Hallo zusammen,
ich habe zu meiner Thematik bereits einen Thread von 2015 gefunden,
welcher einige Fragen zum Thema "Ausgangssignal eines Drucksensors
invertieren" beantwortet:
Beitrag "Spannungslinie invertieren 0 bis +5V"
Da ich jedoch kein Elektroniker bin, bräuchte ich Hilfestellung bei der
korrekten Bestückung / Schaltung eines passenden Operationsvertärkers.
WAS MÖCHTE ICH REALISIEREN?
Gegeben ist ein analoger Drucksensor, welcher mit 5V/DC versorgt wird.
Bei 0 Bar gibt er 0,5V aus, bei 2 Bar 4,5V.
Da ich das Ausgangssignal zur Drehzahlsteuerung einer Pumpe mit 24V
Brushless Motor benötige, brauche ich es genau umgekehrt. Der
Drucksensor ersetzt dabei das 10k Poti am Drehzahlregler der Pumpe.
Soll ist somit: 4,5V bei 0 Bar und 0,5V bei 2 Bar (Pumpe stoppt bei
Höchstdruck)
WELCHE BAUTEILE BRAUCHE ICH?
Gefunden habe ich eine Platine zum Bau eines
Universal-Operationsverstärkers. Hier ein beispielhafter Link:
https://www.amazon.de/FPS-Berlin-Rev-1-2-3x-Platine-Universal-Operationsverst%C3%A4rker/dp/B01M7YC0BZ
Mir ist jedoch nicht klar, ob ich nun einen Invertierverstärker, einen
Differenzverstärker oder einen Differenzierverstärker brauche.
Könnt ihr mir sagen, welche der Schaltungen auf den Produktbildern ich
verwenden muss?
Da es tausende Operationsverstärker gibt, bitte ich zudem um Empfehlung
des richtigen Modells sowie der Widerstände welche ich einlöten muss.
Eine Erklärung für Dummies wäre nett ;)
Vielen Dank vorab für eure Bemühungen.
Garfunkel schrieb:> Gefunden habe ich eine Platine zum Bau eines> Universal-Operationsverstärkers.
Du brauchst nur ein IC und vier Widerstände.
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210141.htm
Den Plus-Eingang legst du aber nicht auf GND sondern mit einem
Spannungsteiler auf die Hälfte der Stromversorgung (also 2,5V).
1x TS912
4x 10kΩ
Für Deine Anwendung würde sich ein Rail to Rail OPV als invertierender
Verstärker gut eigenen. Damit der invertierende Verstärker richtig
funktioniert muß der positive Eingang an den halben Mittelpunkt bezogen
werden.
Das geht am besten mit einen symmetrischen Widerstandspannungsteiler von
Vcc nach Masse von der Drucksensorbetriebsspannung weil viele aktiv
verstärkende Drucksensoren ratiometrisch arbeiten. Den (+) Eingang
schließt man an diesen Spannungsteiler an um dort die halbe
Betriebsspannung als Referenzpunkt zu erhalten (rund 2.5V).
Um die Spannung umzukehren schließt man den Invertierenden (-) Eingang
über einen 10K Widerstand am Drucksensorspannungsausgang an. Zwischen
Ausgang des OPV und dem Knotenpunkt (-) Eingang und Widerstand vom
Drucksensor schließe einen gleichen Widerstand an. Der genaue Wert ist
unwichtig solange beide Widerstände so gleich wie möglich sind.
Als OPV eignet sich jeder OPV solange der Ausgang bei 5V
Betriebsspannung zwischen 0.2-4.8V reicht. Bei den Eingängen ist zu
beachten, daß der sogenannte "Common Mode Range" groß genug ist um Vcc/2
zu verkraften. Am besten eignen sich Rail to Rail OPVs.
Da die Verstärkung sehr gering ist ist, müssen an Offset und Drift keine
großen Ansprüche gestellt werden. Ein LMV321 z.B.
Der hier eignet sich gut:
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/lmv321-d.pdf
Einziger Nachteil, es gibt ihn nicht in DIP Gehäuse.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa4342.pdf?ts=1628710023003&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.ca%252F
Diese Universalplatinen eigen sich nicht für den TS912 (weil das ein
dual op-amp ist).
Passen könnten LMV321, MCP6001 und MC34071.
Der TL071 würde auch passen, aber der braucht eine symmetrische
Versorgungsspannung die deutlich höher als dein Nutzsignal ist, z.B. +/-
9V.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Diese Universalplatinen eigen sich nicht für den TS912 (weil das ein> dual op-amp ist).
Laut Platinen-Hersteller sollte sich der TS912 sowie der TS922 verbauen
lassen. Das Problem ist vermutlich nicht die Bauform, sondern die
Beschaltung welche ich benötige?
Ich bin dankbar für eure raschen Tips, jedoch habe ich damit zu kämpfen,
alles zu verstehen was für euch vermutlich leichte Lektüre ist.
Hier ein noch direkter Link zur Platinen-Hersteller-Website:
https://www.fps-berlin.de/platine-universal-operationsverst%C3%A4rker/
Bisweilen habe ich folgendes verstanden: ich brauche beispielsweise den
TS912, 4 Widerstände mit 10kOhm (1/4 Watt?) und einen
Spannungsteiler?...
So könnte es funktionieren. Alle Widerstände gleich, z. B. 10 kOhm,
Leistung spielt keine Rolle. Wenn es ein R2R-OV ist, seine
Betriebsspannung an GND und +5 V anschließen!
Gruß
WIRO
WIRO schrieb:> So könnte es funktionieren.
Dein Schaltschema entspricht dem selben, welches der Platinenhersteller
als Differenzvestärker bezeichnet (siehe Foto). Somit sollte die
Umsetzung mit dem TS912, der angedachten Universal-Platine, sowie 4
Widerständen mit 10kOhm möglich sein.
Die Bedenken von Stefan bezüglich der Platinenkompatibilität kann ich
nach meinen Recherchen ausräumen. Die Pinbelegung der Platine ist
tatsächlich auf dual OPs ausgelegt und deckt sich mit dem TS912.
Das mit dem erwähnten Spannungteiler hab ich jetzt glaube ich auch
kapiert: das sind die beiden Widerstände, welche zwischen +5V und GND
sitzen?? Berichtigt mich bitte, wenn ich mit dieser Aussage falsch liege
;)
Somit dürfte nun alles klar sein und ich kann das Material ordern.
Garfunkel schrieb:> Somit dürfte nun alles klar sein und ich kann das Material ordern.
Und bitte noch zwei keramische Abblockkondensatoren dazu, sonst meckern
wieder einige. Also 100nF keramisch. GND zu +Ub und GND zu -Ub.
Besser noch einen dritten, der zwischen GND und der Mitte des
Spannungsteilers angeschlossen wird, damit auch ich zufrieden bin.
mfG
Christian S. schrieb:> Besser noch einen dritten, der zwischen GND und der Mitte des> Spannungsteilers angeschlossen wird, damit auch ich zufrieden bin.
Genau dieser Kondensator wird oft genug nicht eingebaut, und dann werden
kleine Spannungsänderungen dieser Referenzspannung je nach Verstärkung
auch an den Ausgang weitergegeben ...
Christian S. schrieb:> Besser noch einen dritten, der zwischen GND und der Mitte des> Spannungsteilers angeschlossen wird, damit auch ich zufrieden bin.
Würde ich aus Sicht von guter Gesamt-Gleichtaktunterdrückung (CMRR)
weniger empfehlen. Mit einem C am Spannungsteiler würde das CMRR
verschlechtert werden weil dann vorhandene Störungen über Vcc
eingeschleift, dann differenziell verstärkt werden.
Dann wäre es wahrscheinlich besser dem Rückkopplungswiderstand ein
entsprechendes C dort parallel zu schalten um höherfrequente Störungen
zu vermindern..
Garfunkel schrieb:> Hier ein noch direkter Link zur Platinen-Hersteller-Website:> https://www.fps-berlin.de/platine-universal-operationsverst%C3%A4rker/
Super, da ist auch der "Schaltplan der Platine Universal-
Operationsverstärker Rev.1.2" drin.
Ok, die Platine ist offenbar für Dual OP-Amps gedacht. Auf dem Foto des
Händlers sah das anders aus. Dann würde ich den TS912 nehmen, denn den
hat Reichelt im Programm.
WIRO hat oben die Schaltung so gezeichnet, wie ich mir das gedacht habe.
Alle 4 Widerstände mit 10kΩ.
Der Spannungsteiler wäre auf der Platine R5 und R6. Die Gegenkopplung R1
und R2. Folgende Jumper musst du überbrücken: JP5, JP6, JP8, LA, LB.
Eingang ist IN1A (bzw. IN1B), Ausgang ist OUTA1 (bzw. OUTB1). Die 5V
Versorung musst du an V+ und V- anschließen. Den GND benutzt du nicht.
Ich greife lieber zu einer Lochrasterplatine wo ich alle Teile so
anordnen kann, wie ich das will.
Garfunkel schrieb:> Gegeben ist ein analoger Drucksensor, welcher mit 5V/DC versorgt wird.> Bei 0 Bar gibt er 0,5V aus, bei 2 Bar 4,5V.> Da ich das Ausgangssignal zur Drehzahlsteuerung einer Pumpe mit 24V> Brushless Motor benötige, brauche ich es genau umgekehrt. Der> Drucksensor ersetzt dabei das 10k Poti am Drehzahlregler der Pumpe.> Soll ist somit: 4,5V bei 0 Bar und 0,5V bei 2 Bar (Pumpe stoppt bei> Höchstdruck)
Hier sind ja schon einige Vorschläge zu Operationsverstärkerschaltungen
gekommen. Was bisher nicht gefragt wurde, aber wichtig für einen
sinnvollen Lösungsvorschlag ist, wie sieht der Steuereingang des
Drehzahlreglers aus?
Ein Poti durch eine andere Schaltungsalternative zu ersetzen geht nur,
wenn diese Randbedingungen bekannt sind.
Garfunkel schrieb:> Drucksensor ersetzt dabei das 10k Poti am Drehzahlregler der Pumpe.> Soll ist somit: 4,5V bei 0 Bar und 0,5V bei 2 Bar (Pumpe stoppt bei> Höchstdruck
Sage mal, hast du dir Gedanken darüber gemacht, dass dieses Konstrukt
wahrscheinlich schwingen wird?
Denn wenn du die Pumpe herunter regelst wird der Druck zeitlich
verzögert (!) absinken. Dann wird sie wieder hoch geregelt, was den
Druck zeitlich verzögert (!) ansteigen lässt.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Garfunkel schrieb:>> Drucksensor ersetzt dabei das 10k Poti am Drehzahlregler der Pumpe.>> Soll ist somit: 4,5V bei 0 Bar und 0,5V bei 2 Bar (Pumpe stoppt bei>> Höchstdruck>> Sage mal, hast du dir Gedanken darüber gemacht, dass dieses Konstrukt> wahrscheinlich schwingen wird?>> Denn wenn du die Pumpe herunter regelst wird der Druck zeitlich> verzögert (!) absinken. Dann wird sie wieder hoch geregelt, was den> Druck zeitlich verzögert (!) ansteigen lässt.
Das hängt doch von der Art der Pumpe ab, bzw. wie der Druck gehalten
wird, ob da überhaupt was schwingen kann. Wenn der Druck bei Abschalten
der Pumpe erhalten bleibt, dann geht die Pumpe einfach aus, wenn das
Soll erreicht ist, und der Druck bleibt konstant.
Wenn der Druck dagegen rein dynamisch gehalten wird (Pumpe muß also
immer laufen, um den Druck zu erhalten, wie eine Kreiselpumpe, oder auch
ein simpler Ventilator auf der Druckseite, dann könnte was schwingen.
Aber das hängt ja nicht einfach nur von den Verzögerungen ab, sondern
z.B. auch von der Regelkreisverstärkung (bzw. generell von PID).
Mir würde sich jetzt eher die Frage stellen, ob die Pumpe wirklich mit
0,5...4,5V angesteuert werden soll (als Lastspannung), und wenn ja, ob
die wirklich noch was sinnvolles macht, wenn die nur 0,5V sieht.
Jens G. schrieb:> Mir würde sich jetzt eher die Frage stellen, ob die Pumpe wirklich mit> 0,5...4,5V angesteuert werden soll (als Lastspannung), und wenn ja, ob> die wirklich noch was sinnvolles macht, wenn die nur 0,5V sieht.
So, hier kamen mittlerweile noch einige konstruktive Vorschläge seit
meinem letzten Post. Ich arbeite das mal "schnell" in Stichpunkten ab:
- ich verwende eine Zahnradpumpe, welche in der Medizin auch als
Dosierpumpe eingesetzt werden kann. Bekommt der Drehzahlregler auf der
Signalleitung 0,5V, spricht der Motor darauf noch nicht an. Erst bei
einer Spannung ab etwa 0,6V fängt er an zu drehen. Weiteres über den
Brushless Regler kann ich nicht Kund tun. Dieser ist vom Hersteller in
die Pumpe integriert und ich bekomme keine Datenblätter.
- mit "Schwingen" ist wohl der ständige Wechsel zwischen hoch- und
runterregeln gemeint? Der Drucksensor hat eine Reaktionszeit von 1ms,
somit hält sich die Verzögerung bei Druckänderung in Grenzen. Die Pumpe
muss den Druck nicht halten! Sie ist durch ein Rückschlagventil
entlastet und kann somit bei erreichen des Höchstdruckes stehen bleiben.
Somit läuft sie nicht heiß.
Da bei laufender Pumpe der Durchfluß immer konstant ist, wird sich die
Drehzahl auch nicht rapide hoch oder runter regeln. Also dürfte nichts
schwingen. Die Praxis wird´s zeigen.
- zum Thema Kondensatoren: kann mir jemand vielleicht einzeichnen, wo
ich die noch einsetzen muss? Brauche ich nun zwei oder besser drei??
Den TS912 gibt´s bei Reichelt nur in SMD Bauweise. Ich bevorzuge aber
die Steckvariante (DIP8), da ich diese beim Löten nicht "verbraten"
kann. Also bleiben nur Mouser, Digikey und Farnell. Das macht aber bei
dem Bestellwert keinen Sinn!!
Hier wurde ich fündig:
https://www.darisusgmbh.de/shop/product_info.php/info/p4373_TS912IN-----2xOp-Amp-SingS-0-8MHz-0-4V-us-DIP8.html
Einen LM358, LM324 Wald und Wiesen(General Purpose) OPV könnte man auch
verwenden solange man ihn mit mindestens 1.5V mehr an Betriebsspannung
versorgen könnte wie an Ausgangsspannung gebraucht wird. Bei einer
gewünschten maximalen Ausgangsspannung von 4.5V, also mindestens 6V. Den
Drucksensor könnte man mit dann mit einem LM78L05 versorgen. Wenn eine
8-12V DC Spannungsversorgung vorhanden ist, dann kriegt der OPV 8-12V.
Was findet sich an OPVs und anderen Teilen in der "Bastelkiste"?
Vielleicht lasst sich damit was machen.
Mit einen uC als alternativer Lösungsansatz ließe sich Dein Projekt ganz
einfach ohne OPV und wenigern diskreten Komponenten durchziehen und
ermöglicht aufwendigere Kontrollrezepte wie PID Steuerung falls es sich
am Ende als notwendig erweisen sollte.
Kochrezept:
Man nehme einen Arduino Nano.
An einen der Analog Eingänge hänge man den Ausgang des Drucksensors.
Am PWM Ausgang schließt man eine RC Kombination, sagen wir 10K, 10uF an
deren Ausgang man den Stelleingang der Pumpe anschließt. (Voraussetzung
ist, daß dieser Eingang genügend hochohmig ist).
Der Arduino kann mit 12V oder USB versorgt werden. Die paar mA der
Sensorstromversorgung kann vom Arduino VCC Punkt beglichen werden.
Den VREF des AVR uC sollte auf VCC geschaltet werden, so daß der
Drucksensor ratiometrisch gemessen wird. Falls es sich als notwendig
erweisen sollte Pumpenpulsationen zu verringern oder zu eliminieren kann
mit ADC Mittelwertbildung oder aufwendigere Methoden gearbeitet werden.
(Dann aber bietet sich eine PID Reglung an die dynamisch durch PID
Parameter Einstellung sehr anpassbar ist).
Ein kurzes Arduino Programm mißt dann periodisch die Analogspannung vom
Drucksensor. Bildet dann durch Subtraktion der Drucksensor-VCC und einer
kleinen Offsetkonstante mit dem des ADC Wertes den Differenzwert und
übergibt diesen Wert dann dem PWM Ausgang. (Arduino hat dafür schon
Bibliotheken. Ist wirklich super einfach). Mit dem Millis() Timer kann
man dann die Update Periode festlegen. Das Ganze lässt sich in kürzester
Zeit durchziehen.
Was mich betrifft wäre mir wegen der Flexibilität des uC diese Lösung
lieber. Speziell, wenn vielleicht schon irgendein Arduino im Haus
vorhanden ist.
Aber lass Dich von mir nicht beirren wenn Dir dieser Weg unsympathisch
ist;-)
Gerhard O. schrieb:> Was findet sich an OPVs und anderen Teilen in der "Bastelkiste"?> Vielleicht lasst sich damit was machen.
Tatsächlich habe ich derartige Bauteile nicht in meiner Bastelstube. Ich
bin kein Elektroniker. Ausser den üblichen Widerständen, Relais und ein
paar Elkos sieht´s düster aus. Somit musste ich ohnehin alles für diesen
Versuch ordern.
Nur ein Versand aud den USA hätte sich wegen dieser Peanuts nicht
rentiert. Bei den großen Distributoren machen Bestellungen erst ab 50,-
Euro Sinn bzw. wenn die Versandkosten eben wegfallen.
Ich habe übrigens gesehen, daß ich beim verlinkten Händler den letzten
TS912 aus deren Lagerbestand bestellt habe. Aber den TS922 gibt es noch
;)
Garfunkel schrieb:> Nur ein Versand aud den USA hätte sich wegen dieser Peanuts nicht> rentiert. Bei den großen Distributoren machen Bestellungen erst ab 50,-> Euro Sinn bzw. wenn die Versandkosten eben wegfallen.
Vielleicht kann Dir jemand im Forum mit ein paar der gesuchten
altmodischen THT Komponenten aushelfen. Das Bestellen bei den
Distributoren ist in der Regel viel teurer wie ein inländischer Brief.
Garfunkel schrieb:> Da bei laufender Pumpe der Durchfluß immer konstant ist, wird sich die> Drehzahl auch nicht rapide hoch oder runter regeln. Also dürfte nichts> schwingen.
Ich glaube die Bedingung für Schwingungen lautet:
Wenn im Regelkreis ein verzögerndes Element liegt und die
Gesamtverstärkung > 1, dann schwingt es.
In deinem Fall hast du den Operationsverstärker auf Verstärkungsfaktor 1
gesetzt. Es kommt also auf Pumpe und Drucksensor an.
Einfach einen Verstärkungsfaktor < 1 einzusetzen ist aber womöglich
keine Lösung, weil dann die Regelung zu schwach regelt.
> Die Praxis wird´s zeigen.
Ja. Teste es mit unterschiedlichen Drücken und Flüssigkeiten.
Was die Kondensatoren angeht: Du brauchst nur einen 100nF an +5V und GND
direkt am Operationsverstärker.
So, ich fasse die Lösung nochmals zusammen, falls jemand ein ähnliches
Problem haben sollte.
Sollte mir ein Fehler im Schaltplan oder beim Einzeichnen des
Kondensators unterlaufen sein, bitte ich die Profis um Richtigstellung
;)
Die farbigen Markierungen sollen das Schema und die zu setzenden Brücken
verdeutlichen.
- ROT = +5V
- GRÜN = Signal 0,5 - 4,5V bzw. invertiert
- GRAU = -
Verwendete Bauteile:
- 1 x Universal-Platine Operationsverstärker (Hersteller: fps-berlin)
- 4 x Widerstand 10kOhm (Metallschicht, 0,6W, 0,1%)
- 1 x Operationsverstärker TS912 (Hersteller: ST Microelectronix)
- 1 x Keramikkondensator 100nF (5%)
Ich danke euch für die umfangreiche Hilfestellung und werde in einer
Woche von meinen Testergebnisen berichten...
ABSCHLUSSBERICHT:
wie versprochen berichte ich hiermit nochmals kurz, ob die Schaltung
funktioniert hat:
Ja, der Differenzverstärker hat genau das erledigt, was angestrebt
wurde. Dennoch hatte ich in meiner Umsetzung mehrere Denkfehler. Ich
wollte das Poti zur Geschwindigkeitsregelung der Pumpe direkt durch
einen Drucksensor mit Differenzverstärker am Signalausgang ersetzen.
Dies funktionierte nicht, denn die 5V welche am Poti anlagen, waren
nicht Laststabil und brachen auf 3V ein. Die 5V Stromversorgung mussten
somit von einer anderen Stromquelle kommen, welche den selben GND wie
die Pumpe nutzt. Somit nahm ich hierfur einen Step-Down-Converter,
hängte diesen an die 24V Stromversorgung meiner Pumpe und versorgte
damit den Drucksensor, sowie den Differenzverstärker mit 5V. Nun lief
das Ganze...
Durch die unmittelbare Drehzahlregelung der Pumpe mittels Drucksensor,
regelte diese jedoch vor erreichen des Solldruckes die Drehzahl bereits
so rapide herunter, daß dieser nicht erreicht werden konnte. Der Druck
stagnierte somit bei 1,6 Bar und die Pumpe schaltete nicht ab, sondern
lief mit geringer Drehzahl permanent weiter, da die endgültige
Abschaltung erst bei 2,0 Bar erfogt wäre.
Also ist mein Experiment gescheitert und eignet sich nicht zum Nachbau.
Eine Steuerung über Microcontroller ist für ähnliche Vorhaben somit
unerlässlich!
Ich für meinen Teil bin auf eine andere Pumpe mit integrierter,
automatischer Durchfluß- und Drucksteuerung umgestiegen, da dies
kostengünstiger und einfacher war, als andere Umsetzungsvarianten.
Weiterhin gutes Gelingen an alle Bastler und Profis.
Garfunkel schrieb:> Durch die unmittelbare Drehzahlregelung der Pumpe mittels Drucksensor,> regelte diese jedoch vor erreichen des Solldruckes die Drehzahl bereits> so rapide herunter, daß dieser nicht erreicht werden konnte. Der Druck> stagnierte somit bei 1,6 Bar und die Pumpe schaltete nicht ab, sondern> lief mit geringer Drehzahl permanent weiter, da die endgültige> Abschaltung erst bei 2,0 Bar erfogt wäre.
Tja, weil das eigentlich nur ein P-Regler ist (Proportional-Regler). Der
hat immer einen Restfehler, bzw. kommt nie exakt beim Sollwert an.
Und da offensichtlich die innere Verstärkung Deines Regelkreies zu klein
ist, wird auch der Restfehler entsprechend groß bleiben. D.h., Du
würdest nie die 2bar erreichen, sondern immer leicht drunter. Je höher
die Verstärkung ist, umso kleiner wird der Restfehler (aber um so
schwinganfälliger wird das ganze evtl.). Durch Vergrößern des Feedback-R
des OPV kanste Dich ja mal ranstasten ...
Um auch den restlichen Restfehler weg zu putzen, wäre mindestens ein
PI-Regler (Proportional/Integral) nötig, der auch noch den Restfehler
wegputzen würde, zumindest nach einer gewissen Zeit).
Suche mal nach PID-Regler (mit D, was die dritte Komponente wäre), damit
Du siehst, was hier gemeint wird.
