Discussion:
Massebezug an Opamps bei Differenzspannungsmessung
(zu alt für eine Antwort)
Frank
2007-02-09 23:12:31 UTC
Permalink
Hi !

Frage :

Ich habe einen Stromkreis A der über einen Shuntwiderstand einen
Spannungsabfall verursacht. Die Differenzspannung dieses
Shuntwiderstandes möchte ich über einen Opamp verstärken.
Der Opamp wird über einen eigenen getrennten Stromkreis B betrieben.
(Versorgungsspannung).
Muß ich die Masse von Stromkreis A mit Stromkreis B verbinden oder
nicht ??


MfG


Frank D.
Franz Glaser (KN)
2007-02-09 23:20:27 UTC
Permalink
Post by Frank
Hi !
Ich habe einen Stromkreis A der über einen Shuntwiderstand einen
Spannungsabfall verursacht. Die Differenzspannung dieses
Shuntwiderstandes möchte ich über einen Opamp verstärken.
Der Opamp wird über einen eigenen getrennten Stromkreis B betrieben.
(Versorgungsspannung).
Muß ich die Masse von Stromkreis A mit Stromkreis B verbinden oder
nicht ??
MfG
Frank D.
1. Denk an den Ausgang, verdammtnochmal! Auf was beziehst du denn den?
"schwimmt" der?

2. Selbstverständlich mußt du, der Eingangsspannungsbereich der beiden
Eingänge ist nicht beliebig und es fließt ein Eingangsstrom, wenn
auch ein kleiner.

3. mach dir keinen Kopf, denk an Isolierverstärker, echte Differenz-
verstärker wie sie für DMS-Zellen, Kraftmeßzellen, Wägezellen
verwendet werden. Da gibt es fixfertige mit Trennung, die machen
dir aus 20mV saubere, lineare 10V.

Servas
--
das smiley ist im header verborgen
http://www.meg-glaser.biz/wiz/power-cons.html
Über Watt und Joule
Frank
2007-02-11 12:09:40 UTC
Permalink
Post by Franz Glaser (KN)
Post by Frank
Hi !
Ich habe einen Stromkreis A der über einen Shuntwiderstand einen
Spannungsabfall verursacht. Die Differenzspannung dieses
Shuntwiderstandes möchte ich über einen Opamp verstärken.
Der Opamp wird über einen eigenen getrennten Stromkreis B betrieben.
(Versorgungsspannung).
Muß ich die Masse von Stromkreis A mit Stromkreis B verbinden oder
nicht ??
MfG
Frank D.
1. Denk an den Ausgang, verdammtnochmal! Auf was beziehst du denn den?
"schwimmt" der?
2. Selbstverständlich mußt du, der Eingangsspannungsbereich der beiden
Eingänge ist nicht beliebig und es fließt ein Eingangsstrom, wenn
auch ein kleiner.
3. mach dir keinen Kopf, denk an Isolierverstärker, echte Differenz-
verstärker wie sie für DMS-Zellen, Kraftmeßzellen, Wägezellen
verwendet werden. Da gibt es fixfertige mit Trennung, die machen
dir aus 20mV saubere, lineare 10V.
Servas
Puuuuuuhhhhhhh, genauso eine Art Antwort hatte ich in meinen schlimmsten
Alpträümen befürchtet.

Naja, trotzdem danke für den Tip dass es das fixfertig gibt.

MfG

Frank D.
Christian Treffler
2007-02-10 20:56:46 UTC
Permalink
Post by Frank
Ich habe einen Stromkreis A der über einen Shuntwiderstand einen
Spannungsabfall verursacht. Die Differenzspannung dieses
Shuntwiderstandes möchte ich über einen Opamp verstärken.
Wie? Klassische Differenz-Schaltung mit Spannungsabnahme an beiden Enden
des Shunts (Fall 1), oder nur Spannungsmessung an einem Ende des Shunts
(Fall 2)?
Post by Frank
Der Opamp wird über einen eigenen getrennten Stromkreis B betrieben.
(Versorgungsspannung).
Muß ich die Masse von Stromkreis A mit Stromkreis B verbinden oder
nicht ??
Erst mal Fall 2: Du brauchst ein gemeinsammes Potential, also mußt du
die beiden Massen verbinden.

Fall 1:
Die Messung der Differenzspannung funktioniert ohne Masseverbindung,
aber wie hoch ist der Potentialunterschied? Wenn der Shunt auf hohen
Spannungen (z.B. Netzspannung) liegt und der Opamp frei schwebt (z.B.
Batterieversorgung), musst Du die Opamp-Schaltung gegen Berührung
sichern, die liegt nämlich dann auch auf dem Potential des Shunts. Wenn
die Spannung am Shunt weit über dem Massepotential des Opamp liegt, dann
wird er bei versehentlicher galvanischer Verbindung zwischen den beiden
Massen braten. Dazu braucht's keinen Kurzschluss, ein paar wenige kOhm
könnten schon reichen.

Also, rein theoretisch geht's, rein praktisch braucht's da schon
genauere Infos.

CU,
Christian
Frank
2007-02-11 13:04:19 UTC
Permalink
Post by Christian Treffler
Die Messung der Differenzspannung funktioniert ohne Masseverbindung,
aber wie hoch ist der Potentialunterschied? Wenn der Shunt auf hohen
Spannungen (z.B. Netzspannung) liegt und der Opamp frei schwebt (z.B.
Batterieversorgung), musst Du die Opamp-Schaltung gegen Berührung
sichern, die liegt nämlich dann auch auf dem Potential des Shunts. Wenn
die Spannung am Shunt weit über dem Massepotential des Opamp liegt, dann
wird er bei versehentlicher galvanischer Verbindung zwischen den beiden
Massen braten. Dazu braucht's keinen Kurzschluss, ein paar wenige kOhm
könnten schon reichen.
Also, rein theoretisch geht's, rein praktisch braucht's da schon
genauere Infos.
Endlich !

Ja, Klassische Differenz-Schaltung mit Spannungsabnahme an beiden Enden
Post by Christian Treffler
des Shunts (Fall 1).
Eigentlich geht es mir hier nicht um einen konkreten Anwendungsfall,
sondern mehr grundsätzlich aus Sicht des Aufbaus und der Funktionsweise
des Opamps selber.
Der Einfachheit halber kann man ja mal annehmen, dass ich einen
Potentialunterschied über den Shunt verursache, der nicht vom
230V Netz herrührt, sondern von eiem Strom über eine Batteriespeisung.
Der Spannungsabfall über den Shunt sei entsprechend in Richtung der
Eingänge des OPamp (Invert. - / nicht Invert. +).

Kann jeder alltagsgeläufige Opamp hierzu benutzt werden, oder muß es
ein spezieller Typ ("echter
Differenzverstärker","Instrumentenverstärker") sein ?

MfG

Frank D.
Christian Treffler
2007-02-11 16:40:50 UTC
Permalink
[...]
Post by Frank
Post by Christian Treffler
Also, rein theoretisch geht's, rein praktisch braucht's da schon
genauere Infos.
Endlich !
Nana, 'ne Reaktionszeit von knapp einem Tag ist doch nicht schlecht :-).
Post by Frank
Ja, Klassische Differenz-Schaltung mit Spannungsabnahme an beiden Enden
des Shunts (Fall 1).
OK.
Post by Frank
Der Einfachheit halber kann man ja mal annehmen, dass ich einen
Potentialunterschied über den Shunt verursache, der nicht vom
230V Netz herrührt, sondern von eiem Strom über eine Batteriespeisung.
Je kleiner dieser Potentialunterschied ist, desto größer wird das
Rauschproblem. Entsprechend rauscharmen OP vorsehen.
Post by Frank
Der Spannungsabfall über den Shunt sei entsprechend in Richtung der
Eingänge des OPamp (Invert. - / nicht Invert. +).
Du kannst natürlich nicht einfach den OP direkt an den Shunt
anschliessen. Ich wollte jetzt hier tatsächlich die klassische
Differenz-Verstärke-Schaltung nach
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm empfehlen.

Aber bei genauerem Durchdenken kommen mir da viel zu viele Fallstricke
in den Sinn.

Besser ist die Variante nach
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm .

Masse käme an den negativen Anschluss am Shunt, Der OP Eingang an den
positiven. Wenn Du sicher bist, dass der Strom nur in einer Richtung
fliesst, kommst Du mit einer unipolaren Versorgungspannung des OP aus.
Nachteil: Die OP-Eingänge liegen sehr nahe an Masse.
Post by Frank
Kann jeder alltagsgeläufige Opamp hierzu benutzt werden,
Aufgrund des oben beschriebenen Nachteils brauchst Du einen OP mit
Rail-to-Rail-Eingang. Zumindest Masse an den Eingängen muss er können.
Ein hohe Gleichtaktunterdrückung sollte dann auch sein.
Willst Du auch sehr kleine bis gar keinen Strom messen können, muss der
OP auch am Ausgang bis auf Masse können.
Bei bipolarer Versorgung des OP wird's einfacher.

Aufgrund der Verbindung zwischen OP-Masse und Shunt muss natürlich
gewährleistet werden, dass keine weiteren versehentlichen Verbindungen
zur anderen Batterie hergestellt werden.

CU,
Christian
Marte Schwarz
2007-02-11 17:18:32 UTC
Permalink
Hallo Christian,
Post by Christian Treffler
Je kleiner dieser Potentialunterschied ist, desto größer wird das
Rauschproblem. Entsprechend rauscharmen OP vorsehen.
hier gings um Strommessung, nicht um Hififetisch. um mit dem Rauschen
Probleme zu bekommen musst Du schon was schlechteres als LM324 nehmen oder
Dir noch was dolleres einfallen lassen.

Auf die Offsetspannung sollte Frank ggfs achten, 10 mV sind schnell
beisammen und wenn man wenige 100 mV mesesen will, dass können die schnell
störend wirken.
Post by Christian Treffler
Post by Frank
Kann jeder alltagsgeläufige Opamp hierzu benutzt werden,
Aufgrund des oben beschriebenen Nachteils brauchst Du einen OP mit
Rail-to-Rail-Eingang. Zumindest Masse an den Eingängen muss er können.
letzteres reicht völlig. Das können einige, nicht zuletzt Markus' Liebling,
der LM324.
Post by Christian Treffler
Ein hohe Gleichtaktunterdrückung sollte dann auch sein.
Wozu das denn? Dein Gleichtaktsignal ist eine konstante Spannung. Das wird
sich nicht stärker auswirken, als die Offsetspannung auch.
Post by Christian Treffler
Willst Du auch sehr kleine bis gar keinen Strom messen können, muss der
OP auch am Ausgang bis auf Masse können.
Spätestens jetzt heisst es analog zum Monopoly: Gehen Sie auf die
elko-Seiten, gehen Sie direkt dorthin, gehen sie nicht über... und arbeiten
Sie die Kapitel zum Operationsverstärker noch ienmal durch. Welche Spannung
stellt sich bei einem (idealen) Operationsverstärker am Ausgang ein, wenn
die Eingangsdifferenzspannung 0 ist?
Post by Christian Treffler
Bei bipolarer Versorgung des OP wird's einfacher.
Je nach dem, was er machen will, nicht unbedingt.
Post by Christian Treffler
Aufgrund der Verbindung zwischen OP-Masse und Shunt muss natürlich
Seit wann hat ein OP ein Masseanschluß?
Post by Christian Treffler
gewährleistet werden, dass keine weiteren versehentlichen Verbindungen
zur anderen Batterie hergestellt werden.
Bitte verursache keine Verbindungen, die nicht hingehören :-)

Narri,

Marte
Christian Treffler
2007-02-11 18:04:58 UTC
Permalink
Post by Marte Schwarz
Hallo Christian,
Post by Christian Treffler
Je kleiner dieser Potentialunterschied ist, desto größer wird das
Rauschproblem. Entsprechend rauscharmen OP vorsehen.
hier gings um Strommessung, nicht um Hififetisch.
Weiß ich, wie klein die Spannungan am Shunt sind und wie hoch die
eingestellte Vertärkung? Ich persönlich ziehe in so einem Fall was
Rauscharmes vor.
Post by Marte Schwarz
Auf die Offsetspannung sollte Frank ggfs achten,
Yep, die hatte ich vergessen.
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Post by Frank
Kann jeder alltagsgeläufige Opamp hierzu benutzt werden,
Aufgrund des oben beschriebenen Nachteils brauchst Du einen OP mit
Rail-to-Rail-Eingang. Zumindest Masse an den Eingängen muss er können.
letzteres reicht völlig.
Ja. Aber ich traue Opamps, die wirklich Rail2Rail sind, mehr zu. Vor
allem, was Linearität an der Rail angeht.
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Ein hohe Gleichtaktunterdrückung sollte dann auch sein.
Wozu das denn?
Das hätte ich vielleicht rausnehmen sollen, als ich meinen Artikel
editiert und die Differenzverstärker-Schaltung rausgenommen hatte.
Allerdings gilt auch hier: Wir arbeiten an der negativen
Versorgungs-Spannung des OP, und da lege ich Wert auf möglichst wenig
andere störende Einflüsse.
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Willst Du auch sehr kleine bis gar keinen Strom messen können, muss der
OP auch am Ausgang bis auf Masse können.
Spätestens jetzt heisst es analog zum Monopoly: Gehen Sie auf die
elko-Seiten, gehen Sie direkt dorthin, gehen sie nicht über... und arbeiten
Sie die Kapitel zum Operationsverstärker noch ienmal durch.
Das habe ich nun wirklich nicht nötig.

[1]
Post by Marte Schwarz
Welche Spannung
stellt sich bei einem (idealen) Operationsverstärker am Ausgang ein, wenn
die Eingangsdifferenzspannung 0 ist?
Tja, schaue Dir mal die Schaltung auf
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm an. Gehe von
unipolarer Versorgung aus, die negative Versorgungsspannung des OP liegt
also auf Masse. Wie weit ist der Ausgangs-Pegel von Masse weg, wenn die
Eingangsspannung Ue = Null ist?
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Aufgrund der Verbindung zwischen OP-Masse und Shunt muss natürlich
Seit wann hat ein OP ein Masseanschluß?
Die Schaltung, die den OP beinhaltet, hat einen. Da Frank die beiden
Massen von "Stromkreis A" und "Stromkreis B" trennen wollte, musste ich
mir einen Begriff für "Die Masse von Stromkreis B" ausdenken. Dass ich
mit meiner Faulheit dann auf die Schnauze falle und mir dieser ungenaue
Ausdruck "OP-Masse" in den Hals zurückgeschoben wird, hätte mir klar
sein sollen :-).
Du hast recht, ein OP hat keine Masse. Mit dieser Info zurück zu [1] und
die entsprechenden Schlüsse ziehen.
Post by Marte Schwarz
Bitte verursache keine Verbindungen, die nicht hingehören :-)
Das musst Du Frank sagen, der will mit zwei unterschiedlichen
Potentialen arbeiten.

CU,
Christian
Marte Schwarz
2007-02-11 23:08:16 UTC
Permalink
Hallo Christian,
Post by Christian Treffler
Post by Marte Schwarz
hier gings um Strommessung, nicht um Hififetisch.
Weiß ich, wie klein die Spannungan am Shunt sind und wie hoch die
eingestellte Vertärkung? Ich persönlich ziehe in so einem Fall was
Rauscharmes vor.
Bleib realistisch. Welche Bandbreite wilsst Du denn rauschen lassen und
welche Auflösung noch erreichen, bevor Dich der Offset bereits stört.
Post by Christian Treffler
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Aufgrund des oben beschriebenen Nachteils brauchst Du einen OP mit
Rail-to-Rail-Eingang. Zumindest Masse an den Eingängen muss er können.
letzteres reicht völlig.
Ja. Aber ich traue Opamps, die wirklich Rail2Rail sind, mehr zu. Vor
allem, was Linearität an der Rail angeht.
Was Du denen zutraust... Was soll die Zweite Eingangsstufe für das
Gegenüberliegende Rail denn helfen? Das stört höchstens.
Post by Christian Treffler
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Ein hohe Gleichtaktunterdrückung sollte dann auch sein.
Wozu das denn?
Das hätte ich vielleicht rausnehmen sollen, als ich meinen Artikel
editiert und die Differenzverstärker-Schaltung rausgenommen hatte.
Allerdings gilt auch hier: Wir arbeiten an der negativen
Versorgungs-Spannung des OP, und da lege ich Wert auf möglichst wenig
andere störende Einflüsse.
und was hat das mit der Gleichtaktunterdrückung zu tun?
Post by Christian Treffler
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Willst Du auch sehr kleine bis gar keinen Strom messen können, muss der
OP auch am Ausgang bis auf Masse können.
Spätestens jetzt heisst es analog zum Monopoly: Gehen Sie auf die
elko-Seiten, gehen Sie direkt dorthin, gehen sie nicht über... und arbeiten
Sie die Kapitel zum Operationsverstärker noch ienmal durch.
Das habe ich nun wirklich nicht nötig.
Das sehe ich anderst. Möglicherweise ist aber ein Grundlagenbuch geeigneter.
Post by Christian Treffler
Post by Marte Schwarz
Welche Spannung
stellt sich bei einem (idealen) Operationsverstärker am Ausgang ein, wenn
die Eingangsdifferenzspannung 0 ist?
Tja, schaue Dir mal die Schaltung auf
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm an. Gehe von
unipolarer Versorgung aus, die negative Versorgungsspannung des OP liegt
also auf Masse. Wie weit ist der Ausgangs-Pegel von Masse weg, wenn die
Eingangsspannung Ue = Null ist?
Der Ausgangspegel liegt bei Ud=0 immer auf halber Versorgungsspannung. Der
OP kennt das nie anderst [1], egal, was Du als Masse definierst. Nimmst Du
danach einen AD-Wandler, der ebenfalls 0-Vcc unipoölar arbeitet, dann kannst
Du mit dem richtigen OP sogar in beide Richtungen den Strom messen.
Post by Christian Treffler
Du hast recht, ein OP hat keine Masse. Mit dieser Info zurück zu [1] und
die entsprechenden Schlüsse ziehen.
die da wären?
Post by Christian Treffler
Post by Marte Schwarz
Bitte verursache keine Verbindungen, die nicht hingehören :-)
Das musst Du Frank sagen, der will mit zwei unterschiedlichen
Potentialen arbeiten.
Du hattest den Smiley übersehen. Ich wollte dir damit deutlich machen, für
wie hilfreich ich den Tip halte.

Marte

[1] vom Einfluß der Offsetspannung hier abgesehen. Also idealer Op
betrachtet.
Christian Treffler
2007-02-12 20:45:45 UTC
Permalink
Post by Marte Schwarz
Post by Christian Treffler
Tja, schaue Dir mal die Schaltung auf
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm an. Gehe von
unipolarer Versorgung aus, die negative Versorgungsspannung des OP liegt
also auf Masse. Wie weit ist der Ausgangs-Pegel von Masse weg, wenn die
Eingangsspannung Ue = Null ist?
Der Ausgangspegel liegt bei Ud=0 immer auf halber Versorgungsspannung.
Wieso haben wir Ud=0? Näherungsweise können wir natürlich sagen, dass
ein gegengekoppelter OP sich immer so einstellt, dass Ud=0 ist [1]. In
Wahrheit gilt natürlich Ua = A * Ud. Bei hinreichend grossem A kann man
von der Näherung nach [1] ausgehen, jedoch gilt hier nicht "Ud=0 =>
Ua=Versorgung/2".

Die Formeln auf
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm willst Du ja
wohl nicht in Frage stellen. Es gilt Vu=Ua/Ue, und zwar völlig
unabhängig von den Versorgungsspannungen des OP. R1 ist mit Masse
verbunden, also werden Ua und Ue gegen Masse gemessen und Vu=Ua/Ue.

Jetzt erinnern wir uns daran, dass wir hier die ganze Zeit über
unipolare Spannungsversorgung reden. D.h. die negative
Versorgungsspannung des OP ist Masse. Bei Ue = 0 ist Ua = 0, gegen
Masse='negative Versorgungsspannung' gemessen. Der Ausgang muss also
wenigstens bis zur negativen Rail können.

CU,
Christian
Marte Schwarz
2007-02-13 00:47:58 UTC
Permalink
Hallo Christian,
Post by Christian Treffler
R1 ist mit Masse
verbunden, also werden Ua und Ue gegen Masse gemessen und Vu=Ua/Ue.
Oh Mann, ist mir das peinlich... Kopf einziehen, Duck schäm und wech... Ich
sollte schlafen um diese Zeit...
Vergess bitte, was ich in diesem Thread verzapft hatte und verzeih, wenn ich
böse gewesen sein sollte.

Marte

Thomas Einzel
2007-02-11 20:28:27 UTC
Permalink
Post by Marte Schwarz
Welche Spannung
stellt sich bei einem (idealen) Operationsverstärker am Ausgang ein, wenn
die Eingangsdifferenzspannung 0 ist?
0 * x = 0

Aber "wenn ein OPV aktiv (gegengekoppelt) arbeitet ist seine
Differenzeingangsspannung gleich Null".

Thomas
Marte Schwarz
2007-02-11 23:14:16 UTC
Permalink
Hallo Thomas,
Post by Thomas Einzel
Post by Marte Schwarz
Welche Spannung
stellt sich bei einem (idealen) Operationsverstärker am Ausgang ein, wenn
die Eingangsdifferenzspannung 0 ist?
0 * x = 0
Nein, Wo null liegt bestimmst Du selber, das ist dem OP egal. Der legt 0 an
die Hälfte der Versorgungsspannunug Vcc-Vee. Definierst Du dein
Bezugapotential nicht symmetrisch zur Mitte, dann musst Du das eben
hinzuaddieren. Der OP kann ja nicht riechen, was Du als Bezugapotential
annimmst.
Post by Thomas Einzel
Aber "wenn ein OPV aktiv (gegengekoppelt) arbeitet ist seine
Differenzeingangsspannung gleich Null".
So weit zum "idealen" OP, der dann gar nie mehr arbeiten kann:-) Aber hast
ja recht, sie ist dann fast 0, in der Praxis aber eher selten :-) Manchmal
wäre ich aber schon froh, wenn die Jung-Ings wenigstens so viel zum OP
mitbringen würden...

Marte
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