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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Aufbau Instumentenverstärkerschaltung


Autor: matzunami (Gast)
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Hallo,

ich möchte gerne eine Verstärkerschaltung mittels einem 
Instumentenversterkärs aufbauen. Im Datenblatt zu diversen Verstärkern, 
finde ich immer die Angabe: Safe Input Voltage RS = 0 (V–)–0.5 (V+)+0.5 
V, RS = 1kΩ (V–)–10 (V+)+10 V. Was genau ist dieser RS (Widerstand der 
Quelle)? Ich würde gerne an die Eingänge des OPV's höhere Spannungen 
anlegen als die der Versorgungsspannung. Wenn ich den RS Widerstand 
nicht kenne und ich über einen Shunt Widerstand messen möchte, wie muss 
ich da die OPV Eingänge verbinden? etwa so:

             _____
   |---------|     |----------|+
   |          -----           |
   -           RS = 1k        |
  | |                         |    OPV
  | | Shunt                   |
   -         _____          |
   |---------|     |----------|-
   |          -----
               RS = 1k

Oder verstehe ich da was Falsch???

Gibt es sowas auch Pofessional zu kaufen? Wenn ja wo?
die Einganspannungen werden 20V nicht überschreiten. Die differenz 
beider ergeben maximal 100mV.

Gruß
matzunami

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> Instumentenversterkärs
> Im Datenblatt zu diversen Verstärkern finde ich immer die Angabe:
Welchen Verstärkern?

Die Ganze sieht nach einer Spezifikation des Gleichtakteingangsbereichs 
aus. Und ich vermute, du meinst Verstärker, die die "üblichen" 
Spannungsteilerwiderstände (oder Teile davon) bereits implementiert 
haben.

Um es kurz zu fassen: du willst irgendwo auf der Versorgungsseite einen 
Strom messen? Wie wäre es da mit solchen All-Inclusive ICs wie dem 
LT6101?
http://cds.linear.com/docs/LT%20Magazine/2005-05_0...
Ein Shunt und ein Spiegelwiderstand und fertig ist die Laube...

Autor: MaWin (Gast)
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> Ich würde gerne an die Eingänge des OPV's höhere Spannungen
> anlegen als die der Versorgungsspannung

Cool.

Möchtest du daß er dabei nicht kaputtgeht
oder möchtest du auch daß er funktioniert ?

INA117 könnte dir helfen.

Autor: matzunami (Gast)
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mir wäre dabei schon wichtig, dass es nicht (gleich) kaput geht :-)

Ich möchte die ganze Sache 2 mal aufbauen. 1 mal um den Strom mittels 
Shunt zu Messen und einmal um die Spannung zu Messen und diese auf einem 
Oszi anzeigen. Die OPV's schau ich mir da gerade mal an mir. Mir schwebt 
da ein z.B. ein INA129 vor, der Over-Voltage Protection hat und bis max 
+- 40V an den Eingängen zulässt, ohne Eingangsspannungsabhängigkeit sehe 
ich das richtig??? D.h. ich könnt meine Versorgungsspannung +-12 V 
machen und an die OPV Eingänge z.B. 13,8 und 13,9 V anlegen? und alles 
Funktioniert gut?

zu Lothar Miller:
Ich möchte schon OPV's nehmen die die benötigten Widerstände bereits 
beinhalten, so dass ich nur einen Shunt und einen Widerstand zur 
Verstärkungseinstellung benötige. Hat da das von dir erwähnte Bauteil 
einen besonderen Vorteil? Die interne "Spannungserfassung" erfolgt ja 
auch über 2 OPVs?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> Hat da das von dir erwähnte Bauteil einen besonderen Vorteil?
Naja, es ist für die Highside-Strommessung gemacht. Ich sehe das als 
Vorteil... ;-)

BTW: andere Hersteller haben ähnliche Bausteine im Programm. Warum 
selber basteln?


> Hat da das von dir erwähnte Bauteil einen besonderen Vorteil?
Es kann genau das:
> Ich möchte schon OPV's nehmen die die benötigten Widerstände bereits
> beinhalten, so dass ich nur einen Shunt und einen Widerstand zur
> Verstärkungseinstellung benötige.

Aber das steht auch im Datenblatt... :-/
Hast du das mal angeschaut?
Oder gleich die Appnote 105:
http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an105.pdf

Autor: matzunami (Gast)
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Ok die konkreten Vorteile muss ich mir noch einmal zu Gemüte führen. 
Aber auf den ersten Blick ist der externe Bauteilverbrauch, die Kosten 
und die Parameter vergleichbar gegenüber einem Instrumentenverstärker. 
D.h. die erreichte Genauigkeit müsste auch in etwa die selbe sein.

Wäre nett, wenn mir noch jemand beantworten kann ob ich eine vernünftige 
Differenzmessung machen kann, wenn die Eingangsspannung über der 
Versorgungsspannung liegt (z.B. INA129 Supply Voltage ±18V; Analog Input 
Voltage Range ±40V).

Danke.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> Wäre nett, wenn mir noch jemand beantworten kann ob ich eine vernünftige
> Differenzmessung machen kann, wenn die Eingangsspannung über der
> Versorgungsspannung liegt
Sieh dir das DB des Verstärkers an. Hier gilt für dich wie gesagt der 
Gleichtakt-Eingangsbereich. Und wenn der ausserhalb deiner Grenzen 
liegt, dann wirst du passende Spannungsteiler brauchen...

> (z.B. INA129 Supply Voltage ±18V; Analog Input Voltage Range ±40V).
Der kann das nicht:
Common-Mode Voltage Range(1)   (V+)−2V    (V−)+2V
Bei einer Versorgung von +-18V funktioniert der nur von -16..+16V am 
Eingang. Er geht aber nicht kaputt, wenn du aus Versehen mal 40V 
anlegst... :-/

Autor: matzunami (Gast)
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ok danke gut zu wissen... gibt es dann überhaupt so ein Bauteil?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> gibt es dann überhaupt so ein Bauteil?
Ja, aber nur wenige. Und das würde mir an deiner Stelle zu denken 
geben... :-/

Such mal nach Over-The-Rail-Input oder Over-The-Top, usw.
Oder nach "Current sense opamp".

Autor: matzunami (Gast)
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Wenn ich mir den INA114 oder 115 anschauhe, dann haben die ein Input 
Common-Mode Range von min. +-11V. Zählt dies nur für eine 
Versorgungspannung von +-15V, wie bei dem Bedingungen steht? Oder auch 
drunter (geht ja ab SUPPLY RANGE +-2,25V los)???

ich nehm mal an nicht :-)

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> Wenn ich mir den INA114 oder 115 anschauhe, dann haben die ein Input
> Common-Mode Range von min. +-11V. Zählt dies nur für eine
> Versorgungspannung von +-15V, wie bei dem Bedingungen steht?
Ja.

> Oder auch drunter (geht ja ab SUPPLY RANGE +-2,25V los)???
Nein.
Allerdings ist diese "normale" Abhängigkeit des Eingangsbereichs von der 
Versorgungsspannung in diesen Datenblättern durchaus etwas irreführend 
als Absolutwert angegeben.

Autor: matzunami (Gast)
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ok ich hab auch mal nach "High-Side Current Sense" gesucht neben deinen 
erwähnten gibt es ja zB. auch den INA19x. Die haben einen Common-Mode 
Input Range von -12 bis 80V bei Vs 12V, das scheint dann doch ein großer 
Vorteil zu sein. Dann mach es wirklich sinn sich für die Strommessung 
für disen zu entscheiden. Aber da ich den Strom in Abhängigkeit zur 
Spannung auf einen 2 Kanal Oszi anzeigen möchte, bleibt immer noch die 
Frage, wie ich dann am besten die Spannung über dem Shunt messe. Da komm 
ich wohl nicht um ein Instrumentenverstärker mit einer relativ hohen 
Versorgungsspannung drumrum oder?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Du hast die Lösung(en) doch schon aufgezeigt bekommen...
Wo klemmt es denn noch?

Zeichne ein Bild mit der Spannungquelle, dem Shunt und deinem Oszi. Und 
male dann dort rein, wie du es gerne anschliessen würdest...

Autor: matzunami (Gast)
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so hier der Plan

Spannung für OPV sollten halt nicht über 12V gehn, während Ub größer 
ist. Für die Strommessung ist der von dir vorgeschlagene IC prima.

Autor: matzunami (Gast)
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andererseits spricht doch auch nix dagegen für die Spannungsmessung am 
Objekt auch einen LT6101 zu nehmen oder? dann passt ja alles

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Was spricht denn gegen einen Spannungsteiler ?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> andererseits spricht doch auch nix dagegen für die Spannungsmessung am
> Objekt auch einen LT6101 zu nehmen oder?
Eigentlich nicht, du mußt nur die Widerstände entsprechend 
dimensionieren...

Aber Achtung:
Wenn ich deine Massesymbole so absehe, habe ich den Verdacht, du schießt 
dich hier gewaltig ins Knie. Denn so ganz ohne Potentialbeziehung kannst 
du auch mit einem Differenzverstärker nicht messen!!!
Da wirst du den Gleichtaktbereich garantiert verletzen, weil du nicht 
mal weißt, auf welchem Potential dein Messobjekt ist...  :-o

Autor: matzunami (Gast)
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1. Spannungsteiler? Wie und wofür?

2. Ich hab gerade gesehen, dass der LT6101 für die Eingangssignale auch 
eine Bedingung hat. Minimum Input Voltage (–IN Pin) (V+ – 4V) hm... Das 
passt mir auch nicht so ganz.

Was genau meinst du mit der Masse? Es gibt im Messsystem ja letztendlich 
eine, die ich auch mit der Masse des Instrumentenverstärkers verbunden 
hätte. Bzw. wenn ich sie mit symmetrischer Ub ansteure, mit der 
virtuellen Masse. Der Vorteil des Verstärkers ist doch die 
Massepotential freie Messung dachte ich? Ich hab im Anhang nochmal die 
Masseverbindung ergänzt, so besser???

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> Der Vorteil des Verstärkers ist doch die
> Massepotential freie Messung dachte ich?
Soweit die Theorie. Nur in der Praxis setzt dir der reale Verstärker mit 
seinem Gleichtaktbereich (und anderen weniger signifikanten 
Einschränkungen) dann Grenzen... :-o

> Was genau meinst du mit der Masse? Es gibt im Messsystem ja letztendlich
> eine, die ich auch mit der Masse des Instrumentenverstärkers verbunden
> hätte.
So wie es jetzt gezeichnet ist, passt es.
Streich aber einfach mal aus deiner den Begriff "Instrumentenverstärker" 
und ersetz den durch einen einfachen Differenzverstärker (Subtrahierer). 
Denn das ist es, was du brauchst: die Differenz zwischen dem + und dem - 
Anschluss deiner Last...

BTW: welche Spannung fällt in etwa an "irgendwas" ab?

Autor: matzunami (Gast)
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der größte Teil. 11 bis 12 Volt. Ich hab inzwischen bei farnell auch mal 
nach Differenzverstärkern gesucht und da gibt es welche mit "High 
Common-Mode Voltage" zB. AD629.

Operating Voltage Range
  Common-Mode      ±270 ±270 V
  Differential      ±13  ±13 V

was genau heißt das? Wann kann ich an die Eingänge 200V anlegen? Wenn 
ich 200,0 und 200,1V zB. hab? Das wäre ja super. Und wenn ich eine +- 
Spannung hab (zB. -2 bis 2V) dann gehts nur max bis 13V seh ich das 
richtig?

In der Schaltung wird letztlich ca. max 1A fließen und das Messobjekt 
hat ca. 2 - 3 Ohm und ich möchte möglichst genau die 
Strom/Spannungskennlinie aufnehmnen (über der Zeit mit einem 2 Kanal 
Oszi).

Autor: matzunami (Gast)
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... und diese Differenzverstärker haben ja keinen so hochohmigen 
Eingang, da dachte ich zum messen solcher kleinen Spannungen ist der 
Instrumentenverstärker da.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> diese Differenzverstärker haben ja keinen so hochohmigen Eingang,
Das ist in deiner Anwendung egal, denn
> In der Schaltung wird letztlich ca. max 1A fließen
Da werden es die 5µA auch nicht mehr rausreissen... :-o

> Wann kann ich an die Eingänge 200V anlegen?
Immer.
Nur darf der + Eingang vom - Eingang max. 13V weg sein. Solange der 
Differenzverstärker funktioniert und korrekt verstärkt, ist aber die 
Differenz zwischen + und - eingang sowieso 0V.

> da dachte ich zum messen solcher kleinen Spannungen ist der
> Instrumentenverstärker da.
Der Instrumentenverstärker ist ein Differenzverstärker mit Pufferstufen 
am Eingang, damit beide Eingangspfade die selbe Impedanz haben.

Autor: matzunami (Gast)
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also wäre ein Aufbau mit dem oben erwähnten AD629 am besten für mich? Da 
ich bei geringer Versorgungsspannung einen sehr großen Eingangsbereich 
habe (was ich ja gerne hätte) und extern mit einem R_g und einem R_shunt 
auskomme.

Hast du noch einen Tip für mich wie man heutzutage am besten die 
negative Spannung für die IC's erzeugt (mit einem Voltage converter)?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> Hast du noch einen Tip für mich wie man heutzutage am besten die
> negative Spannung für die IC's erzeugt (mit einem Voltage converter)?
Ich sehe hier überhaupt keinen Bedarf für eine negative Spannung...

Nimm zur High-Side Strommessung den LT6101 und zur 
Differenzspannungsmessung irgendeinen Singe-Supply R2R Opamp mit ein 
paar passenden Widerständen und fertig ist die Laube.

Autor: matzunami (Gast)
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hm... ich wollte es zwar etwas flexibler aufbauen, aber du hast schon 
recht, spart auch Bauteile. Ich danke dir für deine Erklärungen, hast 
mir sehr weitergeholfen.

Mit freundlichen Grüßen
matzunami

Autor: Max Krohmann (makro)
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Eine andere Möglichkeit der Hi-side Messung wäre der INA139/169 (je nach 
Spannung), kostet ab 2€30, SOT23-5. Ausgansspannung ist leicht über 
Lastwiderstand einstellbar.

Autor: matzunami (Gast)
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die Kosten spielen erstmal nicht so die Rolle. Es soll möglichst genau 
sein und etwas flexibel, um es eventuell auch anderweitig zu verwenden.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Die beiden LTC6101 und INA139 sind lustigerweise fast pinkompatibel 
(wenn man mal vom beim INA bereits eingebauten Gegenkopplungswiderstand 
mal absieht), aber leider sind die + und - Eingänge vertauscht... :-/

Der INA hat max. ±2% Fehler, beim LTC muß man die 
Eingangs-Offsetspannung mit der Messspannung verrechnen.

Autor: matzunami (Gast)
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was mich bei dem LTC6101 stört ist - Minimum Input Voltage (–IN Pin) = 
(V+ – 4V), d.h. für mich das ich den Shunt nicht mehr belibig in der 
Schaltung plazieren kann (eine Low Side Current Messung ist dann nicht 
mehr möglich). D.h. ich werd wohl doch einen Diff.-verstärker nehmen, um 
da eine größere flexibilität zu haben.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> was mich bei dem LTC6101 stört ist - Minimum Input Voltage (–IN Pin) =
> (V+ – 4V), d.h. für mich das ich den Shunt nicht mehr belibig in der
> Schaltung plazieren kann
Ich kann dein Problem zwar erkennen, es ist aber nur mental bei dir 
vorhanden: klemm doch einfach den V+ Pin wie im Datenblatt angegeben an 
den Shunt mit dran...  :-o
Dann wird der V+ Pin immer schön in der Nähe des -IN Pins bleiben.

Autor: matzunami (Gast)
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und wenn der shunt gegen Masse geschalten wird, dann hat der Chip eine 
Spannungsversorgung von nen paar wenigen mV und geht nicht mehr :-)

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Und wenn dir der Himmel auf den Kopf fällt, wirds auch dunkel... ;-)

Klar kann eine dedizierte HIGH-SIDE Strommessung evtl. nur mit sehr 
eingeschränkter Funktionalität auf der LOW-SIDE verwendet werden...

Autor: matzunami (Gast)
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und das umgeh ich doch mit der Diff. Messung und teurer, ungenauer oder 
mehr Bauteile brauch ich auch nicht.

Nicht das ich irgend was gegen deinen Chip hätte. Würde ich die Messung 
fest in die Platine integrieren, würde ich auch eventuell diesen nehmen. 
Da die Messschaltung aber auf eine gesonderte Platine kommt (mit Shunt), 
den man dann auch woandershin stecken kann ist mir die andere variante 
lieber.

Autor: matzunami (Gast)
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mir schwebt jetzt der INA2132 vor, zur Strom und Spannungsmessung. Wenn 
ich diesen mit 12V versorge, komm ich an den Eingängen bis 22V.

Ist es normal wenn die internen Widerstände eine Toleranz von 20-25% 
haben? Leidet da nicht die Genauigkeit der Verstärkung?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> Nicht das ich irgend was gegen deinen Chip hätte.
Der gehört Linear Technologies...  ;-)

matzunami schrieb:
> ist mir die andere variante lieber.
Du mußt dir aber auf jeden Fall über die bereits angesprochenen 
Grenzbedingungen (Gleichtaktbereich) im Klaren sein...

Autor: matzunami (Gast)
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ist doch beim INA2132:

Common-Mode Voltage Range VO = 0V =>  2*(V–) bis 2*(V+)–2

also bei Ub = 12V, 20V Gleichtakt in Ordnung, oder sehe ich da was 
falsch?

Autor: matzunami (Gast)
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ich bins nochmal...

kann mir noch bitte jemand sagen ob es irgend etwas ausmacht, wenn bei 
dem LTC6101 (oder anderen diversen High-Side Current Sense IC's) die 
Versorgungsspanung um einige Volt schwankt (so ca. 6-7).

Also R_SENSE+ = V+ = Ub = 6-16V. Die Spannung schwankt auch dann wenn 
ich den Strom messen möchte. Also beeinflußt diese Schwankung die 
Strommessung?

Danke

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Das mußt du unter dem Thema PSRR Power Supply Rejection Ratio 
nachschlagen:
VS = 6V to 100V, VSENSE = 5mV, Gain = 100  115...140 dB
Fazit: du wirst nichts in nennenswertem Umfang merken.

Autor: matzunami (Gast)
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danke

Autor: matzunami (Gast)
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und wie sieht das beim einschalten aus 0-4V?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> und wie sieht das beim einschalten aus 0-4V?
Undefiniert.
Der Baustein funktioniert erst ab 5 (bzw. 6) V.

Autor: matzunami (Gast)
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ok dann bedank ich mich nochmals für deine Hilfe. Werde dieses Bauteil 
doch mal probieren, da der hohe Gleichtakt für die Diff.- oder 
Instrumentenverstärker doch eher ungünstig ist.

Gruß
matzunami

Autor: matzunami (Gast)
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sollte ich dem ltc6101 noch einen 100nF zwischen V+ und V- spendieren? 
Oder sogar dazu parallel noch einen 10µF?

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