meine OP-Amps machen merkwürdige Dinge, Hilfe!

[Zarathustra]

Hallo!

Ich sitze schon eine ganze Weile am Thema Operationsverstärker und trotz intensiver Recherche hat ein Erfolgserlebnis bislang auf sich warten lassen :-k
Ich möchte Strom messen und dazu die Spannungsdifferenz herausbekommen, die durch den Stromfluss durch den Shunt-Wiederstand zustande kommt. Ich rechne mit einem Strom von 1 bis 500 mA und gestatte mir einen Spannungsabfall von 5,2 auf 4,8 V für die ganzen Klamotten dahinter. Ein ATmega168 soll es dann auswerten.
[Darstellung meiner Schaltung im Anhang!]
Als Shunt dient ein 1ohm Widerstand. Weil ich schauen wollte ob das ganze überhaupt funktioniert habe ich R1 und R2 gleich gewählt, so müsste laut Literatur die Spannungsdifferenz hinten herauskommen. Tut sie aber nicht. Sie liegt bei ~2,5V obwohl sie laut Messgerät 0,05V ist. Widerstände nachgemessen und ausgetauscht: immer noch nix. Anderen IC: auch nix. Etliche R2/R1 Verhältnisse ausprobiert: Fehlanzeige. Steigere ich R2/R1 beispielsweise auf 10, ändert sich die Anzeige um den Faktor 1,3 o.ä..
Bald bin ich so weit, dass ich meine LM324's aus dem Fenster werfe.

Ich hoffe, dass mir jemand von euch helfen kann,
Gruß,
Markus

[ranke]

Kurze Überlegung, wenn R1 = R2 und Ishunt = 0:
Am +Eingang vom OP liegen dann 2,5 Volt an. Der Ausgang des OP wird auf ein Potential gehen, daß am -Eingang des OP auch 2,5 V anliegen. Das wäre dann Null Volt am Ausgang. Soweit ich es verstanden habe, stimmt das auch mit Deiner Messung überein.
Bei Stromfluß durch den Shunt sollte die Spannung am Ausgang des OP entsprechend steigen, also bei 500mA durch den Shunt von 1 Ohm (entsprechend 0,5V Spannungsabfall am Shunt) würde ich mit 0,5 V am Ausgang des OP rechnen.

Ist das soweit nachvollziehbar?

den Ausgang des OPs auf Null herunterzusteuern ist allerdings kritisch, man muß dann schon damit rechnen, daß es dort nichtlinear wird (tiefer als Null kann er ganz bestimmt nicht sinken).

Eine Bemerkung am Rande:
Es ist günstig die Bauteile in einem Schaltplan so durchzunumerieren, daß jede Bezeichnung nur einmal vorkommt. Man kann dann eindeutiger darüber reden. Wenn man ausdrücken will, daß zwei Werte gleich sind, dann schreibt man am besten den konkreten Wert daneben.

[Zarathustra]

Hallo ranke!

Ich hab es jetzt nochmal ausprobiert:
Wenn R1=R2 ist (10k) und ca. 10mA durch den Shunt fließen, habe ich am Ausgang des OPVs genau 646mV, was nicht die tatsächliche Spannungsdifferenz von (laut Messgerät) 1,8mV ist. Zum Testzweck habe ich das Signal des -Eingangs auf das des +Eingangs gelegt, also auch vor den Shunt: Es bleibt bei ~645mV.
Und weil ich dachte, dass diese 645mV vielleicht das Minimum sind habe ich R2 auf 100k angehoben, was einen Verstärkungsfaktor von 10 ergeben müsste. Heraus kamen 113,8mV (! es geht also doch noch tiefer !). Das durch 10 sind also 11,38mV, was wieder nicht den tatsächlichen 1,8mV entspricht.
Weiter gehts: verstärke ich doch mal mit Faktor 100, also R2=1000k, müsste dann nette 1,8V ergeben. Was ich bekomme sind 22,1mV, es ist also um den Faktor 2 gestiegen und immernoch Unsinn.

Hoffe, die Information hilft weiter,
Markus

[kalledom]

Hallo,
mit R1-oben und R2-oben hast Du einen Spannungsteiler aufgebaut und am (+)-Eingang angeschlossen; da beide den gleichen Wert haben, ergeben sich dort +2,5V
R1-unten liegt an +5V und führt zum (-)-Eingang und über den Gegenkopplungs-Widerstand R2-unten zum Ausgang.
Vom geringen Spannungsabfall am Shunt abgesehen, ist zwischen invertierendem und nicht-invertierendem Eingang eine Spannungs-Differenz von 2,5V ! Da spielen 0,1V am Shunt keine Rolle mehr.

Wenn Du am (-)-Eingang den gleichen Spannungsteiler aufbaust wie am (+)-Eingang, dabei aber den Shunt mit einbeziehst, dann bekommst Du am invertierenden und am nicht-invertierenden Eingang jeweils +2,5V. Fließt Strom über den Shunt, wird am (-)-Eingang die +2,5V weniger.
In einen Spannungsteiler sollte zur Nullpunkt-Einstellung ein Poti eingebaut werden.
Besonders (temperatur-)stabil und genau ist diese Schaltung nicht.

Klick mal in meiner Signatur auf "mehr..." und dann auf "Operations-Verstärker".

[avion23]

Hallo Zarathustra,
schließ den Opamp doch richtig an die Versorgungsspannung an. In diesem Beispiel hat es wahrscheinlich keine Auswirkungen, aber warum unnötig falsch machen? Der nächste baut es genauso mit 0R1 nach und es funktioniert nicht ;)

[ranke]

Zum Testzweck habe ich das Signal des -Eingangs auf das des +Eingangs gelegt, also auch vor den Shunt: Es bleibt bei ~645mV.


Wenn Du die Eingänge verbindest, dann ist die Spannung am Ausgang nur noch durch die internen Toleranzen (Offstspannung/Offsetstrom) bestimmt.

Die Probleme kommen meines Erachtens daher, daß der OP übersteuert ist, weil der Arbeitspunkt so gewählt wurde, daß der Ausgang sehr nahe bei Null liegt. Die interne Verstärkung des OP wird durch die Übersteuerung sehr gering.
Die üblichen Formeln, mit denen man die Verstärkung einer OP Schaltung ausrechnet gelten aber nur, wenn die Leerlaufverstärkung des OP hoch (theoretisch unendlich) ist.
Probier doch mal den Schaltungsvorschlag von Kalledom, das sollte doch etwas bringen.

[BlueNature]

Servus!

ich kann mir so ie Schaltung nicht funktionell vorstellen mit einer V=1.

Habe dir mal die Schaltung in Eagle gezeichnet, dann siehst den Fehler vieleicht selbst:

http://wiesolator.gotdns.org/temp/I-Amplifier01.gif

Du hast am OpAmp ein kleines je nach Typ vorhandenes Problem. Das ist der Fakt das der Ausgang nur bis zu einer Grenze von (in deinem Fall) +0,7V (0V + 0,7V) bis +4,3V (5V - 0,7V) aussteueern kann.

Damit ist bei einer V=1 (R1 = 10k und R2 = 10k) der Ausgang bei 0,7V da der OpAmp den Minus-Eingang auf die 2,5V bringen will. Er schlägt aner am unteren Limit der mglichen Ausgangsspannung an seine Grenze bei ca. 0,7V udn danach ist er nicht mehr in der Lage zu regeln (übersteuert). Das Problem hast du mit V>1 ebenso.

Mein Tip ist es die Referenzspannung zu erhöhen auf größer 2,5V (und unter die riskante 4,3V. Dann hast du mehr Regelreserven im unteren Bereich.

Grüße Wolfgang

[Zarathustra]

Wenn Du am (-)-Eingang den gleichen Spannungsteiler aufbaust wie am (+)-Eingang, dabei aber den Shunt mit einbeziehst, dann bekommst Du am invertierenden und am nicht-invertierenden Eingang jeweils +2,5V. Fließt Strom über den Shunt, wird am (-)-Eingang die +2,5V weniger.

Schlägt mir mein idealer Amp nicht bei der kleinsten Spannungsdifferenz voll aus? Vielleicht funktioniert das bei meinem realen LM324 für kleine Stromstärken aber bei 0,5V Differenz hätte ich doch auf jeden Fall (fast) entweder ein HIGH oder ein LOW.
Auf deine Seite bin ich vorher schon gestoßen, allerdings finde ich ganz unten beim asymetrischen Betrieb (den betreibe ich doch oder?) den Differenzverstärker nicht.



Hallo Zarathustra,
schließ den Opamp doch richtig an die Versorgungsspannung an.

Meine gar zu kindlichen Hintergedanken dabei waren, dass ich den Verbrauch des Amps gleich mitmessen will. Aber da so starke Schwankungen in der Spannung auftreten und sich das ganze hin und herschiebt habe ich die Idee verworfen.



Damit ist bei einer V=1 (R1 = 10k und R2 = 10k) der Ausgang bei 0,7V da der OpAmp den Minus-Eingang auf die 2,5V bringen will. Er schlägt aner am unteren Limit der mglichen Ausgangsspannung an seine Grenze bei ca. 0,7V udn danach ist er nicht mehr in der Lage zu regeln (übersteuert). Das Problem hast du mit V>1 ebenso.

Ich denke, ich habe deinen Tipp verstanden. Habe für eine Referenzspannung von 4V bei Vcc=5V als R2 10k und als R3 40k genommen. Tatsächlich habe ich jetzt dort ~4V. Allerdings stehe ich jetzt mit meinen Messwerten im Wald. Was für eine Verstärkung habe ich denn jetzt? Wie kann ich von Ua auf meine Spannungsdifferenz am Shunt schließen? Habe schon versucht anhand dU = Ue2 - Ue1

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/formel/02101533.gif

umzuformen auf dU = ?, allerdings habe ich immer ein Ue2 bzw. Ue1 in der Formel.


Danke für eure vielen Antworten,
Gruß,
Markus

[kalledom]

Schlägt mir mein idealer Amp nicht bei der kleinsten Spannungsdifferenz voll aus? Richtig, jeder OpAmp macht das.
Wenn das nicht gewünscht ist, wird ein Gegenkopplungs-Widerstand vom Ausgang zum (-)-Eingang eingebaut. Aus dem Verhältnis zwischen (-)-Vorwiderstand und Gegenkopplungs-Widerstand ergibt sich der Verstärkungsfaktor.
Über den Gegenkopplungs-Widerstand wird der (-)-Eingang auf den gleichen Pegel geregelt, wie der (+)-Eingang hat. Zwischen den beiden ist (fast) 0 Volt.
Wenn Dein Gegenkopplungs-Widerstand so hoch ist, daß der (-)-Eingang nicht einmal annähernd auf den Pegel des (+)-Eingangs geregelt werden kann, tja dann ....
Wenn am (+)-Eingang die halbe Versorgungsspannung anliegt, dann gib dem (-)-Eingang wenigstens annähernd die halbe Versorgungsspannung; den Rest regelt der Gegenkopplungs-Widerstand.

Edit: Für eine Nullpunkt-Einstellung muß natürlich der Pegel an einem der beiden Eingänge eingestellt werden können. Die (fast) nicht meßbare Differenz wird dabei so sein, daß sich am Ausgang annähernd 0 Volt einstellen.

[Zarathustra]

Hallo kalledom,

Ich hatte deinen Vorschlag so verstanden, dass ich den Gegenkopplungswiederstand ganz weglasse, dafür aber fast die gleichen Spannungen am + und -Eingang habe.

Aus dem Verhältnis zwischen (-)-Vorwiderstand und Gegenkopplungs-Widerstand ergibt sich der Verstärkungsfaktor.

Ist das auch der Fall, wenn ich (auf das Bild von BlueNature bezogen) R2 und R3 *irgendwie* wähle?
Und was passiert, wenn ich deinem Vorschlag nachgehe und vom -Eingang noch einen Wiederstand zu GND lege, als Spannungsteiler, was ist dann der Verstärkungsfaktor?

Gruß,
Markus

[BlueNature]

Servus,

hab mal spaßhalber ne Schaltung durchgerechnt mit den Problemen, habe dioden verwendet udn die Verstärkung maximal kalkuliert. So solltest 0...3,6V für Stöme von 500...0mA bekommen.

http://wiesolator.gotdns.org/temp/I-Amplifier02.gif

Grüße Wolfgang

[kalledom]

Was passiert, wenn Du den Gegenkopplungs-Widerstand weg läßt ?

Schlägt mir mein idealer Amp nicht bei der kleinsten Spannungsdifferenz voll aus Du weißt es doch ! Oder wolltest Du einen Schmitt-Trigger ?

Wenn R2 und R3 den gleichen Wert haben, ist in der Mitte die halbe Versorgungsspannung, nämlich +2,5V.
Jetzt mußt Du dafür sorgen, daß am (-)-Eingang auch +2,5V anliegen.
Wieviel liegen da im Moment an, wenn der OpAmp-Ausgang auf 0,5V ist (tiefer kann der LM324 nicht) und der Spannungsteiler mit gleichen Werten für R4 / R5 zwischen diesen 0,5V und +5V liegt ?
Nach meiner Rechnung sind das 5V - 0,5V = 4,5V / 2 = 2,25V + 0,5V = +2,75V.
Es ergibt sich eine Differenz von 2,75V - 2,5V = 0,25V; der Ausgang kann aber nicht 'tiefer', um auf 2,5V zu regeln.
Ein Spannungsabfall am R1 spielt da übrigens auch keine Rolle, und genau den wolltest Du ja verstärken.
Den Gegenkopplungs-Widerstand R5 kannst Du für einen Verstärkungsfaktor nicht erhöhen, weil die 2,75V dann noch 'positiver' werden und sich die Differenz weiter erhöht.

Es bleibt Dir nichts anderes übrig, als den (-)-Eingang auch auf 2,5V zu legen. Das geschieht mit einem Spannungsteiler genau wie am (+)-Eingang, indem die Schaltung durch einen weiteren 10k-Widerstand vom (-)-Eingang nach GND erweitert wird. Der Gegenkopplungs-Widerstand zur Festlegung des Verstärkungsfaktors muß natürlich bleiben.
Problem ist allerdings, daß Du keine so präzisen Widerstände bekommen wirst, die genau 2,5V auf beiden Eingängen liefern. Deshalb ersetzt du einen 10k-Widerstand durch einen 8,2k-Widerstand und ein 4,7k-Poti. Mit dem Poti kannst Du dann den Ausgang auf z.B. 1,0V einstellen (viel tiefer geht ja nicht). Wenn R5 dann so weit erhöht wird, daß sich ein Verstärkungsfaktor von z.B. 50 ergibt, dann entsteht bei einem Strom von 500mA an R1 ein Spannungsabfall von 0,05V mal Verstärkung von 50 = 2,5V; der Augang ändert sich somit zwischen 0....500mA von 1V....3,5V.

Halt, stimmt nicht ganz. Durch den Spannungsteiler geht auch der Spannungsabfall an R1 nur zur Hälfte in die Differenz ein.
Entweder R1 verdoppeln oder den Verstärkungsfaktor erhöhen. Der Verstärkungsfaktor sollte allerdings nicht größer als 50 sein, weil die Schwingneigung sonst immer größer wird und einen Oszillator wolltest Du ja auch nicht.

@BlueNature
Damit am Ausgang überhaupt was passiert, muß erst einmal ein Spannungsabfall entstehen, der der (temperaturabhängigen) Durchlaßspannung der Diode von ca. 0,6V entspricht; von 0...600mA passiert also nix.
Beim LM324 gibt es mit dem Pegel an den Eingänge so hoch in der Nähe der Versorgungsspannung Probleme.

[BlueNature]

Servus kalledom,

das Ding funktioniert in der Rechnung schon, das mit den Grenzen der Versorgung hab ich ja schon geschrieben, deswegen die rechte Diode um eine stabile Spannung zu haben (das Ding ist eh unsicher weil die 5V eh nicht 100% steif sein werden).
Im Einschaltmoment hat der OpAmp 0V am Ausgang, also damit eine Spannungsdifferez über die Gegenkopplung. Somit hast mit der Dimensionierung an R1 ne Spannugn je nach Strom von ca. 0,2...0,7V udn eine Verstärkung bei nahe der V=3,6.
Kansnt ja mal Spaßhalber aufbauen, die Diode am Ende ist nur so eingerechnet das es die 0,7V (du nennst es 0,6V is auch OK, geh vom Prinzip aus) abzwackt und damit ab 0V startet. Also 0V = max-Strom von 500mA. Um das Problem zu vermeiden braucht man einen OpAmp der ab 0V arbeiten kann oder eine Versorgung die stabil +/- Supply hat. Aber ist nicht gefordert, also die Schaltung mit gegebenen Mitteln und Teilen.

Grüße Wolfgang

[Zarathustra]

Dank eurer Hilfe wird das bald richtig was hier. =P~
Ich hab es jetzt so hinbekommen, dass ich am Ausgang 1V bei quasi nicht-Belastung und 1,4V bei ca. 50mA habe, allerdings bin ich mir nicht ganz darüber im Klaren was genau ich gemacht habe:

http://wiesolator.gotdns.org/temp/I-Amplifier01.gif

Am -Eingang wird die Spannung nach dem Shunt zu 50-50 geteilt durch 2x10 ohm anstatt auf den 5V zu bleiben, die der Amp nicht herunterregeln kann. Am +Eingang habe ich für R3 10k und statt R2 einen 7,5k Widerstand und 10k Poti in Reihe. Als Gegenkopplungswiderstand (R5) dienen 330k und wenn ich das richtig verstanden habe, müsste das ein V von 33 ergeben (weil R4 10k ist und R5/R4 = V UND weil R2 und R3 V nicht beeinflussen (was mich immernoch verwirrt))
Da ich Anfangs sehr merkwürdige Werte rausbekommen habe, hab ich solang am Poti gedreht bis 1,0V am Ausgang waren. Interessehalber habe ich danach die Spannungsdifferenz am + und -Eingang gemessen und die war 23,4mV. Mal 33 wären 772mV und nicht die erwarteten 1000. Die Widerstände habe ich nachgemessen; R4=9,95k und R5=330k.
2.Versuch:
Mit der gleichen Formation (V soll 33 sein) durch den Poti den Ampausgang auf 1,95V geregelt. Spannungsdifferenz sollte dann 1950mV/33=59mV sein. Ist in Wirklichkeit aber 9,6mV und das ist ja nunmal schon sehr grob.

Fazit: es funktioniert zwar besser als vorher aber das Messergebnis ist noch weit davon entfernt durch Formeln zu einem Strom umgewandelt zu werden. Liegt die Ungenauigkeit am Amp oder stimmt was mit der Konfiguration der Widerstände nicht?

Gruß,
Markus

[kalledom]

1. Ich sehe immer noch die alte Schaltung, die nicht funktionieren kann.
2. Was willst Du als Differenz zwischen den beiden Eingängen messen ?
Hast Du ein Poti zur Offset-Einstellung angeschlossen ? Nein !
Ein OpAmp regelt sich durch den Gegenkopplungs-Widerstand selber; da spielt es keine Rolle, was als Differenz zu messen ist, so lange das Ergebnis am Ausgang stimmt. Feinheiten und Toleranzen (auch die im OpAmp) müssen über Potis ausgeglichen werden.
Außerdem verfälschst Du mit dem Innenwiderstand vom Meßgerät das Meßergebnis.
Theoretisch ist zwischen den beiden Eingängen eine Differenz von (fast) 0, weil bei einer Leerlaufverstärkung von z.B. 50.000 und 5V Hub am Ausgang wieviel µV als Differenz sein dürfen ?

'Meine' Schaltung funktioniert :-)

[Zarathustra]

Hallo kalledom!


1. Ich sehe immer noch die alte Schaltung, die nicht funktionieren kann.
Ich fürchte, da haben wir uns missverstanden, ich hab das Bild nur nochmal zur Veranschaulichung reingebracht, meine aktuelle Schaltung habe ich jetzt im Anhang (meine erste Schaltung mit Eagle) und ist prinzipiell so aufgebaut wie deine.


Theoretisch ist zwischen den beiden Eingängen eine Differenz von (fast) 0, weil bei einer Leerlaufverstärkung von z.B. 50.000 und 5V Hub am Ausgang wieviel µV als Differenz sein dürfen ?

beziehst du sicherlich auf mein


Interessehalber habe ich danach die Spannungsdifferenz am + und -Eingang gemessen und die war 23,4mV.

habe ich das richtig verstanden? Natürlich habe ich zuerst den Gegenkopplungswiderstand entfernt als ich die 23,4mV gemessen habe um ihn danach wieder anzuschließen, damit ich sehe was diese Differenz mit Verstärkung ausrichtet.
Nochmal zu deinem Post von gestern:


dann entsteht bei einem Strom von 500mA an R1 ein Spannungsabfall von 0,05V mal Verstärkung von 50 = 2,5V; der Augang ändert sich somit zwischen 0....500mA von 1V....3,5V.

Mit einem Ohm bei 500mA wären es 0,5V Spannungsdifferenz. *klugscheiß*
:-#

Naja, alles in allem funktioniert es soweit, allerdings habe ich vorhin festgestellt, dass mein ATmega168 ADC garkeine interne 2,56V Referenzspannung hat. Jetzt will ich die 1,1V nehmen und das Ergebnis vom Amp vorher spannungsteilen. Noch mehr Ungenauigkeiten also, yipee.

Gruß,
Markus

[Zarathustra]

Ich bin schonwieder auf ein Problem gestoßen, Op-Amps produzieren meiner Meinung nach eine ganze Menge davon:
Ich möchte nicht direkt die Spannungsdifferenz messen sondern einzeln die Spannungen vor und nach dem Shunt um die Informationen dann im Atmel zu verarbeiten (zur Strommessung nehm ich dann dort die Differenz der Spannungen). Vorteil dabei ist, dass ich gleichzeitig die Information habe wieviel Spannung meine Schaltung hat (nur eine Differenz könnte mir diese nicht geben).
Dann habe ich überlegt, wie ich nur ein bestimmtes Spannungsfenster verstärke; z.B. von 4,8 bis 5,4V. Von 0 bis 5,4V wär ja Käse weil ich dann auch nen einfachen Spannungsteiler nehmen könnte. Nehme ich als Beispiel diese Schaltung hier (aus dem RN Wiki von Manf):

https://www.roboternetz.de/wissen/images/4/44/OperationsverstaerkerBild1.gif.gif

Im Speziellen zu Bild1:
Teile ich vorher U1 zur Hälfte (->2,5V) und habe ich für R1 und R2 10k, dann zieht mir R2 den (-)Eingang auch auf 2,5V und ich habe die Spannungsdifferenz mal Verstärkungsfaktor = 2.
Leider habe ich dadurch nichts gewonnen, wie gesagt, Bezogen auf GND hätte ich genausogut einen U-Teiler nehmen können. Also bin ich auf die Idee gekommen Statt GND mir vorher irgendeine Referenzspannung zurechtzuteilen. Also: es kommt noch ein 100k Poti zwischen (-)Eingang und +5V. Jetzt wird der (-)Eingang durch den Poti auf angenehme 2V getrimmt. Theoretisch gesehen ändern sich jetzt die 2,5V schneller als die 2V und aus dessen Differenz könnte man die Versorgungsspannung berechnen.
Soviel zu der Theorie. Wenn ich dann aber besagtes Gerüst aufbaue stimmt der Ausgang nicht mit Spannungsdifferenz mal Verstärkungsfaktor überein. Nun befürchte ich, dass ich durch den Umbau den Verstärkungsgrad nicht mehr so einfach durch (1 + R2 / R1) berechnen kann.

Sind meine Überlegungen zu diesem "Absolutspannungs-Messgerät" richtig oder viel zu kompliziert? Gibt es einfachere Lösungen? Verstärkungsfaktor?

Gruß,
Markus