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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strom- Spannungswandler im uA/nA Bereich (100nA.100uA) für uController


Autor: Hans Maier (Gast)
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Hallo,

beschäftige mich seit kurzem mit uControllern (AVR-8-Bit) und würde nun 
gerne (sehr) kleine Ströme (aus einem Silizium Fotoelement) messen. Bis 
jetzt habe ich Ströme immer mit Hilfe eines Spannungsteilers bzw. Shunts 
über den A/D-Wandlers des AVRs gemessen, was bei ein paar mA auch 
wunderbar funktioniert hat. Die Fotoelemente liefern jedoch nur sehr 
wenig Strom, die ich gerne auch mit einem AVR messen möchte, also 
irgendwie auf 0...5 V (=ADC des uC) bekommen muss. So etwas habe ich 
aber noch nie gemacht und habe deshalb keine Ahnung wie das geht.
Bei einem Versuchsaufbau von "DMM - 1,5kOhm als Last - Fotoelement 
Anschluss 1 - Fotoelement Anschluss 2 - DMM" habe ich bei relativ 
schwacher Beleuchtung/fast dunkel einen Strom von 100nA messen können, 
bei voller Bestrahlung nahezu 100uA. Als DMM/Messgerät diente ein MY 68 
("Billigteil"), wobei ich als Maximalwert "nur" 82uA gemessen habe. Der 
Rest soll als Sicherheit dienen.
Wenn ich mich also an meine erste OP Schaltung heranwage und 
<http://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker>; richtig 
verstehe, müsste mein R 50kOhm sein (Ua max = 5V / I max = 100uA). Bei 
100nA Strom würde ich dann noch eine Spannung von 5mV am Ausgang des OPs 
erhalten. Nun meine Fragen dazu:
1) Welcher OP eignet sich für so eine (Mess-)Aufgabe (idealerweise SMD 
und bei Reichelt erhältlich)?
2) Kann ich die Ausgangsspannung des OPs auf 0...5V begrenzen? Wenn ja, 
wie?
3) Gibt es bessere Schaltungen, z.B. mit "log. Verstärkungsfaktor"(nicht 
linearem Faktor?
4 a) Wie wird die Stromquelle/Siliziumelement bei der OP Schaltung 
belastet?
4 b) Kann ich zum Testen (statt wie oben beschrieben 1,5kOhm) einfach 
mal 50kOhm als Last verwenden und dann Ströme messen?

Freue mich über die Beantwortung der Fragen, aber auch über jeden Tipp, 
bzw. Schaltungsvorschlag.

Gruß und Vielen Dank,

Hans

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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1) TLC272D.

2) OPV mit 5V betreiben.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Hans Maier (Gast)

>gerne (sehr) kleine Ströme (aus einem Silizium Fotoelement) messen. Bis

Lichtsensor / Helligkeitssensor

>verstehe, müsste mein R 50kOhm sein (Ua max = 5V / I max = 100uA). Bei
>100nA Strom würde ich dann noch eine Spannung von 5mV am Ausgang des OPs
>erhalten.

50K sind viel zu wenig. 1MOhm ist da eher richtig.

>1) Welcher OP eignet sich für so eine (Mess-)Aufgabe (idealerweise SMD
>und bei Reichelt erhältlich)?

Einer mit wenig Eingangsstrom ;-)

>2) Kann ich die Ausgangsspannung des OPs auf 0...5V begrenzen?

Warum? Damit dein AVR nicht kaputt geht?

> Wenn ja, wie?

Klemmdiode nach Vcc.

>4 a) Wie wird die Stromquelle/Siliziumelement bei der OP Schaltung
>belastet?

Als Kurzschluss ;-)

>4 b) Kann ich zum Testen (statt wie oben beschrieben 1,5kOhm) einfach
>mal 50kOhm als Last verwenden und dann Ströme messen?

Statisch ja, wenn man es richtig macht.

MFG
Falk

Autor: Hans Maier (Gast)
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Hallo,

wow, das ging ja mehr als schnell. Erst mal Dank vorab. Noch ein 
Nachtrag: für das Fotoelement habe ich kein Datenblatt, kann also leider 
nicht mit weiteren Daten dienen. Die 1,5k Ohm Last waren ein Versuch von 
mir...

@ Matthias:
1) Für allen anderen, bei Reichelt dürfte das der "TLC 272 CD SMD" sein. 
Im Datenblatt steht nun aber was von "Low-Cost" ;=) Der "bessere" 277 
haben sie wieder nicht als SMD. Egal, werde ich mal genauer das 
Datenblatt lesen.
2) Wenn doch bloß alles so einfach wäre :=)

@ Falk:
- Danke für den Link, den hatte ich noch nicht gefunden.
- Warum sind 50k zu wenig? Wenn der AVR max 5V haben darf, darf Ua ja 
auch "nur" 5V haben (außerdem würde der OP ja auch nicht mehr liefern 
können, da auch mit 5V betrieben). Und die 100uA sind auch gegeben => 
Mehrere OPs hintereinander schalten? (z.B. mit LM 324 D SMD (=4 OPs in 
einem Gehäuse))
- Wie finde ich den bei Reichelt? Gibt es dort eine Übersicht der 
technischen Daten?
- Ja, der AVR (und andere Schaltungsteile) sollen geschützt werden, bzw. 
ich möchte sicherstellen, dass die Fotozellen (die ja immer aktiv sein 
können), auch im Ausgeschaltetem AVR Zustand nichts kaputt machen.
- Schützt also nach VCC und GND (also 0...5V, bie 5V VCC)
        VCC
         |
         -
    |\|  ^
   -|-\  |
    |  >-+----o
   -|+/  |
    |/|  -
         ^
         |
        GND

Werde am Mo, bzw. jetzt am WE erst mal was über OP lesen (müssen).

Danke,

Hans

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Hans,

was Du brauchst ist ein Transimpedanzverstärker. Das ist ein 
Operationsverstärker mit geringem Stromrauschen und geringem 
Eingangsstrom.

Als günstigen OPV kannst Du einen OP27 verwenden. Sinnvoll ist aber die 
Verwendung eines Spezialbausteins wie beispielsweise OPA380/OPA2380. Der 
hat insbesondere den Vorteil, daß Du mit nur einer Spannungsversorgung 
auskommst (5V/Masse).

Im Anhang ist eine spezielle Beschaltung angegeben. Diese funktioniert 
prinzipiell auch mit dem OP27, allerdings brauchst Du dann den 
Pulldown-Widerstand mit Sicherheit nicht.

Einfachster Fall
Versorgungsspannung 5V (positiv), 0V (negativ)
RF1   = Größenordnung 100k/1MEG
CF1   = pF-Bereich (zur Unterdrückung der OPV-Eigenschwingung)
ROUT1 = 47 (zur Unterdrückung der OPV-Eigenschwingung bei kapazitiver 
Last)

RFIL1=0
CFIL1=Leerlauf
R_PD1=Leerlauf
COUT1=Leerlauf
L100A=Kurzschluß
L100B=Kurzschluß


Ergänzungen in der vorliegenden Schaltung

CF1/RF1    : 1. Ordnung des Tiefpaßfilters
RFIL1/CFIL1: 2. Ordnung des Tiefpaßfilters

R_PD1: Pulldown-Widerstand, um die Linearität der Schaltung im Bereich 
0V zu verbessern; der OPV erreicht die 0V dann einfacher.

L100A/L100B/COUT1: EMV-Schutzbeschaltung mit Ferritperlen

Wenn Du einen Logarithmierer brauchst, kannst Du den in einer zweiten 
Verstärkerstufe einbauen; da ist es weniger kritisch.



Gruß,
  Michael

Autor: Hans Maier (Gast)
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Hallo,

nun doch noch eine Frage, allerdings zu einem Logarithmierer, simuliert 
nach 
<http://books.google.de/books?id=h6A0HyamoTIC&pg=PA...;.
Als Strom-Spannungswandler habe ich zuerst einen OP mit den empfohlenen 
1M Ohm als Rückkopplung (parallel dazu noch ein C von 5pF) genommen und 
diesen Ausgang dann auf den Eingang des Logarithmierers gelegt. Am 
Eingang des Logarithmieres stehen dann Spannungen zwischen 0 und -15V 
an. Das ist ja soweit richtig (obwohl ich später den LM 324 mit +V=5V 
und -V=AGND nutzen möchte).
Aber was für Werte und Bauteile kann ich für den Logarithmierer 
verwenden? Ua ist bei mir immer auf 15V :=(, unabhängig von der 
Eingangsspannung... Folgende Teile habe ich (aus der Eval Edition) 
verwendet: für die beiden NPN Transistoren den Q2N2222, als OP den 
opamp. Uref = 5V (mit Hilfe einer VDC Quelle), R1=1k, R2=1k, R3=15,7k 
und R4=1k. Anbei noch kurz die Netzliste:
I_I1         0 Iin DC 1uA
C_C1         Iin Uoutstage1  5p
R_R7         0 $N_0001  1k
R_R12         $N_0001 Uout  15.7k
Q_Q5         $N_0002 0 $N_0003 Q2N2222
D_D3         0 $N_0003 D1N4148
Q_Q7         $N_0004 $N_0001 $N_0003 Q2N2222
R_R1         Iin Uoutstage1  1Meg
E_U10         Uoutstage1 0 VALUE {LIMIT(V(0,Iin)*1E6,-15V,+15V)}
E_U12         $N_0005 0 VALUE {LIMIT(V(0,$N_0004)*1E6,-15V,+15V)}
E_U11         Uout 0 VALUE {LIMIT(V(0,$N_0002)*1E6,-15V,+15V)}
V_V4         $N_0006 0 5V
R_R10         $N_0003 $N_0005  1k
R_R2         Uoutstage1 $N_0002  100k
R_R11         $N_0004 $N_0006  100k

Hans

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Hans,

> nun doch noch eine Frage, allerdings zu einem Logarithmierer, simuliert
> nach
> 
<http://books.google.de/books?id=h6A0HyamoTIC&pg=PA...;.
> Als Strom-Spannungswandler habe ich zuerst einen OP mit den empfohlenen
> 1M Ohm als Rückkopplung (parallel dazu noch ein C von 5pF) genommen und
> diesen Ausgang dann auf den Eingang des Logarithmierers gelegt. Am
> Eingang des Logarithmieres stehen dann Spannungen zwischen 0 und -15V
> an. Das ist ja soweit richtig (obwohl ich später den LM 324 mit +V=5V
> und -V=AGND nutzen möchte).

wozu brauchst Du denn jetzt den Logarithmierer genau? Deine Überlegungen 
sind mir noch nicht ganz schlüssig.

Ein Logarithmierer ist sinnvoll, wenn der Photostrom über mehrere 
Dekaden hinweg variiert und Du mit der Auflösung des ADU Probleme 
bekommst.

Wenn der Photostrom aber über so viele Dekaden relevant ist, wird er
- entweder sehr groß. Dann ist 1MOhm Transimpedanz wahrscheinlich zu 
viel, weil Du bei starkem Licht schnell in die Sättigung kommst.
- oder Du willst sehr kleine Photoströme noch auflösen. Dann wundert es 
mich, daß das kein Thema bei der OPV-Auswahl ist.

> Aber was für Werte und Bauteile kann ich für den Logarithmierer
> verwenden?
Als Logarithmierdiode eignet sich am besten ein Transistor. Im folgenden 
Link steht eine temperaturkompensierte Schaltung.
http://www.elexs.de/messen6.html


Gruß,
  Michael

Autor: Hans Maier (Gast)
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Hallo Michael,

den Logarithmierer wollte ich nachschalten, da ich eben Ströme von 100nA 
bis hin zu 100uA habe (also über eine Dekade), bei gleichzeitig "nur" 
10-Bit ADC. Bei einer Uref von 5V macht das also 5V/1023=4,9mV als 
Auflösung des ADCs. Je nach eingesetztem Widerstand in der 1. OP Stufe 
(Transimpedanzwandler), reicht diese Auflösung also ggf. nicht aus.
Danke für den Link, schaue ich mir auch mal an.

Hans

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Hans,

um 3 Dekaden geht's also. Das ist schon was für einen Logarithmierer. 
Eine Alternative wäre ein ein Verstärker mit veränderlichem 
Verstärkungsfaktor.

Zunächst der Logarithmierer
Der Logarithmierer an sich ist schon ein Transimpedanzwandler: Er hat 
einen Stromeingang und gibt eine Spannung aus. Also brauchst Du dann gar 
keinen speziellen Transimpedanzwandler mit einem Widerstand.

Wenn Du Dir das Beispiel anschaust (unteres Bild)
http://www.elexs.de/messen6.html
siehst Du, daß der Meßbereich 100nA ... 100µA vom unteren Eingang schon 
abgedeckt wird.

Ich denke, Du kannst die Schaltung ähnlich nachbauen. Evtl. nimmst Du 
als OPV einen Verstärker, den Du schon hast. Wichtig sind ein geringer 
Leckstrom und ein geringes Stromrauschen.

*Transimpedanz mit einem Widerstand und einer veränderlichen 
Verstärkung*
Wenn Du mit einem Widerstand arbeitest, nimmst Du R=47k.
Dann ergibt sich:
U = 47k*100E-6 = 4,7V

100µA zusammen mit einer Transimpedanz von 1MEG macht 100V, das ist ein 
bißchen viel.

Als zweite Stufe nimmst Du dann einen Variable Gain Amplifier (z. B. 
erhältlich bei www.analog.com).



Gruß,
 Michael

Autor: Hans Maier (Gast)
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Hallo,

dann habe ich noch eine Frage zu den NPN/PNP Transistoren im 
Logarithmierer: reichen da "Wald-und Wiesen" Typen (habe z.B. noch BC 
847C SMD, BC857C SMD)? Werde morgen Nachmittag mal zum C um die Ecke 
radeln und OPVs kaufen.

Gruß,

Hans

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Hans Maier (Gast)

>dann habe ich noch eine Frage zu den NPN/PNP Transistoren im
>Logarithmierer: reichen da "Wald-und Wiesen" Typen (habe z.B. noch BC

Nein. Du braucht ein "Matched Pair", vor allem zur 
Temperaturkompensation.

MFG
Falk

Autor: Hans Maier (Gast)
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Hallo,

mal wieder vielen Dank für die Antwort.
Conrad hat so etwas (z.B. Art.Nr. 153210-62). Das war jetzt aber auch 
das einzige was ich gefunden habe. Hat Reichelt evtl. auch was im 
Angebot (habe nur einen für über 7€ gefunden), bzw. gibt es 
Alternativen? Über Google habe ich noch den BCV65 gefunden. Aber wo gibt 
es solche Bauteile?
Steuere kein Atomkraftwerk, insofern werde ich morgen wohl erst mal 
einen OPV (ok, ein paar mehr...) kaufen und es mit einer "einfachen" 
Transimpedanzschaltung probieren.

Robert

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Conrad hat so etwas (z.B. Art.Nr. 153210-62). Das war jetzt aber auch
> das einzige was ich gefunden habe. Hat Reichelt evtl. auch was im
> Angebot (habe nur einen für über 7€ gefunden), bzw. gibt es
> Alternativen?
Probier's vielleicht zunächst mal mit einer normalen Diode. Bei Reichelt 
gibt's zum Beispiel ein günstiges Diodenpaar mit gemeinsamer Kathode:

BAT54C

Die Chancen stehen recht gut, daß die Eigenschaften beider Dioden sehr 
ähnlich sind.


Gruß,
  Michael

Autor: hhanff (Gast)
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Wir haben 2006 auch mal so etwas gemacht. Dieses Dokument fand ich 
hilfreich:
http://focus.ti.com/lit/an/sboa061/sboa061.pdf

Gruß,

H

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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...ich habe mal sowas ähnliches gemacht (Überwachung der Signalstärke 
auf Glasfaser-Übertragungsstrecken zum Erkennen von Ausfällen oder 
Manipulationen), wo ich einen Eingangssignalbereich von 50nA bis 1mA 
abzudecken hatte. Gelöst habe ich es mit einem AD8551 als Eingangsstufe 
an der PIN-Diode und einem LOG102 als Logarithmierer. Das hätte sicher 
auch noch bei kleineren Eingangsstömen funktioniert, wenn man die 
Platinen besser gereinigt und lackiert hätte. So fingen bei ca. 50nA die 
Leckströme an das Signal zu überlagern.

Autor: Hans Maier (Gast)
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Hallo,

vielen herzlichen Dank für eure konstruktiven Vorschläge.
Mittlerweile habe ich alle Teile hier und einen ersten fliegenden Aufbau 
mit dem TLC 272 CD SMD und der BAT 54C SMD aufgebaut. Und was soll ich 
sagen: dieser "Minimalaufbau" überzeugt mich bereits auf ganzer Linie. 
Sprich: für meine Zwecke vollkommen ausreichend. Selbst ein Fön 
verändert das Ausgangssignal nicht allzu stark. Bin super zufrieden, 
muss jetzt nur noch die Spindeltrimmer/Potis ausbauen und durch Rs 
ersetzen. Perfekt.

Danke und genießt das lange Wochenende,

Hans

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