Negative Spannung auswerten

Hallo, ich möchte an einem Analogeingang A0 einen Positiven Pegel Messen und an einem Analogeingang A1 möchte ich einen Negativen Pegel Messen.

Zuerst dachte ich mir, ganz klar: Mit Dioden. Was aber natürlich Unsinn ist.

Jetzt stellt sich mir die Frage: Gibt es eine Schaltung oder ein Bauelement welches mir eine Negative Spannung invertiert? Und zwar Pegel konform.

Wie sieht es mit einem Operationsverstärker aus?

Grüße, Philipp

Geht mit einem Operationsverstärker (einfach als Inverter mit Verstärkung 1), aber du brauchst auch eine negative Betriebsspannung dafür.

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210141.htm

Was meinst du mit negativer Betriebsspannung? Einfach am OPV - an Plus und + an GND dann?

Serenifly: ..aber du brauchst auch eine negative Betriebsspannung dafür.

Brauchst du nicht. Die meisten OPs (LM2904, LM358 etc) können um die negative Versorgung arbeiten, wenn der OP also am nicht invertierenden eine kleine Hilfsspannung (0.5V) bekommt, dann brauchts keine negative Versorgung. die Formel ist dann anders, ich muß morgen mal suchen ob ich sie finde, ansonsten müßte ich sie herleiten.

Die Betriebspannung ist bei OPs oft nicht eingezeichnet.

Du kannst dir eine negative Spannung mit einem 79L12, 79L09 oder 79L05 erzeugen. Das ist das 100mA negative Gegenstück zum 78Lxx und 78Sxx, welche z.B. auch auf dem Arduino verbaut sind um die 5V zu erzeugen.

@guntherb Du meinst wahrscheinlich sowas hier: http://www.ti.com/lit/an/sloa030a/sloa030a.pdf

Auf Seite 9. Obwohl das Vcc/2 an den nicht-invertierenden Eingang gelegt wird. Nicht 0.5V.

Und das ist glaube ich auch nicht das gewünschte. Die Transferfunktion ist nicht 1:1. Geht außerdem mit dem LM358 nicht richtig.

Warum ist es ein Unterschied, ob ich jetzt am OPV die Versorgung einfach vertausche,
oder ihn mit einer Negativen Spannung versorge?

Ist es so, dass ich an GND auch tatsächlich weiterhin GND anschließe,
am VCC allerdings nun eine Negative Spannung anschließe, so dass ich gegen GND
nun -X Volt habe?

Du willst aber auch eine positive Ausgangsspannung. Wenn du an Vcc/+V GND anlegst dann ist dein Ausgang auch nur maximal GND.

EDIT: Zum besseren Verständnis: OPs haben zwei Versorgungsspannungs-Eingänge, V+ und V-. Entweder schließt man daran eine symmetrische Spannung (positiv und negativ) an. Das ist der Normal-Betrieb, wo der OP am besten läuft. Vor allem ältere Modelle. Oder man schließt die positive Spannung an V+ an und GND an V-. Das nennt sich "single supply", aber heißt dass die Eingangsspannung auch nicht negativ sein kann. Aber du kannst nicht einfach die Spannung rumdrehen.

MindCode: Warum ist es ein Unterschied, ob ich jetzt am OPV die Versorgung einfach vertausche, oder ihn mit einer Negativen Spannung versorge?

Ist es so, dass ich an GND auch tatsächlich weiterhin GND anschließe, am VCC allerdings nun eine Negative Spannung anschließe, so dass ich gegen GND nun -X Volt habe?

Der unterschid ist der Bezugspunkt. Wenn eine Spannung bezogen auf Masse positive und negative Werte annehmen soll dann braucht der Operationsverstärker eine positive und eine negative Versorgungsspannung ( zb +12V und -12V) Du kannst die 5V des Arduino nicht einfach zwischen Masse (+5V) und -Versorgung (GND) anschließen, weil der Bezugspunkt die Masse ist ( der Minuspol der Versorgungspannung).

Eine mögliche Lösung wenn die zu messende Spannung keinen Massebezug hat (kein Pol ist mit Masse GND oder Erde verbunden) ist daß man mit einem Spannungsteiler aus 2 gleichen Widerständen) 2,5V produziert und einen Pol der Meßspannung dort anschließt. So erhält man statt +/- 2,5V dan 5 bis 0V. ISt das zu messende Signal nicht Massefrei oder es sind mehrere Spannungen zu messen die zueinander nicht isoliert sind (gemeinsame masse haben) brauchst Du eine Operationsverstärker der falls das Signal nur negative Spannung hat entweder die negative Spannung invertiert, gleichrichetet (es gibt Schaltungen die einer idealen Diode gleichkommen) oder wenn es eine Wechselspannung ist einen Offset dazuaddiert damit nur eine positive Spannung übrig bleibt. Je nach Operationsverstärkerschaltung braucht es eine duale Versorgungsspannung (positive und negative Spannung) oder nur eine Positive.

Grüße Uwe

Das mit dem "Spannung herumdrehen" ist übrigens nicht so 100%ig falsch. So baut man symmetrische Netzteile auf. Allerdings mit einem zweiten Gleichrichter, bzw. Netzteil. Man kann nicht einfach die existierende Betriebsspannung noch mal verwenden. Statt dessen wird +Ub des zweiten Netzteils mit GND des ersten verbunden. GND des zweiten Netzteils ist dann negativer gegenüber dieser gemeinsamen Masse.

Das braucht man auch wenn man einen negativen Festspannungsregler verwendet, da die eine negative Eingangsspannung brauchen. Das hatte ich oben ganz vergessen :~

So: http://www.frankshospitalworkshop.com/electronics/training_course/images_power_supplies/power_supplies17.jpg http://www.frankshospitalworkshop.com/electronics/training_course/images_power_supplies/power_supplies22.jpg

Eleganter ist ein DC/DC-Wandler, der aus +5V +/-12V macht.

Was auch noch gibt sind Schaltungen mit einem OP als Spannungsfolger, zwei Transistoren und einer virtuellen Masse: http://www.dieelektronikerseite.de/Lections/Symmetrische%20Spannungsversorgung.htm Hat natürlich den Nachteil, dass die Eingangsspannung doppelt so hoch wie die jeweilige Ausgangsspannung sein muss. Das heißt wenn man ein -10V Signal messen will, bräuchte man 24V und damit wieder ein extra Netzteil. Lohnt sich also nur für kleine Spannungen.

Die bipolaren Standard-OPs wie z.B. der LM324 können an den Eingängen auch leicht negative Spannungen (gegenüber der negativen Versorgungsspannung) verarbeiten.

Betrachten wir also doch mal den oben angesprochenen Fall: ich will eine negative Eingangsspannung messen.


Annahme: R1 = 2k; R2 = 1K;

Versorgt wird der OP mit +12V an der positiven Versorgung und GND an der negativen Versorgung.

Fall1:
Uin = -2V Der OP stellt seinen Ausgang so ein, das seine beiden Eingänge gleich sind, also beide auf GND Niveau (oV). Dies ist der Fall, wenn Ua = +1V. (Nach der Formel Ua = -R2/R1 * Ue)
Funktioniert also.

Aber: Fall2: Uin = -20mV
Nach der Formel wäre Ua = 10mV.
Der LM324 kann zwar an seinen Eingängen bis ca.-0,3V gut arbeiten, aber am Ausgang kann der leider nicht ganz auf 0V runter. Die Minimale Ausgangsspannung ist bei ca. 5mV bis 20mV. Ausserdem ist das Verhalten an der Grenze schon nicht mehr ganz linear.

Also: Wenn ich den Bereich nahe 0V nicht messen will, dann funktionier die Schaltung so. Erst wenn ich auch wirklich an 0V ranmessen will, dann muß ich entweder eine negative Versorgungsspannug nehmen, oder eine Hilfsspannung für den nichtinvertierenden Eingang.

Mit einer kleinen Hilfsspannung ermögliche ich, dass auch Nullspannungen gemessen werden können. Als Hilfsspannung reicht hier wirklich schon eine Spannung von 100mV. Dann verliere ich auch wenig von meinem AD-Bereich.

Die Übertragungsfunktion ändert sich dann:
Ua = (Ue - Uh) * -R2/R1 + Uh

Aber ich brauche eine negative Versorgung mehr.

Mit geschickter Wahl von R2/R1 und Uh kann ich nahezu alle Eingangsspannungsbereiche abdecken, auch positiv UND negativ.

OP_invertierend.jpg

OP_invertierend_mit_Uh.jpg

Für wenige OPV’s als Hilfsspannung langt auch ein MAX7660

Seite 7 rechtes Bild. Wird etwas mehr “Dampf” gebraucht, lassen ich auch mehrere der IC’s kaskadieren, das ist auch im Datenblatt beschrieben. Ein 555 läßt sich auch als Ladungspumpe “missbrauchen” Ladungspumpe ist auch das Stichwort, um den “Gockel” zu füttern :smiley:
Habe die Schaltung für ein ICL7117 Digitalvoltmeter genommen, da brauchte ich auch -5V Hilfsspannung.

Gruß Gerald

Für eine Ladungspumpe braucht es im Prinzip einen Oszillator. Ob mit einem 555 oder auch mit Gattern ist im Prinzip egal, viel Strom auf dem negativ Zweig wird hier eh nicht gebraucht,

Interessant finde ich die Erklärung von guntherb, denn spontan hätte ich auch gesagt das der OP in dieser Anwendung auf jedem Fall eine negative Spannung braucht.

guntherb:
Uin = -2V Der OP stellt seinen Ausgang so ein, das seine beiden Eingänge gleich sind, also beide auf GND Niveau (oV). Dies ist der Fall, wenn Ua = +1V. (Nach der Formel Ua = -R2/R1 * Ue)
Funktioniert also.

Hi,

wenn das so funktioniert, erklär mir bitte mal, wo die negative Halbwelle ist - siehe angehängte Bilder.

Gruß,
Ralf

[Edit:] Es ist doch so, dass ein OPV früher oder später vor Erreichen der Versorgungsspannungen clippt. Und genau das tut er hier, ehe er an GND herankommt.

kurve.jpg

erklär mir bitte mal, wo die negative Halbwelle ist - siehe angehängte Bilder.

Die Schaltung ist ein invertierender Verstärker der keine negative Versorgungsspannung hat. Die negative Eingangsspannung wird zur positiven Ausgangsspannng. Die positive Eingangsspannung müßte zu einer negativen Ausgangsspannung werden, da aber der OP keine negative Versorgungsspannug hat, kann der Ausgang nicht negativer als 0 V werden. Wie weit der Operationverstärker den Ausgang in die Nähe seiner Versorgungsspannung regeln kann hängt vom Modell des OP ab. Diese Spannungsunterschied reicht von ca 0V bis ca 2V und ist vom Model und von der Spannung (zu negativer oder positiver Versorgungsspannung) verschieden. Die RAIL to RAIL OP kommen (fast) zur Versorgungsspannung hin.

Grüße Uwe

uwefed: Die Schaltung ist ein invertierender Verstärker der keine negative Versorgungsspannung hat.

Hai,

ich stimme mit Deiner Erklärung 100 %ig überein. Aber (Du wirst schon geahnt haben, dass an dieser Stelle jetzt bei mir ein aber kommen muss ;) ) das ist leider nicht die Antwort auf meine Frage. Meine Frage war:

wenn das so funktioniert, erklär mir bitte mal, wo die negative Halbwelle ist

In meinem Beitrag habe ich Bezug genommen auf diesen Beitrag:

guntherb: Die bipolaren Standard-OPs wie z.B. der LM324 können an den Eingängen auch leicht negative Spannungen (gegenüber der negativen Versorgungsspannung) verarbeiten.

Betrachten wir also doch mal den oben angesprochenen Fall: ich will eine negative Eingangsspannung messen.

Annahme: R1 = 2k; R2 = 1K;

Versorgt wird der OP mit +12V an der positiven Versorgung und GND an der negativen Versorgung.

Fall1: Uin = -2V Der OP stellt seinen Ausgang so ein, das seine beiden Eingänge gleich sind, also beide auf GND Niveau (oV). Dies ist der Fall, wenn Ua = +1V. (Nach der Formel Ua = -R2/R1 * Ue) Funktioniert also.

Abgesehen davon, dass hier falsch gerechnet wurde, es kommt +4 V raus, nicht + 1 V, würde das bedeuten, dass bei der Beschaltung des OPV in meinem Beispiel bei einer Eingangsspannung von -2 V am Ausgang +4 V anliegen müssten. Das ist aber nicht so. Deshalb habe ich den Verfasser gebeten, mir wenn das so funktioniert, wie er schreibt, zu erklären, wo die negative Halbwelle ist.

Gruß, Ralf

Abgesehen davon, dass hier falsch gerechnet wurde, es kommt +4 V raus, nicht + 1 V, würde das bedeuten, dass bei der Beschaltung des OPV in meinem Beispiel bei einer Eingangsspannung von -2 V am Ausgang +4 V anliegen müssten. Das ist aber nicht so

Das ist tatsächlich nicht so, denn es sind 1V am Ausgang ( Hat wohl ein anderer falsch gerechnet ) :wink:

negOp1.png

Mit Hilfsspannung, und unter Berücksichtigung eines ausreichenden Abstands zur Versorgungsspannung des OpAmp,
könnte man z.B. eine negative Spannung zwischen -4V und 0V (GND) leicht auf den Arduino-Bereich 5V … 1V wandeln,
mit R1 = R2 und einer Hilfsspannung von +0.5V

negOp2.png

michael_x:
Das ist tatsächlich nicht so, denn es sind 1V am Ausgang ( Hat wohl ein anderer falsch gerechnet ) :wink:

Hai,

ja, Du hast Recht. Ich hatte falsch gerechnet (R1 und R2 vertauscht).

Ich kann es jetzt nachvollziehen, danke für die Erklärung.

Gruß,
Ralf