OPV bidirektionale Strommessung

[Andreas T. (skycurve)]

Hallo,

ich entwerfe gerade ein PCB zur feldorientieren Regelung von BLDCs.
Dazu messe ich an zwei der drei Phasen die Ströme in der Lowside der 
Halbbrücken mit Hilfe der Shunts R24 und R28, siehe schematics.png.
Die Ströme müssen bidirektional gemessen werden. Im Anhang befindet sich 
ein Ausschnitt aus dem Schaltplan.

Außerdem befindet sich im Anhang ein Screenshot aus LTSpice.
Die Spannungsquellen V2 und V3 simulieren die Spannungsabfälle an den 
beiden Shunts.
Mit den OPVs U1 und U2 wird die abfallende Spannung um 20x verstärkt.

Da die Ströme bidirektional gemessen werden müssen, muss sich die 
Spannung der U1 und U2 OPVs auf Vcc/2 bei 0 Ampere befinden. Deshalb 
braucht man eine Vcc/2 Spannung als Referenz.

Es wird immer geschrieben, dass diese Referenzspannung gepuffert sein 
soll. Deshalb wird bei solchen Schaltung ein 50%-50% Spannungsteiler mit 
einem OPV als Spannungsfolger verwendet.
(Im LTSpice Schaltplan das Bauteil U3).

Testweise habe ich den oberen OPV U2 mit einer gefolgten Spannung als 
Referenzspannung versorgt.
Der untere OPV U1 wird nur mit einem nicht gefolgten, dafür relativ 
niederohmigen Spannungsteiler für die Referenzspannung versorgt.

In der Simululation werden die Ausgänge von U1 und U2 betrachtet, siehe 
Anhang. Wie man sieht, sind die Ausgänge der beiden OPVs sehr nah an 
einander.

Der Fehler beträgt 8,61mV.
Bei 3,3V Vcc beträgt die Abweichung jeweils 0,5218% in positive und 
negative Stromrichtung.

Die Frage ist jetzt, ob die Simulation falsch ist, weil ideale OPVs 
verwendet wurden oder ob man hier wirklich einen OPV sparen könnte.

Im Anhang befindet sich zusätzlich die LTSpice Datei, falls jemand die 
Simualtion selbst testen will.

Gruß

[skycurve (Gast)]

Niemand eine Idee?

Gruß

[Possetitjel (Gast)]

skycurve schrieb:

> Niemand eine Idee?

Offenbar nicht -- es wird nicht recht klar, worin Dein
Problem überhaupt besteht.

Ein Spannungsteiler aus 2 x 220 Ohm ist von sich aus
schon recht niederohmig, insofern ist klar, dass ein
Puffer nicht ZWINGEND erforderlich ist. Deine Simulation
ist also durchaus nicht falsch.

Aber:
1. Die 440 Ohm belasten die Referenzquelle mit ca. 7mA;
   das will man häufig nicht. Viele Referenzquellen
   liefern gar nicht so viel Strom. Deshalb der Puffer.

2. Der 220:220-Spannungsteiler hat einen Innenwiderstand
   von 110 Ohm. Ein Spannungsfolger kommt auf einen
   (differenziellen) Innenwiderstand von unter 1 Ohm.
   Trotz geringerer Belastung der Referenzquelle ist der
   Innenwiderstand also VIEL geringer (=besser).

Es ist (je nach Stückzahl, Qualitätsanspruch und
Preisniveau) bewährte Praxis, so zu dimensionieren, dass
man garantiert auf der sicheren Seite liegt -- deshalb die
Empfehlung mit dem Puffer.

Ob es sich lohnt, ewig zu rechnen, um einen 30ct-OPV
einzusparen, hängt von Randbedingungen ab, die nur Du
kennst. Häufig lohnt es sich nicht.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Du kannst auch einfach R2=R11=40kΩ nehmen und R7 weglassen. Dann ist
rein rechnerisch alles perfekt. Voraussetzung ist aber, dass die
3,3V-Versorgung ausreichend frei von Störungen ist, da diese auch auf
das Messergebnis schlagen. Bei der Variante mit dem Puffer könnte man
parallel zu R10 noch einen Kondensator schalten, um etwaige Störungen
auszusieben. Das geht bei der pufferlosen Variante nicht.

[Andreas T. (skycurve)]

Hallo,

vielen Dank für die Antworten.

@yalu, R2=R11=40k, R7 weglassen:
das hört sich super an, die Simulation zeigt auch super Ergebnisse mit 
deinen Vorgeschlagenen Änderungen. Könnte man auch einen Kondensator 
parallel zur R11 schalten um Störungen zu filtern?

Könnte man R7 und R8 weglassen und für R2=R11=20kR nehmen, und das als 
Referenzquelle für die U1 und U2 OPVs verwenden?
(Siehe Anhang)

Die beiden OPVs werden Phasenströme eines BLDC messen, die Ströme sind 
als Phasenverschoben.
Laut Simulation scheint dies auch zu funktionieren.

Wäre das rechnerisch auch korrekt?

Gruß

[Frank (Gast)]

Du hast einen Fehler von 0,5218% gemessen.
Das ist ein immenser Fehler bei einer derart idealisierten Schaltung.

Insofern hast Du eigentlich genau aufgezeigt, warum man dort einen OPV 
als  Impedanzkonverter verwendet.

Ein OPV kostet praktisch nichts, insbesondere einer an den keine 
Anforderungen gestellt werden. Selbst ein Einzelstück zum hohen Preis 
für Bastler liegt immer noch im höchstens zweistelligen Centbereich.

Selbst ein einzelner Widerstand R1-R8 mit akzeptabler Genauigkeit liegt 
da schon drüber (über dem Preis eines weiteren OPV). Deshalb macht es 
auch Sinn über einen Instrumentenverstärker mit eingebauten Widerständen 
nachzudenken.

[skycurve (Gast)]

Hallo Frank,

Instrumentenverstärker sind natürlich besser. Die Strommessung bei 
meinem aktuellen Controller ist auch über Instrumentenverstärker mit 
integrierten Rs aufgebaut.

Ich möchte es dennoch so probieren und mit meinem teureren Aufbau 
vergleichen.

Deshalb würde mich interessieren, ob die OPV Beschaltung in meinem Post
Beitrag "Re: OPV bidirektionale Strommessung"
mathematisch korrekt ist.

Gruß

[skycurve (Gast)]

Up!

Gruß

[Frank (Gast)]

Ich weiß nicht genau was Du wissen willst?
Sie Simulation ist nicht falsch. Man sollte aber immer wissen, daß man 
etwas simuliert. Und natürlich werden etliche Fehlerquellen nicht 
richtig simuliert, weil Du keine richtigen Bauteile in Deiner Simulation 
verwendest.

Aber daraus erwächst auch keine Frage ...

[Andreas T. (skycurve)]

Ich frage mich, warum für die Referenzspannung ein OPV als 
Spannungsfolger eingesetzt wird, obwohl es mit einem passenden 
Spannungsteiler, wie oben von Yalu X. vorgeschlagen scheinbar genau so 
funktioniert.
An welcher Stelle in der Schaltung mit nur einem Spannungsteiler würde 
ein größerer Messfehler entstehen als Spannungsteiler+OPV_Folger?

Gruß