LM335 - OPAMP 0V bis 5V

[Jürgen (Gast)]

Hallo zusammen,


wollt eine einfache Schaltung entwicklen mit dem LM335 (10mV/K) 
Temp.Sensor und einem Opamp. Aber mir sind die Ideen ausgegangen... Oder 
das KnowHow :-)


Temp Bereicht von -25 Grad C bis +75 Grad C wollt ich auf eine Spannung 
von 0V bis 5V bringen. Damit ich eine Auflösung von 0,1 Grad Schritten 
an den 10bit ADC bekomme. Also muß ich die Spannung um Faktor 5 
verstärken (50mV/K). Bei -25 Grad hat der Sensor aber schon 2,4815V, das 
müßte ich auf 0V ziehen !?

Der Opamp ist ein Rail to Rail, wird mit 0V und 5V betrieben. Hab keine 
negative Spannung zur Verfügung.


Besten Dank für eure Hilfe

Gruß Jürgen

[Falk B. (falk)]

@ Jürgen (Gast)

>Dateianhang: lm335.jpg (15,8 KB, 1 Downloads)

Mal abgesehen davon, dass du dich über Bildformate informieren 
solltest, ist dieses Fragment wenig wert. Und falsch obendrein.

>Temp Bereicht von -25 Grad C bis +75 Grad C wollt ich auf eine Spannung
>von 0V bis 5V bringen. Damit ich eine Auflösung von 0,1 Grad Schritten
>an den 10bit ADC bekomme. Also muß ich die Spannung um Faktor 5
>verstärken (50mV/K). Bei -25 Grad hat der Sensor aber schon 2,4815V, das
>müßte ich auf 0V ziehen !?

Addierschaltung mit OPV.

MfG
Falk

[yalu (Gast)]

U+ = 5V
R1 = 2.4815 * R2
R3 = 1.6342 * R2

UA = (UE - 2.4815V) * 5

[Jürgen (Gast)]

Hab es schonmal so umgesetzt. Woher kommen die Faktoren für R1 und R3 ?

Wird das jetzt so klappen:

-25°C mit 2,4815V -> 0V
.
.
.
+75°C mit 3,4815V -> 5V

?



Vielen lieben Dank für die Antworten. Hat schonmal sehr geholfen. Hab 
auch das Bild im *.png gespeichert :)

Gruß Jürgen

[Jürgen (Gast)]

ich nochmal :)

da ist mir ja glatt ein Fehler unterlaufen. So hab ich mir das 
vorgestellt



Gruß Jürgen

[Falk B. (falk)]

PSpice sagt dass es geht ;-)

[yalu (Gast)]

> Woher kommen die Faktoren für R1 und R3 ?

Mit der Knotenregel berechnet man die Ausgangsspannung in Abhängigkeit
von der Eingangsspannung:

$$U_{\rm A}=\left(1+\frac{R_1}{R_2}+\frac{R_1}{R_3}\right)U_{\rm E} -\frac{R_1}{R_2}U_+$$

Dann setzt man die gewünschten Vorgaben

  UE=2,4815V  UA=0V

und

  UE=3,4815V  UA=5V

ein, erhält dadurch zwei Gleichungen und löst dieses Gleichungssystem
nach R1 und R3 auf.

Statt der Werte     9k1  3k6  6k2       für R1-R3
solltest du besser  8k2  3k3  5k6
oder noch besser    8k2  3k3  3k9+1k5   nehmen

[Jürgen (Gast)]

Besten Dank für die ganze Hilfe :-)



Hab mir gedacht man könne Strom sparen und nur zur Messung die Schaltung 
und Sensor aktivieren. Hier mit einem P-Channel Mosfet in sot-23...

Also nur für paar 10tel Sekunden einschalten und einige AD Werte 
abnehmen und wieder aus.

Gruß Jürgen

[senex24 (Gast)]

Wobei noch anzumerken wäre, dass mit einem absoluten Fehler von > 2 °C 
zu rechnen ist - LM335A: 1 °C, TS912: 10 mV Input Offset.

[Falk B. (falk)]

@  Jürgen (Gast)

>Hab mir gedacht man könne Strom sparen und nur zur Messung die Schaltung
>und Sensor aktivieren. Hier mit einem P-Channel Mosfet in sot-23...

Viel zu kompliziert. Einfach direkt an einen uC Pin hängen, die paar 
hundert uA bringt der spielend.

MFg
Falk

[Jürgen (Gast)]

Hallo,

alleine der LM335 zieht ja schon 1mA. Dann noch der OPV und die 
Spannungsteiler etc. Da müßte doch mehr an Strom zusammen kommen.

Verliere ich nicht schon 1°C am oberen und unteren Ende, da der 
rail-to-rail OPV nicht an 0V/5V rankommt ?

Als so -24° bis 74° Grad

Datenblatt TS912:
"
At 3V, the output reaches :
VCC- +30mV    VCC+ -40mV with RL = 10kOhm
VCC- +300mV   VCC+ -400mV with RL = 600Ohm
"

Gruß Jürgen

[Jadeclaw D. (jadeclaw)]

Der LM335A ist hier knapp unter 1mA, der OpAmp braucht 400uA, das 
gleiche nochmal für die Gegenkopplung bei Va = Vcc. Macht ca. 2mA. Ein 
AVR-Ausgang kann 20mA treiben. Also, Q1 & R6 sind überflüssig.

> Verliere ich nicht schon 1°C am oberen und unteren Ende, da der
> rail-to-rail OPV nicht an 0V/5V rankommt ?
> Als so -24° bis 74° Grad
Grundsätzlich ja, da der AVR allerdings knapp 100MOhm Eingangswiderstand 
hat, dürften die Grenzen geringer ausfallen, als im Datenblatt 
angegeben. In diesem Fall ist die Gegenkopplung das bestimmende Element, 
da dieses den Ausgang mit ca. 12kOhm belastet. Da aber nur der 
Verstärkungsfaktor interessiert, könnte man die Widerstände in der 
Gegenkopplungsbeschaltung vergrößern, um so die Last zu reduzieren. Das 
rechnerische Verhältnis der Werte muß nur eben gleichbleiben.

Gruß
Jadeclaw.

[yalu (Gast)]

Bei der Versorgung der Schaltung über einen I/O-Pin sollte auch dessen
Ausgangswiderstand berücksichtigt werden (beim AVR ca. 25Ohm). Bei 2mA
Stromverbrauch sind das immerhin 50mV, was etwa 1K entspricht. Du kannst
entweder

- damit leben (sooo groß ist der Fehler ja nicht),
- in der Auswertesoftware berücksichtigen, dass die gemessene Spannung
  statt von 0 bis 5V nur bis 4,95V reicht oder
- als Referenzspannung für den ADC nicht 5V, sondern die etwas
  niedrigere Ausgangsspannung des I/O-Pins nehmen.

Generell kannst du natürlich auch die Widerstände etwas modifizieren, so
dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers über den gewünschten
Temperaturbereich nicht von 0 bis 5V, sondern bspw. von 0,1V bis 4,9V
reicht. Damit hast du den Messbereich des ADC immer noch zu 96%
ausgeschöpft und eventuelle Ungenauigkeiten des Operationsverstärkers an
den Versorgungsspannungsgrenzen umgangen. In der Auswertesoftware muss
der geänderte Spannungsbereich natürlich berücksichtigt werden.

[Jürgen (Gast)]

Hallo,

hab den Temp Bereich einwenig verändert und die 2 Widerstände in Reihe 
weg genommen. Genauso wie den Mosfet. Die Temp Kalibrierung werde ich 
per software vornehmen und einem O°C Eiswürfelbad :)

Für die Widerstände verwende ich 1% 0805 Chip SMDs

Einen kleinen 100nF an die Versorgung des OPAmp ? Kann ja eigentlich nie 
schaden.

Werde jedenfall erstmal so die Schaltung ausprobieren...

Gruß Jürgen

[Alex G. (almalex)]

könnte mir jemand die formel erklären und vllt herleiten?

[Christian G. (chrisg)]

Hi Almi

Konnte mir nicht verkneifen hier auch mal was zu posten XD

Die Formel ist im Grunde ganz einfach.

Du musst dir den Knoten heraussuchen, an dem sich R2, R1 und R3 treffen. 
Also der Pin 6 am OPV.
Soo... jetzt stellen wir folgende Kontengleichung auf:

$$I_1 + I_2 = I_3$$

    eh klar...

$$\frac{U_1}{R_1} + \frac{U_2}{R_2} = \frac{U_3}{R_3}$$

Gehen wir vom idealen OPV aus, so haben wir ja eine Differentialspannung 
von 0V also zwischen dem Plus und Minus Kontakt. Das heißt, dass die 
Eingangsspannung (vom Temp.-Sensor) auch am Minus Kontakt vom OPV 
anliegen muss. Da an diesem Kontakt auch der R3 hängt kann man also 
sagen, dass

$$U_3 = U_E$$

 gilt.

Überlegen wir weiter so müsste R2 zwischen den Potentialen U+ (5V) und 
Ue hängen.
Daraus folgt:

$$U_2 = U_Plus - U_E$$

$$U_Plus = 5V$$

Die Ausgangsspannung Ua ist wie auch in dem Schaltbild zu erkennen in 
die Teilspannungen U1 und U3 geteilt.  ==>

$$U_1 = U_A - U_3$$

$$U_1 = U_A - U_E$$

Soo.... Jetzt haben wir alle Unbekannten aufgelöst bis auf die 
Widerstände sowie Ua und Ue.

$$\frac{U_A - U_E}{R_1}+\frac{5V - U_E}{R_2}=\frac{U_E}{R_3}$$

noch ein bisschen auf Ua umformen und man kommt auf:

$$U_A=\left( 1+ \frac{R_1}{R_3}+\frac{R_1}{R_2}\right) * U_E - \frac{R_1}{R_2} * 5V$$

Ich hoff ich hab mich nicht geirrt, sollte aber auch nur eine kleine 
Starthilfe sein ;)

Gruß Chris

[Peter (Gast)]

Hallo!

Ich verstehe es leider noch nicht ganz :)
Habe hier folgende Problemstellung:

Vcc=5V
2.33V (-40°C) -> 0V
3.73V (100°C) -> 2.048V

d.h.

0     = (1 + R1/R2 + R1/R3)*2.33 - 5*(R1/R2)
2.048 = (1 + R1/R2 + R1/R3)*3.73 - 5*(R1/R2)

Also zwei Gleichungen  mit 3 Unbekannten.
Wenn ich nun R2=10k setze, bekomme ich für R3 leider einen
negativen Widerstand.

also wenn R2=10k => R1=6k8, R3=-31k2

Tja... was mache ich da nur falsch?

Danke im voraus, Peter

[Udo (Gast)]

Ich denke, da in dieser Schaltung Subtraktion und Verstärkung gekoppelt 
sind, sind nicht alle Konfigurationen möglich.

Lg, Udo