(Hohe) Spannung Ausgangsseitig (hinter FET) messen - Instrumentenverstärker?

[Lieber N. (demjanus)]

Hallo zusammen,

ich hoffe ihr könnt mir ein paar Denkanstöße geben.

Ich habe eine Batterie deren Ausgang über einen FET (in LTspice einer, 
eigentlich 2 antiserielle) geschaltet wird (Schutzschaltung).

Ich möchte hinter dem FET die Ausgangsspannung messen und auswerten. Es 
können folgende Szenarien auftreten:
- weitere Batterie in serie
- weitere Batterie parallel
- ladegerät in serie

d.h. dort liegt entweder
- keine spannung an (batterieklemmen offen, FETs gesperrt)
- eine positive spannung an (batterie parallel oder FETs leitend)
- eine negative spannung an (batterie in serie, FETs gesperrt)

Mir reicht es die positive spannung zu messen, eine information das eine 
negative anliegt wäre aber super.

Da das eine Potential durch den FET verschoben wird ist mein Gedanke ein 
Instrumentenverstärker, jedoch kenne ich mich damit leider nicht gut aus 
bzw. habe solche noch nie eingesetzt. Und mit dem bislang gelesenen bin 
ich auch immer noch sehr unsicher....

In LTspice (siehe anhang) finde ich nur die LTs. Habe mal einfach aufs 
gradewohl den erstbesten eingesetzt. Zumindest laut Simulation scheint 
das so zu funktionieren...

Es stellen sich mir aber nun einige Fragen:

1. Das Potential IN+/- bzgl. Ref/Gnd beträgt ja immer noch fast 100V. 
Aus dem Datenblatt werd ich nicht so ganz schlau. Die Angaben sind meist 
bezogen auf +/-Vs. Wie liest man das bzw. wieviel darf der denn nun 
bezogen auf Ref/ oder V-? (Bei z.B. High-side-Shunt-Monitoren ist das 
immer klar angegeben)

2. Wie finde ich einen passenen Baustein? er muss wohl a) die Spannung 
ab können und b) idealerweise mit 3,3V oder 5V single supply auskommen 
(habe nur 3.3 und 5V und ggf. 10V, die ist aber eher unsauber...). Was 
ist sonst noch wichtig?

3. Wie kriege ich den Baustein in LTspice simuliert? Scheint dort dünn 
gesäht und externe Modelle habe ich für LTspice nicht so recht gefunden 
(.asy)

4. Gibts da eventuell irgend ne einfachere Methode bzw. alternativen zum 
Instrumentenverstärker die mir nicht in den Sinn kommen?

Besten Dank im Voraus für euren Input,
VG Alec

[Klaus R. (klara)]

Lieber N. schrieb:
> Ich habe eine Batterie deren Ausgang über einen FET (in LTspice einer,
> eigentlich 2 antiserielle) geschaltet wird (Schutzschaltung).
>
> Ich möchte hinter dem FET die Ausgangsspannung messen und auswerten. Es
> können folgende Szenarien auftreten:
> - weitere Batterie in serie
> - weitere Batterie parallel
> - ladegerät in serie
>
> d.h. dort liegt entweder
> - keine spannung an (batterieklemmen offen, FETs gesperrt)
> - eine positive spannung an (batterie parallel oder FETs leitend)
> - eine negative spannung an (batterie in serie, FETs gesperrt)

Was Du da beschreibst sehe ich in der Schaltung nicht.
Das klingt alles etwas wirr.

mfg klaus

[Achim S. (Gast)]

Lieber N. schrieb:
> Zumindest laut Simulation scheint das so zu funktionieren...

nur weil die Simulation nicht korrekt modelliert, dass der Verstärker 
durchbrennt. 96V an IN- zerstören den Baustein sofort.

Lieber N. schrieb:
> Wie liest man das bzw. wieviel darf der denn nun bezogen auf Ref/ oder
> V-?

bei den allermeisten Bausteinen müssen die Spannungen alle innerhalb der 
Versorgungsdpannungen liegen. das steht meist bei den maximum ratings. 
High side monitor ICs gehören zur Ausnahme von dieser Regel, deswegen 
wird diese besondere Eigenschaft dort besonders herausgestellt

[Lieber N. (demjanus)]

> Was Du da beschreibst sehe ich in der Schaltung nicht.
> Das klingt alles etwas wirr.
>
> mfg klaus

Hallo Klaus,

In der Schaltung sind zwei Batterien in Reihe mit einer Last, welche 
durch den FET zu- bzw. abgeschaltet wird. An den Ausgangsklemmen der 
ersten Batterie (hinter dem FET) soll gemessen werden.

Hilft dir diese Beschreibung beim verständns oder was genau findest du 
daran wirr?

Gruß Alec

[Lieber N. (demjanus)]

Achim S. schrieb:
> Lieber N. schrieb:
>> Zumindest laut Simulation scheint das so zu funktionieren...
>
> nur weil die Simulation nicht korrekt modelliert, dass der Verstärker
> durchbrennt. 96V an IN- zerstören den Baustein sofort.

Ja, das hab ich mir schon fast gedacht. D.h. für z.B. nen klassischen 
INA126 mit operating voltage range ±1.35V to ±18 V ggü GND darf das 
Potential an Vin+/- ggü. GND auch max. ±18 V bzw. (V–) – 0.7(V+) + 0.7 
sein.

Kannst du mir sagen ob es überhaupt Instrumentenverstärker gibt mit 
>=100V common mode voltage? Finde da nur normale OPs wie den INA117 z.B.

[Klaus R. (klara)]

Lieber N. schrieb:
> Kannst du mir sagen ob es überhaupt Instrumentenverstärker gibt mit
>>=100V common mode voltage?

Es gibt aber Spannungsteiler.
mfg Klaus

[Lieber N. (demjanus)]

> Es gibt aber Spannungsteiler.
> mfg Klaus

Dann steh ich aber wirklich auf dem Schlauch. Was hilft mir ein 
Spannungsteiler hier? Bzw. ich habe ja bereits einen spannungsteiler 
drin. Aber wenn der FET aufmacht wird der doch ggü dem Spannungsteiler 
so hochohmig, dass mir wieder eine viel zu hohe Spannung an den Engängen 
des OPs anliegt...

[Klaus R. (klara)]

Lieber N. schrieb:
> In der Schaltung sind zwei Batterien in Reihe mit einer Last, welche
> durch den FET zu- bzw. abgeschaltet wird. An den Ausgangsklemmen der
> ersten Batterie (hinter dem FET) soll gemessen werden.

Dann lege doch D3, C1 und R13 nicht auf N003 sondern auf Masse. Den 
Inputpin versorgst Du ebenfalls mit Spannungsteiler gegen Masse der von 
N003 gespeist wird. Es fehlt in der Simulation noch der Widerstand der 
die Verstärkung bestimmt. Er liegt zwischen Rg und Rg. Schau Dir das 
Datenblatt an.
mfg Klaus

[Achim S. (Gast)]

Lieber N. schrieb:
> D.h. für z.B. nen klassischen
> INA126 mit operating voltage range ±1.35V to ±18 V ggü GND darf das
> Potential an Vin+/- ggü. GND auch max. ±18 V bzw. (V–) – 0.7(V+) + 0.7
> sein.

Wenn die Eingangsspannungen diesen Bereich verlasssen, dann wird der 
Baustein zerstört. Für die korrekte Funktion des Bausteins ist der 
Eingangsspannungsbereich ggf. nochmal deutlich kleiner.

Lieber N. schrieb:
> Kannst du mir sagen ob es überhaupt Instrumentenverstärker gibt mit
>>=100V common mode voltage?

Nein: "normale" Instrumentenverstärker können das nicht. Wenn ein 
Baustein das kann, dann ist es ein Spezial-IC extra für diese 
Anwendungen und dann steht das gleich vorne im Titel des Datenblatts.

Lieber N. schrieb:
> Finde da nur normale OPs wie den INA117 z.B.

Der INA117 ist eben kein "normaler OPV". Sondern - wie der Titel des 
Datenblatts sagt, ein "High Common-Mode VoltageDIFFERENCE AMPLIFIER". 
Sein Innenleben besteht aus einem "normalen OPV" plus zusätzlichen 
integrierten Spannungsteilern. (So dass du am Ende zu einer 
Gesamtschaltung kommst ähnlich wie sie dir Klaus mit den externen 
Spannungsteilern vorschlägt).

Du kannst nach solchen "Spezialverstärkern" suchen. Oder dein 
Schaltungskonzept grundsätzlich überdenken. Oder vielleicht 
Trennverstärker verwenden, die eine gewisse Potentialdifferenz zwischen 
Eingangs- und Ausgangsseite zulassen. Oder auf der "hochliegenden" 
Eingangsseite das Signal digitalisieren und dann das digitale Sigal über 
geeignete Trennglieder (z.B. Optokoppler) auf das Massepotential 
transportieren.

[Lieber N. (demjanus)]

Achim S. schrieb:
> Du kannst nach solchen "Spezialverstärkern" suchen. Oder dein
> Schaltungskonzept grundsätzlich überdenken. Oder vielleicht
> Trennverstärker verwenden, die eine gewisse Potentialdifferenz zwischen
> Eingangs- und Ausgangsseite zulassen. Oder auf der "hochliegenden"
> Eingangsseite das Signal digitalisieren und dann das digitale Sigal über
> geeignete Trennglieder (z.B. Optokoppler) auf das Massepotential
> transportieren.

Habe mir schon überlegt mit nem kleinen uC zu messen und via Optokoppler 
die Information zu übertragen. Hoffe aber noch das umgehen zu können.

Die alternative wäre die FETs auf die High Side zu schieben. Dann 
benötige ich aber wohl P-FETs, die ich eigentlich gern vermeiden wollte 
aufgrund des schlechteren RDSon etc. Oder ich bräuchte noch irgendwoher 
ne Hilfsspannung +10V auf Batterie+, auch nicht gerade prickelnd der 
Gedanke.


> Der INA117 ist eben kein "normaler OPV". Sondern - wie der Titel des
> Datenblatts sagt, ein "High Common-Mode VoltageDIFFERENCE AMPLIFIER".
> Sein Innenleben besteht aus einem "normalen OPV" plus zusätzlichen
> integrierten Spannungsteilern. (So dass du am Ende zu einer
> Gesamtschaltung kommst ähnlich wie sie dir Klaus mit den externen
> Spannungsteilern vorschlägt).

Ich verstehe leider noch nicht ganz wie ihr euch das mit den 
Spannungsteilern vorstellt. Könntet ihr mir das kurz näher skizzieren 
oder habt ihr evenuell einen Link für mich mit einem Beispiel? Das wäre 
wirklich sehr hilfreich.

[Lieber N. (demjanus)]

Ähm, kann sein das ich grad ein Problem konstruiert habe wo gar keines 
ist. Kann doch wohl eigentlich einfach die Spannung über dem FET (bzw. 
den FETs) messen statt dessen.

@Klaus: du hast dann wohl recht, schaue es mir nach dem Mittag mal an, 
aber ich habe wohl wirklich zuvor wirr geredet bzw. gedacht. Zumindest 
hoffe ich das es so ist :)

[Lieber N. (demjanus)]

Hallo zusammen,

ich habe das Konzept mal grundlegend überarbeitet und wäre nochmal über 
Feedback dankbar.

Ich würde jetzt mittels zweier Spannungsteiler die Spannung über den 
FETs messen.
Ein Spannungsteiler für das Maß der Spannung(sdifferenz zu) einer 
parallel geschalteten Batterie.
Ein Spannungsteiler für das Maß der Gesamtspannung mit in serie 
geschalteten Batterien.

Wird das so funktionieren?

Fragen die sich mir noch stellen:

1. Ich möchte die Batterien möglichst wenig belasten, daher die 
Spannungsteiler so hochohmig. Geht das oder sind die Leckströme durch 
die Klemmdioden dann im Verhältnis zu groß? Welche Ströme (durch welche 
Widerstände R14, R15, R16) sind denn für diese Betrachtung in welchem 
Maße relevant?

2. Welche Kriterien zieht man für die Wahl heran ob Kapazität oder 
Impedanzwandler vorm ADC bei einer hochohmigen Quelle? Tu mich schwer 
bei der Kapazität zu bewerten was bzw ob das schnell genug ist. Der 
Begriff Grenzfrequenz macht mir hier noch Probleme, bzw- ihn auf sowas 
wie Sample Frequenzen abzubilden. Die Grenzfrequenz wäre bei der 
Auslegung hier f(3dB) ~2kHz...

3. Vielleicht Blöde Frage: brauche ich die externen Schottkys überhaupt? 
Ein MCP6001 (6002) und auch die STM32 haben doch welche onboard soweit 
ich die Datenblätter gesichtet hab...

4. Die 3V3 werden aus der Primärbatterie über einen LDO hinter einem 
Buck-Regler erzeugt. Dieser versorgt auch den STM etc. Reicht das um 
sich keine Gedanken um ein paar uA Rückstrom machen zu müssen? 
Alternativ hätte ich sonst die Variante mit der Zener parallel zur 
Klemmdiode gegen GND angedacht. Da die OpAmp bzw. STM32 Eingänge nach 
oben zumindest bis 5V tolerant sind wäre es nicht so schlimm wenn der 
Übergang ins leiten der Zener nicht so genau ist...


Dazu noch die grundsätzliche Frage: beim vorherigen Desgin waren die 
Eingänge ja auch sehr hochohmig gespeist. D.h. thermisch hätte der da 
angehängte Baustein (aus der Quellle) doch eigentlich nicht zerstört 
werden können. D.h. die Spannung bewirt im inneren etwas (irgend ne 
Breakdown Voltage gerissen oder so) so dass der Baustein aus seiner 
eigenen Vcc zerstört wird?

[Achim S. (Gast)]

Lieber N. schrieb:
> Wird das so funktionieren?

Sorry: dein Plan ist für mich zu voll, zu unübersichtlich und zu unklar 
(viele Verbindungen die "in der Luft" enden, Signalflussrichtung mal 
links nach rechts, mal rechts nach links, mal oben nach unten, ....) Du 
weißt, was du dir dabei gedacht hast, ich müsste es mir mühsam 
erschließen.

Deswegen werde ich nicht das ganz insgesamt durchdenken, sondern nur zu 
dem was sagen, was mir ins Auge springt.

Lieber N. schrieb:
> Geht das oder sind die Leckströme durch
> die Klemmdioden dann im Verhältnis zu groß?

kommt immer auf die Genauigkeitsanforderung an. Aber als Rechenbeispiel: 
dein Teiler R12,R13 belastet die Batterie mit ca. 1MOhm, bezüglich 
Leckströmen der Dioden wirkt er aber wie eine Quelle mit Innenwiderstand 
24,3kOhm. Da kannst du dir schon ordentliche Leckströme erlauben, ehe 
der Fehler sehr groß wird.

Lieber N. schrieb:
> Welche Kriterien zieht man für die Wahl heran ob Kapazität oder
> Impedanzwandler vorm ADC bei einer hochohmigen Quelle? Tu mich schwer
> bei der Kapazität zu bewerten was bzw ob das schnell genug ist. Der
> Begriff Grenzfrequenz macht mir hier noch Probleme, bzw- ihn auf sowas
> wie Sample Frequenzen abzubilden. Die Grenzfrequenz wäre bei der
> Auslegung hier f(3dB) ~2kHz...

Es hängt davon ab
- wie die Eingangsstruktur deines ADC aussieht. Wie lange hat er bei 
deiner Samplerate Zeit, seinen Samplingkondensator aufzuladen? Manche 
ADC lassen den Samplingkondensator während der "Pause" dauerhaft am 
Eingang (dann ist der Quellenwiderstand unkritisch), andere schalten ihn 
nur für ein paar Takte an den Eingang (dann kann der Quellenwiderstand 
kritisch sein)
- wie schnell sich dein Eingangssignal ändert. (Die Batteriespannung 
ändert sich langsam, aber ich weiß nicht, wie schnell du mit deinen

Lieber N. schrieb:
> Vielleicht Blöde Frage: brauche ich die externen Schottkys überhaupt?
> Ein MCP6001 (6002) und auch die STM32 haben doch welche onboard soweit
> ich die Datenblätter gesichtet hab...

Dann sichte die Datenblätter soweit, dass du dir sicher sein kannst (ich 
werde es nicht für dich tun ;-)
Wenn du dir trotzdem nicht sicher wirst: ein paar Schottkys zuviel sind 
oft besser als ein paar zuwenig.

Lieber N. schrieb:
> Die 3V3 werden aus der Primärbatterie über einen LDO hinter einem
> Buck-Regler erzeugt. Dieser versorgt auch den STM etc. Reicht das um
> sich keine Gedanken um ein paar uA Rückstrom machen zu müssen?

Wie viel Eigenverbrauch haben dein Buck und dein LDO? Lohnt es sich im 
Hinblick auf deren Verbrauch überhaupt, OPVs einzusetzen, die nur µA 
Betriebsstrom haben? Welchen Betriebsstrom hat dein STM32? Setzt du den 
zwischenzeitlich in irgendwelche deep power down modes, so dass du dir 
Gedanken wegen ein paar µA Rückstrom machen musst?

Lieber N. schrieb:
> Dazu noch die grundsätzliche Frage: beim vorherigen Desgin waren die
> Eingänge ja auch sehr hochohmig gespeist. D.h. thermisch hätte der da
> angehängte Baustein (aus der Quellle) doch eigentlich nicht zerstört
> werden können.

In- lag im vorherigen Design über 10Ohm an 96V. Das zerreist das IC 
sowohl wegen Überspannung als auch thermisch.

[Achim S. (Gast)]

Ups, da ging zwischendurch ein Satz verloren.

Zu deiner Frage nach der Tiefpasswirkung der Spannungsteiler fehlt 
folgende Ergänzung:

Achim S. schrieb:
> - wie schnell sich dein Eingangssignal ändert. (Die Batteriespannung
> ändert sich langsam, aber ich weiß nicht, wie schnell du mit deinen

...FETs schalten willst und wie schnell nach der Schaltflanke du den 
Spannungswert messen willst.