Ich möchte eine DC Leistungsmessung mit einem AVR bauen und brauche etwas Hilfe bei der Strommessung. Messbereich wäre 0 - 500mA bei 0 - 30V. Mit Op-Amps habe ich keine Erfahrung und ein INA138 z.B. erscheint mir ungeeignet wegen dem Messbereich. Hilfreich wäre ein Link oder Schaltplan zu so einer Strommessung. Einfach gesagt wie in einem Multimeter. Eine Auflösung von 1mA wäre toll.
Alda schrieb: > Eine Auflösung von 1mA wäre toll. Die Auflösung hängt von deinem AVR ab. Das hat mit dem Schaltplan wenig zu tun, solange der Wandlerbereich vernünftig genutzt wird. Die Spannung kannst du mit einem Spannungteiler und einem Pufferverstärker anpassen. Für die Strommessung empfiehlt sich ein Shunt, z.B. 0,1Ω und ein Verstärker, passend zu dem Aussteuerbereich deines AVR.
....das einfachste ohne OpAMP ect. ist ein Neben - Widerstand oder auch Shunt genandt ! Dein AVR hat einen 10 Bit ADC (Analog-Digital-Converter), wenn möglich auf Differenz-Messen eistellen, dadurch reduziert sich aber, die Anzahl der Eingänge, auf die hälfte z.B. Single Mode = 4 Eingänge. Diff. Mode = 2 Eingänge !!! Dann einen nieder Ohmigen Widerstand in die Plus (nur bei Diff. Mode) einbinden z.B. 1 Ohm dann fällt am Widerstand proportional zum Strom die Spannung ab, das heist bei 500mA fallen am Widerstand 500mV ab, du misst also eine Spannung und dadurch indirekt den Strom ! + ----[ R ]---- >>> Verbraucher >>> | Masse | | | Diff.SPG | + - Aber Achtung ....die Leistung nicht vergessen in diesem Beispiel muss der Widerstand schon 0,25 W abkönnen. (P=U*I) 500mV*500mA = 0,25 Watt Jetzt braucht der ADC noch eine Referenzspannung, wenn du als Ref. 500mV nimmst dann hast du eine Auflösung von 500mV/1024 Bit = 480µV entspricht dann 480µA also sehr kleine Ströme !!! Bei 1 Volt als Ref. ist die Auflösung logischer weise dann halb so groß, also 1V/1024 Bit = 976µV das ist fast 1mV bzw. dann fast 1mA , so wie du es gerne hättest ! Jetzt noch kurz zum Single-Mode ein paar Wörter ! Im Prinzip ist die Messung identisch, Unterschied hier, der Widerstand ist nicht in der Plusleitung, sondern in der Minusleitung also nach dem Verbraucher das letzte Glied, das dann mit Minus oder der Masse verbunden ist und deine Eingänge am µC reduzieren sich nicht ! +++ >>>>Verbraucher>>>>> ---[R 1 Ohm]---| Masse | | | Hier fällt Spannung ab, die du zum Strom messen verwenden kannst. Du kannst das auch mal mit einem Multimeter probieren bei 500mA, wirst du hier 500mV gegen Masse messen, egal wie hoch die Spannung ist 12V, 15V oder 25V ...das ist der einfachste Weg und leider mit einem Hacken verbunden, die Spannung die am Widerstand abfällt (500mV bei 500mA) gehen dem Verbraucher ab !!! Wenn dir das zu viel ist, dann kannst du auch einen 0,1 Ohm Widerstand verwenden.....es bleibt alles gleich, unterschied 500mA entsprechen dann 50mV und am Verbraucher gehen dann nur 50mV ab ! Es gibt natürlich jede menge Sensoren und Bauteile auf dem Elektronikmarkt, sind aber in der Regel nicht günstig ! schönen Gruß :-)
Hab da einen Fehler endeckt ! der ADC hat nicht 1024 Bit, sonder 10 Bit das sind aber 1024 Schritte !!! die Rechnung stimmt aber trotzdem !!!!
@Franz Wenn er den Shunt in die positive Leitung hängt, dann hat er bei seinen 30V Eingangsspannung ein kleines Problem. Zudem kann er auch den Widerstand in die Masseleitung legen und eine differenzielle Messung machen. @Alda Im AVR gibt es auch Verstärker. Also hier mein Vorschlag ergänzend zu Franz. Nimm ein Shunt mit 0,1 oder 0,05 Ohm (von mir aus auch was in der Nähe) und baue ihn so ein: 5V---+ | __|__ | p|____H3 | n|____GND | p|____________ <-- positiver Eingang | µC n|_ | <-- negativer Eingang |_____| | | | | | GND--+----+-[SHUNT]--+ | | H1 H2 H1: Hier kommt GND der Spannungsquelle dran H2: Hier gehts zum Verbraucher H3: Hier müsste noch ein Spannungsteiler ran und um die Spannung der Spannungsquelle zu messen. (für die Leistungsmessung) An den unteren Analogeingang bekommst Du bei 0,5A und 0,1Ohm Shunt eine Spannung von 0,05V. Die kannst Du mit der richtigen Einstellung intern auf 1V verstärken (Gain 20x steht im Datenblatt). Das würde für eine interne Referenz von 1,1V ganz gut passen, die gibts bei manchen AVRs. Für H3 musst du, weil Du differentielle Messung eingestellt hast, den Negativen Pin auf Masse legen. Der Spannungsteiler sollte bei 30V etwa bei 29:1 liegen, damit du wieder auf die 1V kommst. Wenn weitere Fragen sind dann frag, denn ich denke das bekommst Du auch ohne Beispiel hin. Gruß Steven
Hallo Steven, das klingt nach der perfekten Lösung, vor allem weil ich ohne zusätzliche Bauteile auskomme. Leider habe ich noch nie mit dem differential mode gearbeitet. Welche AVR können das? Gibt es eine Liste oder muss ich alle Datenblätter durchkämmen? Außer der Strom und Spannungsmessung muss der AVR nur ein LCD ansteuern, mehr als 12 IOs brauche ich also nicht. Empfehlungen?
Hallo Alda, musst leider einfach mal die Datenblätter durchgucken. Aber mit den Listen auf Atmel.com ist es nicht sonderlich schwierig, weil die Pincounts dahinterstehen. Vielleicht reicht Dir ja ein ATiny26 oder ähnliches. Atmega 8 bzw 88 hat es leider nicht. mal sehen ob sich schnell eine Liste machen lässt Gruß Steven
Also ich war mal so frei und hab wenigstens die Tinys etwas zusammengefasst. ...bis ich gemerkt habe, dass es schone ein Artikel gibt. Meine Tabelle: Benutzer:Ovular Artikel: AVR Typen Gruß Steven
ich möchte mich an dieser Stelle mal einklinken: ich würde gerne ebenfalls mit einer Strommessung experimentieren, jedoch im Bereich von 5-15A bei ca. 8V. Welcher Shuntwiderstand wäre hierfür praktikabel wenn man möglichst geringen Spannungsabfall und eine Messbarkeit ohne OpAmp am z.Bsp. Tiny85 anstrebt? Meine Überlegung dahingehend sind: Shunt: 0.018 Ohm = Spannungsabfall: 0.18 V = Verlustleistung: 1.79 W Wie baut man einen solchen Shuntwiderstand in der Regel? Gibt es hierfür fertige Bauteile (bin bei den einschlägigen Versendern leider nicht fündig geworden) oder berechnet man sich einen Abschnitt Leiterbahn auf der Platine? Ließen sich nach eurer Erfahrung die 0.18 V mit einer angestrebten Genauigkeit von 0,25A mit dem tiny85 messen? Weiterhin eine entscheidende Frage die mich beschäftigt: Ich regele die Last (Induktivität) mittels PWM, die Messung müsste dann ja während des durchgeschalteten Zeitraumes erfolgen. Das Durchschalten erfolgt über einen N-Ch-Mosfet IRFP460, könnte man den Innenwiderstand des Mosfets selbst als Shunt verwenden? Weiterhin stellt sich mir die Frage zu welchem Zeitpunkt die Messung erfolgen sollte. Lässt man hier eine gewisse Zeit verstreichen bis sich die Last "eingeschwungen" hat, oder ist das nebensächlich? Gruß, marx
marx schrieb: > Wie baut man einen solchen Shuntwiderstand in der Regel? Du kannst Dir schon einen bauen. Zum Ausmessen kannst Du einen hohen Strom durchschicken (am besten mit konstant eingestelltem Strom), ihn messen und dann die Spannung, die über ihm abfällt messen. So geht es ganz gut mit den "Hausmitteln" Wenn Du dir einen guten Shunt bauen willst, würde ich dir Konstantandraht empfehlen. Der ändert mit der Temperatur nicht so schnell sein Widerstand. In einigen Multimeter dürfte auch ein solcher verbaut sein. Mein Billig-Multimeter von einer Messe hat ungefähr 0,022Ohm. Jedoch sinkt der Widerstand solange Strom durchfließt. Mein Fluke hat ungefähr 0,078Ohm bleibt dafür aber relativ konstant. Was auch immer man jetzt damit anfangen kann. Jedenfalls sind wenigstens in den billigen MM solche Drähte verbaut, die wahrscheinlich aus Konstantan sind. marx schrieb: > Ließen sich nach eurer Erfahrung die 0.18 V mit einer angestrebten > Genauigkeit von 0,25A mit dem tiny85 messen? Das messen ist kein Problem, beispielsweise eher zu wissen bei welchem Strom der Fehler am größten ist.# marx schrieb: > Ich regele die Last (Induktivität) Also um einen gemittelten Strom zu messen (damit man auch alles mitbekommt), würde zwischen Shunt und µC ein Tiefpass einbauen. Der glättet Dir die vom Shunt kommende Spannung und macht Dir ein "Effektivwert", sozusagen. ... Natürlich kann man alles auch irgendwie besser machen, man muss halt was wissen und Ideen haben. Wer Lust hat kann auch sein Shunt auf konstante Temperatur halten, damit die dR/dt (Widstandsänderung) möglichst gering ist. Wenn ich so überlege wäre ein kleiner Tipp bei einem Konstantandraht in einer Platine folgender: Konstantandraht __________________ a --> | | <-- b ____________|__________________|________________ Platine | | Mache den Abgriff für die Spannungsmessung nicht auf der Platine per Leiterbahn an die Lötaugen zum Konstantandraht, sondern Löte zwei Drähte (a und b) direkt an den Konstantandraht. So vermeidet man den sich stärker ändernden Widerstand des Lötzinns. (das ist eine Idee, die mir Spontan einfiel) Jemand, der viel mehr Strom ziehen will oder einen geringeren Widerstand braucht, nimmt sowas: http://www.conrad.de/ce/de/product/120920/ (gibts auch noch andere Typen) EDIT gerade noch gefunden: http://www.conrad.de/ce/de/product/126810/ oder den hier http://www.conrad.de/ce/de/product/447366/ der Behebt auch gleichzeitig das Problem, den ich mit obiger Idee umgehen wollte. Gruß Steven
Hallo Steven, herzlichen Dank für deine Antworten! Bei einer Frage würde ich dennoch gerne nochmal nachhaken: Bei solch einer PWM gesteuerten Last die per Mosfet geschaltet wird existiert ja aufgrund des Innenwiderstands des Mosfets Spannung ab die sich auch zumeist genau in diesem Bereich eines Shunts bewegt. Spricht hier etwas dagegen dies als Messgröße zu verwenden? Gruß, marx
marx, marx schrieb: > Spricht hier etwas dagegen Naja, dann müsstest Du wenigstents die Temperatur rausrechnen. Wenn er kalt bleibt geht es vielleicht noch, aber wenn sich die Raumtemperatur ändern stimmts auch wieder nicht. R_DS_ON ist stark von der Temperatur abhängig und das nichtmal linear. Also wenn Du keinen Wert auf Genauigkeit legst, gerne. Aber dann weist Du immernoch nicht, wie weit er gerade durchgeschaltet hat. Also von sowas ist allgemein abzuraten. Ich habe mal in ein Auto mit elektrischen Fensterheber den Strom über die gesamte Zuleitung vom Leitungskasten zum Motor als Shunt genommen. Da habe ich aber nur gemessen ob sich der Strom stark ändert, um abzuschalten, wenn die Scheibe oben ist. Es hat schon ein Grund, warum es Shunts (aus Konstantan) gibt. Gruß Steven
Hallo Marx, das geht schon. Hab ich auch schon gemacht. Es ist aber wie Steven schon sagte, recht ungenau. Daher eignet sich die Methode eher zur Begrenzung als zu Messung. Bei geeignter Auslegung kann man damit recht gut "Knicke" durch Sättigung (Spulenkern, Transistor) oder zusammenbrechende Gegen-EMK (Motor blockiert) Erkennen. Wenn ich mich recht erinnere wird das in einigen selbstschwingenden Netzteilen ebenfalls genutzt um umzuschalten. In diesen Situationen braucht der genaue Grenzwert oft nicht perfekt zu stimmen, da durch den steilen Stromanstieg jeder in weiten Bereichen beliebige Grenzwert sehr zeitnah überschritten wird.
Hallo Steven, hallo carsten, Die Anwendung geht auch in die Richtung der Begrenzung. Danke für die Erläuterungen! :) Gruß, marx
Dann hast du damit eine Möglichkeit. Sättigung ist das Zauberwort. Um es kurz zu halten schreibe ich im Folgenden für Transistor/Fet stellvertretend einfach Transe. Jetzt ist nur noch die Frage was Du genau vorhast. Ist es eine Art Überlastsicherung bei der die Last in Sättigung geht, so kommt die diese Eigenchaft entgegen. Der Strom geht hoch und treibt die Transe bei geeigneter Auslegung ebenfalls in die Sättigung. Das erzeugt den Spannungsanstieg an der Transe. Diese Anstieg bei Sättigung ist viel markanter und leichter zu erkennen als an einem Shunt. Willst Du die Last aber Regeln, ohne daß sie an die Sättigungsgrenze kommt, also Leistungsregelung und keine Überlastabschaltung, so fehlt Dir der steile Stromanstieg durch die Last. In diesem Fall muß die Auslegung also präziser erfolgen. Die Leistung Regelst Du dann direkt über das Verschieben der "Sättigungsgrenze" der Transe. Das System wird an dieser Grenze betrieben, während sich dagegen bei der Überlastsicherung das System von selbst an der Sättigugsgrenze der Transe fängt und ansonsten unabhängig von diese Grenze arbeitet. Für näheres Verständnis empfehle ich Dir die Lektüre zum Thema Konstantstromquelle. Da ist es das gleiche Prinzip. Unterhalb des Konstantstroms belastet verhält sich die Tanse (nieder)ohmig und der Spannungsabfall ist gering. Bei erreichen des Kostantstroms knickt die Kennlinie und die gesamte Restspannung die nicht benötigt wird um über die Last den Nennstrom zu erzeugen fällt an der Transe (und einem Serienwiederstand) ab. Der Unterschied besteht darin daß man eine Konstantstromquelle "oberhalb" des Nennstroms betreibt, wo die Transe "hochohmig" in Sättigung betrieben wird. Hochohmig ist nicht die ganz korrekte Vokabel, da der Widerstand bei minimalstem Stromanstieg hier rapide zunimmt, also dynamisch ist. Das ist ja gerade der Trick. Im Gegensatz dazu willst du die Konstruktion unterhalb des Nennstroms betreiben, wo sich die Transe tatsächlich sehr (nieder)ohmig verhält. Dadurch hast Du im Nennstrom eine geringe Verlustleistung aber trotzdem ein deutliches Singnal an der Schaltgrenze. Willst Du die Leistung in Einheiten/Watt vorgeben wird es frickelig die Leistung mit der Sättigungsgrenze der Transe in Einklang zu bringen und zu passend zu skalieren. Willst Du nur irgendwie die Leistung skalieren, eventuell Stumpf per Poti, wo es dir egal ist ob z. B. 23 Watt bei einer Potidrehung von 42 Grad oder 52 Grad umgesetzt werden, dann ist diese Methode ähnlich simpel wie die Shuntlösung, aber mit schärferer Ansprechschwelle.
Dazu hätte ich eine Frage. Ich experimentiere als gefährlich halbwissender Wanna-Be-Elektroniker gerade mit der LTSpice Simulation einer 2-stufigen Transistorschaltung um die reale Schaltung zu optimieren und habe da noch ein paar Transistor-Wissensmängel. 1. Stufe BC547 um das Signal vom uC zu verstärken (Strom) und damit einen BD139 anzusprechen, der 6 IR-LEDs mit 1,9+ Forward Voltage treiben soll sodass sie 1A Strom bekommen (gepulst, Duty Cycle 20%). Nun hätte mich interessiert, wie ich das mit der Sättigung verstehen soll ... wann und warum geht die Transe in die Sättigung? Ist es denn so, dass dann wenn der BD139 seine Ic Grenze erreicht die Uce hochgeht? Und deshalb geht der hfe in den Keller, was ja bei den Transendiagrammen meist so ist, dass mit steigendem Ic der hfe runtergeht.
Die Antworten sind ja und Jain. Der klassische Verglich mit Wasser (ich weiß es hinkt). Der Basisstrom bzw die Gatespannung gibt vor die weit das Ventil geöffnet ist. Die Spannung ist der Wasserstand. Solange der Waserstand noch nicht den ganzen geöffneten Teil des Ventils verdeckt wird jede Erhöhung des Zustroms mit einer geringen Spannungserhöhung beantwortet. Es wird ein größerer Anteil des geöffneten Querschnitts genutzt und der Pegel steigt nicht weiter. Das system fängt sich. Ist das Ventil komplett verdeckt bzw der geöffnete Querschnitt, funktioniert dies nicht mehr und der Pegel steigt, der Druck nimmt zu. Die bloße Druckerhöhung erhöht den Strom nur geringfügig im Vergleich zu einer Querschnittserhöhung. Konrad G. schrieb: > Ist es denn so, dass dann wenn der BD139 seine Ic Grenze erreicht die > Uce hochgeht? Das ist sehr nahe dran. Jetzt ist nur die Frage was du mit Ic-Grenze meinst. Ic ist nur nicht Fix sondern begrenzt Abhängig vom Öffnungsgrad, welcher mit "maximal offen" berenzt ist. (Begrenzung der Begrenzungsgrenze o.O) Ich hoffe das klingt nicht zu konfus. Nun ist die Frage ob Du mit Ic-Grenze den maximalen Ist-Strom bei Ist-Öffnungsgrad oder den maximalen Strom bei "maximal offen" meinst. So oder so passiert wenn Ic die aktuelle Grenze erreich genau das was Du beschreibst. Um das Verschieben der Grenze ging es in meinem vorherigen Beitrag. Die Unterscheidung ist aber für den Zweiten Teil relevant. Mein Gebrauch der Wortes Sättigung ist zugegeben nicht ganz korrekt. Die klassische Sättigung bezieht sich auf den maximalstrom bei "maximal offen", wohin ich es auch bei Maximalstrom bei aktuellem Öffungsgrad gebrauche. Ich bin mir da gerade nicht sicher ob es dafür ein anderes Wort gibt (mein Gedächtnis...). Im Folgenden nenne ich es daher mal Teilsättigung. Konrad G. schrieb: > Und deshalb geht der hfe in den Keller, was ja bei den Transendiagrammen > meist so ist, dass mit steigendem Ic der hfe runtergeht. Da ist es ein wenig komplexer. hfe geht nicht in den Keller weil die Transe sättigt sondern weil sich das Verhältnis Ib zu Ic verschlechtert. Und das liegt daran, daß ich zu Beginn die Ic-Grenze/Teilsättigung bzw. den Öffnungsgrad durch erhöhen von Ib noch leicht nach oben verschieben kann. Das wird zunehmend schwieriger bis ich nahe "maximal offen" so gut wie nichts mehr bewirken kann. Ein Erhöhen von Ib bewirkt also zunehmend weniger. Diese Phase nennt man Kompression. Bei "maximal offen" ist dann Schluß und ich wäre bei der klassischen Sättigung. Dann würde ein verdoppeln von Ib nichts bewirken und sich rechnerisch die Verstärkung halbieren. Irgendwann kann ich aber nicht einmal mehr Ib erhöhen, es sei denn ich zerstöre die Transe. hfe verschlechtert sich schon vor der Sättigung, also zu einem Zeitpunkt wo eine Erhöhung von Ic duch Ib noch möglich ist.
Uff, danke :-) Musste ich jetzt 3x durchlesen, aber ich denke mir ist einigermassen klar, was Du meinst. Ist ein Denkmodell mit dem ich was anfangen kann. Ich bezog mich mit Ic max auf den Maximalstrom des Transistors, also Ib max und Ic max. Wenn ich also Richtung Ic max komme dann erhöht sich auch die Uce?
Hallo Carsten, es steht ja viel Text da, aber es ist leider tatsächlich etwas schwer deinen Gedanken zu folgen. Was bezeichnest Du denn bei einer Last als Sättigung? Wenn eine Last eine Spannung "bekommt", "nimmt" sie sich den Strom den sie braucht. Wo ist die Sättigung? Carsten R. schrieb: > zum Thema > Konstantstromquelle. Da ist es das gleiche Prinzip. Unterhalb des > Konstantstroms belastet verhält sich die Tanse (nieder)ohmig und der > Spannungsabfall ist gering. Bei erreichen des Kostantstroms knickt die > Kennlinie und die gesamte Restspannung... Du gibst den Leuten die es lesen und wenig Ahnung haben die Vermutung dass das alles im Transistor passiert. Jedoch ist der gesamte Aufbau einer solchen Schaltung für das Verhalten verantwortlich. Ich will Dich nicht angreifen, aber verstehen was Du gemeint hast. Bitte schreib mal was Deine Sättigung ist und wie Du damit Strom misst. Gruß Steven
Es ging ja darum ob man eine Transe als Shunt nehmen kann. Daher habe ich das Verhalten der Transe und des Strom- und Spannungsverhaltens an dieser beleuchtet. Gut das Du auf die externe Beschaltung hinweist mit der man dieses Verhalten beeinflußt. Ich hatte dies nur mit Veränderung von Ib beschrieben. Dazu braucht man natürlich Hühnerfutter. ;-) Steven () schrieb: > Wenn eine Last eine Spannung "bekommt", "nimmt" sie sich den Strom den > sie braucht. > Wo ist die Sättigung? Marx wollte dies als alternative zum Shunt bei einer induktiven Last nehmen. Dabei ist der Begriff Sättigung eindeutig definiert als der Zustand in dem (fast) keine weitere elektrische Energie in magnetische Energie mehr umgewandelt und eingespeichert werden kann. Dadurch bricht die Gegeninduktionsspannung zusammen. In dem Moment schrumpft der Widerstand, genauer gesagt die Impedanz, auf den Ohmschen Widerstand der Spule zusammen und der Stromfluß steigt rapide an. Fast die gesammte Leistung wird nun von der Spule in Wärme umgesetzt. Sie nimmt sich also plötzlich sehr viel mehr. Die Sättigung einer Transe verläuft umgekehrt, der Widerstand steigt. Spule und Transe in Reihe ergeben so einen Spannungsteiler. Geht einer der beiden in Sättigung verschiebt sich der Teiler. Geht dann der Zweite auch in Sättigung erfolgt noch eine Verschiebung in die selbe Richtung, was das Signal noch verstärkt. Praktisch. Geht die Last nicht in Sättigung habe ich nur die Widerstandsänderung an der Transe und muß etwas genauer planen. Bei ohmschen Lasten gibt es natürlich keine Sättigung, aber da braucht ich auch keinen Shunt. Da nimmt sich die Last immer vorhersagbar viel Strom in Abhängigkeit von der Spannung.
Konrad G. schrieb: > Wenn ich also Richtung Ic max komme dann erhöht sich auch die Uce? Ganz genau. Man kann zu Beginn zwar durch Erhöhung von Ib gegenlenken. Aber irgendann ist das ausgereizt und die Spannung schießt hoch und bremst dadurch den Stromfluß. Es sei denn sie schießt so hoch, daß die Sperrspannung überschritten wird und die Transe geröstet wird. ”Dann sah man nur noch Trümmer rauchen, der Rest war nicht mehr zu gebrauchen”. :D
Hallo Carsten, ich bin begeistert, danke für die Ausführungen! Konrad und Steven haben hierbei noch tragende Punkte beleuchtet. Super! Nun muss ich das Ganze in der Praxis nachvollziehen. Gruß, marx
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