Einfacher Messverstärker für 0..1V

[ihle]

Hallo,
ich stelle euch einen Messverstärker vor, der den Temperaturbereich -10°C bis +60°C von 0...1V darstellt.
Der Verstärker ist teil eines laufenden Projektes das sich noch in der Entwicklungsphase befindet.
Der Verstärker besteht aus einer Messbrücke, einem Instrumentierverstärker aufgebaut mit einem TL084.
Damit ich mich hier kurz fassen kann, habe ich eine kleine Publikation vorbereitet diese könnt ihr auf

http://www.ihle-elektronik.de/Downloads/IntAmp.pdf herunterladen

Ich habe auch die nötigen Datenblätter zum Download bereitgestellt.

http://www.ihle-elektronik.de/Downloads/KTY81-110.pdf
http://www.ihle-elektronik.de/Downloads/BC558.pdf
http://www.ihle-elektronik.de/Downloads/TL084.pdf

mfg ihle

[Besserwessi]

Die Kritik klingt hart, aber sonderlich gelungen ist die Lösung eher nicht. Es hängt ein wenig davon ab, was man mit dem Ausgangssignal machen will, aber die Stromquelle ist, vor allem in der einfachen Form, fast nie eine gute Lösung.

Der TL084 ist als OP ist auch schon etwas in die Jahre gekommen und hier eher keine so gute Wahl (rel. viel Offset/Drift, hohe Versorgungsspannung).

[ihle]

Hallo Besserwessi,

was meinst du mit eher nicht gelungen?
Diese einfache Stromquelle als Kollektorstufe verschalten ist durch ihren hohen Innenwiderstand
sehr zuverlässig und sie hat einen gemessen Fehler von nicht einmal 5%.
Der TL084 ist vielleicht nicht der große Held unter den Ops, aber ein guter
Arbeiter und der Offset und der Drift wird durch Verschaltung als Instrumentierverstärker
kompensiert, wie gesagt die Spannungsverstärkung wird von den vorgeschalteten Elektrometerverstärkern
übernommen somit auch alle Störungen und die Eingänge des nachgeschalteten Differenzverstärkers liegen nicht auf Bezugspotenzial.
Somit werden alle Voraussetzungen erfüllt und das Übertragungsverhalten ist absolut linear, was will man mehr!
Wie ich in meiner Publikation geschrieben habe stellt der Verstärker eine Temperatur von -10°C bis +60°C
in einer Spannung von 0...1V dar,d.h. man kann dieses Signal ohne große Rechenakrobatik in einem Mikrocontroller verarbeiten
oder einen U/I Wandler mit 4...20 mA nachschalten. (0...1V, 0...10V, 2...10V oder 4...20 mA sind normierte Signale die vor allem in der industriellen Messtechnik
eingesetzt werden da die Übertragung vor allem mit Strom Störunanfällig ist. Deshalb werden in Messumformern die Spannungssignale gewandelt und dann auf die Reise geschickt)

Ich will deine Kritik ja nicht kritisieren, aber besonders konstruktiv ist sie nicht.

mfg ihle


P.S. es kommt ja nicht auf den Op an sondern auf die Schaltung ansich!

[Besserwessi]

Wenn das Signal direkt an einen µC zur Digitalisierung geht, ist es ungünstig eine separate Stromquelle zu verwenden, denn man bekommt unnötigerweise Fehler von der Stromquelle und der Ref. Spannung an µC hinein. Besser ist da eine ratiometrische Messung, also so das nur ein Widerstand als Vergleichselement dient, aber keine Ref. Spannung oder ein Ref. Strom. Das geht z.B. wenn die selbe Spannung für den ADC und die Einstellung des Stromes genutzt wird.

Ein Fehler von 5% bei der Stromquelle entspricht etwa 7 K Fehler bei der Temperatur - wenn man so geringe Erwartungen hat, kann man den Weg gehen. Sonst muss man wenigstens einen Abgleich ausführen um wenigstens da den Fehler kleiner zu machen. Dazu kommt bei der Stromquelle noch, dass der Strom von der Temperatur abhängt. Je nach Ausführung der Zenerdiode reagiert die Schaltung dann ggf. ähnlich stark auf die Temperatur des Sensros wie auf Temperaturänderungen an der Schaltung. Wenn schon eine Stromquelle, dann bitte mit einem OP als Regelelement und der Ref. Spannung für den AD - dann wäre es in Ordnung.

Ein Strom von 1 mA ist schon reichlich groß für einen 1 KOhm Sensor, vor allem wenn man in Luft messen will. Beim PT1000 sind eher 0,3 mA und damit etwa 1/10 der Eigenerwärmung üblich.

Der nächste Schwachpunkt ist die Einstellung des "Offsets" - hier wird die Versorgungsspannung herangezogen. Damit hat man noch eine ggf. driftende Spannung, die die Messung stören kann.

Will man mit dem Signal auf das alten 4-20 mA Signal kommen, geht es nicht ratiometrisch, aber dafür dürfte der Stromverbrauch der Schaltung zu hoch sein um die Schaltung mit den 4 mA zu versorgen, und auch die relativ hohe nötige Versorgungsspannung (sollte > 8 V sein) für den TL084 ist nicht gut.

Für eine direkte Anzeige, etwa auf einem Drehspulinstrument oder Panelmeter ist es halt unpraktisch, dass die Spannung nicht linear von der Temperatur abhängt. Mit einem einfachen Spannungsteiler ließe sich das in oft ausreichender Genauigkeit erreichen.

Die Instrumentenverstärkerschaltung ist für diese Anwendung unnötig kompliziert. Die ggf. vorhandenen Gleichtaktstörungen sind klein, und eine 4 Leiter Messung ist beim KTY81 nicht nötig. Die Offset und Drift-fehler der OPs heben sich auch in der Schaltung nicht auf, denn die Fehler der einzelnen OPs sind nicht gleich, sondern nur zum Teil korreliert. Hinsichtlich der Drift ist die Instrumentenverstärkerschaltung meist schlechter als ein einzelner OP. Der Kondensator an dem einen OP (zwischen dem + und - Eingang) ist problematisch. Damit kann die Schaltung leicht anfangen zu schwingen - für eine Tiefpassfunktion wären 2 Kondensatoren, jeweils parallel zu R10 und R12 richtig.

Die Wahl des OPs ist auch eher das kleinste Problem der Schaltung - praktischer wäre aber meist ein OP der mit nur einer Versorgungsspannung von z.B. 5 V auskommt, etwa ein LM358 oder wenn es besser sein soll etwa ein LT1013. Damit reduziert sich auch gleich die Wärmeproduktion der Schaltung. Als Anregung kann etwa die Schalung in Wiki-Bereich dienen:
http://www.rn-wissen.de/index.php/PTC/NTC#Br.C3.BCckenschaltung
Mit dem KTY81 als Sensor und R3= 20 K hätte man übrigens etwa einen Messbereich von etwa 0 bis 60 C.