Strom-/Spannungsmessung mit IC

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Hallo. Ich habe in meiner Ausbildung ein Spannungsnetzteil gebaut. Da 
ich nun fertig bin, doch zu Hause weiter basteln will, würde ich dieses 
als Tischnetzteil benutzen wollen. Dazu möchte ich es um ein Stormmesser 
und ein Spannungsmesser erweitern. Mit einem PIC möchte ich mir die 
Möglichkeit offen  halten, später eine PC-Ansteuerung/-Kommunikation zu 
entwickeln. Allerdings wäre es schön, wenn die Schaltung so klein wie 
möglich ist. So dachte ich an ein SMD-PIC und 2 IC's, mit denen ich 
direkt (oder mit nur wenigen zusätzlichen Bauteilen) jeweils Strom und 
Spannung messen und die Messwerte am besten über I²C oder SPI auslesen 
kann. Ich hatte schonmal den ICL7139 gefunden, der aber leider nur für 
7-Segment-Anzeigen mit Multiplex-Verfahren ausgelegt ist.

Kurz: Ich suche ein IC, mit dem ich mit wenigen Bauteilen Strom bzw. 
Spannung messen kann und paralleles oder serielles auslesen per µC 
möglich ist.

Das Netzteil geht von 0-30V und von 0-2A und eine Auflösung von 100mV 
bzw. 10mA sollte es schon haben. Genauer wäre natürlich immer besser.

Habe auch schon gedacht, dass man das auch über einen ADC messen kann, 
der in fast jedem PIC integriert ist, nur glaube ich, dass dort die 
Anzahl der Bauteile bzw. benötigte Fläche größer ist, als wenn man ein 
"fertig"-IC benutzt, zudem wird das Programm auch größer, was allerdings 
nicht so schlimm wäre.

Wäre sehr dankbar für Hinweise oder auch kleine Schaltungen mithilfe des 
ADC.

[Raimund R. (corvuscorax)]

Google doch einfach mal nach "PIC" und "Multimeter", da gibt's schon 
genug Treffer.

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Hmm ich frag mich warum ich das nicht gegoogled habe. Also ich habe ein 
Schaltung gefunden. In der ori.png ist zusehen, wie die Messwiderstände 
verschaltet sind. Ich glaube zu verstehen, wie der Spannungsteiler 
funktioniert. Also hab ich den 6,8kOhm durch einen 20kOhm ersetzt. Bei 
30V ist somit an ADC1 5V. Also sollte ein ca. 18-19kOhm zur sicherheit 
reichen (neu.png). Dennoch hab ich 2 Fragen.

1. Wenn bei 2A ein Spannungsabfall von ca. 1V am 0,47 Ohm Widerstand 
ist, ist doch die tatsächliche Spannung 1 Volt kleiner als gemessen, 
oder?

2. Wie sieht das aus, wenn ich doch ein Dual-Netzteil nehme. Denn die 
könnte man ja in Reihe schalten, um beispielsweise 60V zu erzeugen. Nur 
dann sehe ich mit dem Massepunkt am 0,47 Ohm-Widerstand schwarz, denn 
der würde dann nen Kurzschluss bauen, oder?

[Raimund R. (corvuscorax)]

Michael Skropski schrieb:
> Hmm ich frag mich warum ich das nicht gegoogled habe. Also ich habe ein
> Schaltung gefunden.

Na Wunderbar. ;-)

> In der ori.png ist zusehen, wie die Messwiderstände
> verschaltet sind. Ich glaube zu verstehen, wie der Spannungsteiler
> funktioniert. Also hab ich den 6,8kOhm durch einen 20kOhm ersetzt. Bei
> 30V ist somit an ADC1 5V.

Bin bei den PICs nicht ganz sicher in wie weit man den ADC-Eingang 
'aussteuern' kann. Geht denn der Enigangsspannungsbereich wirklich bis 
genau +5V (also letztendlich bis zur Betriebsspannung des PICs)??? 
Andernfalls mußt Du halt dafür sorgen, daß die Eingangsspannung noch 
(weit) darunter bleibt. Wie Du ja im folgenden Satz schon angedeutet 
hast:

> Also sollte ein ca. 18-19kOhm zur sicherheit
> reichen (neu.png). Dennoch hab ich 2 Fragen.
>
> 1. Wenn bei 2A ein Spannungsabfall von ca. 1V am 0,47 Ohm Widerstand
> ist, ist doch die tatsächliche Spannung 1 Volt kleiner als gemessen,
> oder?

Das ist halt der Krux mit der Messtechnik. Man muß sich leider 
entscheiden, ob man die Spannung korrekt(er) messen möchte, oder den 
Strom. Davon hängt es dann ab ob der Spannungsteiler für die 
Spannungsmessung (100k + 20k) vor oder nach dem Strommess-Shunt (0,47 
Ohm) kommt. Mit einem wesentlich kleineren Shunt-Widerstand wird der 
Spannungsabfall natürlich auch kleiner. Die ICL7106 / ICL7107 z.B. 
benötigen nur 200mV für Vollausschlag.

> 2. Wie sieht das aus, wenn ich doch ein Dual-Netzteil nehme. Denn die
> könnte man ja in Reihe schalten, um beispielsweise 60V zu erzeugen. Nur
> dann sehe ich mit dem Massepunkt am 0,47 Ohm-Widerstand schwarz, denn
> der würde dann nen Kurzschluss bauen, oder?

Die Messmimik muß natürlich immer da eingebunden werden, wo man was 
messen möchte, d.h. der Strom-Shunt muß immer irgendwie in Reihe mit der 
Last und der Spannungsteiler muß zwischen den zwei Punkten 'hängen' wo 
man die Spannungsdifferenz messen möchte. Entweder sind (im Idealfall) 
die beiden Messzweige völlig unabhängig voneinander, d.h. ein 
'Multimeter' mißt nur die Spannung und das andere nur den Strom. Bei 
Deiner Kombi-Lösung, hast Du aber eine galvanische Verbindung und man 
muß die Potentiale beachten.
Im allgemeinen wirst Du bei der Reihenschaltung der Netzteile kein 
Problem haben, daß der Shunt irgend etwas kurzschließt. Beide 
Netzteilzweige dürfen dafür aber keinerlei galvanische Verbindung 
besitzen und beide haben jeweils das gleiche 'Multimeter' 
nachgeschaltet. Die einzige Verbindung zwischen den beiden in Reihe 
geschalteten Netzteilen ist dann nur am Ausgang nach den 
Meßwiderständen, also ganz rechts auf Deinen Schaltplänen was mit 
"Output" bezeichnet ist.

[stephan_ (Gast)]

schau dich mal bei www.sprut.de um, da gibt es viele beispiele zur 
pic-programmierung, auch für adc

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Raimund Rabe schrieb:
> Im allgemeinen wirst Du bei der Reihenschaltung der Netzteile kein
> Problem haben, daß der Shunt irgend etwas kurzschließt.

Ich meine auch nicht den Widerstand. Nur den Masseanschluss (siehe 
problem.png, rot: absolute Spannungen, grün: kurzschluss).

Die Ausgangspannung Output 2 ist 30V. Somit ist das Potential 0V und 
30V. Der in Reihegeschaltete Ausgang Output 1 gibt auch 30V und somit 
muss das Potential ja 30V und 60V sein, damit man überhaupt die 60V 
Differenz erreichen kann. Wenn aber der Masseausgang von Output 1 auf 
dem 30V-Potential liegt und über den Masseanschluss mit dem 0V-Potential 
verbunden ist, müsste doch über den Shunt-Widerstand vom Ausgang 1 30V 
abfallen. Bei 0,5 Ohm also 60A.



Ich habe mich nun entschieden, dieses Netzteil zu bauen:
http://www.hobby-bastelecke.de/projekte/netzteil_lm723.htm

Für die Strombegrenzung ist der R7 ja der Shunt-Widerstand, andem die 
Spannungsdifferenz gemessen wird. Die Messtechnik (also die Schaltungen, 
PIC, Display etc.) will ich mit einem extra Mini-Trafo Versorgen. Somit 
kann ich dann mit dem Masseanschluss auf den -Ausgang gehen und über die 
Brückenschaltung die Spannung "richtig" messen. Theoretisch könnte ich 
gleich den R7 als Strommesswiderstand für den PIC nehmen, wobei 
allergdings dann eine negative Spannung am AD-Wandler läge 
(netzteil.png). Da dort sowieso bei Maximalstrom ein Spannungsabfall von 
0,44V ist, könnte ich doch ein invertierenden OP nehmen, der die 
Spannung positiv macht und so Verstärkt, dass ich eine gute Auflösung 
habe.

[Raimund R. (corvuscorax)]

Michael Skropski schrieb:
> Raimund Rabe schrieb:
>> Im allgemeinen wirst Du bei der Reihenschaltung der Netzteile kein
>> Problem haben, daß der Shunt irgend etwas kurzschließt.
>
> Ich meine auch nicht den Widerstand. Nur den Masseanschluss (siehe
> problem.png, rot: absolute Spannungen, grün: kurzschluss).

Diesen gemeinsamen Masseanschluß zwischen den beiden Netzteilen darf es 
latürnich nicht(!) geben - wie ich auch geschrieben hatte, denn sie 
müssen galvanisch voneinander getrennt sein, als auch die doppelt 
vorhandene Multimeterschaltung.
Ist zwar nur ein klitzekleines Detail, aber für die Funktion der 
Gesamtschaltung (d.h. beliebige Reihen-/Parallelschaltung der 
Einzelnetzteile) essentiell wichtigt.

> Die Ausgangspannung Output 2 ist 30V. Somit ist das Potential 0V und
> 30V. Der in Reihegeschaltete Ausgang Output 1 gibt auch 30V und somit
> muss das Potential ja 30V und 60V sein, damit man überhaupt die 60V
> Differenz erreichen kann. Wenn aber der Masseausgang von Output 1 auf
> dem 30V-Potential liegt und über den Masseanschluss mit dem 0V-Potential
> verbunden ist, müsste doch über den Shunt-Widerstand vom Ausgang 1 30V
> abfallen. Bei 0,5 Ohm also 60A.

Ein sehr 'theoretischer' Strom, der aber hoffentlich zum Auslösen einer 
Sicherung führt bevor etwas abbrennen kann. ;-)

> Ich habe mich nun entschieden, dieses Netzteil zu bauen:
> http://www.hobby-bastelecke.de/projekte/netzteil_lm723.htm

Der 723 ist an sich immer eine gute Wahl.

> Für die Strombegrenzung ist der R7 ja der Shunt-Widerstand, andem die
> Spannungsdifferenz gemessen wird. Die Messtechnik (also die Schaltungen,
> PIC, Display etc.) will ich mit einem extra Mini-Trafo Versorgen. Somit
> kann ich dann mit dem Masseanschluss auf den -Ausgang gehen und über die
> Brückenschaltung die Spannung "richtig" messen. Theoretisch könnte ich
> gleich den R7 als Strommesswiderstand für den PIC nehmen, wobei
> allergdings dann eine negative Spannung am AD-Wandler läge
> (netzteil.png). Da dort sowieso bei Maximalstrom ein Spannungsabfall von
> 0,44V ist, könnte ich doch ein invertierenden OP nehmen, der die
> Spannung positiv macht und so Verstärkt, dass ich eine gute Auflösung
> habe.

Dann brauchst Du aber auch i.d.R. eine negative Hilfsspannung von evtl. 
-5V, mit dem dann der OpAmp versorgt wird, der die Invertierung der 
Shunt-Widerstandsspannung macht. U.U. könnte auch ein sogenannter 
Rail-to-Rail-OpAmp funzen, aber auch die können nicht zaubern und 
100%-ig bis an die Betriebsspannungsgrenze gehen (das betrifft sowohl 
die Ein- als auch die Ausgänge).

Außerdem hat die Schaltung noch ein paar gravierende Design-Mängel:
Bei 24Vac als Eingangsspannung vom Trafo wird man kaum in der Lage sein 
sauber geregelte 0...35V am Ausgang des Netzteils zu erhalten - und 
schon mal garnicht, wenn auch noch der volle Laststrom fließen sollte.
Weiterhin ist nur ein einziger 2N3055 nicht wirklich in der Lage die 
volle Verlustleistung an Wärme 'wegzubringen', wenn der Ausgang die 
minimalste Spannung ausgibt und dabei den größten Strom liefern sollte. 
Je nach dem von welchem Hersteller der 2N3055 ist, ist er mit 90...115W 
als Ptot angegeben, wenn man ihn denn auf 25°C hält. Selbst das wäre 
schon Grenzlastig (Eingangsspannung * Laststrom = maximale 
Verlustleistung), aber bei Erwärmung kann er dann immer weniger Watt 
'verbraten' und dann sind mindestens zwei 2N3055 über kleine 
Emitterwiderstände (z.B. so um die 0,22 Ohm) parallel zu schalten, um 
den Laststrom einigermaßen gleichmäßig auf beide aufzuteilen.
Nach mehr 'Macken' habe ich jetzt noch nicht gesucht, aber es lassen 
sich bestimmt noch ein paar Sachen finden, die man besser machen könnte, 
wie z.B. den Sieb-ELKO C1 größer zu machen. Ich kenne noch die 
Faust-Formel von etwa 2000µF pro Ampere Laststrom, was bei max. 3,5A 
folglich auf einen ELKO (oder auch mehrere) mit nicht weniger als 
(insgesamt) 6800µF hinauslaufen würde. Mit nur 4700µF wird der AC-Anteil 
auf der 'gesiebten' Eingangsspannung nach dem Gleichrichter recht hoch 
sein. Je mehr µF desto weniger AC-Anteil aber desto höhere Impulsströme 
durch die Gleichrichter-Dioden. Tja, keine Vorteil ohne Nachteil.

Irgendwo habe ich auch noch einen Schaltplan mit einem 723, der bis auf 
0V 'runterkommt' ohne eine zusätzliche Hilfsspannung zu benutzen. Die 
Schaltung ist nicht komplizierter als diese. Mein erstes 
Quad-Labor-Netzteil habe ich nach dieser Schaltung aufgebaut - mit 
10-Gang-Poties zur Spannungs- und Stromeinstellung und je zwei ICL7107 
(A/D-Wandler mit 3,5-digit LED-Anzeige) für die Spannungs- und 
Stromanzeige.
Falls Du interesse hast werde ich mal danach 'diggen' gehen. ;-)

[Andrew T. (marsufant)]

Michael Skropski schrieb:
> Theoretisch könnte ich
>
> gleich den R7 als Strommesswiderstand für den PIC nehmen, wobei
>
> allergdings dann eine negative Spannung am AD-Wandler läge
>
> (netzteil.png). Da dort sowieso bei Maximalstrom ein Spannungsabfall von
>
> 0,44V ist, könnte ich doch ein invertierenden OP nehmen, der die
>
> Spannung positiv macht und so Verstärkt, dass ich eine gute Auflösung
>
> habe.



Das geht nicht nur theoretisch so, sondern auch praktisch.

Den Hilfstrafo für PIC, Display etc. wählst Du am besten so das er auch 
die 2. Wicklung für die Negativ-Versorgung des OPV hat (sofern Du keine 
R2R OPV hast der als Inverter geeignet ist - und einfach "feld wald 
wiesen" OPV verwenden möchtest).

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Raimund Rabe schrieb:
> Irgendwo habe ich auch noch einen Schaltplan mit einem 723, der bis auf
> 0V 'runterkommt' ohne eine zusätzliche Hilfsspannung zu benutzen. [...]
> Falls Du interesse hast werde ich mal danach 'diggen' gehen. ;-)

Gerne^^. Habe auch noch alternativ ein Anderes gesehen, doch der sah ein 
wenig voller aus und hatte eine Ausgangsspannung von nur 25V bei 1,5A. 
Habe allergings schon einen Trafo 2x 30V/2A und die sind ja auch nich so 
billig, weshalb ich den nehmen will.

Beitrag "Netzteil, LM317, Strombegrenzung und Anzeige!"

Also ich hab ein Rail-to-Rail OP, nur wie bekomme ich eine negative 
Spannung hin, denn ich hab kein Trafo mit Mittelabgriff.

[Raimund R. (corvuscorax)]

Michael Skropski schrieb:
> Raimund Rabe schrieb:
>> Irgendwo habe ich auch noch einen Schaltplan mit einem 723, der bis auf
>> 0V 'runterkommt' ohne eine zusätzliche Hilfsspannung zu benutzen. [...]
>> Falls Du interesse hast werde ich mal danach 'diggen' gehen. ;-)
>
> Gerne^^. Habe auch noch alternativ ein Anderes gesehen, doch der sah ein
> wenig voller aus und hatte eine Ausgangsspannung von nur 25V bei 1,5A.
> Habe allergings schon einen Trafo 2x 30V/2A und die sind ja auch nich so
> billig, weshalb ich den nehmen will.

Dann mußte nur bei der max. zulässigen Eingangsspannung beim 723 
aufpassen, denn die lag, wenn ich mich nicht irre, bei 40V oder ganz 
knapp darüber. Bei einem Trafo mit sekundär 30V liegst Du im Leerlauf 
unter Garantie über diesem Limit.
Es gab da mal eine Variante vom 723 (ich glaube der nannte sich L146) 
der bis 60V (oder so in etwa) vertragen konnte, aber den gibt's heute 
nicht mehr.

Wenn ich mich recht erinnere war die Schaltung in einem der (ur)alten 
ELEKTOR-Sammelbänden aus der "300-Schaltungen"-Serie (ich vermute im 
300'er oder 301'er Band). Wenn auch sonst nicht alle Schaltungen aus der 
ELEKTOR auf anhieb funktionierten, aber diese tat es doch tatsächlich 
entgegen aller meiner Erwartungen. ;-)

> Beitrag "Netzteil, LM317, Strombegrenzung und Anzeige!"
>
> Also ich hab ein Rail-to-Rail OP, nur wie bekomme ich eine negative
> Spannung hin, denn ich hab kein Trafo mit Mittelabgriff.

Z.B. mit einem zweiten Gleichrichter, dessen beiden 
Wechselspannungseingänge über Kondensatoren (bzw. ELKOs mit einigen zig 
µF - zur galvanischen Trennung) an die eine Sekundärwicklung des Trafos 
geht. Den (+)-Ausgang des Gleichrichters noch ein wenig mit einem ELKO 
sieben und an die (-)-Leitung des Anderen hängen. Am (-)-Pin vom 
Gleichrichter hast Du dann die negative Hilfsspannung - allerdings mit 
vmtl. etwas über -40V, was man aber über einen (richtig berechneten) 
Vorwiderstand und z.B. einer 4,7V Z-Diode in den Griff bekommen sollte. 
Die Hilfsspannung muß ja nicht besonders hoch sein.
Ein Vollweggleichrichter muß es ürbigens auch nicht unbedingt sein, eine 
galvanisch getrennte Einweggleichrichtung würde für die neg. 
Hilfsspannung durchaus reichen.

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Man bin ich doof. Ich mache das so, dass ich den Shunt als 
Strom-mess-Widerstand nehme, links von dem kommt die Masse hin, dann die 
Ausgangsmasse an einen OP (Verstärkung 10, somit bei 2A -> 4,4V) und von 
der Mess-Masse über einen Spannungsteiler an den +-pol vom Ausgang, denn 
ich kann doch einfach die Spannung über dem Shuntwiderstand von der 
anderen gemessenen Spannung abziehen (Bild.png).

Dort gilt Uausgang = Umess - Ushunt

Also die Spannung am ADC1 * 6 - Spannung am ADC2 / 10.

Manchmal frag ich mich, was in meinem Kopf vorgeht. Aber trotzdem danke 
für die Vorschläge.

Jetzt bleibt noch das Problem, dass Ueff*1,4=42 V sind. Man könnte 
fuschen und einfach vor dem Minus-Pol vom Gleichrichter 10 Dioden in 
Reihe schalten (7V Abfall), somit sind dann nurnoch ca. 35V am 
Spannungsregler. Doch da gibts bestimmt noch eine elegantere Lösung, 
z.B. Z-Diode, oder?

MFG Michael S.

PS: Tut mir leid, wenn ich manchmal durcheinander bin^^

[Raimund R. (corvuscorax)]

Michael Skropski schrieb:
> Man bin ich doof.

Kein Kommentar. ;-))

> Ich mache das so, dass ich den Shunt als
> Strom-mess-Widerstand nehme, links von dem kommt die Masse hin, dann die
> Ausgangsmasse an einen OP (Verstärkung 10, somit bei 2A -> 4,4V) und von
> der Mess-Masse über einen Spannungsteiler an den +-pol vom Ausgang, denn
> ich kann doch einfach die Spannung über dem Shuntwiderstand von der
> anderen gemessenen Spannung abziehen (Bild.png).

Jip, kann man so machen.

> Dort gilt Uausgang = Umess - Ushunt
>
> Also die Spannung am ADC1 * 6 - Spannung am ADC2 / 10.
>
> Manchmal frag ich mich, was in meinem Kopf vorgeht. Aber trotzdem danke
> für die Vorschläge.
>
> Jetzt bleibt noch das Problem, dass Ueff*1,4=42 V sind. Man könnte
> fuschen und einfach vor dem Minus-Pol vom Gleichrichter 10 Dioden in
> Reihe schalten (7V Abfall), somit sind dann nurnoch ca. 35V am
> Spannungsregler. Doch da gibts bestimmt noch eine elegantere Lösung,
> z.B. Z-Diode, oder?

Bedenke bitte, dass bei Belastung der AC-Anteil auf der Eingangsspannung 
grösser wird, d.h. die Gleichspannung wird einbrechen und, abhängig von 
der Grösse des/der Sieb-ELKOs, auch durchaus weit unter die 40V 
abfallen.
Eine Widerstands/Z-Dioden-Kombi ist als Schutz für den 723 (und nur für 
den) aber völlig ausreichend. Ggf. noch einen Emitterfolger mit einem 
kleinen BCxxx-Transistor nachschalten und fertig ist die 
Schutzschaltung.