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
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:

Bild hier  

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

Bild hier  

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