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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Planungshilfe bei DC Strommessung 0.30mA


Autor: Bastler (Gast)
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Hallo Leute,

ich möchte mich demnächst mal an ein etwas komplexeres Projekt wagen: 
Die Strommessung. Habe dazu schon 10Bit ADCs (es soll relativ genau 
werden) von Maxim gesampled. Die Spannung liegt bei dem Netzteil (das 
soll es werden) bei 0...300V DC.

Gedacht habe ich mir Folgendes: Ich messe einen Spannungsabfall am 
Shunt, und verstärke mir den mit einem Differenzverstärker:
http://www.mikrocontroller.net/wikifiles/e/e4/Instrument.png
Also den einen Eingang vor dem Shunt, die andere Seite hinter dem Shunt.

Die Ausgangsspannung geht dann an den ADC, der den Rest übernimmt.

Aber das ist nur theoretisches Wissen. Was sagen die Leute aus der 
Praxis dazu? Hört sich das so machbar an?

Alternative: Ich brauch ja sowieso auch die Spannung (Netzteil soll aj 
beides anzeigen). Warum also nicht ne einfache Spannungsmessung vor dem 
Shunt, hinter dem Shunt (per Spannungsteiler), und die Differenz per 
Software erledigen?

Was klappt am besten?

Gruß
Bastler

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Bastler wrote:
> ...
> Gedacht habe ich mir Folgendes: Ich messe einen Spannungsabfall am
> Shunt, und verstärke mir den mit einem Differenzverstärker:
> http://www.mikrocontroller.net/wikifiles/e/e4/Instrument.png
> Also den einen Eingang vor dem Shunt, die andere Seite hinter dem Shunt.
>
> Die Ausgangsspannung geht dann an den ADC, der den Rest übernimmt.

Ok.  (1)

>
> Aber das ist nur theoretisches Wissen. Was sagen die Leute aus der
> Praxis dazu? Hört sich das so machbar an?

Yo. Shunt  dann in die Minusleitung, wenn Minus auch Masse für Deine uC 
Schaltung ist.

>
> Alternative: Ich brauch ja sowieso auch die Spannung (Netzteil soll aj
> beides anzeigen). Warum also nicht ne einfache Spannungsmessung vor dem
> Shunt, hinter dem Shunt (per Spannungsteiler), und die Differenz per
> Software erledigen?

Rechne mal aus wieviele Bit Auflösung Dein ADC bei dieser Anordnung 
haben müßte, damit eine brauchbare Auflösung beim Strom rauskommt. 
Merkst Du es jetzt?

>
> Was klappt am besten?
>

Deine erste Überlegung (1).


hth,
Andrew

Autor: willi (Gast)
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überleg dir mal:

-wo du überall messen willst
-wo deine Masse ist
-wo deine versorgungsspannung ist
-wie groß die zu messenden Spannungen gegenüber deiner masse maximal 
werden
-ob deine µC masse auch die netzteil masse ist (sein muss)
-wo du deine schaltung überall berühren kannst (berührst) und ob das 
ungefährlich ist!!
-welchen unterschied es für deine messungen macht den shunt in die + 
leitung oder in die masseleitung einzubauen

bei 300VDC is das alles nicht so ganz ohne


BTW so gut wie jeder µC hat intern auch einen 10bit ADC, das gehampelt 
mit dem externen kannst du dir wohl sparen

Autor: willi (Gast)
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>Rechne mal aus wieviele Bit Auflösung Dein ADC bei dieser Anordnung
>haben müßte, damit eine brauchbare Auflösung beim Strom rauskommt.
>Merkst Du es jetzt?

alles kein problem wenn er die referenzspannung des ADC passend wählt

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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willi wrote:
>>Rechne mal aus wieviele Bit Auflösung Dein ADC bei dieser Anordnung
>>haben müßte, damit eine brauchbare Auflösung beim Strom rauskommt.
>>Merkst Du es jetzt?
>
> alles kein problem wenn er die referenzspannung des ADC passend wählt

ja, nee, issklar.
Oder am Shunt 30V Spannungsabfall bei 30 mA hat. Etc.


Nochmehr so unsinnige Vorschläge?

Autor: willi (Gast)
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>ja, nee, issklar.
>Oder am Shunt 30V Spannungsabfall bei 30 mA hat. Etc.

wo steht denn was von 30V am shunt? ein shunt an dem 30V abfallen, auch 
bei 300V (was ja immerhin 10% sind), is für mich kein shunt, sondern ein 
lastwiderstand.
was spricht denn dagegen den shunt so klein zu wählen, dass maximal 5V 
abfallen, und die externe referenzspannung mittels hard- und software an 
die zu messende spannung nach unten anzupassen?

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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willi wrote:
>>ja, nee, issklar.
>>Oder am Shunt 30V Spannungsabfall bei 30 mA hat. Etc.
>
> wo steht denn was von 30V am shunt? ein shunt an dem 30V abfallen, auch
> bei 300V (was ja immerhin 10% sind), is für mich kein shunt, sondern ein
> lastwiderstand.
> was spricht denn dagegen den shunt so klein zu wählen, dass maximal 5V
> abfallen, und die externe referenzspannung mittels hard- und software an
> die zu messende spannung nach unten anzupassen?

Weil es irrelevant ist. Lies Dir mal das über  seine vorgeschlagene 
Meßanordnung durch.

Dagegen spricht: das er einen 10 Bit AD hat, und in seiner Überlegung 
Nr. 2 einmal Ausgangsspannung digitalisiert, den Wert1 speichert und 
danach Ausgangsspannung + shuntspannung digitalisert, diesen Wert2 von 
Wert1 abzieht und als Ergebnis hat er Wert3= sein Ausgangsstrom.

Da kannst Du noch soviel Referenz anpassen, Du hast da einfach jede 
Menge Auflösungsverlust.

Autor: Bastler (Gast)
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Ja das stimmt, Andrew, der Auflösungsverlust wäre wirklich zu hoch.

Ja, ich verwende ein Step-Up-Converter für die 300V, der hat die selbe 
Masse wie der Controller. Was ich nicht verstehe, ist Folgendes: Was 
habe ich davon, wenn ich den Shunt in die Minusleitung lege? Kann ich 
den Differenzverstärker dann genauso anschließen?

Gruß
Jens

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Bastler wrote:
> Ja das stimmt, Andrew, der Auflösungsverlust wäre wirklich zu hoch.
>
> Ja, ich verwende ein Step-Up-Converter für die 300V, der hat die selbe
> Masse wie der Controller. Was ich nicht verstehe, ist Folgendes: Was
> habe ich davon, wenn ich den Shunt in die Minusleitung lege? Kann ich
> den Differenzverstärker dann genauso anschließen?
>
> Gruß
> Jens


Tja, einigen wir uns bitte erstmal über eine gemeinsame Sprechweise:

Ist Minus Deiner 0-300V identisch mit der Masse (Minus) vom 
Diff.-Verstärker/uC- Teil Deines Systems?

Autor: Bastler (Gast)
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Die Schaltung steht ja noch nicht, ich bin aber bisher davon 
ausgegangen, dass alle die selbe Masse haben, also: ja.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Bastler wrote:
> Die Schaltung steht ja noch nicht, ich bin aber bisher davon
> ausgegangen, dass alle die selbe Masse haben, also: ja.


Ok, dann zu dem Differenzverstäker && Shunt in der Minusleitung:

Da wäre dann die Gleichtaktspannung deutlich geringer (und fast 
konstant)

als wenn Du:

den Shunt in die Plusleitung legst. Dort  muß der Diff.-Verstärker die 
vollen 0...300 V mit geringem Fehler abkönnen.

Wenn Du also die Wahlmöglichkeit hast im Aufbau, würde ich die 
Shunt_in_der_Minusleitung Variante bevorzugen.


hth,
Andrew

Autor: Stephan Henning (stephan-)
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zumal die meisten Current Sense Amplifier CSA (für High Side Messung) 
die ich gesehen habe bei ca. 60 V aufhören. Da oben wird es richtig eng.
Auf Low Side einen CSA von zB. LT und alles wird gut.

Autor: Bastler (Gast)
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Wäre es besser, einen fertigen CSA zu verwenden, oder das selber 
aufzubauen? Den ADC bräuchte ich ja so oder so, aber ich könnte mir den 
Differenzverstärker sparen, wo ich auch nicht allzu viel Erfahrung mit 
habe (bin eher der Digitaltechnik angehörig).

Autor: Bastler (Gast)
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Wobei, ich hab mal geschaut, es scheint nicht so kleinauflösende CSAs zu 
geben, die im 50mA-Bereich liegen, oder sehe ich das falsch?

Autor: Stephan Henning (stephan-)
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das Problem ist der Differenzverstärker.
Dafür werden SEHR genaue Widerstände benötigt.
Das können die Hersteller besser.

zB.:
http://www.linear.com/pc/categoryProducts.jsp

Autor: Bastler (Gast)
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Das kann schon sein, ich denke auch, dass ein CSA besser geeignet wäre. 
Aber welcher CSA wäre dafür geeignet?

Die meisten sind ja bis 3, 4, 5A und größer, ich bräuchte einen bis 
500mA, um die Ausgangsspannung halbwegs auswerten zu können... Denn bei 
1V/A ist das ziemlich haarig, da einen Strom von 0...30mA zu messen.

Gibt's einen CSA für extra kleine Ströme? Oder sonst einen Tip, wie 
ich's mit nem CSA realisieren könnte?

Gruß
Bastler

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Mach's Dir einfacher:

Ein Shunt an dem 300mV abfallen und ein Verstärker 10fach - schon hast 
Du sehr gut auswertbare 3V. Das müßte schon ganz gut passen für Deinen 
uC.

Also 10 Ohm 1% Metallfilm 0.5W damit der wenig erwärmt wird
Ein OP27 oder den "langsamen" OP77 beschaltet mit 10k / 100k - macht +11 
oder -10 fache Verstärkung.

A bisserl Versorgung (so +/-15V wäre nett) müßtest Du noch spendieren.

Wenn's ganz langsam sein darf (GBW 30 kHz): OPA215 R2R OP .

All das funzt, selber ausprobiert.


hth,
Andrew

Autor: Stephan Henning (stephan-)
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die CSA lassen sich "programmieren".
Ein Widerstand legt meistens die Verstärkung fest.
Damit läßt sich der Rsense in Grenzen an eigene Bedürfnisse anpassen.
Bei Low seitiger Messung reicht eigentlich ein einfacher OPV aus.
Differnzprinzip ist fast überlüssig.
Wie Andrew sagt, einfach nen 1:10 Verstärker und gut isses.

Autor: Bastler (Gast)
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Danke für den Hinweis, Andrew. Ich werde das dann mal so aufbauen. Aber 
welche Versorgungsspannung brauch der OP27? Ich habe für den OPV 
insgesamt ca. 9-10V zur Verfügung. Könnte ich den mit 9V am V+ und GND 
am V- betreiben? Brauche ja nur 3V Ausgang.

Baue das dann so auf, oder?
http://www.mikrocontroller.net/wikifiles/c/cc/Op-v...

Gruß
Bastler

PS: Bitte verzeih meine vielleicht blöden Fragen, ist das erste Mal, 
dass ich was mit OPVs mache. Danke nochmal für deine Hilfe!

Autor: Stephan Henning (stephan-)
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nein, unsymetrisch kommst Du nicht auf Null runter.
Wenn nicht anders würde ich ne Ladungspumpe nehmen. 7660 o.ä.

Autor: Bastler (Gast)
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Also die Ladungspumpe verwende ich dann, für die paar OPVs reicht der 
Strom ja, oder? Also baue ich den Differenzverstärker mit dem OP27 mit 
dem Faktor ~10 auf.

Ist das so gemeint gewesen, Andrew?

Autor: Bastler (Gast)
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Kann ich das nun so machen?

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