Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik nichtinvertierender operationsverstärker


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von Javir (Gast)


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Hallo zusammen,

ich bin Mechatronik-Student und würde 2 digitale Arduinoausgänge von 0-5 
V auf 0-12 V bzw. 3V-12V verstärken. Den nichtinvertierender 
Operationsverstärker werde ich mit 12 V versorgen.

Ua= 5 V * (1+6kohm/4Kohm)= 12.5 V.

die Anforderungen sind wie folgt:

hohe Anstiegsgeschwindigkeit.

Stromversorgungs-Typ: nicht dual, da ich keine negative Spannung habe.

und das Gehäuse soll PDIP.


ich benötige eure Unterstützung, um den richtigen OPV auszuwählen.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Javir schrieb:
> und würde 2 digitale Arduinoausgänge von 0-5 V auf 0-12 V bzw. 3V-12V
> verstärken.
Digitale Ausgänge mit OPs "verstärken"? Wofür?
Was wird da angeschlossen?

von Javir (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Was wird da angeschlossen?

Die Signale werden an die Eingänge einer ECU angeschlossen. Die ECU 
erkennt nur, ob die Signale HIGH (12V) or LOW (0V). Falls ihr andere 
Vorschläge habt, dann gerne.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Dann wäre möglicherweise ein Pegelwandler die richtige Lösung. Aber 
natürlich fehlen mal wieder die ganzen wichtigen Rahmenbedingungen.

Beitrag #6443354 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Harald W. (wilhelms)


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Andreas S. schrieb:

> Dann wäre möglicherweise ein Pegelwandler die richtige Lösung.

...oder ein einfacher Transistor.

von HildeK (Gast)


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Javir schrieb:
> ich bin Mechatronik-Student und würde 2 digitale Arduinoausgänge von 0-5
> V auf 0-12 V bzw. 3V-12V verstärken. Den nichtinvertierender
> Operationsverstärker werde ich mit 12 V versorgen.
Dann gibt es nur bei speziellen OPAs auch 12V am Ausgang. Die meisten 
kommen nur bis etwa 2V an VCC heran. Du müsstest also mit 14-15V 
versorgen oder einen nehmen, der am Ausgang an die Rails kommt.

> Ua= 5 V * (1+6kohm/4Kohm)= 12.5 V.
Du kannst weder 6k noch 4k kaufen. Aber es geht natürlich auch mit 
anderen Kombinationen: 6k8 und 4k7 gäbe 12,2V.

> die Anforderungen sind wie folgt:
>
> hohe Anstiegsgeschwindigkeit.
Wie hoch? Meist ist ein OPA eher langsam.

> Stromversorgungs-Typ: nicht dual, da ich keine negative Spannung habe.
Für den OPA als nicht invertierender Verstärker zunächst kein Problem.

Javir schrieb:
> Die Signale werden an die Eingänge einer ECU angeschlossen. Die ECU
> erkennt nur, ob die Signale HIGH (12V) or LOW (0V). Falls ihr andere
> Vorschläge habt, dann gerne.

Ja, da wäre doch der richtige Vorschlag ein Komparator. Vorschlag: 
LM393, https://www.ti.com/lit/gpn/lm393-n
Du brauchst am Eingang einen Spannungsteiler von 12V auf 6V als 
Schwelle, am Ausgang einen Pullup (2k2) auf 12V. Ich empfehlen noch 
einen Hystereswiderstand.

von HildeK (Gast)


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Harald W. schrieb:
> ...oder ein einfacher Transistor.

... dann schon zwei, falls nicht invertiert werden dürfte. Was wir nicht 
wissen.

von Georg M. (g_m)


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Kann man da nicht sowas ähnliches wie z.B. MCP1416 verwenden?

von Wolfgang (Gast)


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Georg M. schrieb:
> Kann man da nicht sowas ähnliches wie z.B. MCP1416 verwenden?

1.5A um eine ECU anzusteuern?

von Harald W. (wilhelms)


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HildeK schrieb:

>> ...oder ein einfacher Transistor.
>
> ... dann schon zwei, falls nicht invertiert werden dürfte. Was wir nicht
> wissen.

Invertieren kann man auch in der Software.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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HildeK schrieb:
> ... dann schon zwei, falls nicht invertiert werden dürfte. Was wir nicht
> wissen.

Wenn der Pegelwandler nicht invertieren darf, aber eine minimale 
Ausgangsspanung von ca. 1V hinreichend ist, genügt ein einzelner 
NPN-Transistor.

von Georg M. (g_m)


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Wolfgang schrieb:
> 1.5A um eine ECU anzusteuern?

Low Supply Current:
- With Logic ‘1’ Input - 0.65 mA (typical)
- With Logic ‘0’ Input - 0.1 mA (typical)

von H. B. (communicator9)


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Ich würde sowas mit Optokoppler oder PhotoMOS schalten.
Dadurch vermeidest du unerwünschte Masseschleifen oder Störungen die 
rückwirken.

von HildeK (Gast)


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Andreas S. schrieb:
> Wenn der Pegelwandler nicht invertieren darf, aber eine minimale
> Ausgangsspanung von ca. 1V hinreichend ist, genügt ein einzelner
> NPN-Transistor.

Ja, du hast recht. Basisschaltung, da geht das Ausgangssignal sogar 
recht gut auf 0V. Siehe Bild.
R6 kann man sicher noch etwas größer wählen. 10k oder so ...

von WerWieWas (Gast)


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Falls du nach wie vor einen OP verwenden willst, suchst du nach einem 
RailToRail Typen.

von Michel M. (elec-deniel)


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von Klaus R. (klara)


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Javir schrieb:
> Die Signale werden an die Eingänge einer ECU angeschlossen. Die ECU
> erkennt nur, ob die Signale HIGH (12V) or LOW (0V). Falls ihr andere
> Vorschläge habt, dann gerne.

Glaube ich nicht. Thereshold, Schaltschwelle, wird u.U. bei 1/3 Vdd und 
2/3 Vdd liegen. HildeK hat doch einen netten Pegelwandler vorgestellt. 
Den könnte man auch mit MOSFET bauen. Ein 2N7002 sollte genügen.

Javir schrieb:
> Die ECU
> erkennt nur, ob die Signale HIGH (12V) or LOW (0V).

Wieviel Strom fließt dabei?
mfg Klaus

: Bearbeitet durch User
von Georg M. (g_m)


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H. B. schrieb:
> Ich würde sowas mit Optokoppler oder PhotoMOS schalten.

Ja, das wäre die beste Lösung.

von Klaus R. (klara)


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Georg M. schrieb:
> H. B. schrieb:
>> Ich würde sowas mit Optokoppler oder PhotoMOS schalten.
>
> Ja, das wäre die beste Lösung.

Ja, vermutlich. Ob eine Potentialtrennung wünschenswert oder gar 
erforderlich ist, hat der Javir nicht angesprochen.

Aber auch zur geforderten "hohe Anstiegsgeschwindigkeit" gibt es keine 
Zahlen. Womöglich ist das aus Sicht der Mechanik gedacht.

Ja Javir, wie schnell soll es denn sein?

1 ms, 1 µs oder 1 ns?

Na gut, bei digitalen Arduinoausgängen ist es ja eigentlich noch 
gemütlich.
Aber Zahlen wären schon angebracht, sonst stehst Du u.U. vor dem 
nächsten Problem wenn es doch zu langsam ist. Zu schnell ist aber auch 
nicht gut, weil dann ggf. die Störstrahlung zu hoch wird. Das ist eben 
die Elektronik mit all ihren Wundern und Problemen.
mfg klaus

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Ich würde an die Ratestunde, in der be- und geraten wurde wie wild, doch 
noch ein paar Fragen anschließen:

Javir schrieb:
> Die Signale werden an die Eingänge einer ECU angeschlossen. Die ECU
> erkennt nur, ob die Signale HIGH (12V) or LOW (0V).
0,1V sind also schon kein LOW mehr, aber auch noch kein HIGH?
Und 11,9V ist kein HIGH, aber sicher auch kein LOW?
Oder was passiert im "verbotenen" Zustand dazwischen?
Wo liegen die Schaltschwellen?
Bei welcher (Mindest-)Spannung erkennt die unbekannte ECU ein HIGH?
Bei welcher (Maximal-)Spannung erkennt sie noch ein LOW?

> Die ECU
Welche denn?

: Bearbeitet durch Moderator
von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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HildeK schrieb:
> Andreas S. schrieb:
>> Wenn der Pegelwandler nicht invertieren darf, aber eine minimale
>> Ausgangsspanung von ca. 1V hinreichend ist, genügt ein einzelner
>> NPN-Transistor.
>
> Ja, du hast recht. Basisschaltung, da geht das Ausgangssignal sogar
> recht gut auf 0V. Siehe Bild.
> R6 kann man sicher noch etwas größer wählen. 10k oder so ...

Bei Deiner Simulation wird die Ausgangsimpedanz des 
Microcontrollerausganges unterschlagen. Da bei der Basisschaltung jedoch 
nicht nur der Ausgangsstrom, sondern auch der Basisstrom und der Strom 
durch R6 in den Microcontroller hineinfließen, kommt man nicht ganz auf 
0V hinunter. Hinzu kommt auch noch die Sättigungsspannung des 
Transistors, üblicherweise ca. 0,2V in voll durchgesteuertem Zustand.

von Wolfgang (Gast)


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Javir schrieb:
> ich bin Mechatronik-Student und würde 2 digitale Arduinoausgänge von 0-5
> V auf 0-12 V bzw. 3V-12V verstärken. Den nichtinvertierender
> Operationsverstärker werde ich mit 12 V versorgen.

Digitale Ausgänge und Operationsverstärker passt nicht wirklich 
zusammen, auch wenn es natürlich funktionieren würde.

IMHO sitzt du auf dem falschen Pferd.

von HildeK (Gast)


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Andreas S. schrieb:
> Bei Deiner Simulation wird die Ausgangsimpedanz des
> Microcontrollerausganges unterschlagen. Da bei der Basisschaltung jedoch
> nicht nur der Ausgangsstrom, sondern auch der Basisstrom und der Strom
> durch R6 in den Microcontroller hineinfließen, kommt man nicht ganz auf
> 0V hinunter. Hinzu kommt auch noch die Sättigungsspannung des
> Transistors, üblicherweise ca. 0,2V in voll durchgesteuertem Zustand.

Ja, man könnte die Quelle noch mit 20Ω Innenwiderstand ansetzen.
Es ist klar, dass der Strom durch R6 vom µC verarbeitet werden muss, das 
ist meiner Ansicht nach der Hauptnachteil dieser Schaltung. Hier sind es 
etwa 5-6mA, das muss man ggf. an den µC-Ausgang mit dem Wert von R6 noch 
anpassen. Ein Arduino hat m.W. oft einen Atmel-µC, der kann das locker.
Die Sättigungsspannung des Transistors wird jedoch in der Simulation 
schon berücksichtigt, es sind ja durchaus brauchbare Modelle in 
Verwendung. Da es nur wenige mA Kollektorstrom sind, erwarte ich auch 
real keine 200mV.

Aber selbst wenn da ein halbes Volt zusammenkommen würde: Wenn der 
Logikpegelhub am Empfänger 12V beträgt, kann man noch nachprüfen, ob die 
verbotene Zone da weit außerhalb von 25% und 75% von den 12V liegt (3V 
und 9V). Über den ECU-Eingang haben wir leider keine weiteren Infos, 
wahrscheinlich ist der verbotene Bereich noch deutlich kleiner. Das 
könnte der TO mal nennen. Auch, welche Flankensteilheit notwendig ist 
und welche Eingangsimpedanz die ECU hat.
Vielleicht meldet er sich nochmals 😀.

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