Probleme bei der Verwendung eines Operationsverstärkers als Komparator an einer einzelnen Versorgung

Hier ist meine Schaltung: LM358 GFCI-Schaltung.

Anwendung: Die Schaltung dient zur Erdschlusserkennung. Wenn ein Fehlerstrom von 20mA durch die Primärseite des Stromwandlers (1:660) fließt, erzeugt er auf der Sekundärseite einen Strom von ~30uA. Dieser Strom fällt über den 10k-Widerstand ab und ergibt ~5-6mV. Dies wird verstärkt und an einen Komparator gegeben, um a zu erzeugen ( v C C − 1.5 ) v die als Eingabe für Arduino gegeben wird. Das Arduino schaltet dann die Relais aus, die die Netzstromversorgung unterbrechen.

Mein Problem ist folgendes: Ich verwende ein Spannungsteilernetzwerk zur Erzeugung ± 2.5 v zur Stromversorgung des LM358. Der erste Teil, der invertierende Verstärker, funktioniert korrekt und ich bekomme einen 0,5-V-Ausgang an Pin 1 für einen 5-mV-Eingang. Jetzt möchte ich, dass der zweite Operationsverstärker immer dann eine hohe Spannung erzeugt, wenn der Eingang dazu ist ≥ 0,5 v . Also verwende ich den zweiten Operationsverstärker im Komparatormodus. Ich verwende einen 20k-Trimmpoti, um eine 0,45-V-Referenz für den invertierenden Anschluss des zweiten Operationsverstärkers zu erzeugen. Da das Trimmpotentiometer mit der +2,5-V-Schiene in der Schaltung verbunden ist, wirkt es parallel zum Spannungsteilernetzwerk (das den Operationsverstärker mit Strom versorgt) und es gibt kein Gleiches mehr v C C / 2 Abfall über die beiden Widerstände. Jetzt, wo die Schienen nicht mehr sind ± 2.5 v , der Operationsverstärker funktioniert nicht richtig. Kann mir jemand dabei helfen? Ich weiß, dass ich mich für ein dediziertes Dual-Netzteil entscheiden könnte, aber ich versuche, nur mit einem einzigen Netzteil zu arbeiten.

Gibt es einen Grund, den nicht invertierenden Eingang des linken Operationsverstärkers nicht mit 2,5 V und das Trimmpoti mit 2,5 V anstelle von Gnd zu verbinden? Und dann füttern Sie die Operationsverstärker einfach mit 5 und 0 V, anstatt mit 2,5 V und -2,5 V
@HarrySvensson Hallo, das habe ich schon früh gemacht, aber ich wollte nur, dass der Ausgang des Operationsverstärkers nur Wechselstrom ist. Durch die Bereitstellung der nicht invertierenden 2,5 V wird meinem Signal eine Gleichstromvorspannung hinzugefügt, die ich vermeide, und in Bezug auf den Trimmpotentiometer habe ich einen der Anschlüsse des Trimmpotentiometers mit +2,5 V und den anderen mit Masse verbunden.
@ Sparky256 Hallo, ich stimme zu, dass LM358 für moderne Designs sehr alt ist, aber ich habe das Datenblatt gelesen und es wurde erwähnt, dass es mit einer doppelten Stromversorgung von nur +/- 1,5 V arbeiten kann. Hier ist der Link . Lese ich es falsch?
Ignorieren Sie @ Sparky256, der LM358 ist mit einer einzelnen 5-V-Versorgung in Ordnung, solange Sie am unteren Ende arbeiten. Der Eingangsgleichtakt liegt zwischen Masse und 1,5 V unter der oberen Schiene. Verwenden Sie ein Trimpoti mit viel größerem Wert, um Ihren Offset zu erzeugen. Verwenden Sie kleinere Widerstände, wenn Sie einen Teiler verwenden müssen. Besser noch, erzeugen Sie Schienen von -1,4 V, +3,6 V aus Ihren 5 V, indem Sie den unteren Teilerwiderstand durch ein Paar Siliziumdioden ersetzen. Es sollte nicht schwierig sein, eine einzelne +5-V-Schiene zu entwerfen, die alles tut, was Sie wollen, und alle Probleme mit dem „Rail-Splitter“ beseitigt.
@Neil_UK Hey Neil, guter Rat, aber wie wird das mein Problem lösen? Das Trimmpoti wirkt immer noch parallel zu einem der Widerstände im Spannungsteiler und bringt die -1,4/+3,6-Balance durcheinander. Sorry wenn ich dich nicht richtig verstanden habe
@GaryH Hmm, anstatt dass ich (und andere) versuchen zu erraten, was Sie tatsächlich versuchen zu tun. Glaubst du, du kannst in Worten schreiben, was du tun möchtest (bearbeite deine Frage)? Es wäre schade, wenn es eine zehnmal einfachere Lösung gibt, die wir ignorieren, weil wir versuchen, ein seltsames Problem zu lösen, das Sie haben. - Versuchen Sie, eine bipolare Sinuswelle in eine unipolare Rechteckwelle umzuwandeln?
@HarrySvensson Ja Harry, besser gesagt, eine (sehr niedrige Spannung) bipolare Sinuswelle zu (ausreichend für ein Arduino) unipolarem Rechteckwellenwandler. Ich habe die Schaltungsanwendung in meiner Frage beschrieben
Wenn Sie für eine einzelne 5-V-Schiene entwerfen, keine Splitter, kein Problem. Ein Trimpoti mit höherem Wert wirkt sich weniger auf die Splitter aus. Splitterwiderstände mit niedrigerem Wert werden weniger beeinflusst. Das Ersetzen des niedrigeren Widerstands durch ein Diodenpaar führt zu einem Splitter mit einer viel niedrigeren dynamischen Impedanz, sodass er viel weniger beeinträchtigt wird. Dioden haben "immer" (nicht genau wahr (höchstens "praktische" Ströme (z. B. 10 uA bis 10 mA))) (ungefähr) 0,7 V. Und es zentriert den aktiven Bereich innerhalb des Eingangs-Gleichtaktbereichs (VCM). Das Nehmen der Eingänge außerhalb ihres VCM ist eine gute Möglichkeit, den IC-Betrieb zu stoppen.
@Neil_UK Hey Neil, kannst du bitte meine Frage noch einmal durchgehen. Ich habe ein paar Änderungen vorgenommen und die Anwendung meiner Schaltung beschrieben.

Antworten (1)

Da Sie einen AC-Eingang verwenden, wäre dies eine viel weniger komplizierte Konfiguration.

Ich behaupte nicht, dass Ihre Signalpegel und Verstärkungen unbedingt ideal sind, sondern reproduziere sie nur, um die Änderung des Designs für den Single-Rail-Betrieb zu veranschaulichen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

R1 und R2 erzeugen eine Spannung von etwa 1,66 V auf OA1, 1/3 der Schiene, um den VCM-Bereich von 0–3,5 V zu bewältigen. In dieser invertierenden Konfiguration spielt ihre Impedanz keine Rolle, da sie zum +ve-Eingang gehen, sie könnten im 10k- oder sogar 100k-Bereich liegen. (Allerdings (und mir wurde später klar, dass ich das mehr oder weniger automatisch gemacht hatte) habe ich sie so dimensioniert, dass sie einen Parallelwiderstand von 1 k haben. Dies würden Sie verwenden, wenn Sie eine nicht invertierende Konfiguration hätten, wie damals sie würde den unteren Teilerwiderstand mit einem 1k-Widerstand bis zur virtuellen Masse bilden.)

Angesichts des relativ großen +500-mV-Signals, das Sie suchen, könnten Sie Pot R5 einfach von Schiene zu Schiene legen. Allerdings kann sein Einstellbereich so mit R6 und R7 reduziert werden. Sie können die Werte R5, 6, 7 wählen, um 1,5 V am unteren Rand von R5 und 2,5 V am oberen Rand zu erhalten, indem Sie einen 1k-Pot verwenden, 1,5k für R7 und 2,5k für R6 (oder 2,4k oder 2,7k, es gibt eine breite Einstellbereich doch). Oder Sie können einen engeren oder lockereren Bereich um Ihren Auslösepunkt von 1,66 V + 500 mV wählen.

Die Widerstandskette R1,2 folgt der Widerstandskette R5,6,7, sodass die Stabilität angesichts von Temperatur- und Schienenspannungsschwankungen recht vernünftig ist.

Danke für die Antwort, Neil, ich habe 1k/560 für R1/R2 verwendet, sodass die Referenz für OA1 1,798 V beträgt. Der OA1-Ausgang beträgt 1,79 V + 0,77 V (AC). Ich stelle mein Trimmpoti so ein, dass beim Invertieren von OA2 1,6 V (weniger als 1,8 V) anliegen. Ohne Eingang beträgt mein Komparatorausgang 3,3 V, und wenn ich meinen Trimmpoti auf über 1,8 einstelle, wird der Ausgang Null. Die Dinge ändern sich, wenn eine Eingabe von 1,79 V + 0,77 V (Wechselstrom) (von der invertierenden Stufe) an den Komparator angelegt wird. Wenn ich jetzt mein Trimmpoti auf 2,7 V (über 2,57 V) einstelle, beträgt der Ausgang 0,36 V + 0,56 V (Wechselstrom), und wenn ich ihn auf 2,4 V (unter 2,57 V) stelle, beträgt der Ausgang 1 V + 1,2 V (Wechselstrom). ). Warum passiert das?
@ GaryH 2,4 V / 2,7 V Vth-Verhalten? Mit einer Schwelle von 2,7 V ist die Ausgabe überwiegend niedrig, was zu erwarten ist. Warum die AC? Nicht sicher. Geht Ihr Eingang über 2,7 V? Wie messen Sie? Wenn mit einem Messgerät auf AC, könnte es Teile über 2,7 V geben. Wenn Sie ein Oszilloskop haben, posten Sie ein Bild der Wellenform. Dasselbe für 2,4 V. Wenn der Eingang den Schwellenwert nur für kurze Impulse überschreitet, kann der DC-Durchschnitt, gemessen mit einem Messgerät, durchaus 1 V betragen (kurzzeitig bei 3,3 V, lange Zeit bei 0 V), wobei der AC-Messwert 1,2 V beträgt. Also alle Geräusche, die bei Verwendung eines DMM erwartet werden. Der Arduino muss die hohen Impulse entsprechend interpretieren.
@GaryH Möglicherweise benötigen Sie einen Tiefpassfilter, um Streuspitzen in Ihrer Netzeingangswellenform zu bewältigen. Sie werden sicherlich einen Umfang benötigen, um Fortschritte beim Verständnis und der Verbesserung der Schaltung zu erzielen. Da Sie mit Netzwellenformen (sehr niedrige Frequenz) arbeiten, finden Sie Software, die Ihre PC-Soundkarte in ein Oszilloskop verwandelt, ich denke, einige sind kostenlos erhältlich.
@GaryH Es ist erwähnenswert, dass Ihre Schaltung nicht wie erwartet funktioniert. Die Belastung des Stromwandlers beträgt nicht 10 k, sie wird von der 1 k-Eingangsimpedanz Ihrer Verstärkerstufe mit virtueller Masse dominiert. Wenn Sie möchten, dass die Spannung über 10k um das 100-fache verstärkt wird, müssen Sie entweder a) die Impedanzen in Ihrem Verstärker erhöhen oder b) auf eine nichtinvertierende Konfiguration mit hoher Eingangsimpedanz umschalten. 100k Feedback mit 1,5k//3k = 1k zu 'Boden' würde Ihnen einen Gewinn von 101 geben.
@GaryH Was ist die Zeitspezifikation dafür, wie schnell dies funktionieren muss, wenn der Erdschlussstrom beginnt? Je länger Sie Zeit haben, desto besser können Sie Filter verwenden, um zu verhindern, dass Netzspitzen den Ausgang fälschlicherweise auslösen. Ihre 2,7-V-Schwellenmessung hat mir nahegelegt, dass bei Ihnen möglicherweise so etwas vor sich geht. Natürlich ist es ohne einen Bereich, um zu sehen, was passiert, alles ein bisschen hin und her.
Hey, vielen Dank für den Scope-Tipp. Ich denke seit gestern, dass ich wirklich eine brauche. Ich baue gerade eine. Und ich bekomme eine 100-fache Verstärkung. Mein Abfall über die 10k beträgt 5-6 mVac und der Ausgang der ersten Stufe beträgt ~ 0,6 Vac. Das funktioniert also richtig? Ich verwende ein DMM, um meine Ausgabe zu messen. Können Sie etwas näher erklären, wie die Ausgabe wie erwartet ist, wenn ich sie mit einem DMM messe? Oder mich auf eine andere Ressource verweisen?
Die 2,7-V-Referenz bedeutet nur, dass ich sie höher setze als den i / p-zu-Komparator, der (1,8 V + 0,77 VAC = ~ 2,6) beträgt. Das wollte ich auch fragen - setze ich die Referenz richtig oder nicht? Der i / p wird aus einem Erdschluss von 20 mA erzeugt, daher sollte dies meinen Komparator veranlassen, ein HIGH zu geben, und mein uC sollte die Relais so schnell wie möglich ausschalten. Ich habe keine Zeitangabe. Ich baue das provisorische Oszilloskop, also werde ich die Wellenformen bald posten
Probleme bei der Verwendung eines Operationsverstärkers als Komparator an einer einzelnen Versorgung
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