40 - 60 Volt auf 0 - 5 Volt abbilden

[Thomas S. (zeilentrafo)]

Tach zusammen,
will mich an einem Lader für den Fahrradakku versuchen. Der Akku ist 
leer bei minimal 42 V und voll bei 57 V.
Über einen Spannungsteiler kann man das mit einem AVR µC messen, 
"verschwendet" aber die Auflösung für die nie genutzten unteren 40 V. 
Gibt es eine einfache Schaltung (OpAmp ? -- falls ja: rail-to-rail ?), 
die das gewünschte Fenster in die 0 - 5 V des ADC übersetzt ? Für 
OpAmp-Schaltungen "fehlen mir leider die Enzyme".
Gruß, Thomas

[Lukas (Gast)]

Ich denke wenn du dir so eine Schaltung nicht selbst überlegen kannst 
(mit Hilfe der Grundschaltungen die man überall findet), dann solltest 
du dich nicht an Fahrradakkus "versuchen".

Bei so einem Lader geht es um einiges mehr als irgendeine Spannung 
einzustellen...

[Peter D. (peda)]

Je nach AVR hat der ADC auch Differenzeingänge.
Die VCC ist als Referenz eh nicht sonderlich stabil.
OPVs sind auch nie echte R2R. Je nach Typ sind 50..500mV an den Rails 
nicht benutzbar.

[Sebastian R. (sebastian_r569)]

Gibt da sonst auch schöne "fertige" Sachen, wie den INA237 von TI z.B.

[Falk B. (falk)]

Thomas S. schrieb:
> Gibt es eine einfache Schaltung (OpAmp ? -- falls ja: rail-to-rail ?),
> die das gewünschte Fenster in die 0 - 5 V des ADC übersetzt ? Für
> OpAmp-Schaltungen "fehlen mir leider die Enzyme".

Einen Spannungsteiler mit drei Widerständen. Gib deine Werte in die 
Excelltabelle ein und fertig. R2 sollte im Bereich 10k-100k liegen.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Spannungsteiler#Spannungsteiler_mit_Offset.2C_passiv

[Udo S. (urschmitt)]

Lukas hat nicht ganz unrecht.
Warum eigentlich gerade ein Ladegerät für den Fahrradakku. Das ist doch 
beim Fahrrad mit dabei.
Bevor du den Akku himmelst solltest du dir ein paar Gedanken zu 
folgenden Themen machen:
- Wie genau musst du die Spannung einhalten
- Wie genau (nicht Auflösung, Genauigkeit!) kannst du messen
- Wie realisierst du die CC/CV Regelung
- Wie schützt du Akku und Ladegerät vor Rückstrom bei angeschlossenem 
Akku aber ausgeschaltetem Ladegerät
- Wie vermeidest du dass bei einem Programmierfehler es dein Ladegerät 
und/oder dein Akku zerlegt.

Siehe dazu auch 
https://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.21.3

[HildeK (Gast)]

Thomas S. schrieb:
> Über einen Spannungsteiler kann man das mit einem AVR µC messen,
> "verschwendet" aber die Auflösung für die nie genutzten unteren 40 V.

Reicht das nicht trotzdem?
Mal eine grobe Überschlagsrechnung:
- du teilst die 40-60V um Faktor 12 und erhältst 3.3 ... 5V
- Ein 10Bit AD-Wandler löst das zu ≈5mV auf bei 5V Referenz
- Für die Originalspannung bedeutet dies eine Auflösung von 12*5mV = 
60mV.

Alternativ: nimm eine 40V Z-Diode und schalte die vor den 
Spannungsteiler. Der sieht dann 0-20V und die teilst du durch 4. Die 
Auflösung ist dann 20mV.
Gerade mal der Faktor 2. Ist das kriegsentscheident?

[HildeK (Gast)]

HildeK schrieb:
> Gerade mal der Faktor 2.

Faktor 3 natürlich.

[Carsten-Peter C. (carsten-p)]

Hallo,
vielleicht passt diese Schaltung für Dich.
Carsten

[Rainer Z. (netzbeschmutzer)]

Vorher auch lesen:

Beitrag "E-Bike Akku explodiert (statt abzubrennen)"

Lukas und Udo S. wollen Dir nix vermiesen, aber Ladetechnik für 
Li-Ionen-Akkus ist alles andere als trivial, die Akkus sind im wahrsten 
Sinne des Wortes brandgefährlich.

[TomA (Gast)]

Hallo Thomas,

das kann im Prinzip so aussehen. Ist ein Operationsverstärker als 
Subtrahierer mit Abschwächung um ~4. Er rechnet also (V4 - V3) / 4.

V4 ist Batteriespannung, V3 eine aus der Batteriespannung abgeleitete 
Hilfsspannung von 40V. Im Bild sind zwei Batteriezyklen 42V bis 57V zu 
sehen. Die blaue Kurve zeigt die Ausgangsspannung des OP.

Gruss Tom.

[Falk B. (falk)]

TomA schrieb:
> das kann im Prinzip so aussehen. Ist ein Operationsverstärker als
> Subtrahierer mit Abschwächung um ~4. Er rechnet also (V4 - V3) / 4.

Vom Ansatz her richtig, in der Umsetzung verbesserungsfähig.

>V4 ist Batteriespannung, V3 eine aus der Batteriespannung abgeleitete
>Hilfsspannung von 40V.

Genau die will man sicher nicht haben, denn deren Erzeugung ist eher 
aufwändig und unsinnig.

Beitrag "Re: Pegelanpassung 0 bis 3V auf -15 bis +20V"

Siehe Anhang. Ich kriegs aber auf die Schnelle nicht analytisch hin, ich 
hab's hingefummelt 8-0

[HildeK (Gast)]

Falk B. schrieb:
>>V4 ist Batteriespannung, V3 eine aus der Batteriespannung abgeleitete
>>Hilfsspannung von 40V.
>
> Genau die will man sicher nicht haben, denn deren Erzeugung ist eher
> aufwändig und unsinnig.

Das selbe Problem hat die einfache Transistorschaltung von Carsten-Peter 
C.
Die Z-Diode dort sollte etwa 40V haben, gut funktioniert sie stattdessen 
mit einer 40V Quelle. Es bleibt nur noch ein kleiner Temperaturgang von 
der BE-Diode übrig, mit der Z-Diode ist der Temperaturgang erheblich.

[A. S. (Gast)]

Thomas S. schrieb:
> Gibt es eine einfache Schaltung (OpAmp ? -- falls ja: rail-to-rail ?),
> die das gewünschte Fenster in die 0 - 5 V des ADC übersetzt ?

Einfach: nein. Deine Schaltung müsste auf 40mV genau und stabil sein, um 
bei 10bit wirklich was zu verbessern. Höchstens wenn Du sowieso -10V 
hochgenau zur Verfügung hast.

Auf der anderen Seite würdest Du etwa 1mA dauerhaft verbraten. Darum 
besser doch mit OPs beschäftigen.

Hier reicht ein einfacher nichtinvertierender Verstärker 
(Grundschaltung) nur dass man ihn "negativ" aufbaut, also den 
Rückkopplungyweg nach 5V statt nach Masse.

[TomA (Gast)]

Wenn wir schon die Hausaufgaben von Thomas machen, dann kann das so 
aussehen.

Die Versorgung des OP wird über die Zenerdioden D1/D2 aus der 
Batteriespannung gewonnen, dadurch stehen für den OP +-15V bereit. Die 
Batterie wird mit bis zu rund 10mA belastet. Die Temperaturabhängigkeit 
der Z-Dioden spielt hier keine große Rolle.

Die Referenzspannung wird durch D3 von 40V auf 6,2V reduziert, in diesem 
Bereich besitzen Zenerdioden eine geringe Temperaturdrift zudem ist die 
Referenz aus der vorstabilisierten OP-Spannung abgeleitet. Die 
Widerstände um den OP sind an die verringerte Referenz angepasst.

Zu beachten ist der Bezugspunkt der Ausgangsspannung. Es ist nicht der 
Fußpunkt der Batterie, sondern der Mittelpunkt der Zenerdioden. Die 
Schaltung wurde nur simuliert und nicht mit realen Bauteilen getestet.

Gruß Tom

[Carsten-Peter C. (carsten-p)]

Carsten-Peter C. schrieb:
> vielleicht passt diese Schaltung für Dich.

Vielleicht kannst Du den R1 durch einen 79L15 ersetzen. Dann hast Du 
eine einfache Schaltung mit einigermaßen guter Referenzspannung gegen +.
Also 1GND --> Accu+, 2IN -->D1 und Ausgang3 -->Basis Q1
Gruß Carsten

[Carsten-Peter C. (carsten-p)]

Ich hab grade gesehen, das funktioniert nicht. Aber die Z-Diode kannst 
Du durch 2 in Reihe geschalteter Z-Dioden und 2 78L18 bzw.20 ersetzen.
Gruß Carsten

[TomA (Gast)]

Eine Analyse des Temperaturganges im Arbeitsbereich von +5°C bis +60°C 
ergibt, bei einer Batteriespannung von 50V (Ua=2,5V), eine Drift von 
rund +20mV. Bei einer Ausgangsspannung von 2,5V ist das für ein 
Ladegerät ein recht brauchbarer Wert von +0,8%.

Gruß Tom

[TomA (Gast)]

Habe mir die Schaltung von Carsten-Peter C. in der Simulation angesehen. 
Die schneidet bei der Temperaturdrift (~30mV) nicht so schlecht ab als 
ich erwartet hätte. Liegt wohl daran, dass sich die 
Temperaturkoeffizienten von Diode und Transistor gegenseitig teilweise 
aufheben.

Im umsetzen der Spannung erfüllt sie ihre Aufgabe und zum genauen 
Abgleich könnte man Trimmer einsetzen oder dies besser per Software 
erledigen. Ihr großer Vorteil ist aber, dass sie so bestechend einfach 
ist.

Ist auch hier nur simuliert, möglich die reale Schaltung weicht da etwas 
mehr ab. Was auszuprobieren wäre.

Gruß Tom

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Mehrere ZD 6.2 in Serienschaltung haben den geringsten 
Temperaturkoeffizienten:
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0201211.htm
https://www.elektroniktutor.de/bauteilkunde/z_diode.html

[HildeK (Gast)]

TomA schrieb:
> Liegt wohl daran, dass sich die
> Temperaturkoeffizienten von Diode und Transistor gegenseitig teilweise
> aufheben.

Das tun sie leider nicht. Z-Diode oberhalb etwa 10V haben einen 
deutlichen positiven Temperaturkoeffizienten, eine 1N5366 (von ONsemi) 
z.B. hat bei 40V ca. 35mV/°C. Das ist viel.
Simuliere die Schaltung mal idealisiert, indem du statt der Z-Diode eine 
Spannungsquelle anschließt. Dann siehst du den Unterschied.

Dieter D. schrieb:
> Mehrere ZD 6.2 in Serienschaltung haben den geringsten
> Temperaturkoeffizienten:
Aus Sicht des TK sicher korrekt. Aber du brauchst 6-7 Dioden in Serie 
und dann ist durch die Serienschaltung die Steilheit sehr mau.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Oder so etwas wie eine AD584JH Spannungsreferenz verwendet mit einer 
Operationsverstärkerschaltung mit Verstärkung*Teiler von gleich oder 
kleiner als 1.

Dh 60V:6=10V und Verstärkung von 1 minus 5V Referenz wären 0...60 auf 
0...5V abgebildet. Muss man sich halt noch passend hindimensionieren.

Teiler 60V:6=10V und Verstärkung minus 7.5V Referenz und Verstärkung von 
2 wären 45...60 auf 0...5V abgebildet. Muss man sich halt noch passend 
hindimensionieren.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

HildeK schrieb:
> und dann ist durch die Serienschaltung die Steilheit sehr mau.

Genaue Stromeinstellung mittels JFET oder einfacher Transistorschaltung 
und darüber die Spannung abgegriffen, dann ist das mit der Steilheit 
kein Problem mehr.

[Josef (Gast)]

TomA schrieb:
> Liegt wohl daran, dass sich die Temperaturkoeffizienten von Diode und
> Transistor gegenseitig teilweise aufheben.

Richtig.

HildeK schrieb:
> Das tun sie leider nicht. Z-Diode oberhalb etwa 10V haben einen
> deutlichen positiven Temperaturkoeffizienten

Tun sie doch, weil der Transistor ein PNP-Typ ist. Grob gesagt: Z-Dioden 
größer als 6V2, sollten genau da platziert werden, wie es gezeigt ist. 
Z-Dioden kleiner als 6V2 sollten an die Position von R1 eingebaut 
werden.

[Helge (Gast)]

Falk B. schrieb:
> analytisch

Grenze. Min. 42-57V messen, gewählt 40-60V.
Spannungsteiler auf max: Ue/U2=(R1+R2)/R2. Ue=60. U2=5. Ue/U2=12.
Setzen R2=10k. Umstellen. 12=(R1+10k)/10k -> 120k=R1+10k -> 110k=R1.

Verstärkung.
Ist: Max 5V, Min (40/60)*5V. Soll: Max=5V, Min=0V. -> G=3. Wählen: 
R3(=R2)=10k -> R4=20k.

Deine Schaltung, etwas andere Werte.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Einfachste Lösung:

Spannungsteiler so auslegen, das 50V genau 2,5V entsprechen. Virtueller 
Massepunkt mit AD584 oder ähnlichem Baustein auf genau 2,5V legen. Dann 
liegen bei 50V genau 2,5V am Ausgang an. Die Verstärkung dann so wählen, 
das 3V am Eingang dann 5V ergeben, bzw. 2V dann 0V.

[TomA (Gast)]

Zwei habe ich noch!

Hier wurde die Z-Diode durch eine Transistorschaltung ersetzt, welche 
eine einstellbare Z-Diode nachbildet. Sie ist hier auf ca. 41Volt 
eingestellt.

Die einfache Schaltung bildet den geforderten Bereich schon recht gut 
ab. Die Überraschung folgt im nächsten Teil.

Gruß Tom

[TomA (Gast)]

Meine Damen und Herren!!!

Darf ich vorstellen - HIER IST SIE - Die lange angekündigte und doch 
nicht aufgetretene TEMPERATURDRIFT!!!

Da hier keinerlei Kompensation stattfindet kommt sie endlich zum tragen. 
Die Ausgangsspannung über den gewählten Temperaturbereich ändert sich um 
sagenhafte 3V, das sind 3000mV und damit das 100fache in Worten 
HUNDERTFACHE der kompensierten Schaltung.

Und nun ist es auch gut, habe genug Zeit mit dem Unsinn hier verbracht.

Gutes Nächtle. Tom

[Josef (Gast)]

TomA schrieb:
> Die Überraschung folgt im nächsten Teil.

Die Überraschung kann ich bereits vorwegnehmen: Die Schwellspannung von 
Q3 ist extrem temperaturabhängig. Abhilfe schafft eine 6V2 Z-Diode im 
Emitterzweig von Q3.

[TomA (Gast)]

Hallo Josef,

nachdem sich Q2 und Q3 dann gegenseitig kompensieren wäre das eine gute 
Lösung. Doch dann wäre ja die von so vielen beschworene und sehnlichst 
erwartete Temperaturdrift wieder weg.

Aber nachdem der Fragesteller sich nicht weiter dafür interessiert ist 
es eh für den Allerwertesten. War aber kurzweilig sich mal wieder mit 
dem alten Analogkram zu beschäftigen.

Gruß Tom

[Thomas S. (zeilentrafo)]

Danke Euch -- ist ja ein richtig großer Thread geworden.

Den Akku habe ich vor vier Jahren zusammengelötet. Aus 14S3P Sony-Zellen 
("Konion" od. "vtc5"). Ohne BMS und bis heute -- toi toi toi -- driften 
sie nicht.

Zum regulären Laden wird das Labornetzteil auf 56 V und 1,5 Amp 
eingestellt. Das sind schonende 4 Volt / Zelle. Zum Vollmachen habe ich 
auch schonmal auf 57 V gedreht. Ganz voll wären 58,8 V.

Richtig ist: mit lediglich einem Spannungsteiler 1 : 12 kriegt man mit 
dem eingebauten AVR-ADC theoretisch bereits 0,05 V Auflösung (60 V / 
2^10). Mit dem ADS1115 sind es 0,001 V (60V / 2^15). Da stellt sich die 
Frage nach dem "Abbilden".

Finde die Beiträge sehr lehrreich und muss gestehen, LTspice nur mal 
angetestet zu haben. Die Transistor-Schaltung schaut bestechend einfach 
aus. Werde ausprobieren und berichten.

OpAmp dann mal, wenn ich "groß bin".

Cheers ! - <Thomas>