Announcement: there is an English version of this forum on Hallo, ich bin gerade dabei die Strommessung für eine elektronische Last zu dimensionieren. Dabei möchte ich die Spannung an einem Low-Side Shunt 0,1R(0,5% und 5ppm/°C) bei einem Maximalstrom von 5A mit 1 mA Genauigkeit innerhalb eines Temperaturbereiches von 20-50°C messen können. Ich habe hier zwei verschiedene Ansätze: A.) Shuntspannung von 500mV(@5A) mit einem OPV um Faktor 8 verstärken und dann mit einem ADC(14 Bit) an einer 4,096V Referenz erfassen. Vorteil: - Ausnutzung des vollen ADC Messbereich mit handelsüblichen Referenzspannungen Herausforderung: - Widerstände, OPV, Referenzspannungsquelle und ADC müssten relativ niedrige Temperaturkoeffizienten aufweisen um bei einem Delta von 30K die gewünschte Genauigkeit aufrechtzuerhalten. B.) Shuntspannung von 500mV(@5A) direkt mit dem ADC messen und die Vref auf ca. 550 mV einstellen. Vorteil: - Nur TempCo des ADC und der Referenzspannungsquelle müssten zusätzlich zum Shunt betrachtet werden. - Keine Offsetspannungskorrektur des OPV´s notwendig Herausforderung: - Bei meiner Rechereche habe ich bisher keine ADC´s gefunden, die mit entsprechendem TempCo mit einer VRef von unter 1V zuverkässig arbeiten. - Spannungsteiler mit geringem TempCo zu Herunterteilen einer bspw. 1,25V Referenzspannung auf ca. 550mV - Kann ich ohne Verstärkung meine Genauigkeit von 1mA(100µV) zuverlässig erfassen? Randbedingung: - Die Zeit zum Erfassen des Stromwertes sollte 1 ms nicht übersteigen. - Das Ganze möchte ich gern noch per Hand löten können :-) Welchen Ansatz würdet Ihr bevorzugen, bzw. seht ihr einen besseren Weg um diese Genauigkeit zu erreichen? Welche ADC/OPV Kombination könnt Ihr in Hinblick auf den TempCo empfehlen? Danke und Gruß Stefan
Stefan D. schrieb: > strom von 5A mit 1 mA messen können. Das ist eine Genauigkeit, die selbst Spitzenmultimeter kaum erreichen. Ich denke, da musst Du Deine Ansprüche herunterschrauben.
Es gibt drurchaus ADCs die direkt mit so niedrigen Spannungen klar kommen, z.B. LTC2400 oder MCP3421. Nur sind die nicht schnell genug, bzw. haben die beiden bei 1 ms Wandlungszeit nicht mehr die genügende Auflösung. Spontan einfallen würden mir als ADCs da MCP3911 oder LTC2440 (bzw. ähnliche) - da geht es auch ohne Verstärkung. Als Verstärkung würde sich ein guter OP, ggf. auch als Autozero Version anbieten. Etwa AD8551 oder MCP6V31. Mit der Masse muss man aber aufpassen und der ADC sollte einen Differenzeingang haben. Wegen der Eigenerwärmung des Shunts wären ggf. auch weniger als 0.1 Ohm passender.
@ Lurchi (Gast) >Wegen der Eigenerwärmung des Shunts wären ggf. auch weniger als 0.1 Ohm >passender. Alles relativ. Wenn der 0R1 Shunt sehr groß ist, wird er nicht sonderlich warm (sind ja nur 2,5W).
Zudem muss der A/D Wandler nicht den gleichen niedrigen Tk des Shunts haben, wenn der WShunt so platziert wuird, dass er nicht den Rest der Schaltung erwärmt. Es erwärmt sich ja typisch nur der Shunt, nicht der A/D Wandler oder der Verstärker. Für die Genauigkeit sollte man dann vieleicht über eine gleichmäßige Temperierung der restlichen Schaltung nachdenken. Zumindest wenn nicht gelten soll: Harald W. schrieb: > Das ist eine Genauigkeit, die selbst Spitzenmultimeter kaum erreichen. > Ich denke, da musst Du Deine Ansprüche herunterschrauben.
Was soll das eigentlich wieder werden? Eine Last die für 3A genauso gut zu benutzen ist wie für 30mA? Bruchst du wirklich eine Dynamik über 4 3/4 Dekaden? Wenn nicht mach den Shunt umschaltbar, oder baue eine 2. kleinere Last. Warum einen A/D Wandler? Willst du die Regelung wirklich über Software machen? Wenn würde ich nur die Sollwertvorgabe über den µC machen und die Regelung ganz klassisch über Op.
Lurchi schrieb: > Es gibt drurchaus ADCs die direkt mit so niedrigen Spannungen klar > kommen, z.B. LTC2400 oder MCP3421. Nur sind die nicht schnell genug, > bzw. haben die beiden bei 1 ms Wandlungszeit nicht mehr die genügende > Auflösung. > > Spontan einfallen würden mir als ADCs da MCP3911 oder LTC2440 (bzw. > ähnliche) - da geht es auch ohne Verstärkung. > > Als Verstärkung würde sich ein guter OP, ggf. auch als Autozero Version > anbieten. Etwa AD8551 oder MCP6V31. Mit der Masse muss man aber > aufpassen und der ADC sollte einen Differenzeingang haben. > > > Wegen der Eigenerwärmung des Shunts wären ggf. auch weniger als 0.1 Ohm > passender. Hallo Lurchi, vielen Dank für Deine Tips, möglicherweise kann ich die Wandlungszeit noch etwas nach oben setzen. Mein Ziel ist eine schnelle Regelung per OPV zu haben und den Wert des ADC nur zur langsamen Nachregelung des Sollwertes per DAC/Filter PWM(noch nicht entschieden) zu nutzen. Der Shunt(SHR 4-2321) verträgt 3W ohne bzw 40W mit separaten Kühlkörper. Ein kleiner Kühlkörper wird spendiert. Den ADC hätte ich gern relativ nah an den Messanschlüssen um Einstreuungen zu minimieren. @Der Andere Die Last soll ca. 30 Watt verbraten können, daher würde ich schon davon ausgehen, dass der ADC sich zumindest etwas mit erwärmen wird. Wenn ich eine Lösung für diese Dynamik mit meinen Mitteln hinbekomme dann gerne innerhalb eines Gerätes. Wo denkst Du, dass die größten Hürden liegen?
Stefan D. schrieb: > Wo denkst Du, dass die größten Hürden liegen? An der geforderten Genauigkeit von 0,02% Stefan D. schrieb: > Die Last soll ca. 30 Watt verbraten können, daher würde ich schon davon > ausgehen, dass der ADC sich zumindest etwas mit erwärmen wird. Kommt darauf an ob du den ADC an oder über die Leistungsbauteile plazierst, oder so, dass sie die kühle Zuluft bekommen.
Der Andere schrieb: > Stefan D. schrieb: >> Wo denkst Du, dass die größten Hürden liegen? > > An der geforderten Genauigkeit von 0,02% > Wenn ich jetzt mit folgendem Ansatz starte sollte das doch möglich sein? Messrate runter auf ca. 25 Hz(damit der ADC mehr Zeit zum mitteln hat) Shunt(max 500mV) -> Filter -> 24-Bit ADC (bsp AD7793) mit externer Referenz LTC6655BHMS8-1.25 Das ganze sauber gelayoutet sollte ich für 20°C-40°C im Bereich des Shunts und 20-30°C im Bereich der restlichen Bauteile auf folgenden max. Fehler kommen: Shunt +/-5ppm/°C -> 100ppm/20°C @ 500mv -> 50µV Ref +/-2ppm/°C -> 20ppm/10°C @ 1,25V -> 25µV ADC 15ppm Integral Nonlinearity @ 500mV -> 8µV ADC Gain Drift vs. Temp 1 ppm/°C-> 10ppm/10°C -> 13µV ADC Offset Error +/-1 µV -> 1µV ADC Full Scale Error +/-10µV -> 10µV Summe max. 107µV Bei meiner gewünschten Auflösung von 1mA(100µV) bei 5A(500mV) max bin ich also bei maximalen Abweichungen schon ziemlich nahe dran - damit kann ich leben :-). Vom ADC benötige ich dann nur eine Auflösung von ca. 14 Bit um sicher unterscheiden zu können, aber das sollte ja möglich sein. Was hab ich übersehen, oder wo liege ich falsch, habt ihr einen Tip für einen besseren Ansatz? Danke und Gruß
Interessant waere auch gewesen, was das Ganze soll. Bei einem kleineren Shunt waere das Temperaturproblem weniger ausgepraegt. Das Layout ist auch nicht trivial
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Nimm einen Shunt mit Vierleiter-Anschluss und einen Instrumentenverstärker mit integrierten Widerständen. Als Beispiel: PGA 205 kann v=8. Für V=10 gibt es etwas mehr Auswahl z. B. LT1101, falls du einen passenden Shunt findest. Problemchen gelöst.
Stefan D. schrieb: > Summe max. 107µV > Was hab ich übersehen, In Deiner µV-Rechnung vbermisse ich die unvermeidlichen Thermospannungen.
Stefan D. schrieb: > Mein Ziel ist eine schnelle Regelung per OPV zu haben und den Wert des > ADC nur zur langsamen Nachregelung des Sollwertes per DAC/Filter > PWM(noch nicht entschieden) zu nutzen. Könnte man durchaus so machen. Vorschlag: Setz doch mal einen Testaufbau an, und schau wie weit das tragfähig ist. > > Der Shunt(SHR 4-2321) verträgt 3W ohne bzw 40W mit separaten Kühlkörper. > Ein kleiner Kühlkörper wird spendiert. Das muß sein mit dem KK. Bei 2,5 W Leistungsumsatz @ 5A wird der Shunt ohne KK sehr warm -- was Dir auch bei 5 ppm Tempco die Genauigkeit deutlich beeinflußt. Hier gilt: GUT kühlen ist sinnvoll. > Den ADC hätte ich gern relativ > nah an den Messanschlüssen um Einstreuungen zu minimieren. Das ist bei passender Filterung und Schrimung weniger kritisch.
Stefan D. schrieb: > Welchen Ansatz würdet Ihr bevorzugen, bzw. seht ihr einen besseren Weg > um diese Genauigkeit zu erreichen? > Welche ADC/OPV Kombination könnt Ihr in Hinblick auf den TempCo > empfehlen? Du könntest auch überlegen mittels Peltier-Element oder ähnliches den ADC/OPV/Referenzquelle immer auf einer bestimmten Temperatur halten, das könnte der geforderten Temperaturstabilität zugute kommen.
Das Peltier-Element ist ein super Plan. Braucht leider bisschen Energie... Es wäre vermutlich besser,den Shunt etwas kleiner zu wählen und etwas mehr Geld für den Instrumentenverstärker auszugeben.
ths schrieb: > Das Peltier-Element ist ein super Plan. Braucht leider bisschen > Energie... > > Es wäre vermutlich besser,den Shunt etwas kleiner zu wählen und etwas > mehr Geld für den Instrumentenverstärker auszugeben. Ja, aber so wie ich den TE verstanden habe muss er über einen Bereich von 30K genau messen. Mit einer entsprechenden Temperierung ist das recht einfach umsetzbar. Ohne Temperierung…also nur für 12 bit bräuchte man dann schon eine Referenzquelle die auf 4 ppm/K stabil ist, von 16 und mehr bit wollen wir mal nicht sprechen. Das ist schon nicht mehr ganz so einfach handhabbar. Und da das eh für eine elektronische Last sein soll: Wen interessiert da schon das bisschen Energie für das Peltier-Element?
Mit der Samplerate von ADC kann man deutich runter gehen. Ein Sigma Delta ADC und ein vielfaches von 20 ms sind schon gut. Es kann auch langsamer sein, wenn die OPs zur schnellen Regelung nicht ganz schlecht sind. Die Fehler darf man nicht so einfach als Spannungs addieren. Eher schon die relativen Änderungen.
ths schrieb: > Nimm einen Shunt mit Vierleiter-Anschluss und einen > Instrumentenverstärker mit integrierten Widerständen. Als Beispiel: PGA > 205 kann v=8. Für V=10 gibt es etwas mehr Auswahl z. B. LT1101, falls du > einen passenden Shunt findest. Problemchen gelöst. Darüber hatte ich auch schon nachgedacht. Damit könnte ich den vollen Bereich des ADC ausnutzen, allerdings verschlechert mir der PGA205 mit einen Tempco von 10ppm/°C weiter meine Genauigkeit. @Oder Doch, ja kleinerer Shunt wäre möglich, allerdings habe ich die bereits vorliegen und würde die, wenn der Aufwand vertretbar bleibt gerne nutzen. Ich möchte die Last gern auch als feineinstellbaren variablen Widerstand verwenden. @Harald Zu den Thermospannungen habe ich ehrlich gesagt garkeinen Ansatzpunkt in welchen Größenordnungen ich hier mit Störungen rechnen muss. Sprichst Du hier von bspw. den Kräften, die Leiterplatte auf den Shunt auswirkt? Hast Du hier eine Größenordnung für mich? @Andrew Für ausreichend Kühlung ist gesorgt. Habe bei Ebay diesen Kühlkörper dafür besorgt: http://www.ebay.de/itm/Kuhlkorper-Aluminium-ca-74-x-60-x-250-mm-20-CLIPS-1-Stuck-/311029584498?hash=item486aced272:g:qdQAAOSwnDZT11TO Der sollte, zusammen mit einem 60 mm Lüfter die 30 Watt locker wegbringen. @Michael Wie würdest Du das denn mit einem Peltierelement anstellen, Leiterplatte von unten kühlen oder Peltier von oben draufsetzen? Hast Du das schonmal gemacht und kannst für diesen Zweck einen Typ empfehlen? @Lurchi Dann sollte der maximale Fehler eher kleiner als 107 µV sein? Haltet Ihr den AD7793 für eine gute Wahl oder kennt jemand etwas Geeigneteres? Hatte auch den LT2440 im Auge, der soll aber laut "Arc Net" etwas schlechter im Hinblick auf Korrektur von Gain und Offset Fehlern sein Beitrag "Re: Suche rauscharme Spannungsversorgung für 24 bit ADC" Danke schonmal an Alle
So locker kriegt man die Waerme nicht weg. Waerme bedeutet bis zu 40uV Offset pro Grad, pro Uebergang. Zudem kommen mit einem Luefter Vibrationen rein, welche schnell mal mV Noise generieren. Dh die uV Genauigkeit kannst du vergessen. Das wird wesentlich aufwendiger.
Oder D. schrieb: > So locker kriegt man die Waerme nicht weg. Waerme bedeutet bis zu 40uV > Offset pro Grad, pro Uebergang. Zudem kommen mit einem Luefter > Vibrationen rein, welche schnell mal mV Noise generieren. Dh die uV > Genauigkeit kannst du vergessen. Das wird wesentlich aufwendiger. Noise im mV-Bereich durch Vibrationen des Lüfters? Wie soll das zusammenhängen?
Stefan D. schrieb: > bei einem Maximalstrom von 5A mit 1 mA > Genauigkeit innerhalb eines Temperaturbereiches von 20-50°C messen > können. Einen Strom mit einem Fehler von <= 200ppm über eine Delta T von 30°C messen zu wollen (Gesamt-TK 6,6ppm/K gerechnet ohne Initiale Abweichung!) würde Keysight oder Fluke zur Ehre gereichen.
>Noise im mV-Bereich durch Vibrationen des Lüfters? Wie soll das
zusammenhängen?
zB durch mikrophonische Komponenten. Wie zB Keramikkondensatoren. Die
hochkapazitiven SMD Keramikkondensatoren haben ein derart
ueberzuechtetes Dielektrikum, dass sie Piezoverhalten haben und daher
Vibrationen in Spannung wandeln koennen.
Es gibt auch Zero Drift instrumentenverstärker, z. B. LTC2053. Aber die meisten rauschen ein bisschen.
Hoppla, zu früh abgeschickt. Die Verstärkung erfolgt duch ein externes Widerstandsnetzwerk. Die kriegt man beliebig gut und teuer.
Oder D. schrieb: >>Noise im mV-Bereich durch Vibrationen des Lüfters? Wie soll das > zusammenhängen? > > zB durch mikrophonische Komponenten. Wie zB Keramikkondensatoren. Die > hochkapazitiven SMD Keramikkondensatoren haben ein derart > ueberzuechtetes Dielektrikum, dass sie Piezoverhalten haben und daher > Vibrationen in Spannung wandeln koennen. Ja ok, dann würde ich den Eingangsfilter mit Polyesterkondensatoren aufbauen. Danke für den Tip.
ths schrieb: > Es gibt auch Zero Drift instrumentenverstärker, z. B. LTC2053. Aber die > meisten rauschen ein bisschen. Ich sehe nur den Vorteil gegenüber meinem geplanten Aufbau nicht. Wenn ich die max. 500mV direkt in den AD7793 gebe, kann ich bequem mit Gain 1 auf einer 1,25V Referenz messen. Jedes weitere externe Teil bringt mir doch nur weitere Ungenauigkeiten ein. Oder habe ich Deinen Ansatz falsch verstanden?
ths schrieb: > Es gibt auch Zero Drift instrumentenverstärker, z. B. LTC2053. Aber die > meisten rauschen ein bisschen. ths schrieb: > Hoppla, zu früh abgeschickt. Die Verstärkung erfolgt duch ein externes > Widerstandsnetzwerk. Die kriegt man beliebig gut und teuer. Vieleicht liege ich ja falsch aber ich vermute mal: Das alles für eine elektronische Last mit dem dann wahrscheinlich nur LED Konstantstromquellen oder ähnliches geprüft werden sollen. Die Genauigkeitsanforderung ist nur deshalb so hoch weil eine einzige Last den ganzen Bereich von 1mA bis 5A abdecken soll. Eine 2. kleine Last bis 100mA wäre deutlich einfacher und ggf. auch per Umschaltung des Shunts (oder durch eine 2. Buchse und zwei Shunts) realisierbar. Falls es tatsächlich so hochgenau sein muss entschuldige ich mich schon mal vorab beim TO für meine falschen Vermutungen :-)
Vorschlag: Wie beim Quarzofen. Die gesamte Elektronik incl. ADC in ein thermostatisiertes Gehäuse mit 40 - 60 °C unterbringen. Ein NTC-Fühler reagiert sehr steil, Heizen mit Leistungstransistor, Regeln mit besser als 0,1°C ist kein Problem. Weniger Aufwand als ein Peltier mit 30% Wirkungsgrad, keine Spezialteile nötig. So wird alles driftfrei auf der analogen Seite, bis auf die Bauteilalterung. Gruß - Werner
Kleinere Shunt bringt weniger Wärme. Aber auch weniger Signal. Das macht dann nichts, wenn die Elektronik nicht nennenswert zum Fehlerbudget beiträgt. Also hochwertige und driftarme Instrumentenverstärker und Widerstsndsnetzwerke einsetzen. Musst du 200000 Digit auflösen, brauchst du am Shunt ca. 100 mV oder mehr (Erfahrungswert).
Mmmmh, ich habe das gerade mal bei Keysight nachgeschaut, um Fakten zu haben. Nehmen wir mal das 6,5-digit 34461A fuer um die 1000EUR. Da hat der 10 Ampere Bereich eine Spezifikation innherhalb 24h von 1 mA (range) + 0 bis 5 mA (reading) und zwar bei +/-1°C Tcal. Warum bauen die in die Kiste soviel Kram rein, wenn es doch mit einem Shunt und ADC getan ist?
Stefan D. schrieb: > Haltet Ihr den AD7793 für eine gute Wahl oder kennt jemand etwas > Geeigneteres? Hatte auch den LT2440 im Auge, der soll aber laut "Arc > Net" etwas schlechter im Hinblick auf Korrektur von Gain und Offset > Fehlern sein > Beitrag "Re: Suche rauscharme Spannungsversorgung für 24 bit ADC" Der AD7793 passt schon, wenn die zu beachtenden Parameter eingehalten werden (AIN Voltage Limits und Common-Mode-Voltage). p.s. zur Fehlerrechnung oben: da fehlt auch noch das P-P-Rauschen des ADCs Die meisten Fehler des ADCs (Gain-Drift, Offset- und Fullscale Error) lassen sich, wenn hin und wieder zwischen den Messungen noch Zeit für die interne Selbstkalibrierung ist, minimieren (Größenordnung dann, siehe Datenblatt, im Bereich des Rauschens bei der zur Kalibrierung gewählten Datenrate). Mittlerweile gäbe es auch bessere ADCs: z.B. AD7124-4, AD7175-2 oder ähnliche, die dann allerdings meist keine interne Fullscale-Kalibrierung haben. ths schrieb: > Nimm einen Shunt mit Vierleiter-Anschluss und einen > Instrumentenverstärker mit integrierten Widerständen. Als Beispiel: PGA > 205 kann v=8. Für V=10 gibt es etwas mehr Auswahl z. B. LT1101, falls du > einen passenden Shunt findest. Problemchen gelöst. Vierleiter-Anschluss ist ok, der Rest verursacht insb. mit den alternativen ADCs von oben nur mehr Fehler Harald W. schrieb: > In Deiner µV-Rechnung vbermisse ich > die unvermeidlichen Thermospannungen. Passendes Messprinzip... Etwas Overkill aber mal als Beispiel mit dem AD7175-2. Channel-Sequencer auf AIN0 - AIN1 AIN1 - AIN0 REF+ - REF- 1) REF- - REF+ D.h. einmal wird Voff + AIN0 - AIN1 und das andere Mal Voff + AIN1 - AIN0 gemessen -> (Voff + AIN0 - AIN1) - (Voff + AIN1 - AIN0) = 2 AIN0 - 2 AIN1 Die beiden Messungen der Referenzspannung können dann zur laufenden Kalibrierung des Fullscale-Fehlers genommen werden. Wenn 25 SPS pro Sekunde rauskommen sollen, können bei ~20 kSPS noch 200 Messungen gemittelt/zum Filtern genutzt werden -> RMS Rauschen dann ~340 nV. Ohne ständige Messung der Referenz wären es ~240 nV und reicht eine Messung/s ~50 nV RMS Bleibt die Referenzspannung: Z.B. LM399 und eine Vergleichsmessung gegen die interne Referenz (der AD7175-2 kann den nötigen Multiplexer direkt ansteuern...). 1) aus dem Datenblatt geht, falls ich nichts überlesen habe, nicht genau hervor, wie die Referenzspannung zum ADC kommt (vor oder hinter den Buffern...). Ansonsten ginge es auch extern
Du wirst den ADC Eingang bitte nicht direkt an den Shunt anschließen wollen. Bei Impulslast oder im Störfall brauchst du eine Schutzbeschaltung. Die ist am Instrumentenverstärker gut zu realisieren.
Dirk S. schrieb: > Nehmen wir mal das 6,5-digit 34461A fuer um die 1000EUR. Da hat der 10 > Ampere Bereich eine Spezifikation innherhalb 24h von 1 mA (range) + 0 > bis 5 mA (reading) und zwar bei +/-1°C Tcal. > > Warum bauen die in die Kiste soviel Kram rein, wenn es doch mit einem > Shunt und ADC getan ist? Fragen wir doch mal umgekehrt: Warum baut Stefan diese Kiste nicht in seine elektronische Last ein? Oder glaubt er, er kann es besser als Keysight?
Stefan D. schrieb: > @Michael > Wie würdest Du das denn mit einem Peltierelement anstellen, Leiterplatte > von unten kühlen oder Peltier von oben draufsetzen? Hast Du das schonmal > gemacht und kannst für diesen Zweck einen Typ empfehlen? Ja, habe ich schon mal gemacht für eine Photodiodenanwendung. Ich habe das Peltierelement damals von oben drauf gesetzt auf die Auswerte-Elektronik (PD, TIA und ADC). Eingesetzt hatte ich ein Peltierelement von Multicomp (glaub ich) mit max. 2 A. Für die Ansteuerung hab ich einen Motortreiber benutzt (den L298).
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