Müssen Sie einen Instrumentenverstärker verwenden, um die Spannung an einem 0,01-Ohm-Shunt zu messen?

Sie müssen keinen Differenzverstärker verwenden, solange Sie auf die Spannungsabfälle achten, die entlang der Erde auftreten. Wenn Sie das untere Ende des 500-Ohm-Widerstands an denselben Punkt wie das Masseende des Messwiderstands zurückführen, sollten die meisten dieser Fehler vermieden werden.

Eines der ersten Dinge, die bei dieser Art von Problem zu tun sind, besteht jedoch darin, sicherzustellen, dass die Spannung des Messwiderstands gut zur Empfindlichkeit des Verstärkers passt.

Bei einem Messwiderstand von 10 m Ohm und einem maximalen Strom von 150 mA beträgt die Messspannung nur 1,5 mV. Allerdings liegt die Offsetspannung eines LM358 im Bereich von +/-3mV. Verdoppeln Sie die Spannung, die Sie zu erfassen versuchen. Die Schaltung misst den Stromfluss nicht genau.

Warum sollten Sie einen 10-mOhm-Messwiderstand mit einem 12-V-Panel wählen, wenn Sie es sich leisten können, eine viel höhere Last zu haben? 1 Ohm wäre ein geeigneterer Wert. Dies würde eine maximale Erfassungsspannung von 150 mV im Vergleich zu den 12 V des Panels sehr klein machen. Um ein 3-V-Signal zu erhalten, ist dann nur eine Verstärkung von 20 erforderlich. Die Verstärker-Offsetspannung würde nur etwa 2 % Fehler beitragen.

Sie sollten auch einen besseren Verstärker verwenden - kostengünstige können weniger als 1 mV Offset haben. Außerdem ist der LM358 für den 3,3-V-Betrieb nicht gut charakterisiert. Da sein Ausgang nur innerhalb von etwa 1,4 V der positiven Schiene liegen kann (abhängig von der Last), wird die Ausgangsspannung auf ~1,9 V oder weniger begrenzt. Ein Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Ausgang ist viel besser, wenn er mit einer 3,3-V-Versorgung betrieben wird.

Solarpanels sind praktisch, da beide Klemmen erdfrei (dh nicht mit Masse verbunden) sind und der Verstärker im invertierenden Modus betrieben werden kann, wobei der Messwiderstand mit dem negativen Ende des Panels verbunden ist – es gibt immer noch einen positiven Ausgang und bietet dem Panel die Möglichkeit, die Batterie aufzuladen, die Ihren Stromkreis mit Strom versorgt. Ich habe diesen Ansatz bei kleinen solarbetriebenen Instrumenten verwendet, bei denen der Ladestrom der Batterie gemessen werden kann.

Ich habe auch die Möglichkeit, den positiven Anschluss mit Masse kurzzuschließen, sodass der Kurzschluss regelmäßig gemessen werden kann, um die Sonnenintensität zu bestimmen.

Hier ist ein Beispiel, das zeigt, wie der Ladestrom gemessen wird, während eine Batterie geladen wird, die den Verstärker sowie andere Schaltungen mit Strom versorgen kann. Wenn der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers in der Nähe des Messwiderstands mit Masse verbunden ist, wird jede Masseverschiebung um einen Faktor von 20 gedämpft, da sie relativ zu einem 3-Volt-Signal ist.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Sie haben einen Verstärker mit einer Verstärkung von etwa +2000 und einer Offset-Spannung von bis zu +/- 3 mV bei Raumtemperatur. Sie kann typischerweise +/-2 mV betragen (Onsemi-Datenblatt). Da der Ausgangshub ohne Last und einer 3,3-V-Versorgung zwischen einigen mV und vielleicht 2 V liegt, könnte der Nullstromausgang ungefähr alles innerhalb dieses Bereichs sein. Ihr gesamtes Full-Scale-Eingangssignal beträgt nur 1,5 mV, sodass 15 uV einen Fehler von 1 % darstellen. Das ist sehr wenig Spannung.

Sie benötigen keinen Eingangsverstärker (obwohl dies einfacher wäre und ein schlampigeres Design ermöglichen würde), aber Sie sollten einen Verstärker mit einer sehr niedrigen Offset-Spannung und wahrscheinlich einem Rail-to-Rail-Ausgang und -Eingang erhalten, der die negative Schiene enthält.

Die „Masse“ an R2 ist ebenfalls äußerst kritisch – sie muss direkt zum Messwiderstand zurückgeführt werden und wäre idealerweise als Differenzverstärker leicht geteilt, aber hier ist dies optional, wenn Sie Toleranzen berücksichtigen.

Erstens, wenn Sie einen Messwiderstand messen, der mit Drähten verbunden ist, dann wird es wahrscheinlich einen Masseversatz geben. Dazu benötigen Sie eine Differenzmessung.

Die von Ihnen gezeigte Operationsverstärkerschaltung ist für eine Single-Ended-Messung konfiguriert. Es muss für eine Differenzmessung eingerichtet werden, um den durch die Drahtwiderstände verursachten Masseversatz zu berücksichtigen. Außerdem müssen Sie separate Drähte für die Strommessung und die Leistungsrückführung (Kelvin-Verbindung) verwenden. Wenn Sie einen erheblichen Stromfluss in den Messdrähten zulassen, führt dies aufgrund des Drahtwiderstands zu Messfehlern.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Außerdem liefert die Verwendung eines großen Messwiderstands genauere Messungen. Sogar etwas so Großes wie 1 Ohm wäre für einen 12-V-Stromkreis mit nur 150 mA angemessen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine genaue Messung durchzuführen.

1. Verstärken Sie die Strommessspannung und speisen Sie sie dann in einen normalen ADC ein.
   a) Verwenden Sie einen Instrumentenverstärker-IC.
   b) Verwenden Sie einen regulären Operationsverstärker, der für eine Differenzmessung konfiguriert ist.
   c) Strommessverstärker-IC.
   
2. Verwenden Sie einen ADC, der für die Strommessung vorgesehen ist. Sowohl Analog Devices als auch Texas Instruments stellen für diesen Zweck ADCs mit kleinen Eingangsbereichen her.

Realistischerweise brauchen Sie etwas Besseres als das, womit Sie arbeiten. tl, dr: Sie brauchen einen besseren Operationsverstärker und ein besseres Design. Dazu kommen wir gleich.

Andererseits benötigen Sie keinen Instrumentenverstärker , bei dem es sich um ein spezielles Setup handelt, das aus 3 Operationsverstärkern (2 Followern und einem Differenzial) besteht, das zum Verstärken von Signalen mit hoher Impedanz verwendet wird . Stromerfassung mit einem niederohmigen Shunt ist das nicht.

Lassen Sie uns zunächst darauf eingehen, was jetzt schief läuft.

Ich verstehe den Wunsch, auf der niedrigen Seite einen Sinn für niedrigen Wert zu verwenden. Sie versuchen, die Bodenverschiebung bei Ihrer Bluepill zu eliminieren. Sie möchten auch den Eingangsbereich des LM358 auf seine Versorgungsschienen (und mindestens 1,5 V unter der + Schiene) begrenzen. Dies ist ein gängiger Ansatz, der es Ihnen ermöglicht, einen gewöhnlichen Operationsverstärker zu verwenden, wenn die angeforderte Verstärkung nicht groß ist . Der LM324/358 ist dafür großartig, solange Sie seine Grenzen verstehen.

Aber Sie haben hier ein kleines XY-Problem. Ihre gewählte Operationsverstärkerqualität, die Single-Ended-Topologie, der niederohmige Messwiderstand und die enorme Verstärkung (Av = 2000), die Sie von diesem Operationsverstärker verlangen, verschwören sich alle gegen Sie und machen Ihnen das Leben viel schwerer als es muss sein. Der Eingangsoffset dieses LM358 bringt Sie um und überschwemmt die winzige Messspannung, mit der Sie arbeiten möchten. Es ist ein altes, billiges Gerät, das nicht wirklich für Präzisionsmessungen geeignet ist.

Lassen Sie uns den Ansatz dann neu gestalten. Also, fünf Dinge:

• Sinn auf der hohen Seite, also keine Bodenverschiebung. Erlaubt das Zweite...
• Verwenden Sie einen realistischeren Messwert, der für Ihren Strom skaliert ist (z. B. 2 Ohm).
• Verwenden Sie einen Differenzverstärker, den Sie sowieso mit High-Side machen müssen
• Verwenden Sie eine niedrigere Verstärkung (nicht mehr als Av = 50), damit Sie der Eingangsversatz nicht umbringt
• Verwenden Sie einen besseren Operationsverstärker mit weniger Eingangsversatz

Sie könnten all dies möglicherweise mit einem Operationsverstärker tun, der über die Fähigkeit verfügt, "übertrieben" zu sein, und eine klassische differenzielle Erfassungsschaltung aufbauen. Maxim und Analog stellen mehrere Operationsverstärker her, die einen höheren Gleichtakt als die V+-Schiene des Operationsverstärkers aufnehmen können, wie zum Beispiel der LT6015 .

Aber ... es gibt ausgezeichnete Spezialverstärker, die speziell für die Strommessung entwickelt wurden : niedriger Offset, kann sowohl auf der Low-Side als auch auf der High-Side verwendet werden, und "Over-the-Top"-Gleichtakt werden alle unterstützt.

Ich habe den LT6105 auf der +12-V-High-Seite mit guten Ergebnissen verwendet. Der LT6105 verfügt über einen Stromquellenausgang, sodass es sehr einfach ist, den Spannungsbereich auf die Anforderungen Ihres ADC zu skalieren, indem Sie einfach den Lastwiderstand ändern. In Ihrem System könnte es von der Versorgung der Bluepill, von Ihrem Spannungseingang oder einer anderen praktischen Versorgung gespeist werden, die Ihnen einen ausreichenden Spannungsbereich bietet.

Der MAX4173 wird als „Low Cost“ in Rechnung gestellt und befindet sich in einem SOT23-6-Gehäuse, also ziemlich klein, kleiner als der LM358, den Sie jetzt in Betracht ziehen. Gleiches gilt für das Netzteil, es ist egal, da es auch "übertrieben" ist.

Es gibt andere, aber Sie bekommen die Idee. Es ist ein beliebter Gerätetyp.

Mit diesem kleinen Shunt-Widerstand erhalten Sie winzige Spannungen, deren Messung besondere Sorgfalt erfordert. Wie bereits erwähnt, benötigt man Verstärker mit sehr geringer Offset-Spannung und Drift, zB Chopper-Verstärker wie LTC1049 oder LTC1050 (ich habe diese Art einmal für eine ähnliche Anwendung verwendet, um 400A genau für einen MRT-Magneten zu messen). Das Messen solch niedriger Spannungen ist möglich, muss aber mit thermoelektrischen Effekten umgehen, indem Temperaturgradienten sorgfältig kontrolliert und Materialkombinationen mit niedrigen thermoelektrischen Koeffizienten ausgewählt werden. Wählen Sie einfach einen größeren Shunt, es sei denn, Sie messen Ströme im Bereich von 100 oder mehr Ampere. Wählen Sie einen Widerstand, der Ihnen eine akzeptable Verlustleistung (z. B. 0,5 W) bei Ihrem maximalen Strom gibt.

Der Schaltplan ist eine bekannte Anwendung von Operationsverstärkern (bipolare Versorgungen). Ausgangsspannung negativ, kann aber durch einen klassischen invertierenden Verstärker verändert werden. Ein aktiver virtueller Massepunkt kann zur unipolaren Versorgung (unabhängig !) des Messsystems verwendet werden.

Vorgeschlagen auch mit sehr niedrigem Offset-Operationsverstärker GS8333 (?) (nicht getestet, Offset vereinfacht) oder OP2189.

Dargestellt mit allen Offset-Unterdrückungsschaltkreisen (Schalter EIN, doppelter Offset-Schaltkreis für einfache Einstellung).

Die Einstellung der Widerstandsverstärkung wird ebenfalls "verdoppelt". Seien Sie vorsichtig mit verdrillten Eingangskabeln und Masseversorgungen in der Nähe des negativen Punkts der 15-V-Quelle. Genau wie das Kelvin-Verbindungsschema.

Ein mit der Verwendung eines Instrumentierungs-Operationsverstärkers AD620 (simuliert)