Präziser "Differenzverstärker" für Highside-Shunt (aus Einzeltransistoren)

[Jonathan S. (joni-st)]

Hallo,


ich würde gern für $projekt die Spannung über einem Highside-Shunt 
möglichst genau auf ein definiertes Bezugspotential bringen und dabei 
verstärken. Es gibt dafür natürlich spezielle OpAmps etc., aber die sind 
als Schüler einerseits schwer zu beschaffen, und andererseits macht es 
mit Einzeltransistoren einfach mehr Spaß.

Ich würde die Spannung eines 0,2 Ohm Shunts gern über einen Bereich von 
20mA bis 3A möglichst genau messen können - allerdings zeigt meine 
jetzige Schaltung in der Simulation noch relativ große Nichtlinearitäten 
("relativ groß" im Bezug auf 20mA). Außerdem befürchte ich, dass die 
Schaltung in der Realität wegen schwankender Transistorparameter 
ziemlich schlecht funktionieren wird.

Zur Funktion: Ein Strom durch R1 verursacht einen Spannungsabfall am 
Emitter von Q2. Dadurch sinkt auch die Basisspannung von Q2 und Q1 ab, 
weshalb Q1 aufsteuert und zusammen mit R2 einen Strom im linken 
Strompfad der Schaltung herab fließen lässt. Dieser Strom wird vom 
Stromspiegel Q5/Q6 auf den rechten Strompfad gespiegelt, wodurch der 
gleiche Strom auch durch Q2 fließt und dadurch strombedingte 
Unterschiede in der Ube von Q1/Q2 kompensiert werden. Somit entspricht 
die Spannung über R2 der Spannung über dem Shunt. Da der Strom im linken 
Strompfad proportional zur Spannung über R2 ist, stellt sich an R3 die 
um Faktor R3/R2 verstärkte Shuntspannung ein.

Q3 bildet mit Q1 eine Kaskode, die zusammen mit Q4 die Kollektorspannung 
über Q2 und Q1 annähernd gleich hält. Q7 und Q8 tun das selbe beim 
Stromspiegel.

Dass der Strom durch Q2 auch durch den Shunt fließt, ist mir bewusst. 
Aber das ergibt nur einen linearen Fehler, der leicht zu beseitigen ist. 
Das Hauptproblem sind nichtlineare Fehler.


Meine Fragen dazu wären...

1. Werden mir Abweichungen der Transistorparameter in der Realität einen 
Strich durch die Rechnung machen? (Falls ja, werde ich damit fertig?)
2. Wie kann ich die Nichtlinearitäten verringern?


Viele Grüße und schon mal vielen Dank
Jonathan

[Jens G. (jensig)]

Mit normnalen Einzeltransistoren wird das wohl nix werden, weil die ja 
genau gepaart werden müssten.
Desweiteren müssten die Transistoren auch gut thermisch gekoppelt 
werden, weil deren Parameter ja stark temperaturabhängig sind. Durch die 
thermische Kopplung gleichen sich die Schwankungen innerhalb eines 
Paares aus.
Es müssten also für jedes Paar mindestens Doppeltransistoren auf einem 
Chip sein, die aber wohl recht teuer sind. Noch mehr Transistoren auf 
einem Chip wären die Transistorarrays. Auf einem IC sind solche 
Schaltungen also viel besser aufgehoben.
Was die Nichtlinearität angeht - da kann ich auf die Schnelle nicht viel 
dazu sagen.

[oszi40 (Gast)]

Jonathan Strobl schrieb:
> als Schüler einerseits schwer zu beschaffen

Genauigkeit ist immer eine Frage des Geldes. Für den 11m-Punkt beim 
Fußball nimmt man auch keine Messuhr oder Mikrometerschraube.

Man muß eben für die jeweilige Aufgabe eine große Tüte geeignete Teile 
besorgen und dann fleißig ausmessen und thermisch verbinden WENN die 
Genauigkeit für Dich so ausreicht.

[Mark S. (voltwide)]

man rechnet mit 2mV/K  BE-Spannungsänderung.
Das heißt, bei 1C Temperaturänderung des messenden Transistor ergibt 
sich eine Anzeigeänderung von 2mV/200mR = 10mA.
Damit hast Du eine Hausnummer für die Genauigkeitsanforderungen.

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
die Probleme bei einer solchen Schaltung mit diskreten Transitoren 
wurden ja schon genannt.
Um das etwas zu entschärfen, solltest  du wenigstens Transistoren aus 
einem Transistorarray benutzen. Da würde sich zunächst z.B. BCV62 
anbieten.
Schaue auch mal nach LM3086.

Ansonsten solltest du mal ein anderen Konzept überlegen.
Man kann einen Instrument-OPV auch mit einzelnen OPV basteln,
z.B. ein Quad-Standard-OPV .

Im einfachsten Fall geht das auch schon mit einem einzigen OPV:
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/diffamp.htm
-> siehe Bild3.
Wichtig ist dabei vor allem ein sehr guter Gleichlauf der Widerstände 
R1/r2 sowie R1'/R2'.
Gruß Öletronika

[Anja (Gast)]

U. M. schrieb:
> Ansonsten solltest du mal ein anderen Konzept überlegen.
> Man kann einen Instrument-OPV auch mit einzelnen OPV basteln,
> z.B. ein Quad-Standard-OPV .

Ein einzelner OP (TL062 für High-Side sensing) reicht schon wenn man 
einen P-Kanal FET oder einen NPN-Transistor zusätzlich spendiert:
Siehe: Batteriewächter
https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:BMON_1048_L200.PNG

bzw. Innenschaltung von LTC6101 oder LT6106.

Gruß Anja

[Anja (Gast)]

Sorry muß natürlich PNP-Transistor heißen.

Gruß Anja

[Pandur S. (jetztnicht)]

Es gibt wie Anja schon sagte spezielle Shuntverstaerker (current sense 
amplifier), wie die LTC6101 und aehnlich. Deren schematische Darstellung 
zeigt wie's geht. Dabei ist zu beachten wie der Verstaerker gespiesen 
wird. Der untere Speisungs Anschluss kann ausserhalb dem Bereich eines 
normalen Opamps sein.
Kriterien koennen die Geschwindigkeit, Spannungsvertraeglichkeit, Offset 
und Stromverbrauch sein.