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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strommessung über OpAmp mit single supply


Autor: Marco André (marphy)
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Hallo Leute,
ich hänge gerade an einem Problem fest und hoffe, Ihr könnt mir mit ein 
wenig KnoffHoff auf die Sprünge helfen. Habe bereits dutzende 
Application Notes durchgearbeitet, aber ich scheine wohl der einzige zu 
sein, der sich mit soetwas rumschlägt... ;-)


Ich möchte über einen ADC eine Strommessung durchführen (0-1000mA). Ein 
als Differenzverstärker beschalteter TLV271 rail-to-rail OpAmp (single 
supply-Versorgung) verstärkt den Spannungsabfall am Messwiderstand (1 
Ohm / 1%) um Faktor 2 und gibt ihn an den ADC weiter.

So weit so gut, funktioniert an sich - in der Simulation sowie auch beim 
Prototypen vor mir. Allerdings kann selbst der beste OpAmp auch völlig 
unbelastet (hier: ADC) nicht ganz an seine Rails "heransteuern", sodass 
der TLV271 bei kleineren Strömen im mA-Bereich in die Sättigung fährt 
(dauerhaft zwischen 10 und 50mV am Ausgang).

Zur Verdeutlichung habe ich die Schaltung samt Simulationskurve 
angehängt.


Würde mich freuen, wenn Ihr da ein paar Tipps bereit hättet, ist ja an 
sich eine ziemlich alltägliche Situation... Vor einer zusätzlichen 
negativen Spannungsversorgung des OpAmps will ich zwingend absehen - 
kann ja auch nicht Sinn der Sache sein bei so einer "billigen" 
Strommessung. Ich habe da bereits an eine definierte Vorspannung 
gedacht, die als Offset summiert wird...

Wie löst Ihr dieses Problem bei euren Projekten?

Grüße,
Marco

Autor: Leo B. (luigi)
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was auch immer du vor hast. Der OpAmp kann gar nicht bis an seine 
Versorgungsspannung Aussteuern.
D.h. entweder du definierst also z.b. 0,1V als 0,0A oder du gibst ihm 
mehr Versorgungsspannung.

Ich würde allerdings die ganze gerade einfach um 0,1V verschieben und 
den Umrechnungsfaktor umstellen. fertig.

Autor: Marco André (marphy)
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Wenn du richtig gelesen hättest wüssest du, dass ich soweit bereits von 
selbst gekommen bin....

Autor: Leo B. (luigi)
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achso das meintest du mit dem "Vorsprung"... ja dann klar. Mach das!

Autor: Marco André (marphy)
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Na, ich wäre trotzdem über Erfahrungen von eurer Seite dankbar.... 
Danke!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Marco,

> ich hänge gerade an einem Problem fest und hoffe, Ihr könnt mir mit ein
> wenig KnoffHoff auf die Sprünge helfen. Habe bereits dutzende
> Application Notes durchgearbeitet, aber ich scheine wohl der einzige zu
> sein, der sich mit soetwas rumschlägt... ;-)
Du bist sicher nicht der einzige, der das Problem hat. Die meisten 
anderen verwenden aber dazu spezielle "Current Sense Amplifiers", z. B. 
solche von Maxim:
http://para.maxim-ic.com/en/search.mvp?fam=cs_amp&...

Das sind ICs, die die von Dir angesprochenen Probleme intern lösen.
Von anderen Firmen (Analog, TI u. ä.) gibt es bestimmt ähnliche 
Lösungen.


Gruß,
  Michael

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Verrätst du mir welches Simulationsprogramm du da verwendest?

Gruß Anselm

Autor: Stefan (Gast)
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Also aus "Erfahrung" kann ich jetzt nicht sprechen, da ich noch nie 0mA 
messen wollte ;-)
Ich denke, die zwei möglichen Lösungen hast Du Dir schon selbst 
aufgezeigt.
Wenn's nun nicht unbedingt bis 0mA runtergehen muss, könntest Du 
vielleicht auch die Verstärkung erhöhen, dann erreichst Du die Sättigung 
bei kleineren Strömen. Ansonsten hilft nur noch ein Wunder :-)

Autor: Josef Warta (josefwa)
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Fuer Strommessungen verwende ich 'Current Shunt' ICs. Hat den Vorteil, 
dass die Rueckkopplungswiderstaende mit entsprechend hoher Genauigkeit 
und Temperaturdrift bereits integriert sind. Und die neuen ICs sind auch 
nicht wesentlich teuerer als ein Standard OPAMP.
Beispiel:

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ina210.html

Einfach mal kostenlose Muster anfordern!

Autor: Martin Kohler (mkohler)
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Anselm 68 wrote:
> Verrätst du mir welches Simulationsprogramm du da verwendest?

Ich tippe auf LTSpice/SwitcherCAD III von Linear Technology ;-)

Autor: Gast (Gast)
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Das Innenleben des TLV271 kenne ich nicht, würde aber testweise am 
Ausgang einen 1k Widerstand nach GND legen. Damit müßte der 
Ausgangspegel auf 0mV kommen. Wenn nicht, sollte eine Diode am Ausgang 
dafür sorgen, daß der 271 keine Restspannung an den Widerstand abgeben 
kann.

Verstanden?

Autor: Marco André (marphy)
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Hallo Leute,
vielen Dank erstmal für eure zahlreichen und schnellen Antworten!

@Michael:
Das könnte tatsächlich eine elegante Lösung darstellen. Werde mich mal 
informieren und dann näheres posten!

@Anselm:
Wie bereits von Martin richtig erwähnt, SwitcherCAD. Hat zwar eine recht 
eigenwillige Bedienung, macht seine Sache aber sehr gut (Target/IBF o.ä. 
könnten sich da mal eine ganz dicke Scheibe abschneiden...).

@Stefan:
Gerade kleine Ströme müssen recht genau erfasst werden können (habe noch 
einen zweiten über FETs geswitchten 0.1%-Messwiderstand - eine Art 
Bereichsumschaltung - für die kleinen Ströme von einigen µA bis 20mA, 
aber auch hier besteht das Problem).
Und ja, wenn du mir zeigst wie, könnte ich auch eine Wunderschaltung 
bauen. ;-)

@Josef:
Auch hier mache ich mich mal schlau!

@Gast:
Bei belasteten Ausgängen setzt die Sättigung gewöhnlich noch ein ganzes 
Stück früher ein. So >10k anlegen habe ich mir auch schon überlegt, aber 
an sich müsste ein OpAmp auch völlig hochohmig verschaltet richtig 
funktionieren.


Grüße,
Marco

Autor: Gast (Gast)
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>Bei belasteten Ausgängen setzt die Sättigung gewöhnlich noch ein ganzes
>Stück früher ein.

Mein Vorschlag war ein Widerstand vom Ausgang gegen Masse und nicht 
gegen Vcc. Da ist dann nichts mit Sättigung.

Autor: Marco André (marphy)
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Gast wrote:
> Mein Vorschlag war ein Widerstand vom Ausgang gegen Masse und nicht
> gegen Vcc. Da ist dann nichts mit Sättigung.

Oh doch, das ist ja gerade das Problem bei der single supply Versorgung: 
An den Kollektor-Emitter-Übergängen im OpAmp fällt bei Vollaussteuerung 
gegen eine Versorgungsleitung (Rail, d.h. Masse oder Vcc) immer etwas 
Spannung ab. Beim TLV271 sind es trotz rail-to-rail Feature eben um die 
30mV, d.h. bei +5V-Versorgung ist der Ausgang von ca. 0.03V-4.97V 
aussteuerbar...


Deckt sich das mit eueren Erfahrungen? Und nutzt ihr eigentlich immer 
gleich Spezial-ICs für eine simple Strommessung?

Grüße,
Marco

Autor: Gast (Gast)
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>An den Kollektor-Emitter-Übergängen im OpAmp ..

Daß CMOS OpAmps Kollektor-Emitter Übergänge haben, ist mir neu. Aber man 
lernt ja gerne dazu :-(

Autor: Marco André (marphy)
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Gast wrote:
> Daß CMOS OpAmps Kollektor-Emitter Übergänge haben, ist mir neu. Aber man
> lernt ja gerne dazu :-(

Du weißt schon was ich meine. Auch die Drain-Source-Strecken eines 
CMOS-OpAmps lassen sich nicht absolut ohne Spannungsverluste 
durchschalten... Ich lasse mich aber gerne eines besseren belehren (bei 
weniger als 500µV wäre ich schon zufrieden), der TLV271 scheint es 
jedoch nicht wirklich zu können. Wenn es dahingehend bessere (und 
trotzdem nicht viel teurere) Bausteine gibt, wäre ich auch für eine 
Empfehlung dankbar.

Grüße,
Marco

Autor: BMK (Gast)
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Es könnte daran liegen, dass der TLV271 R2R Output hat,
nicht aber R2R Input.

Vielleicht hilft z.B. der TS912, der R2R für beides hat.

Autor: Marco André (marphy)
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BMK wrote:
> Es könnte daran liegen, dass der TLV271 R2R Output hat,
> nicht aber R2R Input.
>
> Vielleicht hilft z.B. der TS912, der R2R für beides hat.

Das ist irrelevant, da die Eingänge durch die Spannungsteiler nie in die 
Nähe der Rail-Spannungen gelangen.


@Michael, Josef:
Habe mir die Current Sense Amplifier mal angeschaut (auch bei anderen 
Herstellern als Maxim/TI), diese triffen aber meinen konkreten 
Anwendungsfall eher nicht. Zunächst sind die Verstärkungen (ab 20V/V) 
für meine Messwiderstände (47 Ohm / 0.1% für Kleinsignale bis 20mA; 1 
Ohm / 1% für höhere Ströme bis 1A) viel zu hoch. Wie aus meinem 
Schaltplan ersichtlich, ist die Verstärkung aktuell auf 2 festgelegt - 
bei höherem Gain müssten die Messwiderstände kleiner werden, und dann 
wirds bei der gewünschten Genauigkeit wieder recht teuer.

Stichwort Kosten: Das ist der zweite Haken an den Teilen. Ich habe 4 
Sink/Source-Ausgänge mit wie erwähnt je zwei Messbereichen zu 
beschalten, macht zusammen 16 Messpunkte.
Ein TLV274 mit vier OpAmps kostet um die 50ct (also zusammen gut 2€), 
ein Current Sense-OpAmp mit einem Kanal ab ca. 90ct (also zusammen min. 
14€). Und das läppert sich mit der Stückzahl...


Ich hoffe, ihr habt noch ein paar Vorschläge. Muss doch jemanden geben, 
der mit einem Brot-und-Butter-OpAmp mal Stom gemessen hat. :-)

Grüße,
Marco

Autor: Gast (Gast)
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>Ich hoffe, ihr habt noch ein paar Vorschläge.

Wozu? Du begreifst sie doch nicht.

Autor: Sascha Focus (sascha_focus) Benutzerseite
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INA138/168

Gruß Sascha

Autor: Michael (Gast)
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>Muss doch jemanden geben,
>der mit einem Brot-und-Butter-OpAmp mal Stom gemessen hat.

Sicher gibt es den aber je ganuer man wird desto teurer wird es auch. 
Hinzu kommt noch, dass die Kosten nicht linear mit der Genauigkeit 
steigen sondern eher exponetiell. Es wurden ja schon Beispiele genannt 
aber wenn die dir zu ungenau oder zu teuer sind...so ist nunmal das 
Leben. Vielleicht bringt eine weitere Recherche ja doch noch was 
preiswerteres hervor.

Autor: Matt (Gast)
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Was spricht denn gegen die Offsetspannung?

Du koenntest das rechte Ende von R2 an feste 0.2V (die koennte man 
einmal zentral  fuer alle Messkanaele erzeugen) legen und in Software 
0.2V von der Messung abziehen.

Oder die irgendwie erzeugten 0.2V mit einem freien ADC-Kanal messen und 
den so gemessenen Wert abziehen, dann muss die Spannung nicht mal 
stabilisiert sein (aber brummfrei). Das sollte in diesem Fall mit 
Bauteilen fuer insgesamt < 30 Cent zu erledigen sein.

Autor: Leo B. (luigi)
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Du könntest ja auch am OpAmp ein Offset von 0,7V erzeugen und die dann 
mittels Diode und Widerstand wieder auf 0,0V runterziehen.
Je nachdem wie stark dein ADC den Ausgang belastst könnte das 
funktionieren.

Autor: Josef Warta (josefwa)
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Grundsaetzlich zum Thema Strommessung:

1 Ohm fuer 1 Ampere Bereichswert bedeutet 1Volt Spannungsabfall und 1W 
Verlustleistung. Die dabei entstehende Temperaturerhoehung beeinflusst 
wiederum den Widerstandswert!

Ist da noch eine genaue Messung moeglich?

Beeinflusst doch die gesamte Messung. Eine Messung sollte eigentlich die 
zu untersuchende Schaltung nicht belasten. Also der Messwiderstand bei 
Strommessung gegen 0 und bei Spannungmessung gegen unendlich gehen

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