Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik AD8217 - Probleme bei Strommessung mit Shunt


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von Chris W. (spaft)


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Hallo Zusammen,

im Rahmen von Hobby-Bastelei habe ich eine kleine Schaltung auf Basis 
eines ATmega32u4 aufgebaut, welche einen 12V-Lichtschlauch mit einer 
gemeinsamen Anode und einer jeweils separaten Kathode für die Farben 
Rot, Grün und Blau ansteuern kann.

Zum ausprobieren habe ich als Sicherheitsmechanismus einen 
High-Side-Schalter (p-MOSFET) mit einer nachfolgenden Strommessung 
mittels Shunt-Widerstand mit 0.05 Ohm integriert. Sollte bei dem 
Lichtschlauch eine ungewollte Masseverbindung auftreten, so kann dieser 
Fehler detektiert und entsprechend reagiert werden.

Zur Messverstärkung der Spannung, die über dem Shunt-Widerstand abfällt, 
wird der AD8217 als Messverstärker eingesetzt. Dieser besitzt eine 
Verstärkerung von 20 V/V. In Kombination mit dem Shunt-Widerstand ergibt 
sich die Umrechnungskonstante zwischen Strom und Spannung zu:
1
20 V/V * 0.05 Ohm = 1 V/A

Die generelle Schaltung und der Kontext des AD8217 (rote gestrichelte 
Linie) sind in dem angehangenen Bild (AD8217_Context.png) dargestellt.
Problem ist, dass unabhängig vom Strom durch den Shunt, immer eine 
Ausgangsspannung von ~5,3 V am Ausgang des AD8217 anliegt. Die Spannung 
ist dabei um ca 0,3 V, als die Betriebsspannung des ATmega32u4.

Aufgebaut ist die Schaltung bereits auf einem gefertigtem PCB. Das exakt 
gleiche Verhalten gibt es bei vier anderen exakt identischen Platinen. 
Folgende Aussagen kann ich sicher über die Schaltung treffen:

1. Ansteuerung des Lichtschlauchs mittles PWM funktioniert einwandfrei
2. ATmega32u4 läuft mit geplanten 16 MHz und lässt sich über USB und 
Bootloader programmieren
3. High-Side-Schalter vor dem Lichtschlauch inkl. der grünen LED 
funktioniert
4. Pinout und Löstellen des AD8217 richtig und wurden kontrolliert
5. Konfiguration des ADC an einem anderen Pin des ATmega32u4 getestet 
und funktioniert
6. JTAG ist deaktiviert (PF06 und PF07 sind Pins der JTAG-Schnittstelle)
7. Spannungswandler (LDO) funktioniert
8. VCC und GND Verbindungen des ATmega32u4 in Ordnung

Evtl. Filter in der Leitung zur Versorgungsspannung Aref des ATmega32u4 
oder in der analogen Leitung zwischen AD8217 und ATmega32u4 sind nicht 
vorhanden. Eine hohe Genauigkeit steht hier nicht im Vordergrund.

Das Datenblatt zum AD8217 findest man unter dem folgenden Link:
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8217.pdf


Wenn jemand eine Idee hat, warum die Ausgangsspannung des AD8217 immer 
5,3 V unabhängig vom Strom durch den Shung-Widerstand beträgt, wäre ich 
dafür sehr dankbar.


Da das gleiche Verhalten bei mehreren Platinen auftritt, liegt es 
vermutlich eher an einem Konzeptfehler. Eine Idee wo dieser liegen 
könnten habe ich leider nicht.

Vielen dank im voraus und beste Grüße. :)

von Karl M. (Gast)


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Hallo,

hast Du mal gerechnet, ob die Bedingung aus dem Datenblatt
INPUT
Differential Input Voltage Range

eingehalten wird?

von Karl M. (Gast)


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Hallo,

noch etwas, warum liegt ARef an Vcc (+5V) ?

Je nach ADC Softwareeinstellung, führt das zu Fehlern.

Schau mal bitte in der/ den Application Note zum Atmel nach, wie dieser 
Pin zu beschalten ist.
Anm: Bei AVcc könnte man dann auch noch nachbessern.

von Mr. D (Gast)


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Die maximale Differential Input Voltage Range laut Datenblatt ist 250mV.

Das macht bei 50mOhm --> 5,32mA.


Der Lichtschlauch wird, schätze ich mal, über diesen Stromwert liegen.

von Chris W. (spaft)


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Karl M. schrieb:
> hast Du mal gerechnet, ob die Bedingung aus dem Datenblatt
> INPUT
> Differential Input Voltage Range
>
> eingehalten wird?

Hallo Karl,

vielen Dank für deine Antwort. Wenn ich es richtig verstehe, gibt die 
Angabe von 250 mV in dem angegebenen Abschnitt des Datenblatts die 
maximale Spannungsdifferenz zwischen +IN und -IN vor. Diese darf 250 mV 
nicht übersteigen. Bei einem Shunt von 0.05 Ohm wären dies 5 A.

Ich habe Tests mit einem Erstatzwiderstand vom 100 Ohm an Stelle des 
Lichtschlauchs durchgeführt. Wenn ich den Duty-Cycle des entsprechenden 
Kanals auf 100% stelle, fließt in etwa der Strom von:
1
12 V / 100 Ohm = 120 mA

Am Shunt-Widestand müssten dann entsprechend:
1
0.05 Ohm * 120 mA = 6mV

abfallen. Dies verstärkt mit dem Faktor 20 V/V ergibt dann 120 mV.

Anliegen tun trotzdem immer 5.3 V am Ausgang des AD8217.

von Chris W. (spaft)


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Mr. D schrieb:
> Die maximale Differential Input Voltage Range laut Datenblatt ist 250mV.
>
> Das macht bei 50mOhm --> 5,32mA.

Mr. D, auch dir vielen Dank. Ich kann deiner Rechnung leider nicht ganz 
folgen. 50 mOhm * 5,32 mA ergeben ca. 255 µV.

von Mathias H. (mathias)


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Messe mal mit dem Ohmmmeter ob pin 4 (GND) vom AD8217 wirklich auch auf 
Masse liegt.

von Ingo W. (uebrig) Benutzerseite


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Der Absolute Grenzwert für die Differenz-Eingangsspannung ist im DaBla 
mit 1V angegeben. Also Zwischen die Eingänge 2 1N4148 antiparallel, vor 
den IN- einen Vorwiderstand von etwa 10 Ohm, zur Begrenzung des Strom 
durch die Dioden.
Durch IN- fließt sehr wenig Strom, durch IN+ versorgt der Verstärker 
sich selbst, was zu einem Spannungsabfall, und damit Nullpunktfehler 
führen würde.
Genau in die gleiche Falle bin ich auch getappt und habe mich geärgert, 
das darauf nicht hingewiesen wurde. Das Schema impliziert 
Spannungsteiler am Eingang, die Begrenzung der Differenzeingangsspannung 
resultiert offensichtlich aus einem Differenzverstärker direkt an den 
Eingangspins(high side), der im Schema so nicht eingezeichnet ist.
Mit der genannten Schutzschaltung (10 Ohm, 2x4148) hatte ich seitdem 
auch keine Probleme mehr, Einfluss auf die Nullpunktstabilität war auch 
nicht festzustellen.

PS: der Verstärker ist durch diese kurze Grenzwertüberschreitung 
irreparabel geschädigt, was besonders bei dieser Bauform ärgerlich ist 
:-(

: Bearbeitet durch User
von Chris W. (spaft)


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Ingo W. schrieb:
> PS: der Verstärker ist durch diese kurze Grenzwertüberschreitung
> irreparabel geschädigt, was besonders bei dieser Bauform ärgerlich ist
> :-(

Hallo Ingo,

das hört sich nach einer Erklärung an, vielen Dank dafür. Was 
vorgekommen sein kann ist, dass bei Ausschaltvorgängen umgekehrte 
Spannungen an am AD8217 angelegen haben und daher eine "Differential 
Input Voltage" von betragsmäßig größer als 1 V angelegen hat. Wenn 
dadurch der AD8217 bereits kaputt ist, dann ist das natürlich sehr 
schade. Zumindest weiß ich dann woran es gelegen hat.

Konntest du denn ein ähnliches Verhalten mit der konstanten 
Ausgangsspannung bei dir selber feststellen?

von Ingo W. (uebrig) Benutzerseite


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Ich habe den Verdacht, das die tödlichen Spannungsspitzen durch schnelle 
Änderung des Stroms und die parasitäre Induktivität des Shunts 
entstehen.
Ich habe die ICs bisher in MPP-Trackern (24V Ausgangsspannung), zur 
Messung des Ausgangsstromes im Einsatz, also eigentlich eher ruhiges 
Fahrwasser.
Wenn ich deine Schaltung richtig interpretiere, werden deine LEDs mit 
PWM betrieben?
In dem Falle würde ich zusätzlich zu den beiden Dioden, noch einen 
kleinen MLCC (1µF, 0403) vorsehen, auch müsstest du dir auch Gedanken um 
den Messzeitpunkt machen um immer in der aktiven Phase zu messen.

von Chris W. (spaft)


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Ingo W. schrieb:
> Wenn ich deine Schaltung richtig interpretiere, werden deine LEDs mit
> PWM betrieben?

Vollkommen richtig, die Farben des Lichtschlauchs werden mittels 
angesteuert.

Ich habe noch 1-2 Ersatz-AD8217. Werde diesen mal ersetzen und 
entsprechende Dioden und eine Kapazität parallel zum Shunt einlöten. Da 
die Schaltung bereits auf einer gefertigten Platine aufgebaut ist, wird 
es mir nicht möglich sein, einen 10 Ohm Widerstand vor den -IN-Eingang 
des AD8217 einzubringen.

Zum Glück ist es halb so wild, wenn der Schaltungsteil nicht 
funktioniert, da dies Strom-Mess-Funktion eher als "Extra" gedacht war.


Ingo W. schrieb:
> auch müsstest du dir auch Gedanken um
> den Messzeitpunkt machen um immer in der aktiven Phase zu messen.

Dies ist zum Beispiel ein Aspekt, den ich mit dieser Strommessung mal 
ausprobieren wollte. :)

von Chris W. (spaft)


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Entgegengesetzte Dioden parallel zum Shunt-Widerstand lösen das Problem 
mit dem Überschreiten der maximalen Differential Input Voltage von +-1 
V.

Das Messen des mittleren Strom ist - wie schon angemerkt - nicht so 
einfach, wenn die LEDs mittels PWM betrieben werden.
Wenn es aber nur darum geht bei einem möglichen Short-2-GND zu 
reagieren, ist das nicht so wichtig. In diesem Fall würde Strom konstant 
fließen. ;)

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