Differenzverstärkerproblem

Tue Jan 24, 2012 11:35 pm   

Ich stehe gerade etwas auf dem Schlauch:

Ich versuche gerade einen möglichst einfachen Differenzverstärker mit
einem Wald+Wiesen+OPV (LM385) zu bauen, der einen Spannungsfall eines
Lastwiderstandes über einem in Reihe liegenden Messwiderstand misst. So
weit, so gut.

Das Problem ist jetzt, es gibt zwei vorgesehene Einsatzfälle für den
Messwiderstand:

1. Messwiderstand mit einem Pol an Masse, darüber die Last an (+0..12V)
2. Messwiderstand mit dem Pol an (+0..12V), darüber die Last an Masse

1. ist kein Problem...
Ich scheitere bei 2. an der "Verpolung" des OPV. Für eine Gleichrichtung
der Differenz ist der vorgesehene Spannungsfall zu gering.

Die zur Verfügung stehenden Versorgungsspannungen sind +3,3V, +5V, +12V
und eine globale Masse (PC-Netzteil). Die "grobe Kelle", in der ich den
OPV einfach in die Mauer fahre, und einen zweiten umgedreht draufsetze
um Fall2 abzudecken will ich nicht nehmen, weil ich nicht weiss, ob der
gerade an die Wand gefahrene OPV nicht das Schwingen anfängt, wenn er
permanent "unter die Masse" getrieben werden soll.

Die Signalform ist eigentlich auch zweitrangig.

Hintergrund: Es soll ein relativ simpler Gleisbesetzmelder für die
Modellbahn werden. Der Messwiderstand wird in Reihe der Einspeisung
eingelegt. Fall 1 ist der normale Richtungsbetrieb, Fall 2 tritt ein,
wenn mal Rückwärts gefahren werden muss.
Die -12V des Netzteils sind ja nur mit 900mA belastbar, und sollen für
die Weichenantriebe reserviert werden. Ich möchte vermeiden, dass eine
Leistungsentnahme auf der Schiene die Besetzmeldung stört. Gefahren
werden soll mit den +12V des NT. Der Messwiderstand soll 1Ohm werden.
Damit bleibt der Spannungsfall im regulären Betrieb bei rund 2..250mV.
Aber der Kurzschlussfall mit >2V muss auch berücksichtigt werden.

Ich brauche mal einen Denkanstoß, wie ich das Verpolungsproblem am OPV
gelöst kriege.

Das (statische) Offset des OPV spielt hier keine Rolle, da vor Betrieb
sowieso immer ein Ablgleich gemacht werden muss. 10m Schienenprofil,
eingeschottert auf Holz haben je nach Holzfeuchte eh einen "unbekannten"
Leckstrom, welcher ausgetrimmt werden muss.

Roland

Wed Jan 25, 2012 12:04 am   

Am 24.01.2012 23:35, schrieb Roland Ertelt:

Offset aufschalten durch Beschaltung als Differenzverstärker mit 2
Differenzeingängen:

Mehrfach-Subtrahierer auf http://de.wikipedia.org/wiki/Subtrahierer

Genaue Referenzspannung verwenden.

Gruss Udo

Wed Jan 25, 2012 12:48 am   

Roland Ertelt wrote:

DC hoert sich nach Fleischmann an. Ist lange her und wir haben unsere an
Verwandte verschenkt, aber IIRC polt man da um zum Rueckwaertsfaehren.

Opamps wie der LM324 koennen bis 300mV unter die negative Versorgung
messen, das sollte also kein Problem sein. Man koennte auch mit einem
Reedkontakt und einigen drumgedrehten Windungen messen, der zieht in
beiden Stromrichtungen an wenn eine Last da ist.

Aber mal so als Gedanke: Warum so kompliziert? Koennte nicht auch ein
kleines eingespeistes AC Signal genommen werden? Paar zig kHz, halbwegs
sinusfoermig damit das Radio von Frau Suhrbier im dritten Stock nicht
fiept. Da ruckelt die Lokomotive nicht von. Wenn eine Last da ist
fliesst ein Strom, egal ob der Zug rueckwaerts faehrt, vorwaerts faehrt,
oder steht. Diesen Strom kann man mit einem einfachen Current
Transformer (Stromuebertrager?) messen, gleichrichten und erfassen. Da
braucht's dann nichtmal unbedingt einen Opamp.

--
Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com/

Wed Jan 25, 2012 9:28 am   

Und so sprach Joerg:


Fast. Piko, Roco, Brawa, Liliput/Bachmann... halt alles ausser Märklin ;-)


Naja. Messen tu ich ja in keinem Fall eine negative Spannung. Im
Umpolfall gerate ich aber in den invertierenden Betrieb, und knalle
damit den Ausgang mit Schwung in die Masse. Im Spice sehe ich da schon
eine schöne Welle im Ausgangssignal...


Das mit der "berührungslosen" Strommessung hatte ich mir auch schon
überlegt, allerdings in Form eines Hallgebers. Hat nicht funktioniert,
weil die in der Bastelkiste verfügbaren Hallgeber zu viel Strom
brauchen, oder viel zu teuer sind. Ein Reed kam mir etwas "unpassend"
vor, weil der doch mehr Strom oder sehr viele Wicklungen drumrum
braucht, um bei geringen Strömen anzuziehen. Und er muss in der
Einschaltschwelle einstellbar bleiben.


Es ist (noch) einfacher gestrickt, als die Kauf-Lösungen. Muss er auch
sein, weil ich keine Wechselspannung im Pult habe (will[1]).
Das einzige Problem ist momentan der Fahrtrichtungswechsel (umpolen).

Nein, Wechselsignal geht nicht. ZUm einen habe ich keinen Sinus her, und
einen zu bauen wird zu aufwendig. Ich habe hier rd 50
Überwachungsstellen. Dh ich müsste den entweder 50x vor Ort
erzeugen,oder 1x Zentral mit genug Leistung für alle. Dann brauche ich
noch einen Trafo zum Entkoppeln, weil ich keine negative Spannung hier
habe (bzw die einzige verfügbarte neg Spannung dafür nicht heranziehen
möchte).
Und: Frequenzen sind problematisch: Einige Loks haben schon DCC-Dekoder
drin. Die reagieren sehr bockig auf alles, was nicht reiner Gleichstrom
ist, und auch nicht NMRA/DCC. Das habe ich bei einigen Experimenten zum
Fahrtregler herausgefunden. Ich habe da etliche Versuche zum Thema
Sanftanlauf und wärmefreier Regelung gefahren (PWM/Wellen 10..30000Hz).
Das Ergebnis ist eine Linearregelung mit riesigem Kühlaufwand .

Ich mache drei Kreuze, wenn der Verein irgendwann digital (mit NMRA/DCC)
fährt. Dann wird zumindest *das* einfacher: Luftkernspule 500mH am
Besetzmelder, und eine Speiseleitung 2x durchgewickelt. Super sauber und
galvanisch getrennt. Nie wieder umpolen...

Roland
[1] Die Größe des Anlagenteil bedarf mindestens 4 Trafos allein für den
Fahrbetrieb. Daher soll ein PC-Netzteil eigesetzt werden. Sind billiger,
leichter und haben genug Leistung, um 6..8 Fahrtrafos zu ersetzen. Und
nebenbei kann man ein ATX-Netzteil in jeder Stadt kaufen. Ein
durchgebrannter Eisenbahntrafo ist etwas komplizierter zu ersetzen.
Daher müsste man wieder Ersatz mitschleppen...

Wed Jan 25, 2012 9:37 am   

Und so sprach Newdo:


Einen solchen habe ich bereits hier.

Offset aufschalten läuft auf einen Addierer hinaus. Addierer sind aber
immer invertierend. Da ich aber keine negative Versorgung zur Verfügung
habe, geht das nicht. Wenn ich eine negative Versorgung hier hätte,
hätte ich das ganze Problem nicht.

Roland

Wed Jan 25, 2012 10:34 am   

Harald Wilhelms schrieb:

Darfst Du nicht so verbissen sehen.
Deuten wir es einfach als 358.

MfG
hjs

Wed Jan 25, 2012 10:42 am   

On 24 Jan., 23:35, Roland Ertelt <rert...@yahoo.de> wrote:


Der LM385 ist ein Referenzelement. Wie Du damit einen Verstärker
bauen willst, ist mir schleierhaft.
Gruss
Harald

Wed Jan 25, 2012 10:44 am   

Am 25.01.2012 09:42, schrieb Harald Wilhelms:

__
So, wie ich es verstanden habe, willst Du einen Gleisbesetzmelder bauen,
also eine Ja-Nein-Entscheidung. Dazu nimmt man einen Komparator, z.B.
einen LM393, der hat 1. einen open-collector und 2. gleich einen zweiten
im Gehäuse.
Wenn man die Ausgänge zusammenfaßt, hat man eine Oder-Schaltung und die
Eingänge antiparallel anschließt, kann beide Zustände erkennen.
Die Frage nach Rail-toRail läßt sich lösen, indem man die
Gleisspannungen durch Widerstände halbiert und mit einem Trimmer abgleicht.

hannes

Wed Jan 25, 2012 12:24 pm   

Und so sprach Harald Wilhelms:



Mööönsch. ;-)

Ein Fipptehler: LM358.

Roland

Wed Jan 25, 2012 12:45 pm   

Und so sprach hannes glueck:


Im Prinzip richtig. Aber ob ich nun einen Comparator nehme, oder einen
OPV in Komparatorschaltung ist (denke ich) zweitrangig.


Der Plan war bisher als Fensterkomparator:

Referenzgewinnung:
(+12V)--R1-o--Poti--o--R1--(-)
| |
Ref1 Ref2

Damit habe ich zwei (theoretisch identische) Referenzbeträge einmal über
Masse und einmal unter +12V.

Mit nur einer Referenz funktioniert nicht, da im Fall 2 die Ref1 viel zu
niedrig ist.

Fall1:
(+12V)--R_Last--o--R_mess--(-)
|
Comp1 gegen Ref2
Comp2 gegen Ref1

Fall2 (Rückwärtsfahrt):
(-)--R_Last --o--R_mess--(+12V)
|
Comp1 gegen Ref2
Comp2 gegen Ref1

Im Fall1:

R_last unterschreitet Schwellwert:
- Comp1 schlägt an
- Comp2 schlagt nicht an

R_Last überschreitet Schwellwert, bzw ist offen(Gleis frei):
- Comp1 schlägt nicht an
- Comp2 schlägt an -> Fail

Damit ist diese Lösung schon raus. Alle gekaufen Besetzmelder die ich
kenne, umgehen das Problem durch Gleichrichtung der Messdifferenz. Das
will ich aber nicht, weil ich dann >0,7V Spannungsfall in der Messtrecke
habe. Bei einem 14V Fahrtrafo mag das tolerabel sein, bei 12V nicht mehr.

Roland

Wed Jan 25, 2012 1:15 pm   

Und so sprach Marc Santhoff:


Ah.(*patsch*)
Danke. Das wars. Dass ich den Pegel anhebe, um aus der 0 rauszukommen
habe ich auch schon versucht. Aber auf *die* einfache Idee bin ich nicht
gekommen...

Roland

Wed Jan 25, 2012 1:23 pm   

Roland Ertelt <rertelt_at_yahoo.de>:


Wenn ich das richtig verstehe, hast Du über dem Shunt - bezogen auf die
Masse des OPV - einen Spannungsabfall von -200mV bis +200mV, wobei er in
dem Bereich von -2mV bis +2mV, "Gleis leer" melden soll, und sonst "Gleis
belegt".
Den Messbereich -200mV bis +200mV kannst Du über einen Spannungsteiler -
der mit einem Ende auf 5V liegt - auf über 0V ziehen, so dass Du mit den
negativen Betriebsspannungen gar keine Probleme haben solltest.

Messkreis:
-12V .. +12V
|
Rlast
|
(-) Shunt -+- 10k ---(+Komparator1)--------(+Komparator2) ---- 10k --- 5V

Referenzkreis:
(-) --------- 10k ---(-Komparator1)-100Ohm-(-Komparator2) ---- 10k --- 5V

Die Referenzspannung mit dem Poti anstelle der 100Ohm einzustellen, ist
schon so ok. (+Komparator1) ist der nichtinvertierende Eingang des 1.OPV
usw., (Shunt=R_mess)

Siehe auch die LT-Spiceschaltung unten. Der Spannungsabfall über dem Shunt
wird durch V2 simuliert.

M.

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 80 -96 -96 -96
WIRE 208 -96 80 -96
WIRE 272 -96 208 -96
WIRE 352 -96 272 -96
WIRE 416 -96 352 -96
WIRE 496 -96 416 -96
WIRE -96 -80 -96 -96
WIRE 80 -80 80 -96
WIRE -96 16 -96 0
WIRE 112 16 -96 16
WIRE 208 32 208 -96
WIRE 112 48 112 16
WIRE 176 48 112 48
WIRE 352 64 352 -16
WIRE 352 64 240 64
WIRE 80 80 80 0
WIRE 176 80 80 80
WIRE -96 112 -96 96
WIRE 144 112 -96 112
WIRE -96 128 -96 112
WIRE 272 128 272 -96
WIRE 272 128 208 128
WIRE 208 160 208 128
WIRE 144 176 144 112
WIRE 176 176 144 176
WIRE 416 192 416 -16
WIRE 416 192 240 192
WIRE 80 208 80 80
WIRE 176 208 80 208
WIRE -96 224 -96 208
WIRE 80 240 80 208
WIRE 80 384 80 320
FLAG 496 -16 0
FLAG 208 96 0
FLAG 208 224 0
FLAG -96 224 0
FLAG 80 464 0
SYMBOL Opamps\\UniversalOpamp 208 64 R0
SYMATTR InstName U1
SYMBOL Opamps\\UniversalOpamp 208 192 R0
SYMATTR InstName U2
SYMBOL voltage 496 -112 R0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 5V
SYMBOL res -112 -96 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res -112 0 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res -112 112 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res 336 -112 R0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res 400 -112 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 1k
SYMBOL voltage 80 368 R0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
SYMATTR InstName V2
SYMATTR Value PWL(0 0 10m 1 20m -1)
SYMBOL res 64 -96 R0
SYMATTR InstName R6
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res 64 224 R0
SYMATTR InstName R7
SYMATTR Value 10k
TEXT -4 492 Left 0 !.tran 100m


--

Wed Jan 25, 2012 1:48 pm   

Am Wed, 25 Jan 2012 09:37:03 +0100 schrieb Roland Ertelt:


Nein, benutze einen Differenzverstärker. Addiere die Referenzspannung am
positiven, also nichtinvertierenden Eingang, etwa Ub/2.


Genau deswegen, du verschiebst den Nullpunkt auf 1/2 Ub. Die Meßspannung
wird je nach Polarität dazu addiert oder davon subtrahiert.


|
|
|
o----'
| | ___ ___
| '----|___|---o--------------|___|-.
.-. | VCC |
| | | |\| |
R-Meß| | '----|-\ |
'-' ___ | >------------o-------- Aus
| .----|___|----o---|+/
| | | |/|
o----' |
| .-. GND
| | |
| | |
| '-'
|

Uref

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

Marc

Wed Jan 25, 2012 1:58 pm   

Und so sprach Matthias Weingart:


Das wäre zu einfach ;-)

Der Spannungswechsel erfolgt über das tauschen von (+) und (-) an den
Klemmen. (Es steckt eine Wechselschaltung dahinter). Da aber alles aus
einer Quelle versorgt wird, ist (-) des Gleises immer das GND der
Messchaltung.

Also:

GND/..+12V
|
Rlast
|
Rmess
|
(..+12V/GND)

Damit sehen die Komparatoren am Arbeitseingang immer eine positive
Spannung, und versuchen diese zu verarbeiten. Und das geht halt bei 2
von 4 möglichen Fällen schief ;-)

Roland

Wed Jan 25, 2012 3:26 pm   

Am 25.01.2012 12:45, schrieb Roland Ertelt:

Du weißt, wie man mit Operationsverstärkern einen idealen(!)
Geichrichter baut?
Also auch für den mV-Bereich?

hannes