Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Stromquelle +/-(10mA+e) -- welcher OpAmp?


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von Achim H. (anymouse)


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Gegeben ist ein bipolares Drehspulmesswerk mit +/- 10mA Vollausschlag 
und Innenwiderstand von 3Ω. Dieses soll ein entsprechendes Signal von 
+/- 10mV darstellen. Zum Schutz des Messwerks möchte ich noch einen 
47Ω-Widerstand seriell schalten (ergibt bei 10mA einen Spannungsabfall 
von 0,5V), und parallel dazu zwei anti-parallele Dioden; daraus ergibt 
sich ein nomineller Gesamt-Widerstand von etwa 50Ω bei etwa +/- 0,5V.

(Hierbei handelt es sich um die Anzeige eines Nullvoltmeters, daher 
sowohl Plus als auch Minus-Anzeige; die 10mV stammen von einem LTC1050 
nach der Verstärkung; das ganze als einmaliges Hobby-Exemplar).

Zur Verfügung steht eine einzelne Spannung, vermutlich irgendwo zwischen 
6 und 12V, sowie eine schlechte Masse in der Mitte. (Schlecht, weil sie 
durch einen Rail-Splitter TLE2426 erzeugt wird, der ebenfalls maximal 
10mA ableiten kann, aber noch einige andere Stromquellen/-senken 
bedienen muss.)

Mein erster Ansatz sind zwei OpAmps, von denen der eine die Spannung in 
den gewünschten Strom umsetzt, und der zweite die virtuelle Masse für 
das Messwerk erzeugt.

--

Jetzt ist die Frage: Welcher nicht-zu-teure OpAmp kann sicher die +/- 
10mA bereitstellen (irgendwo in der Mitte der Rails), jedoch auch nicht 
extrem viel mehr (vielleicht 50mA?) und hat keinen zu großen Offset?

Der LM358 ist mir mit spezifiziertem 10mA Sink Output Current etwas 
knapp dimensioniert, und sein Offset von einigen mV ist mir bei 10mV ein 
wenig hoch (ja, kann man wegkompensieren).

Gibt es da etwas besseres, oder bin ich da zu ängstlich?

Falls gar nichts geht, würde ich noch zusätzlich vier Transistoren 
verwenden, und die beiden OpAmps eine H-Brücke steuern lassen.

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


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Achim H. schrieb:
> Gegeben ist ein bipolares Drehspulmesswerk mit +/- 10mA Vollausschlag
> und Innenwiderstand von 3Ω. Dieses soll ein entsprechendes Signal von
> +/- 10mV darstellen.

> Mein erster Ansatz sind zwei OpAmps, von denen der eine die Spannung in
> den gewünschten Strom umsetzt, und der zweite die virtuelle Masse für
> das Messwerk erzeugt.

Ich weiß nicht, welche Schaltung dir konkret vorschwebt, aber die 
kanonische Schaltung sieht so aus:
1
  GND--[R1]--*--(M)---.
2
             |        |
3
             `--|-\   |
4
                |  }--´
5
  U_x-----------|+/

R1 bestimmt dabei die Empfindlichkeit. Für 10mA Vollausschlag bei 10mV 
ergibt sich R1 = 10mV/10mA = 1R.

GND kannst du gerne als virtualle Masse bereitstellen, wenn du keine 
symmetrische Versorgung hast. Als Schutz des Meßwerks können zwei 
antiparallel Dioden dienen, wenn du dem Meßwerk einen Reihenwiderstand 
spendierst, der den Spannungsabfall für Vollausschlag etwas erhöht. Z.B. 
mit 27R kommst du auf 30R für Meßwerk + Vorwiderstand, was 300mV bei 
Vollausschlag ergibt. Die Dioden limitieren das dann auf ca. doppelte 
Spannung (mithin doppelten Strom durch das Meßwerk).

Der OPV muß für 10mV Endausschlag vor allem wenig Offset und Offset- 
Drift haben. Das schließt deinen LM358 schon mal aus. Meine Wahl wäre 
ein OP27 oder OP07. Wenn der Vorwiderstand des Meßwerks groß genug ist, 
daß der OPV eine Verstärkung > 5 macht, geht auch ein OP37.

An den OPV für die virtuelle Masse werden gar keine Anforderungen 
gestellt. Dafür tut es jeder Wald-und Wiesen OPV, so lange er +/-10mA am 
Ausgang liefern kann. Alternativ könntest du auch eine negative Spannung 
mit z.B. einem ICL7662 erzeugen.

von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Achim H. schrieb:
> Der LM358 ist mir mit spezifiziertem 10mA Sink Output Current etwas
> knapp dimensioniert, und sein Offset von einigen mV ist mir bei 10mV ein
> wenig hoch (ja, kann man wegkompensieren).

Ich würde versuchen die Schleife mit den 10mV aus dem LTC1050 erst durch 
die Ansteuerung des Drehspulmesswerks zu schließen. Dann bist Du Offsets 
usw des Drehspultreibers los.
Ein LM358 mit zwei Transistoren je Ausgang scheint mir nicht sehr 
aufwändig und es würde dein GND auch nicht belasten.

Axel S. schrieb:
> An den OPV für die virtuelle Masse werden gar keine Anforderungen
> gestellt. Dafür tut es jeder Wald-und Wiesen OPV, so lange er +/-10mA am
> Ausgang liefern kann.

Das gilt aber nur, wenn es nur eine gemeinsame Masse gibt und man nicht 
eine extra Drehspulmasse einfügt.
Bei einer gemeinsamen Masse muss man dann schauen, dass die 10mA die 
dort reinfließen keinen Ärger machen.

: Bearbeitet durch User
von Axel S. (a-za-z0-9)


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Philipp C. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> An den OPV für die virtuelle Masse werden gar keine Anforderungen
>> gestellt. Dafür tut es jeder Wald-und Wiesen OPV, so lange er +/-10mA am
>> Ausgang liefern kann.
>
> Das gilt aber nur, wenn es nur eine gemeinsame Masse gibt und man nicht
> eine extra Drehspulmasse einfügt.

Warum sollte man so etwas tun? Ich hätte gedacht, es wäre 
offensichtlich, daß alles was "GND" heißt, miteinander verbunden wird 
und irgendwie halbwegs mittig zwischen den Rails gehalten wird. Und wie 
ich gerade lese, hat der TE dafür ja schon seinen TLE2426.

> Bei einer gemeinsamen Masse muss man dann schauen, dass die 10mA die
> dort reinfließen keinen Ärger machen.

Offensichtlich. Ja. Die 10mA für das Meßwerk kann der TLE liefern. Wenn 
da noch mehr Strom in GND fließen können soll, muß man das wohl mal mit 
dem spitzen Stift nachrechnen. Kann ja gut sein, daß sich ein paar 
Ströme sogar gegenseitig aufheben. Oder daß man es so auslegen kann, daß 
sie es tun.

von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Axel S. schrieb:
> Warum sollte man so etwas tun? Ich hätte gedacht, es wäre
> offensichtlich, daß alles was "GND" heißt, miteinander verbunden wird

Für mich muss es nur das gleiche Potential haben und es kann teilweise 
durchaus sinnvoll sein es dann nicht einfach hart zu verbinden sondern 
zB mit einem OP dafür zu sorgen, dass es zwar das gleiche Potential hat 
aber die Ströme die so fließen nicht irgendwo langfließen.


Axel S. schrieb:
> Offensichtlich. Ja. Die 10mA für das Meßwerk kann der TLE liefern. Wenn
> da noch mehr Strom in GND fließen können soll, muß man das wohl mal mit
> dem spitzen Stift nachrechnen. Kann ja gut sein, daß sich ein paar
> Ströme sogar gegenseitig aufheben. Oder daß man es so auslegen kann, daß
> sie es tun.

Ich wollte auch nur darauf hinweisen, dass man sich dessen bewusst sein 
muss. Nullmeter und LTC1050 klingt für mich so, als würde es hier auf 
kleinste Spannungen ankommen. Ich habe mir auch schon mal sehr viel 
Ärger eingehandelt in einer Schaltung die ppm messen sollte in dem ich 
dort einen einen Teil hatte der je nach Polarität bis zu 1mA in den GND 
geschickt hat.
Hier reichen ja 1mR Impedanzkopplung aus um bei 10mA bereits 10µV 
Verschiebung im GND zu bekommen.

von Achim H. (anymouse)


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OP07 klingt sehr gut, OP27 und OP37 wegen Preis nicht ganz so schön -- 
muss ich mal schauen.

Die künstliche Mess-Masse möchte ich mir nicht mit den 'hohen' Strömen 
versauen ...

Philipp C. schrieb:
> Hier reichen ja 1mR Impedanzkopplung aus um bei 10mA bereits 10µV
> Verschiebung im GND zu bekommen.

So etwas möchte ich nicht riskieren, auch wenn man dies mit geschickter 
Masseführung sicherlich vermeiden bzw die genannten 10µV an Stellen 
verschieben kann, wo sie irrelevant sind.

Axel S. schrieb:
> An den OPV für die virtuelle Masse werden gar keine Anforderungen
> gestellt. Dafür tut es jeder Wald-und Wiesen OPV, so lange er +/-10mA am
> Ausgang liefern kann.

Nicht ganz: Bei der 'kanonischen Schaltung' oben würde z.B. ein 
1mV-Offset des GND-Punkts schon deutliche Effekte haben.

Allerdings ist mir hier der 1Ω-Steuerwiderstand etwas zu klein, um 
parasitäre (Leitungs-)Widerstände vernachlässigen zu dürfen. Vor allem, 
wenn ich möglicherweise noch eine kleine Nachverstärkung x2 .. x10 haben 
möchte; das ginge mit Rsense=0,1 Ohm noch, wird aber haarig.

Philipp C. schrieb:
> Ich würde versuchen die Schleife mit den 10mV aus dem LTC1050 erst durch
> die Ansteuerung des Drehspulmesswerks zu schließen. Dann bist Du Offsets
> usw des Drehspultreibers los.

Klingt interessant, macht die Sache aber auch etwas komplizierter -- vor 
allem, wenn man unerwünschte Rückkopplungen, Offsets und Masseschleifen 
vermeiden möchte.

von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Kannst Du nicht auch einfach den Vorwiderstand des Drehspulmesswerks 
erhöhen? Wenn die Spannung über dem Messwerk 40mal größer ist, dann ist 
der LM358 wieder auf OP07 Niveau.

von Achim H. (anymouse)


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Philipp C. schrieb:
> Wenn die Spannung über dem Messwerk 40mal größer ist, dann ist
> der LM358 wieder auf OP07 Niveau.

Nee, nur wenn sich die Eingangsspannung um den Faktor 40 vergrößert. Der 
Offset bezieht sich auf die Eingänge. Der (unkompensierte) ~1mV-Offset 
des LM358 muss mit dem 10mV Eingangssignal verglichen werden, da er ja 
mitverstärkt wird.

Wenn man statt +/-10mV eine Eingangsspannung +/-1V hätte, wäre der 1mV 
Offset ziemlich uninteressant.

von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Achim H. schrieb:
> Nee, nur wenn sich die Eingangsspannung um den Faktor 40 vergrößert. Der
> Offset bezieht sich auf die Eingänge. Der (unkompensierte) ~1mV-Offset
> des LM358 muss mit dem 10mV Eingangssignal verglichen werden, da er ja
> mitverstärkt wird.
>
> Wenn man statt +/-10mV eine Eingangsspannung +/-1V hätte, wäre der 1mV
> Offset ziemlich uninteressant.

So war es auch gemeint. Das der LM358 sich nicht selbst aus dem Offset 
"rausverstärken" kann ist leider schon klar.
Darum wäre ich ohnehin immer noch dafür den Anzeigentreiber in die 
Schleife des LTC einzubinden. Dann kann der LM358 auch entsprechende 
verstärken. Den R1 von Axel könnte man dazu aufteilen und so könnte man 
am Ausgang des LTC sogar die 10mV belassen, falls der schon am Ende ist. 
Durch die hohe Spannung am Messwerk ist es dann auch wieder leicht einen 
belastbaren GND für die andere Seite des Messwerks zu schaffen.

Magst Du die Schaltung ggf. mal zeigen? Dann kann man etwas besser 
diskutieren.

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