Gleichspannungsanpassung vor der Verstärkung

[FelixA]

Hmm ist die Schaltung so gedacht:
Bild hier  

Zur Schaltung. Ich versuche mal zu schreiben wie ich glaube sie zu verstehen:
- R1 stellt mit R(N)/R(2) den Spannungsteiler da.
- Die Verstärkung des OPs ist gegeben durch 10k /(10k + R(11)), wobei R(11) die Spannung für den OP nochmals reduziert
- An Pin4 des OPs liegt nicht die Masse sondern eine negative Spannung an?!
- Die Dioden schützen den Verstärker vor einer zu hohen Eingangsspannung. Ich glaube es sind maximal 3V bei Z-Dioden.

- Aber wieso liegt denn der nichtinvertierenden Eingang des OPs auf Plus und Minus? Zieht man diesen nicht auf Minus um ein Nullpunkt zu erhalten?


Ich freue mich über eine Korrektur.

Felix

[kalledom]

Hallo,
hier meine Korrekturen:

- R1 stellt mit R(N)/R(2) den Spannungsteiler da.

Richtig.

- Die Verstärkung des OPs ist gegeben durch 10k /(10k + R(11)), wobei R(11) die Spannung für den OP nochmals reduziert

Nein; die Verstärkung des OpAmp's ist jetzt v= R13 / R14 = 22K / 10K = 2,2.

- Die Dioden schützen den Verstärker vor einer zu hohen Eingangsspannung. Ich glaube es sind maximal 3V bei Z-Dioden.

Es sind keine Zenerdioden, sondern normale, weil ich von einer Eingangsspannung 199 / 2 = 100 mV ausgehe, also weit genug unter der Durchlaßspannung der Dioden.

- Aber wieso liegt denn der nichtinvertierenden Eingang des OPs auf Plus und Minus? Zieht man diesen nicht auf Minus um ein Nullpunkt zu erhalten?

Da habe ich auch Blödsinn gezeichnet, sorry; das ist ja alles DC-gekoppelt. Also +Eingang an Masse und Pin 4 an Minus-Spannung.

Ich hoffe, daß meine "geistige Umnachtung" langsam beendet wird.
Wie bekommst Du das Bild ohne "Umrandung" in das Posting ?

Edit: Der hochohmige Spannungsteiler (1 MOhm pro Volt) sollte möglichst wenig belastet werden. Bei 500 V auf dem kleinsten Meßbereich muß ein recht hoher Schutz-Widerstand eingesetzt werden, der auch mit der Leistung nicht zu groß wird: R11 und R12 mit zusammen 440 K. Dadurch wird als erstes ein Impedanzwandler mit hochohmigem Eingang erforderlich. Anschließend kann mit einem invertierenden oder nicht-invertierenden OpAmp die Halbierung der 199 mV wieder ausgeglichen oder höhere Verstärkungen für kleinere Eingangsspannungen realisiert werden.
Für die Dioden können ersatzweise auch 2 Zenerdioden mit ca. 5 Volt anti-seriell eingebaut und der Spannungsteiler für eine höhere Eingangsspannung dimensioniert werden.

[FelixA]

Hallo Karl-Heinz,
ich habe es heute leider noch nicht geschafft deine tollen Schaltvorschalg auszuprobieren (nach meiner Überlegung ist der absolut perfekt). Ich kämpfe ewig mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler. Aber morgen probier ich es gleich aus..

>Wie bekommst Du das Bild ohne "Umrandung" in das Posting ?
Ich frag mich immer wie ihr es mit Rahmen schafft. Ich kopiere die Bilder immer auf einen Webserver und füge dann nur den Link ein.

Ohne jetzt dein Schaltung ausprobiert zu haben kleine Anmerkung. Am Ende der Operationsverstärker benötige ich 0-10V für den Spannungsfrequenzwandler. In deiner Schaltung stehen jetzt Spannungsangaben im mV Bereich. Ich würde etwa mit dem Faktor 50 Verstärken müssen. Würde ich denn dann nicht auch sehr viele Störgeräusche verstärken? Oder sind die mV Angaben nur exemplarisch gemeint? Ich würde ansonsten den Spannungsteiler so dimensionieren, dass ich an seinem Ende 5 V erhalte und diese durch die Schaltung jage?

Danke für deine große Hilfestellung

Felix

[kalledom]

Der Spannungsteiler hängt davon ab, was die größte und die kleinste Eingangs-Spannung ist. Bis kurz unterhalb der Versorgungsspannung kannst Du beim OpAmp alles nehmen.
Du hast freien Spielraum, wenn Du zwei Zenerdioden anti-seriell nach GND schaltest (Zenerspannung + 0,7 V).

Würde ich denn dann nicht auch sehr viele Störgeräusche verstärken?

Wenn keine Störgeräusche am Eingang reinkommen, kannst Du auch keine verstärken. Bei zu hoher Verstärkung könnte das Ganze allerdings anfangen zu schwingen. Hohe Verstärkungen (ab 100...500) auf mehrere OpAmps aufteilen, damit Ein- und Ausgang möglichst weit entfernt sind. Wenn Du im HiFi-Bereich "schlechte" OpAmps verwendest, könntest Du bei voller Lautstärke ein leises Rauschen hören; Dein Wandler hat aber keine Ohren

[FelixA]

Danke Karl-Heinz! Ich werde es gleich ausprobieren

[FelixA]

Hallo,
Karl-Heinz, ich habe es jetzt ausprobiert und "durchgerechnet".
Kurz nochmal zusamenngefasst was ich messen möchte:
Gleichspannung mit:
400V, 80V, 40V, 16V, 4V, 0,8V

Die Ausgansspannung soll 0-8V betragen. Versorgt werden die OP-Amps mit etwa +10, -10V.

Ich habe jetzt drei Fragen (habe das Schaltbild nochmal gezeichnet wie ich es aufgebaut habe. Da ich noch nicht alle Wiederstände habe, habe ich nur die zwei kleinen Stufen des Spannungsteilers aufgebaut):

Verplungsschutz: Es könnte passieren, dass man beim Messen die Polarität vertauscht. Hinter dem OP-Amp habe ich den VFC (RC4151). Benötige ich da einen Verplungsschutz? Oder hält der VFC auch -8V aus?
Was mich von einer Diode abhält sind die 0,7V um die die Spannung reduziert wird. Wenn ich z.B. 100mV messen möchte, bleibt nichts mehr übrig?

Die höhe der Wiederstände: Im Moment ist der erste Spannungsteiler mit 1MOhm dimensioniert. Dies entspricht einem Strom von 0,8Microamper. Ist das nicht bischen wenig. Ich dachte vielleicht das man aus den 1MOhm, 10k oder 100kOhm machen sollte. Meine Befürchtung wäre, dass die Schaltung aufgrund der geringen Ströme nicht richtig arbeitet oder anfällig ist gegen "Elektrosmog"?

Zum Überspannungsschutz: Ihr meintet zwar schon ,dads die Dioden das übernehmen, aber angenommen man legt 400V an. Der Schaltet steht aber auf 0,8V. Dann würden 200V bis zur Diode kommen. Geht die Diode dann kaputt. Oder geht der OP kaputt? Wenn die Diode bei 0,70V durchschaltet, gibt es dann eigentlich nicht einen Kurzschluss?

Vielen dank.

Felix

Bild hier  

[kalledom]

Hallo Felix,
Verpolungsschutz vor dem U/F würde ich Dir empfehlen, denn ich glaube nicht, daß der - 8 V mit macht. Dazu einfach einen Widerstand ca. 1 K zwischen OpAmp-Ausgang und U/F-Eingang und eine Diode mit Kathode an Widerstand und Anode an GND. Dann ist ab -0,7 V Feierabend (negativer Rest fällt am Widerstand ab).
Im Schaltplan ist vorne nur eine Diode als Schutz; da muß umgedreht noch eine zweite hin oder anti-seriell zwei Z-Dioden. Was die 400 Volt auf der 0,8 V Stellung betrifft , die kommen doch nur bis zu den Dioden (wenn dann wieder 2 drin sind), der Rest fällt an den Widerständen 2 x 220 K ab !!! Hast Du die eigentlich bei der Berechnung des Spannungsteilers berücksichtigt ?
Niederohmig darfst Du mit dem Spannungsteiler nicht werden, rechne mal die Leistung bei z.B. 1 mA Strom und 400 Volt aus !!! Wie dick sollen da die Widerstände werden ? Also schön hochohmig bleiben. Wenn da Smog oder so was kommt, der größer als 400 V ist, dann kommt der rüber, wenn Du einen hochohmigen Spannungsteiler hast (mit MikroAmpere) und der kommt auch rüber wenn Du einen niederohmigen Spannungsteiler hast (mit MilliAmpere). Ohmsches Gesetz nennt sich das.
Um den Faktor 4 kannst Du allerdings schon bei dem Spannungsteiler runter gehen; 499 MOhm ist was hoch, 100 wären auch ok. Denk an die 2 x 220 K !!! Vielleicht kannst Du die etwas höher machen und den jetzigen 1 M weglassen.

[kalledom]

Ein Kompromiss wäre R11 und R12 je 100 K. Das bedeutet, wenn die 400 V in der 0,8 V-Stellung an R11 anliegen (R12 liegt durch die Dioden an 0,7 V, also fällt der ganze Rest von 399,3 V an R11 ab), fließt ein Strom von 4 mA. Das ergibt eine Leistung von 1,6 Watt an R11.
Der Spannungsteiler würde dann: 99,8M - 19,8M - 9,8M - 3,8M - 0,8 M
Nächster Kompromiss ... ?
R11 und R12 je 50 K = 3,2 Watt an R11, Spannungsteiler = halbe Werte.
(R12 an den Dioden mit 0,7...10V bleibt ein normaler 0,6 W Metallschicht)

[FelixA]

Hallo Karl-Heinz,
jetzt bist du mir zuvor gekommen . Aber danke das du mich so sehr beim Lösen hilfst.
Habe heute recht lange den Conrad Katalog gewälzt und versucht gute Kombinationen zu schaffen. Mein Ergebnis ist deinem recht ähnlich. Habe mich im letzten Schaltbild wirklich mit dem Spannungsteiler verrechnet.

Habe mich auf Standartwiederstände gestützt R1 beibehalten. Dadurch kann jeder Wiederstand 1/4 Metallschicht sein, bis auf die beiden 120k die 0,6W sein müssten. Die gibt es alle als 1%.

Die kleinen Rechnungen zeigen die Belastungen in den härte Fällen.

Die Wiederstände kriege ich locker bei Conrad. Nur im ersten Spannungsteiler werden es wohl viele in Serie geschaltet werden. Aber 100M sind wirklich viel besser als 499M. Toll wären natürlich 80M Wiederstände aber die gibt es glaube ich gar nicht.

Habe mal die Typbezeichnung meiner Diode entziffert. Es handelt sich um eine 4148. Habe dann noch 1N 4..., aber die 4148 dürfte passen.

Felix

Bild hier  

[kalledom]

Super, klappt doch
Noch drei Ratschläge:
1. Nimm 1N4007 als Dioden, die 1N4148 sind mir persönlich vom Strom und der Spannung her zu schlapp ("Kinderspielzeug")
2. Ersetze den 19K-Widerstand durch 15K und 10K-Trimmpoti, dann kannst Du auch etwas "kalibrieren".
3. Nimm nur 0,6 Watt Metall-Widerstände mit 1%.