Probleme bei der Verstärkung von mV-Potentialdifferenzen

Ich versuche, meiner Tochter bei ihrem Science-Fair-Projekt zu helfen, die Effizienz verschiedener Arten von Haushaltsbeleuchtung bei verschiedenen Heizbedingungen zu messen. Da sie nicht die Elektronikerfahrung hat, habe ich mich freiwillig gemeldet, um den aktuellen Datenlogger zu machen.

Um den Strom zu messen, der in das Licht geht, verwende ich eine Torusspule des Armen (siehe Bild). Ich erhalte eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden der Spule von etwa 2-4 mV Wechselstrom, wenn eine typische Lampe eingeschaltet wird. Ich versuche, diese Potentialdifferenz zu verstärken, damit ich etwa 2-5 V analogen Gleichstrom zur Datenprotokollierung in einen Arduino einspeisen kann.
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Bisher habe ich nur eine Straßendiodengleichrichtung ausprobiert (das hat nicht funktioniert, da die Eingangsspannung für Ardunio nicht ausreicht, vermute ich). Ich habe dann versucht, einen 741-Operationsverstärker zu verwenden, um dieses Potenzial zu verstärken, aber auch das schlägt fehl (siehe Schaltung unten), da ich keine Ausgangsspannung bekomme (nicht sicher warum).Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Meine Frage ist: Kann mir jemand eine einfache Schaltung zeigen, um diese Potentialdifferenz in meiner Spule auf etwas zu erhöhen, das ich korrigieren und protokollieren kann? ODER gibt es eine einfachere (kostengünstige) Möglichkeit, die Datenprotokollierung auf aktuellem Niveau durchzuführen?

BEARBEITEN:

Ich habe dem 741 +/- 5 V zugeführt, da dies die maximale V ist, die der Aurdino verarbeiten kann. Die Toriodal-Spule wurde aus einem Stück Stahlrohr mit einer Länge von 2 Zoll (3/4 Zoll Durchmesser) hergestellt, das mit Isolierband bedeckt war. Es hatte 200 Windungen von 20-ga-Lackdraht. An der Seite des Rohres befindet sich ein Schlitz. R1 war ein 10-Ohm-Widerstand und R2 war ein 1500-Ohm-Widerstand. Ich dachte, das hätte mir mehrere hundert Millivolt Wechselstrom geben sollen, aber ich bekam überhaupt keinen Ausgang am 6-Pin. Wenn das funktioniert hatte, hatte ich vor, von einem 10-Ohm-Widerstand für R1 zu einem 1-Ohm-Widerstand zu wechseln. Wenn es einen besseren Operationsverstärker gibt, kann ich den 741 ausschalten.

Ich habe ein Ende der Spule an den 741-Eingang (3 im Diagramm) und das andere an den Boden angeschlossen.

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Bearbeiten: Zahlen zum Empfehlen von Op Amp in Kommentaren.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

1 - Bitte geben Sie weitere Details zu Ihrer "Ringspule des armen Mannes" an. 2 - Welche Versorgungsspannungen haben Sie für die 741 verwendet? Sie funktionieren nicht gut mit weniger als +/- 15. 3 - Welche Widerstände haben Sie verwendet? 4 - Da Sie versuchen, einen Stromwandler herzustellen, müssen Sie den Sekundärausgang laden.
Ich habe dem 741 +/- 5 V zugeführt, da dies die maximale V ist, die der Aurdino verarbeiten kann. Die Toriodal-Spule wurde aus einem Stück Stahlrohr mit einer Länge von 2 Zoll (3/4 Zoll Durchmesser) hergestellt, das mit Isolierband bedeckt war. Es hatte 200 Windungen von 20-ga-Lackdraht. An der Seite des Rohres befindet sich ein Schlitz. R1 war ein 10-Ohm-Widerstand und R2 war ein 1500-Ohm-Widerstand. Ich dachte, das hätte mir mehrere hundert Millivolt Wechselstrom geben sollen, aber ich bekam überhaupt keinen Ausgang am 6-Pin. Wenn das funktioniert hatte, hatte ich vor, von einem 10-Ohm-Widerstand für R1 zu einem 1-Ohm-Widerstand zu wechseln. Wenn es einen besseren Operationsverstärker gibt, kann ich den 741 austauschen.
@WhatRoughBeast was meinst du mit der sekundären Ausgabe?
Jeder Transformator (außer gewissermaßen ein Autotransformator) hat eine Primär- und eine Sekundärwicklung. In Ihrem Fall ist das Primärkabel das Netzkabel und das Sekundärkabel die mehreren Windungen um den Kern. Bitte recherchieren Sie zum Thema "Stromwandler". Versuchen Sie so etwas wie einen TL081 für Ihren Operationsverstärker.
Danke, welche Eigenschaften des TL081 veranlassen Sie, es zu empfehlen?
Das Datenblatt. ti.com/lit/ds/symlink/tl081.pdf Abbildungen 5 und 6.
Sie benötigen keine nicht invertierende Schaltung, da Sie Wechselstrom verstärken. Verwenden Sie eher 10K und 1K oder 100K und 10K. Oder verwenden Sie R1 = 10K und für R2 einen 1M-Pot. Die 10 Ohm sind zu klein. Hat Ihr Zähler eine serielle Schnittstelle? Sie können die AC-Spannungseinstellung verwenden, um einen echten RMS-Wert des Operationsverstärkerausgangs zu erhalten.
Bitte erläutern Sie den von Ihnen hergestellten Stromwandler genauer - wofür ist der Schlitz?
@Andyaka Der Schlitz dient dazu, den Draht leichter durchzubringen und damit ich die Spule über den Draht zur Lampe schieben kann, ohne sie zu schneiden. Da ich Potenzial über die Spulenleitungen bekam, dachte ich nicht, dass ich es schließen musste.
@C.TowneSpringer Sorry, mein Messgerät hat keine serielle Schnittstelle. Ich werde versuchen, größere Widerstände zu verwenden und mich wieder melden.

Antworten (2)

Ihr Verstärker sieht theoretisch gut aus. Höchstwahrscheinlich ist der 741 und das niedrige Eingangssignal schuld. Der µA741 ist ein sehr alter OpAmp. Vor 40 Jahren war es ein guter Chip. Heutzutage sollten Sie sie (wenn überhaupt) nur noch für Bildungszwecke verwenden. (Es sind wirklich robuste kleine Chips, die viel aushalten können, deshalb sind sie in Schule und Universität beliebt).

Wie auch immer, zurück zum Thema: Ich habe etwas entworfen, das für Sie funktionieren könnte:

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U1 ist Ihr nicht invertierender Verstärker. Ich habe einige vernünftige Widerstände ausgewählt, die eine Verstärkung von etwa 256 ergeben.

U2 ist ein Spitzendetektor. Die verstärkten positiven Halbwellen werden gleichgerichtet und laden den Kondensator C1 bis zur maximalen Spannung auf, die am nicht invertierenden OpAmp-Eingang zu sehen ist. Nach einigen Netzzyklen sehen Sie hier eine konstante Spannung.

Jetzt können Sie diese Spannung vom Ausgangspin abtasten. Wenn Sie eine neue Messung durchführen möchten, legen Sie einfach einen 0,1 Sekunden langen High-Impuls (3,3 oder 5 V) auf den Reset-Eingang. Dadurch wird der Transistor leitend und der Kondensator für die nächste Messung entladen.

Sie benötigen eine bipolare Stromversorgung (nicht gezeigt). +/- 5V ist in Ordnung.

Wenn Sie einen OpAmp kaufen müssen, versuchen Sie, einen Präzisions-OpAmp zu bekommen, der eine ausreichende Ausgangskonformität aufweist. ZB möchten Sie etwas, das den Ausgang so nah wie möglich an die positive Versorgung fahren kann. Der von anderen vorgeschlagene TL081 wird dies nicht tun. Bei einer +/- 5V-Versorgung geht es nur bis zu 2V. Idealerweise möchten Sie einen Rail-to-Rail-OpAmp, aber Sie können auch mit einem billigen LM358 davonkommen (geht bis zu 3,5 V bei einer Versorgung von +/- 5 V).

Eine letzte Sache: Vielleicht möchten Sie mehr Wicklungen auf Ihren Induktor legen. 2 bis 4 mV sind nicht viel und nahe am Rauschen, das von den OpAmps selbst erzeugt wird. Eine gesunde Eingangsspannung liegt im Bereich von 20 bis 40 mV. Passen Sie die Widerstände um U1 entsprechend an.

Sollte die Spule selbst einen Lastwiderstand haben, da sie sonst nur an einen sehr hochohmigen Eingang angeschlossen ist?
@pjc50 Jup! Es sollte eine geben. Ich habe es vergessen. Ich werde den Beitrag später bearbeiten.

Die Verwendung nur einer Diode funktioniert nicht, da die Spannung zu klein ist, um die Einschaltspannung von 0,7 V einer Siliziumdiode zu überwinden. Sie können die Diode jedoch mit dem Operationsverstärker 741 kombinieren, um eine Präzisionsdiode herzustellen, die bei Millivolt-Eingangspegeln arbeitet, da die Einschaltspannung der Diode durch die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers geteilt wird. Googeln Sie einfach "Präzisionsdiodenschaltung", um eine Vielzahl von Konfigurationen zu finden, die Sie verwenden können.

Wollen Sie damit sagen, dass der Grund für den Ausfall meines nicht invertierenden Verstärkers darin besteht, dass die Eingangsspannung nur 3 mV betrug?
Ich weiß nicht. Wie hast du deine Spule mit dem Verstärker verbunden? Haben Sie einen DC-Pfad für den nicht invertierenden Eingang bereitgestellt? In jedem Fall wäre der Ausgang immer noch Wechselstrom und müsste gleichgerichtet werden, um eine Gleichspannung zu erzeugen. Wenn Sie die vollständige Schaltung zeigen, kann sie besser kritisiert werden.
Um eine Nachbesserung mache ich mir noch keine Sorgen. das ist später leicht möglich, sobald das Signal verstärkt ist. Meine Frage war, wie ich die Potenzialunterschiede, die ich in meiner Spule sehe, auf ein brauchbares Niveau steigern kann. Die Schaltung, die ich versucht habe, Verstärkung zu verwenden, ist in der Frage gezeigt.
Probleme bei der Verstärkung von mV-Potentialdifferenzen
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