Hallo liebe Community, ich arbeite bereits seit zwei Wochen daran eine Schaltung zu entwickeln, mit deren Hilfe es mir möglich ist Messwerte bzw die erzeugte Spannung eines Piezoelements zu messen und dann zu speichern. Dies wollte ich mit Hilfe eines Arduinoboards mit einem Atmel Mega328PU und seinem integrierten AD-Wandler realisieren. Diese Schaltung wollte ich mit einem LI-Ionen Akku ( 3,7 V) liefert und einem Spannungsregler auf 3,3V betreiben. Mit Hilfe des ersten Teils meiener Schaltung (siehe Anhang power supply) habe ich eine mehr oder weniger stabile symetrische Versorgungsspannungs für meine OPVs geschaffen. Die OPVs möchte ich nutzen, da der interne AD-Wandler nicht sehr präzise für Spannungen im mV ist. Meine Idee war es mit Hilfe eines Offsets von 100mV und einer Verstärkung von 20 mein Messsignal zu verstärken und dannach aufzuaddieren(siehe Anhang summing_amp). Somit würde rein ideal betrachtet 1mV einem Pegel von 120mV entsprechen. Ich gehe davon aus, dass ich mit meinem Piezoelement nicht größere Spannungen als 50 mV erzeugen werde. Dies würde in der Summe dann 1,1V ergeben, was ich eigendlich auch als Referenzspannung für den AD-Wandler vorgesehen hatte. Leider habe ich feststellen müssen, dass ich die virtuelle Masse nicht einfach als Ground für den AD-Wandler nutzen kann, da ansosnten die komplette Versorgungsspannung über V+ zu vGND abfällt. Durch das Problem des Potenzialunterschiedes habe ich mir überlegt einen Subtrahiere zu bauen, der das Messsignal nimmt und es mit v+ subtrahiert um wieder relativ zum wirklichen 0 Potenzial die richtigten Messwerte zu erhalten(siehe Anhang differential_amp). Um das Piezoelement zu simulieren habe ich ein Netzteil aus dem Labor genommen und es über einen Spannungsteiler im Verhältnis 1:100 mit meinem pre-amplifier verbunden. Dabei ist mir aufgefallen, dass sich meine 100 mV Offset leider um etwa 10 mV verschiebt (obwohl ich 0V messe). Außerdem schwangt dann auch das Enddgültige Ausgangssignal ungewollt. Momentan nutze ich leider nur einen LM358N von ST. Aus diesem Grund konnte ich das Subtrahieren noch nicht testen, da dieser Verstäker kein Rail to Rail Verstäker ist. Ich wollte morgen evtl nach so einem OPV suchen oder evtl auch auf einen Instrumentalverstäker umschwingen. Eine zweite Überlegung war es einen exterenen besseren AD-Wandler zu besorgen mit Referenzspannung. Ich habe da an ADS1115IDGST von Texas Instruments gedacht. Anbei die Gesamtschaltung und jeder einzelen Teil nochmal expliziert für die bessere Übersicht. Falls etwas zu klein oder ungenau ist mache ich gerne neue Bilder rein. Leider habe ich recht wenig Erfahrung mit Schaltungen konzipieren. Ich würde mich freuen, wenn ihr konstruktive Kritiken äußern könntet bezüglich Dimensionierung, Realisierung oder eine Antwort auf des Problems mit den Schwankung. Vielen lieben Dank schon mal im Voraus :)
Angehängte Dateien:
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power_supply.png
2,8 KB -
pre_amp.png
3,2 KB -
summing_amp.png
3,8 KB -
differential_amp.png
3,8 KB -
circuit.png
8 KB -
powersupply.png
19 KB -
pre-amp.png
21 KB -
summing-amp.png
30 KB -
differential-amp.png
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Bevor du weitermachst kuck dir erstmal an wie man in einem Schaltplan einen OpAmp richtig darstellt!
Max Mustermann schrieb: > Bevor du weitermachst kuck dir erstmal an wie man in einem Schaltplan > einen OpAmp richtig darstellt! da sind OpAmps drin ?
Thomas N. schrieb: > Ich würde mich freuen, wenn ihr > konstruktive Kritiken äußern könntet Na denn: - dein Text wäre leichter zu lesen, wenn du ab und zu einen Absatz einfügen würdest. - deine Schaltungen wäre einfacher zu lesen, wenn du sie so zeichnen würdest, wie es die meisten anderen Menschen es auch tun (siehe auch Beitrag von Max) - es ist fehleranfällig, zwei unterschiedliche Signale in der Schaltung mit fast dem gleichen Namen zu bezeichnen. "PiezoSignal" und "Piezo Signal" kann man leicht verwechseln, besser wäre z.b. "PiezoSignal" und "PiezoSignal_buffered" - du solltest dein Schaltungskonzept hinterfragen. In den meisten Fällen ist die Auswertung eines Piezosensors mit eine Ladungsverstärker sinnvoller und weniger fehleranfällig als die von dir geplante Auswertung mit einem Impedanzwandler. Beim Impedanzwandler ist die gemessene (Leerlauf)spannung z.B. stark von der parasitären Leitungskapazität abhängig, beim Ladungsverstärker (der den Piezo im Kurzschluss betreibt) fällt diese Fehlerquelle weg. Beim Impedanzwandler müsstest du "Piezo Signal" auch mit einem (sehr hochohmigen) Widerstand auf ein defniertes Potential legen, damit der Biasstrom des OPV-Eingangs nachfließen kann. (Wenn wirklich nur ien Piezo am Eingang wäre, läuft die Spannung in die Begrenzung). Beim Ladungsverstärker entfällt dieses Problem.
So...., ich hoffe mal ein wenig mehr Ordnung mit meinem Text und den Schaltplänen gemacht zu machen. Leider habe ich niergendwo die Funktion gefunden meine alten Pläne zu löschen. Meine Idee ist es einen Vergleich zwischen Piezoelektrik Generatoren und Thermoelektrik Generatoren zu machen. Ich wollte einige Tests machen, wie ich am meisten Energie aus dem menschlichen Körper produzieren lässt. Wie gesagt ist es meine erste Arbeit an einer eigenen Aufgabe und eigenem Konzept mit Schaltkreis. Von einem Ladungsverstärker habe ich leider noch nie etwas gehört, aber ich werde mich mal darüber ein wenig schlauer machen.
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Achim S. schrieb: > - deine Schaltungen wäre einfacher zu lesen, wenn du sie so zeichnen > würdest, wie es die meisten anderen Menschen es auch tun (siehe auch > Beitrag von Max) Nicht nur den Beitrag von Max bezüglich Schaltzeichen gilt es zu berücksichtigen, sondern auch das EVA-Prinzip sollte sich in der Anordnung des Schaltplans wieder finden, also von links nach rechte Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe. Die Versorgungsspannungen liegen dann i.a. "+" oben und "-" unten, ggf. als Versorgungsspannungssymbol.
bei der Zeichnung powersupply.png fällt auf, das du Impedanzwandler für "virtual GND" verwendest, jedoch an den Ausgängen dann jeweils 18,2kohm verwendest. Damit hat dein VG einen Innenwiderstand von 9,1kohm. Willst du das so ? Gruss Klaus
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Ich habe gelesen, dass es so möglich ist die Last auf beide OpAmps gleichermaßen aufzuteilen. Wenn man sie weg lassen würde, würde nur der eine OpAmp, der mit der größeren Verstärkung, die Arbeit der Regulierung alleine übernehmen. Wobei ich dir recht gebe, dass sie zu groß gewählt wurden. Ich werde sie mal gegen 10 Ohm oder so austauschen. Danke für die Info ---- Nachtrag Damit ist die Schaltung auf jeden Fall ein Stück stabiler geworden
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Thomas N. schrieb: > Ich werde sie mal gegen 10 Ohm oder so austauschen. > Danke für die Info Ich muss lächeln und gebe dir recht. Alternativ könntest du auch einfach nur einen OPV nehmen und dir die Widerstände sparen. Das hängt halt davon ab, wieviel Strom (aus oder zu VG) du meinst zu benötigen. Ich habe deine ganzen Schaltpläne auch nicht näher angeschaut weil das unheimlich viel Mühe wäre das alles zu verstehen. Allerdings habe ich aus deinem Text den Eindruck als wolltest du den Teufel mit dem Belzebub austreiben um dann den Belzebub wieder mit dem Teufel zu bekämpfen Es ist nur ein Eindruck und keine Kritik. Loop until 0<>0 Da aber im Moment dein Problem der VG ist empfehle ich mal folgendes zu lesen: http://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/SingleSupply/SingleSupply.html Liebe Grüsse Klaus
Habe nun auch die Kondensatoren auf 33µF erhöht und jetzt funktioniert die Schaltung, ohne Einspeisung einer zweiten Quelle, recht gut. Jetzt ist mir aber aufgefallen, dass wenn ich ein Labornetzteil zur Generierung der kleinen Spannungen benutze ebenfalls einigermaßen funktioniert, jedoch wenn ich jetzt das Netzteil durch ein Thermoelektrik Modul austausche der OpAmp direkt in Sättigung geht, ich aber nur ein Bruchteil der Spannung am Modul messe, als ich am Netzteil einstellen konnte. ??? :( ???
Thomas N. schrieb: > So...., > ich hoffe mal ein wenig mehr Ordnung mit meinem Text und den > Schaltplänen gemacht zu machen. danke, sieht schon viel besser aus. Thomas N. schrieb: > Jetzt ist mir aber aufgefallen, dass wenn ich ein Labornetzteil zur > Generierung der kleinen Spannungen benutze ebenfalls einigermaßen > funktioniert, jedoch wenn ich jetzt das Netzteil durch ein > Thermoelektrik Modul austausche der OpAmp direkt in Sättigung geht könnte das damit zu tun haben: Achim S. schrieb: > Beim Impedanzwandler > müsstest du "Piezo Signal" auch mit einem (sehr hochohmigen) Widerstand > auf ein defniertes Potential legen, damit der Biasstrom des OPV-Eingangs > nachfließen kann. (Wenn wirklich nur ien Piezo am Eingang wäre, läuft > die Spannung in die Begrenzung). Dein Netzteil als Signalquelle hat einen Massebezug, über den der BIAS-Strom des OPV nachfließen kann. Wenn die Signalquelle keinen DC-Pfad nach Masse hat (was bei einem Piezo der Fall ist, bei dem thermoelektrik-Modul ist es möglicherweise der Fall) fehlt dieser Pfad und der BIAS-Strom treibt den OPV in Sättigung.
Ich habe mir nun einige Sachen bezüglich Sensormesstechnik durchgelesen. Ich werde es jetzt, wie Achim vorgeschlagen hat, mit einem Ladungsverstärker probieren. Leider ist mir trotzdem noch nicht so klar, warum der Verstärker in Sättigung geht, bzw das Problem mit dem Bias-Strom. Hat da einer einen Tipp wo ich mich informieren könnte oder es genauer beschrieben steht? Des weitern stell ich mir auch die Frage, was ich am Schluß mit der Erkenntnis der Ladung am Eingang über den Energiegewinn sagen kann. Müsste ich dann die Ladung integrieren, um auf den Strom zu schließen(I=dQ/dt)? Hauptziel ist es, für mich, herauszufinden wie viel Energie ich gewinnen kan um evtl eine Batterie zu entlasten. Das Thermoelectricmodul wollte ich jetzt auch mit einem Auto-Zero Verstärker bestücken, da dieser viele störende Effekte unterdrücken kann. Irgendwelche Tipps worauf ich achten muss bei meinem Vorhaben? Vielen dank schon mal
Thomas N. schrieb: > Leider ist mir trotzdem noch nicht so klar, warum der Verstärker in > Sättigung geht, bzw das Problem mit dem Bias-Strom. > Hat da einer einen Tipp wo ich mich informieren könnte oder es genauer > beschrieben steht? Sei so gut und zeige uns mal, welches konkrete Thermoelektrikmodul du verwendest (Datenblatt) und wie du es angeschlossen hast. (ein Ende an Piezo_Signal, das andere an ???) Dann wird vielleicht klarer, warum dein Verstärker davon läuft. Ich hatte oben (falsch) verstanden, dass du einen Piezosensor auslesen willst (z.B. einen Beschleunigungssensor). Wenn du wie ursprünglich geplant mit einem Impedanzwandler arbeitest, siehst du die Leerlaufspannung des Piezos. Leerlauf ist nicht ganz das richtige Wort, weil undefinierte parasitäre Kapazitäten den Piezo belasten. Das wäre nur dann sinnvoll, wenn die Piezipkapazität wesentlich größer ist als die anderen Kapazitäten. Also bitte auch zu Piezo das Datenblatt. Mit dem Ladungsverstärker misst du den aufintegrierten Kurzschlussstrom, der Piezo wird also im Leerlauf betrieben. Für einen Sensor ist das die gebräuchliche Anordnung, weil sie nicht von undefinierten Kapazitäten abhängt. Wenn du die entnehmbare Energie bestimmen willst, dann sind leider wahrscheinlich weder die Leerlaufmessung (Impedanzwandler) noch die Kurzschlussmessung (Ladungsverstärker) besonders aussagekräftig, weil in beiden Fällen keine Energie vom Generator entnommen wird.
Mein Piezomodul ist das V25W aus dem Hasue Mide: Datenblatt: http://www.mide.com/pdfs/Volture_Datasheet_001.pdf Ich habe zwei kleinere Thermomodule aus dem Hause TEC: 30x30 TEG1-1263-4.3 http://tecteg.com/wp-content/uploads/2014/09/11.pdf 35x35 TEG1-1268-4.3 http://tecteg.com/wp-content/uploads/2014/09/12.pdf Das Thermoodul habe ich mit dem roten Ende an Piezo_siganl und den schwarzen an vGND angeschloßen. nachdem ich die op-amps durch AD823An rail-to-rail opams von Analog Devices ersetzt habe, kommen sogar recht ordentliche Messwerte heraus. Mir ist aufgefallen, dass der Ausgang des Differentialverstärkers ein wenig schwankt und ebenfalls die Versorgungsspannung also V+ zu vGND. Gibt es da etwas um die sache ein wenig stabiler zu machen. Da ich in Messtechnik leider nur die Grundschaltungen des Opv behandelt haben ist mir das Messen von Sensoren und wie man Energieprofile für solche Generatoren anlegen kann nicht bekannt. Selbst wenn ich im Netz dannach suche finde ich nur schwer was. Liegt vl. daran, dass ich die falschen Suchbegriffe eingebe. Gibt es da vl. eine Literaturempfehlung? Ich versuche meine Arbeit richtig zu machen und deshalb wollte ich mich an deinen Tipp halten und von dem Impedanzwandler weg kommen und den Pfad für das Piezo modul mit einem Ladungsverstärker und für das TEG modul mit einem Auto-zero verstärker versuchen. Deine letzte Aussage hat mich wieder zurück geworfen x( Ich wüsste jetzt leider nicht wie ich sonst Energieprofile erzeugen könnte außer über die Leistung
Thomas N. schrieb: > Deine letzte Aussage hat mich wieder zurück geworfen x( Sorry dafür. Wenn du Leistung aus dem Teil beziehen willst, dann nützt dir imho die Messung der Leerlaufspannung (fast) nichts. Das sagt wenig darüber aus, wie sich das Teil unter Belastung verhält. Ich schätze, du musst zumindest einen Teil deines Harvesters mit aufbauen und dann die Kombination aus Generator und Harvester unter Last vermessen, um etwas über die entnehmbare Leistung sagen zu können. Im Datenblatt deines Piezogenerators sind Beispielschaltungen mit drin.
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