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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik ui wandler mit massebezug


Autor: Manuel P. (manuelpet)
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Hallo zusammmen!

Möchte gerne einen UI-Wandler bauen (am besten mit OpAmp) bei dem der 
Stromausgang Massebezug hat. Hab dazu leider nirgends etwas gefunden.
Eingang soll zB 0-5V sein, Ausgang 0-20mA.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Manuel,


> Möchte gerne einen UI-Wandler bauen (am besten mit OpAmp) bei dem der
> Stromausgang Massebezug hat. Hab dazu leider nirgends etwas gefunden.
> Eingang soll zB 0-5V sein, Ausgang 0-20mA.

im Abschnitt "Mit Operationsverstärker" in der Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle
stehen zwei mögliche Realisierungen: Die mittlere und die rechte 
Schaltung. Ich würde die rechte Schaltung nehmen, weil Du dann flexibler 
im Hinblick auf die Bereitstellung der Eingangsspannung bist.

Beim OPV mußt Du darauf achten, daß er die notwendigen Ströme treiben 
kann. 20mA ist bei vielen OPV schon die obere Grenze. Es gibt aber auch 
zahlreiche Exemplare, die bis zu 50mA liefern können.


Gruß,
  Michael

Autor: Bernd K. (Gast)
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Autor: Kersten (Gast)
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Hallo Manuel,

die Schaltungen aus Wikipedia sind ok.
Du kannst auch einfach einen NPN-Transistor (Universaltyp ist 
ausreichend) an den Ausgang des OP schalten um den Strom von 20 oder 
mehr mA zu treiben:
Basis an den OP-Ausgang, Kollektor an Versorgungsspannung und Emitter 
ist der neue Ausgang. (Da kommen dann auch die Widerstände dran).
Du musst auch darauf achten, dass der OP bei unsymetrischer Versorgung 
(also Masse und z.B. 12V) noch die 0V Eingangsspannung verarbeiten kann.
Brauchbar ist z.B. ein LM324 (4-fach) oder besser CA3140.
Ausserdem zur Entkopplung der Spannungsversorgung unbedingt einen 
kleinen Kondensator (100nF) direkt an die Versorgungsanschlüsse des OP 
schalten.

Gruß
  Kersten

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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Danke für die Antworten!

Den MAX1916 kann ich kurzfristig nicht ausprobieren, werd ich dann aber 
mal machen sieht ganz gut aus.
Die OP-Schaltung hab ich aufgebaut, mit einem LM324. Als Widerstände hab 
ich alles 250R verwendet weil das Verhältnis der Widerstände an neg und 
pos Input ja gleich sein soll und ausserdem auch der Faktor für den 0-5V 
Spannungseingang passt.
Allerdings ist mir das ganze recht unlinear, im oberen Bereich ab ca 
19mA  und im unteren Bereich unter ca 3mA hab ich hohe Auflösung, 
dazwischen springts aber ziemlich extrem, kanns sein dass ich 
Präzisionswiderstände verwenden muss? Wegen dem Verhältnis? Wenn ja, 
reichen 0,1%?
@Kersten: Danke für den Hinweis aber ich durchblicke nicht ganz was du 
damit meinst dass der OPV die 0V nicht mehr verarbeiten könnte, bzw 
verstehe nicht warum er dass nicht können sollte.
Apropos: U1 hängt bei mir an Masse, da ich für die Steuerleitung kein 
eigenes Potential habe.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Ein Schaltplan wäre jetzt gut (wenn Du ihn postest, sodaß wir ihn sehen 
können).
250 Ohm sind evtl. zu niederohmig (je nachdem wo verbaut), daß kann der 
324 ggfs nicht.

Deshalb wäre ein Schaltplan....

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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Bitteschön.
Also für den Eingang wird mir ja nichts anderes übrig bleiben als die 
250R, ausser ich verstärk vorher auf 0-10V, dann sinds halt 500R aber 
das kommt mir auch irgendwie spanisch vor.
Edit: die beiden 10K im Schaltplan sind auch 250R, hatte ich noch ned 
ausgebessert

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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@Bernd: Wie hättest du das mit dem Max1916 gemeint? Hab mir gerade das 
Datenblatt angesehen und der IC macht ja eigentlich nix anderes ausser 
Leds ein- und auszuschalten über nur einen Vorwiderstand oder?
Steh ich auf der Leitung?

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Also für den Eingang wird mir ja nichts anderes übrig bleiben als die
> 250R, ausser ich verstärk vorher auf 0-10V, dann sinds halt 500R aber
> das kommt mir auch irgendwie spanisch vor.
> Edit: die beiden 10K im Schaltplan sind auch 250R, hatte ich noch ned
> ausgebessert

Wie groß ist denn der Lastwiderstand, und mit welcher Spannung betreibst 
Du den OPAMP?

Du kannst ja mal eine Spice-Simulation machen. Eigentlich müßte alles 
klappen. Die beigefügte Datei ist für LTSpice 
http://www.linear.com/designtools/software/ltspice.jsp)


Gruß,
  Michael

Autor: Bernd K. (Gast)
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@ Manuel P

der Max1916 ist eine Spannungsgesteuerte Konstantstromquelle.. wenn die 
der Strom eines einzelnen Ausgangs nicht reicht, kannst du auch alle 
drei zusammenschalten (JFET)..
Bevor ich den max1916 gefunden habe, teste ich auch mit diskret 
aufgebauten Schaltungen herum und musste ferstellen, dass diese extrem 
Temp.-abhaengig waren.

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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Im Anhang hab ich mal so ungefähr den Verlauf der 0-20mA skizziert, 
vielleicht sagt das ja was aus.
Der OPV wird mit 12V versorgt, gemeinsame Masse mit der 5V 
Steuerspannung. Lastwiderstand hab ich zuerst keinen verwendet, nur mit 
Multi gemessen, da kam ich auch af knapp 20mA, mit einem Lastwiderstand 
von 100R ändert sich der Verlauf nicht und ausserdem begrenzt er mir den 
Strom auf ca 12mA. Ist ja eigentlich nicht das Prinzip einer 
Konstantstromquelle, Testaufbau ist aber definitiv richtig, da gibts ja 
auch ned viel falsch zu machen...
Zum MAX1916: bedeutet dann aber dass ich bei 5V Vcc auf einen RLmax mit 
250R beschränkt bin richtig?

Gruß,
Manuel

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Hallo Manuel

Möglicherweise schwingt die Schaltung. Mach mal parallel zum R11 einen 
Kondensator 0,1uF.

Gruß, Bernd

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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Danke für den Tipp mit dem 100nF. Obs Besserungen bringt muss ich erst 
genau rausmessen.
Hab jetzt mal die 0-5V auf 0-10V verstärkt, so konnte ich einen 500R auf 
Eingangsseite nehmen. Funktioniert jetzt auch, die Stromsenke ist 
endlich linear.
Allerdings bleibt mir der Strom nicht stabil wenn ich einen 
Lastwiderstand ranhänge, habs mit 50R und 33R versucht. Bei 33R bekomm 
ich immer noch nur 18,9mA statt 20,7ma die ich ohne hätte.
Im Anhang nochmal der aktuelle Schaltplan

Autor: yalu (Gast)
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Bei mir funktioniert die Schaltung perfekt. Ich habe wie in deinem
ersten Versuch einen LM324, viermal 250Ω, VCC=12V und VEE=0V genommen.
Die Referenzspannung kommt von einem einstellbaren Netzgerät. Als
Lastwiderstand habe ich einmal 0Ω und einmal 100Ω gegen GND geschaltet.
Ein Antischwingkondensator war nicht erforderlich.

Bei 0Ω funktioniert die Schaltung für fast beliebig hohe Ströme, da hier
der Strom komplett von der Referenzspannungsquelle geliefert wird und
der OPV praktisch nichts tun muss. Natürlich wird irgendwann R8 ziemlich
warm ;-)

Bei 100Ω ist auch der OPV gefordert. Ab etwa 40mA Gesamtausgangsstrom
kann er seinen Stromanteil nicht mehr liefern, eine weitere
Stromerhöhung ist ab da nur noch durch die steigende Referenzspannung
möglich. Deswegen hat die Messkurve hier einen Knick, verläuft aber
anschließend geradlinig mit geringerer Steigung weiter.

Bei größeren Lastwiderständen kommt der Knick entsprechend früher.

R9 und R11 würde ich aber deutlich größer als 250Ω machen, da die
Funktion der Schaltung (fast) nur von ihrem Verhältnis, nicht aber von
den absoluten Werten abhängt. Sie belasten dann den Ausgang des OPV
nicht so stark.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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yalu wrote:
.
>
> R9 und R11 würde ich aber deutlich größer als 250Ω machen, da die
> Funktion der Schaltung (fast) nur von ihrem Verhältnis, nicht aber von
> den absoluten Werten abhängt. Sie belasten dann den Ausgang des OPV
> nicht so stark.

Gut das Du es nochmals aufgreifst. Ich habe zwar oben schon drauf 
hingewisen das 250 Ohm zu gering sein kann.
Aber vieleicht wird es nun auch umgesetzt und man geht auf  deutlich 
höhere Werte...

Sieht aber von der Funktion doch schon fast gut aus.

Autor: Kersten (Gast)
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Hallo Manuel,

das mit dem Transistor als Ausgangsverstärker siehst Du im Bild.

Die Eingangsschaltung des LM324 (und vieler anderer Typen) kann keine 
Signale von 0V bis zur vollen Versorgungsspannung verarbeiten (bei 
unsymetrischer Versorgung)
Der Grund ist einfach: Die Eingänge sind Transistorschaltungen (NPN oder 
PNP) und die brauchen eine Basis-Emitter Spannung um zu arbeiten.
Bei NPN-Eingangsstufen können nur Signale von etwa 1,5V bis zur 
Versorgung verarbeitet werden, bei PNP-Eingangsstufen geht der 
Eingangsbereich von 0V bis 1,5V unter der Versorgungsspannung. (Sieh Dir 
mal das Datenblatt http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf  bei National 
Semiconductor an)
Es gibt aber auch OPs die den ganzen Spannungsbereich von 0V bis zur 
Versorgungsspannung verarbeiten können.
Die nennt man Rail to Rail-OP. Der aufbau der Eingangsstufe ist dann 
etwas komplizierter und meist als CMOS-Typ.
Ein Beispiel wäre der LMC6464 von National Semiconductor.
Viel Erfolg noch...
Gruß
 Kersten

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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Andrew Taylor wrote:

> Gut das Du es nochmals aufgreifst. Ich habe zwar oben schon drauf
> hingewisen das 250 Ohm zu gering sein kann.
> Aber vieleicht wird es nun auch umgesetzt und man geht auf  deutlich
> höhere Werte...

Vielleicht siehts du dir nochmal meinen Beitrag vor den gerade eben von 
dir zitierten an, vor allem den Anhang bzgl. Erhöhung der Widerstände 
und "endlich umsetzen"...

Hab jetzt bei mir noch einen Fehler gefunden, hatte den R9 an Vcc statt 
an GND :-/, konnte natürlich nicht funktionieren wenn man eine Last dran 
hat.
Sprich die Schaltung in meinem letzten Anhang funktioniertn also.
Somit sag ich Danke für die umfangreiche Hilfe!

Edit:
Die Schaltung mit dem Transistor hab ich gerade versucht bringt aber 
eigentlich nicht den gewünschten Erfolg. Bei einem Lastwiderstand von 
300R hab ich mit Transistor 14,5mA und ohne, also direkt vom OPV 
14,6mA..

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Andrew,

>> R9 und R11 würde ich aber deutlich größer als 250Ω machen, da die
>> Funktion der Schaltung (fast) nur von ihrem Verhältnis, nicht aber von
>> den absoluten Werten abhängt. Sie belasten dann den Ausgang des OPV
>> nicht so stark.
>
> Gut das Du es nochmals aufgreifst. Ich habe zwar oben schon drauf
> hingewisen das 250 Ohm zu gering sein kann.
> Aber vieleicht wird es nun auch umgesetzt und man geht auf  deutlich
> höhere Werte...
Ich hab das ja mal simuliert (siehe oben). Ausgangsströme und Spannungen 
sind relativ moderat bei 250 Ohm (< 1V, wenige mA). Die 250 Ohm sind es 
nicht in diesem Fall denke ich nciht schuld.


Gruß,
  Michael

Autor: yalu (Gast)
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> Die Schaltung mit dem Transistor hab ich gerade versucht bringt aber
> eigentlich nicht den gewünschten Erfolg. Bei einem Lastwiderstand von
> 300R hab ich mit Transistor 14,5mA und ohne, also direkt vom OPV
> 14,6mA..

Das Problem bei dieser Schaltung ist, dass die Ausgangsspannung des OPV
um den Faktor 1+R10/R8 größer sein muss als die Spannung am Lastwider-
stand, die bei 300Ω und 20mA 6V beträgt. In der ursprünglichen Schaltung
mit R10=R8=250Ω müsste also die Ausganngsspannung des OPV 12V, in der
modifizierten Schaltung mit R10=1kΩ und R8=500Ω sogar 18V erreichen, was
natürlich bei nur 12V Versorgungsspannung nicht geht. Daran ändert auch
der zusätzliche Transistor nichts. Durch seinen BE-Spannungsabfall
reduziert er die maximale Ausgangsspannung, so dass das Ergebnis sogar
noch etwas schlechter ist als ohne Transistor.

Um das Ausgangsspannungsproblem zu umgehen, muss R10/R9 kleiner gewählt
werden. Mit R8=250Ω, R9=25kΩ, R10=100Ω und R11=100kΩ muss die Ausgangs-
spannung des OPV nicht mehr 12V oder 18V, sondern nur noch 8,4V
betragen. Das kann der LM324, allerdings muss er jetzt 24mA liefern,
also noch mehr als der gewünschte Strom durch den Lastwiderstand. Das
schafft er aber gerade noch so.

Bei dieser Dimensionierung ist also weniger die Ausgangsspannung,
sondern der Ausgangsstrom des OPV der limitierende Faktor, weswegen nun
auch der zusätzliche Transistor nutzbringend wäre. Der OPV müsste dann
bei einer Ausgangsspannung von etwa 9V nur noch einen ganz niedrigen
Strom liefern, so dass noch ordentlich Reserve bleibt.

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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Werd ich gleich mal versuchen.
Aber die Stromaufnahme von 24mA...
Der OPV muss durch R10 mal 20mA treiben.
Aus R9+R11 ergeben sich 125K,
5/125000=0,00004   wären 0,04mA, was insgesamt 20,04mA ergibt.
Rechne ich falsch?

Autor: yalu (Gast)
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Bei meinem Beitrag vom 09.04.2009 15:58 hat die '0'-Taste geprellt ;-)
Es sollte R11=10kΩ statt R11=100kΩ heißen.

> Aber die Stromaufnahme von 24mA...

Weil die Spannung am Lastwiderstand (6V) größer als die Referenzspannung
(5V) ist, fließen 4mA in die Referenzspannungsquelle hinein. Zusammen
mit dem Strom durch die Last von 20mA ergeben sich die 24mA. Den Strom
durch den unteren Zweig (8,4V/(10kΩ+25kΩ)=0,24mA) kann man
vernachlässigen.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Manuel,

> Werd ich gleich mal versuchen.
> Aber die Stromaufnahme von 24mA...
> Der OPV muss durch R10 mal 20mA treiben.
Ich glaube, da irrst Du Dich. Der Strom für die Last kommt hauptsächlich 
von der Eingangsspannung. Erst bei höheren Lastwiderständen muß der OPV 
eingreifen.

Schau's Dir doch mal im LTSpice an; das Ding rechnet das ja in ungefähr 
2s aus. (Schaltplan siehe oben)


Gruß,
  Michael

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Du kannst uns aber auch mal verraten, was der OPV treiben soll. Ich 
könnte mir ja vorstellen, daß Du eine LED treiben willst. Dann muß der 
OPV schon mehr Strom zur Verfügung stellen.

Autor: Manuel P. (manuelpet)
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@Yalu:
Feinstens erklärt, hab ich verstanden ;)
R11=10K... selber Hirn anwerfen is halt auch ned immer gleich so :) 
hätte ich auch sehen können wegen Widerstandsverhältnis, Danke für den 
Hinweis
@Michael:
Ich dachte schon dass der OPV den Strom treibt, vorher hiess es ja dass 
er die 24mA gerade noch so ab kann und dass dann ein Transistor zum 
Einsatz kommt um ihn fast komplett zu entlasten.
LTSpice lade ich mir mal runter, mal schauen wie ich damit zurecht 
komme, hab ich noch nicht mit gearbeitet.
Also was die Schaltung dann treiben soll lässt sich schwer sagen, in 
erster Linie Analogeingänge ansteuern, zB von FUs oder Steuergeräten. Da 
der Innenwiderstand bis zu 500R sein darf, wollte ich mich darauf 
hinarbeiten. Das kommt zwar sehr selten vor, aber wenn wäre es natürlich 
gut wenns auch funktioniert. Werde ich für eine Art Hausbussystem und 
evtl. weitere Anwendungen verwenden.

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