Hallo, ich habe eine Verständnisfrage zu Spannungsteiler und Widerständen. Ich möchte mit Arduino eine Spannung messen. Ich dachte an einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen. 100 und 200 Ohm wären für r2 und r1 möglich, um bis 15V messen zu können. Theoretisch wären aber auch 1000 und 2000 Ohm oder vielfache davon möglich. Letztendlich ändert es den Strom und die Leistung. Welchen Einfluss haben Strom oder Leistung auf die Messung? Hat ein Arduino einen optimalen Arbeitsbereich? Misst arduino bei niedriger/höherer Leistung genauer? Also , wo treten eher Fehler auf? Soll man R1 r2 klein oder groß wählen? Warum? Oder ists vollkommen egal? Letztendlich soll ein vernünftiges Maß zwischen optimaler Messung und minimalem Stromverbrauch erreicht werden. Für Erklärungen wäre ich sehr dankbar! LG Roland
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Je hochohmiger, desto störempfindlicher ist deine Messung. Außerdem musst du den Sample-and-Hold-Kondensator aufladen können, der am Eingang des ADCs sitzt. Das Datenblatt gibt Auskunft, welche maximale Eingangsimpedanz am Eingang sinnvoll ist. Daumenwert 10 kOhm. Je niederohmiger, desto höher der Messstrom, was die sinnlos verbratene Leistung erhöht und außerdem dein zu messendes Signal "runterzieht", je nach dessen Ausgangsimpedanz. Das ergibt dann auch einen zusätzlichen Messfehler. Wenn du keine großen Spannungen messen möchtest (Größenordnung 10 Volt), dann bleib zwischen 5 kOhm und 20 kOhm, so als Richtwert aus der Praxis.
Im Datenblatt des jeweiligen uC mit ADC wird immer angegeben wie hoch der Quellenwiderstand der am ADC angeschloßenen Spannungsquelle günstigstenfalls sein darf. Bei vielen uC sollte man im Falle des vorgeschlagenen Spannungsteiler am Zweigwiderstand nach Masse hin 10K nicht überschreiten. Für viele Anwendungen und uC funktioniert das in der Mehrzahl der Fälle ausreichend gut. Mit Arduino hat das nichts zu tun. Diese Innenwiderstand egrenzung hat mit internen Kondensatorumladungen und Ladezeiten der internen ADC MUX Schaltung zu tun weil das bei Kanalwechsel alles dynamisch abläuft und die internen Schaltungs und Eingangskapazitäten andauernd umgeladen werden. Sehe mal in den "Electrical Specification" Kapitel des 328P Referenzmanual nach. Dort wird unter Anderem angegeben wie hoch der Innenwiderstand der angeschlossenen ADC Spannungsquelle sein darf. Auch empfehle ich Dir die Kapitel über die interne ADC Schaltung studieren. Dort werden immer wichtige Anwendungsfakten und "Do and don't" erörtert.(Und den Rest des uC). Man sollte die Herstellerhinweise und Empfehlungen im Datenblatt und den App Notes immer berücksichtigen.
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Es ist ratsam, gegen "Verschleppungen" des Messwerts der Messung vor der aktuellen Messung, zusätzlich zum (hochohmigen) Spannungsteiler einen 22nF Kondensator vom ADC-Eingang gegen GND zu schalten.
Lothar M. schrieb: > Es ist ratsam, gegen "Verschleppungen" des Messwerts der Messung > vor > der aktuellen Messung, zusätzlich zum (hochohmigen) Spannungsteiler > einen 22nF Kondensator vom ADC-Eingang gegen GND zu schalten. Magst du das bitte ein wenig ausführen? Was meinst du mit "Verschleppungen des Messwertes" Vielen Dank. Gruß, Alex
Roland SABATA schrieb: > 100 und 200 Ohm wären für r2 und r1 möglich, um bis 15V messen zu > können. Das wirst du nicht wollen. Denn dein Objekt dessen Spannung du messen willst müsste bei 15V also 50mA liefern, oder 0.75 Watt. Das wird ein heisser Ritt für die Widerstände.
Alex schrieb: > Was meinst du mit "Verschleppungen des Messwertes" Wenn dein Spannungsteiler nicht ausreichend niederimpedant ist, dann kann es sein, dass die Samplezeit nicht zum vollständigen Umladen des Samplekondensators im uC. Und wenn die im vorigen Kanal gemessene Spannung niedrig war und jetzt eine hohe Spannung gemessen werden soll, dann merkt man bei dieser nachfolgenden Messung eine Abhängigkeit zur vorigen Messung. Du wirst diesen Effekt sicher mal selber beobachten... Ein Kondensator am ADC Eingang sorgt für die nötige niedrige Impedanz zur Umladung des Samplekondensators.
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Bei der richtigen Dimensionierung kann Dir ein gewisser Simon Ohm helfen. - Widerstände sehr niedrig: Spannungsquelle wird stark belastet, Teilerwiderstände auch. - Widerstände etwas höher: Siehe "Spannungsdeiler" - Widerstände sehr hoch: Der A/D-Wandler wird zu Belastung für den Spannungsteiler und verfälscht das Ergebnis. Außerdem setzt dann das Rauschen im Walde ein. Also hilft nur noch ein Blick ins Datenblatt für einen Kompromiss. Dumme Sache, musst Du selber was tun. Lässt sich kein sinnvoller Kompromiss finden, so hilft nur ein etwas zu hoher Widerstand (um die Spannungsquelle nicht zu sehr zu belasten) und eine darauf folgende Verstärkung (Spannungsfolger).
Lothar M. schrieb: > Alex schrieb: >> Was meinst du mit "Verschleppungen des Messwertes" > Wenn dein Spannungsteiler nicht ausreichend niederimpedant ist, dann > kann es sein, dass die Samplezeit nicht zum vollständigen Umladen des > Samplekondensators im uC. Und wenn die im vorigen Kanal gemessene > Spannung niedrig war und jetzt eine hohe Spannung gemessen werden soll, > dann merkt man bei dieser nachfolgenden Messung eine Abhängigkeit zur > vorigen Messung. Du wirst diesen Effekt sicher mal selber beobachten... > > Ein Kondensator am ADC Eingang sorgt für die nötige niedrige Impedanz > zur Umladung des Samplekondensators. Vielen Dank.
Sebastian S. schrieb: > Lässt sich kein sinnvoller Kompromiss finden, so hilft nur ein etwas zu > hoher Widerstand (um die Spannungsquelle nicht zu sehr zu belasten) und > eine darauf folgende Verstärkung (Spannungsfolger). Ich kanns nur wiederholen: der angesprochene Kondensator reicht oft schon aus. Wenn etwas nur mit 200Hz gewandelt werden muss, dann ist das ein adäquater Weg um die Impedanz hinreichend klein zu halten...
Gerhard schrieb: > Je hochohmiger, desto störempfindlicher ist deine Messung. Durch einen zusätzlichen Kondensator läßt sich dann die Bandbreite verringern, um die Störamplitude klein zu halten. Es kommt also u.a. auf die erforderliche Bandbreite drauf an. Der gleiche Kondensator liefert auch Ladung bei der Umschaltung des Multiplexers und für den S&H-Kondensator. > Außerdem musst du den Sample-and-Hold-Kondensator aufladen können, der > am Eingang des ADCs sitzt. Das Datenblatt gibt Auskunft, welche maximale > Eingangsimpedanz am Eingang sinnvoll ist. Daumenwert 10 kOhm. Und worauf zielt der Daumen dabei?
Hi
>Und worauf zielt der Daumen dabei?
Eher auf niediger.
MfG Spess
Ps: Der Arduino mag keine Spannungen über 5V am ADC...glaube ich ;-)
> Der Arduino mag keine Spannungen über 5V am ADC
Ja was denkst du wohl, warum hier über einen Spannungsteiler diskutiert
wird?
Lothar M. schrieb: > Ein Kondensator am ADC Eingang sorgt für die nötige niedrige Impedanz > zur Umladung des Samplekondensators. Man muss aber dafür sorgen, dass die entnommene Ladung aus dem externen Kondensator auch durch den Innenwiderstand des Spannungsteilers bis zur nächsten Abtastung wieder ausgeglichen werden kann. Sonst ergibt sich eine dauerhafte Ablage.
Hallo, danke für eure Antworten. Um zwischen Fehler/verbratener Leistung und technischen Gegebenheiten ein vernünftiges Mittelmaß zu wählen, sollte ich also im kOhm Bereich arbeiten. Ich werde im Bereich von R2:4kOhm und R1:8kOhm arbeiten. Ich möchte Spannungen um 15V messen. Genauer gesagt möchte ich Spannungen zwischen 13V und 15V messen. Der Bereich unter 13V ist irrelevant. Ich vermesse 4 zellige Lipo Akkus. Voll: 14,8V / leer: 12V. Um die Auflösung zu verbessern suche ich eine Möglichkeit, den unteren Bereich "abzuschneiden", sodass 15V am Arduino 5V und 13V am Arduino 0V entsprechen? Gibt es eine einfache Schaltung für solche Anwendungen? LG Roland
Roland S schrieb: > Gibt es eine einfache Schaltung für solche Anwendungen? Ja, nennt sich Subtrahierer. Kann man mit einem passenden Verstärker kombinieren um aus 12...15 V dann also 0...5 V zu machen (Tipp: erst 12 V abziehen und dann mit 5/3 multiplizieren ;))
An "Subtrahieren" und multiplizieren dachte ich auch schon. zB 18 Dioden (18x0,7V=-12,6V) =2,4V und dann mit einem Transistor um 100% verstärken = 4,8V Der Fehler, den ich mir dabei einfange, liegt dann sicher bei 10hochX Prozent! Wie macht man einen Subtrahierer in der Praxis? Gibt's das fertig zu kaufen? Lieber wäre mir selber löten! LG Roland
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HildeK schrieb: > Man muss aber dafür sorgen, dass die entnommene Ladung ... > wieder ausgeglichen werden kann. Korrekt. Man muss sich der Tatsache bewusst sein, dass ein ADC keinen "Eingangswiderstand", sondern einen "Eingangskondensator" hat. Wobei der mit 14pF recht klein und entnommene Energie damit recht niedrig ist. Für eine Abtastung mit 1kHz bei 10 Bit Genauigkeit würde eine Zeitkonstante von 7tau und damit sogar ein Spannungsteiler mit einem Ersatzwiderstand von R' = 1ms/(7*14pF) = 10 MOhm ausreichen...
Roland S. schrieb: > Wie macht man einen Subtrahierer in der Praxis? Gibt's das fertig zu > kaufen? Lieber wäre mir selber löten! Kennst du Operationsverstärker? Also OPVs? Mit 18 Dioden würde ich auch nicht arbeiten wollen.
4 Zellen Li Akkus können voll bis etwa 16-16,8 V gehen. Da sollte man also schon noch etwas Reserve nach oben vorsehen. Die rund 10 K gelten für die Ausgangsimpedanz des Teilers, also den Wert den man bekommt wenn man die beiden Widerstände parallel hätte. Passend wären da etwa 15 K und 33 K. Den Akku will in der Regel nur so wenig wie nötig belasten, vor allem wenn der Akku schon fast leer ist. Entsprechend sollte der Teiler recht hochohmig werden. Man kann über die 10 K grenze gehen, wenn man den Kondensator nach Masse dazu hat. So schnell muss man den Akku wohl auch nicht messen. Mit Kondensator wären dann auch 270 K (mit 22-100 nF parallel) und 680 K möglich. Den unteren Teil abschneiden kann man im Prinzip mit einer Zenerdiode, allerdings arbeiten die bei wenig Strom nicht besonders genau. Man gewinnt damit zwar an Auflösung, verliert aber eher an Genauigkeit. Das gilt auch für viele andere Schaltungen um da was von der Spannung abzuziehen. Die passende Lösung wäre da eher ein höher auflösender externer ADC oder ggf. Möglichkeit einen langsamen ADC über die Zeitmessung aufzubauen.
Operationsverstärker kenne ich! werde mal danach suchen. Aber macht das Sinn? Wird in Summe die Messung genauer oder ungenauer? Auch der Operationsverstärker wird einen Fehler erzeugen. Also besser von 0 bis 15V messen und nur die oberen 3V betrachten oder mit Operationsverstärker den unteren Bereich abschneiden, dadurch eine genauere Messung erhalten, die aber auch fehlerbehaftet sein würde. lg roland
Roland S schrieb: > suche ich eine Möglichkeit, den unteren Bereich "abzuschneiden", sodass > 15V am Arduino 5V und 13V am Arduino 0V entsprechen? 1. Schritt: 13V abschneiden. Sieh dir mal den TL431 an. Den kann man quasi als genaue 13V-Z-Diode beschalten, dann bleiben für den ADC-Eingang nur noch 0..2V übrig. 2. Verstärken dieser 0..2V auf 0..5V Das ist mit einem einfachen nichtinvertierenden Verstärker mit Verstärkung 2,5 schnell erledigt. Wichtig ist nur, dass du einen R2R OP verwendest (TS912 o.ä.). Du könntest (wenn verfügbar) auch eine interne Vref von 2,56 V verwenden, dann sparst du dir den Schritt 2... ;-)
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noch eine Frage zum Spannungsteiler! Wie misst der Arduino die Spannung? bzw. ist der Eigenwiderstand des Arduino vom Strom abhängig? Würde ich einen niedrigohmigen Spannungsteiler mit 25und 50 Ohm einsetzen(untere Grenze für R durch maximal zulässigen Strom am Arduino). Würde in diesem Fall aus dem unbelasteten Spannungsteiler ein "Belasteter Spannungsteiler" werden in dem man den "Verbraucherwiderstand" (Arduino) einbeziehen müsste oder kann man den Eigenwiderstand des Arduino vernachlässigen?
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Man soll auch drauf achten das R2 10 mal so groß ist wie R2last aber das spielt bei einer Spannungsmessung egr weniger eine Rolle .
Lothar M. schrieb: > Für > eine Abtastung mit 1kHz bei 10 Bit Genauigkeit würde eine Zeitkonstante > von 7tau und damit sogar ein Spannungsteiler mit einem Ersatzwiderstand > von R' = 1ms/(7*14pF) = 10 MOhm ausreichen... Meiner Recherchen nach musst du die Zeitkonstante mit dem externen Kondensator auf bestens 7tau bestimmen. Und wenn da 100n sitzen und der ADC nicht nur mit 1kHz arbeitet, sondern z.B. mit 100kHz, dann bist du schnell unter 1kΩ mit dem Quellwiderstand des Teilers.
HildeK schrieb: > und der ADC nicht nur mit 1kHz arbeitet, sondern z.B. mit 100kHz Meinst du 100000 Abtastungen mit Kanalwechsel dazwischen? Mit einem Arduino? Denn mit 1kHz meinte ich nicht den internen ADC-Takt, sondern durchaus die Häufigkeit der AD-Wandlungen. Und arg viel mehr schafft der Arduino nicht, insbesondere, wenn nebenher auch noch ein zweiter AD-Kanal gewandelt werden soll... > dann bist du schnell unter 1kΩ mit dem Quellwiderstand des Teilers. Da hättte aber Atmel mit dem internen Widerstand vor dem Samplekondensator auch schon gewaltige Genauigkeitsprobleme. Deren Zeitkonstante ist für 10 Bit bei 100kOhm und 14pF gerade mal 7*1,4us = 10us. Und das ist dann vermutlich auch die Zeit, mit der du auf die 100kHz gekommen bist. Wenn vor dem ADC-Eingang ein Kondensator sitzt, muss dessen Kapazität mindestens 1024mal größer als die des internen 14pF Kondensator sein. Hier reichen also "eigentlich" schon 15nF aus. Und die müssen dann eben bis zur nächsten Wandlung wieder aufgeladen werden. Und wenn diese Wandlung erst in 1ms passiert, dann ist da viel, viel Zeit. Und hier reichen auch im schlimmsten Fall wieder 7tau. Nur gilt für die Ladung dieses Kondensators dann: tau=1ms.
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Lothar M. schrieb: >> suche ich eine Möglichkeit, den unteren Bereich "abzuschneiden", sodass >> 15V am Arduino 5V und 13V am Arduino 0V entsprechen? > 1. Schritt: 13V abschneiden. > Sieh dir mal den TL431 an. Den kann man quasi als genaue 13V-Z-Diode > beschalten, dann bleiben für den ADC-Eingang nur noch 0..2V übrig. Ein Ansatz wäre das hier:
1 | 13..15V -------o-----. |
2 | | | |
3 | | | |
4 | | - |
5 | K | | |
6 | TL431 #R-->| | 47k |
7 | A | | --> einstellen auf 13V Spannungsabfall |
8 | | - |
9 | | | |
10 | o-----' |
11 | | |
12 | o------------------> 0..2V |
13 | | |
14 | - |
15 | | | |
16 | | | 100R |
17 | | | |
18 | - |
19 | | |
20 | GND ----------o------------------ GND |
Lothar M. schrieb: > Roland S schrieb: >> suche ich eine Möglichkeit, den unteren Bereich "abzuschneiden", sodass >> 15V am Arduino 5V und 13V am Arduino 0V entsprechen? > 1. Schritt: 13V abschneiden. > Sieh dir mal den TL431 an. Den kann man quasi als genaue 13V-Z-Diode > beschalten, dann bleiben für den ADC-Eingang nur noch 0..2V übrig. hallo Lothar, Ich habe versucht mich einzulesen, habe jedoch nicht ganz verstanden wie der TL431 eingesetzt werden soll, um meine 13V "abzuschneiden". Könntest du mir das etwas genauer erklären? Eine Z-Diode ist doch eine Spannungsbegrenzung. Ich dachte eine ZDiode hält die Spannung auf zb 5V stabil, in definierten Grenzen unabhängig von der Eingangsspannung. Im meinem Fall sollte die Z-Diode bzw der TL431 also 13V "abschneiden" und würde die Spannung also auf 2V stabil halten. Da ich jedoch Spannungen messen möchte, wäre es nicht sinnvoll die Spannung auf 2V zu stabilisieren. Die Spannung soll sich mit der Eingangsspannung ändern. Wo liegt mein Denkfehler? Hast du einen Link oder Schaltplan wie ich den TL431 einsetzen muß? Im Datenblatt auf Seite 15 habe ich eine Schaltung gefunden, die dem wohl am ähnlichsten ist. Ganz verstanden hab ich es jedoch nicht. PS: danke, dein Schaltplan kam bevor ich die Frage nochmal stellen konnte!
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Roland S. schrieb: > Ich dachte eine ZDiode hält die Spannung auf zb 5V stabil Richtig. Und zwar die Spannung über der Z-Diode. Die interessiert dich gar nicht, du willst sie abschneiden (das ist quasi Spannungsabfall im wahrsten Sinne des Wortes... ;-) > Im Datenblatt auf Seite 15 habe ich eine Schaltung gefunden In welchem Datenblatt? Das hier verlinkte hat nur 9 Seiten... :-o
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Anbei das Datenblatt mit 33 Seiten http://www.ortodoxism.ro/datasheets/texasinstruments/tl431.pdf lg roland
hallo Lothar, mir ist nicht klar, wie man mit einem fixen 47k Widerstand, den Spannungsabfall auf 13V einstellen kann?? lg Roland
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TL431_13V.PNG
14 KB
Roland S. schrieb: > mit einem fixen 47k Widerstand Das ist ein Schaltzeichen für Poti oder einen Trimmwiderstand mit 3 Anschlüssen. Im Anhang mal das Bild von Seite 15 auf deine Aufgabenstellung umgemalt...
alles klar, jetzt verstehe ich es! vielen Dank! lg Roland
Roland S. schrieb: > Auch der Operationsverstärker wird einen Fehler erzeugen. Eine OPV-Schaltung ist aber deutlich genauer als eine "Frickel- lösung" mit Diodenkette oder Z-Diode. Und zumindest, wenn Du die Ladung von Li-Akkus überwachen willst, brauchst Du eine Genauigkeit von besser 1%.
Die "Diodenkette" war nur theoretisch. Praktisch wird das sicher viel zu ungenau lg roland
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