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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV als Linearverstärker (messung von Strömen im µA bereich)


Autor: Thomas S. (thomas_s74)
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Hallo,
ich wollte einen sehr hochohmigen Spannungsmesser für hohe Spannungen 
bauen. Dabei will ich die Spannung von eimem HV Netzteil, welches etwa 2 
mA Ausgangsstrom hat messen. Die Spannung ist regelbar von fast 0 bis 
etwa 30 KV (3 cm Schlagweite). Zum Messen wollte ich einen möglichst 
hochohmigen Spannungsteiler verwenden ( So ca. 100-1000 Mohm (je nach 
dem, wie viele Widerstände ich zusammenlöten werde, bei 1000 Mohm 
theoretisch ja 213 Widerstände).

Da aber bei solchen Werten so geringe Ströme fließen, dass eine 
Analoganzeige sinnlos ist, wollte ich einen OPV als Verstärker 
davorschalten. Dabei muss dieser natürlich linear verstärken. Bei 30 KV 
fließen mit 100.000.000 ohm rechnerisch 0,0003 A (falls ich falsch liege 
bitte korrigieren). Für ein digital Meßgerät kein problem aber bei HV 
ist Digital eine schlechte Wahl. Diese 0,3 mA sollen jetzt linear, also 
proportional verstärkt werden. Ein A meter mit vollausschlag bei 1 mA 
soll als Spannungsanzeige dienen. Zum Kalibrieren habe ich eine 
professionelles Spannungsmessgerät aus meiner Schule zur Verfügung.

Ich werde als Messwiderstand 2 Widerstandsketten nehmen, damit ich das 
Messgerät nicht direkt an HV hängen habe sondern z.B. nur jeweils mit 
500 Mohm.

Welche beschaltung des OPVs ist für diesen Zweck geeignet? Wie regelt 
man den Verstärkerfaktor? Nicht invertierend? Invertierend?...?

Sollte ich die Spannung wie mit einem Spannungsteiler messen oder nur 
durch den Strom, der durch die Widerstände und somit in den OPV fließt 
messen? Denke mal wie mit nem Spannungsteiler, da der Eingang eines OPVs 
hochohmig ist und so einen Überspannungsschaden abbekommen könnte.

Autor: Steffen Warzecha (derwarze)
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Nun ja es gibt auch Zeigermeßinstrumente mit 100 oder 50µA Vollauschlag.

Am besten Spannunsteiler auf einen passenden Wert zB. 3V und dann einen 
OPV als Spannungsfolger (nichtinverierende Schaltung, Inv-Eingang direkt 
mit Ausgang verbunden) und am Ausgang hast Du eine belastbare Spannung 
für eine Anzeige beliebiger Art. Einstellung des Bereiches mit einen 
Trimmer am unteren Ende des Spannungsteilers.
Ein standard OPV reicht locker, bei einen Zeigerinstrument ist der 
Fehler sicher grösser als der des OPV.
Nur warum einen Strommesser am Ausgang eines OPV? Gut geht irgendwie 
auch, Widertstand davor die 1mA schafft jeder OPV.

Es gibt auch 10 und 22 MOhm Widerstände in spannungsfesten Bauformen, Du 
brauchst also nicht unbedingt 200 Widerstände

Autor: Thomas S. (thomas_s74)
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Ich habe mal kurz n Schaltplan entworfen. Ist Die Beschaltung so richtig 
oder muss ich Eingang + mit Eingang - vertauschen? Sollte ich eingang + 
oder - nicht nach Masse legen?

Die oben genannten 213 Widerstände beziehen sich auf den Wert von 4,7 
Mohm pro Widerstand.

Autor: Steffen Warzecha (derwarze)
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Im Prinzip stimmt das so, da Rg=0 und somit V=1 ist entfällt der 
Widerstand gegen Masse aus der NoInv Grundschaltung = Spannungsfolger. 
R7-R9 müssen weg, Masse der Spannungsquelle ist ja auch Gerätemasse. 
Wenn dem nicht so ist brauchst Du für den OPV eine hochspannungsfest 
galvanisch getrennte Spannungsversorgung oder eine Batterie.

Oder Du besorgst Dir ein µA Zeigerinstrument (man kann auch ein altes 
Multimeter schlachten, die Drehspulinstrumente dort sind oft 100µA 
Instrumente) und machst das ganze nur mit Widerstandskette und 
hochohmigen Abgleichtrimmer (Widerstand und Trimmer in Reihe) parallel 
zum Instrument.

Autor: Thomas S. (thomas_s74)
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Die idee mit dem µA meter ist auch gut. Allerdings habe ich kein MM zum 
Ausschlachten und µA meter mit z.B. 40µA sind unverschämt teuer! 10€ 
Währen ja ok aber mehr als 30€???

Ebay-Artikel Nr. 360296239202

Findet Ihr bessere angebote? Ich nicht.

Autor: Steffen Warzecha (derwarze)
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Die Widerstandskette am besten in ein Rohr und vergiessen.
Mit 22M und 10M bäuchtest Du bei der 100µA Instrumentenvariante nur 
(über den Daumen gepeilt) nur 15 Widerstände.

Die Teile gibt es schon billiger: 
http://www.schukat.com/schukat/schukat_cms_de.nsf/...

und dazu sogar neu.

Billiger wirds wohl nur auf dem Sperrmüll.

Autor: Marek N. (bruderm)
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Moin,

R7 bis R9 sind überflüssig.
Als OPV solltest du einen mit niedrigem Bias-Current nehmen (Suchmaske 
der Hersteller verwenden).
Es schadet nicht, den Eingang des OPVs mit Dioden (in Sperrichtung) 
gegen die Betriebsspannung(en) des OPVs abzublocken. Dabei auf 
niedriegen Leakage-Current achten, dieser sollte deutlich unter dem 
Bias-Current des OPVs liegen, um den Spannungsteiler nicht noch 
zusätzlich zu belasten.
Wähle den HV-Teiler so, dass du z.B. die 30 kV auf 3 V herunterteilst, 
also 1:10.000.
Der OPV als Spannungsfolger ist schon so OK zum Puffern, darauf achten, 
dass dieser "unity-gain stable" ist (nicht alle Präzisions-OPVs sind 
das!)
R5 kannst du ebenfalls weglassen und dann dort ein Voltmeter 
anschließen, z.B. ein Panelmeter bis 3,999 V oder das Signal dann 
entsprechend weiter skalieren oder verstärken.
Und sei bitte vorsichtig, ein 30 kV-Netzteil mit 60 W ist kein 
Spielzeug, das bummst schon ordentlich! Auf große Radien der Anschlüsse 
achten. Ab 12 bis 15 kV gibts schon Koronoa an normalen Bauteildrähten 
unter 1 mm Durchmesser, je nach Wetterlage.

Beste Grüße, Marek

P.S. Wenn du ein vernünftiges, kommerzielles HV-Netzteil verwendest, so 
hat dieses schon immer einen Spannungs- und Strommonitor, 0...10 V 
entpr. 0...100 % Nennwert.

Autor: Thomas S. (thomas_s74)
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Ich will aber eine möglichst hochohmige Anzapfung. Ich habe relativ 
schwache HV Quellen, deren Ausgang auch ordentliche Spannungsspitzen 
aufweisen, die z.B. einen Luftionisierer betreiben. Wenn ich dann nicht 
hochohmig genug anzapfe habe ich keine Spannungsspitzen mehr. Ist halt 
wichtig, dass es so hochohmig wird wie möglich.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Also, ich wuerd mit einem Transimpedanzverstaerker arbeiten. Der miss 
direkt den Strom und gibt eine Spannung aus.

Autor: Marek N. (bruderm)
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Hä?

Worum geht es eigentlich genau? Ich dachte, Thomas will eine 
Hochspannung messen. Dazu ist ein Spannungsteiler mit nachgeschaltetem 
OPV als Impedanzwandler ideal. Der Spannungsteiler kann so beliebig 
hochohmig werden, das Messergebnis wird nur noch durch den Eingangsstrom 
(bias current) des OPVs beeinflusst.
Wenn ihm auch noch Gigaohm nicht reichen, dann kommen wir zu 
Elektrometerverstärkern, dann gibt aber ganz andere Effekte mit 
Kriechströmen, Guard-Tracks etc.
Wenns ganz genau sein soll, muss auch noch der Temperaturkoeffizient des 
Spannunsgteilers, insbesondere das Tracking des Teilerverhältnisses 
beachtet werden. Bei gepulsten Signalen auch noch der voltage 
coefficient of resistance. Aber ich glaub so präzise will er es gar 
nicht haben, oder?

Dass ein digitales Messinstrument hier einem Analog-Instrument 
unterlegen sein soll, finde ich einfach nur mal putzig ;-)

Beste Grüße, Marek

Autor: Thomas S. (thomas_s74)
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Marek N. schrieb:
> Dass ein digitales Messinstrument hier einem Analog-Instrument
>
> unterlegen sein soll, finde ich einfach nur mal putzig ;-)

Ich kann mit meinem Digitalmultimeter nicht mal Ströme von HV messen. Da 
zeigt das display mal nen wert an, dann zeigt es überlastung an, dann 
fließen angeblich 9,4 A xD naja was solls.

Aber auch wenn der Eingang eines OPVs so hochohmig ist sind da doch 
immerhin noch ein paar Mohm Eingangswiderstand. Sollte ich diese 
berücksichtigen?

Wenn ich mir das genau überlege versuche ich mal an ein paar hundert 10 
Mohm Widerstände ran zu kommen. Ich werde etwa Widerstände mit je 1 Gohm 
anfertigen, die dann in eine Röhre mit dem Durchmesser von 2 cm kommen.

Autor: Marek N. (bruderm)
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Nabend,

wieso klammerst du dich denn so sehr an den Strömen fest?
Interessieren dich die Ströme wirklich so sehr? Wenn du in der 
Masseleitung misst, sollte es eigentlich keine Probleme geben, zur 
Sicherheit kann man den Shunt noch mit einer Glimmlampe überbrücken, so 
dass der Spannunsgabfall über dem Messgerät auf ca. 90 V im Fehlerfall 
begrenzt wird.

Was für ein Digitalmultimeter verwendest du denn? Dir sollte schon klar 
sein, dass du mit einem CAT-II-Messgerät nicht auf einem Potenzial von 
30 kV messen kannst, es sei denn, du vergießt es in einen Block von 
transparentem Silikon oder hängst es an dünnen Seidenfäden im Raum auf.
Also messen immer nah am Ground, das gibt weniger Probleme.

Gerade heute habe ich eine Spannung um 18 kV auf den Volt genau gemessen 
und eingestellt, der Tastkopf hatte auch "nur" 1 Gigaohm. Das ist zwar 
nicht vernachlässigbar, lässt sich aber als systematischer Fehler 
rausrechnen.

Mich würde interessieren, was für ein Netzteil du verwendest?

Beste Grüße, Marek

Autor: Marek N. (bruderm)
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P.S.
Das mit dem Basteln von Einzelwiderständen ist zwar möglich, aber wenig 
motivierend, es sei denn, du benötigst absolute Präzision, wie z.B beim 
KATRIN-Experiment: 
http://miami.uni-muenster.de/servlets/DerivateServ... 
(Kap 4 ff. und Anhang)

Widerstände im Bereich von Gigaohm bis Teraohm sind zwar selten, aber 
nicht unmöglich. Die bekommt man aber nicht mehr für 3 Cent bei 
Reichelt. Schau mal nach Ohmcraft, Ohmite oder Caddock!

Autor: Steffen Warzecha (derwarze)
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Thomas S. schrieb:
> Aber auch wenn der Eingang eines OPVs so hochohmig ist sind da doch
>
> immerhin noch ein paar Mohm Eingangswiderstand. Sollte ich diese
>
> berücksichtigen?

Wenn Du mit einen Spannungsteiler arbeitest hast Du ja am Eingang des 
OPV nur den 'unteren' Widerstand des Spannungsteilers der wesentlich 
unter 1M ist, also kein Problem.

Hochohm Widerstände gibt es zB. bei Farnell von bezahlbar:

http://de.farnell.com/ohmite/sm104035006fe/resisto...

bis richtig teuer:

http://de.farnell.com/ohmite/mox94021007fte/resist...

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