OpAmp Ausgangsspannung

[Quincy]

Hallo Leute,

mein Projekt ist zwar kein Roboter, aber ein Sensor dieser Art könnte auch hierbei vorkommen. Ich habe länger nach möglichen Schaltungen für einen Temperatursensor gesucht, der einfach und preisgünstig ist und bin dann letzten Endes zu einem KTY81-110 mit einem Differenzverstärker gekommen, welcher das Eingangssignal von ca. 1 bis 1,5V (je nach Beschaltung) auf den für den ADC passenden Bereich von 0 bis 2,56V verstärkt/verschiebt. Der dazugehörige Schaltplan ist unten zu sehen.

Nun zu meinem Problem: sobald die Ausgangsspannung laut Theorie mehr als 0,62V beträgt, ist diese meßbar und steigt auch wie vorhergesagt bei steigendem Widerstand des PTC an. Fällt der PTC jedoch soweit, dass die Spannung am Ausgang unter die besagten 0,6V fallen müsste, passiert nichts weiter. Die Eingangsspanungen stimmen in dem Fall noch mit den errechneten Werten überein, nur der Ausgang stimmt eben nicht. Ein zusätzlicher Widerstand am Ausgang bleibt bei 10kOhm wirkungslos, 1kOhm verbesster den Bereich bis auf ca. 0,4V, erst mit 100Ohm bekomme ich den Wert bis auf fast Masse heruntergezogen. Da der Verstärker kein Rail-to-rail Modell ist, ist klar, dass eine Restspannung übrig bleibt, aber die kann doch nicht erst eingestellt werden, wenn ca. 25mA aus dem Ausgang fließen :-k

Die Verkabelung hab ich überprüft und das ganez auch mehrfach aufgebaut und überprüft. Die Restspannung scheint unabhängig von der Beschaltung mit Widerständen zu sein (zumindest bei meinen errechneten Fällen). Den Verstärker konnte ich noch nicht tauschen, weil ich nur LM324 habe, aber eigentlich sollte der das doch hinbekommen.

Bin für jeden Rat dankbar und bitte langsam und deutlich schreiben, OpAmps sind nicht mein Steckenpferd 8-[

[dennisstrehl]

Der LM324 ist zwar kein Rail-to-Rail Opamp aber zumindest einer, der (normalerweise) bis zur negativen Versorgungsspannung runterkommt.
Schreib mal bitte auf welche Widerstandswerte du in der Schaltung verwendet hast.

MfG

[Manf]

Schreib mal bitte auf welche Widerstandswerte du in der Schaltung verwendet hast.


R_P = R2 = 2700 Ohm
R1 z.B. 1200 Ohm
R3 z.B. 2200 Ohm

[dennisstrehl]

:-b Joah da ha ich nich hingeschaut

Hängt irgendeine Last >20mA am Ausgang? Dann könnte die Strombegrenzung vom LM324 einschalten.
Ansonsten:
2. LM324 mal tauschen, vielleicht ist der kaputt
3. (Was ich nicht glaube ^^) Masse am Opamp vergessen?

[Manf]

Hier ist übrigns noch die interne Schaltung des LM324:

http://images.google.de/url?q=http://www.usmicrowaves.com/opamps/324.gif

[Quincy]

:-b Joah da ha ich nich hingeschaut

Hängt irgendeine Last >20mA am Ausgang? Dann könnte die Strombegrenzung vom LM324 einschalten.

Das verwunderliche ist ja, dass der Wert ohne Last nur so schlecht ist (0,62V) und mit Erhöhung der Last (100 Ohm gegen Masse, 25mA Ausgangsstrom --> 0,04V Ausgangsspannung unter sonst gleichen Bedingungen) besser wird.


Ansonsten:
2. LM324 mal tauschen, vielleicht ist der kaputt

Schon probiert, der zweite macht dasselbe an allen vier internen Verstärkern


3. (Was ich nicht glaube ^^) Masse am Opamp vergessen?

Nein, die ist (leider) mit Sicherheit dran

[Crazy Harry]

versuchs mal so


je nach op und temperaturbereich sind die widerstandswerte zu wählen.
ich hab die schaltung bisher ca. 100x aufgebaut (mit dem kty81-110 ;) ). anfangs mit dem lm358, später dann mit einem TS912 (rail-to-rail).

PT1 dient zum abgleichen von mehreren gleichen schaltungen (nullpunkt) - den kannst auch weglassen und per software eichen.

R1 4,70k
R2 kty81-110
R3 4,70k
R4 510ohm
R5 10k
R6 10k
R7 47k
R8 47k
R9 1k
PT1 100ohm
OP TS912

temperaturbereich -30 .. 150°C

[Quincy]

Du linearisierst den KTY also über 4,7k.

Ich hab die Schaltung jetzt schonmal aufgebaut (ehe du die Werte eingefügt hast) mit meiner alten Schaltung erweitert um R5 und R6 a 15k, R7 10k und R9 1k. Dabei komme ich minimal auf 0,4V, aber auch maximal auf 1,8V.
Ich werde jetzt aber mal R8 tauschen, denn der ist bei mir ja um Welten kleiner.... Der Rest ist ja zumindest in derselben Größenordnung und verändert dann den Temperaturbereich. Meine Schaltung war für 0-90°C errechnet. Mir gehts ja im Moment um den nicht vorhandenen Nullpunkt...

[Quincy]

Also ich hab die Schaltung jetzt komplett nach deinem Vorbild gebaut und sie funktioniert fast wie du beschrieben hast. Ich erreiche eine Temperaturbereich von -40 (576 Ohm) bis +70°C (1388 Ohm) . Vielen Dank dafür erstmal. \:D/

Trotzdem würde mich natürlich interessieren, warum die "abgespeckte Version" nicht wie erwartet funktioniert bzw. welche Funktion die neu dazu gekommenen Widerstände (R5, R6, R7, R9) erfüllen. In der Simulation (pSpice) funktioniert nämlich auch diese.
Ich würde gerne die messbaren Temperaturbereiche unterschiedlich gestalten und dazu muss ich ja wissen wie man das ausrechnen kann. :-k

[Crazy Harry]

was für einen op hast du drin ?

das verhältnis R8/R6 bzw. R7/R5 gibt den verstärkungsfaktor.

den spannungsteiler R3, R4 so dimensionieren, daß die ausgangsspannung der brücke bei minimalem widerstand des fühlers 0 ist, wobei ich immer R4 sogar ein bisschen kleiner wähle. op's verstärken nicht unbedingt von 0V an ;)

theoretisch (!!!) ist R4 aber gleich dem fühlerwiderstand bei gewünschter minimaler temperatur.

brückenausgangsspannung bei maximalem fühlerwiderstand berechnen und den verstärkungsfaktor mit betriebsspannung/max.brückenausgangsspannung ausrechnen.
die verstärkung ein bisschen kleiner wählen.

in diesem fall heißt das:

betriebsspannung op = 5V

ausgangsspannung brücke bei 150°C 1,11018V

Verstärkungsfaktor 5V/1,11018V = 4,50
der gewählte widerstand ist ja 47k - also eigentlich zu groß. ich hab das wohl doch anderst dimensioniert gehabt - sorry schon zu lange her und ich brauch eh nur temps bis 100°C ;)
also wenn du den gesamten bereich brauchst mach für R7 & R8 42...43k rein - dann bist auf der sicheren seite.

[edit] war das ein verschreiber von dir ? R(-40°C)=567 ohm und R(70°C)=1392 ohm

[Crazy Harry]

Du linearisierst den KTY also über 4,7k.


nein - ich arbeite mit einer look-up-table ;)

hab die a/d-werte von -30 ... 150°C in 10°-schritten aufgenommen



1px=-30
1py=88
2px=-20
2py=133
3px=-10
3py=178
4px=0
4py=226
5px=10
5py=273
6px=20
6py=324
7px=25
7py=348
8px=30
8py=374
9px=40
9py=425
10px=50
10py=478
11px=60
11py=530
12px=70
12py=583
13px=80
13py=637
14px=90
14py=691
15px=100
15py=744
16px=110
16py=798
17px=120
17py=851
18px=130
18py=900
19px=140
19py=945
20dx=150
20dy=983

[Quincy]

Op ist wie oben geschrieben ein LM324....der schafft natürlich nicht die 0V, aber auf 25-35mV bekomm ich ihn und das reicht mir auch.

Was für ein Verschreiber? Ich hab die Widerstände mit nem Poti "simuliert", geguckt wo die Grenzen sind (spannungsmäßig) und dann mit Hilfe des Datenblatts vom KTY81-110 in Temperatur umgerechnet. Das einzige, was ich vergessen habe ist, dass ich R4 nicht mit 510 Ohm habe, sondern 560 Ohm, weil ich nur den hatte.

Hier sieht man auch schon, dass das mit R4 = unterer Widerstand ganz gut klappt, weil ich da ja dann knapp drüber liege.
Wenn ich dich richtig verstehe, sind immer R5=R6 und R7=R8, die restliche Rechnung ist der, die zu der "alten Schaltung" gehört natürlich irgendwie identisch. Muss ich mal was rumrechnen und ausprobieren, ob die Realität damit übereinstimmt.
Ich brauche sowieso verschiedene Temperaturbereiche um eine höhere Genauigkeit zu erzielen. Das ganze wird wenn es fertig ist mal ein Sensor für eine Heizungssteuerung und da hat man halt verschiedene Temperaturbereiche (z.B. -30 bis 50 Außentemp, 0-100 Wassertemp, 20-40 Raumtemp, etc.)

R9 ist aber doch irgendwie überflüssig bzw. würde nur den maximalen Ausgangsstrom begrenzen, oder? Ich geh mit dem Ausgang eh direkt auf den ADC, der ist ja schon hochohmig.

Bei R1 und R3 = 4,7k ist die Temperaturabhängigkeit der Brückenspannung aber fast linear. Ich wollte mir die Lookup Table sparen, weil das viel zu viel Arbeit beim Kalibrieren ist. Mit 2,7k ist die Korrelation allerdings noch einen Tick besser (in der Theorie)

[Crazy Harry]

ich vermute mal daß du aber 5V nicht erreichst ?

der verschreiber heißt: der kty81-110 hat zumindest laut meinem datenblatt die oben angegebenen widerstandswerte.

ob das immer so ist weiß ich nicht - ich hab hier ein programm mit dem man sowas berechnet und das sagt mir immer R5=R6 und R7=R8. bisher hat auch alles wunderbar geklappt :)

ja R9 ist eigentlich überflüssig - aber der (nicht eingezeichnete) 100nF gegen masse wäre noch wichtig. wenn der aber drin ist (und vorallem wenn du eine höhere kapazität dafür wählst) wäre R9 doch nicht ganz schlecht ;)

also ich laß mich zu "fast" linear überreden :D ... siehe bilder

[Quincy]

ich vermute mal daß du aber 5V nicht erreichst ?
5V will ich gar nicht erreichen. Ich spar mir den Rail-to-rail Verstärker und setzen dem ADC als Aref seine internen 2.56V und das Problem ist schonmal keins mehr.


der verschreiber heißt: der kty81-110 hat zumindest laut meinem datenblatt die oben angegebenen widerstandswerte.

Der Verschreiber ist woanders: #-o Ich hab nen KTY83-110, der hat aber fast dieselben Werte, nur eine andere Bauform. Ich hatte mich auf Grund der schnelleren Anpassung letzten Endes für die andere entschieden.


ob das immer so ist weiß ich nicht - ich hab hier ein programm mit dem man sowas berechnet und das sagt mir immer R5=R6 und R7=R8. bisher hat auch alles wunderbar geklappt :)

Welches Programm?


ja R9 ist eigentlich überflüssig - aber der (nicht eingezeichnete) 100nF gegen masse wäre noch wichtig. wenn der aber drin ist (und vorallem wenn du eine höhere kapazität dafür wählst) wäre R9 doch nicht ganz schlecht ;)

Hellsehen kann ich ja nicht, bis jetzt hab ich keine Probleme mit der Stabilität des Signals, aber gut zu wissen, dass das ne Option ist.


also ich laß mich zu "fast" linear überreden :D ... siehe bilder
Sind die Graphen für 4,7k gemacht? Es scheint mir fast so, denn meine Graphen für die (theoretischen) Spannungswerte sehen etwas besser aus. Das Endergebnis hab ich noch nicht ausgewertet, vielleicht macht der Verstärker da mehr an der Nichtlinearität aus

[Crazy Harry]

@Quincy:

- wenn du den falschen fühlertyp angibst ok :D

- das programm ist ein bestandteil des "werkbuch elektronik"

- die graphen sind reine berechnungen (excel) mit datenblatt-werten und 4,7 kohm - nur die brücke ohne op

[Quincy]

Na so falsch war der Fühler ja jetzt auch nicht... ;-)

Die Rechnung ist dann genauso wie meine: Datenblattwerte und dann theoretisch berechnet. Wie gesagt: Mit 2,7k ist der Sensor noch ein wenig linearer, ich hoffe das bleibt in der Praxis dann auch so...

[Crazy Harry]

mit 2.7k muß ich das morgen mal testen. mußt aber den verstärkungsfaktor anpassen und bei sowas immer auf den maximalen strom durch den sensor achten (selbsterwärmung) ;)

[Quincy]

Die Verlustleistung am Sensor bleibt unter 1,7mW, der Strom um die 1,5mA. Mit 4,7k ist es zwar noch weniger, aber die Erwärmung sollte in einem erträglichen Rahmen bleiben. Mir fehlt allerdings der Wärmewiderstand für das SOD68 Gehäuse...

[Crazy Harry]

dann ists ja gut.

ok mit 2.7k und 560 ohm siehts auch ned schlecht aus. verstärkungsfaktor hab ich jetzt aber nicht ausgerechnet.

[Manf]

Die Verlustleistung am Sensor bleibt unter 1,7mW, der Strom um die 1,5mA. Mit 4,7k ist es zwar noch weniger, aber die Erwärmung sollte in einem erträglichen Rahmen bleiben. Mir fehlt allerdings der Wärmewiderstand für das SOD68 Gehäuse... Der wird offensichtlich eher für andere Bauteile in dem Gehäusetyp angegeben. (320 K/W)
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/B/A/T/8/BAT85.shtml


ok mit 2.7k und 560 ohm siehts auch ned schlecht aus.Wenn Du es schon in excel hast, könntest Du den Werteverlauf auch "geteilt durch die Temperatur"* ausgeben?, dann könnte man noch viel besser sehen, wie linear die Kurve ist.
Manfred

(* Die Änderung der Messgröße geteilt durch die Temperaturänderung)

[Crazy Harry]

@Manf: wie meinst du das ? den spannungsabfall am KTY/Temperatur ?
da kommt eine katastrophale kurve raus :D

[edit] wohl doch eher spannungsabfall pro °C über den gesamten verlauf ?

[Manf]

Die Kurve soll ja einigermaßen linear sein.
An der Kurve selbst erkennt man die Liearität nicht sehr gut.
Man könnte dazu die beste Gerade approximieren (excel funktion) und die Differenz zur Kurve bilden.

Einfacher in der Berechnung ist es, den Differenzenquotienten zu bilden
Delta Messwert geteilt durch Delta Temperatur.
Bei konstantem Delta Temperatur sind es dann einfach die Differenzen der Messwerte über der Temperatur aufgetragen an denen man die Abweichung von der Linearität recht genau erkennen kann..
Manfred

[Manf]

So sieht es dann beispielsweise für den KTY81-1 aus der über einen Widerstand von 2k2 (braun), 2k7 (grün) und 3k3 (blau) an 5V angeschlossen ist. Beim Spannungsabfall am Teiler (linkes Bild) erkennt man ungefähr eine Gerade, bei den Differenzen pro 10°C (rechtes Bild) erkennt man einen Verlauf der bei einer Geraden waagerecht verlaufen sollte.
Manfred


https://www.roboternetz.de/phpBB2/album_pic.php?pic_id=968

[Crazy Harry]

also hier dann die spannungsabweichung / 10°C. ich habe die zwischenwerte entfernt, da diese nicht als datenblattwerte vorliegen, sondern linear berechnet waren.

Y-Achse 0 ist der gemittelte wert aller ergebnisse.
X-Achse ist (Temp+10)-Temp

[edit] nach x-maligem edit: die kurve war richtig - die beschriftung falsch :D

[Quincy]

Also das Gehäsuse sollte ja prinzipiell immer gleich wirken, also 0,32°C Selbsterwärmung pro mA Stromfluss. Wenn man Angst vor diesem Effekt hat, kann man ja die Messschaltung solanga man nicht mißt vom Strom trennen und nur bei Bedarf durchfließen lassen. Oder man berechnet ihn und berücksichtigt die Selbsterwärmung in der Software. Ich könnte mir als Test, ob das ein Problem ist vorstellen zwei Sensoren gleich zu kalibirieren und dann beide die Raumtemperatur messen zu lasssen: Den einen in einer Flüssigkeit (wegen besserer Wärmeabführung), den anderen die Lufttemperatur. Könnte doch klappen oder hab ich da jetzt nen Denkfehler?

Dass die Kurven nicht ganz linear sind, sieht man ja schon in der linken Darstellung, richtig deutlich wird es natürlich auf der rechten Seite. Danach sollte man also doch dann eher auf 3,3k (oder höher?) umsteigen? Das Problem liegt ja hauptsächlich im oberen Bereich >100°C.
Ich habe mich mit Excel an den Korrelationskoeffizienten der Ausgleichsgerade gehalten, der bei 2,7k bzw. 3,3k am Besten war. Das müsste doch das sein, was du mit "beste Gerade approximieren" meinst, Manf.

Es gibt doch auch bestimmt ne Formel um den optimalen Linearisierungswiderstand zu errechnen. Hab auf die Schnelle das hier gefunden: http://www.ntb.ch/Pubs/sensordemo/wtm/m_error/u_linearisierung_NTC.pdf
Hab aber leider jetzt gerade keine Zeit es eingehend zu lesen, werd ich aber sobald wie möglich nachholen. Eine Grundaussage ist aber schon, dass der Fehler des Bauteils höher ist als der Fehler in der Linearität. Wobei die reden von einem Parallelwiderstand, leider fehlt ein Schaltplan/Skizze....

[Manf]

Die Eigenerwärmung (solange sie so gering ist) kann bei konstantem Wärmewiderstand herausgerechnet (abgezogen) werden.
Ein Luftzug ändert aber den Wärmewiderstand und man sollte die Eigenerwärmung deshalb gering halten.

Testen geht am besten mit Pusten oder Luftbewegung mit Gebläse, Wasser hat weitere Effekte wie Wämekapazität und Verdustung.

Für die Berechnung mit höherer Auflösung wie beim Kurvenoptimieren kann man auch mit der Kurve nach Formel rechnen, die Tabellenwerte sind auf Ohm gerundet. Bei der ganzen Optimierung sollte man die Bauteile-Toleranzen der Sensoren nicht vergessen.
http://www.semiconductors.philips.com/acrobat_download/various/SC17_GENERAL_TEMP_1996_3.pdf
Manfred

[Quincy]

Das PDF ist super Manf , das hätte ich schon viel früher haben müssen, bin aber leider nicht drüber gestolpert. =D>

Welche Kurve mit Formel meinst du? Die im PDF angegebene für das Verhalten des Sensors mit den diversen Eigenheiten? Problem wäre doch hier, dass die durch die Linearisierung im Spannungsteiler nicht mehr gilt....

Ich baue hier kein hochgenaues Messgerät mit 1/100°C Auflösung, aber verschenken will ich ja schließlich auch nichts. Im Moment favorisiere ich die Linearisierung des Sensors mit 2,7k und dann 2-Punkt Kalibrierung per Software, die dann Effekte wie Selbsterwärmung und Co. mit einbezieht. Das Problem ist nur noch wie man das Teil kalibrieren soll, weil entweder man braucht ein noch viel genaueres Messgerät oder absolute Physikalische Punkte.

Jemand Vorschläge? :-k

[Manf]

Gleichung (1) gibt den Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur an. Für den Bereich über 100°C gibt es die Erweiterung um die Parameter C und D...

Wie man oben im rechten Bild mit den 3 Kurven (braun grün blau) sieht, ergibt sich eine starke Krümmung bei hohen Temperaturen. Schließt man den Bereich aus dann ergibt sich eine bessere Linearität.

Man sollte das Thermometer abgleichbar machen und erst einmal so gut wie möglich an zwei bekannten Werten abgleichen. Alles weitere kommt auf die Anwendung an.
Manfred

[ruediw]

Zum Kalibrieren kannst Du den Sensor einmal in ein Gefäss mit Wasser indem Eisstücke schwimmen bringen (0oC) und nacher in ein Gefäss
mit siedendem Wasser (100oC). Natürlich musst Du dafür sorgen dass
die Anschlüsse entsprechend isoliert sind.
Das kannst Du zum Beispiel so machen, dass Du einen Schrumpfschlauch auf die Anschlüsse anschrumpfst.

[Quincy]

Das war auch meine Idee zum Thema "physikalische Punkte", aber es gibt zwei Probleme:

1. Ich habe manche Sensoren, da liegen diese beiden Punkte nicht innerhalb des Meßbereichs

2. Die Siedetemperatur des Wasser ist nicht exakt 100°C


@Manf
OK, die Formeln hab ich gesehen und verstanden, aber sobald der Sensor doch in einem Spannungsteiler mit nachgeschaltetem Verstärker hängt kann ich die doch gar nicht mehr nutzen, weil das Verhalten des Sensors überlagert wird, oder?

[Manf]

Die Formeln im Datenblatt geben den Widerstand des Sensors an. Die Formeln erweitert um die Funktion des Spannungsteilers und der Verstärkerfunktion geben dann das Verhalten der Messschaltung an.

Manfred