Bereichs, wenn die Transistoren gerade abgeschaltet 
werden).

Willst du damit eine PWM-Stromregelung aufbauen? Oder wird die Brücke 
nur quasistatisch angesteuert und du misst den Strom nur zur 
Überwachung?

Im zweiten Fall könntest du den Shung auch "Oberhalb" der beiden 
High-Side Schalter einbauen (oder "unterhalb" der beiden Low-Side 
Schalter). In beiden Varianten würde der Shunt nur noch in einer 
Richtung durchflossen und würde mit einem Ende auf einem festen 
Bezugspotential hängen (Vdd oder Vss)

[Christian B. (chbalnuweit)]

Nein es soll eine PWM Stromregelung werden, und der Motor muss sowohl 
beschleunigt als auch gebremst werden können. Daher muss der Shunt 
leider in die Motorleitung...

[Achim S. (Gast)]

Christian B. schrieb:
> Nein es soll eine PWM Stromregelung werden, und der Motor muss sowohl
> beschleunigt als auch gebremst werden können. Daher muss der Shunt
> leider in die Motorleitung...

ok, dann musst du im Hinterkopf behalten, dass die Common-Mode 
Eingangsspannung des Shunt-Monitors Riesensprünge macht (sehr viel 
größer als das Differenzsignal). Der Shunt Monitor muss zunächst mal 
überhaupt mit diesem Common-Mode Bereich klarkommen, und außerdem muss 
er bei der PWM-Frequenz (und deren Oberwellen) noch eine ausreichende 
Common Mode Rejection haben, wenn du die Differenzspannung genau messen 
willst.

[Marc P. (marcvonwindscooting)]

Oh, fuer die Schaltung ist der INA193 nicht geeignet.

Achims Vorschlag mit den Shunts kann man bis zu einem gewissen Grad auch 
bei PWM anwenden, aber dann muss man schon befiltern. Nicht so schoen. 
Aber wenn dein Motor tatsaechlich deinem eingezeichneten 
Ersatzschaltbild folgt, dann waere es eine gangbare Alternative. Ich 
probier das mit einem EC-Motor, allerdings scheint der etwas 
komplizierter im Ersatzschaltbild zu sein:

Beitrag "BLDC: Strangstrom und Wirkleistung"

[Christian B. (chbalnuweit)]

Achim S. schrieb:
> ok, dann musst du im Hinterkopf behalten, dass die Common-Mode
> Eingangsspannung des Shunt-Monitors Riesensprünge macht (sehr viel
> größer als das Differenzsignal). Der Shunt Monitor muss zunächst mal
> überhaupt mit diesem Common-Mode Bereich klarkommen, und außerdem muss
> er bei der PWM-Frequenz (und deren Oberwellen) noch eine ausreichende
> Common Mode Rejection haben, wenn du die Differenzspannung genau messen
> willst.

Danke für die Hinweise. Ich bin immer wieder auf den Begriff "Common 
Mode" gestoßen, konnte den aber nicht so recht einordnen. Was genau ist 
damit gemeint und warum ist er ein vielfaches höher als die 
Versorgungsspannung? Ich vermute aufgrund der Induktivität der 
Wicklungen und das schnelle Ein- und Ausschalten durch die PWM?!
Der AD8210 kann "Common Mode" von -2V bis +65V. Weiterhin steht im 
Datenblatt etwas von Common-Mode Rejection und dahinter eine 
Dämpfungswerte in dB. Was hat es damit aufsich?

Weiterhin verstehe ich es im Datenblatt (S. 12 "Splitting the Supply") 
so, dass der Offset am Ausgang "automatisch" der halben 
Versorgungsspannung entspricht, wenn ich VRef1 an V+ und VRef2 an GND 
klemme. Habe ich das richtig verstanden?

Danke und Gruß,
Christian

[Achim S. (Gast)]

> Danke für die Hinweise. Ich bin immer wieder auf den Begriff "Common
> Mode" gestoßen, konnte den aber nicht so recht einordnen. Was genau ist
> damit gemeint und warum ist er ein vielfaches höher als die
> Versorgungsspannung?

Stell dir vor der Strom fließt in deiner Schaltung "von links oben nach 
rechts unten" (also T1 und T4 leiten). Dann fallen am Shunt vielleicht 
100mV ab, ein Ende des Shunts liegt auf 100mV, das andere Ende des 
Shunts auf ~0V. Die Gleichtaktspannung (common mode voltage) liegt ist 
der Mittelwert, also 50mV.

Jetzt sperrt T4 wegen der PWM und der Strom fließt von T1 über Motor, 
Shunt und die Substratdiode von T3. Am Shunt fallen immer noch 100mV ab, 
aber ein Ende liegt auf Ub+100mV+U_Diode, das andere Ende auf 
U_B+U_Diode. Der Mittelwert aus beidem (die Gleichtaktspannung) liegt 
jetzt auf U_B+U_Diode+50mV.

Dieser große Sprung der Gleichtaktspannung sollte von einem idealen 
Diffamp völlig ignoriert werden. Beim realen Diffamp wird er aber nur um 
den Wert des Common-Mode-Rejection Ratios (CMRR) schwächer verstärkt als 
die Differenzspannung.

Da das CMRR bei hohen Frequenzen (PWM + Oberwellen) immer kleiner wird, 
schlägt dir die schnell variierende Gleichtaktspannung auf den Ausgang 
durch.


> Weiterhin verstehe ich es im Datenblatt (S. 12 "Splitting the Supply")
> so, dass der Offset am Ausgang "automatisch" der halben
> Versorgungsspannung entspricht, wenn ich VRef1 an V+ und VRef2 an GND
> klemme. Habe ich das richtig verstanden?

Ja, passt.

[Marc P. (marcvonwindscooting)]

Christian B. schrieb:
> Der AD8210 kann "Common Mode" von -2V bis +65V. Weiterhin steht im
> Datenblatt etwas von Common-Mode Rejection und dahinter eine
> Dämpfungswerte in dB. Was hat es damit aufsich?

Das heisst, dass die Eingaenge nur so funktionieren wie gewuenscht, wenn 
sie beide zweischen -2V und +65V liegen. Ist einer oder beide 
ausserhalb, dann kann am OP Ausgang ALLES rauskommen. Im allgemeinen 
Fall eines OP inclusive 'phase reversal', d.h. die Ausgangsspannung 
taugt nicht mal mehr zum Sagen, ob der Strom jetzt positiv oder negativ 
ist :(

Und die Common-Mode Rejection sagt dir, wie wenig es dem OP ausmacht, 
wenn Du die Differenz-Eingangsspannung konstant haeltst aber die 
absoluten Werte variierst. Je grosser die Common-Mode Rejection desto 
idealer (Sorry fuer die Steigerung eines Superlativs) ist der OP.

-2V klingt nach etwas wenig fuer deine Anwendung...

[Christian B. (chbalnuweit)]

Ich danke euch für eure Erklärungen! Schönes Wochenende!