Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strommessung mit Shunt


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von Wolfgang (Gast)


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Liebes Forum,

ich möchte ein kleines Projekt machen mit dem ich einen Draht auf eine 
bestimmte Temperatur aufheize.
Der durch den Strom fließende Draht und die anliegende Spannung soll 
gemessen werden.
Siehe Aufbau der Schaltung im Anhang.
Um den Strom zu messen will ich einen Shunt verwenden, der einen 
Widerstand von 20mOhm hat.
Als Spannungsquelle verwende ich eine Gleichspannung von 8,4-6,4 Volt.
Der maximale Strom beträgt 10A.
Ich habe bereits einen Prototypen mit einem ATmega8 gefertigt, aber da 
dort die Spannung über dem Shunt nur mit Spannungsteiler gemessen wird 
funktioniert diese Messung natürlich nicht.

Als Lösung für das Problem wäre meines Erachtens für die Strommessung 
ein INA138. Dieser würde wie es im Datenblatt bei Figure 2 beschrieben 
ist, geschaltet werden. Also noch nach dem INA138 ein OPA340 und denn 
auf den ADC-Eingang des Atmega8.
Also zwischen Pin 3 und 4 des INA138 würde dann U1 anliegen.
Was haltet Ihr davon?

Bei der Spannung die am Draht abfällt hätte ich mir gedacht verwende ich 
einen "Wald und Wiesen-OPV" und schalte seine Eingänge als Subtrahierer 
geschaltet an U2.
Was haltet ihr davon?

Weiters ist mir bei meinem jetzigen Prototypen aufgefallen, dass durch 
die "Schalterei" des Mosfets die Spannung an der Versorgung nicht mehr 
ganz konstant ist. (Siehe Oszillogramm)
Die PWM Frequenz beträgt 67 Hz bei diesem Oszillogramm.
Wie wird sich das auf die Messung auswirken?
Ist es vernachlässigbar?

Danke für alle Antworten!

Liebe Grüße

Wolfgang

von MaWin (Gast)


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Einfacher ist es, wenn du den shunt unter den MOSFET an Masse legst,
dann reicht ein single supply Operationsverstärker wie LM358 oder LT1013 
(je nach Genauigkeitswusnsch) um aus 0.2V so ca. 2.5V zu machen für die 
Analogeingänge des uC.

von Wolfgang (Gast)


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Danke für deine Antwort!
Ja möchte hohe Genauigkeit also tendiere ich eher auf den LT1013.
Laut Datenblatt hat der OPV 2 Kanäle, was bedeutet, dass ich mit einem 
die Spannung am Shunt messen kann und mit dem anderen die Spannung am 
Draht.
Für die Spannung am Draht muss er dann eben als Subtrahierer geschalten 
werden.

Was haltest du von der Spannungsschwankung? kann ich das 
vernachlässigen, oder soll ich was dagegen unternehmen?

von Basti M. (counterfeiter)


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Schau dir mal den INA219 an... hatte auch erst den INA138... ohne 
nachgeschaltenem OPV wirds ja beim INA138 auch nix... der INA219 liefert 
Spannung und Strom, bequem digital und hat sehr geringe Messabweichungen 
für den Preis (wie ich finde)

Grüße

Basti

von MaWin (Gast)


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> Was haltest du von der Spannungsschwankung?

Gibt es.

Willst du auch noch die Spannung messen,
nimm einen P-MOSFET und folgende Schaltung

             +----+
     PMOSFET |S   |
PWM --------|I    |
             |    |
U ------+-R--+    |
        |    |    |
        |  Motor  |
        R    |  Akku
GND  ---+----+    |
        |    |    |
I   /+|-+  Shunt  |
-+-<  |      |    |
 |  \-|-+--R-+----+
 |      |
 +--R---+

Die liefert spannungsgeteilerte Spannung und verstärkten
Strom (als positives Signal) ab, ohne Instrumentenverstärker.
Daß die Spannung am OpAmp in Bezug auf GND um 0.2V negative
ist, ist bei dem single supply OpAmp kein Problem, die
Ausgangsspannung ist wieder positiv zum Messen mit einem uC
oder ähnlich.

Nur ist GND der Messchaltung nicht - des Akkus.

von Wolfgang (Gast)


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ich verstehe deine Variante, aber warum ratest du mir von meinem Ansatz 
ab?

von Gregor B. (Gast)


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Die einfachste Möglichkeit ist ein Stromspiegel.
Wie das gemacht wird, steht hier:
http://www.diodes.com/_files/products_appnote_pdfs/zetex/an32.pdf

Kostet - selbst wenn Du Matched Pair Transistoren wie die BCM61, BCM62, 
BCM847, BCM857 verwendest - mit 40 Cent Pro Transistorpaar ungefähr die 
Hälfte vom INA138.

von Wolfgang (Gast)


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Danke nochmals für eure Bemühungen!
Für mich wäre glaube ich die beste Variante, wenn ich einen INA 138 
verwende und noch einen OPA340 nachschalte.
Ob ich den Shunt dann unter den MosFet lege wäre ja egal, aber wie soll 
ich die Spannung am Draht messen?
Für mich kommt nur ein Differenzverstärker in Frage.
Wie seht ihr die Sache?
Vielen Dank!!

von Martin H. (martinhaag)


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>Was haltest du von der Spannungsschwankung? kann ich das
>vernachlässigen, oder soll ich was dagegen unternehmen?

Mit einem einfachen Tiefpass vor dem adc sollten die Spitzen leicht zu 
unterdrücken sein. (Eventuell reicht sogar Mitteln in der Software, 
kommt drauf an mit welcher Frequenz/Genauigkeit du messen willst)

Grüsse Martin

von Wolfgang (Gast)


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Ja Martin ich habe bereits auch schon an einen Tiefpass gedacht!

Ein weiters Problem ergibt sich mit dem MosFet. Da ich ihn per PWM 
ansteuere ist er bei einem Tastverhältnis von 100% voll durchgesteuert. 
Wenn ich aber das Tastverhältnis verringere so steigen die Verluste im 
MosFet.

Um auch die Verlustleistung bei 100% Tastverhältnis zu verkleinern will 
ich einen anderen Fet verwenden. Ich denke da an den IRLR7843 in SMD 
Bauform.

Mein Problem ist nun die Verlustwärme und da es SMD ist wird es mit 
kühlen auch etwas schwieriger. Als Ausweg denke ich an Parallelschaltung 
der Fets.
Wieviel Fets könnte ich denn ca parallelschalten ohne einer 
Treiberstufe, nur mit Vorwiderstand?

von Basti M. (counterfeiter)


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Sehe hier keine Probleme bei deinen 0,5 W Verlust am Mosfet... 
Dynamische Verluste bei 70 Hz? Eher nicht...

von Wolfgang (Gast)


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Wenn ich den Mosfet mit 50% PWM ansteuere und ich rechne damit, dass 
dann ca. 1-3V am Mosfet abfallen und immer noch ein Strom von einigen 
Ampere fließt dann habe ich eine Verlustleitstung die weit über 0,5W 
ist. Das meine ich damit.

von Basti M. (counterfeiter)


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hö? Grundlagen Mosfets im Schaltbetrieb verstanden? Oder wie kommst du 
auf diese Annahme?

von Wolfgang (Gast)


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Nein! Entschuldigung Basti. Das war mein Denkfehler! Natürlich wird er 
durch die PWM Levels von 5 und 0V immer schalten oder sperren!
Also muss es natürlich mit eineim IRLR7843 klappen.

Könntest du mir noch bei der Spannungsmessung helfen?
Blick noch nicht ganz durch wie ich das am besten löse!

Danke vielmals für deine Geduld!

von Basti M. (counterfeiter)


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Na wie gesagt, ich habe gute Erfahrungen mit dem High Side Mess IC 
INA219... gibts auch in zwei Genauigkeitsklassen. Denn wenn du den Strom 
so genau messen möchtest, dann brauchst du am AVR wieder ne 
Referenzspannungsquelle. Der INA219 bringt das alles mit.
I2C Ansteuerung ist auch kein Hexenwerk. Die Leistungsberechnung muss 
man nicht benutzen. Einfach Strom und Spannungswerte "roh" auslesen und 
selbst verrechnen. Wenns nicht so genau sein muss, kann man auch ein AVR 
mit Differenzspannungseingang und Gainstufe zum low side shuntmessen 
verdonnern. Dann brauch man fast gar nichts weiter...

von Wolfgang (Gast)


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Ja er hat einige Vorteile. Wie du vielleicht gelesen hast muss ich ja 
neben dem strom auch noch die Spannung am Draht messen.
Wie würdest du das machen?

von Basti M. (counterfeiter)


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kann der ina219 auch...

von Wolfgang (Gast)


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Aha also kann ich ihn für die bis zu 8V Spannungsmessung auch verwenden.
Damit ist meine Wahl klar. I probier den ina219 für beide Messungen!
Herzlichen Dank für eure Hilfe!

Gruß

Wolfgang

von Wolfgang (Gast)


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Hallo Bastie,

Ich erhoffe mir nochmals deine Hilfe beim Ina219.
Du erwähntest, dass ich ihn auch für die Spannungsmessung verwenden 
kann.
Laut Datenblatt habe ich aber gelesen, dass er die Spannung nur vom v- 
Eingang gegen Gnd misst. Das bedeutet ich würde die Spannung am Draht 
und die am MosFet messen.
Da ich ja nur die am Draht will würde das nicht funktionieren oder?
Liege ich falsch?

Liebe Grüße

Wolfgang

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