Spannungsspitzen vor OP-Verstärker eliminieren

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31.10.2005, 12:49
tooltime

Spannungsspitzen vor OP-Verstärker eliminieren

Hallo an alle,

ich messe mit einem Atmel Mega 8 über einen Shunt und einer nichtinvertierenden Verstärkerschaltung die Stromaufnahme eines Elektromotors. Nun habe ich das Problem dass der angezeigte Wert sehr starke Ausreißer nach oben hat. :frown: Der Widerstand des Shunts ist 0,001 Ohm, sodass bei 100 A 100 mV abfallen. Diese verstärke ich über einen OP auf 5 V. Da nun die Signalspannung des OP´s sehr gering ist, verstärke ich natürlich auch sämtliche Störeinflüsse mit.
Als Abhilfe habe ich nun einen 10 kOhm Widerstand in Reihe und einen 2,2 µF Kondensator gegen Masse eingebaut. Leider blieb der gewünschte Erfolg aus. :-k

Ich wäre sehr dankbar über ein paar gute Tipps um dem µC eine saubere Spannung liefern zu können.

Gruß
tooltime
31.10.2005, 12:59
Manf

Über die Signalleitung kommen die Impulse dann nicht mehr, sie kommen wohl über die Masseleitung.
Die Masse der Messschaltung müßte zur Verbesserung schon recht genau an den Massepunkt des Shunts gehen.
Manfred
31.10.2005, 13:16
tooltime

Das ging ja schnell. O:)

Die Masse der Messschaltung ist die gleiche wie für den Rest der Schaltung und liegt direkt am Shunt.
31.10.2005, 14:22
Manf

Du kennst Dich sicher aus, was "direkt" bei 100A bedeutet, Masse der Messschaltung liegt auch "nur" am Shunt?
Dann weiter: ist der Tiefpass vor oder hinter dem Verstärker?
Sind die Störungen auch sichbar zu machen oder sind es erst die Werte die der Controller ausgibt an denen sie zu erkennen sind?
Manfred
31.10.2005, 14:46
tooltime

Zitat:

Zitat von Manf

Du kennst Dich sicher aus, was "direkt" bei 100A bedeutet, Masse der Messschaltung liegt auch "nur" am Shunt?

Tut mir leid. Da steh ich wohl gerade auf der Leitung. Ich weiss leider nicht was du meinst.

Zitat:

Zitat von Manf

Dann weiter: ist der Tiefpass vor oder hinter dem Verstärker?
Sind die Störungen auch sichbar zu machen oder sind es erst die Werte die der Controller ausgibt an denen sie zu erkennen sind?
Manfred

Der Tiefpass ist vor dem OP.
Die Störungen sind am Verstärkerausgang gut messbar.
31.10.2005, 16:07
Manf

Zitat:

Tut mir leid. Da steh ich wohl gerade auf der Leitung. Ich weiss leider nicht was du meinst.

Wenn die Masse des Messsystems sonst potentialfrei ist und nur an den Abgriff des Shunts angeschlossen ist, dann ist es o.k..
Häufig gibt es weitere Verkopplungen zwischen Leistungsteil und Steuerung die für Störungen verantwortlich sind (gemeinsame Versorgung, weitere Massebrücken).

Dann kannst Du ja als nächstes die Versorgungsspannung des OP überprüfen und nötigenfalls auch noch den Widerstand von vom Ausgang nach E- noch mit einen Kondensator versehen.

Manfred
31.10.2005, 16:56
SprinterSB

Zum Entstören würd ich auch versuchen Kondensator(en) möglichst dicht am Motor zu positionieren, so dich wie es eben geht. Kondensatoren mit niedrigem ESR und niedriger Induktivität nehmen, sonst laufen die Störungen einfach am Kondensator vorbei. Diese Kenngrößen dürften fast wichtiger sein als die Kapazität.
31.10.2005, 17:08
skillii

zum Entstören funktioniert meist ein kleiner ELKO(1µ oder 10µ) und parallel dazu kleiner KERKO(ca. 1n) am Besten. Die Position der Kondensatoren ist auch sehr entscheidend!
31.10.2005, 17:58
PICture

Hallo tooltime!
Wenn Du mir eine Skizze (Schaltplan?) Deiner OpAmp Schaltung posten kannst, dann vielleicht kann ich Dir helfen.
MfG
03.11.2005, 07:39
tooltime

Vielen Dank für eure Tipps.
Es war wirklich einiges dabei, was ich versuchen werde.

Wenn ich heute Abend dazu komme, werde ich die Schaltung mal ins Netz stellen.
03.11.2005, 19:33
tooltime

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So sieht also die Schaltung aus.

Am Pin1 von SL1 greife ich die Masse an der Versorgungsspannung ab.
Am Pin2 liegt die Messspannung vom Shunt an.
Am Pin3 greife ich die positive Spannung ab.

Ich freue mich auf eure Verbesserungsvorschläge.
03.11.2005, 19:49
PICture

Hallo tooltime!
Die Störimpulse kommen sicher durch die Masse. Du mußt leider die beiden Shunt anschlüsse an den OpAmp zuführen. Ich muss jetzt leider in die Arbeit, aber morgen früh skizze ich für Dich eine Lösung.
Bis morgen!
MfG
04.11.2005, 18:36
PICture

Hallo Tooltime!
Bei Deiner OpAmp Schaltung muß unbedingt negative Betriebspannung vervendet werden. Ohne diese, hat der OpAmp unlineare Charakteristik und arbeited somit für negative Eingang Spannungen mit open loop Verstärkung. Das bedeutet, daß für -0,1 mV Eingangspannung entsteht auf dem Ausgang schon + ein paar V. Das nächste ist, daß bei 100A Strom auf der Resistanz von Masse (z.B. 10 mOhm) zwischen dem Shunt und OpAmp entsteht schon eine Spannung von 1V. Um das zu eliminieren kann man s.g. Differenzialverstärker vervenden (siehe Skitze). Als letzte bleiben noch Störungen die in Zuleitungen vom Schunt zum OpAmp enstehen können. Es sollte helfen ein zweiadriges, geschirmtes Kabel zu verwenden, wobei wichtig ist, daß der Schirm nur auf einem Ende mit der Masse Verbunden ist. Ich würde mit der negativen Spannung afangen, und wenn nötig weitere Maßnamen ergreifen. Die Verstärkung ist gleich P/R.
MfG

Code:

+---+ P | | | _V_ | | +-|___|-+ | | | | | VCC | +--+ | + | | | _R_ | |\| | .-. +---------------|___|-+--|-\ | | | ___ | >-+---------> Shunt | | +---------------|___|-+--|+/ '-' | R | |/| | | .-. - +--+ | | VCC | R| | | '-' | | === GND
07.11.2005, 10:08
tooltime

@ PICture

Danke für die Schaltung. Klingt (leider O:) ) ziemlich einleuchtend. Die größten Sorgen bereitet mir die negative Versorgungsspannung. Ein DC/DC-Wandler (etwas anderes fällt mir dafür nicht ein) ist dann auf der Platine das teuerste und auch eines der schwersten Bauteile.

Zitat:

Das nächste ist, daß bei 100A Strom auf der Resistanz von Masse (z.B. 10 mOhm) zwischen dem Shunt und OpAmp entsteht schon eine Spannung von 1V.

Ob ich das richtig verstanden habe, bin ich mir nicht so sicher.
Mein Shunt hat einen Widerstand von 1mOhm, somit fallen an ihm 100mV bei 100 A ab. Diese habe ich in meiner ursprünglichen Schaltung auf den OP gegeben und auf 5V verstärkt. Soll ich nun bei der Differentialverstärkerschaltung zwei eigene Leitungen auf den Shunt ziehen? Da der Shunt ja direkt an der Versorgungsmasse liegt, dachte ich, dass ich den Messfehler vernachlässigen könnte und die Versorgungsmasse direkt am Eingang vom OP nutzen könnte. Es fließen ja nur ein paar mV zum OP und in den µC, somit sollte der Spannungsabfall weit unterhalb meiner Messgenauigkeit sein.

Gruß
tooltime
07.11.2005, 17:32
PICture

Hallo tooltime!
Es ist nicht so schlimm mit der negativer Spannung. Der ICL7660 der aus + Spannung, gleiche - Spannung macht kostet beim Reichelt 0,60€ und ist in DIP 8 Gehäuse. Du hast das, glaube ich, richtig verstanden. Die 10 mOhm habe ich nur als Beispiel genommen um zu zeigen, dass die Massenresistanz grösser als Dein Schunt seien könnte. Ich hoffe, das die negative Spannung für Deinen OP wird schon ausreichend helfen. So wie ich das Beschrieben habe, machst Du es nur so weit bis die "Spitzen" verschwinden. Du must nicht alles umsetzen. Ich habe nur alle Möglichkeiten gezeigt, und welche in Deinem Fall die Hauptursache ist, musst Du selber herausfinden.
Viel Erfolg!
MfG
07.11.2005, 17:36
Manf

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Zitat:

Soll ich nun bei der Differentialverstärkerschaltung zwei eigene Leitungen auf den Shunt ziehen? Da der Shunt ja direkt an der Versorgungsmasse liegt, dachte ich, dass ich den Messfehler vernachlässigen könnte und die Versorgungsmasse direkt am Eingang vom OP nutzen könnte. Es fließen ja nur ein paar mV zum OP und in den µC, somit sollte der Spannungsabfall weit unterhalb meiner Messgenauigkeit sein.

Es ist wichtig, dass der Bezugspunkt am Widerstand R1 direkt am Shunt angeschlossen wird. Damit der Shunt wirklich 1mOhm beträgt und nicht noch ein Stück Leitung dazugehört.
Die Verstärkerschaltung kann man so wie im Bild ausführen wenn man dafür einen OP nimmt, der am Eingang bis zur negativen Versorgungsspannung (Rail) arbeitet, die hier bei GND liegt.
Dann kommt man mit 5V und 0V aus.
Manfred

(Hat sich überschnitten, naja kein Widerspruch.)
07.11.2005, 17:48
PICture

Hallo Manf!
Ich weiss nicht, wer den Begriff "reil to reil" in die OP´s eingeführt hat, aber ich bin sicher, das es für OP´s nicht angewendet werden darf. Siehe Erklärung in meinem vorletztem Beitrag.
MfG
07.11.2005, 18:00
Manf

Du meinst das hier?
Google: "rail to rail" opv

Speziell bei den Fet Typen gibt es einige die auch noch ein Stückchen über die Rail hinausgehen.

http://www.google.de/search?hl=de&q=...l%22+opv&meta=
07.11.2005, 18:11
PICture

Nein, ich sage nur, dass es kein OpAmp gibt, der ohne - Betriebspannung saubere 0V so verstärken kann, dass es am Ausgang auch saubere 0V gibt.
MfG
07.11.2005, 19:47
Manf

Zitat:

Zitat von PICture

Nein, ich sage nur, dass es kein OpAmp gibt, der ohne - Betriebspannung saubere 0V so verstärken kann, dass es am Ausgang auch saubere 0V gibt.
MfG

Ohne Betriebsspannung geht sicher nichts, aber sicher ist das Verhalten an der Grenze, zum Beispiel bei GND gemeint.

Gerade dafür gibt es seit einigen Jahren große Anstrengungen eingangsseitig erst einmal eine Grenze zu überschreiten. Die ELEKTRONIK hatte speziell vor ein paar Monaten auch einen Artikel mit welcher Technik eingangsseitig beide Rails überschritten werden können. Es sind zwei Eingangansdifferenzvertärker die sich in ihrer Funktion an den Grenzen ablösen.

Ausgangsseitig geht es mit komplementären FETs in Sourceschaltung, dass ohne Belastung mit gesperrtem FET und leitendem FET ein Spannungsteiler entsteht, der die Spannung der Rail auf pV bis nV erreicht.
Wenn die Last wie im vorliegenden Fall zur Rail hin wirkt, dann besteht auch hier kaum eine Einschränkung.

Man kann natürlich auch mit negativer Versorgungsspannung arbeiten. Dann stehen praktisch alle Operationsverstärkertypen zur Verfügung.
Manfred
07.11.2005, 19:57
PICture

Zitat:

Zitat von Manf

Gerade dafür gibt es seit einigen Jahren große Anstrengungen eingangsseitig erst einmal eine Grenze zu überschreiten.

Die grenze ist unüberschreitbar, genauso wie beim "perpetum mobile".
MfG
07.11.2005, 20:19
Manf

Es ist schön, dass das Thema intensiv diskutiert wird.

Eingangsseitig ist es aber sicher kein Problem, den Arbeitsbereich auf einer Seite über das Rail zu ziehen, und dafür auf der anderen Seite um mehr als diesen Betrag zu verfehlen.

Bei Bipolartransistoren ist dies etwa der Betrag der Schwellspannung, bei FETs ebenfalls, nur bei FETs ist diese durch Dotierung in einem weiteren Bereich zu steuern.

Manfred
07.11.2005, 21:39
tooltime

Hoppla, ich wollte keine Diskussion auslösen. :oops:

Danke euch allen für die wirklich nützlichen Hinweise. Ich hoffe, dass ich die nächsten Tagen dazu komme, ein paar Dinge auszuprobieren. In der Zwischenzeit werde ich als Kompromiss erst einmal Softwareseitig eine Mittelwertbildung machen, um einen stabilen (Schätz-) Messwert zu bekommen.
Sobald meine Ätzmaschine fertig ist, mache ich mir eine Platine mit allen Schaltungsänderungen. Ich habe keine Lust mehr auf Lochraster.

Ich hoffe, dass ich gelegentlich auf eure Hilfe zurückgreifen kann.

Gruß
tooltime
07.11.2005, 21:50
waste

Zitat:

Zitat von PICture

Zitat:

Zitat von Manf

Gerade dafür gibt es seit einigen Jahren große Anstrengungen eingangsseitig erst einmal eine Grenze zu überschreiten.

Die grenze ist unüberschreitbar, genauso wie beim "perpetum mobile".
MfG

Hallo PICture,

es gibt schon einige OPVs, die eingangsseitig die untere Versorgungsspannung unterschreiten dürfen. Sieh Dir z.B. den TLC272 an. Im Datenblatt wird damit geworben: Common-Mode Input Voltage Range Extends Below the Negative Rail. Die Eingangsspannung darf 0.2V unter der negativen Versorgung sein.

Am Ausgang ist das was anderes, da kenn ich noch keinen OPV der das kann. Da ist die Grenze noch die Versorgungsspannung.

Gruß Waste
08.11.2005, 07:19
PICture

Hallo waste!
Ich habe mir das Datenblatt von TLC genau angeschaut. Wenn ich das mit der negativer Eingangspannung richtig verstanden habe, muss die Ausgangsspannung auf der Skizze stimmen, oder?

Code:

10k ___ +-|___|-+ | | | VCC | 1k | +5V | ___ | |\| | >-----|___|-+-|-\ | | | >--+------> -0,1V| +-|+/ A V | |/| |+1V? === === === | GND GND GND ===== GND TLC 272

Wenn das stimmt, dann habe ich wieder was gelernt.
Schöne Grüsse!
08.11.2005, 09:04
Manf

So soll es funktionieren.
Hier sind noch zwei Quellen zu rail to rail Eingänge (oben und unten).
(Die Ausgänge zieht es bei Belastung wie angegeben noch ein Stückchen vom rail weg.)
Manfred
http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/741
http://www.em.avnet.com/fea/home/0,1703
08.11.2005, 16:40
PICture

Hallo Manf!
Vielen Dank für Deine Bestätigung! Man lernt ja ganzes Leben.
Gruß!
08.11.2005, 16:57
Manf

Zitat:

Man lernt ja ganzes Leben.

Das geht mir auch so, (ich kann es zwar auch noch nicht abschließend beurteilen 8-[ ), aber irgendetwas Neues gibt es fast jeden Tag.
Manfred
08.11.2005, 17:59
waste

Ok, alles schon geklärt. Danke Manfred.

Waste

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