Das einfache Operationsverstärker-Setup für die Strommessung hat einen seltsamen Arbeitsbereich

Ich verwende im Moment einen LM358D -Doppelverstärker und mein Ziel ist es, den Überstrom an 2 Motoren zu messen. Bevor ich das mache, habe ich einen Testaufbau gemacht, um die Gleichungen zu testen und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers zu überprüfen. Die Verstärkung wird mit Standardwiderständen auf 100 eingestellt.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Wie Sie sehen können (achten Sie nicht auf den Namen des Operationsverstärkers, vergessen zu ändern), beträgt ein Spannungsabfall zwischen dem Strommesswiderstand (etwas, das ich später implementieren werde) 0,02 V (20 mV). Der Operationsverstärker verstärkt es im Idealfall um 100, damit ich es mit einem STM32 lesen kann.

Wenn ich dies jedoch in der Realität mache, liegt der Vout bei etwa 0,7 V und ändert sich nicht, bis ich die 4,98 bis auf 4,1 V verringere. Wenn es diesen Punkt erreicht, ändert sich der Vout dramatisch, wenn ich ihn leicht verringere, und erreicht seinen maximalen Ausgang von 3,9 V (es sind 3,9 V, weil ich die flexible Quelle an V- und den VCC der Komponente angeschlossen habe), wenn das Signal in den V kommt - des Operationsverstärkers ist 4 V oder niedriger.

Meine Frage lautet: Warum verstärkt es nicht den Unterschied zwischen 5 V (v +) und 4,98 V (v-), sondern beginnt die Verstärkung erst bei 5 V (v +) und 4,10 V (v-)?

Ich habe die Gleichungen mit einem Online-Rechner überprüft und den Circuitlab-Simulator verwendet, und es sollte normalerweise funktionieren. Was mache ich falsch?

Mein ideales Setup wäre:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung

UPDATE 01.09.2018 Ich habe die Vcc-Spannung für den Operationsverstärker erhöht und dank euch zeigt er jetzt ein einigermaßen normales Verhalten. Ich bin jedoch auf ein anderes Problem gestoßen, das eigentlich einfach ist, aber ich kann es nicht begreifen. Um zu wissen, wie viel Strom die Last benötigt, verwenden wir das Ohmsche Gesetz. Also I = U/R . Die Messung des Spannungsabfalls beim Stoppen des Motors mit meiner Hand, während der Motor mit 7 V versorgt wird, ergibt einen Abfall von etwa 35 mV (0,035 V). Wenn ich die Gleichung verwende, ist I= U/R = 0,035/1 = 0,035A. Allerdings finde ich das eigentlich nicht richtig, da der Motor ziemlich schwer mit der Hand zu halten ist. Ich habe auch ein Display in meinem selbstgebauten Netzteil und wenn ich den Motor "belaste" steigt der Strom auf ca. 2,2A an. Dies könnte der Strom sein, den der Widerstand verbraucht. Bedeutet das, dass ich den Strom zuerst kennen muss, bevor ich ihn berechne?

Also, Volt pro Ampere = 0,035 V/2,2 A = 0,0159 V = 15,9 mV pro Ampere? Ich habe es nachgeschlagen und die meisten erklären es nicht vollständig, nur das Prinzip des Ohmschen Gesetzes.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung

Eine erste Anmerkung: Die Schaltung ist eine High-Side-Strommessung. Es wird nicht funktionieren, da die Vcc 5V niedriger als das Eingangssignal ist.
Ok, um das zu lösen, würde ich dann> = 24 V als Vcc des Operationsverstärkers verwenden. Aber warum funktioniert der Testaufbau nicht?
Bevor Sie mehr fragen, tun Sie wie vorgeschlagen und stellen Sie sicher, dass die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers genügend "Raum" für die Eingangsspannungen lässt. Für beide gezeichneten Schaltungen ist diese Anforderung nicht erfüllt. Versuchen Sie, was vorgeschlagen wird, und aktualisieren Sie dann die Schaltpläne, um die Situation darzustellen.
Der Eingangs-Gleichtaktbereich für dieses Gerät erstreckt sich nur bis 1,7 V unterhalb der positiven Stromschiene des Verstärkers. Ihre Schaltung verstößt dagegen.
@PeterSmith, was ist, wenn ich den Motor mit 48 V versorge? Dann sollte die Stromversorgung für das Gerät mindestens 1,7 V über dem Operationsverstärker liegen, was dieser Typ nicht unterstützt. Gibt es andere Möglichkeiten, als einen anderen Typ zu bekommen?

Antworten (2)

Der Operationsverstärker wird mit 5 Volt versorgt und das zu messende Signal beträgt 20 mV, angehoben auf eine Gleichtaktspannung von 4,99 Volt. Der LM358 hat einen Eingangsgleichtaktbereich von 0 Volt bis Vcc - 1,5 Volt, daher verlangen Sie zu viel von diesem Gerät. Wenn Sie die Stromversorgung (nur für den Operationsverstärker) auf mehr als 6,5 Volt erhöht haben, funktioniert es.

Das Problem besteht insbesondere darin, dass die Spannung am +Vin-Pin 99% von 5 Volt oder 4,95 Volt beträgt. Wenn Sie die Verstärkung verringern, indem Sie die Eingangswiderstände erhöhen, um die Spannung an +Vin auf weniger als 3,5 Volt zu bringen, würde es anfangen zu arbeiten.

Wenn Sie den Operationsverstärker mit 24 Volt betrieben haben und Ihr Signal auf der Oberseite auf 24 Volt bezogen ist, können Sie die Verstärkung so verringern, dass +Vin nicht mehr als 22,5 Volt beträgt. Dadurch würden die Eingangswiderstände 680 Ohm betragen und Sie hätten eine Front-End-Verstärkung von 14,7, aber Sie könnten eine Sekundärstufe anwenden, um die benötigte Gesamtverstärkung zu erhalten.

Neben dem Gleichtaktproblem, das eine Stromversorgung für den Operationsverstärker ein paar Volt über dem Signal erfordert, haben Sie Fehler in den Widerständen und der Offset-Spannung der Operationskarte.

Die Offset-Spannung beträgt typischerweise +/-3mV und kann bis zu +/-9mV in beide Richtungen betragen. Das ist ein Stromoffset von +/- 0,45 A.

Es gibt auch ein Problem mit der Toleranz der Widerstände. Wenn ein Widerstand um 1 % abweicht, muss der Eingang um 1 % von 5 V abweichen, damit er ausgeglichen werden kann, nicht um 1 % der Differenz. Das sind 50 mV oder ein Stromoffset von +/- 2,5 A.

Dies ist einfach keine sehr gute Methode, um Strom zu messen, wenn Sie Wert auf Genauigkeit legen. Sie können einen besseren Operationsverstärker erhalten, aber die Empfindlichkeit gegenüber Widerstandstoleranz ist ein Killer. Wenn Sie den Messwiderstand auf die niedrige Seite verschieben können, verschwinden die Hauptprobleme und Sie können den Offset-Fehler kalibrieren**.

** Es ist nicht ganz so einfach, Sie möchten die Schaltung so vorspannen, dass der Ausgang des Operationsverstärkers (im schlimmsten Fall) etwas über dem Boden liegt, damit der Operationsverstärker unter allen Bedingungen garantiert funktioniert. Dann subtrahieren Sie diesen Offset digital. Aber Sie könnten dann den billigsten Operationsverstärker der Welt verwenden.

Wenn ich einen Operationsverstärker kaufe, der für die Strommessung mit einer festen eingebauten Verstärkung von 100 ausgelegt ist, ist dies genauer als Standardwiderstände mit Toleranzen, denke ich, wenn ich den Operationsverstärker ersetzen und die Widerstände mit Ausnahme der entfernen würde Shunt, dann wird es genau sein und noch funktionieren? Ich habe auch Leute gesehen, die vorschlugen, den Shunt hinter dem Motor zu platzieren, anstatt das, was ich jetzt habe, und mir sagten, ich solle den Boden so nah wie möglich an den Shunt-Widerstand bringen. Ich weiß nicht, es ist eine große Sache in meinem Setup.
@Capt.Frost Wahrscheinlich, aber Sie müssten die Datenblätter lesen. Wenn Sie den Shunt auf Masse legen, ist die Gleichtaktspannung geringer, sodass die Widerstandstoleranzen weniger wichtig sind.
Vielen Dank für Ihre Antwort! Ich habe das Datenblatt gelesen und es sollte viel genauer sein als mein aktuelles Setup. Ich werde einen mit einer festen Verstärkung von 100 erhalten, sodass ich mich nur auf die Genauigkeit des Shunt-Widerstands verlassen kann. Ich werde dies als meine Antwort markieren, vielen Dank!
Kein Problem. Sie können Ihren vorgeschlagenen Schaltplan (mit Ihren tatsächlichen Shunt-Werten) posten, wenn Sie möchten, dass jemand (möglicherweise nicht ich) ihn sich ansieht. Verwenden Sie eine andere Frage.
Das einfache Operationsverstärker-Setup für die Strommessung hat einen seltsamen Arbeitsbereich
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v