Aktiver Abschwächer

An aktive attenuator for voltage adjustment.

This project is made with "EveryCircuit":
This aktive attenuator is designed to convert a +/- 10 Volt signal to a 0-5 Volt for a microcontroller.
Supply voltage of the Op is a single-supply from 5-15 Volt. I use the TS912 for my design.
The 5 Volt supply for the voltage divider is the supply voltage. The voltage divider should be a potentiometer, as example 100k Ohm. So you can adjust the voltage at the non-inverting pin to 2 Volt, independent from the above named supply voltage range.
Notice: 5 volt at the output mean -10 volt at the input. Remember this in your software! (meine Beschreibung innerhalb der App)

Deutsche Erklärung

Ich wurde von einem Komilitonen gefragt ob ich eventuell eine Schaltung kenn, mit welcher man das Signal von einem Sensor für einen Mikrocontroller runter skalieren kann. Genauer gesagt handelt es sich um einen Sensor der von -10V linear zu +10V aussteuert. Nun ist es recht offensichtlich, dass man diese Spannungen auf keinen Fall an einen ADC eines handelsüblichen Mikrocontrollers anschließen kann.
Mit der oben gezeigten Schaltung lässt sich dies realisieren. Ein nicht-invertierenden Verstäker (für Unwissende hilft Wikipedia) ist eine Verstärkung kleiner eins nicht möglich. Da hilft der invertierende Verstäker, nur ist dessen Ausgangsspannung negativ (invertiert).
Die gewählte Dämpfung lässt sich mit der Formel für die Verstärkung des invertierenden Verstärkers berechnen.
Ua = - ( 20k Ohm / 100k Ohm ) * Ue = - 0,2 * Ue
Und schon wird aus einer 10 Volt Amplitude, eine 2 Volt Amplitude mit 180° Phasendrehung.
Wie oben im Bild zu sehen wird durch eine Erweiterung der Standardschaltung am nicht-invertierenden Eingang des Operatonsverstärkers ein Offset am Ausgang hervorgerufen.
Der Spannungsteiler aus den 15k und 10k Ohm Widerständen sollte durch ein Poti ersetzt werden um das Offset jederzeit justieren zu können. Somit kann der Ausgang immer im positiven Spannungsbereich gehalten werden. Vorallem wenn man nur eine Spannungsversorgung zur verfügung hat. Also z.B. 5 Volt und Masse, nicht wie bei vielen Standard OP-Schaltungen +/-12 Volt und Masse.
Mit EveryCircuit die Schaltung bei einer Betriebsspannung von 5 Volt simuliert. Auch für den Operationsverstärker gibt es weitere Einstellungen, so wie die Betriebsspannung. Mit dieser tollen App ließ sich sehr schnell und super einfach eine Schaltung simulieren. Zwar kostet die App ganze 7€, aber die sind es auch wert!
Nun unten habe ich das ganze nochmal mit Eagle in einen Prototypen-Schaltplan zusammengefasst. Dank der beiden Potis kann man alle Parameter nachjustieren und die Schaltung auf eventuelle Abweichungen der realen Welt anzupassen.
Ich habe die Schaltung nur überlegt und simuliert. Und wie zuverlässig EveryCircuit jetzt ist kann ich auch nicht sagen. Macht aber einen guten Eindruck.
Hinweis: Die Phase ist durch den invertierenden Verstärker um 180 Grad gedreht. D.h. 5 Volt am Ausgang sind -10 Volt am Eingang. Das ist in der Software schnell korrigiert, darf aber nicht vergessen werden!

Anmerkung:

Hier noch ein Vortrag (download) zur Vorgehensweise bei der Entwicklung und eine besser aufbereitete Erklärung der Schaltung.

Prototypen-Schaltplan

Abstimmung/Inbetriebnahme

Hinweise für eventuelle Aufbauten der Schaltung:
Bei dem Abstimmen der Potis würde ich den Schleifer von R1 ganz nach Pin 2 drehen und bei R3 mittig drehen. Dann am Eingang Vpp/2 (nach Wiki: Uss) anlegen. In unserem Fall ist das 0 Volt, da der Bezugspunkt die -10V sind und Vpp=20V. Nun soll bei 0 Volt am Eingang die Ausgangsspannung Vadcmax/2 betragen (Vadcmax = maximale Eingangspannung des ADC). Bei dem obigen Beispiel wäre das 2,5V, welche mit dem Drehen an R3 eingestellt werden können. Würde auch mit Vmin des Eingangs gehen, dass am Ausgang 0V eingestellt werden. Nur ist es hier einfacher den Eingang auf Masse zu klemmen als -10V anzulegen.
Nach dem nun der "Null"-Punkt eingestellt ist kann man an R1 mit dem vorsichtigem Drehen des Schleifers von Pin 2 nach Pin 1 die maximale Aussteuerung einstellen. Diese sollte Vadcmax nicht überschreiten. Dazu ist es natürlich nötig am Eingang eine der maximal Spannungen anzulegen. Besser ist es noch beide Spitzenwerte auszumessen um sicher zu stellen das am ADC nur zulässige Spannungen anliegen z.B. 0-5V.
Mit justierten Potis kann die Schaltung nun dazu verwendet werden Spannungen für einen Mikrocontroller verträglich zu machen.