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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 230V Wechselspannung galvanisch getrennt (HCPL7840) mit Mikrocontroller messen


Autor: ChrisB (Gast)
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Hallo an Alle,

ich möchte mit einem STM32 Eva-Board eine 230V Wechselspannung messen. 
Das ganze sollte galvanisch getrennt geschehen. Aus diesem Grund habe 
ich vor den HCPL7840 zu verwenden.
Der HCPL7840 arbeitet mit einer Eingangsspannung von +/- 200mV sehr 
linear und sollte sich für meine Anwendung sehr gut eignen. Bei einer 
Spitzenspannung von 325V würde ich mit einem Spannungsteiler (3,5M Ohm 
zu 1k Ohm) zwischen L und N dem HCPL7840 die Wechselspannung an Vin+ zu 
führen. Vin- würde ich direkt auf N legen.
Da der HCPL7840 einen Verstärkungsfaktor von 8 hat, müsste sich das 
Ausgangssignal (Vout+ zu Vout-) also im Bereich von +/- 1,6V bewegen.
Damit ich dieses Signal dem ADC des STM32 zu führen kann, würde ich ganz 
gerne aus dem differentiellen Ausgang des HCPL7840 ein einziges Signal 
machen, dass einen Offset von 1,65V hat und sich dann zwischen 0,05V und 
3,25V bewegt. Wie kann ich das am geschicktesten lösen?
Reicht es eventuell sogar aus, Vout- des HCPL7840 auf 1,65V zu legen und 
Vout+ liefert das von mir gewünschte Signal?

Der ADC hat eine Auflösung von 12 Bit, also theoretisch müsste ich die 
Wechselspannung (2*325V=650V zwischen Spitze-Spitze) in Stufen von 
650V/(2^12) = 0,159V darstellen können. Welche Genauigkeit lässt sich 
mit einem solchen Aufbau erreichen?

Im nächsten Schritt soll über einen Stromsensor auch der Wechselstrom 
ermittelt und mit der Wechselspannung die Leistung und Energie berechnet 
werden.
Was haltet ihr grundsätzlich von diesem Vorhaben und was gilt es noch zu 
beachten, um eine möglichst gute Genauigkeit zu erreichen?
Eine definierte Vorgabe zur Genauigkeit habe ich erstmal nicht, ich 
würde mich von den Ergbnissen überraschen lassen, wobei sicherlich eine 
bessere Genauigkeit als bei günstigen Energiemessern für die Steckdose 
erreicht werden müsste/könnte?!?!

Wenn ihr Verbesserungsvorschläge zu diesem Thema habt, immer her damit 
;-)

Lieben Gruß

Autor: gästle (Gast)
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Du suchst nach einem Differenzverstärker (kann auch gleich den Offset 
aufaddieren).
Aber bei dem Gedanken dass du ein analoges Signal verarbeitest, 
digitalisierst, galvanisch trennst, wieder ins analoge wandelst, nochmal 
verarbeitest und wieder digitalisierst rollt es mir die Zehennägel 
hoch... Da addieren sich alle möglichen Fehler auf.

Vorschlag: Alternativprodukt mit digitaler Schnittstelle suchen oder auf 
der nicht galvanisch getrennten Seite digitalisieren und dann über einen 
Optokoppler trennen.

Autor: ChrisB (Gast)
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Danke für deine Antwort.
Wie müsste ich denn den Differenzverstärker verschalten bzw. die 
Widerstände dimensionieren, um dann auch den Offset von 1,65V zu 
erhalten?
Vielleicht kannst du mir das anhand der Abbildung obigen Abbildung 
erklären.

Die Abfolge von Operationen, die ich auf das analoge Signal ausübe, ist 
mir nicht ganz klar. Warum sollte das Signal zweimal digitalisiert 
werden? In welchem Schritt wird das digitale Signal wenn wieder in ein 
Analoges umgewandelt?
Ich würde die Abfolge wie folgt beschreiben:
analoges Signal -> Spannungsteiler -> Galvanische trennung -> 
Differenzverstärker -> Digitalisierung

Danke schonmal für deine Hilfe!

Autor: heinzhorst (Gast)
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Auf der 230V-Seite digitalisieren, z.B. mit MCP3201. Versorgung aus 
Kondensatornetzteil. SPI-Schnittstelle über Optokoppler an STM32.

Autor: ChrisB (Gast)
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Ja, ich denke, die Digitalisierung des Signals auf der 230V Seite ist 
auf jeden Fall eine Alternative zu meiner Idee.
Ich werde diese weiter verfolgen, aber aus Interesse wüsste ich auch 
gerne, ob bzw. wie ich meinen Vorschlag umsetzen kann.

@gästle: Der HCPL7840 überträgt das analoge Signal doch optisch (also 
nicht digital), wenn ich die Funktionsweise des ICs richtig verstanden 
habe. Bin mir nicht sicher was genau du mit
>digitalisierst, galvanisch trennst, wieder ins analoge wandelst
meinst.

Nochmal kurz die fdrage zum Differenztverstärker: Wie stellt man am 
Ausgang des Differenzverstärkers einen Offset von 1,65V ein?

Autor: ChrisB (Gast)
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Gleich noch eine Frage hinterher:
Gibt es eigentlich ADCs mit SPI, bei denen Optokoppler schon direkt 
integriert sind, so dass man separate Optokoppler für die galvanische 
Trennung sparen kann?

Autor: gästle (Gast)
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Datenblatt Seite 1:
The HCPL-7840 consists of a sigma-delta analog-to-digital converter 
optically coupled to a digital-to-analog converter.

Differenzverstärker:
R1 und R3 gleich groß, z.B. 10k und R2=R4 entsprechen der nötigen 
Verstärkung (V=R1/R2)
Den Offset stellst du mit einem Widerstand am invertiernden Eingang 
gegen die Versorgung ein (ausprobieren).

Autor: heinzhorst (Gast)
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ChrisB schrieb:
> Gleich noch eine Frage hinterher:
> Gibt es eigentlich ADCs mit SPI, bei denen Optokoppler schon direkt
> integriert sind, so dass man separate Optokoppler für die galvanische
> Trennung sparen kann?

Noch nie von gehört. Macht auch wenig Sinn weil du dann die notwendigen 
Luft- und Kriechstrecken zur Isolation nicht mehr einhalten kannst.

Autor: gästle (Gast)
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@ Heinzhorst: Das verstehe ich nicht. Optokoppler sind ja auch in IC- 
ähnlichen Gehäusen.

Das was du suchst nennt sich isolated A/D Converter, z.B. AD 7401 
http://www.analog.com/static/imported-files/data_s...
Dieser hat zwar kein SPI, aber vielleicht findest du noch ähnliche 
Bausteine.

Autor: ChrisB (Gast)
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Hallo,

ja den AD7401 habe ich auch gefunden, eventuell kann man den ja sogar 
verwenden, auch wenn der Baustein kein SPI sondern ein anderes Interface 
verwendet.
Bezüglich des HCPL-7840 hast du selbstverständlich Recht, ich habe das 
wohl im Datenblatt irgendwie nicht wahrgenommen.
Ich denke, ich werde wirklich einen ADC mit SPI verwenden und einen 
Optokoppler an die Daten/Clk Leitungen hängen. Scheint mir die 
sinnvollste Lösung zu sein.

Danke für Eure Hilfe!

Autor: Frank K. (fchk)
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Es gibt spezielle Bausteine von STM (STPM01), AD und Crystal für die 
Leistungsmessung, bei denen Du gleich alle wichtigen Werte 
(P,Q,S,Ueff,Ieff,cos phi,...) auslesen kannst.

fchk

Autor: Falk Brunner (falk)
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Wenn man Platz hat kann man zwei Minitrafos mit 0,5W nehmen, jeweils 
sekundär und primär in Reihe. Damit hat man eine einfache, solide 
Galvanische Trennung. Warum zwei in Reihe? Weil die Dinger bei 
Nennspannung schon ziemlich in die magnetische Sättigung gehen und dabei 
das Signal verzerrt wird.
Der Vorteil ist Einfachheit, Robustheit, keine Hilfsversorgung auf der 
heißen Seite nötig.

MfG
Falk

Autor: Nils Pa (xenon185)
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Hallo ich wollte, das thema hier mal wieder beleben.
Ich hab ähnliches wie der damalige Themenersteller vor.
Ich möchte die Spannung und den Strom messen und die Leistung dann auch 
den jeweiligen Wert berechnen.
Für die Strommessung habe ich bereits ein Konzept.
Nur für die Spannungsmessung bin ich mir nicht sicher wie das am 
einfachsten und genausten anstellen sollte. Galvanisch getrennt sollte 
es aber auf jedenfall sein.
Mein Überlegung ging dahin das Signal (Analog) anzupassen (325Vss auf 
etwas unter 5Vss) und Galvanisch getrennt auf den ADC zu geben.

@falk: du hattest damals etwas von Minitrafos gesprochen. Hast du 
vielleicht einen Typ als Beispiel denn du posten kann? Und wie sieht die 
Grobe Beschaltung aus. Primärseitig an die Phase – Neutralleiter und die 
Sekundärseite liefert die geringere Transformierte Spannung. Gibt es da 
Probleme wegen der Sättigung, die du erwähnst. Ich belaste die 
Sekundärseite nur gering.

Mfg

Autor: Udo Schmitt (urschmitt)
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Falk Brunner schrieb:
> enn man Platz hat kann man zwei Minitrafos mit 0,5W nehmen, jeweils
> sekundär und primär in Reihe. Damit hat man eine einfache, solide
> Galvanische Trennung. Warum zwei in Reihe? Weil die Dinger bei
> Nennspannung schon ziemlich in die magnetische Sättigung gehen und dabei
> das Signal verzerrt wird.

Die sollte man zur Messung dann aber auch sekundär mit einem Widerstand 
belasten.

Autor: Nils Pa (xenon185)
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das kann ich soweit nachvollziehen.
Ein Beispiel Trafo wäre super, in diesem Thema bin ich so gar nicht zu 
Hause und habe auch keine Vernünftige Seite gefunden auf der man 
eventuell Typen ausfiltern kann.

Autor: S&F (Gast)
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Nils Pa schrieb:
> habe auch keine Vernünftige Seite gefunden

?
Auf jeder Transformatorenhersteller Seite zu finden!
Block VB 0.35/1/6 (ist sogar ein Sicherheitstrafo)
Hahn BV 201 0128
usw.

Autor: Nils Pa (xenon185)
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@S&F Danke für den Tipp, preislich ist der Typ auch sehr interessant.

ich hatte gestern Abend mich auch nochmal auf die suche gemacht und 
diesen Typen hier gefunden "FS12-090-C2" von "Triad"

Vom Preis mal abgesehen, fällt es mir schwer aus den Datenblättern einen 
technisch auszuwählen.
Stichwörter: Verlustleistung, Leerlaufverluste, Frequenzverhalten

Hat jemand vielleicht nen kleinen Crashkurs für das selektieren von 
Trafos meiner Spezifikation.

Für mich ist gehts hier hauptsächlich um einen Einsatzbereich: 230V 50Hz 
; die Sekundärspannung wird minimal belastet.


Grüße

Autor: Joachim B. (jar)
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Nils Pa schrieb:
> Hat jemand vielleicht nen kleinen Crashkurs für das selektieren von
> Trafos meiner Spezifikation.

??? ich würde einfach einen kleinen Printtrafo geringer Leistung wählen 
und am Trenntrafo 2 Messpunkte nehmen bei 200V und bei 240V und die 
Sekundärspannung nach Gleichrichtung und Belastung mit dem kleinen R 
messen

Auch ein kleiner Printtrafo folgt der Primärwechselspannung ohne 
Sättigung linear.

Autor: Nils Pa (xenon185)
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Ok, dann werde ich mir mal testweise einen besorgen und schauen wie so 
die Ergebnisse sind.

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