Piezo negative Spannung unterdrücken

[Felix (felix_1507)]

Hallo zusammen,

ich habe auf YouTube ein interessantes Video über einen Vibrationssensor 
mit Piezoelement gesehen. Dabei wurde die Spannung am des Piezos durch 2 
Dioden auf +-0,7V begrenzt.

Nun meine Frage: Wie könnte man eine Schaltung gestalten, um die 
negative Spannung vollständig zu unterdrücken? Das würde die Auswahl des 
Operationsverstärkers erleichtern, da es einfacher ist, Modelle zu 
finden, die maximal -0,3V unter der Versorgungsspannung des OP-Amps 
zulassen, als solche, die mit -0,7V umgehen können. Zur Versorgung des 
OP-Amps stehen lediglich 3,3V zur Verfügung und keine Negativen 
Spannungen.

Konkret lautet die Anforderung: Wie begrenzt man die Ausgangsspannung 
nach dem Piezoelement auf einen minimalen Wert 0V? Kann jemand die 
bestehende Schaltung entsprechend modifizieren?

Der Pin für den Mikrocontroller befindet sich nach dem OP-Amp (amp). Die 
Versorgungsspannung des OP-Amps beträgt 3,3V.

Meine Idee wäre ein DC-Offset. Ich weiß aber nicht wie.

Vielen Dank im Voraus für eure Hilfe!

[Arno R. (arnor)]

Felix schrieb:
> Meine Idee wäre ein DC-Offset. Ich weiß aber nicht wie.

Siehe Anhang.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Felix schrieb:
> Zur Versorgung des OP-Amps stehen lediglich 3,3V zur Verfügung und keine
> Negativen Spannungen.

Bei Verwendung eines Dual-OPV könnte man das LPF auch in den zweiten OPV 
unterbringen.

Der Spannungsverdoppler am Ausgang kann entfallen.

[Felix (felix_1507)]

Arno R. schrieb:
> Siehe Anhang.

Danke für die Vorschlag. Sieht gut und simpel aus.
Was macht der Poti am Invertierenden Eingang des Op-Amps?
Was kann man damit einstellen?

[Arno R. (arnor)]

Felix schrieb:
> Was macht der Poti am Invertierenden Eingang des Op-Amps?

Mit dem Poti kann man die Verstärkung einstellen. Allerdings wird auch 
die Gleichspannung über dem 1k mit verstärkt, daher kann man keine 
großen Verstärkungen machen, weil der OPV sonst am Ausgang an den 
Anschlag läuft.

Im übrigen hatte ich das nur aus deinem Bild ganz oben übernommen und 
dachte du weist selbst wieso du das vorgesehen hast. R4 und R5 sind dort 
übrigens überflüssig bis schädlich.

[Felix (felix_1507)]

Arno R. schrieb:
> R4 und R5 sind dort
> übrigens überflüssig bis schädlich.

Die Widerstände wurden verwendet, da der Operationsverstärker bei 
negativen Spannungen aus den Eingängen Strom liefern kann. Deshalb sind 
die Widerstände dort platziert.

Aus dem Datenblatt:
A significant amount of current can flow out of the
inputs when the Common-Mode Voltage (VCM) is below
ground (VSS); see Figure 2-20. Applications that are
high-impedance may need to limit the usable voltage
range.

[Arno R. (arnor)]

Felix schrieb:
> Die Widerstände wurden verwendet, da der Operationsverstärker bei
> negativen Spannungen aus den Eingängen Strom liefern kann.

Eine negative Spannung kann nur am nichtinvertierenden Eingang 
auftreten, den Strom dort begrenzt R2, welchen man auch hochohmiger 
dimensionieren kann. Am invertierenden Eingang kann gar keine negative 
Spannung auftreten, weil der seine Spannung vom Ausgang des OPV bezieht.

[Felix (felix_1507)]

Das stimmt, würde ich mal gerne testen. Danke auf jeden Fall für deine 
Hilfe.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Felix schrieb:
> Arno R. schrieb:
>> R4 und R5 sind dort
>> übrigens überflüssig bis schädlich.
>
> Die Widerstände wurden verwendet, da der Operationsverstärker bei
> negativen Spannungen aus den Eingängen Strom liefern kann.

Ähh. Nein.

Technisch ist die Formulierung "flow out of the inputs" zwar korrekt, 
weil die technische Stromrichtung nun mal so herum definiert ist. 
Trotzdem liefert der OPV den Strom nicht selber.

Der hat am Eingang entweder explizite Schutzstrukturen oder parasitäre 
Strukturen - vulgo eine Diode vom Eingang nach V- (mit der Kathode am 
Eingang). Wenn nun also die Eingangsspannung negativer als deren 
Flußspannung wird, fließt Strom durch die Diode. Und weil die Diode 
recht klein ist (sie soll ja auch wenig Leckstrom haben) verträgt sie 
nicht viel Strom und würde bei zu hohem Strom kaputt gehen. Das ist der 
ganze Hintergrund der Regel "Vin darf nicht negativer als V- - 0.3V 
werden". Der Hersteller vermeidet in der Regel einen Höchststrom 
anzugeben. Obwohl das viel sinnvoller wäre als ein Spannungslimit.

Den Strom muß auf jeden Fall eine externe Quelle liefern. Bei dir also 
das Piezo-Element. Das werden im besten Fall einige µA sein. Und das 
hält die Schutzdiode allemal aus. Also alles sinnlose Panikmache. Dioden 
parallel zum Piezo werden in erster Näherung mit ihrem Leckstrom das 
Signal verfälschen. Und in zweiter mit ihrer Kapazität den Frequenzgang 
versaueh. Ob das in deiner Anwendung von Belang ist, weiß ich nicht. 
Aber behalte es im Hinterkopf.