Panelmeter Teil #2: Opamp Magic

Prolog

Und nun der zweite Teil des Panelmeter-Projektes. Das Problem war ja, dass das Meter seine eigene Versorgungsspannung nicht messen kann und auch in Schaltungen, wo die zu messende Spannung einen gemeinsamen Bezugspunkt mit der Versorgungsspannung hat. Berichte denenzufolge sich das Panelmeter in Rauch auflöst, wenn man es versucht, halte ich für übertrieben ;-). Ich konnte (bis jetzt) das Ding nicht kaputt kriegen...

Jetzt stellt sich die Frage: warum ist das eigentlich so? Ich habe also ein bißchen im Internet recherchiert und auch ein paar eigeneMessungen gemacht, und der Grund ist folgender: die Eingänge des Panelmeters (IN und COM) liegen +2.9V bzw. +5.8V (beachte: ohne, dass eine zu messende Spannung angelegt ist) über dem Beszugspunkt der Spannungsversorgung GND. Es ist also eine Skalierung und Verschiebung der Spannungsniveaus nötig, wenn man in einer "common ground"-Konfiguration arbeiten möchte.

Ich habe insgesamt drei verschiedene Lösungen für dieses Problem gefunden. Ich stelle heute die erste der drei vor, die mit Operationsverstärkern arbeitet. Ich glaube, mittlerweile verstehe ich sie einigermaßen und ich werde mein Bestes tun, um sie zu erklären. Bin für euren Input und Korrekturen sehr dankbar.

Die erste Lösung: bloß keine Differenzen...

Das ist also die geheimnisvolle Schaltung, die mir zu anfangs aufgrund meiner noch wachsenden Elektronikerfahrung (bin bei Winfield/Hill erst im Kapitel 2) großes Kopfzerbrechen bereitet hat. Aber na gut, ich versuch mal zu erklären was ungefähr passiert (zumindest was ich glaube, dass passiert). Um es vorwegzunehmen: die Schaltung scheint zu funktionieren, wobei noch zusätzliche Maßnahmen nötig sind...

Also los gehts: links kommt die Versorgungsspannung (z.B. von der Batterie) rein. Dann geht das ganze in einen Differenzverstärker (grauer Kasten), wobei aber der COM-Level am Panelmeter sozusagen als "virtuelle Masse" reinspielt. Weiters wird der COM-Level über einen Opamp-Puffer (Spannungsfolger) eingespeist, sodass es keine Rückwirkung gibt. Die beiden Kapazitäten sind glaub ich nur dazu da, um Schwingneigung des Opamps zu unterdrücken.

Ok, also hab ichs aufgebaut und gemesse, was es macht.Ich bekomme am Ausgang des Opamps +8V und an IN ca. +6.4V, also eine Differenz zwischen IN und COM von 0.695V. Hmmm. Die Schaltung macht also eine Skalierung und Levelshifting, aber noch nicht so ganz korrekt von den Werten her.Irgendwie scheint die Ausgangsspannung schon proportial zur Versorgungsspannung zu sein, aber auf jeden Fall eine Größenordnung zu groß für den 200mV Inputrange des Meters. Kleiner Trost: hab die Schaltung mit iCircuit simuliert und komme auf die gleichen Ergebnisse.

Ich hab mal die Ausgangsspannung am Meter gemessen, wenn ich die Eingangsspannung zwischen 8V und 12V variiere. Leider tut sich kaum was. Nur die letzte Stelle ändert sich leicht von 0.695V bei 8V auf 0.692V bei 12V. Mist.

Ich vermute, dass im Schaltplan ein Fehler vorliegt, und statt der 33k nur 3.3k Widerstände rein müssen (um den Faktor 10 wegzukriegen). Wenn ich das mit iCircuit ausprobiere bekomme ich folgendes:

Vs =   8.0V --> IN/COM = 0.08V
Vs =   8.5V --> IN/COM = 0.085V
Vs =   9.0V --> IN/COM = 0.09V
Vs = 12.0V --> IN/COM = 0.12V

Das sieht ja schon ganz gut aus. Die Ausgangsspannung ändert sich exakt um einen Faktor 100 kleiner im Zielrange des Meters. Perfekt. Gleich mal in der echten Schaltung ausprobieren.

Oje... in der Theroie alles super, aber einmal mehr zeigt sich, dass sich ein realer Opamp anders verhält als ein idealer... In der echten Schaltung erhalte ich nur 0.4mV - es tut sich also gar nichts am Ausgang. Na dann lass ich es jetzt mal und versuche was anderes. Vielleicht kann ich ja später nochmal was debuggen.