Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schnelle Nulldurchgangserkennung mit Stromübertrager


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von Thorsten (Gast)


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Hallo,

ich habe eine Anwendung bei der ich einen hohen Strom im Nulldurchgang 
auswerten möchte. Ich möchte einen Stromübertrager (current transducer) 
verwenden und frage mich gerade, wie die Auswerteschaltung am besten 
aussehen sollte. Die Freuquenz des Stroms beträgt bis zu 200kHz 
unterschiedlicher Amplituden.

Am einfachsten wäre ein Komperator der bipolar versorgt ist mit der 
Referenzspannung von Null. Man könnt den Stromübertrager auch so 
auslegen das er eher übersteuert (d.h. ein sehr großes Signal am Ausgang 
liefert) und dann mit Dioden den Komperator schützt. Damit ist der 
Nulldruchgang schärfer, aber man hat sich die Dioden als zusätzliche 
Kapazität eingebaut.

Was wäre die schnellste Auswertung, welche möglich ist. Gibt es 
irgendwelche sinnvollen Schaltungen für hohe Frequenzen und hohe 
Genauigkeit?

Vielen lieben Dank und mit freundlichen Gruß
Thorsten

: Verschoben durch Moderator
von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Thorsten schrieb:
> Was wäre die schnellste Auswertung, welche möglich ist.
Die kannst oder willst du nicht bezahlen.
Die Frage muss so lauten: welcher Ansatz kann meine Aufgabe gut genug 
lösen?

> Die Freuquenz des Stroms beträgt bis zu 200kHz
> unterschiedlicher Amplituden.
Inwiefern unterscheiden sich die Ampiltuden?

> Ich möchte einen Stromübertrager (current transducer) verwenden
Ist der Strom sinusförmig? Denn wenn der Strom nicht sinusförmig ist, 
dann muss der Trafo wesentlich höhere Frequenzen übertragen.

> Komperator
a-rator...

von inductionheater (Gast)


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Stromwandler -> 2 anti parallele Dioden gibt n Rechteck mit ca. +- 0,7V, 
dass sollte fast jeder Komparator auswerten können. Durch die Dioden 
spielt die Amplitude des Strom auch keine große Rolle ( naja es solange 
es nicht von nA bis MA geht XD )

von MaWin (Gast)


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Thorsten schrieb:
> Was wäre die schnellste Auswertung, welche möglich ist.

Wirkung vor Ursache, durch Vorausberechnung.

Bei 200kHz sollte es 1us doch tun, das schafft sogar ein langsamer 
Komparator.

Thorsten schrieb:
> Man könnt den Stromübertrager auch so auslegen das er eher übersteuert
> (d.h. ein sehr großes Signal am Ausgang liefert

Stromwandeltrafos sind für geringe Sekundärspannungen ausgelegt, man 
kann sie nicht einfach hochohmig abschliessen. Beachte also dessen 
Datenblatt.

Aber Stromwandeltrafos liefern kein DC, liefern also zuverlässig 0 (bis 
auf Thermospannungen) als Nulllinie

Thorsten schrieb:
> Am einfachsten wäre ein Komperator der bipolar versorgt ist mit der
> Referenzspannung von Null.

Es tut jeder Komparator, auch unipolar, dessen einer Eingang im common 
mode Bereich liegt und mit dem anderen über den (korrekt 
abgeschlossenen) Stromwandeltrafo verbunden ist.

Ein geringe eingebaute Hysterese im Komparator wäre nett, sollte halt 
nicht grösser sein als dein Signal.

von Falk B. (falk)


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inductionheater schrieb:
> Stromwandler -> 2 anti parallele Dioden gibt n Rechteck mit ca. +- 0,7V,

Fast. Parallel dazu sollte man noch einen passenden Widerstand schalten, 
um die Kennlinie im Bereich +/-0,5V sauber zu definieren. Anderenfalls 
ist der Aufbau eher zu empfindlich.

> dass sollte fast jeder Komparator auswerten können. Durch die Dioden
> spielt die Amplitude des Strom auch keine große Rolle

Naja, auch der Stromwandler kann nicht endlos belastet werden, vor 
allem nicht wegen der Sättigung.

von Thorsten (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Inwiefern unterscheiden sich die Ampiltuden?

0 - 100 A

Lothar M. schrieb:
> Ist der Strom sinusförmig? Denn wenn der Strom nicht sinusförmig ist,
> dann muss der Trafo wesentlich höhere Frequenzen übertragen

ja sorry sinusförmig

MaWin schrieb:
> Bei 200kHz sollte es 1us doch tun, das schafft sogar ein langsamer
> Komparator.

nee das wäre ja schon 1/5 einer Periode ... viel zu langsam...

inductionheater schrieb:
> Stromwandler -> 2 anti parallele Dioden gibt n Rechteck mit ca. +- 0,7V,
> dass sollte fast jeder Komparator auswerten können.

Die Dioden müssen doch auch umgeladen werden. gibt das nicht auch wieder 
unnötige verzögerungen?

Falk B. schrieb:
> Fast. Parallel dazu sollte man noch einen passenden Widerstand schalten,
> um die Kennlinie im Bereich +/-0,5V sauber zu definieren. Anderenfalls
> ist der Aufbau eher zu empfindlich.

Das verstehe ich nicht. Kannst du das genauer erklären?

von Falk B. (falk)


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Thorsten schrieb:
> Lothar M. schrieb:
>> Inwiefern unterscheiden sich die Ampiltuden?
>
> 0 - 100 A

Na, bei 0 oder nahe 0mA wird das eher nix mit der 
Nulldurchgangserkennung. Selbst wenn man sich auf 1-100A beschränken 
würde, wäre das eine SEHR hoher Dynamikbereich. Bedenke, bei 1A ist der 
Stromanstieg im Nulldurchgang nur 1% im Vergleich zu 100A.

>> Bei 200kHz sollte es 1us doch tun, das schafft sogar ein langsamer
>> Komparator.
>
> nee das wäre ja schon 1/5 einer Periode ... viel zu langsam...

Wie schnell soll er sein? 1% der Periodendauer? Das wären 50ns.

>> Stromwandler -> 2 anti parallele Dioden gibt n Rechteck mit ca. +- 0,7V,
>> dass sollte fast jeder Komparator auswerten können.
>
> Die Dioden müssen doch auch umgeladen werden. gibt das nicht auch wieder
> unnötige verzögerungen?

Jain. Da muss man halt schnelle Dioden nutzen.

>> Fast. Parallel dazu sollte man noch einen passenden Widerstand schalten,
>> um die Kennlinie im Bereich +/-0,5V sauber zu definieren. Anderenfalls
>> ist der Aufbau eher zu empfindlich.
>
> Das verstehe ich nicht. Kannst du das genauer erklären?

Ich hab auch mal einen Nulldurchgangsdetektor gebaut, wenn gleich nicht 
für 200kHz, eher für 10-1000Hz. Allerdings mit an die 300A Spitzenstrom. 
Der Nulldurchgang wurde über 0,5 Ohm gemessen und mittels Komparator 
detektiert. Parallel dazu waren je 2 fette 60A Dioden antiparallel 
geschaltet, um den Strom >1A zu tragen (Klemmung der Spannung auf 
+/-1V).
Der Widerstand ergibt eine lineare Strom-Spannungskennlinie um den 
Nullpunkt herum. Wenn man nur die Dioden nimmt, wirken diese als 
Stromshunt. Die sind aber erstens sehr nichtlinear und 2. relativ stark 
temperaturabhängig. Das kann für eine Anwendung OK sein, muss es aber 
nicht. Das kann man mal schnell simulieren.

von Falk B. (falk)


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Hier mal schnell simuliert. Der Widerstand wurde mit 10, 100 und 1M 
simuliert (grün, rot, blau).

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Thorsten schrieb:
> ich habe eine Anwendung bei der ich einen hohen Strom im Nulldurchgang
> auswerten möchte.
Nur zu Sicherheit: du willst hier schon möglichst exakt den 
Nulldurchgang des Stroms erkennen?
Denn Nomen est Omen: der Strom an sich ist im eigenen Nulldurchgang eh' 
null. Da brauche ich gar nichts zu messen.

> Ich möchte einen Stromübertrager (current transducer) verwenden
Brauchst du diese Potentialtrennung? Ist die Frequenz hinreichend 
konstant? Denn so ein Trafo bringt dir auf jeden Fall auch eine 
frequenzabhängige Phasenverschiebung. Kannst du etwas mehr dazu sagen, 
woher der Strom kommt, was er bewirkt und was an sienem Nulldurchgsang 
so interessant ist?

Thorsten schrieb:
> nee das wäre ja schon 1/5 einer Periode ... viel zu langsam...
Ich hatte schon mal durch die Blume gefragt: was wäre denn "genau genug" 
oder "schnell genug"?

> Die Dioden müssen doch auch umgeladen werden. gibt das nicht auch wieder
> unnötige verzögerungen?
Nicht nennenswert, wenn die Quelle hinreichend niederohmig ist.

von Falk B. (falk)


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Lothar M. schrieb:
> Thorsten schrieb:
>> ich habe eine Anwendung bei der ich einen hohen Strom im Nulldurchgang
>> auswerten möchte.
> Nur zu Sicherheit: du willst hier schon möglichst exakt den
> Nulldurchgang des Stroms erkennen?
> Denn Nomen est Omen: der Strom an sich ist im eigenen Nulldurchgang eh'
> null. Da brauche ich gar nichts zu messen.

Hast du was geraucht? Kaffee zu stark?

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Falk B. schrieb:
> Hast du was geraucht? Kaffee zu stark?
Nein, ich frage (genauso wie es da steht) nur zur Sicherheit nochmal 
nach, was an dem "Strom im Nulldurchgang auszuwerten" ist. Und wie 
"genau" diese Auswertung notwendigerweise sein muss. Und ich fände ein 
paar zusätzliche Daten zur Anwendung ganz gut.

Aber es geht sicher auch so. Man muss dann halt länger herumraten...

von Udo S. (urschmitt)


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Falk B. schrieb:
> Hast du was geraucht? Kaffee zu stark?

Er hat nur sorgfältig gelesen:

Thorsten schrieb:
> bei der ich einen hohen Strom im Nulldurchgang
> auswerten möchte.

Der Satz ergibt so keinen Sinn, denn im Nulldurchgang ist der Strom per 
se 0.
Was also will der TO? Den Nulldurchgang "auswerten" oder den Strom 
"auswerten" sprich messen.
Annahme ist Nulldurchgang, aber das ist bei dem Satz nur ein "educated 
guess".

von Andrew T. (marsufant)


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Udo S. schrieb:
> Was also will der TO? Den Nulldurchgang "auswerten" oder den Strom
> "auswerten" sprich messen.
> Annahme ist Nulldurchgang, aber das ist bei dem Satz nur ein "educated
> guess".

Na ja, so educated ist das nun auch nicht.

Bereits im Eingangspost steht deutlichst:  "Komparator", und "Bei Null". 
Sowohl Null bei den Asführungen über Strom, als auch Null bei der 
Vorgabe der Referenz(schwelle/spannung) beim Komparator.

Das kann man als geneigter Leser nur mit:

"Der TE will den Nulldurchgang detektieren"  übersetzen.



Über das "Wie  man es machen kann" sind ja nun genug Vorschläge gebracht 
worden.

von Falk B. (falk)


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Udo S. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Hast du was geraucht? Kaffee zu stark?
>
> Er hat nur sorgfältig gelesen:

Du anscheinend nicht. Mein Fragen bezogen sich auf den letzten Satz, das 
war auch eindeutig so zu erkennen.

"Denn Nomen est Omen: der Strom an sich ist im eigenen Nulldurchgang eh'
null. Da brauche ich gar nichts zu messen."

Wenn das denn wirklich so wäre, wären alle Nulldurchgangserkennungen 
dieser Welt sinnlos. Das sind sie aber mal ganz sicher nicht.

> Thorsten schrieb:
>> bei der ich einen hohen Strom im Nulldurchgang
>> auswerten möchte.
>
> Der Satz ergibt so keinen Sinn, denn im Nulldurchgang ist der Strom per
> se 0.

Jaja, jetzt kommen die akademischen Wortakrobaten wieder. Bist du ein 
gescheiterter Jurist? Es ist schon ein Unterschied, ob ich den 
Nulldurchgang eines sinusförmigen Stroms mit 1A Spitze oder 200A Spitze 
messen möchte. Und genau diese Aufgabe steckt in dem Satz.

> Was also will der TO? Den Nulldurchgang "auswerten" oder den Strom
> "auswerten" sprich messen.
> Annahme ist Nulldurchgang, aber das ist bei dem Satz nur ein "educated
> guess".

Mein Gott, was seid ihr nur für Akademiker!

von Thorsten (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Hier mal schnell simuliert. Der Widerstand wurde mit 10, 100 und 1M
> simuliert (grün, rot, blau).

cool Danke

Lothar M. schrieb:
> Nur zu Sicherheit: du willst hier schon möglichst exakt den
> Nulldurchgang des Stroms erkennen?
> Denn Nomen est Omen: der Strom an sich ist im eigenen Nulldurchgang eh'
> null. Da brauche ich gar nichts zu messen.

Ich will auf den Nulldurchgang einen Schaltvorgang einleiten. Das sich 
leider die Frequenz zu jeder Zeit ändern kann (von außen), kann ich 
diesen leider nicht aus dem letzten Nulldruchgang ableiten. D.h. ich 
muss auf den aktuellen Nulldurchgang reagieren, aber die 
Laufzeitenverschiebung des Schaltes mit einberechnen.

Deswegen die Frage, wie ich den Nulldurchgang mit möglichst wenig 
Verzögerung detektieren kann. Im Moment ist die einzige Idee eine 
komplette Übersteuerung des Signals um die Stromabhängigkeit möglichst 
zu reduzieren, mit Dioden begrenzen und dann den 
Komparatorreferenzspannungswert etwas über Null einzustellen. Eventuell 
muss aber auch der Komparatorrefwert Stromgrößen abhänig eingestellt 
werden. (Viell. kann man ja annehmen, dass die Steiung nahe Null 
außreichend linar ist).

von Petra (Gast)


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von Falk B. (falk)


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Thorsten schrieb:

> Deswegen die Frage, wie ich den Nulldurchgang mit möglichst wenig
> Verzögerung detektieren kann.

Und nochmal. Wieviel Verzögerung kannst du dir maximal leisten? 1ns ist 
es eher nicht.

Wenn man 200kHz mit max. 1% Periodendauer Verzögerung messen will, sind 
das 50ns. Das ist schon SEHR sportlich, denn dafür braucht man einen 
verdammt breitbandigen Übertrager und ziemlich schnellen Komparator! 
Letzteres gibt es, ersteres muss man suchen und genau messen.

Ich hatte das anno dazumal bei meinem, im Vergleich zu dir sehr 
langsamen Nulldurchgangsdetektor auch erstmal einfach mit einem paar 
billigen 50Hz Stromwandlern versucht. Aber die Phasenverschiebung war 
viel zu groß. Wie groß weiß ich nicht mehr so genau, ich glaube um die 
10% Periodendauer oder mehr. Meine Lösung war denn, den 
Stromnulldurchgang direkt über einem Shunt mit Diodenklemmung zu messen, 
wie er in meinem Beitrag dargestellt ist. Natürlich mit anderen 
Bauteilen.

Beitrag "Re: Schnelle Nulldurchgangserkennung mit Stromübertrager"

Dahinter ein old school LM393 mit ca. 15mV Hysterese. Das ganze war 
galvanisch getrennt aufgebaut, das Ausgangssignal ging dann über einen 
schnellen Optokoppler ala 6N137 an die Steuerung. Die Gesamtverzögerung 
lag bei ca. 1us, das war ausreichend für die Anwendung. Du willst um 
Faktor 20 schneller sein. Oder noch schneller?

> Im Moment ist die einzige Idee eine
> komplette Übersteuerung des Signals um die Stromabhängigkeit möglichst
> zu reduzieren, mit Dioden begrenzen und dann den
> Komparatorreferenzspannungswert etwas über Null einzustellen.

Das ist im Prinzip auch der richtige Ansatz. Dafür braucht man nicht mal 
eine negative Versorgungsspannung, wenn man den Stromwandler per 
Spannungsteiler einfach auf VCC/2 legt. Denn dessen Ausgang ist 
potentialfrei.

von Thorsten (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Das ist im Prinzip auch der richtige Ansatz. Dafür braucht man nicht mal
> eine negative Versorgungsspannung, wenn man den Stromwandler per
> Spannungsteiler einfach auf VCC/2 legt. Denn dessen Ausgang ist
> potentialfrei.

Kannst du das noch mal erläutern... über den rest denke ich noch nach 
:-)

von Georg (Gast)


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Thorsten schrieb:
> D.h. ich
> muss auf den aktuellen Nulldurchgang reagieren, aber die
> Laufzeitenverschiebung des Schaltes mit einberechnen.

Du willst in die Vergangenheit zurückspringen? Wenn deine Schaltung die 
Information über den Nulldurchgang 5 µs später liefert, hast du den 
Nulldurchgang um (mindestens) 5µs versäumt, und nichts in diesem 
Universum kann daran etwas ändern.

Andere Unklarheit: wenn du die Detektorschwelle auf 100A auslegst, aber 
du hast momentan nur 1 A, dann dauert es bis zur gleichen Stromstärke 
natürlich 100 mal länger, entsprechend länger ist deine Verzögerung. Wie 
hoch der Strom gerade ist weisst du ja erst eine Viertelwelle später 
wenn er sein Maximum durchlaufen hat. Ein Bereich von 0 bis 100 A ist 
sowieso unmöglich, weil man an einem Strrom von 0 A keinen Nulldurchgang 
erkennen kann. Auch wenn Falk jetzt gleich wieder lospöbelt, das braucht 
er halt.

Georg

von Thorsten (Gast)


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Danke Georg da hast du recht...

Ich hänge gerade noch an der unipolaren Auswerteschaltung. So 
funktioniert es leider nicht, ich verstehe aber nicht woran es liegt....

von Achim S. (Gast)


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Thorsten schrieb:
> Ich hänge gerade noch an der unipolaren Auswerteschaltung. So
> funktioniert es leider nicht, ich verstehe aber nicht woran es liegt....

Was genau funktioniert denn nicht. Die Simu oder der praktische Aufbau?

Der LT1001 ist kein schneller Komparator sondern ein relativ langsamer 
Präisions-Operationsverstärker. Innerhalb einer µs kann sein Ausgang 
sich höchstens ein paar hundert mV bewegen - zu langsam für das was du 
vorhast.

von Thorsten (Gast)


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Danke ... wollte das nur testen, ob das im Prizip geht.
Das Ding ist einfach viel zu langsam für 100kHz

von Achim S. (Gast)


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Thorsten schrieb:
> Das Ding ist einfach viel zu langsam für 100kHz

"Fast jeder" Baustein schaltet zu langsam, falls du wirklich in den 
einstelligen ns Bereich kommen willst. Kann es sein, dass du die 
Anforderung "möglichst schnell" noch immer nicht mit konkreten Zahlen 
hinterfüttert hast? Oder habe ich die Angabe vielleicht überlesen?

von Falk B. (falk)


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Georg schrieb:
> Ein Bereich von 0 bis 100 A ist
> sowieso unmöglich, weil man an einem Strrom von 0 A keinen Nulldurchgang
> erkennen kann. Auch wenn Falk jetzt gleich wieder lospöbelt, das braucht
> er halt.

Deine Komplexe möchte ich haben . . .

Beitrag "Re: Schnelle Nulldurchgangserkennung mit Stromübertrager"

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