Moin zusammen, Ich bin gerade dabei, einen extrem langsamen (0,5V/min) Integrator zu bauen. Dazu verwende ich derzeit einen LM324, da ich davon noch eine Stange liegen habe. Komischerweise läuft die Spannung nicht langsam an eine der Rails sondern steigt linear an und nähert sich dann asymptotisch einer geringeren Endspannung. Diese Spannung ist abhängig von der Eingangsspannung des Integrators. Aufbau (der Schaltplan liegt auf einem Stick, den ich in der Uni vergessen habe...): Speisung mit 9V-Block; Masse wird über nicht-invertierenden OPV mittig erzeugt. +5V auf einen 10k-Trimmer gegen GND als Spannungsteiler für den Integratoreingang. Dieser entspricht der invertierenden Standardschaltung mit R=220k und C=1000uF. Danach kommt noch ein invertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 1. Kann es sein, dass die Eingänge des LM324 doch nicht so hochohmig sind, dass die Eingangsspannung am invertierenden Eingang des Integrators auf Grund der 220k nicht "voll" ansteigen kann? Den Schaltplan werde ich gern nachreichen, wenn gewünscht. (gif oder png gewünscht?) Vielen Dank schon mal! Hendrik
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Verschoben durch Admin
Hallo Henne, >Komischerweise läuft die Spannung nicht langsam an eine der Rails >sondern steigt linear an und nähert sich dann asymptotisch einer >geringeren Endspannung. Du weißt, daß der LM324 ist kein Rail-to-Rail Opamp ist? Kai
@Kai: Jep. Er sollte aber bis an die Versorgungsspannung -1,5V gehen - und das unabhängig von der Stellung des Trimmers. Viele Grüße, Hendrik
Der 1000uF-Kondensator ist wahrscheinlich ein Elko, dessen Leckstrom um mehrere Größenordnungen größer als der Eingangsstrom des LM324 ist. Je größer der Leckstrom ist, umso früher hört der Integrierer auf zu integrieren.
> ... nähert sich dann asymptotisch einer geringeren Endspannung. Diese > Spannung ist abhängig von der Eingangsspannung des Integrators. Dieses Verhalten kommt daher, dass der OPV zusammen mit den 220kΩ und dem parasitären Parallelwiderstand im Kondensator einen gewöhnlichen invertierenden Verstärker mit nicht allzu großem Verstärkungsfaktor bildet. Bei einem idealen Integrierer ist aber der DC-Verstärkungsfaktor unendlich. Besser geht's bspw. mit einem Folienkondensator. Da der aber keine so hohe Kapazität hat, musst du den Widerstand entsprechend vergrößern. Dann spielt aber irgendwann der Eingangsstrom des OPV doch eine Rolle, deswegen musst du diesen durch einen mit JFET- oder (noch besser) MOSFET-Eingängen ersetzen. Spätestens jetzt wirst du vielleicht merken, dass auch auf der Platine Kriechströme fließen, vor allem dann, wenn sie nicht 100%ig sauber ist. Auch dagegen gibt es Tricks (Stichwort Guard- Ring), aber irgendwann kommst du zum Schluss, dass du die Aufgabe vielleicht auch digital lösen kannst :)
Die Bahnen sind möglichst kurz, die Isolationsabstände >1mm und der Eingangsstrom sollte <50nA sein. Ich hatte Leckströme im Elko völlig vernachlässigt... Wie sollte ein Guard-Ring bei so einer Schaltung aussehen? Jedes feste Potential (GND, -UB, +UB) würde zu Verschiebungen führen. zu der digitalen Variante: Der Integrator arbeitet kontinuierlich - die digitale Variante diskret. Wenn die Quantisierung keine allzu üble Treppe erzeugen soll, bin ich bei 10..12bit. Den DAC sauber anzuschließen und das Signal zu verstärken, stell ich mir nicht viel einfacher vor. Einen Taktgenerator und kaskadierte Binärzähler würde ich wohl nicht mehr nutzen und das direkt mit einem kleinen AVR tot schlagen. PWM ginge auf Grund des Ripples wohl wieder nicht... Gibt es eigentlich einen netten pinkompatiplen 4fach OPV, den ich mir mal anschauen könnte? Mein bisheriger Wald-und-Wiesen OPV scheint ja an seine Grenzen zu stoßen. Vielen Dank für die Antworten! Hendrik
@Ei: Ähh - nein? Wieso? Wie stünde es mit dem TL084? Der Biasstrom ligt typ. bei 30pA, was dann einen kleineren Kondensator und einen größeren Widerstand erlaubt. Versorgung dürfte auch passen. Viele Grüße, Hendrik
Hallo Henne, >Gibt es eigentlich einen netten pinkompatiplen 4fach OPV, den ich mir >mal anschauen könnte? Mein bisheriger Wald-und-Wiesen OPV scheint ja an >seine Grenzen zu stoßen. Ich würde den TLC279 oder TLC274 nehmen. Kai
> Wie sollte ein Guard-Ring bei so einer Schaltung aussehen? Jedes feste > Potential (GND, -UB, +UB) würde zu Verschiebungen führen. Der mit Abstand hochohmigste und damit empfindichste Punkt in der Schaltung ist der invertierende Eingang des OPV. Dieser liegt im normalen Betrieb des Integrierers immer etwa auf GND-Potential, so dass man geschickterweise einen mit GND verbundenen Guard-Ring um diesen Eingang sowie die damit verbundenen Leiterbahnen legt. Die Spannungsdifferenz zwischen Guard-Ring und dem Eingang entspricht damit im Wesentlichen der Offsetspannung des OPV, so dass der Kriechstrom minimal ist, wenn man einen entsprechend präzisen OPV-Typ einsetzt. > Der Integrierer arbeitet kontinuierlich - die digitale Variante > diskret. Es gibt auch Mischformen, bspw. ein Spannungs-Frequenz-Wandler (der im Inneren einen analogen Integrierer enthält) mit nachgeschaltetem Digitalzähler. Bei der rein digitalen Variante (ADC und digitaler Addierer) enstehen die Quantisierungsfehler vor der Integration und werden somit mitintegriert, was zu einer Drift des Ergebnisses führt. Dieses Problem hat die o.g. Mischvariante nicht, da die Quantisierung de facto erst nach der Integration geschieht. Da der VFC bei richtiger Anwendung immer nur über kurze Zeitperioden integrieren muss, kommt man mit relativ kleinen Kondensatoren und Widerständen aus, was den Einfluss von Leck- und Kriechströmen minimiert. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass man den Wertebereich des Integrationsergebnisses (falls dieses nur in digitaler Form benötigt wird) nahezu beliebig groß machen kann, ohne an Auflösung zu verlieren, indem man die Bitbreite des Zählers entsprechend erhöht. Das gilt erst recht, wenn die Zählerei ein µC macht. > Den DAC sauber anzuschließen und das Signal zu verstärken, stell ich > mir nicht viel einfacher vor. Du brauchst das Ergebnis also analog. Naja, die Schnittstelle zwischen Zähler bzw. µC und DAC ist digital und nicht besonders schwierig, was danach kommt, hängt von deiner Anwendung ab. Darf man fragen, was das Ganze werden soll? > Gibt es eigentlich einen netten pinkompatiplen 4fach OPV, den ich mir > mal anschauen könnte? MOSFET-Eingänge, wie sie die von Kai vorgeschlagenen TLCs haben, sind natürlich, das den Eingangsstrom (0,6pA) betrifft, optimal. Du wirst aber kaum einen Unterschied zum TL084 (30pA) feststellen können, da der Eingangsstrom auch hier so gering ist, dass der von externen Effekten überdeckt wird. CMOS-OPVs wie die TLCs haben i.Allg. auch eine geringere Differenzverstärkung als die (JFET-)Bipolartypen wie die TLs, was sich wiederum ungünstig auf die Spannungsdifferenz zwischen dem inverterenden Eingang und GND und damit auf die Wirksamkeit des Guard-Rings auswirkt. Bei der Auswahl des OPV spielen aber noch andere Dinge wie Offset- spannung, Bandbreite usw. eine Rolle, die jedoch sehr stark von den Anforderungen deiner Anwendung abhängen.
Der TLC274 hat gegenüber dem TL084 vor allem den Vorteil, das man auch mit eher niedrieger Versorgungsspnnung auskommt, und wie beim LM324 auch an GND rankommt. Der TL084 ist OK bei mehr als 12 V Versorgung, sonst lieber den TLC...
Da als Versorgungsspannung 12V ausreichen sollten, spricht wirklich vieles für den TLC. Die Anwendung wird ein "Potentiostat": Bei vielen korrosionsbeständigen Stählen erkennt man den Übergang vom Passivbereich (rostfrei) zum transpassiven Bereich (rostet doch) an einem Knick in der Summenstromkurve (Dies ist der Strom zwischen Probe und einer Gegenelektrode.) in Abhängigkeit vom Potential der Probe. Um dieses zu verschieben und dabei den Summenstrom mitzuschreiben, benötige ich eine extrem langsam ansteigende Spannungsrampe. Der für mich interessante Spannungsbereich liegt dabei zwischen -1,0V und +5,0V. Die Ströme liegen bei <<1mA. Eigentlich habe ich auch bereits mit der beschriebenen Schaltung alle interessanten Potentiale erfassen können - mich wunderte blos das o.g. Verhalten und ich möchte meiner Nachwelt keinen Schrott hinterlassen... Die Geräte kosten fertig etliche kEUR und ich dachte, ich kann etwas Vergleichbares für 5EUR +vorhandene Messverstärker konstruieren. Schönes WE, Hendrik
>benötige ich eine extrem langsam ansteigende Spannungsrampe. Also brauchst du im Prinzip keinen Intergrator. Das ganze laesst sich doch mit einem AVR und PWM loessen. 16Bit PWM eingestellt und dann langsam einen Zaehler hochlaufen lassen. Und der eventuelle Rippel am Ausgang kannst du mit einem passenden Tiefpass wegfiltern. >Die Geräte kosten fertig etliche kEUR und ich dachte, ich kann etwas >Vergleichbares für 5EUR +vorhandene Messverstärker konstruieren. Na ja das die Messtechnikhersteller auch immer so teuere Messgeraete entwickeln wo es doch eine 5 Euro Loesung auch tut. Gruss Helmi
@Helmi: nicht wahr? ;-) (Die Ironie in unseren beiden Posts ist mir bewusst...) Zur PWM: auf gar keinen Fall!! Selbst der Ripple linearer Labornetzteile im µV-Bereich machte in Verbindung mit den Eingangsfiltern der Messverstärker eine Messung des Summenstromes unmöglich. Und somit bin ich bei DACs, Integratoren oder Frequenz/Spannungs-Wandlern...
>Frequenz/Spannungs-Wandlern...
Die kannst du dann auch vergessen. Da wird die Frequenz durch ein MF in
eine PWM umgewandelt und dann ...
Zur PWM:
Dann ist dein Filter nicht steil genug. Mehrere RC Glieder in Reihe
bringen mehr Filterwirkung als ein RC Glied mit sehr tiefer
Grenzfrequenz. Auch kommt es auf den richtigen Aufbau an ob das Filter
die errechnete Sperrwirkung auch erzielt.
War auch als Ironie gedacht.
Gruss Helmi
Hallo Henne ... wie genau muss den die Rampe sein ???... oder besser gesagt... Die Ausgangsspannung muss nach Deiner Dimensionierung rund 40 Minuten konstant ansteigen !?... mfg Peter
Hallo Henne ich hab mal nach Potentiostat gegoogelt und das gefunden .... ....eventuell hilfts.... http://www.google.de/imgres?imgurl=http://chem.ch.huji.ac.il/history/wenking_potentiostat_scheme1.jpg&imgrefurl=http://chem.ch.huji.ac.il/history/wenking.htm&h=317&w=403&sz=26&tbnid=oxE2J7GF4uPHUM:&tbnh=98&tbnw=124&prev=/images%3Fq%3DPotentiostat%2522&hl=de&usg=__Z4aYq-SHkNHdbTmnbV8r_48706Y=&ei=YNGSSsufIcnPjAePjazwDQ&sa=X&oi=image_result&resnum=6&ct=image mfg Peter
Hallo Alle, ich habe auch schonmal so ein Teil gebaut (das jetzt teuer verkauft wird ;) und kann folgendes beitragen: - PWM für Potentialerzeugung lief bei mir problemlos (16 Bit PWM, 250 Hz, mit Aktivfilter 2ter Ordnung) - OPV an sich ist zwar kritisch, aber der beste OPV nutzt nichts, wenn der Aufbau nichts taugt (Layout, Erschleifen!, Kriechströme) - bewährt hat sich eine galvanische Trennung des Potentiostaten, je mehr isoliert, desto besser (Ableitwiderstände von 10Meg waren schon sehr störend) - Strommessung ist ebenfalls sehr kritisch, zumindest wenn man wirklich kleine Ströme (<nA) auflösen will, und gleichzeitig auch recht große Ströme messen können will (in meinem Fall sollte der Meßbereich bis 10mA reichen und 0.1nA todsicher auflösen, eher noch weniger. Es gibt hier auch mehrere gängige Verfahren, sind eigentlich alle schon genannt (z.B. CFC, Shunt+Opamp+ADC, CVC+ADC) die jede so ihre Vor- und Nachteile haben - ich hatte letztlich die Shuntmethode mit MB-Umschaltung und Verstärker und 22Bit-ADC favorisiert - Eure OPV-Auswahl ist zielführend, auch die TLE207x sind brauchbar (aber: Dual-Speisung nötig) - letztlich konnte auch bei Abständen von 10m zwischen Meßzelle und Potentiostat noch sicher gemessen werden, was aber erheblichen Aufwand bei Kabel/Abschirmung erfordert @yalu: Du scheinst gediegene Erfahrungen mit dem Thema zu haben :) Welchen Fallen bist Du so begegnet? Beste Grüße, Stefan
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