Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Strom messen von µA bis 100A


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von Martin (Gast)


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Ich "programmiere" seit einiger Zeit FPGAs und will jetzt ein Gerät zum 
genauen Strom messen entwickeln.
Es gibt viele ADC-ICs, die entweder für kleine Ströme oder für große 
Ströme ausgelegt sind.
Wie kann ich diese mit einem FPGA unterbrechungsfrei abfragen?
Es soll der Strom gemessen werden bei voller Last (z.b. 50A) und im 
nächsten Augenblick der Ruhestrom des Systems.
Mein Problem ist das Umschalten der einzelnen ADC.
Gibt es eine bessere Lösung als mehrere ADC?
Für technische Vorschläge bin ich dankbar.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Martin schrieb:
> Es gibt viele ADC-ICs, die entweder für kleine Ströme oder für große
> Ströme ausgelegt sind.

ADC-ICs für Ströme?

Normalerweise messen diese Spannungen, und das häufigste "Gerät", um 
einen Strom in eine Spannung umzuwandeln, ist halt ein Widerstand.

Dummerweise allerdings eignet sich ein Widerstand, mit dem du deine 
genannten 50 A messen kannst, in aller Regel nicht auch gleichzeitig 
dazu, dass du mit ihm 500 nA Ruhestrom (mal übertrieben) misst.  Man 
muss also diese Widerstände für verschiedene Messbereiche umschalten. 
Das ist letztlich das, was auch ein Multimeter macht.

von soso... (Gast)


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Naja, denkbar wäre:
Eine Strommessung mit Shunt, mit 100mA, die "überbrückt" man mit einer 
Diode. Wenn der Messbereich z.B. 100mV ist, ist der Strom durch die 
Diode vernachlässigbar. Was die Diode aber tut, ist den Shunt vor 
Überlastung zu schützen, indem sie ab 0,7V dann langsam den Großteil des 
Stromes übernimmt. Wenn der Shunt beispielsweise 1 Ohm ist, kommt man 
mit einem 2W-Shunt aus.

In Serie dazu die zweite Messung, mit z.B. 50A Messbereich.

Messen tut man beides gleichzeitig, hinterher muss man entscheiden, 
welcher Wert gültig ist. Das entscheidet man Anhand der 50A-Messung. So 
als Beispiel.

Der Nachteil liegt im Spannungsabfall des Ganzen, der Vorteil in der 
Geschwindigkeit - kein Umschalten, keine Umschaltzeit.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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soso... schrieb:
> Eine Strommessung mit Shunt, mit 100mA, die "überbrückt" man mit einer
> Diode.

Wenn die Flussspannung nicht stört (bei größeren Strömen kann das schon 
mal 1 V sein), kann man sowas machen. Das ergibt eine Art logarithmische 
Strommessung. Sowas habe ich in mein Hochspannungsnetzteil gebaut, dort 
ist der Spannungsabfall unkritisch.

Aber viel mehr als vielleicht 3 Dekaden (100 µA bis 100 mA bspw.) kann 
man damit auch nicht sinnvoll abdecken.

von soso... (Gast)


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soso... schrieb:
> Naja, denkbar wäre:
> Eine Strommessung mit Shunt, mit 100mA, die "überbrückt" man mit einer
> Diode. Wenn der Messbereich z.B. 100mV ist, ist der Strom durch die
> Diode vernachlässigbar. Was die Diode aber tut, ist den Shunt vor
> Überlastung zu schützen, indem sie ab 0,7V dann langsam den Großteil des
> Stromes übernimmt. Wenn der Shunt beispielsweise 1 Ohm ist, kommt man
> mit einem 2W-Shunt aus.

Sorry, Nachtrag.
Weil jetzt gemeckert wird über "eine 100mA Strommessung kann keine 10nA 
auf 0,1ppb genau messen". Das ist mir auch klar. Es ging um die 
Verdeutlichung des Konzeptes. Natürlich kann man auch eine xxxµA oder 
xxxnA-Messung mit einer 50A-Diode brücken. Vorausgesetzt, diese hat 
einen ausreichend kleinen Strom bei der Spannung, mit der die Messung 
arbeitet.

von MiWi (Gast)


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Martin schrieb:
> Ich "programmiere" seit einiger Zeit FPGAs und will jetzt ein Gerät zum
> genauen Strom messen entwickeln.
> Es gibt viele ADC-ICs, die entweder für kleine Ströme oder für große
> Ströme ausgelegt sind.
> Wie kann ich diese mit einem FPGA unterbrechungsfrei abfragen?
> Es soll der Strom gemessen werden bei voller Last (z.b. 50A) und im
> nächsten Augenblick der Ruhestrom des Systems.
> Mein Problem ist das Umschalten der einzelnen ADC.
> Gibt es eine bessere Lösung als mehrere ADC?
> Für technische Vorschläge bin ich dankbar.

Nachdem Du keine Vorgaben hast:

nimm 2 Shunts, einen für Kleines bis... 1A oder so.

In Serie geschaltet den groben Shunt, der die 100 oder mehr A packt.

Den kleinen Shunt spendierst Du 1-3 ausreichend dimensionierte Dioden 
parallel, somit liegen am kleinen Shunt nie mehr als die Diodenspannung 
an. Dioden dafür gibts bis etliche 100A, das geht schon.

Die 2 ADCs laufen parallel, dein FPGA fitzelt sich da die entsprechenden 
Werte heraus.

BTDT mit einem Messbereich von etwas weniger als 0,5mA bis 300A. 
Allerdings war es mir egal ob ich bei 10A nur mehr auf 0,05A genau 
messen konnte, wichtig war das der Aufbau unter 1A auf 1mA genau und 
reproduzierbar messen konnte.

Bei 300A waren 0,5A +/- absolute Genauigkeit ok, solange es auf 0,1A 
reproduzierbar war.

Obacht mit den Spannungsabfällen an den Leitungen, daher bei der 
Schaltungsentwicklung gut aufpassen damit das mit den Common Modes für 
die ADCs paßt.

von Stefan F. (Gast)


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Man sollte auch den Leckstrom durch die Diode berücksichtigen, der fehlt 
nämlich in der Messung. Das blöde ist: Der Leckstrom hängt von der 
Spannung ab (die wiederum vom (Ruhe-)Strom abhängt).

von Stefan F. (Gast)


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Beim ESP8266 habe ich das so gemacht:

Den Betriebsstrom habe ich über einen 0,1Ω Widerstand gemessen.

Den Ruhestrom habe ich mit einem 1kΩ Widerstand gemessen, den ich 
zunächst mit einem Draht überbrückte. Damit habe ich das WLAN Modul 
gestartet und gewartet, bis es in den Ruhezustand wechselt. Danach habe 
ich die Drahtbrücke entfernt und den Spannungsabfall an dem 1kΩ Shunt 
gemessen.

Wichtig war dabei, dass das WLAN Modul nicht während der Messung auf 
wacht. Die Langzeit-Stromaufnahme mit wechselnden Betriebszuständen kann 
man so natürlich nicht messen, sondern bestenfalls hochrechnen.

von Olaf (Gast)


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> Die Langzeit-Stromaufnahme mit wechselnden Betriebszuständen kann
> man so natürlich nicht messen, sondern bestenfalls hochrechnen.

Das ist aber genau das was er will oder? Er will im "naechsten 
Augenblick" messen. Was nebenbei gesagt eine bizarr ungenaue Angabe ist 
fuer jemanden der sich Programmierer schimpft und ernste 
Loesungsvorschlaege verhindert.

Er soll mal erst definieren welchen Spannungsabfall er bei 50A erlauben 
kann. Danach seinen Shunt definieren. Danach mal rechnen welche 
Verstaerkung er beim kleinstem Messbereich braucht. Oder besser noch mal 
schauen welchen AD-Wandler er verwenden kann (Bandbreite) und welche 
Aufloesung notwendig ist um abzuschaetzen ob und wieviele Messbereiche 
man braucht. Dann kann man schauen ob man die kleine Eingangsspannung 
weit genug und rausch frei genug verstaerken kann.
Aufgrund eigener Erfahrung kann ich noch empfehlen dahinter einen 
umschaltbaren Bandpass zu setzen. Ich arbeite mit 1Hz, 100Hz, 10khz und 
250khz. Je nachdem was man gerade programmiert interessieren einem 
naemlich eher Mittelwerte oder Einzelpeaks.

Eine Herausforderung wird das wenn man es auch noch potentialfrei 
braucht. Mein Testaufbau auf Basis von linearisierten Optokoppler 
schafft leider nicht mehr wie 200khz. Aber fertig kaufen kann man 
soetwas wohl nicht egal wieviel Geld man auf den Tisch legt. Die 
ueblichen Stromtastkoepfe gehen nur so bis 1mA runter, ich brauch aber 
so bis 10uA.

Olaf

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Olaf schrieb:
> Aber fertig kaufen kann man soetwas wohl nicht egal wieviel Geld man
> auf den Tisch legt.

Das einzige, was einigermaßen in die Nähe kommt, ist sowas wie HP66332A.

von Olaf (Gast)


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Schaut mal hier:

https://www.kickstarter.com/projects/jetperch/joulescope-precision-dc-energy-analyzer

https://www.edn.com/design/test-and-measurement/4461612/Tryout--Joulescope-Precision-DC-energy-analyzer

Das ist ist ziemlich genau das was man so braucht. Es fehlt allerdings 
noch Konkurrenz auf dem Markt. Jedenfalls finde ich den Preis Faktor 2 
zu hoch fuer das was da geboten wird.

Olaf

von Harald W. (wilhelms)


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Martin schrieb:

> Es soll der Strom gemessen werden bei voller Last (z.b. 50A) und im
> nächsten Augenblick der Ruhestrom des Systems.

Das macht man mit einer Meßbereichsumschaltung, so wie es jedes
Multimeter macht. Man muss allerdings verhindern, das der Ver-
braucher plötzlich vom niedrigen auf den hohen Betriebsstrom
umschaltet.

: Bearbeitet durch User
von A. S. (rava)


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soso... schrieb:
> Der Nachteil liegt im Spannungsabfall des Ganzen

joa, die Diode sollte schon so 100W abführen können...

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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A. S. schrieb:
> soso... schrieb:
>> Der Nachteil liegt im Spannungsabfall des Ganzen
>
> joa, die Diode sollte schon so 100W abführen können...

Davon wird der Spannungsabfall aber nicht geringer.  Mit anderen Worten: 
futsch ist sie trotzdem (die Spannung, nicht die Diode :.), sie fehlt 
also beim zu messenden Gerät.

Das kann, aber muss nicht immer tolerierbar sein.

: Bearbeitet durch Moderator
von georg (Gast)


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Jörg W. schrieb:
> Davon wird der Spannungsabfall aber nicht geringer.

Das ist nur EIN Problem. Es dürfte auch schwierig sein, eine 50A-Diode 
zu finden mit einem Leckstrom von 1 µA oder weniger, sonst ist die 
Messung des Ruhestroms ziemlich wertlos.

Dabei geht es ja nicht um den Leckstrom in Sperrrichtung, sondern um den 
Strom durch die Diode bei einer Spannung um 0 V herum. Wahrscheinlich 
ist der bei einer Leistungsdiode nirgends spezifiziert.

Georg

von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
> Martin schrieb:
> Es soll der Strom gemessen werden bei voller Last (z.b. 50A) und im
> nächsten Augenblick der Ruhestrom des Systems.
Die Varianz der Messung mit angenommener Auflösung von 0,1uA bis 100A 
ist
1: 10^9. Das ist ohne eine zweckmäßige Umschaltung der Meßshunts mit 
keinem Messverstärker und keinem ADC der Welt praktisch lösbar.

Da es keine verwertbaren Angaben zur Auflösungk Genauigkeit, zeitlichen 
Verhalten der Last, Meßkonzept allg., Budget und Kenntnisstand 
deinerseits gibt, ist jeder weiter Ratschlag momentan sinnlose 
Zeitvergeudung.

Die Vorschläge zur Überbrückung eines Meßschunt mit Leistungsdioden 
halte ich ebenfalls für nutzlos. Keine verfügbare Diode wird einerseits 
100A aushalten und anderseits eine Leckstrom haben, welcher noch 
deutlich unter der geforderten kleinsten Meßauflösung liegt. Man könnte 
die Leckstrom auch zumindest teilweise kompensieren, aber da die 
Erwärmung bei hohen Strömen auch noch zu einer deutlichen Drift des 
Leckstromes führen wird, wird es noch viel schwierigen.

> Mein Problem ist das Umschalten der einzelnen ADC.
Nö, dein Problem, ist dass du dir der rein physikalischen Probleme noch 
gar nicht bewußt bis und du versuchst grundsätzliche physikalische 
Probleme mit Software zu lösen. Du brauchst überhaupt erstmal ein 
tragfähiges Konzept.

> Gibt es eine bessere Lösung als mehrere ADC?
Vergiss es. Diese Fragestellung ist obsolet.

> Für technische Vorschläge bin ich dankbar.
Zeitverschwendung, wenn relevante Infos nicht kommen.
Gruß Öletronika

von UweBonnes (Gast)


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Eine Messung über 8 Dekaden ist bei Raumtemperatur kaum möglich. Wenn 
man bei Vollausschlag einige Volt hat, kann man mit Sigma Delta Wandlern 
und entsprechend geringer Rate 5 Dekaden überstreichen. Einige Volt bei 
100 A sind aber auch einig 100 Watt Verlustleistung, so dass man 
nochmals ein bis 2 Dekaden vergessen kann.

von Strategical Head of Lunch Planning (Gast)


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Das sollte mit einer Josephson-Junction gehen.
Muss er halt gut kuehlen :-).

von Olaf (Gast)


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> Eine Messung über 8 Dekaden ist bei Raumtemperatur kaum möglich. Wenn
> man bei Vollausschlag einige Volt hat, kann man mit Sigma Delta Wandlern
> und entsprechend geringer Rate 5 Dekaden überstreichen.

Das von mir verlinkte Geraet scheint 24Bit Wandler zu verwenden und 
behauptet eine Aufloesung von 32Bit, vermutlich auch ueber mehrere 
Verstaerkerstufen, zu erreichen. Das ganze bei 250khz Bandbreite.

Machbar ist sicher einiges, aber mal eben so und in billig geht das 
nicht.

Olaf

von K. S. (the_yrr)


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Ohne Umschalten und hunderte Watt an Abwärme könnte man magnetisch 
messen, da die nur einige mOhm haben sollten könnte man mehrere in Reihe 
schalten. Für den mA/uA Bereich wirds aber schwierig, eventuell kann man 
einen selber bauen (oder mit viel Glück finden) der bei 100A zwar 
sättigt aber nicht abraucht.

alternativ wenns um Entwicklung/Testen von Geräten geht den Leistungs- 
und Ansteuerungsteil getrennt versorgen, dann geht das mit einem Shunt 
recht gut

ansonsten:
U. M. schrieb:
> Da es keine verwertbaren Angaben zur Auflösungk Genauigkeit, zeitlichen
> Verhalten der Last, Meßkonzept allg., Budget und Kenntnisstand
> deinerseits gibt, ist jeder weiter Ratschlag momentan sinnlose
> Zeitvergeudung.

von Bernd K. (prof7bit)


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Hier liegt vermutlich wieder mal das altbekannte XY-Problem vor.

von K. S. (the_yrr)


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Olaf schrieb:
> Das von mir verlinkte Geraet scheint 24Bit Wandler zu verwenden und
> behauptet eine Aufloesung von 32Bit, vermutlich auch ueber mehrere
> Verstaerkerstufen, zu erreichen. Das ganze bei 250khz Bandbreite.

-> Down to 1.5 nA resolution, equivalent to 32-bits of dynamic range
bedeuted nicht 32bit Auflösung.

außerdem in den Specs:
-> Rapid 1 μs switching between shunt resistors for seamless dynamic 
current measurement

der schaltet also auch nur zwischen den Shunts, außerdem ist bei 3A 
Schluss.
auf einem Bild kann man 2*si7615 sehen (20V, ca. 20A PMos). das geht 
halt bei <3A und <15V noch gut, bei 100A nicht mehr ganz so einfach, da 
muss schon ein anderes Kaliber ran.

Specs:
https://www.joulescope.com/specs/

: Bearbeitet durch User
von georg (Gast)


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Jörg W. schrieb:
> Mit anderen Worten:
> futsch ist sie trotzdem (die Spannung, nicht die Diode :.)

Den Spannungsabfall könnte man erheblich reduzieren, wenn eine 
Hilfsspannung zur Verfügung steht (wahrscheinlich kein Problem), indem 
man statt einer Diode einen Leistungstransistor parallel schaltet, und 
den so ansteuert, dass der Spannungsabfall am Shunt begrenzt wird - so 
kann man etwa bei einem 60mV-Shunt (üblich) den Spannungsabfall auf 100 
mV begrenzen. Praktisch ist das eine Shunt-Regelung.

Was den Reststrom angeht, das könnte mit einem Mosfet bei Gatespannung 0 
klappen.

Georg

von Christian M. (Gast)


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Das Thema kommt hier alle paar Monate, einfach mal die SuFu benutzen!

Gruss Chregu

von Lothar J. (black-bird)


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Die EFM32-Developmentboards haben eine Strommessung von 100nA bis 100mA 
onBoard. Das wird mit 2 Meßwandlern gemacht und in Software ausgewertet.

Blackbird

von Olaf (Gast)


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> Die EFM32-Developmentboards haben eine Strommessung von 100nA bis 100mA
> onBoard.

Ja, das haben sie. Hilft einem bei eigenen Sachen aber nur bedingt 
weiter.

Ich denke das die Moeglichkeit kleine Stroeme mit einer hohen Dynamik 
und einer gewissen Bandbreite und potentialfrei mit einem fertigen 
kaufbaren Geraet zu messen, ein Beduerfniss ist das immer mehr 
Entwickler haben. Wenn man Schaltungen und Software entwickelt die 
stromsparend sein soll dann ist das IMHO absolut unverzichtbar.
Deswegen finde ich es schon interessant das es da noch nichts von den 
ueblichen verdaechtigen (Agilent, Tek, R&S, ChinaKrempel) gibt. Ich 
koennte meinen Chef sicher problemlos ueberzeugen ein paar Tausend Euro 
fuer einen entsprechenden Tastkopf auszugeben. Aber wenn es nur Teile 
gibt wo 1mA bereits eine 1cm breite Rauschlinie ist dann ist das 
unbrauchbar.

Das ich mit dieser Meinung nicht alleine bin sieht man IMHO daran das 
die Geraete in oben vom mir angefuehrten Link alle schon weg sind und 
das trotz eines recht hohen Preises.

Ich selber hab mir sowas selber gebaut, bin dabei allerdings einen 
anderen Weg gegangen. Ich bin komplett Analog geblieben, uebertrage also 
das Messignal mit einem Optokoppler. Das ist natuerlich nicht ganz so 
genau, reicht mir aber. Dafuer hat man den Vorteil das man danach zum 
Aufzeichnen seinen normalen Oszi einsetzen kann und dabei den 
Stromverbrauch mit anderen Testsignalen aus der Schaltung in einer 
Beziehung setzen kann und natuerlich die erweiterterten Triggermodis 
eines Oszis oder die Mathefunktion. (Integration ueber bestimmte 
Bereiche ist sehr aufschlussreich)

Olaf

von my2ct (Gast)


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U. M. schrieb:
> Die Varianz der Messung mit angenommener Auflösung von 0,1uA bis 100A
> ist
> 1: 10^9. Das ist ohne eine zweckmäßige Umschaltung der Meßshunts mit
> keinem Messverstärker und keinem ADC der Welt praktisch lösbar.

Bei 100A braucht man keinen Shunt. Mit einem soliden, aktiv parallel 
geschalteten FET kommt man in den Bereich weniger mΩ, bevor es einem 
Shunt oder irgendeiner Spannungsabfallbegrenzungsdiode zu warm wird. Den 
Strom kann man dann über das erzeugte Magnetfeld per Hallsensor messen.

von Olaf (Gast)


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> Den Strom kann man dann über das erzeugte Magnetfeld per
> Hallsensor messen.

Was denkst du denn was du damit fuer eine Bandbreite und Rauschabstand 
hinbekommen wirst?

Ich denke allerdings das man 100A nicht brauchen wird. Es geht ja hier 
um dicke FPGAs oder aehnliches. Also wohl auch um Betriebsspannungen in 
der Gegend von 1V. Da kann man sich keine grossen Spannungsabfaelle 
leisten und da kann man in der Schaltung auch nicht mal eben einen 
0603er abloeten um seine Messkabel da anzuloeten. Vermutlich faehrt man 
da besser wenn man vor dem POL-Konverter misst. Oder ich wuerde da 
meinen i-prober auf die Leiterbahn halten.

Olaf

von Wolfgang (Gast)


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Olaf schrieb:
> Was denkst du denn was du damit fuer eine Bandbreite und Rauschabstand
> hinbekommen wirst?

Na so um die 80kHz Bandbreite bei einem Sensor für 30A mit 0.1A Rauschen 
wären übliche Daten, wie du sie z.B. für den ACS712 findest.
Da ist bandbreitenmäßig noch deutlich Luft zu Gunsten des SNR.

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Hallo Zusammen,
gibt es hier jemanden, der im professionellen Umfeld schon mal eine 
Messschaltung für 5V @ 200A bei 10kHz Bandbreite und mindestens 5..6 
gültigen Ziffern gebaut hat?
25A haben wir mit besseren Eckdaten am Laufen.
Kontakt gerne auch per PN.
Danke,
 marcus

von Peter D. (peda)


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Martin schrieb:
> im
> nächsten Augenblick

Solche konkreten Zeitangaben sind vollkommen nutzlos.

von FloMann (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Olaf schrieb:
>> Was denkst du denn was du damit fuer eine Bandbreite und Rauschabstand
>> hinbekommen wirst?
>
> Na so um die 80kHz Bandbreite bei einem Sensor für 30A mit 0.1A Rauschen
> wären übliche Daten, wie du sie z.B. für den ACS712 findest.
> Da ist bandbreitenmäßig noch deutlich Luft zu Gunsten des SNR.

Bei den Angaben hat Allegro allerdings schon die Bandbreite reduziert.
Nach DB Angabe mit CF=47nF und 2Khz BW

von Olaf (Gast)


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> Bei den Angaben hat Allegro allerdings schon die Bandbreite reduziert.
> Nach DB Angabe mit CF=47nF und 2Khz BW

Das ist dann aber zuwenig. Fuer solche Anwendungen sollte man schon so 
100khz haben, 1Mhz waer genial.

Olaf

von Udo K. (Gast)


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Olaf schrieb:
> Ich denke das die Moeglichkeit kleine Stroeme mit einer hohen Dynamik
> und einer gewissen Bandbreite und potentialfrei mit einem fertigen
> kaufbaren Geraet zu messen, ein Beduerfniss ist das immer mehr
> Entwickler haben. Wenn man Schaltungen und Software entwickelt die
> stromsparend sein soll dann ist das IMHO absolut unverzichtbar.
> Deswegen finde ich es schon interessant das es da noch nichts von den
> ueblichen verdaechtigen (Agilent, Tek, R&S, ChinaKrempel) gibt. Ich
> koennte meinen Chef sicher problemlos ueberzeugen ein paar Tausend Euro
> fuer einen entsprechenden Tastkopf auszugeben. Aber wenn es nur Teile
> gibt wo 1mA bereits eine 1cm breite Rauschlinie ist dann ist das
> unbrauchbar.

Gibt es doch schon seit sicher 10 Jahren.

Schau dir mal die Keithley SMUs an, oder die besseren
Labornetzteile von Agilent/Keysight.

von Olaf (Gast)


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> Schau dir mal die Keithley SMUs an, oder die besseren
> Labornetzteile von Agilent/Keysight.

Wie soll dir das helfen wenn du in einer vorhandenen komplexen Schaltung 
an einer Stelle den Strom messen willst?

Olaf

von Strom Messer (Gast)


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Keysight CX3300

von Olaf (Gast)


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> Keysight CX3300

Sieht super aus, kannte ich noch gar nicht. Aber....

> Keysight's new CX3300 Series Device Current Waveform Analyzer is available
> now. The mainframe price starts at $33,000 for the 2-channel model and
> $41,000 for the 4-channel model, with current sensors ranging from $4,800
> to $6,900.

...da ist selber bauen dann wohl doch die bessere Loesung. :-)

Olaf

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