Hallo zusammen, ich knobele gerade an einer Messaufgabe und könnte ein paar gute Ratschläge gebrauchen. Die Aufgabe: Ich möchte Gleichströme im Bereich 1uA-1A messen. Im Bereich von 1uA bis 1mA wäre eine Genauigkeit von 1uA, darüber von 1mA schön. Grundsätzlich hat man ja die Wahl zwischen einer Messung über Shunt oder über das erzeugte Magnetfeld. - Magnetfeld Hier ist das Problem, dass ich keine fertigen Sensoren gefunden habe, die Felder im uA-Bereich messen könnten. Eine Eigenentwicklung wäre in sofern problematisch, da ich diese nur schwer Reproduzieren kann wenn ich mal einen zweiten Messaufbau entwickeln möchte. Hinzu kommt, dass man das Feld dann auch vermutlich mit einer Spule um den Leiter abgreifen müsste um den Einfluss des Erdmagnetfeldes bei kleinen Strömen zu verringern. - Shunt Das Problem beim Shunt ist, dass dieser den Messkreis beeinflusst. Ein Shunt von 200mOhm hätte den Vorteil, dass ein Strom von 1A nur einen Spannungsabfall von 0,2V(das ist mehr als okay) verursacht, hingegen ein Strom von 1uA nur 200nV, was nicht mehr messbar oder verstärkbar ist. Ein Shunt von 10 Ohm hingegen versursacht bei 1A einen Spannungsabfall von 10V was natürlich dann nicht mehr okay ist :D Ich habe bereits über eine Messbereichumschaltung über verschiedene Shunts und verschiedene Verstärkungen nachgedacht aber diese wird vermutlich nie so schnell schalten können, als dass ich meine Schaltung vor hohen Spannungen/Strömen schützen kann. Hinzu kommt, dass ich meine Schaltung noch zusätzlich gegen Ströme >10A schützen muss. - Schaltung Generell möchte ich die Messignale über low-noise OPV verstärken, über einen ADC schicken und mittels Microcontroller auswerten. Über gute Ideen wäre ich sehr dankbar :) Gruß
Sebastian M. schrieb: > Genauigkeit von 1uA, darüber von 1mA schön. Verwechselst du das nicht mit der Auflösung? Schau mal nach "mikro" current von Dave Jones.
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Ich habe mir für sowas mal das ding gekauft: https://www.joulescope.com/ Dazu gibt's ein User's manual zum runterladen... da steht etwas zur "theory of operation" drinnen... 73
ein µA Amperemeter hat einen Innenwiderstand von bestimmt 10...100Ohm, du kannst das nur so mit Shunt messen und schauen das die Spannung am Prüfling wieder den Forderungen entspricht. D.h. erhöhen bis es passt!
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Das geht nur mit Bereichsumschaltung. Wozu brauchst du sowas überhaupt?
Sebastian M. schrieb: > Die Aufgabe: Ich möchte Gleichströme im Bereich 1uA-1A messen. Ein weites Feld. Sebastian M. schrieb: > Magnetfeld > Hier ist das Problem... ...dass Erdmagnetfeld und allgemeine Storungen weitehr als 1mA Messfehler bewirken, eher 100mA Sebastian M. schrieb: > Shunt > Das Problem beim Shunt ist, dass dieser den Messkreis beeinflusst. Na ja, es sei denn man baut einen OpAmp dran:
1 | +-------+ |
2 | | | |
3 | ---+----|+\ Bat |
4 | Strom | | >--+ | |
5 | ---(-+--|-/ | | |
6 | | | | | | |
7 | | +---(-Rs-+ | |
8 | | | | |
9 | +-----+-------+ |
Das setzt voraus, dass der Strom geringer ist als der OpAmp treiben kann, auch von der Frequenz her, und die Genaugkeit von Offsetspannung am shunt Rs ausreicht. Leistungs-OpAmps haben eine höhere Offsetspannung, werden ja auch heisser.
udok schrieb: > Das geht nur mit Bereichsumschaltung. Die könnte man allerdings automatisch durchfüren lassen.
Sebastian M. schrieb: > Die Aufgabe: Ich möchte Gleichströme im Bereich 1uA-1A messen. Eine Dynamik von 1:1000000. Das ist sehr sportlich. > Die Aufgabe: Ich möchte Warum "möchtest" du das? Solltest du nicht eher definieren, was die Anwendung "braucht"? Denn natürlich "möchte" ich einen Porsche Cayenne, "brauche" für die eigentliche Aufgabe aber nur einen Renault Twingo. > diese wird vermutlich nie so schnell schalten können Welche Last mit welcher Dynamik und welcher Messrate willst du da messen?
Sebastian M. schrieb: > Grundsätzlich hat man ja die Wahl zwischen einer Messung über Shunt oder > über das erzeugte Magnetfeld ODER aktiv > > - Magnetfeld > > - Shunt -aktiv der shunt liegt im Rückkopplungszweig eines Verstärkers (feedback eines OPamp z.B.). Der Spannungsfall im Meßkreis ist dann in der Höhe der Offsetspannung solange der Verstärker nicht übersteuert ist. Also im Idealfall < 10uV Nutzung in der Firma: Aufgebaut habe ich das für Systeme von 100nA bis 2A. Läuft.
Entwender ein hochauflösender ADC oder ein Logarithmierer mit Kalibration/Temperaturkontrolle.
Abdul K. schrieb: > Entwender ein hochauflösender ADC oder ein Logarithmierer mit > Kalibration/Temperaturkontrolle. oder eine (ggfs. automatische) Bereichsumschaltung. > Welche Last mit welcher Dynamik und welcher Messrate willst du da > messen? Eben das ist eine der Kernfragen für die Systemauslegung.
Gegen hohe Ströme helfen 2 antiparallel geschaltene Dioden parallel zum Shunt. Norma hatte mal ein Multimeter mit aktiven Stromteil bis 250mA. Da gab es keinen Spannungsabfall. War recht aufwändig.
Die Anforderung ist, die Ströme eines Stuergerätes zu messen. Im Sleepmode fließen üblicherweise Ströme um 8uA, liegt ein Fehler vor und das Steuergerät wacht auf, fließen Lastströme von ~1A, daher die große Range. Das Teil läuft auf 12V, d.h. es die Leitstung schwankt zwischen wenigen Microwatt bishin zu ~12W.
> einen Spannungsabfall von 10V was natürlich dann nicht mehr okay ist
Natürlich?
Hatte die Stromversorgung für eine Platine gemessen. In Reihe einen
Shunt für die uA, dahinter einen Elko und einen Shunt für die mA.
Während der Stromspitzen hat der uA Shunt zwar einen viel zu hohen
Spannungsabfall, aber der Elko versorgt die Platine.
Vielleicht lässt sich bei deinem Problem aus so ein Workaround finden.
Lothar M. schrieb: >> Die Aufgabe: Ich möchte Gleichströme im Bereich 1uA-1A messen. > Eine Dynamik von 1:1000000. Das ist sehr sportlich. Eine ähnliche Dynamik hat man aber auch bei seismischen Messungen mit Hilfe von Geophonen und dort hat man das schon vor über fünfzig Jahren geschafft.
Sebastian M. schrieb: > Die Anforderung ist, die Ströme eines Stuergerätes zu messen. Im > Sleepmode fließen üblicherweise Ströme um 8uA, liegt ein Fehler vor und > das Steuergerät wacht auf, fließen Lastströme von ~1A, daher die große > Range. Dann sollte die Umschaltung des Stromshunts durch den µP im Steuergerät gesteuert werden.
Den kleinen Bereich würde ich über einen Transimpedanzverstärker lösen. https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker Der Opamp regelt die Spannung so, dass über den Feedbackwiderstand genau der zugeführte (oder entnommene) Strom fließt. Bei z.B. 10kOhm Feedbackwiderstand ergibt das 10mV bei 1µA. Das kann man gut mit einem normalen ADC messen.
Ich habe den Current ranger von Lowpowerlab. Bin Mega zufrieden damit. https://lowpowerlab.com/guide/currentranger/
Helmut -. schrieb: > Ich habe den Current ranger von Lowpowerlab. Bin Mega zufrieden > damit. > https://lowpowerlab.com/guide/currentranger/ Ja, das könnte ein Ansatz sein für den TE. Tip: Unbedingt die Diskussion dazu lesen: https://www.eevblog.com/forum/projects/current-ranger-schematic/
So ganz einfach wirds wohl nicht. 1.Er braucht auch eine saubere Spannung für seinen OPV, die nicht von F.23 im Bordnetz beeinflusst wird und wir wissen nicht so genau, 2. wie schnell diese Änderungen stattfinden und gemessen werden können/müssen. 3.Ein Eingriff ins Steuergerät muß möglichst auch vermieden werden. Denn, wenn es aufwacht, braucht es mehr Strom. Also Messwertverfälschung!
Ich gehe davon aus, dass die Ruhestromaufnahme einigermaßen konstant ist und sehr viel geringer, als die Stromaufnahme im Betrieb. Lasse auf dem Steuergerät ein Programm laufen, dass es in den Ruhezustand versetzt und dort bleibt. Schalte einen 1kΩ Widerstand (Shunt) in Reihe zur Stromversorgung, der Anfangs überbrückt ist. Starte das Gerät, versetze es dann in den Ruhezustand. Entferne die Überbrückung. Messe den Spannungsabfall am Shunt (1mV pro µA) Damit hast du die Ruhestromaufnahme. Installiere nun die "normale" Software mit der das Gerät laufen soll. Die Stromaufnahme im Betrieb kannst du mit einem ganz normalen Multimeter im 2A Bereich messen. Immer wenn das Gerät im Ruhezustand ist, wird das Multimeter 0,000A anzeigen. Zu diesen Zeiten musst du einfach nur 0,000 durch den vorher ermittelten Ruhestrom ersetzen. Fertig. Eventuell magst du die Messung mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und Temperaturen wiederholen, weil die Ruhestromaufnahme davon deutlich abhängen kann.
Du könntest dir in etwa so was hier bauen und an beiden Shunts gleichzeitig messen:
1 | /-----|R1|-----\ |
2 | ---* *--- GND |
3 | \-|>|--|R2|----/ |
4 | D1 |
(Sorry hab nur begrenzt Lust auf ASCII Art) R1 ist ein hochohmiger Shunt für kleine Ströme, R2 hat wenig Widerstand für hohe Ströme und kommt über die Diode erst zum Tragen wenn der Spannungsabfall über ~0.7V liegt. (Du kannst auch mehrere Dioden in Reihe schalten oder ein FET nehmen.) Wenn du beide Messungen addierst bekommst du auch im Übergangsbereich genaue Werte, unter einer gewissen Spannung an R1 (z.B. <0.5V) kannst du den Strom durch R2 zu 0 annehmen und umgehst damit das Ausleserauschen der R2 Messung bei kleinen Strömen.
Warum sich den Kopf zerbrechen über etwas, was man einfach kaufen kann: https://www.tek.com/de/products/keithley/digital-multimeter/dmm7510
Hans schrieb: > Warum sich den Kopf zerbrechen über etwas, was man einfach kaufen kann: > https://www.tek.com/de/products/keithley/digital-multimeter/dmm7510 Wenn man so viel Geld hat, muss man in der Tat weniger nachdenken. Wie lange müsste ich für dich arbeiten, um mir dieses Geld kaufen zu können? Was denkst du, arbeite ich so lange für dich oder suche eine andere schnellere Lösung? Was würdest du tun?
Harald W. schrieb: > Lothar M. schrieb: >>> Die Aufgabe: Ich möchte Gleichströme im Bereich 1uA-1A messen. >> Eine Dynamik von 1:1000000. Das ist sehr sportlich. > Eine ähnliche Dynamik hat man aber auch bei seismischen Messungen > mit Hilfe von Geophonen und dort hat man das schon vor über fünfzig > Jahren geschafft. Ich habe ja nicht behauptet, dass es nicht möglich wäre, aber da haben erfahrene Ingenieure die Aufgabe gelöst. Und das Ding von Keithley ist auch nicht über Nacht vom Himmel gefallen. Stefan ⛄ F. schrieb: > Was würdest du tun? Man kann solche Geräte auch mal für 1 Woche ausleihen...
Lothar M. schrieb: >>>> Die Aufgabe: Ich möchte Gleichströme im Bereich 1uA-1A messen. >>> Eine Dynamik von 1:1000000. Das ist sehr sportlich. >> Eine ähnliche Dynamik hat man aber auch bei seismischen Messungen >> mit Hilfe von Geophonen und dort hat man das schon vor über fünfzig >> Jahren geschafft. > Ich habe ja nicht behauptet, dass es nicht möglich wäre, aber da haben > erfahrene Ingenieure die Aufgabe gelöst. So isses. :-)
Hans schrieb: > Warum sich den Kopf zerbrechen über etwas, was man einfach kaufen > kann: > > https://www.tek.com/de/products/keithley/digital-multimeter/dmm7510 Das geht auch deutlich preiswerter, aber immer noch 4-stellig: https://www.tek.com/de/products/keithley/digital-multimeter/dmm6500
Jörg R. schrieb: > Hans schrieb: >> Warum sich den Kopf zerbrechen über etwas, was man einfach kaufen >> kann: >> >> https://www.tek.com/de/products/keithley/digital-multimeter/dmm7510 > > Das geht auch deutlich preiswerter, aber immer noch 4-stellig: > > https://www.tek.com/de/products/keithley/digital-multimeter/dmm6500 Und wenn man automotive Steuergeräte entwickelt wie der TE, dann hat die Firma ein Budget um solche Geräte anzukaufen. Auch wenn es 2k€ oder 5k€ Invest bedeutet. Die Begründung beim Chef muß natürlich vorgebracht werden. Solche Messungen macht man nicht "daheim als Bastler" und 2k€ sind ein Problem.
Harald W. schrieb: > Lothar M. schrieb: > >>>>> Die Aufgabe: Ich möchte Gleichströme im Bereich 1uA-1A messen. >>>> Eine Dynamik von 1:1000000. Das ist sehr sportlich. >>> Eine ähnliche Dynamik hat man aber auch bei seismischen Messungen >>> mit Hilfe von Geophonen und dort hat man das schon vor über fünfzig >>> Jahren geschafft. >> Ich habe ja nicht behauptet, dass es nicht möglich wäre, aber da haben >> erfahrene Ingenieure die Aufgabe gelöst. > > So isses. :-) würde mich jetzt aber noch interessieren, wie das die Geophontypen denn nun machen. Der Dynamikbereich ist ja wirklich nicht so klein.
Hier habe ich zwei amperemeter vorgestellt: https://stoppi-homemade-physics.de/nano-pikoamperemeter/
Setzte den Shunt für µA und den für 2A in Reihe; parallel zum µA Shunt einen FET. Werte den Strom der über den kleinen Shunt fließt mittels OPV aus und schalte den FET durch wenn der Spannungsabfall am kleinen Shunt einen bestimmten Wert überschreitet. Je nachdem wie schnell dein DUT an und aus geht wird es schon etwas Aufwand. Oder wie schon erwähnt nimmst du ein fertiges Messgerät für diese Aufgabe. Auch solltest du dich fragen ob du die von dir erwähnte Genauigkeit wirklich brauchst.
Prost schrieb: > Auch solltest du dich fragen ob du die von dir erwähnte Genauigkeit > wirklich brauchst. Da sind die Phantastereien meistens grenzenlos. Vor allem wenn man den Unterschied zwischen Genauigkeit und Auflösung nicht beachtet. Genauso wie den exponentiellen Anstieg der Kosten.
RT-ZVC02 oder RT-ZVC04 wäre auch ne option, ist extra für sowas entwickelt.
Die EFM32 STKs können ihren Stromverbrauch selbst messen bis nA: https://www.silabs.com/documents/public/schematic-files/efm32hg-stk3400-schematics.pdf Bei "current sense" nachsehen. Oder das Bord selbst als Stromsensor benutzen. Blackbird
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Hallo Sebastian, wenn du diesen Dynamikumfang schaffen möchtest, wird es sportlich. Das ist absolut machbar, auch mit wenigen hundert Euro Materialkosten, aber die aufgewandte Arbeitszeit wird nicht gering sein. Wenn du das nicht privat machst, sondern für die Arbeit, solltest du einfach ein Gerät kaufen, das diesen Dynamikbereich schafft. Wenn der Strommesswiderstand dein DUT wirklich gar nicht beeinflussen soll, musst du ein Messgerät mit Transimpedanzverstärker verwenden. Das Stichwort ist ja auch schon weiter oben gefallen. Wenn du das wirklich selber bauen möchtest, baust du einen Transimpedanz-Kompositverstärker aus einem Zero-Drift-OPV und einem Leistungs-OPV, der deinen Nennstrom kann. Dahinter hängst du dann einen Delta-Sigma-ADC, der für deine Messaufgabe geeignet ist, z. B. den ADS1262 von Texas Instruments. Alternativ kannst du auch nur einen OPV mit einem nachgeschalteten Transistor verwenden, der den DUT-seitigen Anschluss deines Strommesswiderstands auf 0 V regelt, indem er den anderen Anschluss deines Strommesswiderstands gegen eine negative Versorgung zieht und dann differenziell die Spannung über dem Strommesswiderstand abgreifen und mit einem Präzisions-Strommessverstärker verstärken (aufs Rauschen achten!). Mit dieser Schaltung bist du etwas flexibler bei der Wahl des Strommesswiderstands und kannst damit potenziell Verlustleistung reduzieren. Wichtig ist, je größer der Wert des Strommesswiderstands, desto besser wird deine Messung am Ende sein. Also mach ihn so groß, wie du es gerade noch verkraften kannst. Jetzt musst du dir noch einen Schutz für deinen Eingang überlegen, wenn der Strom größer wird als das, was deine Messschaltung noch sinnvoll verarbeiten kann. Dafür könnte man z. B. einen weiteren Operationsverstärker nehmen, der über einen Transistor zusätzlichen Strom vom DUT-seitigen Anschluss abzweigt, wenn der Ausgang deiner Strommessung einen gewissen Wert überschreitet und damit die Spannung über dem Strommesswiderstand klemmt. LG Simon
Was man auch machen könnte (weil diese Agilent Teile sind schon einige Jahre im Markt, und mit etwas Glück steht sowas im beim Kollegen des TE: Agilent / HP 66332A Könnte als dynamic meas. source geradeso reichen für den Niedrig-Strom Bereich.
Tobias P. schrieb: > würde mich jetzt aber noch interessieren, wie das die Geophontypen denn > nun machen. Der Dynamikbereich ist ja wirklich nicht so klein. Der Vorverstärker wird umgeschaltet. Also praktisch eine Meßbereichs- umschaltung wie bereits hier im Thread beschrieben.
Andrew T. schrieb: > Was man auch machen könnte (weil diese Agilent Teile sind schon einige > Jahre im Markt, und mit etwas Glück steht sowas im beim Kollegen des TE: > > Agilent / HP 66332A > > Könnte als dynamic meas. source geradeso reichen für den Niedrig-Strom > Bereich. Das ist eigentlich einer der besten Vorschläge. Genau für eine solche Aufgabe sind Source-Measure-Units gebaut. Wenn häufig dynamisch Leistung gemessen werden muss, könnte so ein Gerät auch schon in der Firma rumstehen. LG Simon
Ich wuerd's mit dem Transimpedanz Ansatz probieren. Ein Opamp, welcher die Bandbreite und den Strom kann, zB einen LT1210, und dessen Offset mit einem integrierenden Regler wegmachen. Wenn man den 1210 stabil zu Laufen kriegt, sollte das kein Problem sein.
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Purzel H. schrieb: > Ich wuerd's mit dem Transimpedanz Ansatz probieren. Ein Opamp, welcher > die Bandbreite und den Strom kann, zB einen LT1210, und dessen Offset > mit einem integrierenden Regler wegmachen. Wenn man den 1210 stabil zu > Laufen kriegt, sollte das kein Problem sein. Die hohe geforderte Genauigkeit wird man damit aber nur schwer erreichen können.
Harald W. schrieb: > Die hohe geforderte Genauigkeit wird man damit aber nur schwer > erreichen können. Definitiv, geschenkt wird einem dieser Dynamikumfang sicher nicht. Wenn man den Verstärker mit z. B. einen 500 mOhm Widerstand kombiniert, den mit einem Zero-Drift-Differenzverstärker abgreift und dann einen vernünftigen ADC dahinter setzt, sollte das sehr nah an die gewünschte Performance heran reichen. Mit einem richtig guten ADC mit integriertem AFE braucht man dann sogar gar keinen Verstärker mehr dazwischen. Wenn der Dynamikumfang des ADC dann doch nicht ausreichen sollte, geht man vom Strommesswiderstand halt in zwei verschiedene Signalpfade, die vor dem ADC verschieden verstärken, und nimmt dann einen mehrkanaligen, simultan abtastenden ADC. Die Kanäle kann man dann per digitaler Signalverarbeitung zusammenführen und bekommt damit Dynamikumfang und Bandbreite. Es ist absolut machbar aber bis man das alles gut im Griff hat geht einige Zeit ins Land 🤷🏻♂️.
Keithley hat ein Picoamp Meter, Model 480. Hier gibt es die Unterlagen: https://www.opweb.de/english/company/Keithley/downloads/Keithley--480--service_and_user--ID5616.pdf Vielleicht lässt sich dort etwas Brauchbares ableiten.
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