Operationsverstärker als Signalumformer verwenden

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo,
ich möchte in einem Regelkreis einen Operationsverstärker als Signalumformer verwenden (Stromsignal zu Spannungssignal), hierzu habe ich folgende Schaltung bekommen:

http://www.pic-upload.de/view-13097369/Schaltung.jpg…

Am Kontakt 0-20mA wird der 0-20mA Ausgangs eines Reglers angeschlossen, sobald der Regler ein Signal ausgibt sollte der Operationsverstärker ein Signal an den Leistungstransistor geben, sodas die Lampe zu leuchten beginnt. Allerding passiert nichts, es liegt auch keine Spannung am S-Kontakt des Leistungstransistors an.
Ich kann momentan nicht am Regler, oder der Schaltung rumprobieren, aber ich würde mich freuen wenn mir jemand sagen kann, ob die Schaltung so funktionieren sollte oder ob dort fehler drin sind.

#2

Hallo,
wo soll der Strom denn hin, der da in den Eingang hinein will?
Gruß
loderunner

#3

Ergänzung
was genau spricht eigentlich gegen einen einzelnen Widerstand gegen Masse als ‚Wandler‘?

#4

Also der Strom geht an den Minus (nicht Invertierender ?) Eingang vom Operationsverstärker. Und dort sollte er dafür sorgen das der Operationsverstärker ein Signal an den Leistungstransistor gibt. Damit dieser die 24V vom D zum G Kontakt durchschaltet.

#5

Wie genau würde das denn funktionieren? würde man den Leistungstransistor einfach parallel zum Wiederstand anschließen? Wenn das wirklich so einfach geht wäre das wohl die bessere Lösung.

#6

Hallo Puero,
ich habe es nicht ausprobiert, aber meiner Meinung nach ist nur ein einfacher Fehler die Ursache:
Eine Verbindung vom nichtinvertierenden (+) Eingang des OP-Amps auf Masse fehlt.
Und ausserdem: Ist es gewollt, dass das Eingangssignal invertiert wird? Wenn der Strom bzw. Spannung am Eingang sinkt, steigt der Strom des Fet`s!
Gruß, Edi

#7

Hallo Fragewurm,

http://www.pic-upload.de/view-13097369/Schaltung.jpg…

Ich kann momentan nicht am Regler, oder der Schaltung
rumprobieren, aber ich würde mich freuen wenn mir jemand sagen
kann, ob die Schaltung so funktionieren sollte oder ob dort
fehler drin sind.

Da sind jede Menge Fehler:

  1. Du machst keine Angaben wo Masse ist. Daher kann man nicht nachvollziehen wie die Ströme fliessen sollen.

  2. Die Spannungsversorgung des OPs ist nicht angegeben. Man muss schon wissen ob der Ausgang überhaupt negative Spannungen erzeugen kann.

  3. Da fehlt auch noch die polarität des Eingangsstroms (0-20mA). Je nachdem geht der OP-Ausgang gegen Plus oder gegen Minus.

  4. Du gibts den OP nicht an. Es macht halt einen unterschied ob der einen Rail-to-Rail-Ausgang hat oder nur Spannungen ausgeben kann, welche nur so 2V an die Versorgunsspannung heranreichen.
    Desweiteren funktionieren auch nicht alle OPs wenn die Eingangsspannung auf dem Potential der Versorgungsspannung liegt. Bei manchen OPs ist diese Verhalten zudem asymetrisch.
    Je nach EIngangsstufe darf auch keine Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen auftreten (Solche OPs sind dann z.B. nicht als Komparator geeignet).

  5. Scheinbar verwendest du einen FET. Wie soll der Lampenstrom fliessen?
    Von +24 durch die Lampe in Drain und dann beim Source wieder raus … und dann wo hin??

Mach mal die kompletten Angaben, dann kann man weiter sehen.
So wie gezeichnet kann es nicht funktionieren.

MfG Peter(TOO)

#8

Nachtrag…
mir ist eben das „M“ rechts unten im Schaltbild aufgefallen. Wenn das „Masse“ bedeutet, dann arbeitet die Schaltung nur als Komparator, d.h. das Ausgangssignal spingt schlagartig von 0 auf UB. Mir erscheint das zweifelhaft. Den Punkt „M“ einfach weglassen, das erscheint mir logischer.
Bin momentan im „Stress“, aber wenn ich heute noch Zeit finde, werde ich mal eine Schaltung aufmalen.
Gruß, Edi

#9

Ok also zu:

  1. Masse soll das M ganz rechts darstellen

  2. Die Spannungsversorgung vom OP ist direkt an die 24V Spannungsquelle angeschlossen

  3. Der Eingangsstrom (0-20mA) ist positiv, der Minus Ausgang des Reglers (DR21) ist mit der gesamt Masse verbunden

  4. Rail to Rail sagt mir jetzt grade nichts, also verwendet wird dieser OP, ich hoffe dort sind alle wichtigen Daten aufgeführt
    https://www.distrelec.de/ishopWebFront/search/lucene…

  5. Der Lampenstrom sollte auf jeden Fall von +24V über die Lampen zum Drain und dann denke ich über Gate und R1 zur Masse

mfg Andre

#10

mir ist eben das „M“ rechts unten im Schaltbild aufgefallen.
Wenn das „Masse“ bedeutet, dann arbeitet die Schaltung nur als
Komparator

Ja das M soll Masse bedeuten, ok über eine Schaltung würde ich mich freuen :smile:

mfg Andre

#11

Hallo Andre,

  1. Rail to Rail sagt mir jetzt grade nichts, also verwendet
    wird dieser OP, ich hoffe dort sind alle wichtigen Daten
    aufgeführt
    https://www.distrelec.de/ishopWebFront/search/lucene…

Der LM358 liefert bei 24V Betriebsspannung nur Ausgangsspannungen im Bereich von +2V bis +22V.

Ein Rail-to-Rail OP würde fast 0V bis fast 24V liefern ( ein paar mV Spannungsabfall sind halt immer).

Siehe Parameter „Output Voltage Swing“.
Deine Schaltung kann so wahrscheinlich nicht wirklich funktionieren.

Aber um das genau beantworten zu können, müsste man die Parameter vom FET haben.

  1. Der Lampenstrom sollte auf jeden Fall von +24V über die
    Lampen zum Drain und dann denke ich über Gate und R1 zur Masse

DAS geht so nicht! Was soll das werden wenn die Lampe 1A benötigt ???
Der Widerstand zwischen dem „+“ und „-“ - Eingang ist beim idealen OP unendlich gross.

Das GATE ist sowieso ein Steueranschluss. Bei einem FET fliessen da nur Leckströme und, nicht unwesentliche, Ströme beim Umladen der Gate-Kapazität.

Um zu wissen was man an deiner Schaltung ändern muss, muss zuerst noch die Funktion geklärt werden.

Soll das Ganze eine gesteuerte Stromquelle werden, wobewi dann der Strom durch die Lampe proportional zum Eingangsstrom ist.
oder
Soll es eine gesteuerte Spannungsquelle sein, bei welcher die Lampenspannung proportional zum Eingangsstrom ist?

Fragen über Fragen :wink:

MfG Peter(TOO)

#12

Also der Strom geht an den Minus (nicht Invertierender ?)
Eingang vom Operationsverstärker.

Nein. In einen OP-Eingang fließt kein Strom rein, der ist hochohmig (>1MOhm).

#13

Wie genau würde das denn funktionieren? würde man den
Leistungstransistor einfach parallel zum Wiederstand
anschließen? Wenn das wirklich so einfach geht wäre das wohl
die bessere Lösung.

Einfach ein Widerstand vom Eingang nach Masse. Weiter nichts. An dem fällt dann bei einem Strom von 0…20mA eine Spannung von 0…20mA*xOhm ab. Das ist alles.
Vermutlich wird Deine Lampe damit nicht funktionieren, aber Du verrätst uns ja leider nicht, was Du da eigentlich machen willst.

#14

Lösung: OPV wandelt Stromsignal in Helligkeit
Hallo Puero,

anbei eine Schaltung, die nach Deinen Vorstellungen funktionieren könnte:
http://www.pic-upload.de/view-13101380/OPV-mit-Gl–h…

Funktionsbeschreibung:
Die 24V-Glühbirne leuchtet proportional zur Höhe des Eingangsstromes (0 - 20mA). Der Spannungsteiler aus R1 und R2 wandelt das Stromsignal in eine proportionale Spannung um. Die Spannung an R2 wird mittels OPV LM358 in einen entsprechend hohen Strom umgewandelt: der OPV sorgt dafür, dass an R3 immer genau die gleiche Spannung anliegt, wie an R2. Wenn also das Eingangssignal 0mA ist, ist die Lampe aus (der LM 358 ist in der Lage, 0V am Ausgang auszugeben und Eingangsspannungen bis 0V herunter zu verarbeiten). Die Ausgangsspannung des OPV wird höchstens auf ca. 3 Volt ansteigen, dann ist der MOSFET voll durchgesteuert.
Je höher das Eingangssignal, desto heller die Lampe.
C1 dient dazu, schnelle Änderungen des Eingangssignals zu verlangsamen, sprich, die Geschwindigkeit der Helligkeitsveränderung wird begrenzt.

Maximale Helligkeit der LED soll bei 20mA Eingangsstrom erreicht werden:
Der Spannungsteiler aus R1 und R2 soll so berechnet werden, dass bei 20mA Eingangsstrom, an R2 ca. 0,1V abfallen. Der Widerstand R3 wird so berechnet, dass bei 0,1V an R3, der Nennstrom durch die 24V Glühbirne fließt.
Beispiel: Nennstrom der 24V Glühbirne = 100mA
Gesucht: Widerstandswert für R3
Lösung: R = U/I --> R = 24V/0,1A --> R = 240 Ohm

Leistungsberechnung für R3:
R3 muss für eine Verlustleistung von Iquadrat x R ausgelegt sein
Pr3 = 0,1 x 0,1 x 240 = 2,4 Watt!

Ich hoffe Du kannst was damit anfangen
Grüße,
Hilarion

#15

Hallo Hilarion,

anbei eine Schaltung, die nach Deinen Vorstellungen
funktionieren könnte:
http://www.pic-upload.de/view-13101380/OPV-mit-Gl–h…

Die Frage ob das die richtige Lösung ist, wissen wir nicht, dazu müsste der UP erst noch einige Fragen beantworten.

Funktionsbeschreibung:
Die 24V-Glühbirne leuchtet proportional zur Höhe des
Eingangsstromes (0 - 20mA). Der Spannungsteiler aus R1 und R2
wandelt das Stromsignal in eine proportionale Spannung um. Die
Spannung an R2 wird mittels OPV LM358 in einen entsprechend
hohen Strom umgewandelt: der OPV sorgt dafür, dass an R3 immer
genau die gleiche Spannung anliegt, wie an R2. Wenn also das
Eingangssignal 0mA ist, ist die Lampe aus (der LM 358 ist in
der Lage, 0V am Ausgang auszugeben und Eingangsspannungen bis
0V herunter zu verarbeiten). Die Ausgangsspannung des OPV wird
höchstens auf ca. 3 Volt ansteigen , dann ist der MOSFET voll
durchgesteuert.

  1. Laut Datenblatt wird eine Ausgangsspannung von 0V nicht unter allen Bedingungen Garantiert. Wenn man sich die bipolare Ausgangsstufe anschaut kann die kleinste Spannung etwa GND + 0.8-0.9V betragen. Der Positive Zweig beteht auch einem Darlington, also maximal V+ - 1.2-1.4V.
    Je nach verwendetem FET, reicht diese Spannung damit dieser noch nicht ganz sperrt.

  2. Die 3V hängen vom verwendeten FET, bzw. dessen Kennlinie und dem Laststrom, ab.

  3. Der Strom durch die Glühlampe lässt sich zwar von 0 bis 100% regeln, allerdings entspricht das nicht einer Helligkeit von 0-100% im sichtbaren Spektrum.

MfG Peter(TOO)

#16

LM358: verschiedene Datenblätter?
Lieber Tod,

anscheinend existieren verschiedene Datenblätter vom LM358 im Netz, denn im Datenblatt von National Semiconductor steht geschrieben, dass der Eingangsspannungsbereich bis minimal 0V herunterreicht (Input Common-Mode Voltage Range). Die Input-Offsetspannung von bis zu +/- 7mV sei hier einmal vernachlässigt.
Und darin ist auch nicht zu finden, dass die 0V am Eingang nicht garantiert wären.
Hier der Link zum Datenblatt des LM358 von National Semiconductor:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm358-n.pdf

Was die Ausgangsspannng des LM358 betrifft, steht im Datenblatt, dass diese bis auf 20mV an GND herunterreicht (Ub = +5V, RL= 10KOhm). Die Ausgangsstufe des LM358 hat zwar einen PNP-Transistors im LOW-Zweig, und dieser braucht im Prinzip mindestens die Basis-Emitter-Spannung um leitend zu werden, doch parallel zu diesem PNP-Transistor ist auch eine 50µA Konstantstromquelle an den Ausgang angeschlossen, die den Ausgangsspannungspegel unter die Basis-Emitter-Spannung des PNP-Transistors zieht! Insofern stimmt die Angabe im Datenblatt von 20mV minimaler Ausgangsspannung.

Fazit: der LM358 wäre für die in der Lösung vorgeschlagenen Schaltung absolut in Ordnung, sprich, jeder beliebige MOSFET könnte verwendet werden.

Grüße,
Hilarion

  1. Laut Datenblatt wird eine Ausgangsspannung von 0V nicht
    unter allen Bedingungen Garantiert. Wenn man sich die bipolare
    Ausgangsstufe anschaut kann die kleinste Spannung etwa GND +
    0.8-0.9V betragen. Der Positive Zweig beteht auch einem
    Darlington, also maximal V+ - 1.2-1.4V.
    Je nach verwendetem FET, reicht diese Spannung damit dieser
    noch nicht ganz sperrt.
#17

Wow danke für die Zeichnung, ja das ist genau das was ich gesucht hab. Obs funktioniert kann ich aber leider erst in 2 Wochen sagen.

#18

Ok dann hier nochmal als Info, dieser Mosfet wird verwendet:
https://www.distrelec.de/ishopWebFront/search/lucene…

#19

Also die Helligkeit der Lampe soll sich proportional zum Ausgang (0-20mA) des Reglers ändern. Die Lampe ist eine 75W oder 80W Leuchte, deshalb wird der Leistungstransistor verwendet.

Wär es nicht möglich das der Leistungstransistor parallel zum Widerstand geschaltet wird, sodass die Spannung die am Wiederstand abfällt genutzt wird, damit der Leistungstransistor die 24V von D nach S durchschaltet?

#20

MOSFET mit Z-Diode schützen
Hallo Puero,

der von Dir vorgeschlage MOSFET ist für 100V und 33A ausgelegt und kostet 1,41 EUR. Es gäbe wahrscheinlich auch billigere MOSFETS die für diesen Einsatzzweck ebenfalls geeignet wären, doch wenn Du die Schaltung sowieso nur 1x aufbaust, wäre dieser Typ ok. Die 100V bieten genügend Sicherheitsreserve für eventuell auftretende Überspannungen in der 24V-Versorgung.
Die 33A Belastungsfähigkeit bei 44mOhm Einschaltwiderstand bedeuten, dass Du diesen MOSFET wahrscheinlich ohne Kühlkörper betreiben kannst.

Je nachdem, welcher Strom maximal durch die 24V-Glühbirne fließen soll, müsstest Du den Strom-Messwiderstand R3 noch anpassen, damit nicht so eine hohe Verlustleistung entsteht. Ein Vorschlag von mir wäre, dass Du den R3 so auslegst, dass die Verlustleistung maximal 1Watt beträgt. Verwende dann einen Widerstand der 2 Watt aushält und dann kannst Du darauf vertrauen, dass dieser Widerstand „ewig“ halten wird.

Je nach maximaler Stromstärke durch die Glühbirne, muss der R3 eventuell auf 0,1 Ohm verringert werden, damit die Verlustleisung unter 1Watt bleibt. Der Eingangsspannungsteiler aus R1 und R2 muss dann natürlich entsprechend verändert werden.

ACHTUNG:
Wenn Du den LM358 ebenfalls an 24V anschließt, dann könnte es passieren, dass er im Einschaltmoment oder bei einem sonstigen Fehler einen 24V-Spike (oder 24V Dauerpegel) an seinem Ausgang ausgibt. Dieser Spike könnte den MOSFET zerstören, da seine maximale Gate-Source Spannung nur +/- 20Volt beträgt.
Um eine Zerstörung des MOSFET zu verhindern, solltest Du also noch einen Widerstand zwischen dem Ausgang des OPV und dem GATE-Anschluß des MOSFET einfügen, sowie eine 12V-Z-Diode zwischen GATE-Anschluß und Masse GND) schalten.
Hier der Link zum Schaltplan mit dieser Ergänzung:
http://www.pic-upload.de/view-13105752/OPV-mit-Gl–h…

Selbst wenn der OPV einmal dauerhaft 24V ausgeben sollte, beträgt der Strom durch die 12V-Z-Diode nur 12mA wobei die Z-Diode 250mA aushält. Die Verlustleistung am R4 (1K) wäre dann 0,14 Watt, d.h. dieser Widerstand sollte bei dieser Auslegung (1K, 12V Z-Diode) 0,25Watt Verlustleistung aushalten können.

Im Normalbetrieb wird die Ausgangsspannung des LM358 nur so hoch werden, bis der MOSFET den Nennstrom der Glühbirne leitet, d.h. also etwa bei maximal 3Volt.

Viel Erfolg!
Hilarion

Ok dann hier nochmal als Info, dieser Mosfet wird verwendet:
https://www.distrelec.de/ishopWebFront/search/lucene…