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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsmessung galvanisch trennen für ADC


Autor: Steven Kleber (cu1990)
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Hallo an alle,

ich habe einen Spannungsteiler mit einem Verhältnis von 1:100 gebastelt, 
um eine Spannung (um die 48V, Batteriespeicher-> DC) mit einem ADC an 
einem RaspberryPi auszuwerten.

Jetzt möchte ich den Ausgang des Spannungsteilers galvanisch vom ADC 
entkoppeln und dachte ich mache das über einen Optokoppler, der mit den 
3,3V des RaPi Ausgangsseitig "versorgt" wird.

Leider habe ich die Funktionsweise von Optokopplern nicht ganz 
verstanden und wundere mich ob es so Bauteile gibt, die mir die selbe 
Spannung die eingangsseitig anliegt, an den Ausgang geben - nur 
galvanisch getrennt. Hätte jemand da Empfehlungen bzgl. Bauteilen?

Danke und viele Grüße

Steven

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Steven K. schrieb:

> Jetzt möchte ich den Ausgang des Spannungsteilers galvanisch vom ADC
> entkoppeln und dachte ich mache das über einen Optokoppler,
> Leider habe ich die Funktionsweise von Optokopplern nicht ganz
> verstanden

Nun gut, normalerweise nimmt man OKs nur, um digitale Signale
zu trennen. Analoge Signale kann man zwar auch trennen, man
muss dann aber mit deutlich grösseren Fehlern rechnen. Deshalb
ist es besser einen AD-Wandler mit einer seriellen Schnittstelle
auf die Hochspannungsseite zu setzen und nur dessen digitales
Ausgangssignal über den OK zu schicken.

Autor: Jannyboy (Gast)
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Trennverstärker heißt hier das Zauberwort:
zum Bleistift: 
http://www.avagotech.com/products/optocouplers/ind...

Oder eben der Externer ADC mit SPI-Bus der via Optokoppler angebunden 
ist.
TLC549 oder MCP3001 wären so Kandidaten.

Autor: S. K. (hauspapa)
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AMC1200 ist auch ein dienstbarer Geist für solche Fälle. Praktisch alle 
Analogtrenner brauche aber auf beiden Seiten eine Versorgungsspannung.

Autor: Claus Mueller (claus_mueller) Benutzerseite
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Steven K. schrieb:
> Leider habe ich die Funktionsweise von Optokopplern nicht ganz
> verstanden

Das ist dann erstmal Problem Nr. 1

Steven K. schrieb:
> wundere mich ob es so Bauteile gibt, die mir die selbe
> Spannung die eingangsseitig anliegt, an den Ausgang geben - nur
> galvanisch getrennt.

dies hier ist dann Problem Nr. 2

Steven K. schrieb:
> Hätte jemand da Empfehlungen bzgl. Bauteilen?

Das schon, aber so einfach wie du dir das vorstellst wird es nichts...

Optokoppler haben eine stark gekrümmte Kennlinie und sind für soetwas 
nicht gedacht. Dazu kommen noch eine Reihe weiterer Probleme.

Der einfachste (und allgemein übliche) Weg wäre es die Spannung "vor 
Ort" zu wandeln und dann nur noch den Spannungswert - galvanisch 
getrennt - digital zu übertragen. Wir nehmen dafür gerne einen 
Cortex-M0. Der kostet um die 50ct, braucht nur ein paar mm^2 Fläche, hat 
einen 12-bit ADC direkt drin und gibt die Werte per UART an den 
Optokoppler.

 Wenn man flexibler sein möchte, so kann man auch einen 
Delta-Sigma-Modulator nehmen und der Datenstrom übertragen. Daraus kann 
man dann mit passenden Filtern von schnell und niedrigauflösend bis 
langsam und hochauflösend alles konfigurieren (verwendet man in dieser 
Form z.B. in Wechselrichtern). TI und AD haben dazu jede Menge Bausteine 
im Sortiment.

Autor: Claus Mueller (claus_mueller) Benutzerseite
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Oha, da war ich dann wohl etwas langsam...

S. K. schrieb:
> Praktisch alle
> Analogtrenner brauche aber auf beiden Seiten eine Versorgungsspannung.

Schau dir z.B. die ADUM-REihe von Analog Devices an, diese haben einen 
kleinen DC-DC direkt eingebaut + dazu noch einige galvanisch getrennte 
Kommunikationskanäle. Allse zusammen in einem IC.

Beim DC-DC nicht vergessen zu filtern, das Ding gibt bei 180MHz und 
danach bei etlichen Harmonischen ordentlich was ab...

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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Steven K. schrieb:
> ich habe einen Spannungsteiler mit einem Verhältnis von 1:100 gebastelt,
> um eine Spannung (um die 48V, Batteriespeicher-> DC) mit einem ADC an
> einem RaspberryPi auszuwerten.

Schon der erste Fehler. 48V/100 = 0.48V. Das ist für die meisten ADC 
keine sonderlich gute Spannungslage. 48V/10 = 4.8V wäre hingegen nahezu 
perfekt für einen ADC mit 5V Referenzspannung.

> Jetzt möchte ich den Ausgang des Spannungsteilers galvanisch vom ADC
> entkoppeln

Warum? Möchtest du oder mußt du?

> und dachte ich mache das über einen Optokoppler, der mit den
> 3,3V des RaPi Ausgangsseitig "versorgt" wird.

Du "dachtest" also. Was ist eigentlich ein Euphemismus?

> Leider habe ich die Funktionsweise von Optokopplern nicht ganz
> verstanden und wundere mich ob es so Bauteile gibt, die mir die selbe
> Spannung die eingangsseitig anliegt, an den Ausgang geben - nur
> galvanisch getrennt.

Nein. Sowas gibt es nicht als Bauelement. Wenn du wenigstens "Baugruppe" 
gesagt hättest. Und ganz sicher ist das nicht, wie ein Optokoppler 
funktioniert.

Und da sind wir beim nächsten Fehler. Wäre es nicht wesentlich ziel- 
führender gewesen, wenn du dich erstmal informiert hättest, welche 
Möglichkeiten der galvanischen Trennung es gibt und danach angefangen 
hättest zu frickeln? Aber noch ist es ja nicht zu spät.

Da du ja anscheinend auf der 48V Seite genug Leistung zur Verfügung 
hast: bau einen kleinen µC mit (integriertem) ADC da hin den du aus den 
48V versorgst. Dann nimm einen Optokoppler, um ein digitales Signal - 
z.B. TxD vom UART - isoliert zum RasPi zu übertragen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Steven K. schrieb:
> um eine Spannung (um die 48V, Batteriespeicher-> DC) mit einem ADC an
> einem RaspberryPi auszuwerten.
Auf welchem Potential ist der RPi?
Hängt der eh' an der selben Masse wie die Batterie?
Falls ja: eine Potentialtrennung ist unnötig.
Falls nein: kannst du die beiden Massen gefahrlos verbinden?
            Falls ja: Glück gehabt, eine Potentialtrenung ist unnötig.
            Falls nein: jetzt wird es aufwändig... :-(

Oder andersrum: eine galvanische Trennung macht man nur, wenn es nötig 
ist. Denn der Aufwand ist recht groß. Man kann die analoge Spannung 
trennen, das ist aber recht aufwändig und teuer. Meist ist es einfacher, 
den ADC auf die Analogseite zu setzen und die Digitale Schnittstelle 
galvanisch zu entkoppeln. Eine isolierte versorgung braucht man in 
beiden Fällen.

Autor: Steven Kleber (cu1990)
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Danke schonmal für die vielen Tips!!

Lothar M. schrieb:
> Steven K. schrieb:
>> um eine Spannung (um die 48V, Batteriespeicher-> DC) mit einem ADC an
>> einem RaspberryPi auszuwerten.
> Auf welchem Potential ist der RPi?
> Hängt der eh' an der selben Masse wie die Batterie?
> Falls ja: eine Potentialtrennung ist unnötig.
> Falls nein: kannst du die beiden Massen gefahrlos verbinden?
>             Falls ja: Glück gehabt, eine Potentialtrenung ist unnötig.
>             Falls nein: jetzt wird es aufwändig... :-(
>
> Oder andersrum: eine galvanische Trennung macht man nur, wenn es nötig
> ist. Denn der Aufwand ist recht groß. Man kann die analoge Spannung
> trennen, das ist aber recht aufwändig und teuer. Meist ist es einfacher,
> den ADC auf die Analogseite zu setzen und die Digitale Schnittstelle
> galvanisch zu entkoppeln. Eine isolierte versorgung braucht man in
> beiden Fällen.


Hi Lothar

ja das ist auch das Problem an dem ich gerade Sitze: das RaPi, oder 
genauer die GPIO-Pins haben eine andere Masse als die Batterie, deshalb 
frage ich mich gerade wie ich das Analogsignal des Spannungsteilers in 
den ADC reingekloppt bekomme, da der Analog-GND vom ADC ja dem des 
Spannungsteilers entsprechen muss...Oder würde der ADC auch mit der 
Masse des Speichersystems laufen: A_GND -> Batt_GND?

Ich hab es mal aufgezeichnet wie ich es meine.

Viele Grüße
Steven

: Bearbeitet durch User
Autor: U. M. (oeletronika)
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Hallo,
> Steven K. schrieb:
> ich habe einen Spannungsteiler mit einem Verhältnis von 1:100 gebastelt,
> um eine Spannung (um die 48V, Batteriespeicher-> DC) mit einem ADC an
> einem RaspberryPi auszuwerten.
Warum 100:1 Spannungsteiler?  Da kommen nur noch 0,48V rein, bei einem 
ADC mit 3,3V Eingangsbetreich, oder?
Ein Teiler mit z.B. 20:1 oder 30:1 wäre doch geeigenter, oder?

> Jetzt möchte ich den Ausgang des Spannungsteilers galvanisch vom ADC
> entkoppeln und dachte ich mache das über einen Optokoppler, der mit den
> 3,3V des RaPi Ausgangsseitig "versorgt" wird.
Wie schon geschrieben, ist galvanische Trennung ein sehr probates 
Mittel, wenn man mit großen Potentialunterschieden zu tun hat oder mit 
mit starken Störeinflüssen wie Blitzschlag usw.
Ist aber nicht immer nötig.
Bei unterschiedlichen Potentialen kann man auch einen 
Instrument-Verstärker einsetzen wie z.B. INA114 oder AD620
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina114.pdf
http://www.analog.com/media/en/technical-documenta...

Für größere Potentialdifferenzen gibt es auch noch andere 
instrumentverst. wie INA148
http://www.ti.com/lit/ds/sbos123/sbos123.pdf

> Leider habe ich die Funktionsweise von Optokopplern nicht ganz
> verstanden und wundere mich ob es so Bauteile gibt, die mir die selbe
> Spannung die eingangsseitig anliegt, an den Ausgang geben - nur
> galvanisch getrennt.
Ja , gibt es auch. z.B. IL300
http://www.vishay.com/docs/83622/il300.pdf
Die sind aber nicht so sehr genau und langzeitstabil.
Das man heutzutage so was anders umsetzt, wurde schon oben mehrfach 
geschrieben.
Alternativ kann man auch einen fertigen Trennverstärker-Baustein nutzen.
wie ISO122
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso122.pdf

>Hätte jemand da Empfehlungen bzgl. Bauteilen?
Schreibe beser erst mal genauer, wie deine Randbedingungen sind.
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/Wie%...
Gruß Öletronika

Autor: Christian L. (cyan)
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Steven K. schrieb:
> Ich hab es mal aufgezeichnet wie ich es meine.

Der Optokoppler ist völlig sinnlos, wenn du den RPi an der Eingangs- und 
Ausgangsseite verbunden wird. Für eine galvanische Trennung darf es 
keine Verbindung zwischen den beiden Seiten des Optokopplers geben.

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