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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Strommmessung


Autor: Pakko (Gast)
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Ich habe vor eine Strommessung über einen Shunt zu realisieren. Spannung 
12V, Strom irgendwo zw. 10A und 20A. Die Messungen sollten möglichst 
genau sein. Jetzt hatte ich mir für diesen Zweck einen solchen 
Metallshunt ausgesucht:
http://www.conrad.de/goto.php?artikel=120920

Wenn ich mir jetzt überlege, dass der Shunt gerade mal einen Widerstand 
von 60mV/50A=1,2mOhm hat, dann komme ich irgendwie zwecks der Anschlüsse 
ins Grübeln. Wird das Messergebnis nicht irgendwie total durch die 
Schraubkontakte verfälscht, schließlich hat so eine Verbindung ja auch 
einen Widerstand? Die abfallende Spannung wollte ich mit einem 
Instrumentenvestärker verstärken (INA126), aber wie verlöte ich den 
Shunt am besten mit meiner Schaltung um die Messungenaugkeit möglichst 
gering zu halten? Oder bin ich mit diesen großen Metallshunts auf den 
ganz falschen Dampfer für eine ordentliche Messung?

Fragen über Fragen ;)

Autor: Rosemarie Nitribitt (Gast)
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Über die großen Schrauben wird der zu messende Strom geführt, an den 
kleinen Schraube nimmst du deine Messpannung ab.

Autor: Falk Brunner (falk)
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Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Ich habe auch einen Shunt zu Hause. Den kann ich aber wo einlöten. Da 
ist das leichter. Vielleicht findest du für deine Anwendung noch einen 
Shunt zum löten und nicht zum schrauben.

Autor: Pakko (Gast)
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@Falk: Danke für den Hinweis, das klingt logisch. Wenn kein (bzw. fast 
kein) Strom fliest, kann natürlich auch keine (fast keine) Spannung 
abfallen.

@Andres: Größere Shunts (50A etc) habe ich nur in dieser Bauform 
gefunden.


Abschließend noch eine Frage zur Auswerteschaltung. Ich muss das ganze 
als High-Side-Messung bei 12V realisieren. Ich habe hier den INA126 
rumliegen, aber jetzt bin ich mir nicht sicher, ob das mit diesem IC 
überhaupt geht. Hier mal die Daten die ich diesbezüglich im Datenblatt 
gefunden habe:

-------------------
Safe Input Voltage:
-------------------
-Condition: RS = 0
-Min: (V–)–0.5V
-Max: (V+)+0.5V
-Condition: RS = 1kW
-Min: (V–)–10V
-Max: (V+)+10V


-------------------
Common-Mode Voltage Range
-------------------
-Condition: VO = 0V
-Min: ±11.25
-Typ: ±11.5


Was ist jetzt der Unterschied zwischen Safe Input Voltage und 
Common-Mode Voltage Range? Ich hätte jetzt beides so eingeoordnet, als 
wären es die Beschränkungen für die Eingänge des ICs. Safe Input Voltage 
würde für meine Zwecke ja reichen, aber Common-Mode-Voltage-Range dürfte 
wohl knapp werden.

Gibt es zudem nicht auch noch ein Kriterium, dass angibt, wie groß der 
Abstand zwischen den Eingangsspannungen und der Versorgungsspannung 
mindestens sein muss?

Viele Fragen und ich hoffe ich könnt mir nochmals helfen.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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@Pakko:

- Safe Input Voltage beschreibt die max. zul. Spannung bevor einer der 
beiden Hauptgrenzwerte des Einganges überschritten werden. Dabei handelt 
es sich zum Einen um die max. zul. Spannung und zum Anderen um den max. 
zul. Strom. Der Strom scheint hier max. 10mA zu betragen, bevor die 
(entweder parasitären oder auch bewußt gewollten) Eingangsschutzdioden 
im wahrsten Sinne des Wortes durchknallen. Üblicherweise gehen bei 
vielen analogen und insbesondere bei dig. Schaltungen Dioden vom Eingang 
zu Vcc und GND (TTL) bzw. zu Vss und Vdd (CMOS), die natürlich so 
eingebaut sind, daß sie eigentlich immer in Sperrichtungbetrieben werden 
- außer im Fehlerfall, d.h. bei Überspannungen (pos. als auch neg. 
'Natur'). Der ominöse Rs von dem im Datenblatt die Rede ist, kann 
eigentlich nur ein serieller Widerstand zwischen Spannungsquelle und dem 
Eingang sein, denn bei 0 Ohm soll der Eingang nur ein halbes Volt mehr 
'vertragen', während bei 1 kOhm schon jeweils 10 Volt mehr als die 
Betriebsspannung drin sein sollen.

- Die Common-Mode-Voltage-Range (Gleichtaktspannungsbereich) beschreibt 
den Eingangsspannungsbereich, bei dem der Instrumentenverstärker noch in 
der Lage ist die Spannungsdifferenz am Eingang zu verstärken, bevor 
einer der Eingänge in die Begrenzung gegangen ist. (Zur Info: Es gibt 
auch OPs, die Rail-to-Rail arbeiten können, d.h. bis fast zur 
Spannungsversorgung und das sowohl am Eingang als auch am Ausgang.) 
Schaut man sich das für den INA 126 an, so sieht man, das bei einer 
Spannungsversorgung von ±15V der Eingang (nur) noch bis Spannungen von 
typ. ±11.5V ausgesteuert werden kann. Also liegt das Limit hier nicht 
bei der max. zul. Eingangsspannung sondern bei der nutzbaren 
Common-Mode-Voltage-Range.

Um auf Dein Problem wieder zurückzukommen, mach einfach folgendes:
Nimm zwei gleiche Spannungsteiler (aus je zwei Widerständen) und setzte 
einen davon auf die 'linke' Seite und den anderen auf die 'rechte' Seite 
vom Strom-Shunt. Die beiden unteren Teilerwiderstände gehen dabei 
jeweils nach GND. Der INA126 muß nun nur noch zwischen den 
'Mittenabgriffen' der Spannungsteiler die Spannungsdifferenz messen, die 
um den Faktor des Spannungsteilers herabgesetzt ist. Aus den schon 
geringen 60mV wird zwangsweise noch weniger, aber der INA126 bleibt, je 
nach Auslegung des Spannungsteilers in seinem Arbeitsbereich.

Autor: Pakko (Gast)
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Wow, danke für die ausführliche und verständliche Antwort. Eine Frage 
hätte ich dennoch zur Common-Mode-Voltage-Range des INA126. Du 
schreibst, dass bei einer Versorgungsspannung von 15V nur noch 
Eingangsspannungen von 11,5V vom INA126 gehandhabt werden können. Im 
Datenblatt finde ich zwar unter Common-Mode Voltage Range bei Typ. 11,5V 
(steht für typical?), allerdings sehe ich nirgends, für welche 
Eingangsspannnung dies gilt. Unter "Conditions" steht lediglich V0=0V, 
was für mich gar keinen Sinn gibt.

Gibt es irgendwo in dem Datenblatt vielleicht ein Diagramm das 
beschreibt, das die möglichen Eingangsspannungen mit den 
Versorgungsspannungen gegeünberstellt? Ich habe sowas nicht leider nicht 
gefunden, aber anscheinend bin ich wirklich zu dumm so ein Datenblatt zu 
lesen und zu verstehen :(

Dein Workaround hört sich interessant an, aber hier stellt sich mir die 
Frage wie genau das ganze dann noch wird. Da bräuchte ich ja zwei sehr 
genau gleiche Spannungsteiler um meine Messergebnisse nicht zu versauen, 
oder?

Ich habe jetzt auch den INA138 entdeckt, welcher als 
High-Side-Current-Monitor beschrieben wird. Dieser müsste sich denke ich 
für meinen Zweck eignen, wenn ich das richtig sehe. Wär dann 
wahrscheinlich die bessere Lösung, oder?

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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@Pakko:

* Der Sinn für "VO=0V" wird vermutlich dann verständlich, wenn man 
begreift wie diese Angabe mit dem Common-Mode-Voltage-Range 
zusammenhängt.
Dafür muss ich jetzt ein bißchen ausholen (Achtung, GRUNDLAGEN-Wissen):
- 1. Lehrsatz: Ein OP versucht seinen Ausgang stets so zu 
steuern/regeln, das die Spannungsdifferenz zwischen dem (+)- und 
(-)-Eingang gleich Null ist.
- 2. Lehrsatz: Ohne einen Rückkopplungswiderstand ergibt sich die 
Ausgangsspannung zu dem mit der Open-Loop-Gain (die auch noch 
frequenzabhängig ist) multiplizierten Eingangsspannungsdifferenz.
- ...
Macht man jetzt einen Kurzschluß zw. dem (+)- und (-)-Eingang, so sollte 
im Idealfall immer eine Ausgangsspannung von Null Volt zu messen sein - 
aber eben nur idealerweise. Bei einer symmetrischen Versorgungsspannung 
(z.B. ±15V) und beide Eingänge auf 0V-Potential gezogen, ist in der Tat 
die Ausgangsspannung (fast) immer Null Volt. Aber wehe man verschiebt 
das gemeinsame Eingangsspannungspotential.
In der Realität gibt die CMRR (Common-Mode-Rejection-Ratio) an, wie gut 
der OP das wirklich kann. Beim von Dir angegebenen INA138 beträgt der 
Wert typ. 120dB (da 20dB einem Faktor von ~10 entsprechen, sind 120dB 
somit ein Faktor von einer Mio.). D.h., würde man die kurzgeschlossenen 
Eingänge gemeinsam auf ein Potential von +10V anheben, so würde am 
Ausgang eine Spannung von +10V/1.000.000 = +10µV 'auftauchen'. 
Wahrscheinlich liegt das unter dem was Deine Messschaltung zu ermittln 
vermag, aber es gibt OPs die hier wesentlich schlechter abschneiden und 
dann gilt es solche Werte zu beachten.

* Generell sollte nie einer der Eingänge mit einer höheren als der 
Versorgungsspannung beaufschlagt werden - es sei denn, es wird explizit 
im Datenblatt darauf hingewiesen, das dies unbedenklich sei. Wie gesagt, 
es gibt häufig (interne) Schutzdioden am Eingang, die eine Überspannung 
versuchen über die Betriebsspannung abzuleiten. Sollte dabei dann noch 
ein gewisser Strom überschritten werden, so ist der Eingang danach 
i.d.R. zerstört und damit unbrauchbar geworden.

* Ja, hier sind relativ genaue Widerstände von Nöten. Allerdings ist 
nicht wirklich der absolute Wert wichtig sondern nur das beide 
Spannungsteiler synchron sind, also zueinander das exakt gleiche 
Teilerverhältnis aufweisen. Die entsprechenden Widerstände kann man 
durch Messen mit einem Ohmmeter durchaus selektieren. Und für z.B. einen 
12-Bit-ADC habe ich damit eine ausreichende Genauigkeit erreicht. In 
Vbdg. mit einem µC lassen sich dann sogar noch die Ungleichheiten 
ausmerzen - per Software, versteht sich.

* Das der INA138 vermutlich besser sein wird, wage ich nicht zu 
bezweifeln, aber ob er vom Preis und der Beschaffbarkeit (Reichelt hat 
ihn z.B. nicht im Programm) noch akzeptabel ist sei jedem selbst 
überlassen. Hier muß jeder Entwickler sein eigenes Süppchen kochen und 
genau wissen, was er für welchen Preis, Aufwand, usw. benötigt.

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