Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Differenzverstärker mit Singel Supply und negativer Gleichtaktspannung


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von Falk B. (falk)


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Hallo liebe Gemeinde,

ich suche einen Trick, um mit einfachen Mitteln die Spannung über einem 
Shunt unterhalb der Masse zu messen. Ich habe aber nur +12V/+5V 
Versorgungsspannung. Ein klassischer Differenzverstärker kann das nicht, 
weil damit die Eingänge, wenn auch nur wenig ins Negative kommen. Der 
Shunt ist per Vierdraht angebunden. Ob das WIRKLICH nötig ist, weiß ich 
nicht. Die (negative) Gleichtaktspannung am Shunt dürfte irgendwo 
zwischen 0-100mV liegen, muss ich mal versuchen zu messen. Es geht auch 
nicht um eine Präzisionsmessung, nur eine grobe Schätzung. 10% Meßfehler 
sind OK. Die einfachste Lösung ist ein invertierender Verstärker ohne 
Vierdrahtmessung und gut. Gibt es Ideen, wie man mit einem Trick doch 
den Differenzverstärker nehmen kann?

von Klaus R. (klara)


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Falk B. schrieb:
> Gibt es Ideen, wie man mit einem Trick doch
> den Differenzverstärker nehmen kann?

Nimm einen ICL7660 oder ähnlich und erzeuge Deine -5V. Siehe Datenblatt 
erste Seite.

https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/ICL7660%23MAX.pdf
mfg Klaus

von Falk B. (falk)


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Klaus R. schrieb:
>> Gibt es Ideen, wie man mit einem Trick doch
>> den Differenzverstärker nehmen kann?
>
> Nimm einen ICL7660 oder ähnlich und erzeuge Deine -5V. Siehe Datenblatt
> erste Seite.

Im Prinzip ja, aber ich hab wenig Platz auf der Platine und so richtig 
ist mir das die Sache nicht wert.

von Jens G. (jensig)


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Mach doch einfach 100k oder sowas von n und p gegen +5V.
Daß Du solche Fragen fragst? Ist Dein Account gehackt worden?

: Bearbeitet durch User
von Georg M. (g_m)


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Falk B. schrieb:
> ich hab wenig Platz auf der Platine

Allegro MicroSystems ACS71240: 3x3mm

von Foobar (asdfasd)


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R5 verschieben?

von Falk B. (falk)


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Foobar schrieb:
> R5 verschieben?

Geht nicht, dort kann ich nix ändern.

von Clemens L. (c_l)


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Falk B. schrieb:
> Die (negative) Gleichtaktspannung am Shunt dürfte irgendwo
> zwischen 0-100mV liegen

Viele Strommessverstärker (z.B. INA180) gehen runter bis -200 mV.

von Falk B. (falk)


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Georg M. schrieb:
> ACS71240: 3x3mm

Netter IC, aber am Shunt etc. kann ich nix ändern. Ich kann nur an der 
Auswertung was ändern.

von Jens G. (jensig)


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Foobar schrieb:
> R5 verschieben?

Dann wird aber der Ausgang negativ ...


Ach ja, welchen Sinn hat R2+R3 in der Originalschaltung eigentlich, wenn 
die letztendlich durch die Masse kurzgeschlossen sind, und Genauigkeit 
ohnehin nicht gefordert ist?

von Falk B. (falk)


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Jens G. schrieb:
> Ach ja, welchen Sinn hat R2+R3 in der Originalschaltung eigentlich, wenn
> die letztendlich durch die Masse kurzgeschlossen sind, und Genauigkeit
> ohnehin nicht gefordert ist?

Es ist ein Vierdrahtanschluss im Layout und mit einer komischen 
Schaltung bisher ausgewertet, die halt irgendwie irgendwas mißt. Da ich 
das jetzt aus anderen Gründen überarbeiten muss (Controller EoL), wollte 
ich diese Merkwürdigkeit aufräumen.

von Fritz G. (fritz65)


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Den nichtinvertierenden Eingang eine kleine konstante positive Spannung 
anlegen (z.B. 0.1V). Eventuell funktioniert das bei Rail2Rail auch mit 
direkter Masseverbindung, also 0V. Dann stellt sich am invertierenden 
Eingang die gleiche Spannung ein, die Ausgangspannung ist dann ebenfalls 
positiv und läßt sich mittels Spannungsteilerformel leicht berechnen.

von Falk B. (falk)


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Fritz G. schrieb:
> Den nichtinvertierenden Eingang eine kleine konstante positive Spannung
> anlegen (z.B. 0.1V).

Das ist dann aber nix weiter als ein invertierender Verstärker mit 
zusätzlichem Offset. Kein Differenzverstärker.

von Jens G. (jensig)


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Und das hier ist für Dich keine Option?

Jens G. schrieb:
> Mach doch einfach 100k oder sowas von n und p gegen +5V.

von Falk B. (falk)


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Jens G. schrieb:
> Mach doch einfach 100k oder sowas von n und p gegen +5V.
> Daß Du solche Fragen fragst? Ist Dein Account gehackt worden?

Wenn man die Spannung vom Shunt per Spannungsteiler in Richtung VCC 
teilt, kriegt man durch die Toleranzen der Widerstände ziemliche 
Meßfehler rein. Ok, man kann 0,1% Typen nehmen, die sind bezahlbar. 
Behalte ich mal im Kopf.

von Jens G. (jensig)


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Falk B. schrieb:
> Jens G. schrieb:
>> Mach doch einfach 100k oder sowas von n und p gegen +5V.
>> Daß Du solche Fragen fragst? Ist Dein Account gehackt worden?
>
> Wenn man die Spannung vom Shunt per Spannungsteiler in Richtung VCC
> teilt, kriegt man durch die Toleranzen der Widerstände ziemliche
> Meßfehler rein. Ok, man kann 0,1% Typen nehmen, die sind bezahlbar.
> Behalte ich mal im Kopf.


Das klang anfangs aber anders:

Falk B. schrieb:
> Es geht auch
> nicht um eine Präzisionsmessung, nur eine grobe Schätzung. 10% Meßfehler
> sind OK.

von Enrico E. (pussy_brauser)


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Den Minusanschluss von der Versorgung des OPV auf die linke Seite des 
0,33R (R5) Shuntwiderstandes verlegen, dann werden an den beiden 
Eingängen nur noch positive Spannungen verarbeitet.

von Heiner B. (karadur)


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Evtl. geht es so.

von Gerhard H. (ghf)


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Könnnte gehen. Oder ein LM234
< 
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm224.pdf?HQS=dis-dk-null-digikeymode-dsf-pf-null-wwe&ts=1699533042417 
>

Da ist V- im common mode Bereich noch drinnen, einfach so.
Irgendwann machen die Eingangsschutzdioden auf, aber laut
Datenblatt ist bis -0.3V OK. 45 Ct @ 1 Stück bei Digikey.
Oder ein anderer OpAmp mit PNP-Eingängen.

Gerhard H.

: Bearbeitet durch User
von Sebastian W. (wangnick)


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INA194?

LG, Sebastian

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Falk B. schrieb:
> Gibt es Ideen, wie man mit einem Trick doch den Differenzverstärker
> nehmen kann?
Spannungsteiler nach Vcc (oder eine Referenzspannung)...

Heiner B. schrieb:
> Evtl. geht es so.
Das ist für mich kein eindeutiger Potentialbezug. Denn solange da nicht 
ein definierter Strom vorwärts durch die Diode fließt, kann die Spannung 
am Shunt beliebig negativ sein. Die Diode sperrt dann eben.

: Bearbeitet durch Moderator
von Michael B. (laberkopp)


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Falk B. schrieb:
> ich suche einen Trick, um mit einfachen Mitteln die Spannung über einem
> Shunt unterhalb der Masse zu messen

Du brauchst nur einen invertierenden Verstärker an deinem single supply 
OpAmp z.B. x -50 macht aus -0.1V halt 5V am Ausgang.

Falk B. schrieb:
> Die einfachste Lösung ist ein invertierender Verstärker ohne
> Vierdrahtmessung und gut.

Genau.

>  Gibt es Ideen, wie man mit einem Trick doch
> den Differenzverstärker nehmen kann?

Wozu ?
Bloss weil dein Widerstand 2 Masseanschlüsse hätte ?
Der invertierende Verstärker kann durch passende Leitungsführung die 
Spannung quasi stromlos (100uA) an den Kelvin Anschlüssen messen. Die 
minimale Differenz zwischen den beiden Masseanschlüssen des Widerstandes 
akzeptiert der OpAmp. Nur 1/50 davon wirkt sich als Fehler auf die 
Ausgangsspannung aus.
1
             +--49k--+
2
             |       |
3
GND--  ------(--|+\  |
4
     \/      |  |  >-+-- 0-5V
5
    0R1      +--|-/
6
     /\      |   |
7
Last-  --1k--+  GND

: Bearbeitet durch User
von Heiner B. (karadur)


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das kann man ja anpassen

von Falk B. (falk)


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Ich hab es jetzt so gemacht. Die 2k und 10k sind alle 0,1% Typen. Das 
ist OK.
Die 5V haben auch 1%.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Was (außer dem Nick des Autors) spricht eigentlich gegen diesen
Vorschlag?

Enrico E. schrieb:
> Den Minusanschluss von der Versorgung des OPV auf die linke Seite des
> 0,33R (R5) Shuntwiderstandes verlegen

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Falk B. schrieb:
> Die 5V haben auch 1%.
Schwankungen dieser 5V sind im Grunde sogar egal. Wenn du nachrechnest, 
siehst du: die Äbhängigkeit von dieser Spannung fliegt wegen der 
Differenzbildung und gleicher Teilerwiderstände einfach raus.

von Falk B. (falk)


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Yalu X. schrieb:
> Was (außer dem Nick des Autors) spricht eigentlich gegen diesen
> Vorschlag?
>
> Enrico E. schrieb:
>> Den Minusanschluss von der Versorgung des OPV auf die linke Seite des
>> 0,33R (R5) Shuntwiderstandes verlegen

An der Leistungsseite kann ich nichts ändern. Sind zwei getrennte 
Platinen, nur eine wird jetzt geändert.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Falk B. schrieb:
> An der Leistungsseite kann ich nichts ändern. Sind zwei getrennte
> Platinen, nur eine wird jetzt geändert.

Gehört also R1 in deinem ersten Schaltplan (bzw. R3 in deinem letzten
Schaltplan) zur Leistungsseite, obwohl er nicht vom Hauptstrom
durchflossen wird, sondern lediglich der Messung dient?

Wenn nicht, hätte die Messplatine ja Zugriff auf das linke Ende des
Shunts, und du bräuchtest zur Umsetzung von Enricos Vorschlag an der
Leistungsplatine nicht ändern.

von Falk B. (falk)


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Yalu X. schrieb:
>> An der Leistungsseite kann ich nichts ändern. Sind zwei getrennte
>> Platinen, nur eine wird jetzt geändert.
>
> Gehört also R1 in deinem ersten Schaltplan (bzw. R3 in deinem letzten
> Schaltplan) zur Leistungsseite, obwohl er nicht vom Hauptstrom
> durchflossen wird, sondern lediglich der Messung dient?

Nein, die Widerstände sind auf der Steuerung, welche geändert wird.

Siehe Anhang.

> Wenn nicht, hätte die Messplatine ja Zugriff auf das linke Ende des
> Shunts,

Hat sie. Auf beide Anschlüsse (Vierdraht).

> und du bräuchtest zur Umsetzung von Enricos Vorschlag an der
> Leistungsplatine nicht ändern.

Der Vorschlag besteht darin, ein Diode in den Masse der Last zu legen, 
um das Potential des Shunts um 0,7V anzuheben, dann liegt der immmer 
über GND. Dort komm ich aber nicht ran!

Egal, ich hab das jetzt mit den 0,1% Widerständen gemacht, die Daten 
sind fertig und schon beim Prototypenbestücker.

[Schleichwerbung]
https://www.bmk-group.de/elektronikfertigung/prototypenfertigung
[/Schleichwerbung]

Deren Portal sieht recht gut aus, das Projekt hier ist klein und somit 
unser erster Testballon. Ich hab die Daten heute früh gegen 10 
hochgeladen und jetzt schon ein gutes Angebot für 20 Prototypen 
bekommen. Super!

Danke für alle Ideen und Hinweise.

von Klaus H. (hildek)


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Falk B. schrieb:
> Der Vorschlag besteht darin, ein Diode in den Masse der Last zu legen,
> um das Potential des Shunts um 0,7V anzuheben, dann liegt der immmer
> über GND. Dort komm ich aber nicht ran!

Warum eine Diode?
Einfach den -VCC des OPA an den Knoten R3/R9 legen, denn darauf hast du 
ja Zugriff. Der OPA kann ja bis -VCC am Eingang verarbeiten.

Vielleicht habe ich auch nicht alles verstanden 🙄.

von Enrico E. (pussy_brauser)


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Klaus H. schrieb:
> Vielleicht habe ich auch nicht alles verstanden 🙄.

Doch, doch, du hast alles richtig verstanden. Die Diode habe ich nicht 
vorgeschlagen, sondern Heiner B. Und ja, Falk hat Zugriff auf die linke 
Seite von R5 (jetzt R9), sonst könnte er dort den Spannungsteiler nicht 
platzieren.

von Toxy T. (toxy_t)


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Falk B. schrieb:
> ich suche einen Trick, um mit einfachen Mitteln die Spannung über einem
> Shunt unterhalb der Masse zu messen.

Hab jetzt nicht alle Postings gelesen unnd moeglichereise ist das 
Problem auch schon geloest.
Fuer mich laeuft deine Schaltung auf einen Levelshifter hinaus.
Im Anhang ein LTspice Screenshot - vielleicht es ja das was nach was du 
suchst.
Ich habe die Werte aus deinem Eingangsposting genommen.Danach moechtest 
-0.329V bis OV messen.Hierzu benoetigst du aber eine OPspannung von 
mindestens 6V - entsprechend deinen Werten

von Werner H. (werner45)


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Da soll doch eigentlich der Strom durch den Shunt gemessen werden.
Könnte man auch über den Umweg der verbratenen Leistung am Shunt 
rausfinden. Die bekommt man potentialfrei über Temperaturmessung des 
Shunts (Pt1000 aufgeklebt) im Vergleich mit der Temperatur neben dem 
Shunt. Eine Halbbrücke genügt da vielleicht schon.
Allerdings nicht für schnelle Transienten geeignet.

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