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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Sinussignal <50µA verstärken


Autor: Daniel Treffer (invictus)
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Hallo,

ich bin dabei auf der UNI ein Messsystem zu entwicklen, jedoch bin ich 
als Verfahrenstechnik Student an meine elektrotechnischen Grenzen 
gestoßen und hoffe das mir hier jemand weiterhelfen kann.

Ich messe einen sinusförmigen Strom mit einer Amplitude von <50µA und 
einer Frequenz von 1kHz.

Als Messhardware steht mir ein Modul von NI zu Verfügung mit 0-20mA 
Eingang.

Ich habe bereits einigen von CC-OPVs gelesen, jedoch weiß ich nicht wie 
ich eine solche Schaltung aufbaue bzw. welchen OPV ich für diesen 
Anwendungsfall auswählen sollte.

Ich hoffe es kann mir jemand damit helfen.

Danke!
Daniel

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Daniel Treffer (invictus)

>Ich messe einen sinusförmigen Strom mit einer Amplitude von <50µA und
>einer Frequenz von 1kHz.

Hmm.

>Als Messhardware steht mir ein Modul von NI zu Verfügung mit 0-20mA
>Eingang.

Das ist nicht sonderlich sinnvoll für diese Messung.

>Ich hoffe es kann mir jemand damit helfen.

Erstmal musst du uns "helfen" Siehe Netiquette. Beschreibe dein 
Vorhaben gundlegend.

MfG
Falk

Autor: Johannes (Gast)
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> Als Messhardware steht mir ein Modul von NI zu Verfügung mit 0-20mA
> Eingang.

Hast Du vielleicht auch ein Modul mit einem Spannungseingang (z.B. +/- 
10V)?

In diesem Fall könntest du den Strom (50 µA) mit einem Shunt-Widerstand 
messen (z.B. 1 kOhm, ergibt 50 mV) und dieses Signal mit einem ganz 
normalen OPV auf den gewünschten Pegel verstärken.

Wenn du tatsächlich auf das Modul mit 0-20 mA festgelegt bist, brauchst 
du eine entsprechende gesteuerte Stromquelle. Das wäre aber eher eine 
Notlösung, ich würde das Modul mit Spannungseingang vorziehen, da musss 
man keinen Nullpunkt verschieben und die Schaltung ist wesentlich 
einfacher.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Macht man normalerweise so:

Eine spannungsgestuerte Stromquelle 0-20mA "beschaffen" und Dein 
Eingangssignal (50 mikroampere) per Widerstand in die benötigte Spannung 
konvertieren.

Also z.b. bei 1V: die 50 Mikroampere  mit einem 20 Kiloohm Widerstand 
bürden.

Autor: Kakadu (Gast)
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Nix mit Shunt.
Einfach einen Strom-Spannungswandler mit einem invertierenden OPV 
aufbauen. Der Meßstrom fließt in -IN und ein Gegenkopplungswiderstand 
bestimmt die Ausgangsspannung.
Woher kommt dieser Strom? Davon hängt ab, wie man +IN beschaltet.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Kakadu schrieb:
> Nix mit Shunt.
> Einfach einen Strom-Spannungswandler mit einem invertierenden OPV
> aufbauen.

Ich weiß ja nicht was daran einfacher sein sollst wenn man statt eines 
Shunt-Widerstandes
einen Strom-Spannungswandler aus einem OPV und einem Widerstand nimmt.
Irgendwie wird es nur aufwendiger.

> Der Meßstrom fließt in -IN und ein Gegenkopplungswiderstand
> bestimmt die Ausgangsspannung.

Nu benötige der TE aber 20mA AusgangsSTROM.

> Woher kommt dieser Strom? Davon hängt ab, wie man +IN beschaltet.

Ach nee .-)))
Und wir dachten bisher immer das +IN auf GND kommt (mit oder ohne 
Widerstand)

Autor: Kakadu (Gast)
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>Ach nee .-)))
>Und wir dachten bisher immer das +IN auf GND kommt (mit oder ohne
>Widerstand)

Ja, so kann man sich irren :-)

>Also z.b. bei 1V: die 50 Mikroampere  mit einem 20 Kiloohm Widerstand
>bürden.

Wer sagt denn, dass die Quelle 1V liefern kann?
Ich vermute eher einen Fototransistor, der sicherlich keinen 
"unendlichen" Innenwiderstand aufweist.

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Kakadu schrieb:
> Wer sagt denn, dass die Quelle 1V liefern kann?

Eben, drum hat Falk recht mit:

Falk Brunner schrieb:
> Erstmal musst du uns "helfen" Siehe Netiquette. Beschreibe dein
> Vorhaben gundlegend.

Sonst ist das nur wieder ein Ratespiel.

Autor: Kakadu (Gast)
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>Sonst ist das nur wieder ein Ratespiel.

Was hast Du gegen Ratespiele? Hier gibt es andauernd Ratespiele.
Hin und wider gibt es sogar eine Auflösung - ein paar Tage später :-)

Autor: Martin (Gast)
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> Sonst ist das nur wieder ein Ratespiel.

So wie es aussieht, möchte der Threadstarter einen Verstärker mit 0 bis 
50 µA Eingangsstrom und 0 bis 20 mA Ausgangsstrom @ 1 Khz.

Autor: Johannes (Gast)
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> So wie es aussieht, möchte der Threadstarter einen Verstärker mit 0 bis
> 50 µA Eingangsstrom und 0 bis 20 mA Ausgangsstrom @ 1 Khz.

Ich würde eher auf +/- 50µA -> 0 - 20 mA tippen.

Autor: Daniel Treffer (invictus)
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Hallo,

vielen dank für die vielen Antworten.

Genauere Beschreibung meines Problems. Ich will die elektrische 
Leitfähigkeit von Gas/Flüssigkeitsgemischen bestimmen und daraus den 
Anteil der Gasphase in einer Flüssigkeit bestimmen.

Dazu hab ich einen Sensor im Gemisch, welcher aus zwei Kontakten besteht 
und je nachdem welche Phase (Teil des Gemisches) sich darauf befindet 
ändert sich die Leitfähigkeit.

Auf den Sensor gebe ich ein sinusförmiges Spannungssignal mit einer 
Amplitude mit 500mV und einer Frequenz von 1kHZ, welches auch von einer 
NI Hardware erzeugt wird.

Am Eingang messe ich den Strom, welche ich in Matlab aufzeichne und 
analysiere. Das funktioniert soweit gut, nur hab ich das Problem das ich 
mich mit den +- 50µA nahe des unteren Bereich der Messhardware befinde. 
Jedesmal wenn ich meinen Messvorgang starte bekomme ich eine andere 
Amplitude des Sinussignals, obwohl sich an der Leitfähigkeit nichts 
geändert hat. Deswegen möchte ich das Signal vor dem Eingang verstärken 
und hoffe dadurch eine reproduzierbare Amplitude zu erhalten.

Ich hoffe ich hab mein Problem damit verständlich beschrieben.

Also was ich im Prinzip bauen möchte ist:
-50µA bis 50µA auf -20mA bis +20mA
Also die Amplitude des Signals um das 400x verstärken

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Daniel Treffer (invictus)

>-50µA bis 50µA auf -20mA bis +20mA

Kann deine NI-Karte WIRKLICH negative Ströme? 0-20mA ist ein 
Industriestandard, dort gibt es aber keine negativen Ströme.

>Also die Amplitude des Signals um das 400x verstärken

Kann man machen, wenn gleich das unüblich ist. Schaltung hab ich aber 
nicht parat :-0, wahrscheinlich reicht ein oder zwei OPVs.

MFG
Falk

Autor: Knäckebrot (Gast)
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Was ist das für eine Meß-Hardware von NI? Typ? Wie wird der Strom 
gemessen? 0R-Verstärker?

Autor: Michael (Gast)
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Daniel Treffer schrieb:
> Also was ich im Prinzip bauen möchte ist:
> -50µA bis 50µA auf -20mA bis +20mA
> Also die Amplitude des Signals um das 400x verstärken

Muss es unbedingt in einen Strom gewandelt werden? Hat deine 
NI-Messhardware nicht auch einen Spannungseingang? Dann wäre das, wie 
schon gesagt wurde, mit einem einfachen Widerstand lösbar. Ansonsten 
würde ich einen Widerstand nehmen, die 50 µA in eine Spannung wandeln 
und das dann als Eingangssignal für z.B. den AD 694 verwenden.

Autor: Daniel Treffer (invictus)
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Hallo,

vielen Dank für die Antworten.

Als Hardware verwende ich ein NI 9263 AO mit +-10V Spannungsausgängen 
und ein NI 9203 AI mit +-20mA. Die Hardware ist leider auf diese beiden 
Module beschränkt, da Matlab nicht alle Module von NI unterstützt bzw. 
keine anderen Verfügbar sind.

Also sehe ich das richtig das die Lösung für mein Problem der Wechsel 
auf eine Spannungsmessung ist?

Bzw. ich muss einen Widerstand einbauen die Spannung mit einen OPV 
verstärken und dannach mit einen Instrumenten Verstärker wieder auf eine 
Strom wandeln.

Vielen Dank für eure Bemühungen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Daniel Treffer (invictus)

>Also sehe ich das richtig das die Lösung für mein Problem der Wechsel
>auf eine Spannungsmessung ist?

Nein, das wäre nur etwas einfacher. Einen stromgesteuerten 
Stromverstärker kann man auch bauen, ist nur etwas unüblich.

>Bzw. ich muss einen Widerstand einbauen die Spannung mit einen OPV
>verstärken und dannach mit einen Instrumenten Verstärker wieder auf eine
>Strom wandeln.

Ich würde einen Transimpedanzverstärker nehmen, der liefert eine 
Spannung. Und damit steuert man dann eine Stromquelle. Beide kann man 
mit einem OPV machen, Doppel-OPVs gibt es wie Sand am Meer.

Transimpedanzverstärker, siehe Lichtsensor/helligkeitssensor
Spanungsgesteuerte Stromquelle, siehe

http://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantst...
http://www.national.com/an/AN/AN-1515.pdf

Das sollte klappen, 1kHz ist auch noch nicht so viel. Bei den 20mA am 
Ausgang braucht man nur einen etwas kräftigeren OPV.

MFG
Falk

Autor: Kakadu (Gast)
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Dein Strommeßmodul hat zur Strommessung Eingangswiderstände von 138 Ohm. 
Die max. 20mA fließen bei einer Eingangsspannung von 2,76V. Du könntest 
Dein Problem mit einem Strom-Spannungswandler 50µA -> 2,76V lösen.

Dazu nimmst Du die Schaltung, die ich oben vorgeschlagen habe (nix mit 
Shunt) und verwendest einen Gegenkopplungswiderstand von 55,2 kOhm. +IN 
wird auf GND gelegt. Als Versorgungsspannung sollten minimal +/-5 Volt 
zur Verfügung stehen.
Bei solch kleinen Strömen könntest Du unter Umständen Probleme mit 
Netzbrumm und auch mit der gemeinsamen Masse bekommen. Das hängt von 
Deinem Meßaufbau ab und ob Deine Meßmodule "schwebend" arbeiten 
(isoliert sind). Probieren!

Autor: Jens Martin (jens-martin)
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Daniel Treffer schrieb:
> Ich messe einen sinusförmigen Strom mit einer Amplitude von <50µA und
> einer Frequenz von 1kHz.
>
> Als Messhardware steht mir ein Modul von NI zu Verfügung mit 0-20mA
> Eingang.

Gibt es fertig: Trennverstärker µA

Autor: Knäckebrot (Gast)
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Angehängte Dateien:

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>Dein Strommeßmodul hat zur Strommessung Eingangswiderstände von 138 Ohm.

Wenn Kakadu Recht hat, dann sollte es die Schaltung 100µ_to_10m.PNG im 
Anhang schon tun. Ich habe sie so dimensioniert, daß 100µA 10mA ergeben, 
um den OPamp nicht all zu stark zu quälen.

Achtung, der Sensor muß in unmittelbarer Nähe zum OPamp angeordnet 
werden, um die Streukapazitäten am "-" Eingang zu minimieren.

Autor: Daniel Treffer (invictus)
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Vielen Dank für die Antworten.
Besonderer Dank an Kakadu und Knäckebrot.
Diese Lösung gefällt mir wirklich gut.

Ich habe den Eingangswiderstand meines Modul gemessen. Dazu habe ich 
einen Eingang mit einen Ausgang verbunden. Ein konstantes DC Signal mit 
200mV erzeugt und einen Strom von 723µA gemessen, was einen 
Eingangswiderstand von rund 276Ohm ergibt.
x Ich habe den Widerstand R3 auf 725 Ohm angepasst.

Bin gerade dabei die Sachen bei farnell zu suchen. Jedoch sind die 
Dioden 1N4151 nicht mehr verfügbar, kann ich anstelle auch die 1N4148 
verwenden?
Desweiteren kann ich den OPA627E durch einen OPA227PAG4 verwenden?! 
würde nur 1/10 der Kosten verursachen.

Vielen Dank für eure Hilfe.
Daniel

Autor: Knäckebrot (Gast)
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>Bin gerade dabei die Sachen bei farnell zu suchen. Jedoch sind die
>Dioden 1N4151 nicht mehr verfügbar, kann ich anstelle auch die 1N4148
>verwenden?

Klar. Du kannst auch eine BAV99 verwenden, wenn es SMD sein soll.

Denk dran, daß Glasdioden kein starkes Streulicht abbekommen sollten, 
weil sich sonst ihr Sperrwiderstand dramatisch verringern kann.

>Desweiteren kann ich den OPA627E durch einen OPA227PAG4 verwenden?!

Wenn dich der höhere "Input Bias" Strom nicht stört, kannst du auch 
einen OPA227 verwenden.

>würde nur 1/10 der Kosten verursachen.

Dem guten Prof ist Qualität wichtiger! Nimm den OPamp, der dort am 
besten funktioniert und nicht einen der besonders billig ist...

Denk noch mal an die Streukapazität am "-" Eingang des OPamp! Der OPAmp 
gehört in unmittelbare Nähe des Sensors. Wenn du abschirmen mußt, dann 
achte auf niedrige Streukapazitäten zur Signalmasse.

Außerdem: Der Eingang ist mit den Dioden nur mäßig geschützt. Es ist 
unbedingt eine Strombegrenzung in der Quelle nötig. Dein NI-Teil scheint 
ja eine Strombegrenzung zu enthalten. Vergewissere dich noch einmal, daß 
das stimmt!

Auch gegen ESD ist das Teil mit den viel zu langsamen Dioden nur mäßig 
geschützt. Achte also auf Potentialausgleich, bevor du irgend etwas 
zusammenstöpselst, gerade jetzt im Winter! Das gilt besonders, wenn du 
mit brennbaren Gasen/Flüssigkeiten hantierst!!

Autor: Kakadu (Gast)
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Nimm den OPA227 und lege direkt vor +IN und -IN einen Widerstand mit 1k. 
Der OPV hat intern schon Schutzdioden und die Widerstände würden im 
Fehlerfall den Strom begrenzen.

Eigentlich könnte man den Sinus auch gleichrichten und unipolar weiter 
verarbeiten. Im Grunde interessiert doch nur der Spitzenwert, wenn ich 
es richtig verstehe.

Autor: Daniel Treffer (invictus)
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Hallo,

ich hab mir gerade die Komponten (beide OPAs) bestellt, inklusive Sockel 
für den OPV. Ich hoffe die Lieferung trifft in den nächsten Tagen ein.

@Kakadu, ich verwende für meine Auswertungen die RMS Werte des 
Signalverlaufs. Zur Zeit lese ich das Sinus Signal ein und berechne mit 
Matlab die RMS Werte.

@Knäckebrot: Der Analoge Ausgang kann maximal 1mA liefern, sollte also 
kein Problem darstellen.

Danke!!
Daniel

Autor: Kakadu (Gast)
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>Zur Zeit lese ich das Sinus Signal ein und berechne mit
>Matlab die RMS Werte.

Womöglich noch mit double Genauigkeit? Du willst wohl Dein Silizium auf 
Trab halten :-)
Wenn nichts dagegen spricht, würde ich Rechtecksignale erzeugen und 
jeweils vor der nächsten Flanke den Strom in dieser Phase erfassen. Da 
muß man dann keinen RMS-Wert berechnen.

Autor: Knäckebrot (Gast)
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>@Knäckebrot: Der Analoge Ausgang kann maximal 1mA liefern, sollte also
>kein Problem darstellen.

Dann würde ich an meiner Schaltung nichts ändern.

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