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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik NPN Basisspannung höher als Kollektorspannung -> Problem?


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Autor: L. N. (derneumann)
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Hallo

kann das so funktionieren?
Angenommen der OPV möchte 15V an seinem invertierendem Eingang sehen und 
versucht auf biegen und brechen das zu erreichen. Kommen dann an ADC_CH2 
trotzdem maximal 3.3V an (vom Kollektor von T2)? Der Widerstand R15 
sollte doch etwaige ungewünschte Ströme begrenzen und Schaden 
verhindern, oder?

Danke!

Autor: ArnoR (Gast)
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L. N. schrieb:
> Kommen dann an ADC_CH2 trotzdem maximal 3.3V an (vom Kollektor von T2)?

Ja, die Basis-Kollektor-Diode wird leitend und der Ausgangsstrom des OPV 
fließt in die 3V3-Versorgung. Damit wird die Basis auf etwa 4V geklemmt 
und am Emitter liegen dann 4V-Ube~3,3V.

Autor: MaWin (Gast)
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L. N. schrieb:
> Kommen dann an ADC_CH2 trotzdem maximal 3.3V an

Nein, 15V - irgendwas.

Autor: L. N. (derneumann)
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ArnoR schrieb:
> L. N. schrieb:
>> Kommen dann an ADC_CH2 trotzdem maximal 3.3V an (vom Kollektor von T2)?
>
> Ja, die Basis-Kollektor-Diode wird leitend und der Ausgangsstrom des OPV
> fließt in die 3V3-Versorgung. Damit wird die Basis auf etwa 4V geklemmt
> und am Emitter liegen dann 4V-Ube~3,3V.

Danke! Wird damit auch die 3.3V Versorgung angehoben?

Würde man das so machen oder ist das "bad practice"?

Autor: ArnoR (Gast)
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L. N. schrieb:
> Wird damit auch die 3.3V Versorgung angehoben?

Wenn die den Strom nicht aufnehmen kann, also nicht noch andere 
Verbraucher dran sind die das fressen, dann ja.

L. N. schrieb:
> Würde man das so machen oder ist das "bad practice"?

Wenn es sauber dimensioniert ist, würde ich das machen.

Autor: Erklärbär (Gast)
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T2 durch einen BSS138 ersetzen oder eine Schottky-Diode vor den 
Kollektor.

Autor: Achim H. (anymouse)
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Es kann auch passieren, dass Schutzdioden zwischen den OpAmp-Eingängen 
leitend werden, und dann relevanter Strom über den negierenden 
OpAmp-EINgang zu R35/R37 fließt.

Was soll T2 eigentlich bewirken? Nur die Pegel-Anpassung?

Autor: L. N. (derneumann)
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Verbraucher sind sonst kaum dran, nur ein ADS1115, der braucht kaum 
Strom. Allerdings geht der bis 7V, sollte also wohl eher egal sein. Da 
gehts nur um ganz kurze Impulse, wenn vorm Spannungsteiler mal doch sehr 
kurz eine höhere Spannung anliegen sollte als vorgesehen.

T2 kann kein FET sein, da T2 genau wegen des Spannungsabfalls da drin 
ist. Schottky gegen 3.3V würde kaum was bewirken da die Spannung 
höchstens minimal über 3.3V + Vf der Schottky ansteigen würde, oder irre 
ich mich da?

Achim H. schrieb:
> über den negierenden
> OpAmp-EINgang zu R35/R37 fließt.

wie findet der Strom denn diesen Weg?

Achim H. schrieb:
> Was soll T2 eigentlich bewirken? Nur die Pegel-Anpassung?

Ja, damit der OPV keine 0mV ausgeben muss, was er gar nicht kann ohne 
negativer Versorgungsspannung. Funktioniert an sich 1A...

Autor: ArnoR (Gast)
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L. N. schrieb:
> Verbraucher sind sonst kaum dran, nur ein ADS1115, der braucht kaum
> Strom.

Dann würde ich den R15 im Verhältnis zum R35 so dimensionieren, dass 
kaum mehr als 3,3V am Ausgang auftreten können. Dadurch wird der Strom 
in die 3V3-Versorgung minimiert.

Autor: HildeK (Gast)
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Verstehe ich richtig, ggf. wg. eines Fehlers könnte am Ausgang vom OPA 
mal die maximale Spannung (irgendwas <15V) anliegen?
Als einfachen Schutz schlage ich vor, an die Basis eine Z-Diode nach GND 
anzubringen. Z.B. 3.9V, die leiten eh schon etwas früher.

Nebenbei: bei der Dimensionierung von R37 und C47 sollte die Abtastrate 
deines ADC ein paar kHz nicht überschreiten ...

L. N. schrieb:
> T2 kann kein FET sein, da T2 genau wegen des Spannungsabfalls da drin
> ist.

Verstehe ich nicht. Du wolltest doch den Transistor als Emitterfolger, 
weil dann der OPA-Ausgang nicht auf 0V kommen muss. Das sollte mit einem 
Sourcefolger doch genau so gehen?

Autor: L. N. (derneumann)
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HildeK schrieb:
> Verstehe ich richtig, ggf. wg. eines Fehlers könnte am Ausgang vom OPA
> mal die maximale Spannung (irgendwas <15V) anliegen?
> Als einfachen Schutz schlage ich vor, an die Basis eine Z-Diode nach GND
> anzubringen. Z.B. 3.9V, die leiten eh schon etwas früher.

Gute Idee, danke!

HildeK schrieb:
> Nebenbei: bei der Dimensionierung von R37 und C47 sollte die Abtastrate
> deines ADC ein paar kHz nicht überschreiten ...

Tut sie nicht. Kann ohnehin nur 128SPS machen, wenn ich die 16 Bit haben 
will... Trotzdem danke!

HildeK schrieb:
> Verstehe ich nicht. Du wolltest doch den Transistor als Emitterfolger,
> weil dann der OPA-Ausgang nicht auf 0V kommen muss. Das sollte mit einem
> Sourcefolger doch genau so gehen?

Stimmt vollkommen. Denkfehler meinerseits facepalm. Da ginge dann aber 
jeder FET, z.B. auch der PMV130ENEA, oder? Den hätte ich schon in der 
BOM. https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/PMV130ENEA.pdf

Autor: HildeK (Gast)
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L. N. schrieb:
> Da ginge dann aber
> jeder FET, z.B. auch der PMV130ENEA, oder?

Ja.
Der kann U_GS 20V max, das kannst du mit dem OPA mit 15V Versorgung 
nicht erreichen.
Und wenn du an ADC_CH2 max. 3.3V haben willst, dann brauchst du am Gate 
max. 8-9V. Das wird der OPA mit 15V Versorgung locker liefern. Eng 
könnte es nur werden, wenn der FET 10V U_GS bräuchte, um knapp 1mA 
liefern zu können (1mA ≈ 3.3V/4k7 - mehr geht ja nicht).
Ich sehe jetzt auf Anhieb nicht, was dagegen sprechen würde.

Autor: L. N. (derneumann)
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HildeK schrieb:
> L. N. schrieb:
>> Da ginge dann aber
>> jeder FET, z.B. auch der PMV130ENEA, oder?
>
> Ja.
> Der kann U_GS 20V max, das kannst du mit dem OPA mit 15V Versorgung
> nicht erreichen.
> Und wenn du an ADC_CH2 max. 3.3V haben willst, dann brauchst du am Gate
> max. 8-9V. Das wird der OPA mit 15V Versorgung locker liefern. Eng
> könnte es nur werden, wenn der FET 10V U_GS bräuchte, um knapp 1mA
> liefern zu können (1mA ≈ 3.3V/4k7 - mehr geht ja nicht).
> Ich sehe jetzt auf Anhieb nicht, was dagegen sprechen würde.

In der Simulation hat das Zeug oszilliert wie blöd...
Bevor ich hier auf limitiertem Board Space anfange zu kompensieren 
(abgesehen davon weiß ich nicht wie man das berechnet) bleibe ich wohl 
beim NPN mit Basiswiderstand von 1.5k...

Autor: Achim H. (anymouse)
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L. N. schrieb:
> Achim H. schrieb:
>> über den negierenden
>> OpAmp-EINgang zu R35/R37 fließt.
>
> wie findet der Strom denn diesen Weg?

https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/thesignal/archive/2012/03/21/differential-input-clamps-can-they-affect-your-op-amp-circuits#

Autor: MaWin (Gast)
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L. N. schrieb:
> Gute Idee, danke

Eher nicht, dann geht der ganze Strom des OpAmps in die Z-Diode.

Einfach R15, R35, T2 weglassen und R37 auf 22k und C47 auf 1n verändern 
und der Strom über die Eingangsschutzdioden des ADC ist so klein dass er 
nicht stört.

Autor: HildeK (Gast)
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L. N. schrieb:
> In der Simulation hat das Zeug oszilliert wie blöd...

Ja, kann schon sein - ich hatte das nie aufgebaut. Hast du am Gate einen 
Widerstand gehabt? OPAs quittieren kapazitive Lasten oft mit 
oszillieren.

MaWin schrieb:
> Eher nicht, dann geht der ganze Strom des OpAmps in die Z-Diode.

Ja, wenn der OPA am Anschlag hängt, was nicht der normale Betriebsfall 
wäre.
Und selbst wenn, R15 würde das begrenzen. Der 'Leckstrom' der Z-Diode 
bei Spannungen unter 3.3V macht dem (allerdings unbekannten) OPA 
normalerweise nichts aus.

Autor: HildeK (Gast)
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MaWin schrieb:
> Einfach R15, R35, T2 weglassen und R37 auf 22k und C47 auf 1n verändern
> und der Strom über die Eingangsschutzdioden des ADC ist so klein dass er
> nicht stört.

Wollte er nicht, weil der OPA-Ausgang nicht ganz auf 0V kommt, auch bei 
R2R-Ausgang.

Autor: L. N. (derneumann)
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HildeK schrieb:
> Ja, kann schon sein - ich hatte das nie aufgebaut. Hast du am Gate einen
> Widerstand gehabt? OPAs quittieren kapazitive Lasten oft mit
> oszillieren.

War kein Vorwurf, nur eine Feststellung. Habe es einmal mit dem 1.5k 
probiert und einmal ohne, ziemlich gleiches Ergebnis. Habe allerdings 
auch mit einem LM358 simuliert obwohl der tatsächliche OPV ein OPA2197 
ist, also im Endeffekt ziemlich wertlos.
Auch da ich keinen OPA2197 simulieren kann hab ich es dann bleiben 
gelassen.

Autor: HildeK (Gast)
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L. N. schrieb:
> War kein Vorwurf, nur eine Feststellung.
Habe ich auch nicht so aufgefasst.

Ich hab mir gerade auch eine Simulation mit LTSpice aufgesetzt. LM324 (= 
LM358) und IRLML2803.
Da schwang (fast) nichts, nur wenn der OPA aus der Übersteuerung 
herauskam, sind wenige, kleine Schwingungen zu sehen. Das muss aber für 
die reale Schaltung nichts heißen; kann besser oder schlechter sein :-).

Einen echten Grund für ein Schwingen sehe ich nicht, man macht ja mit 
dem FET keine zusätzliche Verstärkung.

Autor: L. N. (derneumann)
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Ich habe diese lib für den LM358 verwendet, meines Wissens entspricht 
der LM324 nicht wirklich dem LM358?

Wenn das schon in der Simulation bei sowas simplem schwingt lass ich 
lieber die Finger davon, als Nichtwissender :-) Ich hätte aber ehrlich 
gesagt auch nicht erwartet, dass das schwingt. Weil so simpel.

Autor: HildeK (Gast)
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L. N. schrieb:
> meines Wissens entspricht
> der LM324 nicht wirklich dem LM358?

Meines Wissens schon, LM358 ist dual, LM324 ist quad. Sonst gleich.

Autor: L. N. (derneumann)
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ok dann hab ich da wohl was missverstanden.

Autor: Manfred (Gast)
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L. N. schrieb:
> Kommen dann an ADC_CH2 trotzdem maximal 3.3V an

Die Schaltung mißfällt mir.

Wenn wirklich 15V aus dem OP kommen, hebt das den Emitter auf bis zu 11 
Volt an.

Autor: HildeK (Gast)
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Manfred schrieb:
> Wenn wirklich 15V aus dem OP kommen, hebt das den Emitter auf bis zu 11
> Volt an.

Mit Gewalt und ohne R15 vielleicht. So, wie oben abgebildet, sicher 
nicht!

Autor: MaWin (Gast)
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HildeK schrieb:
> Wollte er nicht, weil der OPA-Ausgang nicht ganz auf 0V kommt, auch bei
> R2R-Ausgang

Dann kommt halt ein ordentlicher pull down Widerstand dran, z.B. 
10mA@3.3V sind 330R, und der OpAmp geht auf 0V, nur eben nicht mehr 15V, 
was ihn nicht interessiert.

Autor: Manfred (Gast)
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HildeK schrieb:
> Manfred schrieb:
>> Wenn wirklich 15V aus dem OP kommen, hebt das den Emitter auf bis zu 11
>> Volt an.
> Mit Gewalt und ohne R15 vielleicht. So, wie oben abgebildet, sicher
> nicht!

Natürlich nur mit Gewalt.

Ich sehe den Ausgang des OP, der als harte 15V-Quelle angenommen wird. 
Von da aus 1k5 - eine Diode (BE-Strecke) und 4k7 nach GND.

Also rechne ich 14,3 Volt an einem Teiler 1k5 || 4k7 und komme auf 10,84 
Volt. Wo ist mein Denkfehler?

Autor: HildeK (Gast)
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Manfred schrieb:
> Wo ist mein Denkfehler?

Der Transistor ist nicht nur eine Diode zw. Basis und Emitter. Es gibt 
auch noch den Kollektor an 3.3V.

Autor: U. M. (oeletronika)
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Hallo,
> L. N. schrieb:
> Habe es einmal mit dem 1.5k probiert und einmal ohne,
> ziemlich gleiches Ergebnis.
Ohne R15 ist tatsächlich nicht so toll. Das bewirkt bei Vollausschlag 
quasi einen Kurzschluß vom OPV nach 3,3V über die Kolektordiode.

Warum denn unbedingt R15 mit nur 1,5k? Wegen Dynamik kann es doch nicht 
sein, oder?  Ich würde den R15 auf mind. 10...22k vergößern.
Dann fließt auch im Fall des Vollausschlags viel weniger Strom in die 
3,3V ab.
Bezüglich Stabilität gibt es schon Unterschiede bei diversen OPV. Suche 
dir einen, der gutmütig ist (evtl. auch mit zusätzl. externer 
Frequenzkomp.).

Der LM358 hat aber auch einige mV Offset (2...max. 7mV).

Bei 16 Bit-ADC mit 3,3V-Ref. liegt das schon etwas 10 bit der 
ADC-Auflösung.  Gut, kann man nachträglich auch kompensieren.
Aber auch die Offsetdrift mit typ. 7uV/K kommt bei Temp-Schwankungen von 
+/-20 K schon auf ca. +/-0,14 mV. Damit wäre dann auch schon die 
Genauigkeit nur noch bei ca. 13...14 Bit. Wenn du also die 16 Bit 
bezüglich Stabilität und Genauigkeit halbwegs ausnutzen willst, solltest 
du evtl. einen OPV mit geringerer Drift aussuchen.
Gruß Öletronika

Autor: L. N. (derneumann)
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U. M. schrieb:
> Warum denn unbedingt R15 mit nur 1,5k? Wegen Dynamik kann es doch nicht
> sein, oder?  Ich würde den R15 auf mind. 10...22k vergößern.

Danke, behalte ich im Hinterkopf. Wenn der Footprint drin ist, kann ich 
ja mit ein paar Werten experimentieren. Ohne Footprint wär das 
schwieriger... :-)

U. M. schrieb:
> Bezüglich Stabilität gibt es schon Unterschiede bei diversen OPV. Suche
> dir einen, der gutmütig ist (evtl. auch mit zusätzl. externer
> Frequenzkomp.).
>
> Der LM358 hat aber auch einige mV Offset (2...max. 7mV).
>
> Bei 16 Bit-ADC mit 3,3V-Ref. liegt das schon etwas 10 bit der
> ADC-Auflösung.  Gut, kann man nachträglich auch kompensieren.
> Aber auch die Offsetdrift mit typ. 7uV/K kommt bei Temp-Schwankungen von
> +/-20 K schon auf ca. +/-0,14 mV. Damit wäre dann auch schon die
> Genauigkeit nur noch bei ca. 13...14 Bit. Wenn du also die 16 Bit
> bezüglich Stabilität und Genauigkeit halbwegs ausnutzen willst, solltest
> du evtl. einen OPV mit geringerer Drift aussuchen.

Es ist ein OPA2197 bzw. OPA4197, mit dem LM358 hab ich nur simuliert 
(ich weiß, leider nur sehr bedingt brauchbar, diese Simulation). An 
diesem Punkt des Projekts, wo alles andere mittlerweile sehr gut 
funktioniert genau so wie es ist, möchte ich eigentlich nur sehr ungern 
den OPV wechseln.. Also nur wenn es gar nicht anders geht. Ich konnte 
die Spannung von 10mV bis 16V so schon aufs mV genau mit dem ADS1115 mit 
der Schaltung messen :-) Nur ohne R15 und mit dem NPN auf 15V.

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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Manfred schrieb:
> L. N. schrieb:
>> Kommen dann an ADC_CH2 trotzdem maximal 3.3V an
>
> Die Schaltung mißfällt mir.

Mir auch. Aber aus anderen Gründen.

> Wenn wirklich 15V aus dem OP kommen, hebt das den Emitter
> auf bis zu 11 Volt an.

Nein. Wie gesagt sind da R15 und die Basis-Kollektor Strecke von T2.

Der Grund, warum mir die Schaltung mißfällt, ist daß sie das Problem 
nicht löst. Nicht daß der TE mal eine Ansage gemacht hätte, welches 
Problem das sein soll. Aber es sieht so aus, als wöllte er am Ausgang 
zum ADC hin bis auf 0.000V herunter kommen. Dafür würde ein 
stinknormaler Pulldown am OPV-Ausgang reichen.

So wie es jetzt ist, erfüllt R35 diese Funktion, nur daß R35 viel 
hochohmiger ist als man so einen Pulldown auslegen wollen würde. Man muß 
bloß mal überlegen, was passiert, wenn die Ausgangsspannung einen Sprung 
vom Maximalwert auf 0 machen soll. T2 kann Strom in R35 nur in einer 
Richtung liefern. Wenn die Spannung über C47 abfallen soll, geht das nur 
über eine rein passive Entladung über R37 und R35. Die Zeitkonstante 
liegt bei satten 70µs. Um die Spannung an C47 auf 0.1% (1 LSB bei einem 
10-Bit ADC) abfallen zu lassen, muß man 7 mal so lange warten. Also 
knapp eine halbe Millisekunde.

Würde man statt dessen einen 330Ω Pulldown direkt am OPV-Ausgang 
verwenden, wäre es Faktor 20 schneller. Wobei sich die Frage stellt, was 
C47 da überhaupt soll. Weg damit!

Und wenn man den ADC-Eingang vor Überspannung schützen will, macht man 
einfach einen Spannungsteiler aus sagen wir mal 680Ω und 330Ω an den 
OPV-Ausgang. Der OPV muß dann mit seinem Ausgang auf 10V rauf, damit der 
ADC 3.3V sieht. Der resultierende Ausgangswiderstand Richtung ADC liegt 
dann bei 222Ω. Selbst wenn der OPV mit dem Ausgang auf 15V käme, würden 
gerade mal 4mA durch die Eingangsschutzdiode des ADC-Eingangs in die 
3.3V Rail fließen. Ängstliche Naturen dürfen natürlich gerne eine 
externe Klemmdiode dafür vorsehen.

Autor: MaWin (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Wobei sich die Frage stellt, was C47 da überhaupt soll. Weg damit!

Bildet einen Tiefpass mit R37 und verringert den dynamischen 
Eingangswiderstand damit der ADC seinen sample-Kondensator aufladen kann 
ohne Spannungseinbruch.

Nicht ohne Datenblatt zu konsultieren wegmachen.

Autor: HildeK (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Die Zeitkonstante
> liegt bei satten 70µs. Um die Spannung an C47 auf 0.1% (1 LSB bei einem
> 10-Bit ADC) abfallen zu lassen, muß man 7 mal so lange warten. Also
> knapp eine halbe Millisekunde.

Wobei das offenbar nicht das Problem ist:

L. N. schrieb:
> Kann ohnehin nur 128SPS machen, wenn ich die 16 Bit haben
> will.

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