Stromsenke mit OP, ohne Transistor

[Third E. (third-eye)]

Hallo,

folgender Fall: Ich habe eine örtlich entfernte Last, die mit einem 
konstanten Strom von 0...20 mA betrieben werden soll. Als Stellgröße 
dient eine Spannung von 0...200 mV.
Leider habe ich nur Zugriff auf "Last-". Die +5V-Versorgung zur Last 
muss bestehen bleiben, weil da noch andere Schaltungsteile mit dran 
hängen.
Ich habe einen Operationsverstärker gefunden, der direkt bis zu ein paar 
hundert mA treiben kann. TLV4112 heißt er und den gibt es 
bastlerfreundlich auch in bedrahteter Version. Ich hatte mich schon 
gefreut, keine Zusatzbeschaltung mit Widerstand und Treibertransistor zu 
benötigen. ABER das funktioniert leider nur, wenn ich die 
Plus-Versorgung zur Last an den OP-Ausgang hängen könnte.
Ich habe etwas gegrübelt, bin aber auf keine einfache Schaltung 
gestoßen, die nicht noch aufwändiger als OP + Widerstand + Transistor 
ist.
Klar ist das kein Beinbruch, dennoch würde es mich interessieren, ob es 
eine elegantere Lösung für das Problem gibt. Vielleicht für den 
???-Schaltungsteil. Ich möchte die Schaltung auf Lochraster aufbauen und 
da tut jedes Zusatzbauteil "weh", was Leiterplattenplatz und die 
benötigte Zeit bis zur Fertigstellung betrifft.
Hat jemand von Euch eine Idee?

Danke.
Third Eye

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo,

in Deiner gezeichneten Schaltung ist die Wirkungsrichtung genau verkehrt 
herum. Vertausche beide Eingänge.

Die Variante mit dem NPN-Transistor invertiert die Wirkungsrichtung und 
erfordert nur Basis-Widerstand, Transistor und evtl einen kleinen 
Kondensator zusätzlich. Zusammen mit den fehlenden Abblockkondensatoren 
fällt dies gar nicht auf.

MfG

[Third E. (third-eye)]

Nur die Eingänge des OPs zu vertauschen wird nicht reichen, weil ja 
beide Anschlüsse des Shunts jeweils auf einem variablen Potential 
liegen.
Dass der OP 100n Parallel zur Versorgung bekommt, ist eh der Standard. 
Habe ich nicht eingezeichnet.

[Sebastian S. (amateur)]

Prinzipiell kann das jeder OP. Aber wie Du bereits erkannt hast, nur mit 
angemessener Teiberleistung.
Diese kann aber sowohl "eingebaut" als auch "extern" sein. Ist im Grunde 
genommen nur eine Frage dessen, was Du bevorzugst. Ein Treibertransistor 
dahinter ist wohl auch kein Beinbruch, da Du ja - normalerweise - nur 
einen davon brauchst. Oder soll es Bipolar werden?

[Harlekin (Gast)]

Hier das erste Bild.
https://elektroniktutor.de/analogverstaerker/ui_konv.html

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Wenn nur ein Ende der Last zugänglich ist, geht das entweder mit einer
Howland-Stromquelle (4 oder 5 Widerstände) oder mit einem Transistor
(idealerweise einem Mosfet) und einem Widerstand, also nur mit zwei
Bauteilen. Die Howland-Stromquelle hat zudem den Nachteil des geringeren
Ausgangswiderstands bei ungenauen Widerständen.

Einfachere Lösungen für das Problem sind mir nicht bekannt.

[MaWin (Gast)]

Third E. schrieb:
> Hat jemand von Euch eine Idee

                         +5V
                          |
                        Last
                          |
                 +--------+
                 |        |
                 R       10R
                 |        |
              +--(----R---+
              |  |        |
Sollwert --R--+--(--|-\   |
                 |  |  >--+
        +--R-----+--|+/
        |
       GND

[Theor (Gast)]

Yalu X. schrieb:
> Wenn nur ein Ende der Last zugänglich ist, geht das entweder mit einer
> Howland-Stromquelle (4 oder 5 Widerstände) oder mit einem Transistor
> (idealerweise einem Mosfet) und einem Widerstand, also nur mit zwei
> Bauteilen. Die Howland-Stromquelle hat zudem den Nachteil des geringeren
> Ausgangswiderstands bei ungenauen Widerständen.
>
> Einfachere Lösungen für das Problem sind mir nicht bekannt.

Vielleicht ist das hier zur Howland-Stromquelle noch hilfreich: 
Beitrag "Spannungsgesteuerte Stromquelle"

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Mir ist doch noch etwas eingefallen:

Wenn es nicht so arg genau sein muss, geht es auch mit nur einem
Widerstand. Dabei wird aber der Ausgangsstrom von Uin/R1 um den
Eigenstromverbrauch des Opamps (beim TLV4112 etwa 700µA) verringert.
Statt der gewünschten 20mA erhältst du also nur 19,3mA.

Der Stromverbrauch des simulierten Opamps ist 0, deswegen stimmt
hier der Ausgangsstrom.

Je nachdem, wie die Steuerspannung erzeugt wird (bspw. mittels eine µC
mit DAC), ist es vielleicht möglich, diese um 7mV zu erhöhen. Damit wird
der Fehler auf die Schwankungsbreite des Opamp-Stromverbrauchs, die nur
einen Bruchteil der 700µA beträgt, reduziert.

[HildeK (Gast)]

Interessante Variante von MaWin.
Jetzt muss man nur noch einen Rail-2-Rail für 5V mit ausreichend 
Ausgangsstrom suchen.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

HildeK schrieb:
> Interessante Variante von MaWin.

Nennt sich Howland-Stromquelle :)

Streng genommen müsste der Widerstand links unten R+10Ω haben. Wenn aber
R>>10Ω ist (bspw. R=100kΩ), kann dieser Unterschied auch vernachlässigt
werdenen.

Einen kleinen Schönheitsfehler hat die Schaltung: Um den Ausgangsstrom
bis auf 0 herunterregeln zu können, muss die Ausgangsspannung des Opamp
etwas größer als 5V werden können, nämlich

$$U_\mathrm{max}=5\,\mathrm V\cdot\frac{2(R+R_\mathrm s)}{2R+R_\mathrm s}$$

Rs=10Ω ist dabei der Shunt-Widerstand.

Entsprechend muss auch die Versorgungsspannung etwas höher als 5V
liegen.

[HildeK (Gast)]

Yalu X. schrieb:
> Nennt sich Howland-Stromquelle :)
Danke! Den Namen habe ich schon mehrfach vernommen, ohne mich näher 
damit beschäftigt zu haben.
>
> Streng genommen müsste der Widerstand links unten R+10Ω haben. Wenn aber
> R>>10Ω ist (bspw. R=100kΩ), kann dieser Unterschied auch vernachlässigt
> werdenen.

Ja, ich habs mir mal in LTSpice angeschaut und festgestellt, dass die 
Beschaltung etwas Strom abzweigt.