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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltung für Niederstrommessung gesucht


Autor: Anne (Gast)
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Hallo meine lieben!

Ich möchte mit einem uC über einen bestimmten Zeitraum einen 
veränderlichen Strom messen.
Messbereich 0...100uA
Auflösung 0,01uA
D.h. 14Bit-ADC

Hat mir hier jemand einen Vorschlag welchen Grundproblemen ich hier 
begegnen werde (Rauschen, Thermospannung, ...)?
Kann mir einer von Euch gute Links, Literatur oder gleich ganze 
Schaltungen verraten??

Habe hier z.B. in einem Buch etwas interessantes gefunden: 
"Schaltungssammlung Mess- und Prüftechnik", Frank Sichla.
Denke aber die Schaltung eignet sich nicht, da sie für Gleichstrom 
gedacht ist. Also nur zur Anregung mit angehängt.

Ich freue mich über Eure Hilfe!

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
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Und wie sieht's mit der Genauigkeit aus?

Autor: MaWin (Gast)
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> welchen Grundproblemen ich hier
> begegnen werde (Rauschen, Thermospannung, ...)?

Dem Spannungsabfall am Messwiderstand und dessen Auswirkung auf den 
Stromfluss.

Das Rauschen mittelt sich weg,
die Thermospannungen heben sich bei halbwegs kompaktem Aufbau auf,
du brauchst nur Operationsverstärker um Anfang und Ende des 
Messwiderstandes (shunts) quasi isoliert abzugreifen, also 
Elektrometerverstärker wie AD549, damit der A/D-Wandler dahinter
sie nicht belastet (die meisten erfordern ja 10k Quellenwiderstand,
dein Shunt wird deutlich mehr haben) und Elektronen quasi abzweigt.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Dass heisst also du willst AC messen, direkt am Netz?

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Wenn man den Messwiderstand gross genug waehlen kann, zB 10MOhm, dann 
sind auch die Spannungen gross genug.

Autor: Anne (Gast)
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Also immer der Reihe nach:

Luk4s K. schrieb:
> Und wie sieht's mit der Genauigkeit aus?

Groß genug, damit die Auflösung Sinn macht.


MaWin schrieb:
> Dem Spannungsabfall am Messwiderstand und dessen Auswirkung auf den
> Stromfluss.

Der Messwiderstand, soviel kann ich auch schon einmal sagen wird 10Ohm 
betragen.

MaWin schrieb:
> du brauchst nur Operationsverstärker um Anfang und Ende des
> Messwiderstandes

Also mit Spannungsfolgern sichern. Stimmt, das hatte ich vorgesehen.


Anselm 68 schrieb:
> Dass heisst also du willst AC messen, direkt am Netz?

Du meinst sicher, wie das Signal aussieht. Nun, nein, nicht aus dem 
Netz. Es ist recht zackig, vielleicht so 0,5ms x 30mV pro Zacke, mit 
unterschiedlichem Offset. (grobe Beschreibung)

...Ja, wie ich meinen uC versorge ist noch so eine Frage. Hatte 
Batteriebetrieb angedacht, um die 50Hz usw. vom Netz nicht unbedingt 
einzufangen. Dann müsste ich mich aber um Vorkehrungen kümmern, damit 
auch sicher immer genug Spannung auf der Batterie ist. Was für ein 
Netzteil wäre denn am geeignesten? Ich denke z.B. Schaltnetzteile 
müssten doch schon von Ihrem Prinzip her für Auf und Abs sorgen.


Gnadenloser Labberer schrieb:
> Wenn man den Messwiderstand gross genug waehlen kann, zB 10MOhm, dann
> sind auch die Spannungen gross genug.

Leider nicht.

Das fängt ja richtig gut an! Vielen Dank! :)

Autor: Anne (Gast)
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Und, meine Herren!

Könnt Ihr mir noch Tipps zum Netzteil geben??

:)

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Du hast Glueck, bei einem Messwiderstand von 10 Ohm fallen bei 
Maximalstrom von 100uA, immerhin 1mV ab. Dh mal 2000 Verstaerken und gut 
ist. Der Offset des Verstaerkers sollte dabei um die 0.1uV sein fuer 1 
Bit. Das wird von modernen Zerodrif verstaerkern erreicht. Beim Layout 
muss man etwas aufpassen, denn 1uV ist schnell mal vermurkst.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Anne schrieb:
> Hallo meine lieben!
>
>
>
> Ich möchte mit einem uC über einen bestimmten Zeitraum einen
>
> veränderlichen Strom messen.
>
> Messbereich 0...100uA
>
> Auflösung 0,01uA

Dann schau mal hier unter http://www.linear.com, Application note AN105 
.
Daraus passen etliche Vorschläge auf Dein Problem.

Autor: Entwickler (Gast)
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>Könnt Ihr mir noch Tipps zum Netzteil geben??

Aber gerne doch, meine Dame.
Auf keinen Fall ein Schaltnetzteil!

Autor: Metabastler (Gast)
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Wenn Du gegen Masse messen kannst, bau doch mit einem OP eine virtuelle 
Masse auf.

OP mit kleinem BIAS, + auf GND, - als Messeingang mit Rf=100k 
Rückkopplung.
Uout = - Imess * Rf
Bipolare Versorgung ;) OP mit BufferCaps und über 10-100 R entkopplen.

Je nach OP und benötigter Bandbreite noch ein paar pF Cf spendieren

Gruß Metabastler

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Entwickler schrieb:
>>Könnt Ihr mir noch Tipps zum Netzteil geben??
>
> Aber gerne doch, meine Dame.
> Auf keinen Fall ein Schaltnetzteil!

Das kann man so pauschal nicht empfehlen.

Da heutige SNT mit 100uV Rauschen auf der Versorgung glänzen: why not?

siehe dazu linear.com; AN118

Autor: Entwickler (Gast)
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>Das kann man so pauschal nicht empfehlen.

Leider doch!
Es geht nicht um das Rauschen der gelieferten Spannung, sondern um die 
Ableitströme (0,1 - 0,5 mA), die Schaltnetzteile gegen Erdpotential 
liefern.
Halte mal einen Phasenprüfer an die Sekundärseite, oder laß die Funken 
gegen Schutzkontakt blitzen.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Da wir bisher nicht ob die zu messende Spannugn nicht erdfrei ist, somit 
erdbehaftet sein kann, gilt weiterhin:

Schaltnetzteil kann man DURCHAUS in Betracht ziehen zur Versorgung.

Der Zwang zu nicht-SNT ist ein überkommenes Relikt aus der Rubrik 
"früher" (tm)


Ich hol schon mal Popcorn.

Autor: Mine Fields (Gast)
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Andrew Taylor schrieb:
> Schaltnetzteil kann man DURCHAUS in Betracht ziehen zur Versorgung.
>
> Der Zwang zu nicht-SNT ist ein überkommenes Relikt aus der Rubrik
> "früher" (tm)

Dazu gibt es eine ganz nette Application Note bei Analog Devices.

Aber ob das ein normaler Hobbybastler hinbekommt?

Autor: Entwickler (Gast)
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>Da wir bisher nicht ob die zu messende Spannugn nicht erdfrei ist,

Du sprichst in Rätseln.

@Anne
Erlöse uns von dem Übel!

Autor: Anne (Gast)
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Metabastler schrieb:
> Wenn Du gegen Masse messen kannst, bau doch mit einem OP eine virtuelle
> Masse auf.
>
> OP mit kleinem BIAS, + auf GND, - als Messeingang mit Rf=100k
> Rückkopplung.
> Uout = - Imess * Rf
> Bipolare Versorgung ;) OP mit BufferCaps und über 10-100 R entkopplen.
>
> Je nach OP und benötigter Bandbreite noch ein paar pF Cf spendieren

Schreibst Du von einem Strom-Spannungswandler, wie ich es als Anlage 
angehängt habe oder einfach nur von einem Verstärker? Mir ist der Zweck 
noch etwas unklar.


Hi Andrew Taylor und Entwickler!

Wann sollte denn meine Messung erdbehaftet stattfinden?
Und wenn dem so wäre, was hat es mit den Ableitströmen auf sich?

- Hihi, ob ich Euch so von Eurem gegenseitigen Übel erlöse!? :)  :)

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn der zu messende Strom zur Schaltungsmasse fließt, sollte man die 
anfangs gezeigte Schaltung mit dem Operationsverstärker nutzen.
Der Vorteil der Schaltung ist, das der Rückkopplungswiderstand deutlich 
größer (z.B. 100 fach) sein kann als der Shunt in der alternativen 
Schaltung. Man hat dadurch kaum Probleme mit Thermospannungen und 
weniger Rauschen.

Wenn der Strom micht zur Masse, fließt, muß man ggf. einen relative 
kleine Shunt nehmen und dann verstärken. Das sollte auch noch gehen, ist 
aber etwas schwieriger und weniger genau.
Jenachdem wie die Schaltung wo der Strom gemesser werden soll, kann es 
dann auch ein Problem it den Ableitströmen geben. Ohne weitere 
Informationen zur Schaltung ist da aber viel Spekulation dabei.

Die Ableitströme kamen vor allem beim Netzteil ins Spiel. Bei einem 
Galvanisch isolierem Netzteil hat man als mögliche Störungen halt beides 
Störungen (Restwelligkeit) auf der Ausgangsspannung und halt die 
Ableitströme bzw. die dazugehörige Gleichtaktspannung.

Autor: Anne (Gast)
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Ulrich schrieb:
> Wenn der Strom micht zur Masse, fließt, muß man ggf. einen relative
> kleine Shunt nehmen und dann verstärken. Das sollte auch noch gehen, ist
> aber etwas schwieriger und weniger genau.

In diesem Fall könnte ich einen Verstärker mit mehreren Stufen für 
mehrere Messbereiche wählen, die ein uC beeinflussen könnte.

Ulrich schrieb:
> Wenn der zu messende Strom zur Schaltungsmasse fließt, sollte man die
> anfangs gezeigte Schaltung mit dem Operationsverstärker nutzen.

Ich denke das ist der Fall. Nun frage ich mich, wie hier ein uC mehrere 
Messbereiche beeinflussen würde. Müsste ich hier etwa für jeden 
Messbereich eine eigene OP-Schaltung aufbauen??

Autor: Anne (Gast)
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Da ist mir noch eine Idee gekommen...
Wie stabil ist die Versorgung von einem USB?

Denn da wo ich messe ist ja gewöhnlich auch ein PC. :)

Autor: Entwickler (Gast)
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Das Übel ist, dass Du immer noch nicht mitgeteilt hast, wo und unter 
welchen Bedingungen Du diesen Strom messen möchtest.

Dass da ein PC in der Nähe ist, reicht nicht aus.

Autor: Anne (Gast)
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Entwickler schrieb:
> Das Übel ist, dass Du immer noch nicht mitgeteilt hast, wo und unter
> welchen Bedingungen Du diesen Strom messen möchtest.
>
> Dass da ein PC in der Nähe ist, reicht nicht aus.

Ich möchte in einem Büro messen. Also mit vielen Feldern um mich herum 
aber nicht unter wirklichen Industriebedingungen.

Beantwortet das Deine Frage?

Autor: Entwickler (Gast)
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>Ich möchte in einem Büro messen.

Ich bin sprachlos. Möchtest Du etwa 'Bürostrom' messen?
Und der sieht dann so aus?

"Es ist recht zackig, vielleicht so 0,5ms x 30mV pro Zacke, mit
unterschiedlichem Offset. (grobe Beschreibung)"


Damit kann doch niemand etwas anfangen.

Autor: Anne (Gast)
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Entwickler schrieb:
> Ich bin sprachlos. Möchtest Du etwa 'Bürostrom' messen?

Ok, das war das Wo.


Entwickler schrieb:
> "Es ist recht zackig, vielleicht so 0,5ms x 30mV pro Zacke, mit
> unterschiedlichem Offset. (grobe Beschreibung)"
>
>
> Damit kann doch niemand etwas anfangen.

Wie wäres mit: Unregelmässige Sinusform?
Freqeunz: Variabel im kHz-Bereich
Amplitude: Ca.40mV bei veränderlichem Offset.


Was ich messen möchte? Nun, den induzierten Strom an einer Spule.

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn es nur um die induzierte Spannung (nicht Strom) geht, könnte man 
schon fast auf die Idee kommen direkt an die Soundkarte vom PC zu gehen. 
Als Schutz für den Eingang eventuell noch 2 Antiparallele Dioden, das 
sollte schon reichen.

Autor: Anne (Gast)
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Ulrich schrieb:
> Wenn es nur um die induzierte Spannung (nicht Strom) geht, könnte man
> schon fast auf die Idee kommen direkt an die Soundkarte vom PC zu gehen.
> Als Schutz für den Eingang eventuell noch 2 Antiparallele Dioden, das
> sollte schon reichen.

Ich habe mich falsch ausgedrückt. Mich interessiert der Strom zu einer 
induzierten Spannung.

Eine Soundkarte kommt vmtl. nicht in Betracht, da ich mehr an ein 
tragbares Gerät, ohne PC denke.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Anne schrieb:
> Da ist mir noch eine Idee gekommen...
>
> Wie stabil ist die Versorgung von einem USB?
>
>
>
> Denn da wo ich messe ist ja gewöhnlich auch ein PC. :)
                           ==============================

sowie:

> Eine Soundkarte kommt vmtl. nicht in Betracht, da ich mehr an ein
> tragbares Gerät, ohne PC denke.

Fazit:
Anne, Du trollst.   Und zwar gewaltig.

Autor: Anne (Gast)
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@ Andrew Taylor:

Du hast vielleicht Recht, es wäre besser Du erklärst mir was es mit der 
Soundkarte auf sich hat.

Mein Gerät wird noch mehr Funktionen besitzten, als nur messen. Schon 
allein deshalb komme ich nicht umhin ein kleines selbstständiges 
Kästchen zu bauen.
Ist die Soundkarte noch im PC eingebaut, so wie es von Ullrich 
vorgeschlagen wurde?

Die Idee mit der USB-Versorgung war nur eine spontane Idee von mir. 
Darum habe ich mir in diese Richtung nicht weiter Gedanken gemacht.

Grundsätzlich war ich eigentlich mehr an einer Lösung mit Netzteil 
interessiert, da so wirklich überall einsetzbar. So könnte man das Gerät 
zudem einmal dort einsetzten wo weniger Felder sind, nur zum Vergleich.
Außderdem ist dann gegenüber Batterieversorgung auch wirklich 
gewährleistet, daß immer die gleichen Versorgungsverhältnisse herrschen.


Bleibt für mich auch noch diese Frage offen:

Anne schrieb:
> Ulrich schrieb:
>> Wenn der zu messende Strom zur Schaltungsmasse fließt, sollte man die
>> anfangs gezeigte Schaltung mit dem Operationsverstärker nutzen.
>
> Ich denke das ist der Fall. Nun frage ich mich, wie hier ein uC mehrere
> Messbereiche beeinflussen würde. Müsste ich hier etwa für jeden
> Messbereich eine eigene OP-Schaltung aufbauen??

Vielen Dank im Vorraus für Eure Hilfe!

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
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Soundkarten können nur AC, kein DC messen.

Autor: Anne (Gast)
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Das ist für mich ein deutlicher Nachteil. Daher nur noch aus Interesse: 
Was ist der Vorteil? Kann man einfach einen PC dafür nutzten ohne große 
Applikation?

Autor: Entwickler (Gast)
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>Fazit:
>Anne, Du trollst.   Und zwar gewaltig.

So ist das wohl.

Erst wird nach einem geeeigneten Netzteil gefragt, dann ist das Gerät 
netzunabhängig. Irgendwann wird kundgetan, dass der in eine Spule 
induzierte Strom gemessen werden soll, dann aber die Messung auch DC 
verarbeiten soll (Gleichstromtrafo?).

Anne, Du scheinst nicht zu wissen, was Du willst.
Wir wissen mit Sicherheit nicht, was Du willst.

Autor: Anne (Gast)
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Entwickler schrieb:
> Erst wird nach einem geeeigneten Netzteil gefragt, dann ist das Gerät
> netzunabhängig. Irgendwann wird kundgetan, dass der in eine Spule
> induzierte Strom gemessen werden soll, dann aber die Messung auch DC
> verarbeiten soll (Gleichstromtrafo?).

Ok, musste erst nochmal nachfragen und selber besser verstehen was 
gemessen werden soll, um zu verstehen was Eure 
Verständnisschwierigkeiten ausgelöst haben könnte. Jetzt kann ich es 
aber endlich besser formulieren!

Es soll nicht der "induzierte" Strom einer Spule gemessen werden, 
sondern der Strom, der durch eine Spule geschickt wird. Man könnte also 
auch den Strom schon vor der Spule messen.


Und sorry, wenn ich Euch mit dem Netzteil etwas verwirrt habe. Ich bin 
noch beim Konzept, bzw. ganz am Anfang, wo man noch über alle 
Möglichkeiten nachdenken darf. Daher die schnellen Wechsel. Den Rest 
dazu habe ich Euch ja in meinem vorletzten Beitrag beschrieben.


Hoffe ich habe Euch für weitere Antworten nun nicht zu sehr 
abgeschreckt.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Nochmal zurück zu der alten Intersil-Applikation, die Frank Sichla etwas 
ungenau als Schaltung zur "Messung kleiner Ströme" bezeichnet.

Tatsächlich schickt sie ja aktiv einen Strom durch das Messobjekt, 
dessen Größe an andere Stelle der Schaltung tausendfach stärker gemessen 
werden kann.

Der CA3140 ist nicht gerade neu, ich habe hier ein Datenbuch von 1976, 
damals hieß der Hersteller noch RCA. Vermutlich gibt es inzwischen 
bessere OPs für den Zweck.

Wie geht es denn auf der nächsten Seite weiter, das "Picoamperemeter" 
klingt eher nach der gesuchten Schaltung.

Autor: Norbert L. (norbert_l64) Benutzerseite
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Anne schrieb:
> Es soll nicht der "induzierte" Strom einer Spule gemessen werden,
> sondern der Strom, der durch eine Spule geschickt wird. Man könnte also
> auch den Strom schon vor der Spule messen.

Man könnte auch den Strom hinter der Spule messen, das ist alles 
abhängig davon ob du eine High- oder Lowsidemessung machst.

Autor: Anne (Gast)
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Ansbach Dragoner schrieb:
> Man könnte auch den Strom hinter der Spule messen, das ist alles
> abhängig davon ob du eine High- oder Lowsidemessung machst.
>
>
>
>
>     Beitrag melden | Bearbeiten | Löschen |

Stimmt man könnte ihn auch hinter der Spule messen. Mich interessiert 
jedoch nicht der induzierte Strom, der weiterfließt, wenn die Spule 
nicht mehr bestromt wird. Daher dachte ich mir, daß es einfacher wäre, 
wenn ich den Strom vor der Spule messe.

Ist es das was Du mit High- oder Lowsidemessung meinst?


Christoph Kessler (db1uq) schrieb:
> Wie geht es denn auf der nächsten Seite weiter, das "Picoamperemeter"
> klingt eher nach der gesuchten Schaltung.
>
>
>
>
>     Beitrag melden | Bearbeiten | Löschen |

Kommt heute Abend!

Autor: Anne (Gast)
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Hier die nächste Seite vom Buch.

Aber ohne Kommentar erst einmal. Falle gleich totmüde ins Bett.

... oh, Mist. Habe nicht gesehen, daß die Datei doch schon angehängt 
ist. Wie bekomme ich die jetzt weg? ... - vmtl. gar nicht.

Autor: Anne (Gast)
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Hallo,

wollte mich nun sicherheitshalber ein wenig mit den Begriffen High- und 
Lowsidemessung befassen. Hierzu ein Artikel:

http://www.elektronikpraxis.vogel.de/analogtechnik...

Darin folgender Satz:
"Bei den meisten Anwendungen kommt die Konfiguration aus Bild 1c  zur 
Anwendung, da sie eine Zentralisierung der Schalt- und 
Überwachungsfunktionen erlaubt..."

Anmerkung zu Bild 1c: Messwiderstand an Vdd, Schalter in der Mitte, Last 
gegen Masse.

Ich verstehe den Vorteil dieser Zentralisierung des Schalters nicht 
ganz.
Soll der Vorteil der sein, daß Last und Messwiderstand bei einer 
Unterbrechung definierte Zustände besitzten?

Vielen Dank nochmal!

Autor: Anne (Gast)
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Anne schrieb:
> Darin folgender Satz:
> "Bei den meisten Anwendungen kommt die Konfiguration aus Bild 1c  zur
> Anwendung, da sie eine Zentralisierung der Schalt- und
> Überwachungsfunktionen erlaubt..."

Dieser Satz fällt unter der Überschrift "Grundlegende 
Stromfühler-Topologien", im letzten Block.


Nun ein Satz den ich auch nicht verstehe, im gleichen Artikel, unter der 
Überschrift "Erwägungen bei pulsmodulierten Lasten":

"Normalerweise liefert auch hier die Konfiguration aus Bild 1c die 
besten Ergebnisse, da die Schaltungsimpedanzen niedrig sind und 
Gleichtakt-Probleme nur in geringem Maße auftreten."

(Ok, nimmt mich bitte nicht ganz so auseinander. Ich bin nicht ganz 
sattelfest in der Elektronik.)

Welche Schaltungsimpedanzen sind hier gemeint? Etwa die der 
Reihenschaltung vom Lastwiderstand, Schalter und Messwiderstand?? Da 
müsste doch die Reihenfolge der Bauteile (Widerstände) auf die Impedanz 
doch kaum einen Unterschied machen oder nicht? Ich vermute hier sind 
wohl eher Schaltungen mit dieser Konfiguration ganz allgemein gemeint 
oder wird hier von realen Bauteilen mit versteckten Kondensatoren und 
Spulen ausgegangen, nee oder?

Außerdem verstehe ich nicht, wie die Reihenfolge der Bauteile einen 
Einfluß auf Gleichtaktprobleme hat.

Autor: Anne (Gast)
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Aha!

http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?p=516126

Darin in der 1.Reaktion des Fragenden (µautonom):

************************************************************************ 
**
"Hi, ich hab hier gelesen -> 2008_05_Linear_Technology-Strommessen.pdf 
das eine Low-Side Messung zwei Probleme entstehen.
...

Das Zitat aus dem Artikel:
1.Problem Zitat:
Da die
Masseleitung kein perfekter Leiter ist, kann
die Massespannung an verschiedenen Punkten
im System unterschiedlich sein, was den
Einsatz eines Differenzverstärkers für Präzisionsmessungen
erforderlich macht.



2.Problem Zitat:
Ein Widerstand im Massepfad
bedeutet, dass sich das Massepotenzial für
die Last in dem Maße ändert, wie sich der
Strom ändert. Dies kann Gleichtaktfehler in
das System einführen und stellt ein Problem
beim Anschluss an andere Systeme dar, die
dasselbe Massepotenzial erfordern"
************************************************************************ 
***

µautonom spricht hier von 0,5A. In seinem Thread (RoboterNetz-Forum) 
wird ihm geschrieben, daß er bei seinem geringen Strom sich um diese 
beiden Propleme weniger Gedanken machen muss.

Nun, ich liege mit meinem Strom weit unter 0,5A. Daher muß ich mir wohl 
dieser beiden Schwierigkeiten noch weniger Gedanken machen und brauche 
mich wirklich nur noch danach richten, was genau ich messen möchte und 
wie ich es verarbeiten möchte.

Damit liege ich doch wohl richtig, oder?

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