Stromerfassung mit Differenzverstärker

Schema für die Stromerfassungsschaltung

Hallo, ich muss diese Schaltung im Rahmen eines Schulprojekts verwenden, daher bin ich auf dieses Design und diese Komponenten beschränkt. Der Spannungsregler funktioniert wie erwartet, der Differenzverstärker jedoch nicht. Hier verstärkt es um den Faktor 10 den Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand R8, der ~28mV beträgt. Ich habe jedoch zwei Probleme mit dieser Schaltung.

  1. Der Ausgang des LM324N in der Simulation beträgt 303 mV, sollte es aber nicht 280 mV sein, da die Verstärkung durch die 100k- und 10k-Widerstände auf 10 eingestellt ist?
  2. Wenn ich die Schaltung physisch repliziere, beträgt die Ausgangsspannung des LM324N 562 mV mit denselben Parametern wie die Simulation, aber die Spannung über dem Shunt beträgt 27,2 mV.

Wie kann ich beide Probleme lösen? Ich denke, dass es etwas mit CMRR und der Eingangsoffsetspannung zu tun haben könnte, die laut Datenblatt typischerweise 2 mV beträgt. Ich bin auch neu in all dem und ich verstehe CMRR nicht vollständig

Welche Toleranzwiderstände verwendest du? Es wären nicht 10%, oder?
@WhatRoughBeast Widerstandstoleranz beträgt 5%

Antworten (1)

Ja, Ihr Problem mit der physischen Schaltung ist CMRR - Common Mode Rejection Ratio. Das CMRR des Operationsverstärkers selbst ist ziemlich gut, aber Sie haben Widerstände mit sehr geringer Toleranz (5%) verwendet, was Ihrer Schaltung eine sehr schlechte Gleichtaktunterdrückung verliehen hat.

Um zu veranschaulichen, was vor sich geht, öffnen Sie Ihre LTspice-Simulation und ändern Sie einen der 10K-Widerstände auf 10,5k (dh 5% Fehler). Sie sehen eine Änderung von ~500 mV im Ausgang.

Der Grund dafür ist, dass die Verstärkung Ihrer positiven und negativen Eingänge unterschiedlich ist. Was Sie messen möchten, ist G*(V2-V1). In Wirklichkeit haben Sie (G2*V2-G1*V1). Wenn die Verstärkungen nicht angepasst sind (weil Ihre Widerstände nicht angepasst sind), haben Sie einen Term, der sich nicht genau aufhebt, der proportional zur Spannung an den Eingangsanschlüssen ist, und nicht nur zur Spannungsdifferenz. Dies wird als Gleichtakt bezeichnet.

Es ist üblich, hochpräzise Widerstände (0,01 % oder sogar besser) zu verwenden, wenn Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung konstruiert werden. Häufig werden Instrumentenverstärker-ICs mit lasergetrimmten Widerständen auf dem Chip verwendet.

Was können Sie tun, um dies mit dem, was Sie haben, zu beheben? Am einfachsten ist es, den Strom-Shunt-Widerstand auf die "niedrige" Seite der Last zu verschieben (dh zwischen RL und Erde). Dies reduziert das Gleichtaktsignal und damit die Auswirkung des schlechten CMRR.

Sie sollten die genauesten Widerstände verwenden, die Sie finden können. 1% sind üblich und billig, aber wenn Sie sie nicht zur Verfügung haben, können Sie einfach eine Handvoll 5%-Widerstände und ein Ohmmeter nehmen und passende Paare finden. Die Auswahl solcher Teile ist nicht so gut wie tatsächliche Präzisionswiderstände, da Teile mit niedrigen Spezifikationen normalerweise einen schlechteren Drift- und Temperaturkoeffizienten haben, aber es hilft trotzdem.

Danke ! Ich habe Ihre zweite Lösung implementiert (Schalten des Shunts auf Lowside) und jetzt habe ich einen 200-mV-Ausgang. Ich denke, ich werde versuchen, diese Präzisionswiderstände zu bekommen und sehen, was passiert. Außerdem ist das von mir verwendete Programm nicht LTSpice, sondern Multisim 13.0. Ich habe einen Widerstand auf 10,5 k geändert und die Ausgabe der Simulation stieg auf 768 mV.
Zusätzlich zu einem Instrumentenverstärker könnte man auch einen Strommessverstärker verwenden. Beide verwenden aus Gründen der Genauigkeit getrimmte Widerstände. Ein Eingangsverstärker ist universeller und funktioniert gut, aber ein Strommessverstärker ist für diese Anwendung ausgelegt.
Stromerfassung mit Differenzverstärker
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