Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Multiplexer abhängig von Strommessung schalten


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von Lolo (Gast)


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Hallo,
ich arbeite grade an meiner Bachelorarbeit und irgendwie fließt dort 
unerwartet jetzt doch ein bisschen Elektrotechnik mit ein. Dabei stehe 
ich grade ziemlich auf dem Schlauch.
Ich möchte einen Strom messen und abhängig davon eine Spannung (HIGH / 
LOW) an einen Steuereingang eines Multiplexers (CD4051BE) anlegen.
Wenn der gemessene Strom > 1000mA ist, soll HIGH angelegt werden, bei < 
1000mA LOW.
Am Besten wäre es, wenn es dazu einen schaltungsmäßigen Ansatz gäbe, der 
ohne Mikrocontroller auskommt, da das ganze am Ende vermutlich ca. 100 
mal gebaut werden muss.
Ich habe noch eine Skizze dazu angehängt.

Danke für eure Hilfe. :)

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Wie genau mußt du denn die 1000mA Schwelle treffen?

In dem meisten Fällen wird die Strommessung auf eine Spannungsmessung 
zurückgeführt. Du hast dann irgendwo eine Spannung, die proportional zum 
Strom ist. Z.B. bei der Messung mit einem 1 Ohm Shunt sind das 1000mV 
bei 1000mA. Damit wird daraus das Problem: erkenne, wann eine Spannung 
größer als 1000mV wird. Dafür gibt es Bauelemente, die heißen 
Komparator und vergleichen zwei Spannungen. Damit bist du schon fast 
fertig. Du mußt nur noch eine Referenzspannung für den Vergleich 
bereitstellen.

Damit der Komparator im Übergangsbereich nicht zappelt, erweitert man 
ihn üblicherweise um eine kleine positive Rückkopplung. Dann heißt die 
Schaltung Schmitt-Trigger. Kennzeichnend ist, das zwischen den 
Spannungswerten für den Sprung auf H und dem zurück auf L eine Art tote 
Zone liegt, wo der Komparator auf dem letzten Wert bleibt. Die Breite 
der Zone heißt Hysterese. Eine sinnvolle Auslegung könnte sein, auf 
10mV Hysterese zu dimensionieren. Dann könnte der ST z.B. bei 1005mV auf 
H kippen und bei 995mV wieder zurück auf L.

von Lolo (Gast)


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Danke für deine Erklärungen. Bei den Begriffen klingelt sogar etwas bei 
mir.

Die 1000mA-Schwelle hatte ich jetzt einfach angenommen. Sie könnte auch 
bei 700mA oder 800mA liegen, so genau habe ich den Aufbau noch nicht 
erforschen können. Ist das für die Dimensionierung der Bauteile 
relevant?

Was würdest du für einen Schmitt-Trigger nehmen? Ich bewege mich 
spannungsmäßig im 5V-Bereich und ich denke, die Hysteresebreite könnte 
sogar 50-100 mV sein, da sich die Stromstärke zwischen den zwei 
Zuständen schon ziemlich eindeutig unterscheidet.

Ich kann dann direkt an Ua des Schmitt-Triggers (Aufbau siehe hier: 
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209241.htm) den 
Steuereingang des Multiplexers anschließen, oder?

von Lolo (Gast)


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Oh, ich sehe grade, dass der Link hier wohl eher relevant ist: 
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0311271.htm
Dort würde ich dann als U1 die zu messende Spannung und als U2 5V 
anlegen, oder?

von Harald W. (wilhelms)


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Lolo schrieb:

> Ist das für die Dimensionierung der Bauteile relevant?

Ja, und ausserdem müsste man noch wissen,
welcher Maximalstrom fliessen kann.

von Lolo (Gast)


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So, ich habe mir jetzt noch mal ein bisschen Gedanken gemacht. Sorry, in 
Zukunft versuche ich, erst zu denken und dann zu kommentieren.

Ich habe einen Schaltungsplan angehängt. Kommt das so hin?

Als kleinstmögliche mA-Grenze habe ich jetzt mal 50mA genommen. Die 
obere liegt bei ungefähr 1100mA. Dadurch müsste sich VCC ja zwischen 
0,225V und 5V bewegen:

  1100mA = 5V / R -> R = 5V / 1100mA = 4,5 Ohm
  50mA = U / 4,5 Ohm -> U = 4,5 Ohm * 400mA = 0,225V
  1000mA = U / 4,5 Ohm -> U = 4,5 Ohm * 1000mA = 4,5V

Also setze ich die Referenzspannung auf 4,5V.
Dadurch sollte ich bei unter 1000mA, also unter 4,5V Ua = LOW und bei 
über 1000mA, also über 4,5V Ua = HIGH.

Ergibt das irgendwie Sinn?

von Äxl (geloescht) (Gast)


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ZXCT1009
mal so hingeworfen, schmittttrigger hinterher

von Äxl (geloescht) (Gast)


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von Axel S. (a-za-z0-9)


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Lolo schrieb:
> Die 1000mA-Schwelle hatte ich jetzt einfach angenommen. Sie könnte auch
> bei 700mA oder 800mA liegen, so genau habe ich den Aufbau noch nicht
> erforschen können. Ist das für die Dimensionierung der Bauteile
> relevant?

Jein. Viel wichtiger ist, auf welche Art genau du den Strom mißt. Mit 
einem Shunt-Widerstand? High-side oder low-side? Mit einem Stromsensor?

Daraus ergibt sich dann, welche Spannung du hast. Sowohl absolut 
bezüglich GND und Betriebsspannung als auch mit welchem Hub zwischen den 
beiden Stromschwellen. Über den Daumen kannst du bis runter auf 50mV Hub 
noch einfach detektieren, ohne dir um Offsetspannungen oder 
Bauelementetoleranzen große Sorgen machen zu müssen. Die absolute 
Spannungslage entscheidet, ob du mit Standard-OPV auskommst (nahe GND) 
oder  nicht.

Für ganz einfache "Strom fließt" Sensoren nimmt man auch gerne einen 
Transistor als Detektor. Sobald die Spannung über dem Shunt ~0.6V 
erreicht, schaltet der Transistor durch. Ist nicht so genau wie ein 
echter Komparator, aber unschlagbar simpel und reicht oft aus.

Wie immer wäre es hilfreich, die ganze Aufgabenstellung zu kennen.

> Ich kann dann direkt an Ua des Schmitt-Triggers (Aufbau siehe hier:
> https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209241.htm) den
> Steuereingang des Multiplexers anschließen, oder?

Im Prinzip ja. Der Ausgang eines Schmitt-Triggers kennt nur zwei 
Zustände. Wenn man damit z.B. einen CMOS-Eingang steuern wöllte, würde 
man den Komparator so wählen, daß er passende Pegel liefert.

von Lolo (Gast)


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Bisher messe ich den Strom noch gar nicht, da ich ja nicht weiß, wie ich 
das bewerkstelligen kann. Stromsensor wäre vermutlich das einfachste, 
wobei die halt auch wieder 2-3€ kosten, was auf die Menge hochgerechnet 
schon ins Geld geht.

Im Grunde geht es darum:
  - Ich habe die VCC-Leitung eines Micro-USB-Kabels aufgetrennt
  - Dort möchte ich den Stromfluss regulieren
  - Ich messe die Stromstärke, die momentan durch die Leitung fließt
  - Ist diese > 1000mA, dann möchte ich diese auf 50mA verringern
     - Dazu habe ich die Leitung aufgesplittet
        - An die eine Teilleitung habe ich einen 100Ohm-Widerstand 
gelötet
        - Die andere Teilleitung wurde nicht modifiziert
          - Beide Leitungen gehen ich je einen Eingang des Multiplexers
  - Jetzt möchte ich bei einer Stromstärke von > 1000mA ein HIGH an den 
Steuereingang des Multiplexers legen, sodass der Eingang ohne Widerstand 
durchgeschaltet wird
  - In periodischen Abständen möchte ich den Eingang wieder auf LOW 
umschalten und messen, ob immer noch > 1000mA fließen
    - Wenn ja, wird wieder HIGH angelegt
    - Wenn nein, wird LOW angelegt, solange bis wieder > 1000mA fließen

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Als ob es nicht schon genügend USB-Port-Bausteine gibt, die genau das 
machen. Ein Foldback von 1A auf 50mA finde ich schon arg, aber wenn es 
notwendig ist, ist es notwendig.

Einen Strom derart zu verringern und zu schalten, halte ich für keine 
gute Idee, aber das ist prinzipiell machbar. Ein Relais (oder ein 
Transistor/ MOSFET) überbrückt einen Reihenwiderstand, solange der Strom 
klein genug ist. Steigt er überdurchschnittlich an, fällt das Relais 
(der Transistor/ MOSFET) ab und der Reihenwiderstand begrenzt den Strom.

Heutzutage macht man das aber mit deutlich weniger Verlust und ohne 
Spannungseinbruch. Ein Schaltregler wird in seinem Tastverhältnis 
einfach so moduliert, dass er nicht den vollen Strom, sondern nur einen 
Bruchteil davon liefert. Eingangs sagte ich Foldback, der Fachbegriff 
für soetwas. Du möchtest einen Schaltregler mit Foldback. (Dann wird die 
Leistung nicht im Widerstand verheizt. Sie wird nur Häppchenweise auf 
die Leitung gegeben.)

von M.A. S. (mse2)


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Lolo schrieb:
> ich arbeite grade an meiner Bachelorarbeit
Darf man fragen, worin?

Denn...
Lolo schrieb:
> und irgendwie fließt dort
> unerwartet jetzt doch ein bisschen Elektrotechnik mit ein.
es geht aus Deinen Angaben nur hervor, worin offenbar nicht.  ;)

von Harald W. (wilhelms)


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Lolo schrieb:

> Bisher messe ich den Strom noch gar nicht, da ich ja nicht weiß, wie ich
> das bewerkstelligen kann. Stromsensor wäre vermutlich das einfachste,

Normalerweise nimmt man da einen Shunt, das ist ein niederohmiger
Reihenwiderstand zum Verbraucher, möglichst in der "Minus"-Leitung.
Der Komparator wird dann dahinter geschaltet.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Lolo schrieb:
> Bisher messe ich den Strom noch gar nicht, da ich ja nicht weiß, wie ich
> das bewerkstelligen kann.

> Im Grunde geht es darum:
>   - Ich habe die VCC-Leitung eines Micro-USB-Kabels aufgetrennt
>   - Dort möchte ich den Stromfluss regulieren
>   - Ich messe die Stromstärke, die momentan durch die Leitung fließt
>   - Ist diese > 1000mA, dann möchte ich diese auf 50mA verringern

Also effektiv abschalten. Bei der Messung bis du jetzt auf die Hi-Side 
festgelegt. Bei USB ist die Spannung eh knapp, da solltest du nicht mehr 
als 0.1 Ohm Shunt vorsehen. Dazu dann einen current monitor wie den 
oben genannten ZXCT1009 (ähnliche IC gibts auch bei anderen 
Herstellern). Dann hast du am Ende eine Spannung gegen GND, proportional 
zum Strom.

>      - Dazu habe ich die Leitung aufgesplittet
>         - An die eine Teilleitung habe ich einen 100Ohm-Widerstand
> gelötet
>         - Die andere Teilleitung wurde nicht modifiziert
>           - Beide Leitungen gehen ich je einen Eingang des Multiplexers

Bei 1A würde man eher keinen Multiplexer verwenden, sondern die 100R im 
Bedarfsfall mit einem MOSFET überbrücken. MOSFET an -> Strom kann 
fließen, MOSFET aus -> Widerstand limitiert den Strom.

Allerdings gibt es all das schon fertig als USB-Switch IC. Z.B. 
https://www.diodes.com/assets/Datasheets/AP2161_71.pdf

von M.A. S. (mse2)


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tet.

von Lolo (Gast)


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Danke für eure Hilfestellungen.

Es muss im "Sperrfall" auf jeden Fall noch ein kleiner Strom fließen, da 
der PC sonst das USB-Gerät nicht mehr erkennt. Das muss aber dauerhaft 
gegeben sein. Also keine Abschaltung, sondern wirklich nur eine 
Reduzierung der Stromstärke.

Beim AP2161 steht "1.5A Accurate Current Limiting". Dann muss ich 
dahinter dann doch noch etwas schalten, das den Strom dann noch geringer 
hält, oder?

von Lolo (Gast)


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M.A. S. schrieb:
> Darf man fragen, worin?

Informationstechnik, also hatte ich schon Elektrotechnik-Vorlesungen, 
aber da ist leider gar nicht so viel hängengeblieben.

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