25A Strommessung mit 1mOhm Shunt

Der Anhang..

Bei 10uV maximaler Offsetspannung erlauben 25mV eine Auflösung von 11 
bit.
Die Genauigkeit kannst du dir mit deinen Widerständen gründlich versauen
http://electronicdesign.com/article/power/what-s-all-this-error-budget-stuff-anyhow-12629
Praktisch spielen bei 10uV Offsetspanung auch Temperatureffekte schon 
eine Rolle: Ist der Shunt an einer Seite 10 GradC wärmer als an der 
anderen, entstehen Thermospannungen vom Manganin zum Kupfer die grösser 
sind als dein Offset.
ICH würde einen grösseen Shunt nehmen.

Ein vom Widerstandswert größerer Shunt hilft nur begrenzt gegen die 
Fehler durch Thermospannungen an Shunt selber:  Die Leistung am Shunt 
und damit auch etwa die Temperaturerhöhung nimmt mit dem Shunt zu. Damit 
nehmen das Störsignal und das Nutzsignal etwa gleich schnell zu.

25 mV für den vollen Messbereich ist noch nicht so ungewöhnlich klein.

Wenn schon größer, dann eher von der Leistung. Für 25 A und 1 mOhm sind 
das immerhin schon 625 mW am Shunt. Da wäre es schon nicht schlecht, 
wenn der Shunt dabei nicht sonderlich warm wird und entsprechen nominell 
auch deutlich mehr Leistung vertragen könne - eine Auslegung auf 10 W 
Nennleistung wäre da nicht so verkehrt. Bein Shunt ist auch das Material 
wichtig: Manganin ist gut, wegen kleiner Thermospannung gegen Kupfer - 
Konstantan ist dagegen schlecht wegen einer deutlich (bis 100 mal) 
höheren Thermospannung.

Die 1 K Widerstände sind gegen den 1 mOhm Shunt zu vernachlässigen. Es 
fließt gerade man 1 Millionstes des Stromes durch den 1 K Widerstand - 
so genau wird der Shunt nicht sein.

Von welcher Auflösung und Genauigkeit reden wir hier?


Ingo

>Wenn schon größer, dann eher von der Leistung. Für 25 A und 1 mOhm sind
>das immerhin schon 625 mW am Shunt.
25A ist der Maximalstrom, aber nicht der dauerhafte maximale RMS-Strom, 
dieser liegt bei ~11A, also 200mW ( 1/3 weniger). Der Shunt ist eine SMD 
Ausführung in 2512er Baugröße und ist bis 3W Belastbar. Toleranz beträgt 
+-1%, Tempkoeffizient liegt bei +/-275ppm/°C.

>Praktisch spielen bei 10uV Offsetspanung auch Temperatureffekte schon
>eine Rolle: Ist der Shunt an einer Seite 10 GradC wärmer als an der
>anderen, entstehen Thermospannungen vom Manganin zum Kupfer die grösser
>sind als dein Offset.
Im Datenblatt steht Mangan-Kufer und Nickel-Chrom. Aber 10°C Unterschied 
wird es nicht geben, die ganz Leiterplatte wird durch die Powerlayer 
gleichmäßig durchgewärmt.

>Bei 10uV maximaler Offsetspannung erlauben 25mV eine Auflösung von 11
>bit.
Sehr gut, das hab ich mir auch geacht. Mein DSP hat nur einen 10-Bit 
ADC, dessen Auflösung will auch Ausnützen. Durch Oversampling wäre noch 
ein Bit zu gewinnen, jeodch ist dies notwendig?

>ICH würde einen grösseen Shunt nehmen.
Das wäre natürlich einfacher, doch dieser ist kaum zu ändern. Die 
Anforderungen sollten auch mittels 1m Shunt zu Erfüllen sein.

>Von welcher Auflösung und Genauigkeit reden wir hier?
Mit dem 10-Bit ADC könnte man auf 25mA Auflösen.

Aber am Ende soll mit einer Auflösung von 50mA bei +-1,5% Genauigkeit 
gemessen werden im Bereich von 4A bis 25A. Bei Strömen unter 4A darf die 
Genauigkeit +-4% betragen.

Grüße,
Mark

Dein Vorhaben halte ich für machbar, eine vergleichbare Schaltung habe 
ich in der Vergangenheit umgesetzt. Da waren es 1mR, 30A, 1%. Ich hatte 
jedoch noch einen Werksabgleich im System, der mir alle konstanten 
Fehler ausmetert.

Bei den Shunts: Halte Dich exakt an die Layoutvorgabe für die 
Stromzuführung zu den Shunts oder Du bekommst systematische Fehler in 
der Messung, selbst bei Shunts mit Vierleiteranschlüssen. Das gilt ganz 
besonders für Shunts, die keine massiven Metallflächen an den Pads 
haben, und das dürfte auf Deine 2512 Shunts zutreffen.

>Da waren es 1mR, 30A, 1%. Ich hatte
>jedoch noch einen Werksabgleich im System, der mir alle konstanten
>Fehler ausmetert.

Das sollte ich auch erwähnen, auch hier werde eine Kalibrierung für 
jedes einzelne Gerät einsetzten. Das rausrechnen von linearen fehlern 
ist digital ja einfach möglich. Im ATE (Testsystem im Werk) steht eine 
genaue Refernzstromquelle zur Verfügung. Somit wäre die Toleranz des 
SHunts, Widerstände am OP-Amp mal rauszurechnen.

>Bei den Shunts: Halte Dich exakt an die Layoutvorgabe für die
>Stromzuführung zu den Shunts oder Du bekommst systematische Fehler in
>der Messung, selbst bei Shunts mit Vierleiteranschlüssen.
Danke für den Hinweis! Was sind das für Fehler? Andereseits, 
systematische Fehler sollten im Falle einer Kalibration auch 
ausgeglichen werden können, oder?

>Darf ich dich mal was fragen? Wieso schreibst du:
>ADC, dessen Auflösung will auch Ausnützen . Durch Oversampling wäre
>noch ein Bit zu gewinnen , jeodch ist dies notwendig ?

Ich wollte damit sagen, dass Oversampling 11-Bit ermöglichen würde. Doch 
ich bin mir selbst nicht sicher, ob dies notwendig ist bzw. helfen 
würde. Daher war dies eine Frage;)

>Es liest sich halt doch sehr stockig mit all den Fehlern. Eigenartig.
Mag sein, aber so viele Fehler sinds ja nicht. Ich wollte soviel Daten 
wie möglich angegben um Hinweise/Tipps zu ermöglichen.


Grüße, Mark

Ein gewisses oversampling lohnt schon recht oft. Wobei es dabei oft die 
Erhöhung der Auflösung eher eine Nebeneffekt ist - einfach zur 
Unterdrückung von 50 Hz und 100 Hz Störungen ist ein Oversampling über 
ein Intervall von 20 ms oder ein Vielfaches davon sehr hilfreich. Dabei 
kann etwas Brummen auch das Rauchen ersetzen.

>Wenn du denen dann die Mathematik für die Ausgleichsgerade lieferst,
>dann ja. Ansonsten nein!

Wem die Gerade liefern? Dies Gerade zum rausrechnen des Fehlers kann man 
ja durch mindestens zwei Messungen bestimmen.

>Also 1 Bit benötigt die vierfache Frequenz.
Das ist kein Problem.
>ausreichendes Breitband-*rauschen* in
>etwa der Höhe des letzten Bits,
Dafür sorgt das Stromsignal
>Linearität der OpAmps.
dürfte gegeben sein
>ausreichende Oszillatorstabilität
wie stabil? ich nehme an es geht um den Jitter?
>keine Korrelation mit einem Fehlersignal am Eingang,
Korrelation des Fehlersignals womit? Abtastfrequenz?

>Wenn du Schwierigkeiten hast die ganzen Regeln zu merken: Im Deutschen
>schreibt man grundsätzlich alles klein, bis auf die Ausnahmen:
Ja, das war immer schon ein Problem. Blöde gewöhnung an 
Rechtschreibkorrektur...
>OK, etwas vom Thema abgekommen ;-)
egal..

Aber ist es nun möglich mit dieser Messschaltung bei 10-Bit die 
gewünschte Auflösung/Genauigkeit zu erzielen? (Ohne Oversampling)

MArk

> Aber ist es nun möglich mit dieser Messschaltung bei 10-Bit die
> gewünschte Auflösung/Genauigkeit zu erzielen?

Du warst faul und hast nicht die Fehlerbudgets der Widerstände 
ausgerechnet, obwohl ich extra ein Dokument verlinkt hatte.

Du wirst merken, daß ausreichend genaue Widerstände ein Problem sind,
schliesslich willst du aus 0.1% genau messen, die 1k können 0.1% 
bekommen, aber 100k mit 0.001% sind schwer beschaffbar.

Warum verwendest Du nicht einen "current sense amplifier",
die sind genau fuer so was gemacht, da sparst Du Dir den Aerger mit den 
Widerstaenden.

Andreas

>Du warst faul und hast nicht die Fehlerbudgets der Widerstände
>ausgerechnet, obwohl ich extra ein Dokument verlinkt hatte.
hab ich mir angesehen.

>Du wirst merken, daß ausreichend genaue Widerstände ein Problem sind,
>schliesslich willst du aus 0.1% genau messen, die 1k können 0.1%
>bekommen, aber 100k mit 0.001% sind schwer beschaffbar.
Aber warum sollte man 100k mit 0.001% brauchen?

>an2276_01 - AN2276 - Binary Weighted Single-Pole IIR Low-Pass Filters in
>PSoC.pdf Page 4
Ja gefiltert ohnehin mit einem 1/4-1/8 IIR Filter.

>Hier ein paar Einleitungen. Einfach in Google kippen:
>an118 silabs.pdf
>Oversampled ADC and PGA Combine to Provide 127-dB Dynamic Range -
>dynamic_range.pdf
>AN018 - Improving ADC Resolution By Oversampling and Averaging.PDF
>Improve_ADC_WP.pdf
>AVR121 - Enhancing ADC resolution by oversampling.pdf
Danke für die Links

>Müßte ich selbst rechnen. Habe ich keine Lust drauf. Aus dem Bauch raus:
>Vermutlich ja.
Dachte für viele hier ist ein simple Shunt Messung + einfacher 
OP-Schaltung kein Problem.

Mark

MaWin schrieb:
> Du wirst merken, daß ausreichend genaue Widerstände ein Problem sind,
> schliesslich willst du aus 0.1% genau messen, die 1k können 0.1%
> bekommen, aber 100k mit 0.001% sind schwer beschaffbar.

Das gilt für einen Shunt auf hohem Potential (oder noch schlimmer einem 
schwankenden Potential), da dir die Widerstandstoleranzen die 
Common-Mode-Rejection kaputt machen. Der Shunt ist hier jedoch einseitig 
auf GND und die verbleibenden Spannungsabfälle auf GND sind bei weitem 
nicht so dramatisch.
Der Fehler hat eine strenge Abhängigkeit vom Common-Mode Potential.

Mark schrieb:
>>Bei den Shunts: Halte Dich exakt an die Layoutvorgabe für die
>>Stromzuführung zu den Shunts oder Du bekommst systematische Fehler in
>>der Messung, selbst bei Shunts mit Vierleiteranschlüssen.
> Danke für den Hinweis! Was sind das für Fehler? Andereseits,
> systematische Fehler sollten im Falle einer Kalibration auch
> ausgeglichen werden können, oder?

Gainfehler, also der 1% Shunt hat auf einmal +3% oder so. Aber wenn Du 
abgleichst, kannst Du das ja rausrechnen - wenn Du in deinem 
Aussteuerbereich des ADC genügend Luft gelassen hast.

Zum Thema Oversampling und Auflösungsgewinn: Da stand ich auch gerade in 
einem Projekt und musste feststellen, das meine Messsignale zu gut 
gefiltert sind und der ADC zu wenig rauscht. Auflösungsgewinn gleich 
Null. Und das in einem Schaltnetzteil, wo man doch Rumgeseuche 
schlechthin erwartet.

>Warum verwendest Du nicht einen "current sense amplifier",
>die sind genau fuer so was gemacht,
Dieser OPV wird in anderen Schaltungsteilen öfter verwendet. Eine 
Current Sense Amp wäre ein neues Bauteil und an sich teurer. Von der 
Performace her, denke ich sollte er auch für diese Anwendung gehen

>da sparst Du Dir den Aerger mit den Widerstaenden.
Wie gesagt, die messung wird kalibriert. Systematische lineare Fehler 
durch Widerstände sollen weggerechnet werden.

>Der Shunt ist hier jedoch einseitig
>auf GND und die verbleibenden Spannungsabfälle auf GND sind bei weitem
>nicht so dramatisch.
>Der Fehler hat eine strenge Abhängigkeit vom Common-Mode Potential.
Ja, die Spannungsabfälle sind nur vom Layout. Da kann auch einduktiver 
abfall dabei sein, doch dieser sollte gefiltert werden.

>und musste feststellen, das meine Messsignale zu gut
>gefiltert sind und der ADC zu wenig rauscht. Auflösungsgewinn gleich
>Null. Und das in einem Schaltnetzteil, wo man doch Rumgeseuche
>schlechthin erwartet.
Ein interesannter Hinweis. Die Strommessung findet auch in einem SMPS 
statt und da dichte ich auch, dass der gefilterte Strom noch genaucht 
rauscht. Dachte nur an Oversampling weil der ADC schnell genaug wäre und 
die Möglichkeit da wäre. Wenn nicht notwendig, ist es natürlich besser.

>Nun, wenn Du Spannungen mit der Genauigkeit von ca. 10µV messen
>willst, ist das eben nicht mehr "simpel".
Ja, dachte anfangs das sein einfacher.

Mark

Da hier eine Messung mit DSP in Zusammenhang mit Schaltnetzteil 
vorkommt, besteht die Möglichkeit, dass das SMPS digital geregelt wird.
In diesem Zusammenhang würde ich von Oversampling abraten, wenn das 
PWM-Modul und der ADC-Takt von der gleichen Taktquelle kommen (was ja in 
der Regel der Fall ist).
Vielmehr würde ich die Messung auf einen Schaltfreien Zeitpunkt 
synchroniseren, womit man Filteraufwand sparen kann. Schneller als die 
PWM-Frequenz wirst du ohnehin nicht sampeln wollen (vermute ich).


MFG Fralla

Hallo Mark,

> Verstärkt wird mit einem Differenzverstärker mittels AD8629.

Eine sehr gute Wahl.

> natürlich fließt jetzt ein Strom über den 1k Widerstand welcher einen
> offset, jedoch einen linearen und somit wegkalibrierbaren Offset
> verursacht.
>
> Ist die Schaltung bzw Wahl des OP-Amps ok? Sonst jemand Tipps?
>
> MFG

Wenn das untere Ende des Shunts (GND) auch GND des OPV ist, würde ich 
das  untere Ende des Shunts direkt mit dem positiven Eingang des OPV 
verbinden.
Eventuell den 1KOhm Widerstand zum Schutz der Eingangsstrukturen des 
OPVs drinlassen.
Damit sparst Du Dir den zusätzlichen Offsetfehler durch die 
Widerstandstoleranzen.
Da der OPV typisch 1uV Offsetspannung hat und Du hundertfach verstärkst, 
hast Du dann 100uV Offsetspannung, die der 10Bit ADC (>2,5V 
ADC-Referenzspannung / 1024 (10Bit) -> >2,45mV pro Bit ) nicht merkt.

David

Hab ähnliches schon mit 1mOhm Vierleitershunts von Isabellenhütte 
gemacht (ebenfalls SMD), für die Auswertung allerdings einen 
Instrumentenverstärker spendiert. Geht gut.
Beachte aber das Du:
1. eine negative Versorgungsspannung zur Verfügung haben musst.
2. jetzt 2 verschiedene Minuspotentiale hast, eines vor dem Shunt, eines 
danach. Also keine Schleifen bauen. Habe es selbst schon geschafft: 
Verteilte Relais mit Signal versorgt und immer lokal auf Masse gehängt. 
Und plötzlich hab ich 3 Steuerströme von Relais mitgemessen...

viel Erfolg
Hauspapa

>Geht es eigentlich um DC oder AC?
Der Strom fließt nur in eine Richtung, die Amplitude ändert sich nur 
langsam mit wenigen 100Hz.

>1. eine negative Versorgungsspannung zur Verfügung haben musst.
Das habe ich nicht...

>> Verstärkt wird mit einem Differenzverstärker mittels AD8629.
>Eine sehr gute Wahl.

JA dieser OPV ist echt klasse, vor allem wenn auch den Preis betrachtet. 
Deshalb möcht ich keinen Instrumentenverstärker oder extra Sense IC, da 
dieser OPV mehrfach in der Schaltung vorkommt.

>hast Du dann 100uV Offsetspannung, die der 10Bit ADC (>2,5V
>ADC-Referenzspannung / 1024 (10Bit) -> >2,45mV pro Bit ) nicht merkt.
So hab ich mir das auch gedacht. Ist 1k mit 100k richig? Oder wäre 
500Ohm und 50k besser? Stromverbrauch der OPVs ist völlig egal.

Grüße,
Mark

Hallo Mark,

> Ist 1k mit 100k richig? Oder wäre 500Ohm und 50k besser?

Ich würde eventuell sogar 100Ohm/10KOhm nehmen. Je kleiner die 
Widerstände, desto geringer ist das Rauschen und der Einfluss von den, 
in den Gegenkopplungszweig eingekoppelten, Störungen.

David