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 ;)
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.
@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.
@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.
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?
@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.
