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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik nA-Strommessung bei 3,5kV


Autor: Urbanski Thomas (Gast)
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Hallo zusammen,
ich habe bereits einige Beiträge im Forum durchgelesen aber leider 
keinen passenden Ansatz für meinen Messaufbau gefunden.
Möglicherweise hat sich bereits jemand mit diesem Problem beschäftigt 
oder sogar solche Messungen durchgeführt.
Das Problem ist folgender.

Ein Lade- und Entlade Vorgang soll an einem Kondensators untersucht 
werden, dabei wird der Kondensator mit einer Gleichspannung von 3,5kV 
betrieben. Die gemessenen Ströme sollen allerdings im 10nA Bereich 
liegen. Ich habe bereits zwei Messverfahren ausgewählt, entweder über 
einen erdfreien Amperemeter (Elektrometersubtrahierer) oder über einen 
Trennverstärker, der über eine Leuchtdiode vom Optokoppler den Strom in 
Spannung auf der Low-Seite wandelt.
Leider kann ich das zweite Verfahren nicht verwenden, weil bei 10nA die 
Leuchtdiode nicht angesprochen wird. Der Elektrometersubtrahierer 
scheint da ideal zu sein, allerding bin mir noch nicht sicher welchen 
ich einsetzen soll.
Für die Trennung wollte ich den ISO121(Burr B.) Trennverstärker 
verwenden, allerdings verwendet er eine Kondensatorkopplung und die kann 
ich bei einer Gleichspannung nicht verwenden. In Frage wurde nur ein 
Trennverstärker mit Optokopplung kommen (z.BHCPL7840 von HP), der ist 
aber nur bis 2500V dimensioniert.
Dazu müsste noch eine isolierte Stromversorgung für den 
Instrumentenverstärker und Trennverstärker untergebracht werden. Das 
Loggen der Daten ist dabei das geringste Problem.

Hat vielleicht jemand Ideen wie man solchen Aufbau geschickt realisieren 
kann? Welche Bauteile sind dabei besonders günstig zu wählen?

Bedanke mich im voraus.
Grüsse,Thomas

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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> Hat vielleicht jemand Ideen wie man solchen Aufbau geschickt realisieren
> kann?


Und Du bist sicher dass Du das Amperemeter nicht massebezogen einbauen 
kannst/darfst?

Das wäre deutlich einfacher.

Autor: Klaus (Gast)
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Alternativ könnte man die Strommessung auch voll isoliert aufbauen und 
die Daten entweder über ein LWL-Kabel oder durch Infrarot (= Prinzip der 
Fernseher-Fernbedienung) übertragen.
Bleibt das Problem der Energiezufuhr. Ggf. Versorgung über Batterien in 
Erwägung ziehen. Über ähnliche "Licht-Fernbedienung" zuschaltbar, wenn 
Dauerverbrauch zu hoch. im einfachsten Fall mit Lampe + Fotowiderstand 
als Empfänger, der dann erst restliche Schaltung aktiviert.

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Urbanski Thomas schrieb:
> Hat vielleicht jemand Ideen wie man solchen Aufbau geschickt realisieren
> kann? Welche Bauteile sind dabei besonders günstig zu wählen?

Hallo Thomas,

du musst das etwas komplexer anlegen und den Messwert in einen 
Datenstrom oder einfacher in einen Frequenzwert wandeln. Den überträgst 
du per Lichtleiter (muss bloss für 3500 V lang genug sein, ist kein 
Problem) oder auch Infrarot oder Funk. Natürlich muss die Schaltung 
batteriebtrieben werden, wenn sie auf Hochspannung liegt. So geht das 
auch bei Überlandleitungen, und die haben 220 kV oder mehr.

Wenn du den Wert nur gelegentlich überträgst und den Prozessor 
dazwischen abschaltest, kann die Batterie ewig halten.

Gruss Reinhard

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Thomas,

wenn du den Kondensator mit 3,5kV auflädst, ist ja nicht alles unter 
Hochspannung oder? Da gibt es doch sicher einen Anschluß, der ein 
ungefährliches Potential führt, mit dem man eine Elektronik verbinden 
könnte?

Kai Klaas

Autor: Urbanski (Gast)
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Vielen dank für Eure hilfreichen Beiträge.
Um etwas Klarheit zu schaffen, beschreibe ich kurz den Masse-Anschluss. 
Das Hochspannungsnetzteil zieht das Potenzial bei der Entladung intern 
direkt auf Masse, daher habe ich da keinen Zugang.Der komplette Aufbau 
steht unter HV. Was noch hinzufügen währe, daß die eine 
Kondensatorplatte mit plus 3,5kV und die andere mit minus 3,5kV 
aufgeladen wird.
Die Idee mit der isolierten Schaltung und LWL finde ich sehr gut. Es 
bleibt noch die offene Frage wie ich das ganze mit Strom versorge, auf 
eine Batterie wurde ich nur zur Not zurückgreifen.
Zur Funkübertragung habe ich noch keine Erfahrungen gesammelt, wie man 
die Messdatendaten übermittelt und welche Bauteile zu verwenden sind. 
Über die jetzigen Vorschlag bedanke ich mich und werde über sie 
gründlich Nachdenken. Für weitre Ideen bin ich weiterhin sehr Dankbar.

Gruß,Thomas

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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3.5kV sind ja nicht so viel. Da sollte es moeglich sein ein Watt oder 
zwei rueber zu bringen. Ich koennt mir zB ein Planartransformer 
vorstellen, eine Spiralwicklung auf der einen seite einer Leiterplatte, 
eine spiralwicklung auf der anderen seite. Die Leiterplatte ist sicher 
gut fuer 10kV quer durch.

Autor: MaWin (Gast)
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Baue eine einfache Schaltung, die 10nA messen und digital übertragen 
kann. Ich schätze, ein Shunt wird keinen zu hohen Spannungsabfall haben 
:-)

Hänge diese an deinen Kondensator an den 3.5kV Anschluss, und speise sie 
potentalfrei aus einer 9V Blockbattie frei schwebend an den 3.5kV.

Als Übertragung verwendest du einen Optokoppler (gehen oft bis 4.5kV) 
oder bei zu viel Angst (und kapazitiven Kopplunseffekten) einen 
Lichtleiter.

Autor: jogitec (Gast)
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a) Solarzelle - eher nicht zu empfehlen

3.5kV sind ja nicht die Welt...

b) Trafo - Mann nehme einen billigen netztrafo und wickle die 
sekundärseite neu - mit verstärkter Isolation - für ein par Volt 
Versorgungsspannung sind das ja nicht allzu viele Windungen. Am besten 
einen Trafo verwenden, welcher für hohe Leistungen Auasgelegt ist, da 
diese Sekundärseitig meist weniger windungen benötigen.

c) Isolatet DC/DC Wandler entweder selbst aufbauen (es gibt dazu z.B. 
Controller-IC welche rein Feedback von der Sekundärseite benötigen 
(Siehe homepage von national)

d) einen i-coupler mit DC/DC (von Analog Devices) verwenden (müsste 
nachschauen, ob der die 3.5kV überlebt) dann hast di auch schon die 
gaölvanisch getrennte Datenübertragung

Tip: bei einem definierten Kondensator lässt sich unter Umständen der 
Ladestrom  über die Änderung der am Kondensator anliegenden Spannung 
zurückrechnen

Bezüglich Dateenübertragung:
im Hochspannungsteil per uC Digitalisieren und als seriellen Datenstrom 
per UART über diese billigen Lichtwellenleiter aus dem Audio-bereich 
versenden.

Autor: brause (Gast)
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>Autor:  Urbanski Thomas (Gast)
>Für die Trennung wollte ich den ISO121(Burr B.) Trennverstärker
>verwenden, allerdings verwendet er eine Kondensatorkopplung und die kann
>ich bei einer Gleichspannung nicht verwenden.

Ich denke das Teil funktioniert auch für DC. Das Messsignal wird 
moduliert, bevor es über die Kondensatoren geht. Schau mal in die 
Applicationen, die messen auch Batterien damit.


Hab nur deine Frage gelsen und noch keine Antworten. Sorry, wenn das 
schon einer geschrieben hat.

Autor: Michael O. (mischu)
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Ich weiß nicht welchen Aufwand du treiben möchtest....

Es gibt von ADI und TI (meine ich) Sigma-Delta Modulatorchips mit denen 
man prima eine galvanische Trennung ohne viel Isolationsaufwand aufbauen 
kann.
Dabei ist der Modulator auf der HV-Seite und misst permanent. Der 
Ausgang ist ein digitales Signal dass über einen Optokoppler o.ä. 
übertragen werden kann. Dann brauchst du nur noch eine galvanisch 
getrennte Versorgung.
Auf der Empfangsseite muss dieses Signal jedoch demoduliert werden.

Vorteil: Du entscheidest selbst bei der Demodulation ob Du schnell 
oder genau messen möchtest, indem Du das Dezimierverhältnis selbst 
festlegen kannst.
Nachteil: kannst das im FPGA, DSP oder teilweise gekaufte chips machen.

Beispiel:
http://www.analog.com/static/imported-files/data_s...
Der hat schon eine galvanische Trennung, die in deinem Fall nicht 
ausreichen wird. Du kannst diese Sektion auch einfach aussparen.


In jedem Fall würde ich aber mit Optos und Lichtwellenleiter arbeiten.
Kosten nicht die Welt und erlauben auch mal eine deutliche Überspannung.

Autor: Uwe Bonnes (Gast)
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Bei konstant 3.5 kV Spannung wird jeder integrierter Baustein nach 
einiger Zeit die Graetsche machen. Einige kV Spitze fuer kurze Zeit ist 
noch spezifiziert, aber mehr als einige hundert Volt wird fuer den 
Dauerbetrieb nicht spezifiziert sein.

Uebertrage mich Lichtleiter, dann kannst Du auch mit 250 kV bei 
dauerbetrieb arbeiten (bei entsprechend langen Kabel...)

Autor: Urbanski Thomas (Gast)
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Nochmals Danke für interessante Anregungen.
Aus Zeitmangel habe ich mich vorerst für eine nicht ganz 
zufriedenstellende Lösung entschieden.
Nämlich für die Isolierung nehme ich einen RS232-Isolator bis 4kV, der 
über einen RS232-ADC24 Wandler mit 24 Bit mir die gemessenen Werte 
umsetzt. Die Messung erfolgt mit erprobten AD8554 direkt am Shunt. Die 
isolierte Spannungsversorgung kommt vom DC/DC Wandler (bis 6kV).Ich 
hoffe so ist ein Kompromiss aus Genauigkeit und Umsetzzeit geschlossen. 
Parallel werde ich die elegantere Lösung mit dem LWL ausarbeiten.Falls 
jeman bereits solche Schaltung  Simuliert hat,wäre ich dankbar für 
Beispiele.
Alle Vorschläge waren sehr hilfreich und unterschiedliche Ansätze 
aufgezeigt.Und wie jogitec gesagt hat.

>Autor: jogitec (Gast)
>3.5kV sind ja nicht die Welt...

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