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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Konstantstromquelle mit Op-Amp - Dimensionierung


Autor: Monty Burns (Gast)
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Hallo Elektroniker,

ich möchte die im angehängten Bild gezeigte Schaltung zwecks der 
Konstantstromversorgung eines PT100 nachbauen. Leider bin ich mit 
Op-Amps nicht sehr fit. Ein Kollege würde mir aber einen Dual-Opamp 
Rail-2-Rail single supply ISL28286 von Intersil abgeben. Ist dieser dazu 
geeignet?

Eine andere Sorge bereitet mir, daß der Strom am Ausgang bei Simulation 
in PSpice mitnichten unabhängig vom Lastwiderstand ist. Leider hat 
PSpice keinen ISL28286, also habe ich zwei normale "Precision, single 
supply Rail-to-Rail" OPAs genommen. Liegt es etwa daran oder rechnet das 
Programm falsch?

Die Schaltung ist aus dem Tietze-Schenk. Dort steht auch, daß R1 
möglichst klein im Verhältnis zu R3 sein soll, damit die OPs nicht 
unnötig belastet werden. Am Eingang möchte ich eine Bandgap-Referenz 
2.0V und 50 ppm/k verwenden. Für meinen gewünschten Strom von 1mA 
bräuchte ich dann einen R1 mit 2k. Ich möchte 0.1% 5ppm-Widerstände 
einsetzen. Kann ich dann R1 und R3 gleich groß machen? R2 könnte dann 4k 
sein. Den kann ich aus 2x2k in Serie zusammenbauen, das sind dann 10ppm. 
Damit kann ich leben. Da diese Widerstände relativ teuer sind, wäre es 
mir nämlich am liebsten möglichst wenige Werte einzukaufen.

Eine Frage noch: Wie ihr schon seht kenne ich mich mit OPs ja nicht aus. 
Allerdings habe ich mir schon gedanken gemacht ob nicht der hohe 
Widerstandswert Schuld an der falschen Rechnung in PSpice ist. Ist diese 
schaltung mit so hohen Widerständen eigentlich möglich? Andererseits 
rechnet PSpice auch falsch, wenn ich für R1 20 Ohm, für R3 280 Ohm und 
für R2 300 Ohm einsetze. Probeweise habe ich auch den ganz linken R2 
weggelassen. Auch dann ändert sich der Ausgangsstrom lastabhängig.

Mit bestem Dank im voraus für alle Tips,
Montgomery Burns

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Monty,

willst Du lernen, wie eine Stromquelle funktioniert, oder willst Du eine 
haben, die einfach nur funktioniert?

Wenn es nur funktionieren soll, schau Dir den LM317 an. Er braucht als 
externe Bauelemente einen Widerstand (zum Einstellen des Stromes) und 
einen oder zwei Kondensatoren am Eingang (z. B. 100µF und 100nF) und 
arbeitet dann als Stromquelle.


Gruß,
  Michael

Autor: yalu (Gast)
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Die obige Schaltung funktioniert nur mit zwei Versorgungsspannungen
(positiv und negativ), da die Ausgangsspannung des linken Operations-
verstärkers immer negativ ist.

Autor: Wolf (Gast)
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Mehr als 2 Bauteile, das ist zu viel.

Autor: Ulrich aus W (Gast)
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Hallo Monty

Habe meinen Tietze Schenk gerade aus dem
Regal genommen (5. Auflage 1980)

>Dort steht auch, dass R1 möglichst klein im
>Verhältnis zu R3 sein soll, damit die OPs nicht
>unnötig belastet werden.

Steht in meiner Auflage (noch) nicht.
Ich sehe auch nicht den Sinn in dem Satz.

>Für meinen gewünschten Strom von 1mA
>bräuchte ich dann einen R1 mit 2k.

Würde ich so auch erst mal probieren.

Hast Du einen symmetrische Versorgung für
die beiden OPs vorgesehen. Das ist nämlich
wichtig, weil die Ausgangsspannung des linken
OP genau soviel ins negative geht, wie die
Ausgangsspannung des Rechten.

Werden die OPs bei Deiner Simulation auch nicht
übersteuert?

Autor: Mr. Burns (Gast)
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Hallo Michael Lenz:
> willst Du lernen, wie eine Stromquelle funktioniert, oder willst Du eine
> haben, die einfach nur funktioniert?

Am liebsten wäre es mir, zu erfahren, wie eine funktionierende 
Stromquellearbeiten tut. Primär soll sie (in den von mir schon 
dargelegten Genauigkeitsklassen) funktioniern. Mehr als 1% Toleranz bei 
ungefähr 100ppm dürfen einfach nicht vorkommen, daher muss ich hier wohl 
in den sauren Apfel der OPVs beiszen.

> Wenn es nur funktionieren soll, schau Dir den LM317 an.

Die genannte Schaltung kenne ich natürlich, auch die Geschichten eines 
über die Zenerspannung geregelten Transistors. Leider alles zu ungenau. 
Die Load-Regulation des LM317 ist in der Größenordnung von 1% (was ja an 
sich noch ginge, wenn ich zwei Augen zudrück'), nur der 
Temperaturkoeffizient ist miserabelst: 10.000 ppm/K. Leider (in meinem 
Falle) unbrauchbar.

> Gruß, Michael
selbiges zurück!

Hallo Wolf:
> Mehr als 2 Bauteile, das ist zu viel.

Leider geht es nicht anders. Oder kannst Du mir verraten, wo ich mir 
mein 1.00mA Konstantstromquellen-IC abholen/bestellen kann?

Hallo Ulrich aus W:
> Habe meinen Tietze Schenk gerade aus dem
> Regal genommen (5. Auflage 1980)

Leider habe ich nur die 11. Auflage (1999) zur Hand. Die schaltung ist 
dort auf Seite 821 abgebildet.

> Steht in meiner Auflage (noch) nicht.
> Ich sehe auch nicht den Sinn in dem Satz.

Jedenfalls steht dort klipp und klar: "Der Ausgangsstrom wird dann von 
der Ausgangsspannung unabhängig, wenn die Abgleichbedingung  R3 = R2-R1
erfüllt ist."

> Hast Du einen symmetrische Versorgung für
> die beiden OPs vorgesehen. Das ist nämlich
> wichtig, weil die Ausgangsspannung des linken
> OP genau soviel ins negative geht, wie die
> Ausgangsspannung des Rechten.

In der Simulation habe ich dafür gesorgt. Falls ich die Schaltung real 
aufbaue werde ich einen "precision OPAmp mit single supply" verwenden.

> Werden die OPs bei Deiner Simulation auch nicht
> übersteuert?

Anfangs anscheinend schon, da ich wohl zu kleine Widerstandswerte 
genommen habe. Ich bin beim simulieren jetzt im Mega-Ohm-bereich 
angelang, es geht zumindestens ein bisschen besser. Andererseits: Von 
Lastunabhängigkeit kann ich noch immer nur wenig feststellen. Immerhinin 
hat sich meine Vermutung bestätigt, daß R1 wesentlich kleiner sein 
sollte als R3. Andererseits bin ich draufgekommen, daß R1 immernoch um 
Potenzen größer sein sollte als die Last. Naja, leider muss ich am 
morgen früh raus.

War eigentlich eine gute Diskussion, vielelicht fällt euch ja noch was 
ein.

Danke, Leute, für die Hilfe
gez. Montg. BURNS

Autor: Ich (Gast)
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Wie wäre es so?

Autor: yalu (Gast)
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Mr. Burns schrieb:
> Falls ich die Schaltung real aufbaue werde ich einen "precision OPAmp
> mit single supply" verwenden.

Die negative Versorgungsspannung brauchst du trotzdem, da der linke
Operationsverstärker eine negative Ausgangsspannung liefern muss und die
Ausgangsspannung nicht außerhalb der Versorgungsspannung liegen kann.

So wie Ich hätte ich's auch gemacht, allerdings mit einem MOSFET
anstelle des BJT, da beim BJT ein Ausgangsstromfehler in Höhe des
Basisstroms entsteht. Ein Vorteil der Schaltung liegt darin, dass nur
einen einziger Präzisionswiderstand benötigt wird.

Eine weitere Alternative ohne Transistor, dafür aber mit mehr
Widerständen liegt im Anhang. Der Ausgangsstrom ist UREF/R2.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Am liebsten wäre es mir, zu erfahren, wie eine funktionierende
> Stromquellearbeiten tut. Primär soll sie (in den von mir schon
> dargelegten Genauigkeitsklassen) funktioniern. Mehr als 1% Toleranz bei
> ungefähr 100ppm dürfen einfach nicht vorkommen, daher muss ich hier wohl
> in den sauren Apfel der OPVs beiszen.

der wesentliche Punkt bei den üblichen Stromquellen ist, daß Du einen 
Widerstand mit bekanntem Widerstandswert nimmst und mithilfe eines 
Reglers (OPV) dort eine von Dir festgelegte Spannung erzwingst.

So beispielsweise beim LM317:

                      U
                   -------->      I
 IN   __________OUT   R         -->
o-----|          |---|||||----*------o
      |  LM317   |            |
      |          |            |
      |__________|            |
            |                 |
        ADJ |                 |
            |_________________|

Der LM317 erzwingt durch Vergleich mit einer internen Spannungsreferenz 
und Regelung mit einem OPV ein U von U=1,25 V. Wenn I_ADJ=0 wäre, 
hättest Du damit die gesuchte hochgenaue Stromquelle.

Beim LM317 ist offenbar die Referenzspannungsquelle nicht ganz so genau, 
wie Du sie brauchst, und I_ADJ variiert (mit der Temperatur).

Wir brauchen also
a) eine hochgenaue Spannungsreferenz und
b) ein I_ADJ von möglichst Null.

Ich schlage deshalb folgendes vor:
a) Spannungsreferenz ADR370 von Analog Devices. Sie hat 30ppm im 
Raumtemperaturbereich und ist auf 0,2% spezifiziert
b) Folgende Schaltung


                      U
                   -------->      I
 IN   __________OUT   R         -->         R_Last
o-----|          |---|||||----*-----------||||||||-------*
      |          |            |                          |
      |  ADR370  |     ----*  |                         --- GND
      |          |     |   |  |
      |__________|     |  -------
            |          |   \- + /
        ADJ |          |    \  / OPV
            |__________|_____\/


Der OPV ist als Spannungsfolger geschaltet, d. h. die Eingangsspannung 
ist gleich der Ausgangsspannung. Allerdings fließt I_ADJ in den 
OPV-Ausgang und nicht durch die Last. Die OPV-Eingänge ist sehr 
hochohmig, so daß dort kein Strome fließen.

Nun kannst Du nicht jeden OPV nehmen, sondern einen mit sehr geringer 
Offset-Spannung und geringer Temperaturabhängigkeit.
Analog Devices schlägt (natürlich aus dem eigenen Sortiment) den OP1177 
vor, was mir nach dem Datenblatt zu urteilen vernünftig erscheint. Ich 
würde mich in dem Fall aus Bequemlichkeit an die Vorschläge von Analog 
Devices halten und den ADR370 und den empfohlenen OPV als Sample 
bestellen.

Vergleiche Abb. 17 auf Seite 9 des folgenden Datenblattes

http://www.analog.com/static/imported-files/data_s...


Um zu Deiner ursprünglichen Anwendung zurückzukommen: Es ging um den 
PT100. Überleg mal, ob Du ihn nicht lieber in einer Meßbrücke 
verschaltest und anschließend mit dem ADS1232

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ads1232.pdf

entsprechend Beispielschaltung 42 auf Seite 25 ausliest. 
Spannungsschwankungen werden dort weitgehend mit einer ratiometrischen 
Messung kompensiert (d. h. die Versorgungsspannung wird auch gemessen, 
hier über REFN/REFP).




Gruß,
  Michael

Autor: Monty Burns (Gast)
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yalu schrieb:
> Die negative Versorgungsspannung brauchst du trotzdem, da der linke
> Operationsverstärker eine negative Ausgangsspannung liefern muss und die
> Ausgangsspannung nicht außerhalb der Versorgungsspannung liegen kann.

Anscheinend habe ich daran nicht wirklich gedacht, inzwischen läuft die 
Simulation nämlich doch zufriedenstellend. Erster Fehler waren wohl die 
zu keinen Widerständswerte, Zweiter Fehler die zu geringe negative 
Versorgungsspannung.

> So wie Ich hätte ich's auch gemacht, allerdings mit einem MOSFET
> anstelle des BJT, da beim BJT ein Ausgangsstromfehler in Höhe des
> Basisstroms entsteht. Ein Vorteil der Schaltung liegt darin, dass nur
> einen einziger Präzisionswiderstand benötigt wird.
> Eine weitere Alternative ohne Transistor, dafür aber mit mehr
> Widerständen liegt im Anhang. Der Ausgangsstrom ist UREF/R2.

Die letzte Schaltung war die erste, mit der ich begonnen hatte, da sie 
sehr einfach aussieht. Allerdings gelang es mir trotz mehrmaliger 
Simulation nicht, bei gegroundetem Lastwiderstand konstante Ströme zu 
erhalten. Das kann natuerlich auch am unerfahrenen Umgang mit PSpice und 
an mangelnden Kenntnissen von OPVs liegen. Vom Bauteilaufwand gesehen 
her wäre diese jedoch superb.

Dann habe ich mir noch die Schaltungen von "Ich" angeschaut, die mit dem 
PNP ist nuetzlich, die andere kann ich ja wegen dem Groundproblem nicht 
nhemen. Ich hab dann einen P-Kanal FET statt dem BJT genommen, siehe da, 
der Strom bleibt konstant. Allergings müsste ich dann den R(D/S-on) 
wieder kompensieren oder rausrechnen...

Michaels Lösung mit dem OP1177 und der Spannungsreferenz gefällt mir 
auch sehr gut. Wenige Bauteile und schaut robust aus. Leider bin ich 
noch nicht zum Simulieren gekommen, ich glaube aber daß diese Schaltung 
und die Tietze/Schenk in die engere Auswahl kommen werden.

Jetzt bleiben mir nur noch zwei kleine Probleme: Woher die negative 
Versorgungsspannung nehmen und welchen OPV einsetzen?

Danke euch allen, daß ihr mir so viel mehr beigebracht habt.
Schoenes Wochenende wuenscht Montgom'ry Burns

Autor: yalu (Gast)
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> Ich hab dann einen P-Kanal FET statt dem BJT genommen, siehe da, der
> Strom bleibt konstant. Allergings müsste ich dann den R(D/S-on) wieder
> kompensieren oder rausrechnen...

Nein, der RDSon stört nicht, da er in Reihe zum ohnehin variablen
Lastwiderstand liegt. Da beim MOSFET der Drain- gleich dem Sourcestrom
ist und der Strom nur von einem einzigen Widerstand abhängt (es müssen
also nicht mehrere Widerstände aufeinander abgestimmt werden), haben bei
dieser Schaltung Laständerungen so gut wie keine  Einfluss auf den
Strom.

Autor: Ulrich aus W (Gast)
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Hallo Montey

Ich hab die Schaltung aus dem Tietze-Schenk mal praktisch aufgebaut.
R1=1k, R2=2,2k, R3=1,2k für die Opamps die einfachen µA741 und als
Betriebsspannung Plus-Minus 15V.
Funktioniert recht brauchbar, obwohl meine Widerstände eine Toleranz
von 5% haben.
Die maximale Höhe des Widerstandes RL ist dabei 2,7k.

Hier ein paar Messwerte:
RL                              0 Ohm      2,7k
Ausgangsstrom    linker  Opamp  2,2mA      3,5mA
Ausgangsstrom    rechter Opamp  3,5mA       12mA
Ausgangsspannung linker  Opamp  -2,5V      -12V

Eine Überlastung der Opamps kann ich hier nicht sehen.

In die Leitungen zu den nichtinvertierenden Eingängen
würde ich noch einen Widerstand mit der halben
Größe von R2 setzen.
Vorschlag für die Opamps LF412 oder OP177.

Bevor Du Dir super teuer Widerstände kaufst,
versuch es doch erst einmal mit 1% Metallfilm.
Viel Erfolg
Ulrich

Autor: yalu (Gast)
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Ich schrieb weiter oben:

> Nein, der RDSon stört nicht, da er in Reihe zum ohnehin variablen
> Lastwiderstand liegt.

was eigentlich Blödsinn ist. Der RDSon stört nicht nur nicht, er kommt
bei richtig dimensionierter Schaltung gar nicht zum Tragen, da der
MOSFET ja nie voll ausgesteuert wird. Wird er es doch, ist die
Versorgungsspannung nicht groß genug für den maximalen Lastwiderstand.
Dann würde aber auch ein RDSon von 0 nicht viel weiterhelfen.

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