Gleichspannungsanpassung vor der Verstärkung

Hallo Leute,
ich habe eine Frage. Ich möchte Gleichspannung weiter verarbeiten. Die Spannung kann von wenigen mV bis zu 300V gehen. Vor meinen Spannungs-Frequenz-Wandler (Eingangspannung 0-10V) habe ich zwei Operationsverstärker geschaltet, die mir sowohl verstärken als auch dämpfen können. (siehe Bild). v=2, v=1, v=0,5 (nur Beispiele)

Nun meine Frage. Wie kann ich die möglicherweise hohe Spannung vor meinen OPs "herunter knüppeln"? Denn z.B. 300V -> OP mit V = 1/30 -> SpannungsFrequenz Wandler

Bei Wechselspannungen schaltet man ja eine Kombination aus Parallelem R und C davor.. siehe Bild zwei. Aber was könnte man bei Gleichspannung machen.

Vielen Dank schon mal.

Felix




Bild hier  

Bild hier  

Meßverstärker, die ich mir bisher angeschaut habe, arbeiten eigentlich immer nach dem Prinzip, daß die Meßspannung durch einen Eingangsabschwächer (also Spannungsteiler) entsprechend verkleinert wird. Danach wird die Spannung durch den Eingangsverstärker mit bekannter Verstärkung wieder verstärkt und zur Anzeige gebracht. Der Eingangsspannungsteiler wird nicht ausschließlich aus Widerständen aufgebaut, sondern man verwendet man RC-Kombinationen (parallel geschaltet). Das macht man, weil der Eingang vom Verstärker auch kein reiner ohmscher Widerstand ist, sondern auch eine Eingangskapazität hat. Würde man den Spannungsteiler nur aus Widerständen aufbauen, dann wäre der Frequenzgang nicht linear. Im Fall von Gleichspannung kann man ohne Probleme auf die Kondensatoren verzichten und nur mit Widerständen (Spannungsteiler) abschwächen.
Man sollte zusätzlich darauf achten, den Eingang des Verstärkers vor zu hohen Spannungen zu schützen, wenn man z.B. den Eingangsabschwächer falsch bedient. Das kann man z.B. mit 2 Dioden, jeweils zu Masse und zur positiven Betriebsspannung machen.

Danke schön. Ich glaube das hat mir bereits sehr geholfen. Ich löte mal deine Verbesserungen ein und schaue wie sich die Schaltung verhält.

Felix

PS: Wegen dem Spannungsteiler. Ich wollte ihn vermeiden, da sehr kleiner Signale (z.B. 10mV) ja noch kleiner werden. Wobei dies ja nicht so schlimm ist, denn der OP-Ampli. kann ja sehr stark verstärken. Es geht ja nur darum, hohe Spannungen abzufangen.

Zitat:

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Wegen dem Spannungsteiler. Ich wollte ihn vermeiden, da sehr kleiner Signale (z.B. 10mV) ja noch kleiner werden. Wobei dies ja nicht so schlimm ist, denn der OP-Ampli. kann ja sehr stark verstärken. Es geht ja nur darum, hohe Spannungen abzufangen.

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Der Gedanke ist schon richtig. Es erscheint widersinnig ein Signal erst abzuschwächen, um es dann wieder zu verstärken.
Zu stark abschwächen und dann sehr stark verstärken hat auch Grenzen, weil man ungewollte Fehler (Offsetspannungen, Rauschen) mit verstärkt.
Wenn der Meßumfang sehr groß ist, teilt man den gesamten Meßumfang des Geräts gerne in einzelne Meßbereiche ein. Man kann dann z.B. mit einem Drehknopf zwischen den verschiedenen Meßbereichen (Empfindlichkeiten) umschalten.
Elektrisch schaltet man dadurch am Eingangsspannungsteiler verschiedene Widerstände ein (während der Meßverstärker immer die gleiche Verstärkung hat).
Wie eng man die Meßbereiche staffelt, hängt auch von der Genauigkeit der nachfolgenden Anzeige ab. Bei Digitalmultimetern ist das Verhältnis zwischen 2 Meßbereichen häufig 1:10.
Bei Analogmultimetern wählt man engere Abstände (weil die analogen Instrumente die größte Genauigkeit am Skalenende haben), bei Oszilloskopen, die immer etwas ungenau abzulesen sind, hat man meist eine Stufung von 1:2, 1:5 und 1:10.

Spannungen unterhalb der Schutz-Dioden-Spannung von 0,7 V müssen nicht weiter abgeschwächt werden; es könnte ja mit z.B. 199 mV die kleinste Eingangsspannung sein. Alles was darüber liegt, kann auf diese 199 mV per R- oder RC-Teiler reduziert werden.

Danke!
Ich vermute fast, dass der Spannungsteiler die Lösung für alle Operationsverstärkungs-Faktoren ist ...

Ich versuche im Moment ein digitales Oszilloskop zu bauen und habe ein ähnliches Problem (jedoch zu Wechselspannung) gerade gepostet. Vielleicht könntest du mal reinschauen. "OP-Verstärker: Aplitudenabnahme bei Frequenzen <1kHz"

Vielen Dank für deine Hilfe.

Felix

Es ist das übliche Verfahren, mit einem OpAmp eine Eingangsspannung z.B. 199 mV (für DigitalAnzeige) mit einem festen VerstärkungsFaktor auf die Anforderungen des Anzeige-Bausteins oder -Meßgerätes anzupassen.
Alle anderen Eingangsspannungen werden über in Reihe geschaltete Widerstände auf die 199 mV geteilt. Schutzdioden nicht vergessen.
Für kleinere Eingangsspannungen kann der Verstärkungsfaktor erhöht werden auf 10, 100, ...

Karl-Heinz. Noch eine Kleinigkeit.

Ich denke das optimale Schaltbild sieht dann so aus (siehe Bild)
Bild hier  

Eine Feinheit noch. Wenn man den Wechselschalter an R2 setzt, dann ist immer, im Moment des umschaltens, kurz die Masseverbindung unterbrochen. Sehe ich es also richtig, dass man immer R1 schaltet sollte, um dieser Masseunterbrechung entgegen zu wirken? Der Eingang ist dann ja einfach kurz offen.

Felix

Mein Schaltungsvorschlag:

PS: Jetzt brat mir einer einen Storch; wie habe ich denn da den Schalter angeschlossen ? Das gehört anders rum.

Puhh. Meinst du der Schalter liegt zwischen R14 und R15? Es tud mir leid, aber ich komm noch nicht ganz mit.

Ich sehe das Signal liegt am invertierenden Eingang. Erreicht man durch das Weglassen der negativen Spannungsversorgung des OPs, dass aus V+(in) nicht -V+(in) wird?

Danke

Felix

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

Hallo,
hier meine Korrekturen:

Zitat:

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

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Richtig.

Zitat:

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

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

Zitat:

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

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

Zitat:

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

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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.

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

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).

Zitat:

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Würde ich denn dann nicht auch sehr viele Störgeräusche verstärken?

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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 :-)

Danke Karl-Heinz! Ich werde es gleich ausprobieren

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  

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.

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)

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  

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%.

Jetzt habe ich deinen Beitrag nochmal gelesen und sehe, dass ich schon wieder einen Fehler gemacht habe.

Der Fall, dass 400V anliegen aber der Schalter auf 0,8V steht:
An R12 (120k) fallen ja 0,7V ab (nicht 200V). Die restlichen 399,3V an R11 (120k). Das sind dann wie du schon gesagt hast, 3,3mA und 1,3W.
Puhh 1,3W gibt es bestimmt nicht 1% ...

Nachtrag: Du rechnest mit 200 Volt pro 120K-Widerstand; das ist falsch.
Am unteren 120K können maximal 0,7 V abfallen, dann leiten die Dioden. Der obere 120K liegt somit (fast) an GND, bekommt also die vollen 400 V ab. Nimm für den einen Widerstand mit etwas größerer Leistung.

Hallo Karl-Heinz,
mein Fehler an R12 ist uns beiden fast gleichzeitig aufgefallen. Ich hab es gleich in der Zeichnung berichtigt.

Jetzt ist die Schaltung perfekt. Für R11 muss ich leider einen 5W Drahtwiederstand nehmen, die nur 5% haben. Aber man sucht ja ohnehin einen exakt passenden aus.

Hab nochmal geguckt. Die ganze Schaltung läuft auch mit 1/4 Watt Wiederständen. In der Regel liegt die höchste Leistung am ersten Spannungsteiler bei 1,6mW. Müsste mir die 0,6W 1% erst besorgen. Von den 1/4W 1% habe ich ein ganzes Sortiment ...
Nur rein informativ. Kann es sein, dass es besser ist in einer Schaltung einheitliche Wiederstands-Leistungen zu verbauen als 1/4, 1/2 und 0,6W zu mischen?

Gelobt sei der Conrad Katalog. Bei den Dioden geht mit 600V sogar eine IN4005. Aber danke für den Tipp, dass diese schneller sind als die IN4148..

Das mit dem Trimmpoti ist auch eine gute Idee. Manchmal passt die Verstärkung trotz Formel nicht genau ...

Dann nochmal vielen vielen Dank für deine Hilfe.

Felix

Du brauchst keinen 5 Watt Zement-Widerstand, sondern mehrere gleiche Widerstände, die durch Reihen- und / oder Parallel-Schaltung den gewünschten Wert und insgesamt die geforderte Leistung ergeben. Damit ist die Leistung auf mehrere Widerstände verteilt :-)

PS: Du kannst beliebige Widerstands-Leistungen und -Typen verbauen; der Wert ist entscheidend und daß man unter der maximalen Leistung bleibt.

Zitat:

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Bei den Dioden geht mit 600V sogar eine IN4005. Aber danke für den Tipp, dass diese schneller sind als die IN4148..

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Die Dioden sind sicher nicht sehr kritisch, nur als Anmerkung: die 1N400x haben schon bei 4V Sperrspannung 15pF, bei kleineren Spannungen mehr. Man verwendet Schutzdioden deshalb meistens mit etwas Vorspannung im Sperrbereich. Sie haben dann auch geringere Ströme.
Schneller und mit geringerer Kapazität sind die 1N4148, die 1N400x vertragen mehr Leistung.
Wie gesagt, nur als Anmerkung, funktionieren wird es hier auch so.
Manfred

Vielen vielen Dank!
Ich habt mir sehr weitergeholfen.

Ich wünsche euch dann hier zusammen ein wunderschönes neues Jahr.

Felix