Sensor Ausgang von 1-4V auf 0-5V DC/DC ohne OPV

[Micha S. (e-tec)]

Hallo liebe Leute!

Ich habe einen Sensor (Hall Geber), welcher mir ein Signal zwischen 1V 
(Ruhestellung) und maximal 4V (Endposition) liefert.
Als Eingang für meinen Regler erwarte ich aber einen 0...5V Pegel, d.h. 
ich kann nicht meinen vollen Bereich nutzen.

Meine Frage: wie kann ich - möglichst simpel - aus den 1...4V nun 0...5V 
DC machen? Ein paar Ideen hab ich schon, allerdings alles zu aufwändig. 
Apropos, Strom fließt fast keiner, da der Pegel nur als Signal verwendet 
wird. (Den Eingang kann ich leider nicht anpassen).

Vielen lieben Dank für eure Antworten!

LG Micha

[Micha S. (e-tec)]

P.S. Ohne einen OPV wenn möglich :)

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Micha S. schrieb:
> P.S. Ohne einen OPV wenn möglich :)

Damit hast du die einfachste Lösung (bezogen auf die Anzahl der
benötigten Bauteile) schon ausgeschlossen, warum auch immer.

Micha S. schrieb:
> Ein paar Ideen hab ich schon, allerdings alles zu aufwändig.

Aha, und wie aufwendig darf die Schaltung den maximal werden?

Und wie genau soll sie arbeiten bzw. wie groß darf die Nichtlinearität
sein?

[Micha S. (e-tec)]

Ich suche nach einer Alternative, eine freundliche,  mögliche Antwort 
wäre zum Beispiel gewesen: "OPV benötigt meines Wissens nach die 
geringste Anzahl Bauteile". Dann wäre das Thema erledigt.
Aha...
Hab nicht mehr viel Platz auf der Platine, daher meine Frage.

[Christian K. (Gast)]

Diskreter Diffamp mit Stromspiegel. Baut mindestens 6 mal so groß wie 
ein einfacher SOT23 Opamp.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Diese Anforderung ist weder nachvollziehbar noch zielführend:

> Ohne einen OPV wenn möglich :)

Diese schon:

> Hab nicht mehr viel Platz auf der Platine, daher meine Frage.

Warum schreibst du das also nicht gleich?

Dann kann man nach einer Lösung suchen, die mit wenigen und/oder kleinen
Bauteilen auskommt. Ein kleiner Opamp mit wenigen kleinen Widerständen
drumherum erfüllt diese Anforderung vernmutlich am besten.

Wie Christian geschrieben hat, gibt es Opamps im SOT23-Gehäuse. Es gibt
auch noch kleinere, die aber evtl. nicht so leicht zu löten sind.

[Harald W. (wilhelms)]

Micha S. schrieb:

> P.S. Ohne einen OPV wenn möglich :)

Nun, du kannst natürlich die Innenschaltung eines OPVs mit diskreten
Bauelementen nachbauen. Ein solcher Verstärker wird aber immer
schlechter sein als ein integrierter OPV.

[Achim M. (minifloat)]

Micha S. schrieb:
> 1V (Ruhestellung) und maximal 4V (Endposition) liefert. Als Eingang für
> meinen Regler erwarte ich aber einen 0...5V Pegel

Aha, unten und oben jeweils 1V zuwenig.

Wenn es ein Regler ist, hat der auch Kp, Ki, Kd aka. 
Regler-Konstanten. Die einfach auf das 1,66fache der nötigen Werte für 
0...5V stellen.

scnr mfg mf

[Micha S. (e-tec)]

Okay klar.
Wenn ich mir obige Schaltung ansehe (Differenz Verstärker) brauch ich 
zusätzlich am negativen Eingang noch einen Spannungsteiler auf 1V um die 
Leerlauf Spannung des Hall Gebers auf 0V runter zu ziehen, also zb 4k + 
1k und den gegen meine 5V Versorgungsspannung geschaltet.
Wie beeinflusst das meinen R1 bzw. R2? Über die beiden bilde ich ja 
meine Verstärkung ab. R3 und R4 verringern meine Verstärkung ja nur zb 
1k + 1k -> Gain* 0.5).

[Micha S. (e-tec)]

Joachim K. schrieb:
> Wenn es ein Regler ist, hat der auch Kp, Ki, Kd aka. Regler-Konstanten.
> Die einfach auf das 1,66fache der nötigen Werte für 0...5V stellen.

Wie oben geschrieben, den Eingang kann/sollte ich nicht ändern.... Sonst 
hat das Gerät sicher keine Garantie mehr..... klär wär es am einfachsten 
2-3 Widerstände zu tauschen

[Achim M. (minifloat)]

Addendum zu meinem Vorschlag...
Das Soll- bzw. Referenz-Signal muss dann vor der Summation zum 
Error-Signal auch auf 1-4V 'eingebremst' werden. Das könnte mit einem 
Widerstandsnetzwerk relativ einfach gehen, sofern die Referenz-Quelle 
ausreichend Niederohmig ist.

mfg mf

[Micha S. (e-tec)]

Oder setze ich meinen Spannungsteiler einfach für Ue1 als Vorschaltung 
ein? Was wäre dann die Last, oder bleibt es dann ein unbelasteter 
Spannungsteiler?

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Micha S. schrieb:
> Wenn ich mir obige Schaltung ansehe (Differenz Verstärker) brauch ich
> zusätzlich am negativen Eingang noch einen Spannungsteiler auf 1V um die
> Leerlauf Spannung des Hall Gebers auf 0V runter zu ziehen, also zb 4k +
> 1k und den gegen meine 5V Versorgungsspannung geschaltet.

Du wolltest es doch möglichst einfach (s. Anhang) :)

Die 5V sollten dabei aber möglichst sauber sein, da sich Störungen auf
das Ausgangssignal auswirken.

[Micha S. (e-tec)]

> Du wolltest es doch möglichst einfach (s. Anhang) :)

Ja eben ;-)

>
> Die 5V sollten dabei aber möglichst sauber sein, da sich Störungen auf
> das Ausgangssignal auswirken.

Ein kleiner Elko mit 10u parallel zu den 1V sollte ausreichen :)

Kannst du mir ein paar Worte zu deiner Schaltung erklären? Wirklich 
verstanden habe ich sie nicht.... :/ du setzt auf dem Nicht 
Invertierenden Eingang die 1V Referenz? *Hilfe ;)*

[Wolfgang (Gast)]

Micha S. schrieb:
> Als Eingang für meinen Regler erwarte ich aber einen 0...5V Pegel, d.h.
> ich kann nicht meinen vollen Bereich nutzen.

Na und?
Wenn du 40% des Eingangsspannungsbereiches nicht nutzt, geht davon die 
Welt nicht unter. Die Anpassung der Reglerkonstanten muss du sowieso 
machen und ob die nun einen Faktor 1.7 größer sind, ist allermeist 
ziemlich wurscht.

Warum musst du unbedingt den vollen Bereich nutzen?

[Micha S. (e-tec)]

Ok am Input sind die 1...4V, klar. Wo ziehst du die 1V Offset wieder ab 
damit der Ausgang auf 0V liegt? Und wo stellst du die Verstärkung von 
5/3 ein???

[Micha S. (e-tec)]

Wolfgang schrieb:
> Micha S. schrieb:
>> Als Eingang für meinen Regler erwarte ich aber einen 0...5V Pegel, d.h.
>> ich kann nicht meinen vollen Bereich nutzen.
>
> Na und?
> Wenn du 40% des Eingangsspannungsbereiches nicht nutzt, geht davon die
> Welt nicht unter. Die Anpassung der Reglerkonstanten muss du sowieso
> machen und ob die nun einen Faktor 1.7 größer sind, ist allermeist
> ziemlich wurscht.
>
> Warum musst du unbedingt den vollen Bereich nutzen?

--> Fahrtregler. 1V würden bereits 20% TV der PWM bedeuten, 4V wären 
dann maximal 80%. Wäre schön wenn der Regler sich auch abstellen 
ließe....

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Micha S. schrieb:
> Kannst du mir ein paar Worte zu deiner Schaltung erklären?

V2 ist das Eingangsignal (1V..4V), V1 die Versorgungs- und Referenz-
spannung von 5V. Ist die Versorgungsspannung deiner Schaltung höher als
5V, muss man die Widerstände anders dimensionieren.

Das Ganze ist die klassische nichtinvertierende Verstärkerschaltung, bei
der der Widerstand, der normalerweise gegen GND geschaltet ist, durch
den Spannungsteiler aus R1 und R2 ersetzt wurde. Dieser stellt eine
Spannungsquelle mit 5V·R2/(R1+R2)=2,5V Leerlaufspannung und R1||R2=15kΩ
Innenwiderstand dar. Die Schaltung hat also 2,5V als Bezugspegel und
eine Verstärkung von 1+R3/(R1||R2)=5/3. Damit ist

  Ua-2,5V = 5/3 · (Ue-2,5V)

[Wolfgang (Gast)]

Micha S. schrieb:
> Kannst du mir ein paar Worte zu deiner Schaltung erklären? Wirklich
> verstanden habe ich sie nicht.... :/ du setzt auf dem Nicht
> Invertierenden Eingang die 1V Referenz? *Hilfe ;)*

Die dritte Formel  ("Beide Eingänge benutzt...") beschreibt das Ding 
doch ganz allgemein. Ein gegengekoppelter OP sorgt sehr vereinfach 
dafür, dass die Spannung an invertierendem und nicht invertierendem 
Eingang gleich wird. Der Rest ergibt sich aus den Teilerverhältnissen 
der Widerstände.
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

[Manomannomann (Gast)]

Micha S. schrieb:
> Ich suche nach einer Alternative, eine freundliche,  mögliche
> Antwort
> wäre zum Beispiel gewesen: "OPV benötigt meines Wissens nach die
> geringste Anzahl Bauteile". Dann wäre das Thema erledigt.
> Aha...
> Hab nicht mehr viel Platz auf der Platine, daher meine Frage.

Junge! Sei froh, dass Du überhaupt sinnvolle Antworten bekommst! 
Eigentlich sollte man solche Fragen gar nicht beantworten.

Es gibt sowas wie eine Netiquette. Da steht drinnen, dass man seine 
Frage nach Möglichkeit vollständig stellen soll. Diese Salamitaktik ist 
doch enorm nervig.

Sag was Du hast, sag warum du etwas so willst, wie Du es willst, und 
dann wird Dir auch sinnvoll geholfen!

[Der Andere (Gast)]

Ganz einfach:
Wir sind doch in einem µC Forum und auf deiner Platine auf der du nicht 
mehr viel Platz hast ist bestimmt ein µC drauf.
Also die 1-4V mit dem A/D Wandler einlesen auf 0-5V umrechnen und über 
den/einen D/A Wandler ausgeben.

[Der Andere (Gast)]

Yalu X. schrieb:
> Und wie genau soll sie arbeiten bzw. wie groß darf die Nichtlinearität
> sein?

Vorteil der µC Lösung:

(fast) beliebige Nichtlinearitäten können ausgeglichen oder erzeugt 
werden.

[Micha S. (e-tec)]

Wie hast du die Schaltung dimensioniert?

Muss sie jetzt auf den Pegel von 0.8V und 4.2V anpassen.... Würde das 
gerne selber machen :)

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Micha S. schrieb:
> Wie hast du die Schaltung dimensioniert?
>
> Muss sie jetzt auf den Pegel von 0.8V und 4.2V anpassen.... Würde das
> gerne selber machen :)

Lösungsweg 1:

Du stellst die Knotenpunktgleichung für den invertierenden Eingang des
Opamp auf, einmal für Ue=0,8V und Ua=0 und ein zweites Mal für Ue=4,2V
und Ua=5V. Aus diesen zwei Gleichungen kannst du zwei der Widerstände in
Abhängigkeit vom dritten bestimmen. Jetzt musst du nur noch schauen, für
welche Normreihenwiderstände der Fehler am geringsten ist.

In diesem Fall kommt man bspw. mit

  R1=R2=51kΩ und R3=12kΩ

oder

  R1=R2=68kΩ und R3=16kΩ

zum Ziel.


Lösungsweg 2:

Mit folgender Überlegung kann man die Dimensionierung in diesem
einfachen Fall sogar im Kopf ausrechnen:

Der Bezugspegel, um den herum verstärkt wird, ist der Fixpunkt der
Funktion Ua(Ue), also diejenige Eingangsspannung, für die Eingangs- und
Ausgangsspannung gleich sind. In diesem Fall sieht man auf Grund von
Symmetrien sofort, dass dieser Bezugspegel genau in der Mitte des
Eingangs- und Ausgangsspannungsintervalls, also bei 2,5V liegen muss.
Der Spannungsteiler aus R1 und R2 muss genau diesen Bezugspegel als
Leerlaufspannung liefern, also ist R1=R2.

Die Verstärkung der Schaltung soll A=((5V-0V)/(4.2V-0.8V)=5/3,4=25/17
sein. Sie ist für den nichtinvertierenden Verstärker allgemein 1+Ra/Rb,
hier mit Ra=R3 und Rb=R1||R2=R1/2. Wegen A=25/17 ist Ra/Rb=25/17-1=8/17
und damit R3/R1=8/34. Eine naheliegende Lösung wäre also R3=8kΩ und
R1=R2=34kΩ.

Da es nur auf das Verhältnis der Widerstände zueinander ankommt, darf
man alle drei mit einem gemeinsamen Faktor multiplizieren, um näher an
Normreihenwerte heran zu kommen. Durch scharfes Hinsehen oder etwas
Herumprobieren erkennt man, dass mit einem Faktor von 1,5 oder 2
perfekte E24-Werte herauskommen, nämlich die obigen beiden Lösungen.