Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Differentielle Anloge Spannung Messen


von Michael H. (overthere)


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Besteht die Möglichkeit, mit einem einfachen Komparator eine 
differentielle Spannung zu überwachen, ohne dabei einen 
Operationsverstärker als Differenzverstärker einzusetzen?

Hintergrund:
Ich arbeite mit zwei in Serie geschalteten Batteriezellen und möchte die 
Schaltung abschalten, sobald die obere Zelle eine zu geringe Spannung 
aufweist. Ziel ist es, mit einem möglichst einfachen Aufbau – 
idealerweise nur mit einem Komparator – die Differenzspannung zwischen 
den beiden Zellen zu erfassen und entsprechend zu reagieren.

von Thomas B. (thombde)


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Zwei in Serie geschaltete Batteriezellen sollten immer die gleiche 
Spannung haben.
Oder den gleichen Ladezustand.
Klar gehen 2 Komparatoren oder 2 Operationsverstärker.
Wobei ein Komparator auch nur ein beschalteter OP ist.

von Jens G. (jensig)


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Michael H. schrieb:
> Ich arbeite mit zwei in Serie geschalteten Batteriezellen und möchte die
> Schaltung abschalten, sobald die obere Zelle eine zu geringe Spannung
> aufweist. Ziel ist es, mit einem möglichst einfachen Aufbau –
> idealerweise nur mit einem Komparator – die Differenzspannung zwischen
> den beiden Zellen zu erfassen und entsprechend zu reagieren.

Jetzt werde Dir erstmal klar, was Du wirklich willst. Erst redest Du nur 
von der Spannung der oberen Zelle alleine, dann plötzlich von 
Differenzspannung zweier Zellen, die noch dazu in Reihe sind.

von Michael (bastler2)


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Ein Spannungsteiler der an beiden Zellen angeschlossen ist und leicht 
unsymmetrisch ist. So auslegen, dass der Abgriff bei zu großer 
Asymmetrie der beiden Zellen unter den Mittelabgriff der Zellen rutscht. 
Der Komparator vergleicht Mittelabgriff der Zellen und Spannungsteiler.

Ist aber etwas frickelig und unsicher, wenn sich beide Zellen zu 
gleichmäßig entladen.

von Michael (bastler2)


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Jens G. schrieb:
> Jetzt werde Dir erstmal klar, was Du wirklich willst.

Mit etwas guten Willen kann das Anliegen vom TE verstanden werden:

- Eine Schaltung wird aus zwei Zellen versorgt.
- Offensichtlich ist der Mittelpunkt der beiden Zellen eine
  virtuelle Masse.
- Die obere Zelle entlädt sich natürlicherweise schneller, da
  dort die meiste Elektronik dran hängen wird. Die negative
  Spannung wird nur für ein paar OPV oder anderen Analog-Kram
  benötigt werden.
- Der Wunsch ist nun, die Spannungen der beiden Zellen zu
  vergleichen für eine einfache "Batterie leer" Anzeige.

von Marcel V. (mavin)


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Falls die untere Batterie größer ist als die obere Batterie (höhere 
Amperestundenzahl), dann genügt es nur die obere Batterie vor 
Tiefentladung zu schützen. Falls nicht, dann müssen sowieso beide 
Batterien überwacht werden!

von Jens G. (jensig)


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Michael schrieb:
> Mit etwas guten Willen kann das Anliegen vom TE verstanden werden:
>
> - Eine Schaltung wird aus zwei Zellen versorgt.
> - Offensichtlich ist der Mittelpunkt der beiden Zellen eine
>   virtuelle Masse.
> - Die obere Zelle entlädt sich natürlicherweise schneller, da
>   dort die meiste Elektronik dran hängen wird. Die negative
>   Spannung wird nur für ein paar OPV oder anderen Analog-Kram
>   benötigt werden.
> - Der Wunsch ist nun, die Spannungen der beiden Zellen zu
>   vergleichen für eine einfache "Batterie leer" Anzeige.

Du interpretierst zu viel ins Blaue hinein, und schlussfolgerst falsch.
Der Vergleich der beiden Spannungen sagt Dir nicht, dass irgendwann 
"Batterie leer" ist. Das sagt Dir eher etwas über den Balance-Zustand 
etwas aus. Wenn schon, dann muss man min(Zelle1,Zelle2) mit einer 
Referenz vergleichen, wenn man "Batterie leer" erkennen will.

: Bearbeitet durch User
von J. T. (chaoskind)


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Thomas B. schrieb:
> Wobei ein Komparator auch nur ein beschalteter OP ist.

Dann guck dir mal das Innenleben von typischen OP und typischen 
Komparatoren an....

von Rainer W. (rawi)


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Michael H. schrieb:
> Besteht die Möglichkeit, mit einem einfachen Komparator eine
> differentielle Spannung zu überwachen, ohne dabei einen
> Operationsverstärker als Differenzverstärker einzusetzen?

Um die Mutmaßungen nicht ausufern zu lassen, könntest du die Schaltung 
mit sauberer Bezechnung der Spannungen zeigen und als Formel ausdrücken, 
unter welcher Bedingung irgendein Überwacher Alarm schlagen soll.

Ob das mit einem einzelnen Komparator zu erreichen ist, wird sich 
zeigen.

: Bearbeitet durch User
von Joachim B. (jar)


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ist möglich, hatte ich bei einem AVR Timer hinter den Spannungsteilern 
mit einem ATmega 32/644p/1284p am Shunt gemacht denn diese Atmel 
beherrschen die Differenzmessung.

Die Spannungen müssen natürlich potenzialfrei gegen die AVR Versorgung 
sein.

: Bearbeitet durch User
von Andrew T. (marsufant)


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Michael H. schrieb:
> Besteht die Möglichkeit, mit einem einfachen Komparator eine
> differentielle Spannung zu überwachen, ohne dabei einen
> Operationsverstärker als Differenzverstärker einzusetzen?
>
> Hintergrund:
> Ich arbeite mit zwei in Serie geschalteten Batteriezellen und möchte die
> Schaltung abschalten, sobald die obere Zelle eine zu geringe Spannung
> aufweist. Ziel ist es, mit einem möglichst einfachen Aufbau –
> idealerweise nur mit einem Komparator – die Differenzspannung zwischen
> den beiden Zellen zu erfassen und entsprechend zu reagieren.


Es fehlen wesentlich Angaben von deiner Aufgabe.

Darf die Schaltung 500uA Verbrauch haben?
Sind die Batterie spaungen unter je 16V?

Das erleichtert nämlich die Nennung einer Lösung deutlich.
Bei 18v LIPO wäre es schon deutlich eingeschränkter.

Ansonsten gilt Radio Eriwan: im Prinzip lösbar, aber...

von Harald W. (wilhelms)


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Thomas B. schrieb:

> Wobei ein Komparator auch nur ein beschalteter OP ist.

Ein Komparator enthält sogar weniger Bauelemente als ein OPV.
Er benötigt nämlich keine Frequenzkompensation. Meistens ist
ersogar billiger als ein OPV.

von Chantalle (chantalle2000)


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Michael H. schrieb:
> Besteht die Möglichkeit, mit einem einfachen Komparator eine
> differentielle Spannung zu überwachen, ohne dabei einen
> Operationsverstärker als Differenzverstärker einzusetzen?
>
> Hintergrund:
> Ich arbeite mit zwei in Serie geschalteten Batteriezellen und möchte die
> Schaltung abschalten, sobald die obere Zelle eine zu geringe Spannung
> aufweist. Ziel ist es, mit einem möglichst einfachen Aufbau –
> idealerweise nur mit einem Komparator – die Differenzspannung zwischen
> den beiden Zellen zu erfassen und entsprechend zu reagieren.

Was nicht klar ist, was wertet den Ausgang des Komparators aus, eine 
LED, eine Zeigerinstrument, ein uC

Soll der Komparator also eigenständig eine LED ansteuern wenn entweder 
starke asymmetrie oder eine Batterie leer ist, dann geht das nicht mit 
einem einzigen Komparator, da du mehr als eine Information auswerten 
musst und mit einem Komparator geht nur eine Information, natürlich kann 
man prinzipiell überlegen, ob man auf der Eingangsseite des Komparators 
mit dioden Infos verknüpfen kann, sehe ich hier aber nicht.

Zeigerinstrument, wenn das Zeigerinstrument mit einem Drehschalter in 
verschiedenen Abgriff-Positionen verstellt werden kann, dann kann man 
beide Spannungen ablesen und mit einem OP die Asymmetie auswerten, d.h. 
man sieht es ja eigentlich in den beiden EInzelstellungen, wenn du aber 
diese verstärken willst, dann mit dem OP, ja geht, könnte man so 
auslegen das Batterie voll jeweils Vollausschlag und max. Asymmetrie 
dann auch Vollausschlag wäre

uC, im Prinzip das gleiche wie beim Zeigerinstrument, nur mit den 
Einzelspannungen benötigt man einen zweiten OP als Differenzverstärker 
wenn du die obere "Messen" willst und nicht GEsmatspannung mit untere 
Spannung im uC rechnen möchtest

von Thomas B. (thombde)


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Mein Favorit ist ja immer noch der alte LM10.
Mit interner Referenz.
Alte Krücke aber gut.
Gibt’s noch bei Reichelt.
Wird aber teurer.

LM311 und die Konsorten gehen sicher auch.
Oder nur mit OPV.
Aber man weis ja nicht mal welche Akkus Du verwendest.
Und die Kapazität der beiden Akkus.
Und welchen Sinn das ganze hat.
Gib mal mehr Infos.

von Uwe (uhi)


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Vielleicht nicht jedermanns Geschmack, aber ich würde 5 Bauteile nehmen: 
vier Widerstände (für zwei Spannungsteiler) und einen Arduino Pro Mini. 
Der Rest ist Software.

von Hannes J. (Firma: _⌨_) (pnuebergang)


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Thomas B. schrieb:
> Aber man weis ja nicht mal welche Akkus Du verwendest.

Eben. Ich schaue trotzdem mal in meine Glaskugel. Nach Befragen meiner 
Glaskugel würde ich zum Beispiel ein IC aus der HY2120 Serie 
https://www.hycontek.com/en/products-en/3180 und einen generischen 
Dual-MOSFET wie ein 8205A vorschlagen. Beides für Klimpergeld zu 
bekommen.

: Bearbeitet durch User
von Axel S. (a-za-z0-9)


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Michael H. schrieb:

Unlar der Sinn deiner Rede ist

> Besteht die Möglichkeit, mit einem einfachen Komparator eine
> differentielle Spannung zu überwachen

"Differentielle Spannung" ist Unsinn. Eine Spannung ist per Definition 
immer differentiell. Sie ist die Differenz zweier Potentiale.

> ohne dabei einen
> Operationsverstärker als Differenzverstärker einzusetzen?

1. Warum diese Aversion gegen Operationsverstärker?
2. FTR: die Schaltung die du meinst heißt nicht Differenzverstärker, 
sondern Subtrahierer. Differenzverstärker ist die Bezeichnung der 
Eingangsstufe der meisten OPV. Das Ding mit den zwei Transistoren mit 
gemeinsamem Emitter.

> Hintergrund:
> Ich arbeite mit zwei in Serie geschalteten Batteriezellen und möchte die
> Schaltung abschalten, sobald die obere Zelle eine zu geringe Spannung
> aufweist.

Warum glaubst du, daß gerade die Spannung der "oberen" Zelle zuerst 
abfallen sollte? Was ist, wenn das die "untere" Zelle ist?

Ansonsten hast du die Wahl, das entweder richtig zu machen mit 
Einzelzellüberwachung. Oder den verkürzten Weg zu gehen und die 
Summenspannung zu überwachen. Bei nur zwei Primärzellen bietet sich das 
letztere an, denn wenn eine solche Zelle leer ist, wird sie weggeworfen. 
Tiefentladung ist da eher kein Problem. Das sieht bei Akkus natürlich 
anders aus.

> Ziel ist es, mit einem möglichst einfachen Aufbau –
> idealerweise nur mit einem Komparator – die Differenzspannung zwischen
> den beiden Zellen zu erfassen und entsprechend zu reagieren.

Das ergibt mal so gar keinen Sinn. Zwei Zellen haben im Prinzip niemals 
die gleiche Spannung. Kommt nur darauf an, wie genau man mißt. Und die 
Differenz der Zellspannung sagt auch zu wenig über den Ladezustand aus. 
Zwar kann man mit einiger Sicherheit sagen, daß die Zelle mit der 
niedrigeren Spannung zuerst leer werden wird. Aber ob das jetzt ist, 
oder erst in zwei Wochen, kann man aus der Differenz eher nicht 
ableiten.

Mal ein Beispiel: wenn "Zelle" eine Alkali-Mangan Zelle meint, dann ist 
sie bei 1.5V voll und bei 0.9V leer. Zwei Zellen in Reihe haben also 
zwischen 3.0V und 1.8V. Wenn du nur die Summenspannung überwachst, dann 
sind es im extremsten Fall 1.5V für die vollere und 0.3V für die leerere 
Zelle. Kein Problem. Solange eine Zelle nicht umgepolt wird, läuft sie 
auch nicht mit höherer Wahrscheinlichkeit aus.

: Bearbeitet durch User
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