DC Strom messen mit 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 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

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

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.

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