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Alexander

E-Mail

28.05.2005,
22:20
 

Zwei verschiedene Masse-Potential zusammenlegen (Schaltungstechnik)

Hallo,

ich habe folgendes Problem: ich habe eine zweiabdrige Signalleitung (Signalspannung + Masse), die ein Signal mit einer Amplitude zwischen 0 und 1 V liefert.

Dieses Signal möchte ich nun als Steuersignal nutzen um mit einem Trigger eine andere Spannung auf 0 bzw. 12 V zu ziehen. Der OP wird mit einem eigenen Netzteil, das eben auch seine eigene Masse mitbringt, versorgt.

Nun stimmen die Massepotenziale dieser beiden Signal nicht überein, weshalb ich die Signalspannung nicht als eine Eingangsspannung am OP verwenden kann. Ich suche nun eine schaltungstechnische Möglichkeit, wie ich trotzdem diese Signalspannung als Eingangsspannung für den OP verwenden kann. Ich brauche also sowas wie einen neuen, gemeinsamen (virtuellen) Massepunkt.

Leider habe ich keine Ahnung wie man so etwas schaltungstechnisch lösen kann. Ich habe schon an einen Übertrager gedacht, aber das wird wohl nicht klappen, da es sich eigentlich um ein DC Signal handelt und ich nicht sicher sein kann, dass es sich "schnell genug" verändert als dass ein Übertrager sicher funktioniert. Ich habe auch schon an einen Optokoppler gedacht, aber mit die Signalspannung ist wohl dazu etwas zu gering, da 1V der Maximalwert darstellt.

Wer kann mir helfen und mir vielleicht einen Demoschaltung zeigen?

Vielen Dank für Eure Hilfe...

Alexander

Kamikatse(R)

29.05.2005,
16:09

@ Alexander

Zwei verschiedene Masse-Potential zusammenlegen

» Nun stimmen die Massepotenziale dieser beiden Signal nicht überein,
» weshalb ich die Signalspannung nicht als eine Eingangsspannung am OP
» verwenden kann. Ich suche nun eine schaltungstechnische Möglichkeit, wie
» ich trotzdem diese Signalspannung als Eingangsspannung für den OP
» verwenden kann. Ich brauche also sowas wie einen neuen, gemeinsamen
» (virtuellen) Massepunkt.

Dazu hab ich mal eine Frage ....
Wenn für den OpAmp ein seperater Trafo verwendet wird, wie kann sich dann ein Potential zwischen den Massen bilden?
Bzw. Wieso kann wegen solch einem Potential der Zusammenschluss verhindert werden?

Ich mein, der Pluspol eines Akkus hat gegenüber dem Minuspol eines anderen Akkus auch ein undefiniertes Potential. Sie können dennoch zusammengeschaltet werden.

Darüber hinaus kann bei einer Verbindung kein Stromfluss stattfinden. Es handelt ja um eine Gleichspannungsquelle, die angeschlossen wird ...

--
Greez
Kami

-----------------------------------------

Die letzte Stimme, die man hört,
bevor die Welt explodiert,
wird die Stimme eines Experten sein,
der da sagt:
"Das ist technisch unmöglich!"

Peter Ustinov

Alexander

E-Mail

29.05.2005,
17:28

@ Kamikatse

Zwei verschiedene Masse-Potential zusammenlegen

» Dazu hab ich mal eine Frage ....
» Wenn für den OpAmp ein seperater Trafo verwendet wird, wie kann sich dann
» ein Potential zwischen den Massen bilden?
» Bzw. Wieso kann wegen solch einem Potential der Zusammenschluss verhindert
» werden?
»
» Ich mein, der Pluspol eines Akkus hat gegenüber dem Minuspol eines anderen
» Akkus auch ein undefiniertes Potential. Sie können dennoch
» zusammengeschaltet werden.
»
» Darüber hinaus kann bei einer Verbindung kein Stromfluss stattfinden. Es
» handelt ja um eine Gleichspannungsquelle, die angeschlossen wird ...

Hallo,

ein gewöhnlicher OP hat jeweils einen Pin für positive und negative versorgungsspannung. In meinem Fall ist die negative Versorgungsspannung eben die Masse vom Netzteil. Dann hat man einen positiven sowie negativen Eingang, sowie einen Ausgang (Offsetabgleich, Biasstromkompensation etc. lasse ich mal aussen vor). Die Spannungen von den Eingängen und vom Ausgang müssen ja einen Bezugspotential haben. Diese Spannungen werden also auf die negative Versorgung bzw. auf Masse bezogen.

Eine Spannung ist aber nichts anderes als die Differenz zweier Potentiale. Wo diese Potentiale liegen ist im Prinzip egal. Deshalb benötigt man ein Bezugspotential (wie z.B. das Erdpotential) um die Spannungen entsprechend messen zu können. Dabei ist es wichtig sich immer auf ein einheitliches Bezugspotential zu beziehen.

D.h. Masse ist nicht gleich Masse. Zwei Massen können also ein unterschiedliches Potential aufweisen.

Deshalb muss meine Signalspannung bezogen auf die Masse des OPs nicht mehr 0...1 V ausweisen, sondern kann andere Werte annehmen.

Da aber die Spannungen an den Eingängen des OPs immer auf die Masse des OPs selbst bezogen werden, ist es für mich nicht mehr möglich zu bestimmen, welche Spannung denn nun tatsächlich am Eingang des OPs anliegt.

Dies muss ich aber wissen, um eben die Verstärkung und die Schaltschwelle (Trigger) einstellen zu können.

Mir ist bekannt, dass es Schaltungen gibt, die über Spannungsteiler oder sowas eine Art "virtuelle Masse" erzeugen, die ich dann als Bezugsmasse für alle meine Signale verwenden kann. Und so könnte ich halt meine eigentlich Schaltung leicht aufbauen. Nur leider weiss ich nicht, wie so eine "Virtuelle-Masse-Schaltung" aussieht und dachte, dass ich von Euch ein paar Tipps bekommen könnte.

Zu den Akkus: Einen Reihenschaltung von Akkus ist in der Tat problemlos möglich. Da ziehst du quasi das positive Potential des einen Akkus auf das negative Potential des anderen Akkus runter. Die Potentialdiferenzen zwischen den beiden Akkus addieren sich und so ist die resultierende Ausgangsspannung doppelt so gross (im Falle zweier baugleicher Akkus).

Eine Parallelschaltung von Akkus (also Minus an Minus) ist aber nicht so ohne weiteres möglich, da sich eben die Potentiale zwischen den beiden Minus-Polen unterscheiden und es sich so ein Stromfluss einstellt, der nur durch die Widerstände der Akkus begrenzt wird. Die Akkus werden also kontinuierlich entlanden.

Und so etwas habe ich ja quasi auch mit meinen Signalen. Ich versuche die Masse des OPs und die Masse des Signals zusammenzulegen. Das funtkioniert eben nicht, das beiden Massen nicht das selbe Potential aufweisen.

Ich hoffe, ich konnte das halbwegs verständlich rüber bringen (und hoffe vor allem, dass alles so richtig ist).

Viele Grüße...

Alexander

Kamikatse(R)

29.05.2005,
21:34

@ Alexander

Potentiale verbinden [Teil 1]

Vorab Masse ist nur ein Wort und bezeichnet nur einen Bezug.
Man muss sich dabei klar machen, dass es einen Punkt mit +5V oder +12V nicht gibt. Auch Punkte mit negativen Spannungen gibt es nicht.
Eine Spannung existiert nur zwischen 2 Punkten und der eine wird dabei (meist) als Nullpunkt definiert.
-12V und 0V, -6V und +6V oder 0V und +12V ist das gleiche. Eine Spannungsquelle mit 12V Spannungsdifferenz. Nur der Nullpunkt ist unterschiedlich definiert.

» ein gewöhnlicher OP hat jeweils einen Pin für positive und negative
» versorgungsspannung. In meinem Fall ist die negative Versorgungsspannung
» eben die Masse vom Netzteil.

Wer sagt, dass das Netzteil eine Masse hat und wo die liegt? Und was hat die Netzteilmasse mit der virtuellen OpAmp-Masse zu tun?

Also ein OpAmp wird mit einer Spannungsdifferenz betrieben, wobei die negativere Spannung an den Negativen Pin der Betriebsspannung kommt. Soweit klar. Gut, die Masse, auf die der OpAmp sich nun bezieht, liegt genau dazwischen. Auf die wird auch die Ausgangsspannung bezogen.
Ein Netzteil bietet grob gesagt nur eine Spannungsdifferenz. Wo die Masse liegt wird eigentlich definiert.

» Dann hat man einen positiven sowie negativen
» Eingang, sowie einen Ausgang (Offsetabgleich, Biasstromkompensation etc.
» lasse ich mal aussen vor). Die Spannungen von den Eingängen und vom
» Ausgang müssen ja einen Bezugspotential haben. Diese Spannungen werden
» also auf die negative Versorgung bzw. auf Masse bezogen.

Richtig, die Spannungen müssen einen Bezug haben. Aber sie werden nicht auf die neagtive oder positive Versorgungsspannung bezogen, sondern auf die OpAmp-Masse, die nicht gleich deiner Netzteilmasse ist.

» Eine Spannung ist aber nichts anderes als die Differenz zweier Potentiale.

Eine Spannung ist vereinfacht gesagt ein Potential zwischen zwei Punkten.
Theoretisch hast du zwar recht, ABER die Definition über die 2 Potentiale hat einen üblen Nachgeschmack. Die dabei gemachten Einschränkungen werden meist vergessen.
'Ein einzelner Punkt hat ein Potential' Dieser Satz ist zwar irgendwie richtig, aber nicht vollständig. Was hierbei nicht gesagt wurde ist, dass es hierbei um ein unendlich ausgedehntes Potentialfeld geht, dessen Nullpotential in einer unendlichen Entfernung definiert ist. Das Potential des Punktes ist dabei auf den unendlich weit entfernten Punkt bezogen.
'Das Potential zwischen zwei Punkten ist gleich der Differenz der Punktpotentiale' Auch da fehlt ein Kriterium. Die beiden Punkte müssen sich innerhalb des selben Potentialfeldes sein. Sind sie nicht im gleichen Feld, wird ein (ich nenn es mal) Sprungpunkt benötigt. Dieser stellt eine Verbindung zwischen den Potentialen dar. An diesem Punkt wird von einem Potential in das andere übergegangen.

» Wo diese Potentiale liegen ist im Prinzip egal. Deshalb benötigt man ein
» Bezugspotential (wie z.B. das Erdpotential) um die Spannungen entsprechend
» messen zu können. Dabei ist es wichtig sich immer auf ein einheitliches
» Bezugspotential zu beziehen.

Für die Messung einer Spannung benötigt man nur 2 Punkte innerhalb des Potentialfeldes.
Bei Schaltungen ist ein einheitliches Potential notwendig, bei einer reinen Spannungsmessung nicht.

» D.h. Masse ist nicht gleich Masse. Zwei Massen können also ein
» unterschiedliches Potential aufweisen.

Das ist so auch nicht ganz richtig. Es hängt immer von der Schaltung ab. Wie gesagt, Masse ist eine Definition.

Ok, ein kleines Beispiel:
Nimm einen Ringkerntrafo 230V zu 12V (wie immer, 230V sind böse, nicht anfassen und Vorsicht!)
Die Sekundärseite hat 2 Anschlüsse. Nimm ein Multimeter und messe die Spannung eines Anschlusses gegen Erde (Heizung, Wasserleitung etc.). Es wird dir 0V anzeigen. Was für eine Spannung hat dann die andere Leitung der Sekundärseite gegen Erde??
Genau, ebenfalls 0V. Und dennoch ist die Spannung zwischen den Anschlüssen 12V. Du kannst gleichrichten und mit einem Elko stabilisieren und noch viel mehr. Du wirst keine Spannung von einem Anschluss zur Erde bekommen. Erst wenn ein Anschluss mit Erde verbunden ist, hat der andere eine Spannung zur Erde, denn nur dann sind die Potentialfelder verbunden.

» Deshalb muss meine Signalspannung bezogen auf die Masse des OPs nicht mehr
» 0...1 V ausweisen, sondern kann andere Werte annehmen.

Wenn die Signalmasse mit der OpAmp-Masse verbunden ist, schon. Hierbei ist es nur wichtig zu wissen was die OpAmp-Masse ist. Sie ist nicht mit der Netzteilmasse gleichzusetzen. (Gilt nur im Spezielfall)

--
Greez
Kami

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Peter Ustinov

Kamikatse(R)

29.05.2005,
21:34

@ Kamikatse

Potentiale verbinden [Teil 2]

» Da aber die Spannungen an den Eingängen des OPs immer auf die Masse des
» OPs selbst bezogen werden, ist es für mich nicht mehr möglich zu
» bestimmen, welche Spannung denn nun tatsächlich am Eingang des OPs
» anliegt.
»
» Dies muss ich aber wissen, um eben die Verstärkung und die Schaltschwelle
» (Trigger) einstellen zu können.
»
» Mir ist bekannt, dass es Schaltungen gibt, die über Spannungsteiler oder
» sowas eine Art "virtuelle Masse" erzeugen, die ich dann als Bezugsmasse
» für alle meine Signale verwenden kann. Und so könnte ich halt meine
» eigentlich Schaltung leicht aufbauen. Nur leider weiss ich nicht, wie so
» eine "Virtuelle-Masse-Schaltung" aussieht und dachte, dass ich von Euch
» ein paar Tipps bekommen könnte.

Sicher bekommste die.
Du hast dir aber schon selber die Antwort gegeben. :-)
Am einfachsten (aber mit geringer Genauigkeit) ist der Spannungsteiler. Um die Genauigkeit mach dir aber keinen Kopf. Die reicht dafür aus. Ich wollte nur erwähnen, dass es Schaltungen mit höherer Genauigkeit gibt.

Wie schon erwähnt bezieht der OpAmp auf eine Masse, die mittig zwischen den beiden Bersorgungsspannungen liegt. Was für Spannungen es sind ist dabei egal. Nimm 2 gleiche Widerstände und schalte sie in Serie zwischen die Versorgungsspannung. Zwischen den beiden liegt dann die Masse des OpAmps. Recht einfach, oder??
Der Eingangswiderstand des OpAmp verursacht einen Messstrom. Dieser verstimmt den Spannungsteiler. Ist die Signalspannung gleich +Ub ist der Eingangswiderstand parallel zu einem der Spannungsteilerwiderstände.
Ich hab grad mal ausgerechnet:
Bei einem Eingangswiderstand von 50kOhm und einem Spannungsteiler aus 2 mal 10kOhm liegt der Fehler bei +/-9%. Bei einem Spannungsteiler aus 2 mal 1kOhm liegt der Fehler nur bei +/-1%

» Zu den Akkus: Einen Reihenschaltung von Akkus ist in der Tat problemlos
» möglich. Da ziehst du quasi das positive Potential des einen Akkus auf das
» negative Potential des anderen Akkus runter. Die Potentialdiferenzen
» zwischen den beiden Akkus addieren sich und so ist die resultierende
» Ausgangsspannung doppelt so gross (im Falle zweier baugleicher Akkus).

Fast richtig. Jeder Akku hat ein Potential zwischen positivem und negativem Pol. Die Akkus selbst haben zueinender kein Potential. Durch die Verbindung ist ein Übergang von einem Potential in das ander möglich.
Durch die Reihenschaltung, also Plus auf Minus, sind die Potentiale in die gleiche Richtung gerichtet. Dadurch sind die Potentiale additiv.

» Eine Parallelschaltung von Akkus (also Minus an Minus) ist aber nicht so
» ohne weiteres möglich, da sich eben die Potentiale zwischen den beiden
» Minus-Polen unterscheiden und es sich so ein Stromfluss einstellt, der nur
» durch die Widerstände der Akkus begrenzt wird. Die Akkus werden also
» kontinuierlich entlanden.

Ein Akku besitzt nur ein Potential zwischen seinen Polen. Er hat kein Potential zu einem anderen Akku.
Werden die beiden Minuspole mit einander verbunden, bildet sich eine Verbindung der Potentiale. Da die Potentiale gegeneinander gerichtet sind, sind sie subtraktiv.

Und noch was .....
Ein Strom kann nur 'in Kreisen' fließen. Es gibt keine Möglichkeit einen Strom nur auf einer Leitung fließen zu lassen. Der Strom fließt immer zur Quelle zurück.

» Und so etwas habe ich ja quasi auch mit meinen Signalen. Ich versuche die
» Masse des OPs und die Masse des Signals zusammenzulegen. Das funtkioniert
» eben nicht, das beiden Massen nicht das selbe Potential aufweisen.

Da es keine Verbindung zwischen Signal und OpAmp-Netzteil gibt, existiert auch kein Potential zwischen der Signalmasse und der OpAmp-Masse. Schleiß einfach mal ein Voltmeter zwischen Signalmasse und positiver Versorgung des OpAmps. Spannung ist Null. Gleiches gilt für die negative Versorgung. Und selbst zur Mitte des Spannungsteilers ist die Spannung Null.
Ergeben sich Spannungen, so sind die Versorgungsspannungen nicht getrennt.

» Ich hoffe, ich konnte das halbwegs verständlich rüber bringen (und hoffe
» vor allem, dass alles so richtig ist).

Es war verständlich.
Hoffe du verstehst auch meine Darstellung.
Falls noch Fragen sein sollten, einfach raus damit :-)

--
Greez
Kami

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"Das ist technisch unmöglich!"

Peter Ustinov

Jürgen

Würzburg,
29.05.2005,
23:09

@ Alexander

Zwei verschiedene Masse-Potential zusammenlegen

» Hallo,
»
» ich habe folgendes Problem: ich habe eine zweiabdrige Signalleitung
» (Signalspannung + Masse), die ein Signal mit einer Amplitude zwischen 0
» und 1 V liefert.
»
» Dieses Signal möchte ich nun als Steuersignal nutzen um mit einem Trigger
» eine andere Spannung auf 0 bzw. 12 V zu ziehen. Der OP wird mit einem
» eigenen Netzteil, das eben auch seine eigene Masse mitbringt, versorgt.
»
» Nun stimmen die Massepotenziale dieser beiden Signal nicht überein,
» weshalb ich die Signalspannung nicht als eine Eingangsspannung am OP
» verwenden kann. Ich suche nun eine schaltungstechnische Möglichkeit, wie
» ich trotzdem diese Signalspannung als Eingangsspannung für den OP
» verwenden kann. Ich brauche also sowas wie einen neuen, gemeinsamen
» (virtuellen) Massepunkt.
»
» Leider habe ich keine Ahnung wie man so etwas schaltungstechnisch lösen
» kann. Ich habe schon an einen Übertrager gedacht, aber das wird wohl nicht
» klappen, da es sich eigentlich um ein DC Signal handelt und ich nicht
» sicher sein kann, dass es sich "schnell genug" verändert als dass ein
» Übertrager sicher funktioniert. Ich habe auch schon an einen Optokoppler
» gedacht, aber mit die Signalspannung ist wohl dazu etwas zu gering, da 1V
» der Maximalwert darstellt.
»
» Wer kann mir helfen und mir vielleicht einen Demoschaltung zeigen?
»
» Vielen Dank für Eure Hilfe...
»
» Alexander

Häng halt einfach die Masse der Signalmasse an Masse deiner Schaltung und schon haste Masse zur Masse deiner Masse und das macht masse was aus!

Kamikatse(R)

30.05.2005,
00:16

@ Jürgen

Zwei verschiedene Masse-Potential zusammenlegen

» Häng halt einfach die Masse der Signalmasse an Masse deiner Schaltung und
» schon haste Masse zur Masse deiner Masse und das macht masse was aus!

Massige Antwort :-)

Er muss aber die Signalmasse an die OpAmp-Masse klemmen, nicht an die definierte Netzteilmasse, denn er hat die Netzteilmasse auf negativ definiert und nicht durch den OpAmp definieren lassen.

Aber Spannungen zwischen den Signalleitungen und der Versorgungsspannung des OpAmp sollte er schon messen. Nur um sicher zu stellen, dass nicht evtl. der Sensor (oder was auch immer) doch irgendwie mit der OpAmp-Versorgung verbunden ist.

--
Greez
Kami

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Peter Ustinov