Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strom-Spannungs-Wandler 1mA zu 1mV


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von Michael W. (Gast)


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Hallo Community,

ich möchte eine Strommessung durchführen. Strombereich 30 uA bis 30 mA. 
Ich möchte hierfür den Strom 1 zu 1 in eine Spannung mithilfe eines 
Stromspannungswandler umsetzen. Dann möchte ich die Ausgangsspannung mit 
einem invertierenden OPV verstärken (x10 und x100).

Damit möchte ich dann an ein Oszilloskop und den Spannungsverlauf 
betrachten, um auf den Stromverlauf und somit auf den Stromverbrauch zu 
schließen.

Zunächst wollte ich die Verstärkung kalibrieren: Beispielsweise gebe ich 
1mA, den ich mit einer 5V Spannungsquelle und einem 10k Poti einstelle, 
an den Eingang des Stromspannungswandlers. Über den Widerstand von 1 Ohm 
müsste doch dann theoretisch 1mV am Ausgang sein. Den OPV versorge ich 
mit +5/-5 V.
In der Praxis sieht das so aus:
mA: 5     4     3     2     1
mV: -3,4 / -2,4 / -1,4 / -0,4 / 0,4

Meine Frage ist, warum das in der Praxis anders ausschaut. Wo mache ich 
Fehler?

Danke im Voraus für Eure Hilfe.

Lieben Gruß,
Michael W.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Michael W. schrieb:
> Den OPV
Welcher OP in welcher Beschaltung?

> Meine Frage ist, warum das in der Praxis anders ausschaut.
> Wo mache ich Fehler?
Ich tippe mal auf das trivialste: Offsetspannungen.

von Andrew T. (marsufant)


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Michael W. schrieb:
> Meine Frage ist, warum das in der Praxis anders ausschaut. Wo mache ich
> Fehler?

Der Fehler: Beim Aufbau der Schaltung.

Kurz: Ohne Schaltplan den du hier zeigen solltest, können wir Dir nicht 
helfen.

von olaf (Gast)


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> Meine Frage ist, warum das in der Praxis anders ausschaut.

LM741 ist ungeeignet. :)

Olaf

von Pandur S. (jetztnicht)


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Bei einem 10k Poti kannst du natuerlich keine 1 Ohm einstellen. Das wird 
schon bei einem 100 Ohm Poti fast unmoeglich.
Abgesehen davon was soll das Kalibrieren ? Vergiss das. Den 1 Ohm 
Widerstand gibt es nicht zu kalibrieren.
Den Offset ? Vergiss das.

Es gibt eigentlich gar nichts zu kalibrieren. Ob 1mV mun ein paar 
Prozent abweicht ist egal. Sonst ist das Konzept falsch.

: Bearbeitet durch User
von Michael W. (Gast)


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Danke für die schnelle Antwort!

Verwendet wird ein TL084CN.

Anbei die Schaltung.

von THOR (Gast)


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1 Ohm in der Rückkopplung für Verstärkungsfaktor = 1, aber dann 2 
invertierende Verstärker dahinterschalten. Gehts noch komplizierter?

Mach 100 Ohm draus, haste Verstärkungsfaktor 100.

https://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker#Strom-Spannungs-Wandler

von Michael W. (Gast)


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Danke für deine Lösung.

Das beantwortet aber meine Frage nicht. Warum funktioniert diese 1 zu 1 
Umrechnung beim Stromspannungswandler nicht.

Wenn das bei 1Ohm nicht funktioniert, wird das bei 100 Ohm auch nicht 
funktionieren, oder?

von Dietrich L. (dietrichl)


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Michael W. schrieb:
> Anbei die Schaltung.

Da fehlt noch was:
Wer kümmert sich darum, dass die Eingangsspannungen des ersten OPVs sich 
im gültigen Gleichtaktbereich befinden? So frei schwebend geht das 
nicht.

von THOR (Gast)


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Ja, der + Eingang muss auf Masse.

Dann Rückkopplungswiderstand = 100 Ohm und vom + Eingang nach Masse nen 
100 Ohm und die Signalquelle auch an Masse anschließen.

Und dann sollte 1mA = -100mV sein.

von Jobst Q. (joquis)


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Da fehlt eine Verbindung von Pin 3 zu Masse. Den OPV 1 könntest du dir 
sparen und die 1 Ohm gleich an Masse legen. Dann reicht ein TL 082.

von Andrew T. (marsufant)


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Michael W. schrieb:
> Das beantwortet aber meine Frage nicht. Warum funktioniert diese 1 zu 1
> Umrechnung beim Stromspannungswandler nicht.

Schau bitte mal im Datenblatt nach OFFSET, dann wird das Dir klarer .-)

von Michael W. (Gast)


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Pin 3 liegt an Masse an. Sorry, habe das in der Zeichnung vergessen.

Am Stromspannungswandler fließt eine Spannung von 1,5 mV von - nach +. 
Das darf doch eigentlich nicht sein, oder?

von Achim S. (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Am Stromspannungswandler fließt eine Spannung von 1,5 mV von - nach +.

die Spannung fließt nicht, sondern die liegt da nur rum (äh: an).

Und: doch, das darf sein, weil es kein idealer OPV ist. Das Stichwort 
"Offsetspannung" wurde schon mehrfach genannt.

Michael W. schrieb:
> Wenn das bei 1Ohm nicht funktioniert, wird das bei 100 Ohm auch nicht
> funktionieren, oder?

aber der Fehler wird einen Faktor 100 weniger relevant sein. Wenn 100mV 
um 1,5mV verschoben sind stört das weniger, als wenn 1mV um den Wert 
verschoben ist.

von Michael W. (Gast)


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Ok ja sie liegt da an. Ah jetzt hats bei mir Klick gemacht. Wenn ich den 
Offset berücksichtige komme ich auf die passenden Werte:
mA: 1  2  3 / ...
mV:-1 /-2 -3  ...

So das war mein erster Beitrag in diesem Forum. vielen lieben Dank. Ihr 
seid super kompetent und nett!

Viele Grüße,
Michael W.

von Manfred (Gast)


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Michael W. schrieb:
> ich möchte eine Strommessung durchführen. Strombereich 30 uA bis 30 mA.
> Ich möchte hierfür den Strom 1 zu 1 in eine Spannung mithilfe eines
> Stromspannungswandler umsetzen.
Warum nicht einen Widerstand im Stromweg und die Spannung verstärken?

> In der Praxis sieht das so aus:
> mA: 5     4     3     2     1
> mV: -3,4 / -2,4 / -1,4 / -0,4 / 0,4
Das ist relativ gut. Wenn ich mal das Datenblatt vom TL084 überfliege, 
sehe ich dort als typ. Eingangsoffset 3 mV.

Der OPA336 ist im typischen Wert Faktor 50 besser und beim Bastelhöker 
verfügbar. Selbst dieser wird am unteren Ende aber noch einen 
erheblichen Fehler produzieren.

von Michael W. (Gast)


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Guten Morgen Community,

Die hier verwendete Spannungsquelle (5V) mit 10k Poti habe ich nur 
verwendet, da ich zunächst einen eingestellten konstanten Eingangsstrom 
haben wollte, um die OPV-Schaltung zu verstehen. Da ich nun weiß, wie 
die Ausgangsspannungen (10- und 100-fache Verstärkung) erzeugt werden, 
möchte ich - anstatt des konstanten Eingangsstrom ein - den Strom, der 
diesmal veränderlich ist, von einer anderen Schaltung messen. Hierfür 
habe ich an den -IN den +Pol und an den +IN des Stromspannungswandlers 
den -Pol der anderen Schaltung angeschlossen. Die Verbindung zwischen 
+IN und Masse der OPV-Versorgungsspannung habe ich getrennt.

Anbei die Schaltung zur Veranschaulichung.

Nun zu meiner Frage.
Spannungsversorgung am TL084CN liegt an (+-12V). Mit einem 
Strommessgerät habe ich -IN und +IN am Stromspannungswandler (SSW) 
kurzgeschlossen und messe verständlicherweise 0A.

Warum messe ich am Ausgang eine Spannung von -10,03V?

Nach meinem Verständnis müssten dort auch 0V anliegen.

Danke für Eure Hilfe!

Lieben Gruß,
Michael W.

von Dietrich L. (dietrichl)


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Michael W. schrieb:
> von einer anderen Schaltung messen. Hierfür
> habe ich an den -IN den +Pol und an den +IN des Stromspannungswandlers
> den -Pol der anderen Schaltung angeschlossen. Die Verbindung zwischen
> +IN und Masse der OPV-Versorgungsspannung habe ich getrennt.

Das geht so nicht ohne weiteres.

Wie ich schon schrieb, müssen die Spannungen an den (+) und 
(-)-Eingängen des OPV im gültigen Gleichtaktbereich des OPVs liegen 
(bezogen auf die Versorgungsspannungen des OPVs!).

Wenn die "andere Schaltung" potenzialfrei ist, kümmert sich niemand 
darum, dass die oben genannte Bedingung eingehalten wird. Die Potenziale 
können dann beliebig "in der Gegend herum Schweben" und sind dann 
zufällig oder auch gezielt außerhalb des gültigen Gleichtaktbereichs.

Du brauchst also eine geeignete Verbindung zwischen der "anderen 
Schaltung" und der OPV-Versorgung. Wie die dann aussehen kann hängt von 
der "anderen Schaltung" ab. Im einfachsten Fall ist das eine Verbindung 
der beiden GNDs (Masse) - wenn damit die Bedingung erfüllt ist.

von Dietrich L. (dietrichl)


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Ich sehe gerade, Du hast ja keinen "Intrumentation Amplifier" (d.h. 
einen Verstärker, der die Differenz am Eingang in eine Spannung am 
Ausgang gegen GND umsetzt). Bei dem müssten sich die Eingangsspannungen 
"nur" im gültigen Gleichtaktbereich befinden.

Bei Dir muss aber der (+)-Eingang unbedingt an GND liegen. Eine andere 
Spannung am (+)-Eingang bewirkt eine entsprechende Verschiebung des 
Ausgangsspannung Ussw.
Wenn diese Spannung dann zusätzlich noch außerhalb des gültigen 
Gleichtaktbereichs liegt, ist die Funktion des OPVs nicht mehr 
gewährleistet und damit die Ausgangsspannung undefiniert; sie kann dann 
beliebig sein.

von Michael W. (Gast)


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Dietrich L. schrieb:
> Du brauchst also eine geeignete Verbindung zwischen der "anderen
> Schaltung" und der OPV-Versorgung. Wie die dann aussehen kann hängt von
> der "anderen Schaltung" ab. Im einfachsten Fall ist das eine Verbindung
> der beiden GNDs (Masse) - wenn damit die Bedingung erfüllt ist.

Wenn ich beide Masse-Punkte verbinde, verändert sich
1) der Eingangsstrom am SSW von 0,02mA auf 38mA
2) der Ausgangsstrom am SSW von -8,91V auf +2,71V

Michael W. schrieb:
> Warum messe ich am Ausgang eine Spannung von -10,03V?

Die -10,03V ist die Differenzspannung zwischen OpAmp-Versorgungsspannung 
und Betriebsspannung der "anderen Schaltung".


Dietrich L. schrieb:
> Bei Dir muss aber der (+)-Eingang unbedingt an GND liegen. Eine andere
> Spannung am (+)-Eingang bewirkt eine entsprechende Verschiebung des
> Ausgangsspannung Ussw.
> Wenn diese Spannung dann zusätzlich noch außerhalb des gültigen
> Gleichtaktbereichs liegt, ist die Funktion des OPVs nicht mehr
> gewährleistet und damit die Ausgangsspannung undefiniert; sie kann dann
> beliebig sein.

Ja es liegt eine andere Spannung an 0...3,3V . Die liegt aber schon im 
Gleichtaktbereich, oder?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Michael W. schrieb:
> Dietrich L. schrieb:
>> Du brauchst also eine geeignete Verbindung zwischen der "anderen
>> Schaltung" und der OPV-Versorgung. Wie die dann aussehen kann hängt von
>> der "anderen Schaltung" ab. Im einfachsten Fall ist das eine Verbindung
>> der beiden GNDs (Masse) - wenn damit die Bedingung erfüllt ist.
>
> Wenn ich beide Masse-Punkte verbinde, verändert sich
> 1) der Eingangsstrom am SSW von 0,02mA auf 38mA
> 2) der Ausgangsstrom am SSW von -8,91V auf +2,71V

Was für ein Unsinn. Ein "Ausgangsstrom" von -8,91V

Nochmal zum Mitmeißeln: der (+) Eingang des ersten OPV muß an GND 
liegen. Nur so kann die Schaltung überhaupt funktionieren. Und da dieser 
Anschluß gleichzeitig ein Anschluß des "Strommessers" ist, muß das GND 
der Meßschaltung galvanisch getrennt vom GND der zu messenden Schaltung 
sein. Sprich: die Meßschaltung braucht eine eigene, komplett unabhängige 
Versorgungsspannung. Ebenfalls alles, was am Ausgang der beiden 
Verstärker hängt. Auch daran führt kein Weg vorbei.

Wenn sich der Strom schon durch das Verbinden der beiden GND ändert, 
dann bestand vorher offensichtlich keine galvanische Trennung.

Aber die ganze Idee mit dem aktiven Strom-Spannungswandler ist sowieso 
großer Mist. Denn im Vergleich zu einem simplen 1-Ohm Shunt, der genau 
die gleiche Funktion erfüllen würde, hat sie gravierende praktische 
Einschränkungen. So kann sie bspw. keinen Strom messen, der größer ist 
als der Strom den der erste OPV mit seinem Ausgang liefern kann.

Und wenn schnelle Stromänderungen auftreten, dann führt die Verzögerung 
innerhalb des OPV dazu, daß zwischen den Eingängen des Strommessers 
kurzzeitig eine deutlich höhere Spannung anliegt als sie dürfte. Was 
wiederum zu Rückwirkungen mit der zu messenden Schaltung führen wird.
Je nachdem, wo genau man den Strom mißt (etwa in der Gegenkopplung eines 
Verstärkers) kann das sogar zu wildem Schwingen führen.

: Bearbeitet durch User
von Achim S. (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Mit einem
> Strommessgerät habe ich -IN und +IN am Stromspannungswandler (SSW)
> kurzgeschlossen und messe verständlicherweise 0A.

Neben den richtigen Anmerkungen von Axel und Dietrich zum Massebezug 
noch ein weiterer Hinweis: Wenn du die beiden Eingänge kurzschließt und 
auf Masse legst, dann legst du nicht den Eingangsstrom auf 0A. Der 
Strom ist dann undefiniert, denn über einen Kurzschluss kann ein 
beliebiger Strom fließen.

Wenn du die Eingänge kurzschließt, dann legst du damit die 
Eingangsspannung auf U_d = 0V. Wie du oben schon festgestellt hast 
will der reale OPV an seinen Eingängen aber nicht U_d = 0V sehen sondern 
seine Offsetspannung (im mV-Bereich). Wenn du U_d auf 0V zwingst, dann 
wird der OPV seine Offsetpannung mit seiner Leerlaufverstärkung 
hochverstärken, so dass am Ausgang wieder einge V anliegen.

Mit deinem exotischen Rückkoppelwiderstand dürfte die Ausgangsspannung 
so weit nach oben oder unten gehen, bis der OPV das 1Ohm gegen Masse 
nicht mehr treiben kann.

von Michael W. (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Aber die ganze Idee mit dem aktiven Strom-Spannungswandler ist sowieso
> großer Mist. Denn im Vergleich zu einem simplen 1-Ohm Shunt, der genau
> die gleiche Funktion erfüllen würde, hat sie gravierende praktische
> Einschränkungen. So kann sie bspw. keinen Strom messen, der größer ist
> als der Strom den der erste OPV mit seinem Ausgang liefern kann.

Anscheinend funktioniert das nicht, wie ich mir das vorgestellt habe.

Habt ihr mit Eurer Erfahrung eine Idee?

Ich habe eine Schaltung, die mit Lithium-Knopfzellen (3V) betrieben 
wird. Um auf den Stromverbrauch schließen zu können, möchte ich eine 
Strommessung durchführen. Zunächst habe ich einen 1 Ohm Widerstand 
dazwischen geklemmt und daran das Oszilloskop angeschlossen. Somit wird 
ja der Strom  1:1 in Spannung umgesetzt. So konnte ich jedoch Ströme 
kleiner 2 mA nicht wirklich messen, da die Mindestauflösung des Oszis 
bei 2 mV lag.
Demnach dachte ich mir, dass ich mit einem höheren Widerstand, 10 Ohm 
oder 100 Ohm, die Spannung ver-10- oder ver-100-fachen könnte. Dadurch 
floss aber nicht genug Strom, um die Schaltung zu betreiben.

Daraufhin dachte ich mir, dass ich mittels Stromspannungswandler den 
Strom 1 zu 1 in eine Spannung umsetzten und dann mithilfe eines 
invertierenden Verstärkers die Spannung um Faktor 10 bzw. 100 verstärken 
kann.

So ist der aktuelle Stand und nun wäre ich euch mega dankbar, wenn ihr 
eine Lösung für dieses Problem habt.

Lieben Gruß,
Michael W.

von Achim S. (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Demnach dachte ich mir, dass ich mit einem höheren Widerstand, 10 Ohm
> oder 100 Ohm, die Spannung ver-10- oder ver-100-fachen könnte. Dadurch
> floss aber nicht genug Strom, um die Schaltung zu betreiben.

10mV bzw. 100mV Spannungsabfall am Shunt führen schon dazu, dass die 
Schaltung nicht läuft? Das ist komisch. Oder fließt in der Realität doch 
mehr Strom als das eine mA, von dem du bisher sprichst?

du kannst schon mit einem Strom-Spannungswandler arbeiten, aber:
- baue 100Ohm (statt 1Ohm) in die Rückkopplung und
- achte auf den richtigen Massebezug

von Michael W. (Gast)


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Achim S. schrieb:
> 10mV bzw. 100mV Spannungsabfall am Shunt führen schon dazu, dass die
> Schaltung nicht läuft? Das ist komisch. Oder fließt in der Realität doch
> mehr Strom als das eine mA, von dem du bisher sprichst?

Es fließen 30 uA bis 30mA.

von Gästchen (Gast)


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von THOR (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Es fließen 30 uA bis 30mA.

Und was war genau der Grund, das nen Tag lang zu verheimlichen?

Der OPV muss den Strom liefern können, der OPV muss mit genug 
Versorgungsspannung betrieben werden um diesen Strom durch den 
Rückkopplungswiderstand zu drücken und bei einem Dynamikfaktor von 1000 
muss man relativ genau drauf achten, dass einem Offsetspannungen die 
30uA nicht stark verfälschen.

Bei 10 Ohm sind das immerhin nur 300uV und die sind in diversen mV 
Offsetspannung schnell verschwunden.

von Harald W. (wilhelms)


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THOR schrieb:
>
>> Es fließen 30 uA bis 30mA.
>
> Und was war genau der Grund, das nen Tag lang zu verheimlichen?

Vielleicht Deine Leseschwäche? Der Strom stand schon im Startposting.

An Michael:
Einen Strombereich von 1000 mit einem Shunt auszuwerten wird schwierig.
Besser wären zwei umschaltbare Shunts im Verhältnis 1  zu  30. Der OPV,
der die Spannung am Shunt messen soll, muss eine besonders niedrige
Offsetspannung haben. Standardmodelle sind da nicht geeignet.

von THOR (Gast)


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Harald W. schrieb:
> THOR schrieb:
>>
>>> Es fließen 30 uA bis 30mA.
>>
>> Und was war genau der Grund, das nen Tag lang zu verheimlichen?
>
> Vielleicht Deine Leseschwäche?

Hast du morgen Sprechstunde dass du mir die Diagnose auf Papier geben 
kannst?

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