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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 0-5V auf 4-20mA


Autor: Stevko (Gast)
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Guten Abend liebe Gemeinde,

heute Abend hatte ich ein Gespräch(bei etwas Bier) mit einem 
Bastelkollegen.
Er möchte das Signal einer speziellen Lamda-Sonde einer SPS-Steuerung 
zuführen.
Das Problem:
Die Lamdasonde gibt als "Meßgrösse" ein Signal zwischen 0..5V aus. Die 
SPS braucht aber 4-20mA als Eingangsgröße.
Nun habe ich die grosse Klappe geschwungen: "Dafür gibts bestimmt einen 
IC, der dies umwandelt." Im Hinterkopf waren dabei die Threads in 
MC-Net, wo es genau um diese Beispiele ging.
Doch heute Abend finde ich nur den U->I Wandler von 0..10 Volt auf 
4-20mA, das wäre der AD694.
===================================================================

Hätte jemand einen IC auf Lager, der das Problem löst/erschlägt?
Und, es ist wirklich nur ein Bastler -> wenig Aussenbeschaltung.

Gruß
 Stevko

: Verschoben durch Admin
Autor: Magnus Müller (Gast)
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Stevko schrieb:
> Doch heute Abend finde ich nur den U->I Wandler von 0..10 Volt auf
> 4-20mA, das wäre der AD694.

Sieh dir das Datenblatt doch noch mal genauer an...

http://www.datasheetarchive.com/pdf-datasheets/Dat...

Der kann auch 0..2V --> 4..20mA

Den Rest erledigt dann ein Spannungsteiler.

Autor: Al Bundee (Gast)
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XTR106 würde ich sagen .... gibt es bei Angelika.

Autor: Stevko (Gast)
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Hallo Magnus,

natürlich habe ich mir das Datenblatt angesehen und auch die 0..2V 
bemerkt.
Das mit dem Spannungsteiler 5V -> 2V habe ich mir schon überlegt, ABER:
Ist das Signal aus dem Spannungsteiler dann auch noch "umgeformt" das 
Gleiche?
Ich vermute, das da schon die 1. Fehlerquelle ins Spiel kommt. Die 
Widerstände(auch Metall) sind meines Wissens nicht so linear. Er hat 
dafür eine separate Platine bestellt (0..5V auf 4..20mA) die das Problem 
mit ca. 20 Widerständen, ein paar Kondis und einem OVP löst.

Bin aber jederzeit für eine simple Lösung offen.

Gruß
  Stevko

Autor: Stevko (Gast)
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@Al Bundee

... und sofort sehe ich mir das Datenblatt an.
Hier gehts nämlich um meine "Ehre"

Gruß
  Stevko

Autor: Magnus Müller (Gast)
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Stevko schrieb:
> Das mit dem Spannungsteiler 5V -> 2V habe ich mir schon überlegt, ABER:
> Ist das Signal aus dem Spannungsteiler dann auch noch "umgeformt" das
> Gleiche?

Ähm... ja?(!)

> Ich vermute, das da schon die 1. Fehlerquelle ins Spiel kommt. Die
> Widerstände(auch Metall) sind meines Wissens nicht so linear.

So einen Quatsch hab ich noch nie gehört ;)

> Er hat dafür eine separate Platine bestellt (0..5V auf 4..20mA) die
> das Problem mit ca. 20 Widerständen, ein paar Kondis und einem OVP
> löst.

Was für ein Aufwand ;o)

Autor: Christian H. (netzwanze) Benutzerseite
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Widerstände sind immer linear. Wenn nicht, sind Halbleiter am Werk.
Widerstände haben aber eine Tolleranz. Aber das hat der U->I-Wandler 
auch.

Magnus Müller schrieb:
> Stevko schrieb:
>> Das mit dem Spannungsteiler 5V -> 2V habe ich mir schon überlegt, ABER:
>> Ist das Signal aus dem Spannungsteiler dann auch noch "umgeformt" das
>> Gleiche?
>
> Ähm... ja?(!)
Ähm... nein!(?)
Es sind jetzt ca 2V anstatt ca 5V.

Nach dem Stromwandler sind es nun auch nicht mehr 5V die anliegen, 
sondern wahrscheinlich ca 20mA, die in Deine SPS fließen.

Also nicht mehr das gleiche!


Ach ja, wie genau misst die SPS eine analoge Eingangsspannnung 
respektive -strom. Da steckt erstmal ein I->U-Wandler (also ein 
Widerstand) und ein AD-Wandler drin. Der hat eine gewisse Bitbreite und 
ein Rauschen, so dass zumindest das niederwetigste Bit Müll ist. Es sind 
also auch hier Tolleranzen vorhanden. Wenn Du es so genau wie möglich 
haben willst, musst Du den Spannungsteiler abgleichen.

Autor: Stevko (Gast)
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Hallo Magnus,

danke für die Antwort.

> Er hat dafür eine separate Platine bestellt (0..5V auf 4..20mA) die
> das Problem mit ca. 20 Widerständen, ein paar Kondis und einem OVP
> löst.

>Was für ein Aufwand ;o)

Und genau dies ist mein Problem. Warum soviel Aufwand, wenn man es 
eigentlich ganz einfach haben könnte?
Ich weis nur das dieser Wandler in der Test/Meßphase sehr gute Ergebisse 
erziehlt hatte. Die Abweichungen lagen im Promille-Bereich.
Eigentlich ist dieser Hersteller, laut meinem Bier-Kumpanen, ein Profi.

Gruß
  Stevko

Autor: Stevko (Gast)
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Hallo Christian H. (netzwanze),

Deine Aussage:
>Widerstände sind immer linear,
wage ich zu bezweifeln. Warum? Wenn Du einen Widerstand mit einem 
Brenner erhitzt ändert sich auch das R! und zwar massiv.
Ich vermute das diese Firma eine Art Temperatur-Kompensation eingebaut 
hat. Daher die vielen Bauteile.

Kann aber auch sein, dass ich hier falsch liege.

Gruß
  Stevko

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Stevko,

>Die Lamdasonde gibt als "Meßgrösse" ein Signal zwischen 0..5V aus. Die
>SPS braucht aber 4-20mA als Eingangsgröße.
>Nun habe ich die grosse Klappe geschwungen: "Dafür gibts bestimmt einen
>IC, der dies umwandelt." Im Hinterkopf waren dabei die Threads in
>MC-Net, wo es genau um diese Beispiele ging.
>Doch heute Abend finde ich nur den U->I Wandler von 0..10 Volt auf
>4-20mA, das wäre der AD694.

Der AD694 hat einen Eingangsverstärker, den du für eine Verstärkung von 
V=2 beschalten kannst. Dazu einfach zwischen Pin1 und Pin2 22kOhm und 
10pF (parallel) und zwischen Pin2 und Pin5 22kOhm schalten. Das 
Eingangssignal legst du zwischen Pin3 und Pin5 an.

Kai

Autor: Stevko (Gast)
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Hallo Kai Klaas,

das ist doch mal ein konketes "Angebot". Ich werde einmal Deinen 
Ausführungen folgen und dies mit dem U->I-Wandler-Werten der besagten 
Firma vergleichen. Mal sehen wie groß die Abweichungen sind.

Bin jetzt auch langsam müde, denn morgen früh um 5.30Uhr ist die Nacht 
vorbei.

Trotzdem, Danke an alle die sich hier arrangiert haben.

Gruß
  Stevko

Autor: Christian H. (netzwanze) Benutzerseite
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Stevko schrieb:
> Hallo Christian H. (netzwanze),
>
> Deine Aussage:
>>Widerstände sind immer linear,
> wage ich zu bezweifeln. Warum? Wenn Du einen Widerstand mit einem
> Brenner erhitzt ändert sich auch das R! und zwar massiv.
Wenn man mit dem Hammer draufhaut, ändert sich der Widerstandswert auch 
massiv. Klar. Darum geht es aber nicht.

Wenn Du an einen Spannungsteiler eine Spannung anlegst und diese 
änderst, wird sich die geteilte Spannung genau in dem Teilerverhältnis 
verändern - das ist dann linear.

Die Temperatur geht in den Tolleranzbereich mit ein. Wenn Du natürlich 
Flammenwerfer verwenden willst (ich bezweifle mal, dass diese Firma 
einen Temperaturbereich über 600°C freigegeben hat)...

> Ich vermute das diese Firma eine Art Temperatur-Kompensation eingebaut
> hat. Daher die vielen Bauteile.
>
> Kann aber auch sein, dass ich hier falsch liege.
Es wird sich dabei um eine diskret aufgebaute einstellbare 
Konstantstromquelle mit Offsetkorrektur handeln. Also keine Zauberei. 
Temperaturkompensation glaube ich nicht wirklich.

Eventuell vier Operationsverstärker mit, sagen wir mal pro OPV einen 
Spannungsteiler aus 2 Widerständen am +-Eingang, einen Widerstand als 
Rückkopplung, einen weiteren von '- nach Masse und vielleicht noch in 
Serie zum Ausgang. So damit wären wir bei 20 Widerständen.

ACHTUNG: Das ist keine sinnvolle Schaltung. Einfach nur mal so einige 
Widerstände verteilt.

Um was für einen Hersteller handelt es sich dabei? URL, Datenblatt? Ich 
bin etwas neugierig.

Autor: Stevko (Gast)
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Hallo Christian H. (netzwanze),

ich werde Dir einmal das Umfeld etwas näher beschreiben, damit Du Dir 
ein besseres Bild machen kannst.

Zuerst:
Mein Bekannter hat von Elektronik soviel Ahnung, wie ein Schwein vom 
Hochsprung.

Was ich bis jetzt weis:
Gemessen wird mittels Lambda-Sonde der Restsauerstoffgehalt in einem 
Gasgemisch. Die Sonde gibt eine Spannung bis 5V aus, die proportional 
zum O2-Gehalt ist. Da die Gemischbildung mit einer SPS geregelt wird, 
ist die Wandlung von Spannung in Strom notwendig. Jetzt haben sie 
mehrere solcher fertig aufgebauten Wandler ausprobiert. Dazu wurde eine 
geeichte Meßsonde mit Ausgabeeinheit als Referenz verwendet. Und genau 
die besagte Platine wies die größte Meßgenauigkeit/Liniarität auf.

Ich habe mit ihm noch einmal telefoniert und mir die Platine beschreiben 
lassen. Nach seiner Aussage sind da ca. 20 Widerstände drauf, ein paar 
Kondensatoren und Transistoren. Auf meine Frage was auf einem Transistor 
steht, antwortete er "LM336". Also ist der Transistor eine Shunt-Diode.

Einen Hersteller konnte er mir nicht nennen, die Platine ist von einer 
hiesigen Elektrofirma, die diese widerrum aus Ungarn? importiert hätte.

=======================================================================

So wird das alles nichts!
Ich fahre am nächsten Wochenende, ausgestattet mit meinen Meßgeräten, in 
seine Firma. Dort werde ich die Kennlinie der Lamda-Sonde im relevanten 
Bereich abfahren und aus dem Datenblatt die Lambdawerte auslesen. Diese 
vegleiche ich dann mit ihren "gemessenen" Werten. Denn so wie er redet, 
glaube ich, dass sie gar nicht so richtig wissen ob die Werte überhaupt 
noch stimmen. Dann kann ich die besagte Platine ja näher in Augenschein 
nehmen.

Mein Bekannter wollte den z.Z. "fliegenden"-Meßaufbau auf eine Platine 
bringen und hatte mich um Rat gefragt. Bei dieser Gelegenheit hätte ich 
die Wandlerplatine durch einen IC ersetzt, zumal diese Platine 35,-Euro 
kostet.

Ein schönes Wochenende
  Stevko

Autor: Peter (Gast)
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Hallo erst einmal.....

Das Spannungssignal 0...5V und das Stromsignal 4-20mA sind sogenannte 
Einheitssignale die üblicherweise in der Messtechnik, Steuerungstechnik 
oder Regelungstechnik Verwendung finden.
Es sollte eigentlich nicht schwer sein einen geeigneten Signalumformer 
zu finden der 0-5V auf 4-20mA wandelt......
Wenn man allerdings basteln will bietet sich ein Summierverstärker mit 
OPV an den man als spannungsgesteuerte Stromquelle betreibt. Am Eingang 
des OPV befinden sich die 2 Widerstände R1.0 und R1.1(Stromteiler) , 
durch R1.0 muss ein Strom von 4mA fließen, an R1.1 liegt 0-5V an. Mit 
R=U/I ergibt sich
312,5 Ohm = 5V/0,016A. Die restlichen 4mA liefert die Spannung an R1.0
Der Gegenkopplungswiderstand der Schaltung liegt als Bürde in dem 
Angeschlossenen Gerät (SPS wenn ich mich nicht irre) vor.
Der OPV sollte allerdings  die 20mA treiben können... (LM358 könnte 
gehen, 0-24V kann er auch ab)

mfg

Peter

Autor: Achim F. (achim2)
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Hallo,
ich habe diese Schaltung ohne Transistor nachgebaut. Mit einem 
Summierverstärker kannst du die Schaltung ganz einfach aufbauen. Falls 
du keinen normalen OP verwenden willst empfehle ich dir den AD694
Mit OP:
Du kannst dann deine 20mA mit R5 als Imax festlegen (25 Ohm)


Hier die Grundschaltung:   - E1 0-5 Volt
                           - R1,R3 100K
                           - R2,R4 10K
                           - R5 Shunt bestimmt den Strombereich
                           - C 120pF (gegen Schwingen)
                           - T1 NPN nach Leistung gewählt
                           - E2 Versorgungsspannung A1 und Verbraucher
                           - OP single Suply

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Achim,

>ich habe diese Schaltung ohne Transistor nachgebaut. Mit einem
>Summierverstärker kannst du die Schaltung ganz einfach aufbauen.

Nur, daß bei E1=0V eben 0mA fließen, anstatt 4mA.

Kai

Autor: gast (Gast)
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Autor: Arno H. (arno_h)
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Toller Vorschlag für jemand, dem 35,-- Euro schon zuviel sind.

Arno

Autor: Achim F. (achim2)
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Hallo Achim,

>ich habe diese Schaltung ohne Transistor nachgebaut. Mit einem
>Summierverstärker kannst du die Schaltung ganz einfach aufbauen.

Nur, daß bei E1=0V eben 0mA fließen, anstatt 4mA.

....deswegen auch der Summierverstärker vor die Schaltung

Autor: Stevko (Gast)
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Liebe Leute,

lest doch bitte erst mal alles genau durch bevor ihr hier postet.

@gast (Gast):
Ich wollte doch den Wandler mit auf die Platine integrieren.

@Arno H. (arno_h):
Nirgendwo habe ich gesagt, dass der Wandler zu teuer ist. Vielleicht 
nehme ich die "Super"-Wandler-Platine (35,-EUR Ding) einfach huckepack 
mit auf die Haupt-Platine. Zumal mein Bekannter so darauf schwört.

Ich hatte lediglich den Vorschlag gemacht, dass es dafür heutzutage 
fertige IC's gibt und nicht mehr diskret aufgebaut wird.

@Achim F. (achim2):
Interessante Schaltung, werde sie mir auf jeden Fall ansehen. Ich nehme 
mal an, dass die Verbindung von R5 zur R2 mit dem Ausgang des OPV (A1 
--> T1) verbunden ist.

Gruss
  Stevko

Autor: Achim F. (achim2)
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Ich nehme mal an, dass die Verbindung von R5 zur R2 mit dem Ausgang des 
OPV (A1 --> T1) verbunden ist.
Genau! Ich habe auch lange nach einer passenden Schaltung gesucht, die 
auch nicht teuer ist. Der AD694 kostet immerhin 12€. Mit dem AD694 habe 
ich die Schaltung auch aufgebaut (die Schaltung im Datenblatt). Aber ich 
verwende den TS912 für die Schaltung, der kostet nur 2€. Damit kannst du 
den Summierverstärker und die 4-20mA über einen IC realisieren. Beim 
AD694 hast du den Vorteil das er ein Fehler im Ausgang auf einem Pin 
ausgeben kann (keine Last)

Autor: Arno H. (arno_h)
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Stevko schrieb:

> Bei dieser Gelegenheit hätte ich die Wandlerplatine durch einen IC
> ersetzt, zumal diese Platine 35,-Euro kostet.

Was hätte ich aus dieser deiner Aussage sonst entnehmen sollen?

Arno

Autor: Peter (Gast)
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Hallo.....

...ich denke so einfach könnte es auch gehen...

mfg
Peter

Autor: Klaus (Gast)
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Naja...

Autor: Peter (Gast)
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Hallo...

...hier findet man einige Grundlagen zum Thema...
http://www.technik-emden.de/~elmalab/indelek/downl...
mfg

Peter

Autor: Klaus (Gast)
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Immer noch naja...

...deine Schaltung geht davon aus, dass in der SPS immer ein Widerstand 
von genau 500 Ohm vorhanden ist und die Leitung dahin einen Widerstand 
von 0 Ohm hat.

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Klaus

...es ist völlig unerheblich wie groß der Widerstand in der SPS ist, 
auch die Leitungslänge ist unerheblich. Der OPV treibt immer einen Strom 
von 4-20mA. Die 4mA dienen dazu einen Leitungsbruch oder Kurzschluss der 
Leitung zu erkennen, und die SPS kann eine Fehlermeldung ausgeben.
Die schaltung ist allerdings wirklich nur die Minimalvariante, da man 
für sowas "krumme" Widerstandswerte braucht....

mfg

Peter

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Klaus

...wenn interesse besteht kann ich die Schaltung auch etwas ausfühlicher 
erklären.....

mfg
Peter

Autor: Knut (Gast)
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Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Peter,

>ich denke so einfach könnte es auch gehen

Leider geht es so nur auf dem Papier. Der invertierende Eingang deines 
OPamp liegt virtuell auf Masse und ist extrem empfindlich gegen 
Einstreuungen. Jede noch so geringe Potentialänderung am invertierenden 
Eingang deines OPamp wird um den Leerlaufverstärkungsfaktor (!) deines 
OPamp verstärkt. Damit fängt die Schaltung höchstwahrscheinlich sofort 
an zu schwingen.

Die Gegenkopplung eines OPamp muß man immer so nahe wie irgendmöglich 
beim OPamp anordnen. Ein "Auseinanderziehen", wie du es vorschlägst, 
geht leider nicht.

Kai Klaas

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Kai

...ich bau das Ding heute Abend oder Morgen auf und schau mal ob es so 
funktioniert...
... probieren geht nun mal über studieren......
...eigentlich müsste das Teil niederohmig genug sein...
(...ist ja eigentlich nur ein Schaltungsprinzip für das Verfahren....

mfg

Peter

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Peter,

>...ich bau das Ding heute Abend oder Morgen auf und schau mal ob es so
>funktioniert...
>... probieren geht nun mal über studieren......
>...eigentlich müsste das Teil niederohmig genug sein...
>(...ist ja eigentlich nur ein Schaltungsprinzip für das Verfahren....

Berühr dann mal mit dem Brummfinger den invertierenden Eingang...

Du kannst die Stabilität erheblich verbessern, wenn du 33...100p vom 
invertierenden Eingang zum Ausgang des OPamp schaltest. Außerdem hilft 
ein kleiner Widerstand von 47...100 Ohm direkt am invertierenden Eingang 
und ebenso direkt am Ausgang des OPamp.

Kai Klaas

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Kai

...danke für den Hinweis......

......ich hab noch eine SPS hier rumliegen wenn ich nicht irre hat die 
einen "Sromeingang" ...wenn ich es schaffe kann ich ja das Ding komplett 
mit SPS aufbauen......

.... jetzt will ich es wissen....

mfg

Peter

Autor: Uwe (Gast)
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Ich hab das Problem des OP noch nicht ganz verstanden.
Warum musst du die 0-5V unbedingt auf 4-20mA wandeln?
Welche SPS ist es denn? Irdenwo im inneren wird sicherlich der Strom eh 
wieder in eine Spannung gewandelt (ueber einen Widerstand). Kannst du 
die anderen (Strom-)Eingaenge nicht einfach ueber einen Widerstand in 
eine Spannung wandeln, und der SPS Sagen sie bekommt jetzt ein 
Spannungssignal? Also auf den ganzen 
Block/Erweiterungsmodel/Funktionseinheit?

Das hab ich neulich mit einer S7-200 so gemacht. 2x 4-20mA einfach ueber 
einen Widerstand in 2-10V gewandelt. Das gesamte Erweiterungsmodul 
(4-fach) dann auf Spannungseingang geschaltet.
Bei einer Moeller Easy hab ich das mal in der Anleitung gelesen das man 
es generell so machen muss um ueberhaupt Stromsignale ankoppeln zu 
koennen.

Also IMHO: alle anderen Sensoren --> Strom in Spannung wandeln = viel 
Einfacher.
Oder nicht?

bye Uwe

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Kai

...ich hab die Schaltung eben getestet....sie läuft absolut stabil auch 
ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand.

Ich habe überall angefasst...keine Reaktion auf dem Oszi....
... die Bürde habe ich dann noch an 5m Klingeldraht gehängt die 
Schaltung ist stabil geblieben......
Die Bürde habe ich bei konstanten Eingangsspannungen getauscht (330 und 
670 Ohm) der Strom ist konstant geblieben.

.. die Schaltung ist nicht so schlecht wie sie aussieht....

R 1=1k
R 1.1 = 460 Ohm
R2 =Bürde=460 Ohm
OPV LM358 bei symetrischer Spannungsversorgung von +/- 15V

...hat man keine Symetrische Spannungsversorgung für den OPV dann wirds 
Sch...

mfg

Peter

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Peter,

>...ich hab die Schaltung eben getestet....sie läuft absolut stabil auch
>ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand.

Kompliment! Vielleicht ist wirklich die Niederohmigkeit deines Aufbau 
der Grund für die Stabilität.

Kannst du mal einen schnelleren OPamp reinhängen? TL082, TL072 oder 
ähnlich?

Kai

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Kai

... ich habs mal mit dem TL082 getestet und die Schaltung schwingt 
nicht...

... ich hab dem TL082 allerdings mit 15 mA belastet.. das kann er nicht 
so richtig... beim wechseln der Bürden hat er unterschiedliche Ströme 
getrieben..

... da muss ich mal ins Datenblatt schauen wie hoch der Ausgangsstrom 
sein darf...

... ich hatte erwartet dass er anfängt mit schwingen... aber nichts...

mfg

Peter

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Kai

...der TL082 kann nur 3,6mA treiben.....wenn ich richtig gelesen habe...

mfg

Peter

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Peter,

>... ich hatte erwartet dass er anfängt mit schwingen... aber nichts...

Ich auch, haha! Ich habe schon solche Schaltungen schwingen sehen. 
Gewisse Mischpulte haben manchmal die Gegenkopplung in Summierstufen 
etwas aufgeweitet, und da schwingt es dann ganz regelmäßig.

>...der TL082 kann nur 3,6mA treiben.....wenn ich richtig gelesen habe...

So 15mA kriegt er noch hin, aber dann bricht seine Ausgangsspannung 
schon auf 5V zusammen.

Mich hat es einfach wegen der Schwingneigung interessiert. Ist ja auch 
nicht sinnvoll einen OPamp zu verwenden der schneller ist als nötig.

Danke für deinen Test!

Kai Klaas

Autor: Peter (Gast)
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Hallo Kai

.. der Test war ja einigermaßen erfolgreich, eventuell kann Stevko etwas 
davon verwenden....


mfg

Peter

Autor: Stevko (Gast)
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Guten Abend,

@Peter & @Kai:

Danke für Eure Bemühungen und Gedanken. Ich werde auf jeden Fall Peters 
Schaltung auf dem Steckboard aufbauen und mit der Lambdasonde testen. 
Wie gesagt, wenn es am Wochenende klappt werde ich einmal zu meinem 
Bekannten fahren, um mir ein Bild von seiner Regelung zu verschaffen.

Ist schon interessant, was so ein vermeintlich simples Problem für 
verschiedene Lösungsansätze bietet.

Gruß
  Stevko

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