Hallo an alle
Meine Aufgabe für eine Hausarbeit ist es eine
Thermoelementverstärkerschaltung mit LTSpice zu simulieren.
Die Vorlage für die Schaltung ist angehängt.
Die Schaltung soll so dimensioniert sein, dass:
- am Ausgang eine Spannung von 0V bis 1V vorliegt
- Messtemperatur bei 0°C bis 400°C
- Klemmentermperatur 0°C bis 50°C
- Thermopaar NiCr - Ni
Die Widerstandsverhältnisse habe ich entsprechend der Aufgabenstellung
dimensioniert.
Hinweise zur Schaltung:
V1:
Simuliert die Klemmentemperatur und ist hier vorerst konstant auf "50°C"
eingestellt.
V2:
Simuliert die Messtemperatur, die Ausgangsspannung soll später in
Abhängigkeit von ihr dargestellt werden
B1:
Thermospannung. Die Formel ergibt sich durch die Eigenschaften des
gewählten Thermopaares und liegt zw. 0mV (0°C) und 14mV (400°C)
B2:
Simuliert einen KTY10
Nun zu meinem eigentlichen Problem:
So wie die Schaltung jetzt vorliegt bekomme ich am Ausgang eine Spannung
die zu hoch ist (etwa 4V, nur leichter Anstieg mit Temperatur)
Das kommt daher, dass vor dem letzten Elektrometerverstärker die
Spannung von ca. 2V bis 2,5V reicht, also 2V zu hoch
Versuche ich nun aber z.B. R13 höher zu machen simuliert mir das
Programm nichts mehr (es scheint als wäre das Stepen in einer
Endlosschleife).
Das gleiche passiert, wenn ich für die Klemmentemperatur etwas anderes
als 50°C einstelle.
Woran kann das liegen? Muss das Programm durch die Schwankungen der
Spannungsversorgung zu viel berechnen oder ist die Schaltung einfach
falsch bzw. ungünstig umgesetzt?
Ich bedanke mich schon einmal für alle Beiträge und wünsche frohe
Feiertage!
Der Operationsverstärker geht einfach in die Sättigung. Mehr als etwa
3,5-4 V kann der LM124 bei 5 V Versorgung nicht ausgeben - wie gut das
in der Simulation wiedergegeben wird hängt vom Modell ab. Die Schaltung
ist einfach nicht gut - schon der LM124 ist keine gute Wahl. Besserer
Ersatz wäre z.B. ein LT1014.
Mit einer kleinen Änderung (den KTY..) nach V- statt nach GND könnte es
vielleicht hinkommen, wenn man R11 passend wählt.
rocco schrieb:> Klopp den Mist in die Tonne.
Hast Du auch Ahnung von dem, wonach hier gefragt wurde, oder nur eine
mehr als niveaulose Antwort! Vielleicht solltest Du dein Umfeld, in dem
so ein Sprachgebrauch herrscht, mal wechsel.
Beste Grüße.
rocco schrieb:> Ein Thermoelement wird NIE mit einem 324 verstaerkt.
Falsch. In einer Simulation geht das problemlos und Du wirst damit
bei richtiger Schaltung vermulich sogar einen Fehler von weniger als
ein Nanograd erreichen. :-)
Gruss
Harald
Die Schaltung ist fast richtig. Nur die Verstärkung und der Offset des
KTY10-Verstärkers sind viel zu hoch. Der soll doch 0mV bis 125mV bei 0°
bis 50° machen. (400°C=1V)
Ich denke das erwähnte Konvergenz-Problem kommt hauptsächlich von der
virtuellen Masseschaltung.
(Allgemein empfehle ich als erstes mal eine normale +/-5V Versorgung und
den Opamp-Typ "UniversalOpamp2" zu verwenden. Wenn die Schaltung damit
richtig funktioniert, dann einen realen Opamp einsetzen.)
Danke für alle Beiträge!
Helmut S. schrieb:> Ich verstehe nicht wo deine 37uV/°C herkommen.
Laut meinen Unterlagen berechnet sich die Thermospannung:
U = (eA - eB) * (Tm-Tk)
eA = 2,2 mV / 100K ( Seebeck-Koeffizient NiCr bzgl. Platin)
eB = -1,5 mV / 100K ( Seebeck-Koeffizient Ni bzgl. Platin)
Klemmentemperatur sei hier = 0 , da diese durch die Schaltung
kompensiert wird
Dementsprechend wäre U = (2,2 mV/100K + 1,5 mV/100K ) * Tm = 0,000037 *
Tm
Dass der gewählte OPV in die Sättigung geht halte ich für sehr
plausibel.
Ich habe wie empfholen nun alle OPVs durch den UniversalOpamp2 ersetzt
mit einer idealen +/-5 V Versorgung.
Damit kann ich nun alles simulieren, aber das Ergebnis weicht immer noch
stark ab.
Ich weiß nun aber nicht, was ich anders dimensionieren soll, da aus dem
Punkt 3 schon meine gewünschten 0 - 1 V rauskommen, d.h. durch die
Kompensation der Klemmenspannung wird es doch immer verfälscht ?
Die Ausgangsspannung V(out) muss unabhängig von der Klemmentemperatur
werden. Dazu muss der Verstärker für die Klemmentemperatur richtig
dimensioniert werden.
Nachtrag:
Mann kann auch ° plotten. Siehe Bild.
Danke, deine Schaltung ist sehr aufschlussreich!
Anscheinend habe ich den Verstärker für die Klemmentemperatur völlig
falsch dimensioniert.
Aber wie kommst du auf einen so hohen Linearisierungswiderstand?
Habe mir den mit folgender Formel aus meinen Unterlagen berechnet:
RL = (2 * ( dR/dT)^2 )/ ( d^2 R/dT^2) - R(Tm)
> wie kommst du auf einen so hohen Linearisierungswiderstand?
RL kann so nicht stimmen. Er hat auch keinen Einfluss, da unten kein
Widerstand, sondern eine Spannungsquelle hängt.
>RL = (2 * ( dR/dT)^2 )/ ( d^2 R/dT^2) - R(Tm)
Das ist vermutlich die Formel um die Spannung am NTC zu linearisieren.
U=const1*(1+T*const2)
Schalte 5kOhm parallel zum KTY10 und bestimme die Widerstände am Opamp
neu. Damit bekommst du eine viel bessere Kompensation als in meiner
bisherigen Schaltung.
Versuch es erst mal selber. Ich werde dann später die Lösung zeigen.
> da unten kein Widerstand, sondern eine Spannungsquelle hängt.
Das was wie eine Spannungsquelle aussieht ist eine BV-Quelle die sich
wie R(T) des NTC-Widerstandes verhãlt.
Habe für RL nun 5k Ohm gewählt und dementsprechend neu dimensioniert.
Dabei kommen dann ähnliche Werte heraus wie in meiner ursprünglichen
Schaltung und dementsprechend ist auch die Kompensation.
Habe meine Berechnung mal angehängt, vielleicht ist mit dieser
Vorgehensweise auch etwas nicht in Ordnung
Das ist eine alter Hut! Je nach Temperaturbereich wird der KTY10 mit
einem Pull-Up von 5.1k bis 5.6kOhm linearisiert. Der Unterschied liegt
darin, ob z.B. von -30...70°C oder von 0...50°C linearisiert werden
soll.
Das nach GND schalten des 5k bildet mit dem Pull-Up eine neue
Spannungsquelle mit der Urspannung 0.68 Volt und der Ri des
Spannungsteilers beträgt 4.3k, was schon etwas zu niedrig ist.
Hallo,
hier mal ein Beispiel mit 5kOhm. Du kannst ja jetzt das Ganze mit
5,6kOhm statt 5kOhm nochmals verbessern.
Nachtrag:
Natürlich würde man da nie die Versorgungsspannung V+ für die Brücke
nehmen sondern eine präzise Referenzspannungsquelle mit kleinem TK.
Außerdem müssen die Widerstände 0,1% oder weniger Toleranz haben und
einen TK mit 25ppm oder besser weniger. Mit "popeligen" 1% Widerständen
und 100ppm braucht man da gar nicht anfangen.
OK, für den Aufbau in einer Schule bei 25+/-1Grad ist das natürlich
egal.
> Mit 1% Widerständen und 100ppm braucht man da gar nicht anfangen.
Die KTY10 selber streuen schon mit +/- 1.2°C. Eher würde ich den PULL-UP
abgleichbar machen. Dann kann dieser Fehler auch wegkompensiert werden.
Nimm meine letzte Schaltung inclusive dem Plotfile(.plt).
Wähle RL z. B. 20kOhm.
RUN
V(4)(blau) wird jetzt zu steil sein. deshalb ist die Summe V(out)(rot)
ansteigend.
1. Erhöhe/erniedrige R8 bis die rote Kurve ganz flach ist.
2. Die rote Kurve beginnt jetzt aber nicht bei 0V so wie es sein soll.
Deshalb erniedrige R6 bis die rote Kurve bei 0V beginnt,
Jetzt wird sie aber nicht mehr ganz flach sein.
Gehe zu 1. und wiederhole 1 und 2 so lange bis dir das Ganze gut genug
ist (rote Kurve flach genug und durch 0V).
Das ist natürlich eine Möglichkeit, aber darauf kann ich leider nicht
zurückgreifen, da ich die Dimensionierung der Schaltung auch rechnerisch
belegen muss.
Die Ausgangsspannung der Auswertungsschaltung der Klemmenspannung
berechnet sich doch nach:
Ua(x) = Ue(x) * ( 1 + R7/R8 + R7/R6) - R7/R6 * U0
mit
Ue(x) = U0 * R(x)/ ( R(x) * RL )
U0 = V+ = 5V
Und Ua(x) soll zwischen 0V (0°C) und 125mV (50°C) liegen.
Daher gibt es 2 Gleichungen zu lösen:
1) Ua(0°C) = 0 * U0
2) Ua(50°C)= 0,025 * U0
Diese Berechnung hatte ich vorher falsch gemacht, da ich für Messanfang
0,1 U0 und für Messende 0,9 U0 gewählt hatte
Mit RL = 4411 Ohm und R7 = 1 kOhm bekomme ich dann:
R6 = 12.5 kOhm und R8 = -1276.5 Ohm
Damit erreiche ich dann aber auch wirklich meine 0 - 0,125 V, aber ich
habe eben dann einen negativen Widerstand
Aber wenn ich mit diesen Widerständen doch auf meine 0 - 0,125 V komme,
dann verifiziert das doch die Rechnung
Oder ich lege wie du für RL einfach einen Wert fest und lineariesiere
mit dem Parallelwiderstand...das werd ich morgen ausprobieren
Nochmal vielen Dank für deine Mühe, aber du hilfst mir wirklich weiter
:)
Im Prinzip ist das ja genau das, was ich auch gerechnet habe, nur eben
noch ohne den Parallelwiderstand.
Der Grund, wieso ich einen negativen Wert für R8 bekommen habe liegt
daran, dass ich wohl Rv zu niedrig gewählt habe
Wieso nimmst du für Rv eigentlich 31.6 kOhm ?
Solange ich nur 125mV machen "darf" muss ich Rv>15kOhm nehmen.
Man könnte natürlich am Summenpunkt statt 10kOhm-10kOhm auch
10kOhm-20kOhm nehmen damit man auch mit Rv=10kOhm hinkommt. Da zielt man
dann auf 0V/250mV. Allerdings hatte ich den Eindruck dass die
Kompensationskennlinie dann einen größeren Bauch hatte. Probiere es halt
aus. Bedenke, dass der Temperaturmesswiderstand dabei mehr
Verlustleistung hat und sich damit mehr aufheizt.
Nachtrag:
Wenn Rv erniedrigt wird, dann muss Rp erhöht werden damit der Wert
Rp*Rv/(Rp+Rv) wieder auf ca. 5kOhm kommt um eine optimale Linearisierung
zu bekommen.
Ich habe mir nun 5.1 kOhm parallel geschaltet und Rv=20 kOhm gewählt.
Dementsprechend sind R6, R7, R8 dimensioniert und ich erhalte bis auf
einen kleinen Fehler von etwa 1mV dann auch meine 0 - 125mV.
Den Fehler erhalte ich wohl durch Rundungsfehler.
Jetzt bin ich wieder zum Ausgang zurück und habe die idealen Opamps
wieder durch den LM258 ersetzt.
Ist die Spannungsversorgung weiterhin ideal, dann bekomme ich nur einen
Offset, wenn ich die Spannungsversorgung aber auch wieder ersetze
bekomme ich wieder keine Simulation zustande.
Muss ich also doch einen anderen Opamp wählen? Die Schaltung sollte ja
nun richtig dimensioniert sein.
Wenn man den einen Opamp für die Spannungshalbierung durch den
UniversalOpamp2 ersetzt, dann funktioniert die Simulation. Es ist mir
nicht ganz klar warum. OK das LM358 Modell hat intern Elemente an Netz
0(Masse). Allerdings verstehe ich nicht warum das mit den zwei anderen
LM358 dann trotzdem funktioniert.
Dann nehme ich für die Spannungsversorgung vorerst den UniversalOpamp2
und werde mich dann mit meinem Prof kurzschließen.
Dann bedanke ich mich nochmal bei euch für eure Hilfe, insbesondere dir
helmuts, ihr habt mir sehr geholfen!
thermoelementverstaerker.jpg
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