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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV als Konstantstromquelle im nA-µA-Bereich


Autor: Donald D. (samael)
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Guten Abend zusammen,

Folgendes Problem:
Ich benötige eine konstante Stromquelle zu Testzwecken, die mir 
letztendlich Ströme im nA-Bereich liefert.
Mein Ansatz dazu:
Einfach die Schaltung von einem invertierenden Verstärker hernehmen, 
wobei die Ausgangsspannung nicht wirklich interessiert, sondern der 
Strom I1 in der Schaltung (s.Bild). Der Strom müsste somit meines 
Wissens doch unabhängig vom Innenwiderstand Rl der Last sein und die 
Schaltung arbeiten, solange ich mit Ua nicht die Versorgungsspannung 
überschreite.
Fazit:
Nachdem ich es geschafft habe den OPV richtig zu verlöten und mit 
Spannung zu versorgen und am Ausgang auch tatsächlich zumindest die 
gewünschte Spannung messbar war (ja, die unter euch mit Talent oder ein 
winziges bisschen Erfahrung werden darüber jetzt laut lachen und vom 
Hocker fallen), öffnete ich den Stromkreis an den Klemmen A und B und 
machte mich ans Strommessen. Erwartet habe ich 83 µA (Rechnung s. Bild, 
R1=22 kOhm + 100 Ohm), gemessen ca. 50 µA. Leider nicht im Entferntesten 
das erhofffte Resultat bzw. so niemals brauchbar, wenn ich in den 
nA-Bereich möchte. Verwendet habe ich das Multimeter Fluke 87 III (laut 
Hersteller Ri=100 Ohm bei Strommessungen im 10^-6 A-Bereich). Von einem 
Kollegen wurde ich darauf hingewiesen, dass man mit diesem Gerät im 
besagtem Bereich keine verlässlichen Messwerte erhält. Stimmt das?
Bzw. was ersteinmal viel wichtiger ist:

1.Stimmt denn wenigstens mein Ansatz für die Schaltung und wenn ja, auch 
der errechnete Wert, der zu erwarten ist und wo könnten Gründe für die 
(starke) Abweichung liegen?

2.Ist die Schaltung auch geeignet, Ströme im nA-Bereich zu erzeugen?

verwendet habe ich den OP07EP

3. benötige ich einen Festspannungsregler? mir würden der L7812CV bzw 
L7912Cv zur Verfügung stehen.

Besten Dank schonmal für alle Hinweise, Tipps und vllt sogar 
Lösungsvorschläge oder Erfahrungsberichte mit derart kleinen Strömen ;)

Schöne Grüße und einen schönen Abend,

Christoph

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Stichwort : "Howland Stromquelle" dazu brqaucht man natuerlich einen 
OpAmp mit hinreichend kleinem Eingangsstrom, zB einen FET OpAmp

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Die antworten:

zu 1.) In der Theorie paßt das, in Praxis mit realem Aufbau wird das 
leider nix im nA Bereich. Ich hatte das gleiche Problem 1987 für einen 
kombinierten Potentio-/Galvanostaten.

zu 2.) nicht mit OP07E im nA Bereich  KSQ.

zu 3.) woher komst Du auf die Festspannungsregler? Für die Versorgung 
der OPv oder was ist Deine Motivation?


>87 III (laut
>Hersteller Ri=100 Ohm bei Strommessungen im 10^-6 A-Bereich). Von einem
>Kollegen wurde ich darauf hingewiesen, dass man mit diesem Gerät im
>besagtem Bereich keine verlässlichen Messwerte erhält. Stimmt das?

na ja, ca. 5% genau ist das Gerät da allemal :-)

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Christoph Rau schrieb:
> 1.Stimmt denn wenigstens mein Ansatz für die Schaltung und wenn ja, auch
> der errechnete Wert, der zu erwarten ist und wo könnten Gründe für die
> (starke) Abweichung liegen?

Die Schaltung und die Berechnung sind richtig.

Alternativ könntest du statt der invertierenden Opamp-Schaltung die
nichtinvertierende nehmen und kämst damit mit einer einfachen statt
einer symmetrischen Spannungsversorgung aus.

> 2.Ist die Schaltung auch geeignet, Ströme im nA-Bereich zu erzeugen?

Für 100nA je nach geforderter Genauigkeit ja, für 1nA nein, wegen des
Eingangsruhestroms, der beim OP07E bis zu 4nA beträgt und das Ergebnis
um diesen Wert verfälscht. FET-Opamps haben Eingangsruheströme im
pA-Bereich und sind hier sicher die bessere Alternative.

> 3. benötige ich einen Festspannungsregler? mir würden der L7812CV bzw
> L7912Cv zur Verfügung stehen.

Ein Nachteil ist eine geregelte Spannungsversorgung nicht. Was nimmst du
denn bisher? Die 12V-Referenzspannung links in der Schaltung ist aber
schon konstant, oder?

Zum Fehler in der Messung:

Wie groß war bei deinen Tests RL und wie groß die Versorgungsspannungen
des Opamps?

Edit:

> Der Strom müsste somit meines Wissens doch unabhängig vom
> Innenwiderstand Rl der Last sein und die Schaltung arbeiten, solange
> ich mit Ua nicht die Versorgungsspannung überschreite.

Der OP07 ist kein Rail-to-Rail-Opamp und kommt deswegen nur bis ca. 2V
an die Versorgungsspannungsgrenzen heran. Wenn dein RL also zu groß ist,
könnte das die Ursache für das Fehlverhalten sein.

Andrew Taylor schrieb:
> na ja, ca. 5% genau ist das Gerät da allemal :-)

Lt. Gebrauchsanleitung sind es im kleinsten Messbereich ±(0,2% + 4). Da
sollte der Fehler bei 83µA unterhalb von 1µA liegen.

Autor: Donald D. (samael)
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Hey Leute,

vielen Dank für die Antworten. Die Tatsache, dass ich mit meiner 
Schaltung nicht auf dem totalen Holzweg bin. beruhigt mich schonmal ;)

Nun zu den Gegenfragen:

Andrew Taylor schrieb:
> zu 3.) woher komst Du auf die Festspannungsregler? Für die Versorgung
> der OPv oder was ist Deine Motivation?

Yalu X. schrieb:
> Ein Nachteil ist eine geregelte Spannungsversorgung nicht. Was nimmst du
> denn bisher? Die 12V-Referenzspannung links in der Schaltung ist aber
> schon konstant, oder?

Jup zu beidem. Bin mir nicht sicher ob dies nötig ist und hab die Frage 
einfach mal mit in den Raum geworfen. Als Netzgerät steht mir das 
Voltcraft PS2403Pro zur Verfügung.

Yalu X. schrieb:
> Der OP07 ist kein Rail-to-Rail-Opamp und kommt deswegen nur bis ca. 2V
> an die Versorgungsspannungsgrenzen heran. Wenn dein RL also zu groß ist,
> könnte das die Ursache für das Fehlverhalten sein.


RL habe ich genausogroß gewählt wie R1 und als Versorgungsspannung eben 
die 12 V bzw -12 V. Der Spannungswert, den ich am Ausgang der Schaltung 
abgreifen kann, kommt bis auf einige mV auch an den theoretischen Wert 
heran.

Werde das ganze jetzt nocheinmal mit einem FET-OpAmp versuchen.
Bis dahin und nochmals Danke,

Christoph

Autor: Donald D. (samael)
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Edit myself:

Inwieweit könnten meine minderen Lötfähigkeiten bei Verlusten eine Rolle 
spielen? Die Schaltung gemäß Zeichnung hat sich eher nach und nach 
ergeben und nicht nur ein Bauteil/Leiterdrahtstück habe ich mehr als 
einmal ab- bzw. wieder drangelötet bzw ersetzt.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Christoph Rau schrieb:
> Der Spannungswert, den ich am Ausgang der Schaltung abgreifen kann,
> kommt bis auf einige mV auch an den theoretischen Wert heran.

Dann bist du ja nicht mehr weit vom Ziel entfernt. Wenn jetzt auch noch
die Spannung am invertierenden Eingang des Opamps nur wenige mV vom
theoretischen Wert, nämlich 0V, abweicht, dann muss doch der Strom
durch RL der richtige sein, unabhängig davon, was das Fluke sagt. Oder
miss einfach direkt die Spannung an RL und berechne daraus den Strom.

Autor: Donald D. (samael)
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Yalu X. schrieb:
> Wenn jetzt auch noch
> die Spannung am invertierenden Eingang des Opamps nur wenige mV vom
> theoretischen Wert, nämlich 0V, abweicht, dann muss doch der Strom
> durch RL der richtige sein, unabhängig davon, was das Fluke sagt.

Abweichung = 1.5 mV.
Hab jetzt auch den gwünschten Strom auf dem Display des Fluke :)
Ich habe den vorgeschalteten Spannungsteiler entfernt und mit einer 2ten 
Spannungsquelle direkt 6 V an Ue angeschlossen und alles läuft nach Plan 
mit einer Abweichung von ca. 0.6 µA. Evtl tatsächlich beim Löten was 
schiefgegangen?!?!
Nunja, vielen Dank nochmal und weiterhin frohes Schaffen!

Christoph

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Hmm, ich habe noch nie was für so kleine Ströme gemacht, aber wäre es 
nicht vorteilhaft den invertierten Eingang des OPs separat auf einen 
Teflonstützpunkt zu setzen, da sich sonst schon Kriechströme an Sockel 
und Platine auswirken?

Autor: Donald D. (samael)
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In welcher Größenordnung wären diese denn?
Ich habe R1 sowie RL durch einen 473 kOhm Widerstand ersetzt und bekomme 
jetzt meine Ströme im Bereich von 5-15 µA (je nach Ue) bei einer 
Abweichung von ca. 0.1 µA, was laut Herstellerangabe (+-(0.2%+3)) noch 
in die Ungenauigkeit des Messgerätes fällt. Wenn also Kriechströme 
auftreten, würden diese erst im nA Bereich relevant werden. Falls ich 
dahingehend etwas beobachte, melde ich mich später wieder ;)

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Ich dachte ja auch im nA-Bereich. Bei einigen µA ist das überflüssig. 
Aber wie gesagt, ich bin dahingehend kein Spezialist, das war eher eine 
Frage an die Spezialisten hier.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Mir ist nicht ganz klar, was du überhaupt machen willst. Welche Rolle 
spielen R1, RL und Ua? Und wie groß sind R1 und RL?

Kai Klaas

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