Hallo Zusammen Der Schaltplan im Anhang gehört zu einer Platine mit Mikrocontroller. Ich möchte für 9 Unterbaugruppen die Stromaufnahme messen. Die Differenzverstärker liegen mit ihren Eingängen also an 0,01 Ohm Shunts und mit den Ausgängen am ADC des Mikrocontrollers. Der ADC verwendet die Referenz 2,0625V. Der Verstärkungsfaktor soll 40 sein. Die Shunts liegen auf der "Highside". Versorgungsspannung aller OP's und der Unterbaugruppen beträgt 7,4V (2 Li-Zellen). Leider tun die OP's nicht, was ich erwarte. Über dem Shunt I_CPU liegen momentan 840µV. Über den Ausgängen der beiden Impedanzwandler (Verstärkungsfaktor 1) liegen dann aber -8,4mV. Das -10 Fache?! Der Ausgang des eigentlichen Differenzverstärkers von I_CPU liegt fest auf 708mV, egal was über dem Shunt anliegt. Ich habe Testweise eine LED als Slave A1 angeschlossen. Über dem Shunt I_SLAVE_A1 Messe ich 170µV. Über den beiden Ausgängen der Impedanzwandler messe ich 170µV(Jippie!). Am Ausgang des eigentliche Differenzverstärkers messe ich 104mV(Humpf!). Das 600-fache statt des 40-fachen? Ich kann nicht behaupten, dass ich OP's vollständig verstanden habe, aber diese OP's Verhalten sich meiner Meinung nach höchst merkwürdig. Habt ihr eine Idee?
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F. K. schrieb: > Ich kann nicht behaupten, dass ich OP's vollständig verstanden habe, > aber diese OP's Verhalten sich meiner Meinung nach höchst merkwürdig. Du hast einfach den Input Voltage Range, bzw. auch input commom mode voltage range genannt, nicht beachtet. Demnach kann der OPV Signal nahe seiner unteren Betriebsspannung verarbeiten aber keine an seiner positiven Versorgungsspannung. Die maximale Eingangsspannung die der OPV verarbeiten kann liegt im schlimmsten Fall etwa 1,5V unterhalb der positiven Versorgungsspannung. Da du aber eine High-Side Messung machts, liegen die Eingangsspannungen außerhalb des Bereichs, in den der OPV vernünftig arbeitet. In diesem Bereich ist eine Funktion nicht mehr gewähleistet. Du könntest eine jetzt eine Low-Side Messung machen, oder einen OPV suchen, der auch Signale bis an seine positive Versorgungsspannung verarbeiten kann. LG Christian
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Diese OP's stellen sich aber auch zickig an ;) Das die OP's nicht nahe ihrer Betriebsspannung messen können, ist ein guter Hinweis. Die beiden angehängten Dateien sind aus demselben Datenblatt. Diese widersprüchlichen Angaben sind schon lustig. Eine "Low-Side" Messung kommt aufgrund des Gesamtaufbaus leider nicht in Frage. Sonst hätte ich die Schaltung schon so entworfen. Ist es jetzt sinnvoller einen OP Typ zu finden, der auch bei Betriebsspannung messen kann oder einen Boost Konverter zu nehmen, der mir die Versorgungsspannung der OP's auf ca 20V anhebt? Denn ich weiß leider noch nicht genau, ob die 2 Li-Zellen für die Versorgung der Unterbaugruppen ausreichen. Es könnten auch 3 oder evtl. sogar 4 nötig werden.
Die Angaben sind keineswegs widersprüchlich - du hast sie halt einfach nicht verstanden.
F. K. schrieb: > Die beiden angehängten Dateien sind aus demselben Datenblatt. Diese > widersprüchlichen Angaben sind schon lustig. Nein, da ist kein Widerspruch. Die absolute maximum ratings geben an, ab wann das Bauteil kaputt gehen kann/wird. Die Angaben sagen dir eben, dass das Bauteil bei einer Eingangsspannung großer der positiven Versorgungsspannung zerstört werden kann. Es sagt aber nicht, dass bis zu diesem Punkt der OPV noch das tut, was er tuen soll. Dies steht erst in den electrical characteristics. Dort wird spezifiziert, unter welchen Bedingungen sich die angegebenen Parameter nutzen lassen. > Ist es jetzt sinnvoller einen OP Typ zu finden, der auch bei > Betriebsspannung messen kann oder einen Boost Konverter zu nehmen, der > mir die Versorgungsspannung der OP's auf ca 20V anhebt? Das musst du entscheiden. Willst du alle OPVs auswechseln, oder reicht dir ein kleiner Spannungswandler. Du kannst ja auch danach gehen, was günstiger ist. Allerdings solltest du darauf achten, das dir der Wandler durch seinen Takt die Messung versaut. Eine weitere Alternative wären vielleicht auch Shunt Monitore, wie z.B. der INA139 oder ähnliche. Vielleicht ist etwas in der Richtung auch ganz interessant. Zumal sie auch weniger Platz wegnehmen, als das OPV Grab. LG Christian
Für Shunts an er high Side gibt es extra Verstärker (Current sense), oder man baut den Verstärker mit 1 OP und einem PNP oder P-Kanal MOSFET auf. Die Schaltung mit 3 OPS ist vom Gleichtaktbereich einfach nicht gut.
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Hi , schau Dir von LT mal die AN 105 an. Dort wird eine High-Side Messung beschrieben. Ich habe mit dem LT1636 gute Erfahrungen gemacht. Stichwort ist hier, "Over the Top" Gruß Ingo
Ich würde einfach Spannungteiler aus Präzisionswiderständen einbauen, wenn die Schaltung schon als Platine vorliegt. Einfach die Shuntspannung:2 und du hast kein Problem mehr mit den OPVs. Wenn du das allerdings noch nicht fertig aufgebaut hast, würde ich auch andere OPVs oder Shuntmonitore verwenden. Die Versorgung der Schaltung mit etwas mehr Spannung währe wohl im Prinzip das einfachste, jedoch musst du bei einem Schaltnetzteil schon etwas Aufwand in die Ausgangsfilter stecken. Mach dir doch besser ein paar Volt zu viel, Filtere ordentlich und setz einen Linearspannungsregler dahinter. Da gibt es Typen die genau für das gedacht sind. Gruss Stefan
Erstmal danke, für die vielen Ideen und Tipps. Die Schaltung ist schon auf Lochraster aufgebaut. Deshalb bekomme ich leider keinen Spannungsteiler mehr eingebaut. Das wären 4 zusätzliche Widerstände pro Shunt. Ebenso sind SMD Bausteine schwierig. Um Current-Sense Bausteine zu verwenden, müsste ich Großteile der Platine neu machen. Die Variante merke ich mir aber für zukünftige Projekte vor. :) Eine kleine Ecke auf der Platine ist noch frei und dort läuft auch zufällig die OP-Versorgung vorbei. Ich werde dort mal einen MC34063 Boost Konverter einbauen. Laut Datenblatt soll nach der Filterung der Ripple bei 40mV p-p liegen. Mit 1-2 zusätzlichen Abblockkondensatoren sollte das ausreichend sein.
F. K. schrieb: > Mit 1-2 zusätzlichen Abblockkondensatoren > sollte das ausreichend sein. Ich würde noch Platz für einen LC Filter mit einplanen. Wenn die Störungen zu groß sind reichen Cs nicht mehr aus. LG Christian
Off-Topic: @Ingo DH1AAD Übrigens ist diese Schaltung im Elecraft K2 realisiert, lediglich die Werte sind anders. Ich hab sie genutzt um zu realisieren wie sich die Spannungsverhältnisse um den OP herum einstellen.
F. K. schrieb: > Habt ihr eine Idee? Warum baust du so ein Opamp Grab? Besser ist es den Messwandler/-verstärker nur einmal aufzubauen und das Ganze per Multiplexer mehrfach zu nutzen.
Hi Joachim, hast Du da einen Link ? Wie gesagt, ist die Schaltung aus der AN wie ich sie benutzt habe. Man muss ja nicht immer das Rad neu erfinden ;-) Gruß Ingo
Off-Topic: Strommessung mittels OP-Amp: http://www.elecraft.com/manual/E740001_K2%20Owner%27s%20Manual%20Rev%20I.pdf Strommessung im Schaltplan in Appendix B, Seite 143. Der Shunt ist eine Seite weiter, neben der Kontaktleiste 'Control Board' zu finden.
>Warum baust du so ein Opamp Grab? Besser ist es den >Messwandler/-verstärker nur einmal aufzubauen und das Ganze per >Multiplexer mehrfach zu nutzen. Was ist denn ein OP-Grab? :) Ich habe beim Entwurf von Schaltungen immer viele tolle Ideen. Die meisten davon scheitern daran, dass es die nötigen Bausteine entweder bei den gängigen Distributoren nicht als DIP Baustein gibt oder dass das Bauteil zuviele Beinchen auf engem Raum hat. Ich kann für 15€ (3€ Platine und 12€ Bauelemente) eine "unprofessionelle" Lochrasterplatine oder für 70€ (60€ Platine und 10€ Bauelemente) eine "perfekte" DualLayer SMD Platine entwickeln. Der Abstimmungsaufwand mit SMD-Platinen-Herstellern (Leiterbahnbreite, Bohrungen, ect.) steht für mich auch in keinem Verhältnis. Und wenn dann doch noch ein Fehler drauf ist, sind 70€ weg. Ich würde gerne viele tolle Ideen wie Multiplexer, RAM's, größere µC's, Displaytreiber oder oder oder einsetzen, aber geeignete SMD Platinen sind für einen Bastler nicht bezahlbar.
Ich habe die Versorgungsspannung der OP's jetzt auf 20,0V angehoben. Der Ripple beträgt 0,2V p-p. Leider hat sich an der Funktion der OP's nicht viel verbessert. Ich habe an den Eingängen der Impedanzwandler von I_CPU eine Differenz von 0,12µV. Die ist korrekt. Am Ausgang der Impedanzwandler sind es aber schon 1,4mV Differenz. Der Faktor stimmt nicht, aber diese Größe ändert sich, wenn sich der Strom im Shunt verändert. Der Ausgang des Differenzverstärkers liegt auf 0,7V, egal was am Shunt passiert. Was übersehe ich an der Stelle, das ist doch eine ganz simple OP Schaltung?!
F. K. schrieb: > Ich habe an den Eingängen der Impedanzwandler von I_CPU eine Differenz > von 0,12µV. Die ist korrekt. Schreibfehler? 0,12µV ist verdammt klein. Kann es sein, dass du die OPVs falsch herum an den Shunt angeschlossen hast und die Schaltung versucht eine negative Spannung auszugeben? Ich würde sowieso versuchen ein paar mV anstatt µV zu erzeugen, da sonst schon Temperaturschwankungen dein Ergebnis geringfügig verfälschen könnte. LG Christian
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Ich habe jetzt die Schaltung von Ingo realisiert. Im Anhang habe ich die Schaltung mal kurz mit Spice gezeichnet. Für einen Shunt verwende ich einen LT1078. Für die anderen 8 Shunts wollte ich 2 4-fach OP's verwenden. Um das Geld für die teuren LT1079 zu sparen habe ich testweise mal zwei LM324 eingesetzt. Allerdings macht es keinen Unterschied, ob ich LT1079 oder LM324, es passiert immer folgendes: Wenn ich nur den LT1078 bestücke, liefert dieser einen korrekt verstärkten Messwert. Die Stromaufnahme des OP ist quasi null. So weit so gut. Wenn ich nun einen der anderen beiden OP's bestücke (egal welchen). Steigt der Stromverbrauch der OP's von nahe null auf über 300mA. (Die Einstellung der Strombegrenzung meines Netzteils verhindert einen höheren Strom.) Allerdings auch nur, wenn die Eingänge der Differenzverstärker nicht offen sind. (Durch mein "Platinen-Sandwich" kann ich die Verstärker(Platine) von den Shunts(Hauptplatine) trennen.) Wenn ich die Verstärkerplatine mit bestückten OP's aber ohne die Hauptplatine betreibe, bleibt die OP-Stromaufnahme nahe null. Der Boost-Regler für die 20V befindet sich mit auf der Verstärkerplatine. Ich habe auch schon geschaut, ob ich irgendwo Kürzschlüsse zwischen den Platinen oder auf den Platine habe. Oder ob ich einen Fehler auf den Platinen habe. Das Kuriose ist ja, das es beim LT1078 funktioniert und bei beiden 4-fach OP's nicht. Habt ihr eine Idee, was so einen Stromanstiegt verursachen kann?
Hast du vielleicht + und - an den OPVs verdreht oder irgdwas anderes vertauscht? Anders kann ich mir nicht einen so hohen Strom nicht erklären. LG Christian
Die OP's sind mit allen Pin's korrekt angeschlossen. Der hohe Strom tritt ja auch nicht auf, wenn ich die Verstärkerplatine ohne die Hauptplatine betreibe. Daher vermute ich eine Wechselwirkung mit einem anderen Schaltungsteil. Da ja aber alle Knoten des Differenzverstärkers relativ hochohmig sind, habe ich noch keine plausible Erklärung für einen so hohen Strom.
Hi, ich hatte es oben schon geschrieben , das Stichwort ist "over the Top" Du hast an den Eingängen der OPs die Betriebsspannung. Das mögen viele nicht. Wenn Du UB=20V hast, dann dürfen die EIngänge bei den meisten Typen nur max.16V haben. Der LT1636 kann das ab. Er kostet halt ne Menge mehr. Wahrscheinlich sind deine LM324 jetzt auch kaputt. Für diese Schaltung musst Du Dir die Datenblätter der OPs sehr genau anschauen. Gruß Ingo
Wie auf dem Spice Schema zu sehen ist, liegen an den Eingängen der OP's um die 7,4V und die Betriebsspannung der OP's ist 20V.
Ich glaube das Problem gefunden zu haben. Der Ausgang des Operationsverstärkers geht auf die maximale Spannung, wenn der Shunt nahe an das GND Potenzial kommt. Damit steigt die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers auf die OP Ausgangsspannung - Ube. Das die Shunts nahe an GND kommen können, kann ich leider nicht ohne weiteres verhindern, da die Versorgungsspannung der Shunts einzelnd abgeschaltet werden können. Ich müsste dann das Layout der Hauptplatine ändern, um die Shunts vor die Schalter zu bringen. Gibt es eine Möglichkeit, dem Differenzverstärker dieses Verhalten abzugewöhnen? Denn wenn der Differenzverstärker einmal auf maximaler Ausgangsspannung ist, kommt er davon nicht mehr runter, auch wenn ich das Shunt wieder auf 7,4V bringe.
F. K. schrieb: > Das die Shunts nahe an GND kommen können, kann ich leider nicht ohne > weiteres verhindern vielleicht mit einer negativen Hilfsspannung? Das könntest du doch im Laboraufbau mal verifizieren. Ob die Erzeugung einer negativen Hilfsspannung billiger kommt als andere OPamps einzusetzen, musst du wissen. Sind halt eine kleine Latte mehr Bauteile beteiligt. mf
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Ich habe mal wieder ein Schema gezeichnet, wie die Schaltung (über beide Platinen) pro Shunt (R1) aussieht. Wenn der FET sperrt, bekommt der Shunt GND Potenziel und der Ausgang des Verstärkers geht auf ungefähr 18V. Selbst wenn der FET dann wieder leitet, bleibt der Verstärker auf 18V. Ist der FET vom Einschalten der Spannung an leitend, arbeitet der Verstärker korrekt. Ich habe schon R5 zusätzlich eingebaut, um das Potenzial im ausgeschalteten Zustand auf 7,4V zu heben. Das funktioniert allerdings nicht bei jeder Last (R2). Je nach Art der Last tritt das oben beschriebene Verhalten auf, oder auch nicht. Eine negative Spannung am - des OP kann das Problem beheben? Schließlich überschreite ich GND ja nicht.
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Ich habe das Problem nochmal in Spice simuliert. V3 erzeugt ein langsames Rechtecksignal, was das Ein- und Ausschalten der Last simulieren soll. Wenn die Last R2 10 Ohm beträgt, geht der Ausgang des Verstärkers beim Ausschalten der Last auf ca. 17V und bleibt dort. Wenn die Last 1kOhm beträgt wechselt der Ausgang des Verstärkers korrekt mit dem Einshaltzustand der Last zwischen ca. Null und dem 40fachen des Spannungsfalls am Shunt. Da dieses Verhalten ja sogar in der Simulation auftritt, muss der Grund ja eine elementare Eigenschaft des OP's sein...nur welche? Ich habe das Ganze auch mit einer negativen Hilfsspannung am - des Op simuliert, wie Minifloat vorgeschlagen hat. Das hat keine Verbesserung ergeben.
Deine Schaltung unterscheidet sich in drei entscheidenden Punkten von der von Ingo aus der AN 105 geposteten: 1. Die Versorgungsspannung des Opamp (20V) ist höher als die Spannung für die Last (10V). 2. Vor dem Shunt liegt der Schalter für die Last (M1). 3. Der LT1078 hat keine Over-The-Top-Eingänge. (1) und (2) führen dazu, dass die Ausgangsspannung des Opamp höher als die Spannung am oberen Ende des Shunts werden kann. Dann wird aus der Gegenkopplung eine Mitkopplung und die Ausgangsspannung läuft zu ihrem Maximalwert hoch. Du kannst dieses Problem umgehen, indem du den Opamp mit weniger als 10V versorgst und den Mosfet nach dem Shunt einbaust. Dann wird aber wegen (3) der Common-Mode-Input-Range des Opamp überschritten. Abhilfe schafft hier der LT1636. Deswegen hat Ingo ja dazugeschrieben: Ingo DH1AAD schrieb: > Ich habe mit dem LT1636 gute Erfahrungen gemacht. Stichwort ist hier, > "Over the Top" Du kannst aber auch, wie schon vorgeschlagen wurde, gleich einen INA138/139 nehmen. Der enthält genau diese Schaltung fertig in einem IC.
Dass ich mit dem LT1078 keinen Over-The-Top-Typ gewählt habe, liegt daran, das es im Punkt Bauteilbeschaffung einfacher war, 20V zu erzeugen. Die Gegenkopplung funktioniert ja auch, wenn der Shunt sein Betriebsspannungs-Potenzial hat. Dass bei der Mitkopplung die Versorgung des Shunts nicht mehr gegen die Betriebsspannung des OP ankommt, ist auch klar. Dieses Verhalten tritt aber ebenfalls auf, wenn ich einen Over-The-Top-Typ mit Versorgung auf Shunt Potenzial wähle / simuliere. Wenn die Last zu niederohmig wird, geht der Ausgang des Verstärkers im ausgeschalteten Zustand auf die Versorgungsspannung des Shunts und ich erhalte auch wieder eine Mitkopplung. Das Problem ist einzig und allein, dass der Shunt das Masse Potenzial nicht erreichen darf. Die theoretisch einfachste Lösung dafür wäre, wie du ja schon richtig vorschlägst, den Shunt vor den FET zu setzen. Allerdings müsste ich dann meine Hauptplatine umdesignen. Deswegen wollte ich verstehen, warum das Massepotenzial am Shunt ein Problem ist, um dann nur eine evtl. kleine Änderung am Verstärker vorzunehmen.
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