Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Arduino: Spannung potentialfrei messen


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von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Ich möchte Strom und Spannung einer Solaranlage primärseitig (also vor 
dem Wechselrichter) dauerhaft per MC messen. Für den Strom gibts diese 
schönen Stromsensoren (5,20,30A) auf Hall-Basis mit SPI-Ausgang.

Für Spannung konnte ich leider Nichts in der Form finden. Ein bei Ebay 
massenhaft angebotener "Spannungssensor" ist bei genauem Hinsehen 
lediglich ein SMD-Spannungsteiler, also nicht potentialfrei.

Nun könnte ich die Spannung ja auch per Stromsensor an einem Widerstand 
messen - leider beginnen diese erst bei 5A. Um da den Messbereich 
auszunutzen ist mir der Energieverlust zu hoch.

Kennt jemand ein Modul wie das hier, nur wesentlich empfindlicher (z.B. 
100mA)? Danke.

Ebay-Artikel Nr. 221862668175

: Bearbeitet durch User
von Patrick C. (pcrom)


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Ist es keine moeglichkeit um einen USB isolator ein zu setzen ?

von Harald W. (wilhelms)


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Frank E. schrieb:

> Für Spannung konnte ich leider Nichts in der Form finden.

Da gibts viele Möglichkeiten. "Klassisch" nimmt man einen Spannungs-
Frequenzwandler und schickt dessen Signal über einen Optokoppler.
Aber inzwischen gibt es ja auch jede Menge AD-Wandler, die über
eine serielle Schnittstelle verfügen. Auch deren Signal kann man
über OKs schicken.

von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Patrick C. schrieb:
> Ist es keine moeglichkeit um einen USB isolator ein zu setzen ?

Ich würde ungern den Arduino auf der Modulseite betreiben, ich möchte 
auch messen, wenn (fast) Nichts aus der Solaranlage kommt.

von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Harald W. schrieb:
> Frank E. schrieb:
>
>> Für Spannung konnte ich leider Nichts in der Form finden.
>
> Da gibts viele Möglichkeiten. "Klassisch" nimmt man einen Spannungs-
> Frequenzwandler und schickt dessen Signal über einen Optokoppler.
> Aber inzwischen gibt es ja auch jede Menge AD-Wandler, die über
> eine serielle Schnittstelle verfügen. Auch deren Signal kann man
> über OKs schicken.

Spannungs-Frequenz-Wandler klingt gut, kenne das Prinzip von 
Licht-Frequenz-Wandlern. Gibts da was Fertiges mit SPI oder i2c oder 
sonsig Arduino-freundlicher Schnittstelle?

von Georg (Gast)


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Frank E. schrieb:
> Für Spannung konnte ich leider Nichts in der Form finden.

Es gibt Trennverstärker für fast jeden Zweck. Allerdings ist das 
professionelle Technik und daher nicht billig, und ich glaube den 
chinesischen Nachahmern sind da die Stückzahlen zu gering.

Georg

von Peter II (Gast)


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Frank E. schrieb:
> Ich würde ungern den Arduino auf der Modulseite betreiben, ich möchte
> auch messen, wenn (fast) Nichts aus der Solaranlage kommt.

du kannst ja auch den Arduino extern (mit einen eignen Netzteil) 
versorgen.

von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Problematisch ist, dass ich einem Messbereich von 40V brauche (die 
Soarmodule liefern 36V) UND bis zu 30A.

Es gibt da diese Kombi-Sensoren mit INA216 oder MAX471 - aber die sind 
alle zu schwächlich. Könnte man da mit Strom- u. Spannungsteiler was 
ausrichten?

Auch bin ich mir nicht sicher, ob sie wirklich Potentioalfrei arbeiten 
... ?

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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Du musst eigentlich nicht potentialfrei messen, denn irgendwo ist das 
Potential der PV-Module angebunden. Du musst bloss differentell messen, 
am einfachsten mit einem fertigen Instrumentenverstärker wie INA117. Da 
du eigentlich nichts verstärken musst sondern abschwächen erst mal 2 
Spannungsteiler an das PV MOdul
1
    +---+--...
2
    |   |
3
    |  R1     +--R5--+----- +5V
4
    |   |     |      |
5
    |   +-----(-----|+\ MCP6N11
6
    |   |     |     |  >--- A/D
7
  + |  R2  +--(-----|-/
8
    |   |  |  |      | \
9
   PV   +--)--+--R6--+--+-- 0V deine Schaltung
10
    |   |  |  ^
11
  - |  R4  |  ca. 2.5V
12
    |   |  |
13
    |   +--+
14
    |   |
15
    |  R3
16
    |   |
17
    +---+--...

von Peter II (Gast)


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MaWin schrieb:
> Du musst eigentlich nicht potentialfrei messen, denn irgendwo ist das
> Potential der PV-Module angebunden.

sicher? Ich meine die Anlagen sind nicht verbunden. So kann es bei einem 
Defekt zu keinem Kurzschluss kommen. Auch haben einige Anlage eine 
Isolationsüberwachung, das geht schlecht wenn sie mit Erde verbunden 
sind.

Potentialfrei würde ich hier auf jeden Fall messen, bzw. einen µC mit 
einer extra Stromversorgung per OK anbinden.

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Frank E. schrieb:
> Ich würde ungern den Arduino auf der Modulseite betreiben, ich möchte
> auch messen, wenn (fast) Nichts aus der Solaranlage kommt.

Ein Mikrocontroller ist selbst ein toller 
Multiprotokoll-Spannungsmesser. Es spricht nichts dagegen, einen ATTiny 
o.ä. direkt ans Modul anzuschließen und mit etwas Code zur Messung zu 
befähigen. Was du danach anschließt und wie der Code ausgestaltet wird 
ist deine Sache. (Immerhin sagst du ja nicht, wie genau das gemessen 
werden soll und 100mA für die Messung zu verschwenden ist bei >30V schon 
ein ganzes Stück Leistung.)

Es würde nämlich durchaus gehen, ein paar Fensterkomparatoren zu stapeln 
und damit 20 und mehr LEDs in einer Kette zu betreiben, davor einen 
Helligkeitssensor anzuschnallen und die Gesamthelligkeit als Maß der 
Spannung zu interpretieren.

Ich frage mich allerdings, warum Strom und Spannung so von Interesse 
sind. Im Idealfall werden Solaranlagen mit soetwas mit einem Optimum 
betrieben. Demnach wird der Strom geregelt, um eine recht hohe 
Modulspannung zu erzielen. Das nennt sich dann Maximum Power Point. Wenn 
das alles gut gemacht ist, wird einzig der Strom variieren. Die Spannung 
wird sich nur in Abhängigkeit von der Temperatur ändern.

von Andi H. (andish)


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Peter II schrieb:
> MaWin schrieb:
>> Du musst eigentlich nicht potentialfrei messen

Finde auch, potentialfrei hat immer was.
Andererseits würden kaskadierte hochohmige Widerstände, nicht zu kleine 
Gehäuse, und kurz vorm Ende ein Überspannungsschutz (so zackelige 
Leiterbahnen gegen Erde ohne Isolierlack drüber;) reichen.

Aber wo ein Blitzeinschlag sein kann, sicher auch ein Blitzableiter 
installiert ist, hat man sogar Probleme, dass so 2kV oder was auch immer 
ein Standard-Optokoppler bietet, nicht gerade pralle ist.
Da muss man guten Blitzschutz auch in jeder Zwischenstufe und jedem 
Klemmenkasten realisieren.

Ansätze:

* Wechselrichter fragen?
Liefert der Wechselrichter nicht die Daten über eine Serielle ???

* optisch
Wenn man selber messen will und blitzsicher: da bleibt 
Plaste-Multimode-Faser ;)
Da fasziniert mich immer Optische Messtechnik ...
Im Idealfall würde man optische Sensoren nehmen, eigentlich mit 
passenden Materialien billig zu realisieren, aber nicht sehr verbreitet.
Dann kann man sich in gehörigem Abstand gemütlich zum Beispiel an die 
Fritz!Box per WLAN oder Ethernet hängen und einen 
Arduino-Messprotokoll-Knecht laufen lassen. Oder was auch immer.

* USB:
USB ist gefallen als Stichwort.
Wenn man auf der zu isolierenden Seite irgendwoher 5V bekommt, gibt es 
von Corning  optical USB3 cables, bis 50m, da ist zwar ein Drähtchen 
neben bei für die Stromversorgung des entfernten Tranceiver-Platinchens 
(da ist jeweils echte LWL-Technik drauf, VCSEL mit vollen 5GBit/s und 
Empfänger, PIN-Diode wohl, und nen USB3-Chip.
Da könnte man die Stromversorgung aber strippen von den beiden 
LWL-Leitern und auf der anderen Seite separat einspeisen auf das 
Platinchen. Mal messen, was es braucht, vor dem Strippen.
Für vorübergehendes würde ich am Ehesten da Akkus nehmen.
Für stationäres könnte man auch überlegen, ob man an den Wechselrichter 
geht und den fragt, was er so an Stromversorgungen eingebaut hat, die 
eh' auf dem Potential der Solarpanels hängen oder damit in Bezug stehen.

* isolierter AD
Billiger und einfacher, als man denkt:
Ich habe mir auch schon von AnalogDevices AD.com Samples von deren 
iCoupler-Technologie schicken lassen, hat aber auch "nur" 5kV Isolation.

 Das hat den Charm, dass es bei dieser Serie A/D-Wandler gibt, die ihre 
Stromversorgung selber auf die andere Seite schaufeln. Man braucht nur 
ein paar SMD-Kondensatoren an die Chips packen.

Die iCoupler haben geteilte Chips, die "Micro-Trafo-Spulen" als 
"Leiterbahnen" auf dem Die realisiert haben. Die werden dann mit hoch 
isolierendem Material auf Distanz im Chip vergossen. Manche der 
icoupler-Chips bieten auch an, eigene Elektronik bis ein paar mA mit 
dieser "sekundären" Stromversorgung zu bedienen. Sie sagen, dass 
Optokoppler altern, nichtlineare Effekte bei haben, etc., und die 
Übertragung mit einem Puls-Strom in iCouplern diese Probs nicht hat.

Habe aus der Baureihe iCoupler auch schon isolierte RS485 für 
Bühnentechnik (ADAT, DMX) benutzt. Einfach den Chip auf eine 
SMD-zu-2,54mm Adapterplatine gehockt und die Kondensatoren mit Lackdraht 
direkt dran. Würde heute aber ein Platinchen ätzen. Wenig größer als der 
Chip reicht ;)

Schau Dir zum Beispiel mal das Datenblatt vom
ADE7912/7913 3-ch Isolated ADC with SPI
an:
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/12c4/0900766b812c45ba.pdf

Two (ADE7912) or three (ADE7913) 24-bit isolated, Σ-Δ
analog-to-digital converters (simultaneously sampling
ADCs)
Integrated isoPower, isolated dc-to-dc converter
On-chip temperature sensor
4-wire SPI serial interface
etc., die goodie list geht noch weiter...

Da geht schon was ;)

Gruß!

Andi

von Frank K. (fchk)


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Frank E. schrieb:
> Ich möchte Strom und Spannung einer Solaranlage primärseitig (also vor
> dem Wechselrichter) dauerhaft per MC messen. Für den Strom gibts diese
> schönen Stromsensoren (5,20,30A) auf Hall-Basis mit SPI-Ausgang.
>
> Für Spannung konnte ich leider Nichts in der Form finden. Ein bei Ebay
> massenhaft angebotener "Spannungssensor" ist bei genauem Hinsehen
> lediglich ein SMD-Spannungsteiler, also nicht potentialfrei.

Nimm einen geeigneten I2C- oder SPI-ADC, zB MCP3201, dazu einen ADuM1401 
als SPI-Isolator oder einen ADuM1251 für I2C, und einen kleinen 1W 
DC-DC-Wandler wie zB den hier:
http://www.reichelt.de/DC-DC-Wandler-diverse/SIM1-0505S-DIL8/3/index.html?ACTION=3&GROUPID=7247&ARTICLE=35039&OFFSET=16&;

MCP3201:
http://www.reichelt.de/ICs-MCP-3-5-/MCP-3201-CI-SN/3/index.html?ACTION=3&GROUPID=5472&ARTICLE=90075&OFFSET=16&;

MCP3204: (wie MCP3201, aber 4 Eingänge)
http://www.reichelt.de/ICs-MCP-3-5-/MCP-3204-CI-SL/3/index.html?ACTION=3&GROUPID=5472&ARTICLE=90078&OFFSET=16&;

ADuM1401:
http://www.reichelt.de/ICs-ADC-ADXRS-/ADUM-1401-ARWZ/3/index.html?ACTION=3&GROUPID=5458&ARTICLE=185566&OFFSET=16&;

Das ganze dann zusammenzusetzen ist eine einfache Fingerübung.

fchk

von posti (Gast)


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Hi

Warum so kompliziert?
Die Spannungsmessung sollte ein jeder µC mit einem Spannungsteiler 
hinbekommen.
So teuer sind 2 Widerstände und ein kleiner µC nun auch nicht mehr.

Klar, daß das Ding 'eingenordet' werden muß.
Den Strom kann man über den Hall-Sensor erfassen.
Beide Daten können direkt am Modul erfasst werden, sobald etwas Sonne da 
ist, damit die 5V (3.3V?) für den µC vorrätig sind.
Die Begrenzung der Modulspannung auf für den µC ungefährliche Werte sehe 
ich dann als den schwierigeren Part an.

Die Datenübertragung per Blinke-LED auf Plastik-Lichtwellenleiter, damit 
der Blitz draußen bleibt.

Drinnen sitzt der Partner des PV-µC und liest die Daten ein.

Was Der dann damit macht, muß Er dann aber schon selber 'sehen'.

MfG

von Klaus (Gast)


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posti schrieb:
> Klar, daß das Ding 'eingenordet' werden muß.
> Den Strom kann man über den Hall-Sensor erfassen.
> Beide Daten können direkt am Modul erfasst werden, sobald etwas Sonne da
> ist, damit die 5V (3.3V?) für den µC vorrätig sind.
> Die Begrenzung der Modulspannung auf für den µC ungefährliche Werte sehe
> ich dann als den schwierigeren Part an.

Soweit ok. Und nun über einen ESP8266 ins WLAN, das ist ne prima 
galvanische Trennung. Die Auswertung kann dann auf jedem beliebigen 
Gerät im LAN erfolgen.

MfG Klaus

von Bla (Gast)


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Frank E. schrieb:
> Ich würde ungern den Arduino auf der Modulseite betreiben, ich möchte
> auch messen, wenn (fast) Nichts aus der Solaranlage kommt.

Der “Arduino“ arbeitet bis unter 2V und braucht bei geeigneter 
Programmierung auch bis unter 1uA Strom dabei. Ich glaube wenn deine 
Anlage weniger als das liefert brauchst du das auch nicht mehr messen...

Wenn du mal nen uC auf der Primärseite hast, ist potentialfrei einfach: 
Funk, Optokoppler, TOSLINK... Alles mit Prüfsumme.

Um deine Frage nach alternativen Lösungen zu beantworten: mit nem Flip 
Flop und einem RC-Glied kann man einen Delta-Sigma-Modulator bauen, der 
einen Analogwert in ein 1-Bit-Signal verwandelt, das einfach und linear 
durch einen Optokoppler geschickt werden kann.

von Falk B. (falk)


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Man kaufe sich 2 einfache Multimeter mit RS232 Ausgang, der ist per 
Optokoppler galvanisch getrennt. Einfacher und sicherer geht es kaum.

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