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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fehler bei Verstärkung kleiner als 10mV (OPV LF412N und LM339N)


Autor: Florian (Gast)
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Hallo zusammen. Ich versuche eine Schaltung zu realisieren, die einen 
Widerstand misst. Bei einem gemessenen Widerstand von 0 bis 0,1 Ohm soll 
eine grüne, ab 0,1 Ohm eine Rote Diode leuchten.

Gemacht habe ich folgendes: Eine Konstantstromquelle aus 2 Transistoren 
aufgebaut, die die Messleitung mit Strom versorgt. Die Stromquelle 
liefert 100mA. Die Spannung an der Messleitung soll nun über einen 
Komparator (LM339N) so ausgewertet werden, dass bei einer Spannung von 
10 mV der Komparator umschaltet. Also, über einen Spannungsteiler den 
-Eingang des Komparators auf 10mV eingestellt und die Messleitung an den 
+Eingang des Komparators geschaltet. Folgendes Problem tritt auf:

Der Komparator schaltet nicht wie er soll sofort von 0 auf 1, sondern 
der Übergang von 0 auf 1 ist in einem sehr großen Bereich. Die Diode 
dimmt, so zu sagen.

Nächster versuch war, das Ausgangssignal des Komparators zu verstärken. 
Mit einem OPV (LF412N) in einer nicht invertierenden Verstärkerschaltung 
mit den Widerstandswerten R2=100k und R1=10k sollte das Ausgangssignal 
verstärkt werden. Hier tritt  jedoch ein weiterer, für mich leider 
unerklärbarer Fehler auf: Sobald die Spannung am Eingang des Versärkers 
unter ca. 10mV sinkt geht das Ausgangssignal hoch, auf maximale 
Ausgangsspannung... Warum??

Wer hat eine Idee und kann mir helfen?
Noch eine Info: Versorgungsspannung aller Bauteile beträgt 24V (zu GND, 
also auch OPVs mit 24V und GND betrieben)

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Der Komparator schaltet nicht wie er soll sofort von 0 auf 1, sondern
>der Übergang von 0 auf 1 ist in einem sehr großen Bereich. Die Diode
>dimmt, so zu sagen.


Der Komparator schaltet auch nicht schlagartig um. Ein Komparator 
verstaerkt genauso wie ein normaler OP die Differenz zwischen seinen 
beiden Eingaengen und diese Verstaerkung hat auch nur einen maximalen 
Wert. Wenn dein Signal sich nun im mV Bereich bewegt dann ist das normal 
das sich der Ausgang nicht voll umschaltet. Auch wirst du Probleme 
bekommen mit der Offsetspannung der Bauteile. Am besten du verstaerkst 
erst einmal diese niederige Spannung mit einem OP der eine geringe 
Offsetspannung hat z.B mit dem guten alten OP07 . Erst danach kannst du 
mit einem Komparator die Spannung vergleichen. Die andere Moeglichkeit 
waere das mit einer Wechselspannung zu machen. Vorteil: Offsetspannungen 
spielen keine Rolle mehr . Nach dem Wechselspannungsverstaerker machst 
du eine Syncrongleichrichtung mit einem Analogschalter. Somit fallen 
auch alle Signale raus die nicht mit deiner Messspannung syncron sind. 
Danach kannst du dann den Vergleich anstellen.


Gruss Helmi

Autor: Florian (Gast)
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Danke für deine Antwort.
Leider habe ich Noch Problem nummer 2. Die Verstärkung des 
Eingangssignals habe ich ja bereits versucht. Jedoch liegt das ja 
zwischen 0...10mV. Mein OPV (LF412N) und andere die ich versucht habe 
(LM319N, LM318N, INA110KP) haben zwar so wie sie es sollten verstärkt, 
doch sobald das zu verstärkende Signal unter 10mV ging, ist der Ausgang 
der OPVs auf maximale Ausgangsspannung hochgegangen. Dies ist mir völlig 
unverständlich, da ich im Normalfall denke, dass die Ausgangsspannung 
Richtung 0V geht, wenn die Eingangsspannung ebenfalls in Richtung 0V 
geht. Mache ich einen Fehler im Berschalten?? (Im aAnhang die 
Eagledatei. Über Feedback zu dieser Beschaltung wäre ich sehr dankbar!)

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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@Florian

Bildformate

Ich kann deine Eagle Datei mit meinem Eagle nicht oeffnen.

Kannst du die bitte als PNG File posten.

Gruss Helmi

Autor: Tobi (Gast)
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Hi!

Nur am Rande:

Wie Helmut schon erwähnt hat gibt es Offsetspannungen! Der LM318 hat 
meines Wissens ein recht grosse Offstetspannung, ich glaub ca. 20mV oder 
mehr (nicht hauen, ich weiß es nicht genau).
Bei den anderen weiß ichs nicht --> schau mal im Datenblatt.
Du brauchst einen mit sehr niedriger Offsetspannung! Z.B. AD8601
Dann ist der Effekt normal, dass die Spannung irgendwann rauf geht.

Autor: Florian (Gast)
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Sorry, hier in PNG Form.

Ich wäre zudem sehr dankbar, wenn mir jemand ein Buch oder Infomaterial 
über OPVs empfehlen könnte. In meiner Elektronikvorlesung hatte ich 
einen Dozenten, der seinen Lehrauftrag völlig verfehlte. Bei meiner 
Suche nach Materialien zu OPVs finde ich meist nur Grundschaltungen usw. 
Genaue Erklärungen zu Biasstömen, Offsets (...) und vor allem bei realen 
OPVs die Kompensierung dieser fehlt mir total...

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Hallo Florian,

mit der Schaltung wird das nix.
Da spielen dir die Offsetspannungen zur sehr mit. Was du machst ist so 
ziemlich an der Grassnarbe zu horchen. Deine Spannung solltest du zuerst 
mit einen OP Verstaerken der eine niederige Offsetspannung und zwar 
wesentlich kleiner als deine 10mV. Oder du machst es wie in meinem 2. 
Vorschlag mit Wechselspannung. Und der Verstaerker hinter dem Komparator 
ist sinnlos der muss davor.

Gruss Helmi

Autor: Florian (Gast)
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>Nach dem Wechselspannungsverstaerker machst
>du eine Syncrongleichrichtung mit einem Analogschalter.

Hört sich gut an! Kann man über so eine Schaltung irgendwo etwas in 
Erfahrung bringen?? (Webseite, Buch etc.)

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Synchrongleichrichter oder auch Phasenempfindlicher Gleichrichter 
genannt.

Als Buch: Tieze-Schenck  Halbleiterschaltungstechnik Messschaltungen

Gruss Helmi

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Autor: Arno H. (arno_h)
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@Helmi1
Ist das nicht etwas überpowert für einen Widerstandsvergleicher?
Das Problem lässt sich imho besser in einer Brückenschaltung lösen.

Zur Literatur:
Eine Online Anlaufstelle ist das ElKo 
http://www.elektronik-kompendium.de/
Scripte sind auch eine gute Quelle, Google mal nach Marti und Goßner.
Ansonsten hat jeder Hersteller Application Notes und 
Schaltungssammlungen zum Download:
Ron Mancinis "OpAmp for Everyone": 
http://focus.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf
Weiter bei TI / BB:
http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract....
http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract....
http://focus.ti.com/analog/docs/analogtechdoc_hh.t...

Von Walt Jung (AD) gibt es das "Op_Amp_Applications_Handbook"

Linear hat Circuit Collections veröffentlicht: AN52, 66, 67, 84 und 87.

Arno

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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@Arno

Das Problem No1 ist und bleibt die Offsetspannung vom Komparator.
Auch der LM311 hat im Worstcase Fall 10mV Offsetspannung. Die Spannungen 
die Florian vergleichen moechte liegen nun mal im Bereich von 10mV. Da 
von einer stabil arbeitenden Schaltung auszugehen kann man vergessen. 
Man muss halt an der Stelle Bauteile einsetzen die deutlich eine 
Offsetspannung darunter haben. Oder man verwendet Schaltungen wo die 
Offsetspannugen keine Rolle spielen und das sind nun mal 
Wechselspannungsverstaerker.

Gruss Helmi

Autor: Arno H. (arno_h)
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Deswegen habe ich ja extra den LM311 vorgeschlagen. Im Gegensatz zum 339 
kann man hier den Offset kompensieren.
Bei der angehängten Schaltung dürfte die Stabilität der Betriebsspannung 
eigentlich keine Rolle spielen.
Bei entsprechender Spannungsversorgung ist der Einsatz von ICL7650 und 
ähnlicher OPV eine ernstzunehmende Alternative.
Deren Geschwindigkeit sollte für Normalbetrieb ausreichend sein.

Arno

Autor: HildeK (Gast)
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Ich weiß jetzt nicht, ob es auch Komparatoren gibt mit sehr geringer 
Offsetspannung, deshalb hätte ich einen Differenzverstärker (z.B. Faktor 
50 oder mehr) mit einem offsetarmen OPA vorgeschlagen. So hat z.B. Maxim 
welche bis herunter zu 2µV Eingangsoffsetspannung (MAX4238) - andere 
Hersteller sicherlich auch. Da wäre man wieder im grünen Bereich.
Danach einen Komparator - das könnte dann sogar ein zweckentfremdeter 
358 sein.

Selbst beim Einsatz der externen Kompensation beim 311 - wie stabil ist 
die Kompensation über den Temperaturbereich?

Autor: 3362 (Gast)
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Manuelle Offsetkompensation ist was von gestern. Allenfalls denkbar fuer 
einen Laboraufbau, aber dann sollten die Werte 100 mal besser sein. Ein 
Lowoffset OpAmp kostet ja nichts.

Autor: Florian (Gast)
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Also ist es wohl besser, das signal mit einem gescheiten OpAmp zuerst zu 
verstärken. Funktioniert das denn dann auch bis auf 0mV runter? Weil ich 
bis jetzt immer den Fehler hatte, dass sobald ich unter ca. 10mV kam die 
Ausgangsspannung statt weiter nach unten, komplett hoch zur maximalen 
Ausgangsspannung ist. (Liegt das wirklich nur am Offset???)

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Wie gesagt wie die anderen und ich dir schon gesagt haben versuch es 
erstmal mit einem Op mit niederiger Offsetspannung. Die  ganzen 
Komparatoren mit 10mV Offsetspannung funktionieren nicht gescheit.

Gruss Helmi

Autor: Michael (Gast)
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>Manuelle Offsetkompensation ist was von gestern. Allenfalls denkbar fuer
>einen Laboraufbau, aber dann sollten die Werte 100 mal besser sein. Ein
>Lowoffset OpAmp kostet ja nichts.

OffTopic:

Und wie gleicht man heute ab? Einfach nur LowOffset nehmen? Das kann 
zwar das Problem eventuell lösen, könnte mir aber vorstellen, dass es 
immer noch auch Offsetabgleiche gibt. Würde mich interessieren, da ich 
selbst auch grad mit Offsetabgleichen kämpfe und wenns da einen 
Königsweg gibt würde ich den gern nutzen.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Automatischer Abgleich mittels DAC und Prozessor waere zum Beispiel eine 
Moeglichkeit.

Gruss Helmi

Autor: Arno H. (arno_h)
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Die Kaliber werden größer, hi.
Hier soll doch nur ein einfacher Ja-Nein-Vergleich stattfinden.

Was mir noch aufgefallen ist:
Stromspiegel mit BD140 sind nicht wirklich der Brüller und 100mA über 
ein Trimmpoti halte ich für grenzwertig.

Mit Hilfe welcher Messgeräte werden denn die 10mV Vergleichsspannung in 
der Messschaltung eingestellt?

Wenn du die gepostete Messschaltung beibehalten musst, hast du nur die 
Möglichkeit, einen Widerstand mit dem Grenzwert einzubauen und den 
Umschaltpunkt danach mit P3 einzustellen. Damit kannst du die Fehler zum 
großen Teil kompensieren.

Arno

Autor: 3363 (Gast)
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Ich hab schon seit Jahren keinen Offsetabgleich mehr gemacht. Ich nehm 
jeweils einen so guten OpAmp dass das nicht noetig ist. Ist 
moeglicherweise ein Frage der Stueckzahlen. Da muss man die Ersparnis 
beim OpAmp mit den Mehrkosten fuer das Pot, die zusaetzlichen Flaeche, 
die Arbeit gegenrechnen.

Autor: Michael (Gast)
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Ich mach auch nicht immer ein Offsetspannungsabgleich. Nur wenn mir auch 
sehr kleine Spannungen wichtig sind wie ich das letztens hatte. Da hab 
ich dann den Abgleich mit Poti gemacht für RT. However, Mit µC und DAC, 
wie Helmi vorgeschlagen hat, wäre für meine Anwendung ein wenig overkill 
gewesen.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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@Michael

Das mit uC und DAC war nur ein Vorschlag. Ich habe da schon kleine 
Trennverstaerker fuer Hutschienenmontage gesehen wo das so gemacht 
wurde.
Und in Frequenzumrichter habe ich das auch schon so gesehen.

Gruss Helmi

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