Frage zu Operationsverstärkerschaltung

[Steffen (Gast)]

Hallo zusammen,

ich bin gerade dabei eine Schaltung zu entwickeln, mit welcher ich den 
Strom (über den Spannungsabfall an einem Shunt R5) am Minuspol eines 
Brückengleichrichters messen kann.

Die Schaltung soll den Spannungsabfall über dem Shunt R5 um den Faktor 
10 verstärken. Als Verstärker setze ich einen Operationsverstärker als 
ganz normalen nicht invertierenden Verstärker ein.

Das besondere an der Schaltung ist, dass die zur Verfügung stehende 15 V 
Versorgungsspannung auf die Hauptmasse am linken Anschluss des 
Widerstands R4 bezogen ist, der Operationsverstärker aber ein Signal 
ausgibt, das auf den Minuspol des Gleichrichters OP_GND bezogen ist.

Der gleichgerichtete Strom über den Shunt R5 fließt immer von unten nach 
oben. Deswegen liegt die Arbeitsmasse des OP OP_GND spannungsmäßig ein 
klein wenig unter der Hauptmasse der 15 V Versorgungsspannung.

Kurz gesagt: Der Operationsverstärker verstärkt ein Signal gegenüber 
seiner Bezugsmasse OP_GND, die spannungsmäßig negativ gegen seiner 
Versorgunsspannung (+=15 V, -=Hauptmasse) liegt.

Darf man so etwas machen?

In der Simulation funktioniert die Schaltung (siehe Signalverläufe). 
Würde die Schaltung aus eurer Sicht so auch in der Realität 
funktionieren?

Ich habe die Simulation im Anhang beigefügt.

Viele Grüße

Steffen

[der schreckliche Sven (Gast)]

Steffen schrieb:
> Würde die Schaltung aus eurer Sicht so auch in der Realität
> funktionieren?

Nein, weil "OP GND" in der Luft hängt.
In der Realität ist da eine weitere Schaltung angehängt, die dann "OP 
GND" zumindest wechselspannungsmäßig mit GND verbindet, und damit den 
Shunt kurzschließt.

[Steffen (Gast)]

der schreckliche Sven schrieb:
> Steffen schrieb:
>> Würde die Schaltung aus eurer Sicht so auch in der Realität
>> funktionieren?
>
> Nein, weil "OP GND" in der Luft hängt.
> In der Realität ist da eine weitere Schaltung angehängt, die dann "OP
> GND" zumindest wechselspannungsmäßig mit GND verbindet, und damit den
> Shunt kurzschließt.

der schreckliche Sven schrieb:
> In der Realität ist da eine weitere Schaltung angehängt, die dann "OP
> GND" zumindest wechselspannungsmäßig mit GND verbindet, und damit den
> Shunt kurzschließt.

An das OP_GND soll zwar noch eine weitere Schaltung angehängt sein. 
Diese besitzt aber keinerlei galvanische Verbindung zur Hauptmasse.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Wo du die Schaltungsmasse hindefinierst, ob auf Spice-GND oder auf
OP_GND, ist dir überlassen und ändert nichts an der Funktion der
Schaltung.

Definierst du OP_GND als die Masse, ist die Spannungsversorgung des
Opamp schwimmend, was völlig legitim ist, aber die Analyse der Schaltung
etwas erschwert, weil man normalerweise feste Versorgungsspannungs-
potentiale gewohnt ist.

Ich habe deswegen Spice-GND als die Masse definiert, die Teile der
Schaltung etwas anders angeordnet und OP_OUT in OUT+ und OP_GND in OUT-
umbenannt. Das alles hat keinerlei Einfluss auf die Funktion der
Schaltung, erlaubt aber eine etwas andere Betrachtungsweise derselben:

Im rechten Teil sehen wir nun einen invertierenden Verstärker mit A=-9.
Das Eingangssignal ist der negative Spannungsabfall an R5, also -I·R5.
Verstärkt um den Faktor A=-9 ergibt sich an OUT+ die Spannung +9·I·R5.
Die Spannung an OUT- ist gleich der Eingangsspannung, also -I·R5. Die
Spannung an OUT+, bezogen auf OUT- ist deswegen

  OUT+ - OUT- = +9·I·R5 - (-I·R5) = +10·I·R5

also genau das, was du erwartest.

Man sieht jetzt auch leichter, dass der Opamp vollständig innerhalb
seiner Spezifikationen betrieben wird, so dass es keinen Grund zur Sorge
gibt, dass die Schaltung in der Realität nicht funktionieren könnte. Die
nachfolgende Schaltung sollte OUT- bzw. OP_GND als Bezugspotential
haben, damit sie das Signal ohne unerwünschten Offset empfängt.

Eine kleine Anmerkung noch: Es scheint, dass der LT1679 mit seinem
Ausgang trotz des sehr geringen Ausgangsstroms nur bis etwa 55 mV an die
negative Rail herankommt. Da gibt es sicher geeignetere Opamp-Typen.

[Steffen (Gast)]

Erst einmal vielen Dank für deine Unterstützung Yalu X.

Yalu X. schrieb:
> Im rechten Teil sehen wir nun einen invertierenden Verstärker mit A=-9.
> Das Eingangssignal ist der negative Spannungsabfall an R5, also -I·R5.
> Verstärkt um den Faktor A=-9 ergibt sich an OUT+ die Spannung +9·I·R5.
> Die Spannung an OUT- ist gleich der Eingangsspannung, also -I·R5.

Aus meiner Sicht besteht die von dir gebaute Schaltung nach wie vor aus 
einem nicht invertierenden Verstärker mit Verstärkung A=10 mit einem 
Eingangssignal von I*R5 (bezogen auf die OP-Masse OUT-).

Die Schaltung entspricht 1:1 der Schaltung von mir. Außer dem Umzeichnen 
und der schöneren Anordnung der Bauteile kann ich keinen Unterschied 
erkennen.

Aber schön, wenn auch du der Meinung bist, dass die Schaltung auch in 
der Realität funktionieren sollte.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Steffen schrieb:
> Die Schaltung entspricht 1:1 der Schaltung von mir. Außer dem Umzeichnen
> und der schöneren Anordnung der Bauteile kann ich keinen Unterschied
> erkennen.

So sollte das ja auch sein.

> Aus meiner Sicht besteht die von dir gebaute Schaltung nach wie vor aus
> einem nicht invertierenden Verstärker mit Verstärkung A=10 mit einem
> Eingangssignal von I*R5 (bezogen auf die OP-Masse OUT-).

Völlig richtig. Und wenn man als Bezugspotential Spice-GND (symbolisiert
durch die Dreiecke) nimmt, ist es eben ein invertierender Verstärker.

Ich dachte, dass dir diese geänderte Darstellung derselben Schaltung
vielleicht hilft zu erkennen, dass es sich hier nur eine klassischen
Opamp-Verstärkerschaltung aus dem Lehrbuch mit fest definierten
Versorgungsspannungspotentialen handelt.

Deine Betrachtungsweise (nichtinvertierender Verstärker mit Bezugs-
potential OP_OUT) ist natürlich genauso richtig. Da aber in diesem Fall
die Versorgungsspannungspotentiale des Opamp nicht fix sind, sondern der
Eingangsspannung folgen (was nicht in jedem Lehrbuch behandelt wird),
könnte eine Unsicherheit darüber entstehen, ob das nicht mit Nachteilen
verbunden ist. Ich nahm an, dass genau diese Unsicherheit dich dazu
bewegten, hier im Forum nachzufragen.

[Steffen (Gast)]

Yalu X. schrieb:
> Völlig richtig. Und wenn man als Bezugspotential Spice-GND (symbolisiert
> durch die Dreiecke) nimmt, ist es eben ein invertierender Verstärker.

Ah ok, jetzt habe ich verstanden wie du das gemeint hast.


Die Eingangsspannung des invertierenden Verstärkers liegt aber auch bei 
dieser Betrachtungsweise negativ gegenüber der Spice-Masse und damit 
auch wieder außerhalb der Versorgungsspannung des OP.

Aber wie man an den Signalen am OP sieht, bekommt der OP von all dem 
nichts mit und sollte demnach auch funktionieren.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Steffen schrieb:
> Die Eingangsspannung des invertierenden Verstärkers liegt aber auch bei
> dieser Betrachtungsweise negativ gegenüber der Spice-Masse und damit
> auch wieder außerhalb der Versorgungsspannung des OP.

Gut erkannt.

Deswegen sollte man einen Opamp nehmen, der kein Phase-Reversal
aufweist. Sonst können schnelle Sprünge der Eingangsspannung ins
Negative zu ungewünschten Effekten führen.

[Steffen (Gast)]

Yalu X. schrieb:
> Deswegen sollte man einen Opamp nehmen, der kein Phase-Reversal
> aufweist. Sonst können schnelle Sprünge der Eingangsspannung ins
> Negative zu ungewünschten Effekten führen.

Vielen Dank schon einmal für den Hinweis. Ich werde das Ganze im 
Hinterkopf behalten.


Ich habe mir noch einmal genau Gedanken darüber gemacht, was ich 
eigentlich am Ende erreichen will.

Ziel ist es zunächst den Strom durch R5 zu verstärken und anschließend 
den Ripple des Stroms herauszufiltern. Das heißt, das Ausgangssignal 
soll am Ende nur noch der verstärkte Ripple des Stroms durch R5 sein. 
Deswegen ist das Ausgangssignal am Ende sowohl positiv als auch negativ.

Aus diesem Grund habe ich mich jetzt doch noch einmal für eine andere 
Verstärkertopologie entschieden. Ich möchte das Ganze mit einem 
Differenzverstärker mit Verstärkung 10 realisieren. Zusätzlich soll der 
Bezugsmassepunkt des Operationsverstärker so gewählt werden, dass der 
Operationsverstärker mit +7.5V und -7.5V versorgt wird. Zu diesem Zweck 
habe ich einen kapazitiven Spannungsteiler mit Symmetrierwiderständen 
gebaut.Dadurch kann erreicht werden, dass das gefilterte Ausgangssignal 
am Ende sowohl positiv als auch negativ gegen die Bezugsmasse des OP 
sein kann.

Die Schaltung funktioniert an und für sich. Den Schaltplan, die 
Kurvenverläufe und die Simulation findet ihr im Anhang.

Denkt ihr, dass diese Schaltung so auch in der Realität funktionieren 
wird?

Viele Grüße

Steffen

[Sebastian S. (amateur)]

Irgend so ein Kleverle hat mal behauptet: Nimm für den Shunt einen 
möglichst kleinen Widerstand. Damit Du das Ergebnis nicht beeinflusst.

Ich glaube immer noch, dass der rechts hatte.

0,01 Ohm in Reihe zu 40 Ohm (1:4000) hatte der bestimmt nicht im Sinn.

Also mal ganz Dumm gefragt:
Warum kein ganz normaler Spannungsteiler, der den enormen 
"Spannungsabfall" an 40 Ohm auf OP-verträgliche Werte umsetzt?
An den Potentialen ändert sich dadurch nichts.