differentielles Messen einer Spule

[Viktor (viktor_stm)]

Hallo zusammen,

ich versuche aktuell, mit dem ADC meines Raspberry Pi Pico (Messbereich 
0 bis 3,3 V) die Spannung an einer Sekundärspule zu messen. Dafür habe 
ich mir eine Schaltung überlegt, die aus drei Teilen besteht:

Gleichspannungsanteil: Der Pico liefert eine feste Spannung von 3,3 V. 
Diese wird über einen Spannungsteiler halbiert (also ca. 1,65 V) und 
dann über einen Impedanzwandler weitergeleitet.

Signal von der Spule: Die Sekundärspule ist an zwei Spannungsteiler 
angeschlossen, die jeweils auf einen Differenzverstärker führen. Damit 
will ich die Wechselspannung der Spule als ein Signal herausbekommen.

Addierer: Am Ende sollen beide Signale – die gleichmäßige Gleichspannung 
und das Spulensignal – über einen nichtinvertierenden Addierer 
kombiniert werden, sodass das Ausgangssignal im erlaubten Bereich des 
ADC liegt.

Die Spule habe ich vorher mit dem Oszilloskop gemessen, und dort 
funktioniert alles wie erwartet. Auch in LTSpice mit idealer 
Spulenkopplung sieht das Signal gut aus. Nur meine reale Platine liefert 
am ADC nichts Brauchbares, das Sinussignal kommt dort einfach nicht an.

Die Platine habe ich vorher mit einem Labornetzgerät getestet. Da hat 
sie auch wie gewünscht funktioniert. Allerdings war das keine 
Differentielle Messung sondern eine Messung mit fester Masse.

Ich habe gelesen, dass ein Differenzeingang am Oszilloskop im Grunde aus 
zwei Impedanzwandlern und einem nachgeschalteten Differenzverstärker 
besteht und genau das habe ich auch versucht. Nur habe ich bei mir noch 
Spannungsteiler davorgeschaltet.

Jetzt vermute ich, dass genau diese Spannungsteiler das Problem sind. 
Aber ich verstehe noch nicht genau, warum sie so viel ausmachen könnten.
Hat jemand von euch damit schon mal Erfahrungen gemacht oder eine Idee, 
woran es liegen könnte?

[Michael (bastler2)]

Kannst Du bitte den Schaltplan als PDF oder PNG anhängen? Vielen Dank!

[Viktor (viktor_stm)]

Natürlich, hier ist der Schaltplan wie ich ihn in EAGLE erstellt hatte.

Um das ganze nochmal zu präzisieren: Ich messe bei dem ADC eine 
Wechselspannung von lediglich ~10 mV. Ich habe hier noch Bild von dem 
Signal nach dem Spannungsteiler also vor den Widerständen R8 und R9 laut 
Schaltplan. Es ist schon sehr merkwürdig und mich wundert nicht, dass am 
ADC dann kein vernünftiges Signal ankommt.
Ich kann mir nur vorstellen, dass durch den GND der Spannungsteiler die 
Signale der Spule irgendwie miteinander verbunden werden und deshalb 
nichts ordentliches am Differenzverstärker ankommt. Aber ich kann zwecks 
mangelnder Erfahrung nicht genau festmachen warum es so sein sollte.

Andererseits kann ich mir auch vorstellen, dass es daran liegt, dass die 
Spannungsteiler belastet sind und ich noch jeweils einen Impedanzwandler 
nach den Spannungsteiler schalten könnte. Aber ich weiß nicht, ob das 
Problem vielleicht doch schon bei den Spannungsteilern selbst auftritt.

[Udo S. (urschmitt)]

Sind Ground deiner AC Quelle und deiner Messschaltung verbunden?

[Viktor (viktor_stm)]

Nein. Der GND der AC Quelle für die Primärspule ist nicht mit meiner 
Schaltung verbunden. Die Primärspule und Sekundärspule sind auch 
vollkommen galvanisch getrennt. In der LTSpice Simulation hatte ich das 
nur so angegeben um eine Spule simulieren zu können. Ich hatte mit einem 
Oszi die Sekundärspule zuerst gemessen und dann die Simulation so 
eingestellt, dass an der Sekundärspule das reale Signal simuliert werden 
kann. Für den GND nutze ich den - pol meiner Versorgungsspannung. 
Undzwar mit diesem Netzteil:
https://www.conrad.de/de/p/hn-power-hnp06-uni-steckernetzteil-einstellbar-3-v-4-5-v-5-v-6-v-7-5-v-9-v-12-v-0-6-a-7-2-w-2161762.html?hk=SEM&WT.mc_id=google_pla&hk=SEM&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=DE+-+PMAX+-+NonBrand+-+HighSeller&utm_id=21937516534&gad_source=1&gad_campaignid=21927121650&gbraid=0AAAAAD1-3H6M3GxoCWxeZY7GaGH9hAuLH&gclid=EAIaIQobChMI7KqH9uCJjgMVToX9BR1nhC1HEAQYAiABEgJAAPD_BwE

[Udo S. (urschmitt)]

So ist das auf jeden Fall Murks. Die EIngangswiderstände des 
Diffenzierers sind im gleichen Größenbereich wie dein Spannungsteiler.
Schau dir mal den Instrumenten- oder Instrumentationsverstärker an.
https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/diffamp.htm

Ansonsten ist der Schaltplan ohne den Teil den du misst unvollständig. 
Und dass man die einzelnen Widerstandswerte zusammen suchen muss ist ... 
mühsam.

[H. H. (hhinz)]

Viel zu umständlich, man braucht da nur einen einzigen Opamp.

[Viktor (viktor_stm)]

Tut mir leid, mein Fehler ich hätte vielleicht einfach die PNG der 
LTSpice Schaltung senden sollen, statt den EAGLE Schaltplan. Aber genau 
das ist ja meine Frage, ob durch Impedanzwandler nach den 
Spannungsteilern das Problem vielleicht schon gelöst sein könnte, oder 
ob die Spannungsteiler selbst das Problem sind.

In Laborversuch.jpg hatte ich noch einen anderen Aufbau mit einem 
Labornetzteil getestet. Hier funktioniert die Schaltung exakt so wie 
erwartet und wie in LTSpice simuliert.

Mit der Sekundärspule kommt aber wirklich nur murks raus.

[H. H. (hhinz)]

???
Gibt es nun den Trafo, oder nicht?

Und was soll das, zunächst Spannungsteiler, und dann wieder Verstärker?

[Udo S. (urschmitt)]

Viktor schrieb:
> Tut mir leid, mein Fehler ich hätte vielleicht einfach die PNG der
> LTSpice Schaltung senden sollen

Besser wäre zusätzlich der tatsächliche Aufbau. Denn in deiner 
Simulation sind die Potentiale klar, alles ist auf Ground bezogen.

[Viktor (viktor_stm)]

Im eigentlichen Aufbau ist ein Transformator vorhanden. Zum Testen der 
Platine habe ich jedoch zunächst einen anderen Aufbau verwendet. Mit dem 
Laborversuch funktioniert die Schaltung wie in der Simulation, mit dem 
Transformator hingegen nicht.

Meine Überlegung beim Einsatz des Spannungsteilers und des Verstärkers 
war folgende:
Der verwendete Operationsverstärker kann maximal eine Ausgangsspannung 
von etwa 10 V AC liefern. Diese Spannung erwarte ich auch ungefähr an 
der Sekundärseite des Transformators. Um zu vermeiden, dass der OPV 
durch mögliche Spannungsschwankungen an seine Grenze kommt, habe ich das 
Signal vor dem Verstärker mit einem Spannungsteiler abgeschwächt.

Falls meine vorherige Erklärung missverständlich war, bitte ich um 
Entschuldigung.

Ziel der Schaltung ist es, das Signal der Sekundärspule so 
aufzubereiten, dass es im Spannungsbereich von 0 V bis 3,3 V liegt, 
sodass es vom ADC des Mikrocontrollers erfasst werden kann.

[H. H. (hhinz)]

Udo S. schrieb:
> Die EIngangswiderstände des
> Diffenzierers sind im gleichen Größenbereich wie dein Spannungsteiler.

Falsche Wortwahl.

https://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker#Differenzierer

[H. H. (hhinz)]

Viktor schrieb:
> 10 V AC

Die sind offensichtlich potentialfrei.


> Ziel der Schaltung ist es, das Signal der Sekundärspule so
> aufzubereiten, dass es im Spannungsbereich von 0 V bis 3,3 V liegt,
> sodass es vom ADC des Mikrocontrollers erfasst werden kann.

Also ist gar kein Opamp nötig.

[Udo S. (urschmitt)]

H. H. schrieb:
> Udo S. schrieb:
>> Die EIngangswiderstände des
>> Diffenzierers sind im gleichen Größenbereich wie dein Spannungsteiler.
>
> Falsche Wortwahl.

Uups. du hast natürlich recht, ich wollte Subtrahierer schreiben!

[Viktor (viktor_stm)]

H. H. schrieb:
> Viktor schrieb:
>> 10 V AC
>
> Die sind offensichtlich potentialfrei.
>
>
>> Ziel der Schaltung ist es, das Signal der Sekundärspule so
>> aufzubereiten, dass es im Spannungsbereich von 0 V bis 3,3 V liegt,
>> sodass es vom ADC des Mikrocontrollers erfasst werden kann.
>
> Also ist gar kein Opamp nötig.

Ja richtig die beiden Spulenausgänge sollten ja die Differenz von 10 V 
AC zueinander haben, wenn ich das ganze richtig verstehe (wobei mir ja 
offensichtlich in dem Punkt das Verständnis fehlt).
Ein Differenztastkopf am Oszilloskop ist doch ebenfalls mit einem 
Differenzenverstärker ausgestattet: 
https://www.oszilloskope.net/differenztastkopf/
Wenn ich also das Signal auf den Messbereich des ADC bringen möchte, 
brauche ich doch den Differenzverstärker für die Spannung an der Spule, 
welche ich runterskalieren muss und am Ende mit einem Offset hochsetzen 
muss. Das ganze versuche ich zumindest mit meiner Schaltung. Gibt es da 
eine andere Möglichkeit an die ich gar nicht denke?

[H. H. (hhinz)]

Viktor schrieb:
> Differenztastkopf am Oszilloskop

Nimmt man wenn das zu messende Signal nicht potentialfrei ist.

Deine Sekundärwicklung liefert aber ein potentialfreies Signal.

[Viktor (viktor_stm)]

Ich glaube ich habe meinen Verständnisfehler gefunden. Vielen Dank an 
alle!
Ich bin von Anfang an davon ausgegangen, dass ich am Oszi mit einem 
Differentiellen Tastkopf gemessen habe (weil mein Betreuer es mir so 
gesagt hatte). Dabei habe ich mit einem normalen Tastkopf gemessen, 
wobei ich ein Ende der Spule mit der Masse des Oszis verbunden habe und 
das andere Ende eben mit dem Tastkopf.
Das heißt für die Messung sollte ein gewöhnlicher Spannungsteiler 
reichen, wenn ich das andere Ende mit Masse verbinde. Also so wie ich es 
jetzt in der Simulation angepasst habe, richtig?
Den Rest der Schaltung könnte ich ja eigentlich so lassen, um den Offset 
reinzubringen. Dann brauche ich nur den Differenzverstärker nicht mehr 
und habe somit zwei einfache Impedanzwandler und einen Addierer in dem 
letzten Schritt.

[H. H. (hhinz)]

Viktor schrieb:
> Also so wie ich es
> jetzt in der Simulation angepasst habe, richtig?

Nein.

Du brauchst nur ein paar Widerstände, keinen einzigen Opamp.

[Viktor (viktor_stm)]

H. H. schrieb:
> Viktor schrieb:
>> Also so wie ich es
>> jetzt in der Simulation angepasst habe, richtig?
>
> Nein.
>
> Du brauchst nur ein paar Widerstände, keinen einzigen Opamp.

Das verstehe ich noch nicht ganz. Der ADC kann ja nur im Bereich von 0 V 
bis 3,3 V messen. Das AC Signal wird doch in jedem Fall unter die 0 V 
kommen. Für den DC Offset brauche ich doch eine DC Quelle und dann die 
ganze Schaltung mit dem Addierer. Oder sollte es reichen, wenn ich das 
geteilte DC Signal, also die 1,65 V für das Bezugspotential an ein Ende 
der Spule hänge? Aber selbst in diesem Fall brauche ich doch die OPV als 
Impedanzwandler um die Spannungsteiler nicht zu belasten, oder nicht?

[H. H. (hhinz)]

Viktor schrieb:
> Oder sollte es reichen, wenn ich das
> geteilte DC Signal, also die 1,65 V für das Bezugspotential an ein Ende
> der Spule hänge?

Du bist auf der richtigen Spur.


> Aber selbst in diesem Fall brauche ich doch die OPV als
> Impedanzwandler um die Spannungsteiler nicht zu belasten, oder nicht?

Oder!

[Udo S. (urschmitt)]

Siehe
https://www.mikrocontroller.net/articles/Spannungsteiler#Spannungsteiler_mit_Offset,_passiv

Viktor schrieb:
> Aber selbst in diesem Fall brauche ich doch die OPV als
> Impedanzwandler um die Spannungsteiler nicht zu belasten

Beantworte dir folgende Fragen:
1. Wie hoch ist der Innenwiderstand der Spule
2. Wie hoch ist der Innenwiderstad des Spannungsteilers
3. Wie hoch ist der (dynamische) Innenwiderstand des ADCs

[H. H. (hhinz)]

Udo S. schrieb:
> Siehe
> 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Spannungsteiler#Spannungsteiler_mit_Offset,_passiv

Er hats doch noch viel einfacher.

[Viktor (viktor_stm)]

H. H. schrieb:
> Viktor schrieb:
>> Oder sollte es reichen, wenn ich das
>> geteilte DC Signal, also die 1,65 V für das Bezugspotential an ein Ende
>> der Spule hänge?
>
> Du bist auf der richtigen Spur.
>
>
>> Aber selbst in diesem Fall brauche ich doch die OPV als
>> Impedanzwandler um die Spannungsteiler nicht zu belasten, oder nicht?
>
> Oder!

Dieser Aufbau scheint in LTSpice zu funktionieren. Vielen Dank! Ich 
werde das ganze austesten, sobald ich wieder ins Labor kann.
Das ganze ist deutlich einfacher umzusetzen und vor allem zu erklären. 
Vielen Dank nochmal!

[Günter L. (Firma: Privat) (guenter_l)]

von Viktor schrieb:
>Mit der Sekundärspule kommt aber wirklich nur murks raus.

Hast du daran mal gedacht, daß die Eingangsimpedanzen des OPV
in deiner Spice_Schaltung unterschiedlich sind.
Der -Eingang hat 0 Ohm und der +Eingang hat durch R9
10 kOhm.

Du brauchs den "echten" Differenzverstärker oder
Instrumentationsverstärker

Siehe hier.

https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/diffamp.htm

[Udo S. (urschmitt)]

H. H. schrieb:
> Er hats doch noch viel einfacher.

War ja nur als allgemeine Info zum Lernen gedacht. Oder falls er -warum 
auch immer- doch nicht potentialfrei messen muss.