Differenzverstärker mit LM324 sinnvoll?

[Peter Heitzer]

Für eine Ladeschaltung eines Akkupacks aus drei in Reihe geschalteten Li-Ionzellen
(alter Notebookakku, die originale Ladeelektronik kann ich nicht verwenden) möchte ich
für jede Zelle einzeln die Spannung messen und die Ladung beenden, wenn die erste
Zelle 4.1V erreicht hat. Die einzelnen Spannungen will ich mittels Differenzverstärker
aufbereiten und dann 3 Komparatoren (LM339) zuführen. Verglichen wird mit einer
Referenzspannung aus einer TL 431.
Für die Differenzverstärker dachte ich an je 1/4 LM324. Um die Eingänge nicht zu
übersteuern (Betriebsspannung des LM324 ist 5V) wähle ich eine Verstärkung von
ca. 1/4 (d.h. R1, R3=39k, R2, R4=10k
in http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm).
Die Widerstände sind Metallfilm mit 1% Toleranz.
Meine Frage nun:
Ist mit einem ordinären LM324 und den angegebenen Widerständen überhaupt eine für diesen
Zweck brauchbare Genauigkeit (max. Abweichung 2%, um die Zellen nicht zu überladen)
zu erzielen?

[Wolfgang]

Post by Peter Heitzer
Für eine Ladeschaltung eines Akkupacks aus drei in Reihe geschalteten Li-Ionzellen
(alter Notebookakku, die originale Ladeelektronik kann ich nicht verwenden) möchte ich
für jede Zelle einzeln die Spannung messen und die Ladung beenden, wenn die erste
Zelle 4.1V erreicht hat. Die einzelnen Spannungen will ich mittels Differenzverstärker
aufbereiten und dann 3 Komparatoren (LM339) zuführen. Verglichen wird mit einer
Referenzspannung aus einer TL 431.
Für die Differenzverstärker dachte ich an je 1/4 LM324. Um die Eingänge nicht zu
übersteuern (Betriebsspannung des LM324 ist 5V) wähle ich eine Verstärkung von
ca. 1/4 (d.h. R1, R3=39k, R2, R4=10k
in http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm).
Die Widerstände sind Metallfilm mit 1% Toleranz.
Ist mit einem ordinären LM324 und den angegebenen Widerständen überhaupt eine für diesen
Zweck brauchbare Genauigkeit (max. Abweichung 2%, um die Zellen nicht zu überladen)
zu erzielen?

Ich weiss nicht ob das jetzt besonders schlau oder eine besonders dumme
Antwort ist, aber:

Wie wäre es mit Aliexpress Artikelnummer 32386175340 ?

[MaWin]

Post by Peter Heitzer
Ist mit einem ordinären LM324 und den angegebenen Widerständen überhaupt
eine für diesen Zweck brauchbare Genauigkeit (max. Abweichung 2%, um die
Zellen nicht zu überladen) zu erzielen?

Ja, er hat 7mA Abweichung, 0.15% auch nach Spannungsteiler werden das nicht
über 0.5% wenn die Spannungsteilerwiderstände entsprechend genau sind,
die klassische Differenzschaltung reagiert zwar empfindlich auf hochohmige
Quellen aber ein Akku ist niederohmig und die Fehler durch unterschiedliche
Eingangsspannugnen (common mode) sind auch Null da bei vollem Akku alle
Zellen fast 4.2V haben.

Auch das Probelm, daß der LM324 nicht ganz auf Masse regeln kann sondern
wenn er Strom nach Masse ableiten muss wie beim Differenzverstärker eher
nur 0.6V ist kein Problem, wenn die relevante Ausgangsspannung bei 2.5V
liegt. 4.2V sind aber an 5V Versorgung nicht zu erreichen.

Die Eingangsspannugnen müssen natürlich weit genug heruntergeteilt werden,
aber der LM324 hat auch da den Vorteil, das bei ABGESCHALTETER Versorgung
die Eingänge durchaus bis 32V bekommen würden. CMOS-OpAmps lassen da Strom
fliessen.

[Bernd Mayer]

Post by Peter Heitzer
Für eine Ladeschaltung eines Akkupacks aus drei in Reihe geschalteten Li-Ionzellen
(alter Notebookakku, die originale Ladeelektronik kann ich nicht verwenden) möchte ich
für jede Zelle einzeln die Spannung messen und die Ladung beenden, wenn die erste
Zelle 4.1V erreicht hat. Die einzelnen Spannungen will ich mittels Differenzverstärker
aufbereiten und dann 3 Komparatoren (LM339) zuführen. Verglichen wird mit einer
Referenzspannung aus einer TL 431.
Für die Differenzverstärker dachte ich an je 1/4 LM324. Um die Eingänge nicht zu
übersteuern (Betriebsspannung des LM324 ist 5V) wähle ich eine Verstärkung von
ca. 1/4 (d.h. R1, R3=39k, R2, R4=10k
in http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm).
Die Widerstände sind Metallfilm mit 1% Toleranz.
Ist mit einem ordinären LM324 und den angegebenen Widerständen überhaupt eine für diesen
Zweck brauchbare Genauigkeit (max. Abweichung 2%, um die Zellen nicht zu überladen)
zu erzielen?

Hallo,

verstehe ich Dich richtig daß Du mit dem Differenzverstärker die
floatenden Akkuspannungen von 0V - 4,1V, 4,1 V - 8,2 V und 8,2 V - 13,3
V massebezogen messen möchtest?

Spontan bin ich da erst mal leicht skeptisch.

Falls die Widerstände nicht auch noch auf Gleichheit selektiert sind,
dann kann dadurch grob schon ein Fehler von 2 % entstehen.
Dazu kommt noch der Fehler durch den TL431 - ja nach Type bis zu 2 %!

Operationsverstärkerschaltungeen mit Verstärkung kleiner als 1 habe ich
auch noch nicht gesehen - IIRC.


Bernd Mayer

[Kai-Martin]

Post by Bernd Mayer
Operationsverstärkerschaltungeen mit Verstärkung kleiner als 1 habe
ich auch noch nicht gesehen - IIRC.

Man nehme einen invertierenden Verstärker und packe in die Rückkopplung
einen kleineren Widerstandswert als vor den Eingang. Ein abschwächender
Differenzverstärker geht nach dem gleichen Muster.

Bei manchen Opamps wird das Verhalten für Abschwächung sogar im Datenblatt
ausgebreitet. Mir fällt spontan der LMH6624 ein:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmh6624.pdf
Seite 9, Figure 3 und 4

---<)kaimartin(>---

[Bernd Mayer]

Post by Kai-Martin

Post by Bernd Mayer
Operationsverstärkerschaltungeen mit Verstärkung kleiner als 1 habe
ich auch noch nicht gesehen - IIRC.

Man nehme einen invertierenden Verstärker und packe in die Rückkopplung
einen kleineren Widerstandswert als vor den Eingang. Ein abschwächender
Differenzverstärker geht nach dem gleichen Muster.
Bei manchen Opamps wird das Verhalten für Abschwächung sogar im Datenblatt
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmh6624.pdf
Seite 9, Figure 3 und 4

Hallo,

die Beschaltung ist schon klar.

Meine Überlegungen gehen in Richtung Frequenzstabilität.

In den Grafiken sieht man gut das Überschwingen bei ca. 90 MHz bei -10
dB als Hinweis der zunehmenenden Schwingneigung bei abnehmender Verstärkung.

Die Grafiken des Datenblattes vom LH6624 verstehe ich als Verstärkung
A_V von -10 dB bis -100 dB (invertierend 3-fach bis 100 000-fach) und
A_V von +10 dB bis +100 dB entsprechend nichtinvertierend - beides
nicht als Abschwächung!

Wobei da die Eingangsspannung von 5 mV irritiert und etwas auch die
Angabe "VOL Large signal voltage gain" von typ ca. 80 dB bei den
Electrical Characteristics.

Interessant ist auch der Phasenverlauf, Figure 7 und 8, da wird schon
bei einer Verstärkung von 100-fach 180° Phasendrehung erreicht!

Für Abschwächung hat ein passiver Spannungsteiler einige Vorteile.


Bernd Mayer

[Kai-Martin Knaak]

Post by Bernd Mayer
Die Grafiken des Datenblattes vom LH6624 verstehe ich als Verstärkung
A_V von -10 dB bis -100 dB (invertierend 3-fach bis 100 000-fach) und
A_V von +10 dB bis +100 dB entsprechend nichtinvertierend - beides
nicht als Abschwächung!

Da hast Du wohl recht (und ich die Größe A_V völlig flacsh verstanden).

---<)kaimartin(>---

[Bernd Mayer]

Post by Kai-Martin Knaak

Post by Bernd Mayer
Die Grafiken des Datenblattes vom LH6624 verstehe ich als Verstärkung
A_V von -10 dB bis -100 dB (invertierend 3-fach bis 100 000-fach) und
A_V von +10 dB bis +100 dB entsprechend nichtinvertierend - beides
nicht als Abschwächung!

Da hast Du wohl recht (und ich die Größe A_V völlig flacsh verstanden).

Hallo Kai-Martin,

die Bezeichnungen mit -10 dB usw. sind auch nicht optimal gewählt,
mathematisch und bei Betrachtung von Pegeln bedeutet -10 dB eine
Abschwächung ca. um den Faktor 3. Die wolten wohl irgendwie die
invertierende Verstärkung damit dokumentieren.

Ich werde mal darauf achten wie das in anderen Datenblättern aussieht.

Grüße


Bernd Mayer

[horst-d.winzler]

Post by Bernd Mayer
die Bezeichnungen mit -10 dB usw. sind auch nicht optimal gewählt,
mathematisch und bei Betrachtung von Pegeln bedeutet -10 dB eine
Abschwächung ca. um den Faktor 3. Die wolten wohl irgendwie die
invertierende Verstärkung damit dokumentieren.
Ich werde mal darauf achten wie das in anderen Datenblättern aussieht.

Wenn viele Dämpfungsfaktoren beachtet werden müssen, ist es durchaus
sinnvoll, Verstärkungen als negative Dämpfung darzustellen.

[Peter Heitzer]

Post by Bernd Mayer

Post by Peter Heitzer
Für eine Ladeschaltung eines Akkupacks aus drei in Reihe geschalteten Li-Ionzellen
(alter Notebookakku, die originale Ladeelektronik kann ich nicht verwenden) möchte ich
für jede Zelle einzeln die Spannung messen und die Ladung beenden, wenn die erste
Zelle 4.1V erreicht hat. Die einzelnen Spannungen will ich mittels Differenzverstärker
aufbereiten und dann 3 Komparatoren (LM339) zuführen. Verglichen wird mit einer
Referenzspannung aus einer TL 431.
Für die Differenzverstärker dachte ich an je 1/4 LM324. Um die Eingänge nicht zu
übersteuern (Betriebsspannung des LM324 ist 5V) wähle ich eine Verstärkung von
ca. 1/4 (d.h. R1, R3=39k, R2, R4=10k
in http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm).
Die Widerstände sind Metallfilm mit 1% Toleranz.
Ist mit einem ordinären LM324 und den angegebenen Widerständen überhaupt eine für diesen
Zweck brauchbare Genauigkeit (max. Abweichung 2%, um die Zellen nicht zu überladen)
zu erzielen?

Hallo,
verstehe ich Dich richtig daß Du mit dem Differenzverstärker die
floatenden Akkuspannungen von 0V - 4,1V, 4,1 V - 8,2 V und 8,2 V - 13,3
V massebezogen messen möchtest?

Ja. Für die erste Zelle braucht es aber keinen Opamp; da reicht ein Draht.

Post by Bernd Mayer
Spontan bin ich da erst mal leicht skeptisch.
Falls die Widerstände nicht auch noch auf Gleichheit selektiert sind,
dann kann dadurch grob schon ein Fehler von 2 % entstehen.
Dazu kommt noch der Fehler durch den TL431 - ja nach Type bis zu 2 %!
Operationsverstärkerschaltungeen mit Verstärkung kleiner als 1 habe ich
auch noch nicht gesehen - IIRC.

Mittlerweile halte ich es für sinnvoller, den OpAmp aus der Eingangsspannung für die
Ladeschaltung, einem 19V Notebooknetzteil zu versorgen. Dann kann ich mit Verstärkung 1
arbeiten und bleibe trotzdem innerhalb der Werte für die Eingangsspannungen.

[Edzard Egberts]

Post by Peter Heitzer
Für eine Ladeschaltung eines Akkupacks aus drei in Reihe geschalteten Li-Ionzellen
(alter Notebookakku, die originale Ladeelektronik kann ich nicht verwenden) möchte ich
für jede Zelle einzeln die Spannung messen und die Ladung beenden, wenn die erste
Zelle 4.1V erreicht hat. Die einzelnen Spannungen will ich mittels Differenzverstärker
aufbereiten und dann 3 Komparatoren (LM339) zuführen. Verglichen wird mit einer
Referenzspannung aus einer TL 431.
Für die Differenzverstärker dachte ich an je 1/4 LM324. Um die Eingänge nicht zu
übersteuern (Betriebsspannung des LM324 ist 5V) wähle ich eine Verstärkung von
ca. 1/4 (d.h. R1, R3=39k, R2, R4=10k
in http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm).
Die Widerstände sind Metallfilm mit 1% Toleranz.
Ist mit einem ordinären LM324 und den angegebenen Widerständen überhaupt eine für diesen
Zweck brauchbare Genauigkeit (max. Abweichung 2%, um die Zellen nicht zu überladen)
zu erzielen?

Man muss ja nicht gleich ordinär werden:

https://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenverst%C3%A4rker

Ein paar Chips sind unten angegeben, so eine Ina ist sicher ganz nett.

[Peter Heitzer]

Post by Edzard Egberts

Post by Peter Heitzer
Ist mit einem ordinären LM324 und den angegebenen Widerständen überhaupt eine für diesen
Zweck brauchbare Genauigkeit (max. Abweichung 2%, um die Zellen nicht zu überladen)
zu erzielen?

https://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenverst%C3%A4rker
Ein paar Chips sind unten angegeben, so eine Ina ist sicher ganz nett.

Das verteuert aber die Schaltung so sehr, daß ich gleich zu einem dedizierten
Ladecontroller oder µC mit ADC greifen kann.

[MaWin]

Post by Edzard Egberts
https://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenverst%C3%A4rker
Ein paar Chips sind unten angegeben, so eine Ina ist sicher ganz nett.

Er will aber einen Differenzverstärker

+--R1--+--R3----+
| +--|+\ |
Akku | >--+-- differenz
| +--|-/
+--R2--+--R4-- GND

und der ist hier ausreichend, wenn auch die beiden
Spannungsteiler bei abgeschalteter Schaltung den Akku entladen.
Er erlaubt es, den OpAmp mit 5V zu versorgen, selbst wenn der Akku
deutlich über 5V hat, notfalls noch mit einem Spannungsteiler für
"Verstärkungen" unter 1:

+--R5-- GND
|
+--R1--+--R3----+
| +--|+\ |
Akku | >--+-- differenz
| +--|-/
+--R2--+--R4-- GND

[Edzard Egberts]

Post by MaWin

Post by Edzard Egberts
https://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenverst%C3%A4rker
Ein paar Chips sind unten angegeben, so eine Ina ist sicher ganz nett.

Er will aber einen Differenzverstärker
+--R1--+--R3----+
| +--|+\ |
Akku | >--+-- differenz
| +--|-/
+--R2--+--R4-- GND

Beim Instrumentenverstärker ist der dabei:

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Instrumentation_Amplifier_3OpAmp.svg

Post by MaWin
und der ist hier ausreichend

Möglich, gefragt wurde aber nach der Genauigkeit und wenn es mit
lasergetrimmten Widerständen richtig genau sein soll, bietet das ein
Instrumentenverstärker. Allerdings habe ich inzwischen gesehen, dass es
auch fertige Differenzverstärker gibt, so eine Dual-Ina zu 3,13 € wäre
doch ein Schnäppchen?

http://at.rs-online.com/web/p/differenzverstarker/6604257/

[Marte Schwarz]

Hi Edzard,

Post by Edzard Egberts
Möglich, gefragt wurde aber nach der Genauigkeit und wenn es mit
lasergetrimmten Widerständen richtig genau sein soll, bietet das ein
Instrumentenverstärker.

Das bezieht sich in erster Linie auf die Gleichtaktunterdrückung. Da das
Gleichtaktsignal hier weitgehend konstant ist, dürfte der Einfluß hier
minimal sein, so dass es hier gar nicht darauf an kommt.

Allerdings habe ich inzwischen gesehen, dass es

Post by Edzard Egberts
auch fertige Differenzverstärker gibt, so eine Dual-Ina zu 3,13 € wäre
doch ein Schnäppchen?

Gegenüber den 13 ct für LM324 ist das unbezahlbar.
Das Problem werden eher die 1% Widerstände, deren Fehler sich im
dümmsten Fall addieren. In der Praxis sind die Teile aus einem Gurt aber
sehr ähnlich in der Abweichung und für ein Einzelgerät kann man hier ja
sogar manuell trimmen.
Ich sehe also ausnahmsweise kein Problem, solange man berücksichtigt,
dass die oberen ca 1,7 V in der Praxis nicht aussteuerbar sind. Laut
Datenblatt hält man natürlich brav 2,5 V Abstand

Aus meiner Sicht wäre aber ein Balancer deutlich sinnvoller als eine
Ladebegrenzung.

Was spricht gegen die TL431 parallel zu den Zellen? Bei 4,2 V gehen die
sachte auf und lassen den Strom an der Zelle vorbei. Wenn man nun nicht
gerade mehrere Amperes durchschieben muss, geht das zum Ladeende ganz
passabel. Eine Sicherung wäre aber nicht verkehrt, falls dann doch mal
einer durchlegiert ;-)

Marte

[Edzard Egberts]

Post by Marte Schwarz
Das bezieht sich in erster Linie auf die Gleichtaktunterdrückung. Da das
Gleichtaktsignal hier weitgehend konstant ist, dürfte der Einfluß hier
minimal sein, so dass es hier gar nicht darauf an kommt.

Im worst case sind das für den oberen Akku (4,3 V Ladeschlußspannung -
2,5 V Entladeschlussspannung) = 1.8 V mal 3 Akkus= 5,4 V
Gleichspannungsänderung.

Wenn ich es mir einfach mache und von 1% Abweichung auf Grund der
Widerstandstoleranz ausgehe, wären das bis zu 0.054 V fehlerhafte
Änderung in der Ausgabespannung, wobei der feste Offset von 7,5 V gar
nicht berücksichtigt ist, so dass ein absoluter Fehler der
Ausgabespannung von 0.1 V wahrscheinlich ist (wenn auch nur beim oberen
Akku).

Post by Marte Schwarz
Das Problem werden eher die 1% Widerstände, deren Fehler sich im
dümmsten Fall addieren. In der Praxis sind die Teile aus einem Gurt aber
sehr ähnlich in der Abweichung und für ein Einzelgerät kann man hier ja
sogar manuell trimmen.

Oder selektieren, oder 0.1%-Widerstände nehmen (das wird dann wieder so
teuer, wie die integrierte Lösung), aber ignorieren kann man das Problem
nicht.

Post by Marte Schwarz
Aus meiner Sicht wäre aber ein Balancer deutlich sinnvoller als eine
Ladebegrenzung.
Was spricht gegen die TL431 parallel zu den Zellen?

Könnte man die dann nicht gleich alle einzeln laden?