Operationsverstärker nichtinvertierende Grundschaltung

Der Fragesteller hat noch vergessen zu erwähnen ob der 
Stromsensor-Widerstand auf Masse, auf +5V oder auf +12V hängt.

@Dome F.
An welcher Spannung hängt der Stromsensorwiderstand?

Hallo,
> Dome F. schrieb:
> Als "Sensor" habe ich einen Shunt gewählt und auslesen will ich das
> ganze mit einem Arduino.
> Dabei entsteht das Problem. Ein Shunt hat in der Regel eine feste
> Ausgangsspannung im mV Bereich.
Das muß nicht sein. Wenn man aber einen möglichst geringen 
Spannungsabfall in der "Stromrichtigen Meßschaltung" über den Shunt 
haben will, dann ist das natürlich so.
https://de.wikipedia.org/wiki/Stromrichtige_Schaltung

Alternativ kann man auch spezielle Schaltungtechnik verwenden, die 
keinen Spannungsabfall am Shunt verursacht (Strom-Spannungswandler)
https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker

> Die Analogeingänge des Arduino können
> aber nur 0-5V. Ich muss meine Spannung am Widerstand also Verstaerken,
> wenn ich sie mit dem Arduino auslesen will.
> Dafuer habe ich den OP07CP von TI gewaehlt und will damit eigentlich nur
> die nichtinvertierende Schaltung realisieren mit einer Verstaerkung von
> ca 330.
Die Auswahl eines OPV für einen bestimmten Zweck ist manchmal nicht so 
einfach. Aber bei so hohen Verstärkungen sollte man sich schon mal 
Gedanken über die wichtigsten Parameter machen.
Der OP07 hat eine typ. Offsetdrift von 0,5uV/K (kann aber auch größer 
sein z.B. über 1uV/K).
Mit einer Verstärkung von 330 und angenommen +/-15K Temperaturabweichung 
bekommst du schon bis über 5mV Offsetdrift. Für Indoor-Laborbetrieb und 
10 Bit Auflösung wäre das noch ok. Aber falls das auch Outdoor oder im 
Automotiv-Bereich eingesetzt werden sollte, wäre ein OPV mit weniger 
Drift besser geeignet.
Da kann man aber auch gleich einen OPV einsetzen, der eine so kleine 
Offsetspannung hat, dass diese keinen Einfluss mehr hat und nicht 
kompensiert werden muß.
z.B. AD8571
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8571_8572_8574.pdf

> Jedenfalls muss ich vom mV Bereich in den V Bereich verstaerken.
> Im Datenblatt ist unter Punkt 12 genau die benoetigte Schaltung
> aufgefuehrt, allerdings erhalte ich lediglich die Versorgungsspannung am
> Ausgang. Den OP interessiert es kein bisschen was ich mit den Eingaengen
> mache.
Und welche Versorgungsspannung hast du angelegt?
Doch nicht etwa 5V Single-Supply?
-> siehe Common Mode Input Voltage
und
-> Output Voltage Range
Gruß Öletronika

Und der OP07 verträgt keine hohe Differenzspannung an den Eingängen. 
Deshalb besser zwei antiparallele Dioden an die Eingänge schalten oder 
es wird teuer.

MfG

Hallo,
> Christian S. schrieb:
> Und der OP07 verträgt keine hohe Differenzspannung an den Eingängen.
Na immerhin geht der Bereich wie bei vielen OPV bis an die 
Betriebsspannungsgrenzen.

> Deshalb besser zwei antiparallele Dioden an die Eingänge schalten oder
> es wird teuer.
Die Problematik "Schutzbeschaltung" sollte man evtl. separat besprechen. 
Grundsätzlich ist das immer ein Thema, worüber man nachdenken sollte.

Aber gerade bei einer Shuntmessung mit Nennspannungen im Bereich von 
paar 10mV wird das Problem womöglich ausnahmsweise ziemlich 
nebensächlich sein. Eine 100-fache Spannung (z.B. von 20mV ->2V) 
verursacht eine 10.000-fache Verlustleistung am Shunt.
Ehe da der OPV beschädigt wird, ist der Meßshunt wahrscheinl. schon 
längst abgebrannt.
Gruß Öletronika

Zunächst einmal bedanke ich mich für alle eure Antworten!

Ich versuche hiermit mal grob jedem zu Antworten, Bilder von der 
Schaltung werde ich bald nachreichen.


Der Andere schrieb:
> Du hast in dem Datenblatt die Bemerkung unter Punkt 10.2.2.1 und
> 10.2.2.2 gelesen und verstanden.
> Mit dem Op brauchst du also eine Versorgung von < -2V und > 7V um von
> 0-5V zu messen.

Habe ich, leider jedoch keine Ergebnisse.

Der Andere schrieb:
> Das ist der nächste Punkt. In deiner Fehlerabschätzung solltest du dann
> auch mal über Dinge wie Offsetfehler und Thermospannungen nachdenken.

ZF schrieb:
> Muss die Messung zwingend mit Shunt erfolgen?

Das ganze dient einem ersten Prototypen. Das die Verstärkung in 
Kombination mit dem auslesen per Arduino nicht die genaueste Variante 
ist habe ich auch schon herausgefunden.
TI hat MC die mit solch kleinen Spannungen arbeiten können und darüber 
hinaus auch mit besseren A/D Wandlern (>10 Bit). Allerdings kenne ich 
mich mit diesen zu wenig aus, als dass ich sie für meine aktuelle Arbeit 
verwenden kann.
Die Messung mit Shunt ist auch nicht der einzige Aufbau den ich 
durchführe.
Ich habe eine weitere Messung mit der ASC-Reihe von Allegro Microsystems 
(Hall-Sensoren) dort hat alles wunderbar geklappt. Es ist jedoch 
ausdrücklich gewünscht eine weitere Messung mit einem Shunt 
durchzuführen.

Ach Du grüne Neune schrieb:
> Nenne uns doch bitte mal deinen max. Strom!

Der Maximal zu messende Strom liegt bei etwa 300A DC.

Helmut S. schrieb:
> An welcher Spannung hängt der Stromsensorwiderstand?

Aktuell an keiner, da ich momentan noch im Labor teste nutze ich 
lediglich die Stromquellen um einen genügend hohen Strom zu treiben.


Gruß
DomeF

cvbnm schrieb:
> Dome F. schrieb:
>> Helmut S. schrieb:
>>> An welcher Spannung hängt der Stromsensorwiderstand?
>>
>> Aktuell an keiner, da ich momentan noch im Labor teste nutze ich
>> lediglich die Stromquellen um einen genügend hohen Strom zu treiben.
>
> Die Frage von Helmut bezieht sich darauf, wie die Messung erfolgen
> soll/muß:
>
> Shunt LowSide (auf GND referenziert), oder HighSide (auf +
> referenziert).
>
> Und falls HighSide, wie hoch diese Spannung ist oder sein kann - je
> höher, desto pot. problematischer, weil man mit irgend einer Schaltung
> wieder GND Bezug herstellen wollen wird ... für Deine Messung am ADC.
>
> Das meinte Helmut mit "... hängt ...".

Danke cvbnm für deine genaue Erklärung.
Man braucht über die Messchaltung keinen Gedanken verschwenden solange 
man nicht weiß auf welchem Potential der Stromsensewiderstand liegt und 
welche Bandbreite gefordert wird.

Der Shunt wird auf GND referenziert. Low Side

Dome F. schrieb:
> Der Shunt wird auf GND referenziert. Low Side

Das macht die Sache ja schon mal viel einfacher. Bei 300A wird da auf 
jeden Fall ein Sensewiderstand mit 4 Anschlüssen benötigt. Für die 
Auswertung wird dann ein Differenzverstärker benötigt.

Ergänzend hier noch meine Schaltung.

Am rechten Widerstand wird die Eingangsspannung angeschlossen (Rin im 
Datenblatt).
Das obere grüne Kabel rechts ist mein GND Niveau(bzw. VPS-). Das 
orangene Kabel auf der linken Seite ist der Abgriff für die 
ausgangsseitige Spannungsmessung.
Das mittige  rote Kabel ist die Rückkopplung auf den invertierenden 
Eingang (zwischen den beiden Widerständen links).
Das gründe Kabel links verwende ich für die Spannungsversorgung (5V).

Ist gut möglich das ich hier einen Denkfehler drin habe. Korrigiert mich 
bitte wenn ich falsch liege.

Gruß

DomeF

Dome F. schrieb:
> Der Maximal zu messende Strom liegt bei etwa 300A DC.

Heftig. Hast Du schon einen Shunt dafür?

Dome F. schrieb:

> Ist gut möglich das ich hier einen Denkfehler drin habe.

Ja, Du verwendest ein Steckbrett. Nimm ne ordentlich
verlötete Lochrasterplatte (keine Streifenplatine).

M.A. S. schrieb:
> Heftig. Hast Du schon einen Shunt dafür?

Ja ich verwende einen Shunt von Murata, daher ist mein Ausgangssignal 
auch so gering.
Habe zum testen einmal den 100A/100mV Shunt und für die eigentlichen 
Messungen den 800A/50mV.

Datenblatt im Anhang.

Harald W. schrieb:
> Ja, Du verwendest ein Steckbrett. Nimm ne ordentlich
> verlötete Lochrasterplatte (keine Streifenplatine).

Das wird aber wohl hier nicht das Problem sein.
Es sei denn, die 300A werden über das Steckbrett geführt, was ich nicht 
glauben mag. Auch über eine Lochrasterplatine würde ich diese nicht 
laufen lassen.

Dome F. schrieb:
> Ja ich verwende einen Shunt von Murata, daher ist mein Ausgangssignal
> auch so gering.

Vielen Dank für die Info, sehr interessant.
Die Ausgangsspannung sollte auch sehr gering sein, denn selbst dann wird 
noch ganz schön viel Leistung im Shunt verbraten.

Helmut S. schrieb:
> Bei 300A wird da auf
> jeden Fall ein Sensewiderstand mit 4 Anschlüssen benötigt. Für die
> Auswertung wird dann ein Differenzverstärker benötigt.

Das ist auf jeden Fall richtig.
Es gibt speziell für solche Anwendungen Bausteine, zu finden unter 
Bezeichnungen wie 'current shunt monitor', 'current sense amplifier'...
Ein Beispiel ist der INA199, den es mit drei verschiedenen 
Verstärkungsfaktoren gibt.

Günter Lenz schrieb:
> Unabhängig vom Shunt, seine Schaltung funktioniert ja
> überhaupt nicht. Da muß noch ein grober Fehler drinn sein,
> daß müste erst mal geklärt werden.
>
> Helmut S. schrieb:
>>allerdings erhalte ich lediglich die Versorgungsspannung am
>>Ausgang. Den OP interessiert es kein bisschen was ich mit den Eingaengen
>>mache.

@Günter Lenz
Warum zitierts du mich hier mit Text der nicht von mir ist?
Dieser Text war von Dome F..

Auf eBay gibt es fertige Platinchen mit AD620.
Die benötigen zwar auch eine duale Spannungsversorgung, sollten aber 
ansonst fast Plug and Play sein. Nur noch Verstärkung einstellen. 
Fertig.

Dome F. schrieb:
> Ergänzend hier noch meine Schaltung.

Das ist keine Schaltung, sondern ein schlechtes Foto vom 
Steckbrettaufbau. Man kann darauf weder erkennen, wo Pin1 des OPV ist, 
noch sind die Farbringe der Widerstände eindeutig. Also bitte einen 
Schaltplan mit Werten der Bauelemente zeichnen.

> Ist gut möglich das ich hier einen Denkfehler drin habe.

Wie schon angesprochen, kann die Schaltung mit Singlesupply nicht 
funktionieren. VCC- eines OPV ist NICHT gleich Masse! Außerdem hängt der 
nichtinvertierende Eingang in der Luft, weil der daran angeschlossene 
Widerstand im Nirvana endet.
Schau dir die Grundlagen von OPV Schaltungen an:

https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm

Icke ®. schrieb:
> Das ist keine Schaltung, sondern ein schlechtes Foto vom
> Steckbrettaufbau. Man kann darauf weder erkennen, wo Pin1 des OPV ist,
> noch sind die Farbringe der Widerstände eindeutig. Also bitte einen
> Schaltplan mit Werten der Bauelemente zeichnen.

PIN 1 befindet sich vom Bild aus gesehen rechts unten, entsprechend ist 
PIN 4 oben rechts und PIN 8 unten links.

Icke ®. schrieb:
> Außerdem hängt der
> nichtinvertierende Eingang in der Luft, weil der daran angeschlossene
> Widerstand im Nirvana endet.

Da ich zu der zeit nicht im Labor war konnte ich nur das Steckbrett ohne 
Quellen und Shunt fotografieren. Ich lasse den nichtinvertierenden 
Eingang nicht in der Luft hängen, sondern wie im Bild.

Sorry musste den plan kurzer Hand mit paint zeichnen hatte grade nichts 
besseres.

Dome F. schrieb:
> Sorry musste den plan kurzer Hand mit paint zeichnen hatte grade nichts
> besseres.

Eine - nicht zu schludrige - Handskizze mit Bleistift auf Papier, 
abfotografiert oder gescannt, hätte es auch getan.
Für's nächste Mal: Der beste Platz dafür wäre der Eröffnungspost.  ;)

Jetzt kommt es nur noch drauf an, mit welchem Punkt der Schaltung der 
Bezug von Vcc verbunden ist.

Der Andere schrieb:
> Als solcher solltest du doch langsam kapiert haben daß dein Schaltplan
> so nicht funktioniert, vor allem nicht mit dem gewählten OP.

Natürlich habe ich kapiert dass er so nicht funktioniert,sonst hätte ich 
wohl den Beitrag nicht eröffnet ;)

Dennoch haben viele nach meiner Schaltung gefragt also habe ich sie 
nachgeliefert. Ich habe das ganze auch schon mit einer dual Supply 
ausprobiert und auch da gabs keine sinnvollen Ergebnisse.

Dome F. schrieb:
> Ich habe das ganze auch schon mit einer dual Supply
> ausprobiert und auch da gabs keine sinnvollen Ergebnisse.

Unabhängig von der allgemeinen Tauglichkeit der Schaltung fallen zwei 
Dinge auf:

1) Auch (viele, die meisten? dieser hier auf jeden Fall!) 
Differenzverstärker benötigen einen GND-Bezug. In dem von Dir geposteten 
Schaltplan ist GND (<=> Vss ) nicht mit dem Stromkreis verbunden, in dem 
Du misst.

2) Der Schaltung nach scheint Pin 2 des ICs der invertierende Eingang zu 
sein, richtig? Das heißt, dass Du bei der am Shunt eingetragenen 
Stromrichtung einen invertierenden Verstärker hast.
Hast Du dies bedacht?

M.A. S. schrieb:
> Auch (viele, die meisten? dieser hier auf jeden Fall!)
> Differenzverstärker benötigen einen GND-Bezug. In dem von Dir geposteten
> Schaltplan ist GND (<=> Vss ) nicht mit dem Stromkreis verbunden, in dem
> Du misst.

Das GND Niveau hatte ich an den invertierenden Eingang angeschlossen.
Habe die Zeichnung erweitert.

Achim S. schrieb:
> Soll dann der Laststrom über diesen Anschluss deines 4-Draht Shunts auf
> GND abfließen?

Der Shunt hat einen Widerstand von 0,1mOhm (in Worten: 
null-komma-ein-MILLI-Ohm). Da fließt nix (fast nix) am Shunt vorbei in 
die Schaltung!!! (Immer vernünftigerweise Vorausgesetzt, dass nicht die 
+Vcc den Riesenstrom von 300A durch den Shunt treibt, sondern eine 
externe Quelle.

Der Andere schrieb:
> M.A. S. schrieb im Beitrag #5531547:
>> Wenn nicht: vertausche die beiden Anschlüsse am Shunt.
>
> Nein, sein Laststrom ist von "unten nach oben" eingezeichnet. ...



Ja, habe ich auch inzwische bemerkt und meine unqualifizierte Bemerkung 
deshalb wieder gelöscht. Trotzdem Danke für den Hinweis.  :)

WR schrieb:
> Hallo Dome F.,
> um ein erstes Ergebnis zu erhalten, empfehle ich Dir den Aufbau siehe
> Bild. Verwende zunächst 2 Betriebsspannungsquellen, zum Beispiel zwei 9
> V-Batterien.
> Schließe am Ausgang ein Voltmeter an. Ohne dass zunächst ein Messstrom
> durch den Shunt fließt, wird sich eine Ausgangsspannung von etwa 0 V
> einstellen. Die Abweichung von 0 V ist bei der hohen Verstärkung
> (331-fach!) durch Offsetströme zu erklären und kann später kompensiert
> werden.
>
> Lass nun einen Strom durch den Shunt fließen, der am Shunt +10 mV
> erzeugt, das kontrollierst Du mit dem Voltmeter. Achte dabei auf die
> Polarität (siehe Bild). Dadurch wird sich am Ausgang jetzt eine Spannung
> von +3,3 V einstellen.
> Wenn Du zum Test die Stromrichtung am Eingang umkehrst, stellt sich am
> Ausgang -3,3 V ein, was aber Arduino evtl. nicht vertragen würde.
>
> Das muss als Erstes funktionieren, erst dann solltest Du die Schaltung
> nach den Anforderungen weiter verfeinern (einzelne Betriebsspannung,
> Offsetkompensation, Schutzbeschaltung,...).
> Viel Erfolg!

vielen Dank!

habe das Problem bei meiner Schaltung entdeckt dank deiner Hilfe!

Funktioniert nun so wie es soll.

Dome F. schrieb:
> habe das Problem bei meiner Schaltung entdeckt dank deiner Hilfe!
>
> Funktioniert nun so wie es soll.

Das freut uns, zu lesen. Verräts Du uns freundlicher Weise, wie Deine 
Schaltung jetzt aussieht (bzw. welches Problem genau Du entdeckt hast)!?

M.A. S. schrieb:
> Das freut uns, zu lesen. Verräts Du uns freundlicher Weise, wie Deine
> Schaltung jetzt aussieht (bzw. welches Problem genau Du entdeckt hast)!?

Ich hatte einen Denkfehler bezüglich der GND Problematik, daher gab es 
kein einheitliches Bezugspotenzial für meine Messung.
Ich hatte praktisch den GND am Knotenpunkt vor dem invertierenden 
Eingang(siehe Bild), statt dass er links vom Widerstand liegt. Dadurch 
hab ich mir meinen R1  rausgekickt.
 Habe mir das richtig aufgezeichnet und simuliert, nur falsch auf dem 
Steckbrett zusammengefügt..

Gruß

Dome

Dome F. schrieb:
> Habe mir das richtig aufgezeichnet und simuliert, nur falsch auf dem
> Steckbrett zusammengefügt..

:D

Gefühlte 95% aller Fehler, die einem in der Praxis unterkommen, sind von 
genau dieser Natur.    ;)



Danke für die Rückmeldung!

georg schrieb:
> X die aktuellen physikalischen Gesetze sind falsch
>

:)


>
> Man sollte sich nur nicht allzulange mit Punkt 1 beschäftigen.
>

Versuch das mal, Kurt klar zumachen!  :D

Ich bedanke mich nochmal bei euch allen für eure Hilfe!

Der Andere schrieb:
> Aber so hast zu zumindest Erfahrung in der
> Fehlersuche bei Steckbrettaufbau gesammelt.

Ja die habe ich mit Sicherheit erhalten :D