Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik True RMS Umsetzungsfrage


von Gerhard O. (gerhard_)


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Moin,

Ich brauche jetzt einen Rat von Euch:

Fragenhintergrund:

Es geht mir um den Ersatz eines Dreheisen Meßinstrument für den AC 
Bereich 0-5A. Ich will die Anzeige meines Eigenbau Stelltrafo auf 
Stromanzeige erweitern. Momentan habe ich ein digitales Panel Messmodul 
(nicht China, professionelle Qualität) für die Spannungsanzeige 
(0-1.999V) mit Trafo und Präzisons Gleichrichter. Jetzt möchte ich einen 
5A/5mA Stromwandler mit AD736 True-rms Wandler einbauen. Das Ziel ist, 
die Genauigkeit eines Dreheisen Instruments für alle in der Praxis zu 
erwartenden Kurvenformen die durch nicht-lineare Lasten wie 
Gleichrichter, TRIAC u.ä. entstehen. An sich ist ein Dreheisen 
Instrument hier ideal, aber ich will die schon vorhandene Digitalanzeige 
aus Platzgründen dazu verwenden.

Ansatz:

Als Stromwandler fiel mir dieser ins Auge: ZMCT350B.

https://5nrorwxhmqqijik.leadongcdn.com/ZMCT350B+specification-aidkrBpoKomRiiSrnpjpqlkk.pdf

Dieser wird überall angeboten und hätte dem Datenblatt nach eine 
ausreicgende Linearität. (Zumindest für Sinus). Frequenzbereich wird 
leider nicht angegeben.

Als AC/DC käme vorerst ein AD736 in Frage.

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad736.pdf

Meine Fragen die ich an Euch habe:

1) Was ist von diesen Stromwandler bezüglich nicht sinusoidaler 
Kurvenformen zu erwarten. Werden solche Abarten einigermassen getreu im 
Bereich von 50Hz bis in den niedrigen kHz Bereich übertragen?

2) sind durch hohe, aber kurze Stromspitzen, wie sie durch Gleichrichter 
bzw. Schaltnetzteilen verursacht werden, unangenehme Sättigungseffekte 
zu erwarten und wäre es besser, einen 50A/50mA Stromwandler zu wählen, 
um ausreichenden Abstand zur Sättigung zu haben, auch wenn vielleicht 
zwischen Trafo und Konverter verstärkt werden muss?

3) Gibt es andere (einfache) elektronische Lösungen? Von hoch komplexen 
Stromzähler ICs möchte ich Abstand nehmen, weil ich nicht zu viel 
Entwicklungszeit aufwenden will und ohne uC Unterstützung auskommen 
will. Deshalb vielleicht nur der AD736 zur true-rms zu DC Umsetzung.

3) Ist der crest factor von 5 hier bei Gleichrichter Stromspitzen 
ausreichend? Wieviel crest factor wäre hier minimal notwendig?

Ein crest factor von 5 würde der Formel nach ungefähr 25A Spitzenstrom 
erlauben.

Mit welchen anderem Wandler neben dem AD736 habt ihr gute Erfahrungen 
gemacht? Dieser ist noch einigermaßen bei Digikey erschwinglich. Obwohl 
sie auch in der Bucht angeboten werden, habe ich wegen möglichen 
minderwertigen Fälschungen große Bedenken.

Ich bin auch offen für andere Vorschläge die sich schnell umsetzen 
lassen, aber ohne langwierige Entwicklung auskommen und wenigstens der 
Genauigkeit eines Dreheisen Instruments nahekommen.

Ich habe auch nach digitalen Panel Anzeigen in der Bucht gesucht, finde 
aber nichts Passendes. Abgesehen davon werden nicht genug Daten 
angegeben, um eine vernünftige Wahl treffen zu können. Es wird auch nie 
angegeben, wie Strom umgewandelt wird. Es ist mir aber wichtig, dass 
nicht sinusförmiger Strom
True-rms-gerecht umgewandelt wird.

Ich muß zugeben, daß dieses Gebiet nicht meine stärkste Seite ist und 
ich deshalb auf Eure Erfahrungen zurückgreifen möchte, zumindest um den 
Ansatz mit Stromtrafo und AD736 zu verteidigen.

Wie würdet ihr das in etwa sonst umsetzen, um meinen Anforderungen 
einigermassen gerecht zu werden? Mir geht es um minimalen Aufwand und 
Entwicklungszeit.

Bin schon gespannt auf Eure Antworten.

Gruß,
Gerhard

: Bearbeitet durch User
von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Gerhard O. schrieb:
> Wie würdet ihr das in etwa sonst umsetzen, um meinen Anforderungen
> einigermassen gerecht zu werden?

Ich wuerd' sowas mit nem kleinen µC machen, der den Spannungsabfall 
ueber einen z.b. 0.1 Ohm Shunt oft genug misst, quadriert, integriert, 
wurzelt und auf 7 Segmentanzeige bringt.
Ganze Schaltung auf Netzpotential, ggf. per Kondensatornetzteil 
gespeist. Fertsch.

Gruss
WK

von H. H. (hhinz)


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Selbst der billige Stromwandler wird von 20Hz bis 1kHz ausreichend 
linear sein.

von Gerhard O. (gerhard_)


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Dergute W. schrieb:
> Moin,
>
> Gerhard O. schrieb:
>> Wie würdet ihr das in etwa sonst umsetzen, um meinen Anforderungen
>> einigermassen gerecht zu werden?
>
> Ich wuerd' sowas mit nem kleinen µC machen, der den Spannungsabfall
> ueber einen z.b. 0.1 Ohm Shunt oft genug misst, quadriert, integriert,
> wurzelt und auf 7 Segmentanzeige bringt.
> Ganze Schaltung auf Netzpotential, ggf. per Kondensatornetzteil
> gespeist. Fertsch.
>
> Gruss
> WK

Moin,

Danke für Deinen Vorschlag. Ich wollte zwar uC vermeiden, aber ein Nano 
wäre auch nicht das Ende der Welt. Würde es Sinn haben, den Stromtrafo 
Ausgang auf VREF/2 zu legen und dann mit dem ADC schnell genug 
abzutasten? Welche Abtast Rate würde hier genügen?

Den Stromtrafo möchte ich aber schon beibehalten, weil ich Netztrennung 
haben möchte. Sonst wäre Dein Vorschlag OK. Abgesehen davon möchte ich 
das schon eingebaute Digital Voltmeter für die Spannungsmessung mit 
verwenden, welches auch netzgetrennt misst.

Gruß,
Gerhard

von Gerhard O. (gerhard_)


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H. H. schrieb:
> Selbst der billige Stromwandler wird von 20Hz bis 1kHz ausreichend
> linear sein.

Danke. Das ist gut zu wissen.

Bezüglich Stromspitzen. Würde der 5A Typ für 25A Stromspitzen noch ohne 
Sättigung mitmachen, oder wäre der 50A Typ eine bessere Wahl?

(Beim 50A wird 400A als Spitzenstrom angegeben. Beim 5A Typ leider keine 
Angaben). Wenn man jetzt davon ausgeht, daß eine Überschreitung von 8x 
hier zulässig ist, müsste man dann auch dem 5A Typ vielleicht 25-40A 
zumuten können? Oder ist das gefährliches Eis, so zu extrapolieren?

: Bearbeitet durch User
von H. H. (hhinz)


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Die Maximalwerte beziehen sich auf Nennbürde.

von Gerhard O. (gerhard_)


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H. H. schrieb:
> Die Maximalwerte beziehen sich auf Nennbürde.

Dann muß ich davon ausgehen, daß der 5A Stromwandler bei crest factor 
von 5 (25A) in Sättigung gerät? Dann wäre der 50A Typ die korrekte Wahl.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,


Gerhard O. schrieb:
> Würde es Sinn haben, den Stromtrafo
> Ausgang auf VREF/2 zu legen und dann mit dem ADC schnell genug
> abzutasten? Welche Abtast Rate würde hier genügen?

Wahrscheinlich so um 1 oder ein paar Khz 'rum wuerd' ich mal mutmassen.
Nachdem du kein Geld zurueckkriegst, wenn der µC sich langweilt, weil er 
fertig ist mit wurzelziehen etc., halt alles was geht. Ja, irgendwie 
musst du den ADC Eingang dabei auf Vref/2 legen, damit du beide 
Halbwellen messen kannst.

> Den Stromtrafo möchte ich aber schon beibehalten, weil ich Netztrennung
> haben möchte.
Dann wirst du aber wohl eine falsche Anzeige bei so Lasten wie: "60W 
Gluehlampe und 1N5407 in Reihe" kriegen. Oder kann das Dingens auch DC?

Gruss
WK

von H. H. (hhinz)


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Gerhard O. schrieb:
> H. H. schrieb:
>> Die Maximalwerte beziehen sich auf Nennbürde.
>
> Dann muß ich davon ausgehen, daß der 5A Stromwandler bei crest factor
> von 5 (25A) in Sättigung gerät?

Oder früher. Es wird ja gerne am Kupfer gespart.


> Dann wäre der 50A Typ die korrekte Wahl.

Besser ist das.

von Gerhard O. (gerhard_)


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H. H. schrieb:
> Gerhard O. schrieb:
>> H. H. schrieb:
>>> Die Maximalwerte beziehen sich auf Nennbürde.
>>
>> Dann muß ich davon ausgehen, daß der 5A Stromwandler bei crest factor
>> von 5 (25A) in Sättigung gerät?
>
> Oder früher. Es wird ja gerne am Kupfer gespart.
>
>> Dann wäre der 50A Typ die korrekte Wahl.
>
> Besser ist das.

Danke, dann kann das wahrscheinlich abgehakt werden. Beim 50A Typ wird 
400A Spitzenstrom für 5% Fehler angegeben. Versuch wird dann Näheres 
ergeben.

Gruß,
Gerhard

von Gerhard O. (gerhard_)


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Dergute W. schrieb:
> Moin,
>
> Gerhard O. schrieb:
>> Würde es Sinn haben, den Stromtrafo
>> Ausgang auf VREF/2 zu legen und dann mit dem ADC schnell genug
>> abzutasten? Welche Abtast Rate würde hier genügen?
>
> Wahrscheinlich so um 1 oder ein paar Khz 'rum wuerd' ich mal mutmassen.
> Nachdem du kein Geld zurueckkriegst, wenn der µC sich langweilt, weil er
> fertig ist mit wurzelziehen etc., halt alles was geht. Ja, irgendwie
> musst du den ADC Eingang dabei auf Vref/2 legen, damit du beide
> Halbwellen messen kannst.
Das sollte der AVR bei 16MHz schaffen. Naja, das wird dann Beschäftigung 
damit bald klarstellen.
>
>> Den Stromtrafo möchte ich aber schon beibehalten, weil ich Netztrennung
>> haben möchte.
> Dann wirst du aber wohl eine falsche Anzeige bei so Lasten wie: "60W
> Gluehlampe und 1N5407 in Reihe" kriegen. Oder kann das Dingens auch DC?
Nein. Hmmm... daran habe ich nicht gedacht. Da wäre ein Shunt in der Tat 
besser. Netztrennung wäre schon wünschenswert. Ich könnte allerdings 
Shunt und extra ADC mittels ADUM14xx Koppler vom Rest der Elektronik 
trennen.

Den Design Kriechfaktor wollte ich halt vermeiden - the plot thickens...

Back to the drawing board:-)

Gerhard
>
> Gruss
> WK

von H. H. (hhinz)


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Nimm doch einen Hallsensor, die sind ja mittlerweile für kleines Geld zu 
haben.

von Dergute W. (derguteweka)


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Gerhard O. schrieb:
> Das sollte der AVR bei 16MHz schaffen. Naja, das wird dann Beschäftigung
> damit bald klarstellen.
Ja, das ist nicht ganz ausgeschlossen - ich hatte da mal was vor 'n paar 
Jahren gebastelt:
Beitrag "Re: "LED-Spectrumanalyzer"software ohne Fouriertransformation"

Gruss
WK

von Gerhard O. (gerhard_)


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Hm. Danke. An Hallsensor dachte ich bis jetzt nicht. Werde mich gescheit 
machen.

von Gerhard O. (gerhard_)


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Dergute W. schrieb:
> Gerhard O. schrieb:
>> Das sollte der AVR bei 16MHz schaffen. Naja, das wird dann Beschäftigung
>> damit bald klarstellen.
> Ja, das ist nicht ganz ausgeschlossen - ich hatte da mal was vor 'n paar
> Jahren gebastelt:
> Beitrag "Re: "LED-Spectrumanalyzer"software ohne Fouriertransformation"
>
> Gruss
> WK

Danke. Ich werde Deine Beiträge in der Link durchgehen.

von H. H. (hhinz)


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Gerhard O. schrieb:
> Hm. Danke. An Hallsensor dachte ich bis jetzt nicht. Werde mich
> gescheit
> machen.

Ich schlag mal ACS758 vor.

von Gerhard O. (gerhard_)


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H. H. schrieb:
> Gerhard O. schrieb:
>> Hm. Danke. An Hallsensor dachte ich bis jetzt nicht. Werde mich
>> gescheit
>> machen.
>
> Ich schlag mal ACS758 vor.

Dankeschön. Ich habe das Datenblatt durchgeflogen. Beim 50 Typ bekomme 
ich dann 40mV per A. Mein "Vollausschlag" der Anzeige soll 5A sein. Das 
würde bedeuten, daß ich dann +/-200mV bekomme. Das wäre günstig. 
Messtechnisch scheint das eine gute Lösung sein. Bandbreite ist auch OK. 
Wegen der DC Kopplung wäre hier wahrscheinlich ein Differenzeingang ADC 
hier anzuraten, weil die Ruheausgangsspannung Vcc/2 beträgt. Man müsste 
möglicherweise nachdenken, wie man am Besten die Nullung von thermischer 
Offset vornimmt. C-Kopplung ist da ein Nachteil, weil man dann Probleme 
mit unsymmetrischen Lasten wie die erwähnte Lampe mit Dioden 
Halbwellengleichrichtung, hat.

Der 50A Typ dürfte auch wegen des Crest Faktors optimal sein, da SMPS 
oder Gleichrichter Lasten bestimmt ziemlich hohe Spitzenströme ziehen.

Kleine Offset Driften könnte man vor dem Einschalten des Messtroms durch 
einen Drucktaster kompensieren, der dann in der FW die Anzeigedrift 
ausnullt, wenn es notwendig ist.

Mir gefällt das Konzept immer mehr. Das wäre relativ einfach in FW und 
HW umzusetzen. Da ich das schon eingebaute DVM Panelmeter 
weiterverwenden möchte, kann PWM DC vom uC das DPM ansteuern.

Gruß,
Gethard

von H. H. (hhinz)


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Du hast ja gesehen, dass es die Dinger unipolar und bipolar gibt.

Und wie beim Stromwandler musst du den Einbauort gut wählen, sonst misst 
der auch noch das Streufeld des Trafos.

von Gerhard O. (gerhard_)


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H. H. schrieb:
> Du hast ja gesehen, dass es die Dinger unipolar und bipolar gibt.
>
> Und wie beim Stromwandler musst du den Einbauort gut wählen, sonst misst
> der auch noch das Streufeld des Trafos.

Ich bezog mich wegen der Wechselspannung auf die bipolare (B) Version.

Gut, mich wegen der Streufelder zu erinnern. Ich werde das testen 
müssen. Vielleicht gibt es da neben Abstand und Ort vom Stelltrafo auch 
eine optimale Orientierung, so wie man es früher mit Röhren NF Projekten 
gemacht hat. Notfalls mit Mu-Metall Blechen abschirmen. Mit dem 
Oszilloskop müsste man die optimale Orientierung eigentlich ermitteln 
können.

von Ralph B. (rberres)


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der AD736 hat einen Crestfaktor von maximal 5. Im Vergleich zu einen 
Dreheisenmesswerk ist das nicht so dolle.

Bei den Spitzenströmen eines Brückengleichrichters mit Ladeelcos wird 
der tatsächliche Effektivwert schon merklich von dem angezeigten 
Effektivwert abweichen.

HP hat mal vor Jahren ein True RMS NF-Voltmeter vertrieben,welches mit 
einen Thermokreuz gearbeitet hatte und Crestfaktoren von über 10 
erreicht hat.

Vielleicht wäre ein Thermokreuz ja eine Lösung.

Ralph Berres

von Gerhard O. (gerhard_)


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Ralph B. schrieb:
> der AD736 hat einen Crestfaktor von maximal 5. Im Vergleich zu
> einen
> Dreheisenmesswerk ist das nicht so dolle.
Ja. Das stört mich auch.
>
> Bei den Spitzenströmen eines Brückengleichrichters mit Ladeelcos wird
> der tatsächliche Effektivwert schon merklich von dem angezeigten
> Effektivwert abweichen.
Bei einem CF von 5 wären 25A Spitzenströme ungefähr als Grenze zu
>
> HP hat mal vor Jahren ein True RMS NF-Voltmeter vertrieben,welches mit
> einen Thermokreuz gearbeitet hatte und Crestfaktoren von über 10
> erreicht hat.
Ja, das gute alte HP3400A. Das habe ich.
>
> Vielleicht wäre ein Thermokreuz ja eine Lösung.
Daran dachte ich auch schon. Aber die sind nicht gerade Populär und 
sonst extrem teuer. Ein Bolometer wäre natürlich auch eine Möglichkeit. 
Andrerseits wäre Hinzes Vorschlag bzgl. ACS758B auch attraktiv mit 50A 
Messbereich. Der Rest wäre dann FW. Man sollte meinen, dies könnte 
potenziell auch gut funktionieren. Solange der ADC die Signale schnell 
genug abtasten kann, so dass nicht Spitzenwerte vermisst werden. 
Natürlich müssen dann auch die Berechnungen schnell genug erfolgen. Ich 
dachte auch schon an den Einsatz eines Stromzähler ICs. Aber die sind 
auch relativ anspruchsvoll, was Entwicklungsaufwand betrifft.

Gruß,
Gerhard
>
> Ralph Berres

von Wolfgang D. (blitz_f)


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Moin,
kleine Anmerkung: Das hp 3400 hat eine untere Grenzfrequenz, es trennt 
also den Gleichanteil einer Messgröße ab. Der Begriff TRMS bedeutet hier 
also nur, dass die Kurvenform (ohne Gleichanteil) bis  zur CF-Grenze 
korrekt dagestellt wird.

von Ralph B. (rberres)


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Gerhard O. schrieb:
>> Vielleicht wäre ein Thermokreuz ja eine Lösung.
> Daran dachte ich auch schon. Aber die sind nicht gerade Populär und
> sonst extrem teuer. Ein Bolometer wäre natürlich auch eine Möglichkeit.

Gibt es nicht die Möglichkeit einen von den Abmessungen möglichst 
kleinen Widerstand auf einen Temperaturfühler zu kleben und damit ein 
Thermokreuz aufzubauen? Es geht hier ja nur um NF.

In den UKW Berichten gab es doch mal vor Jahrzehnten Bauanleitungen für 
ein HF-Leistungsmessgerät, welches dieses Verfahren nutzte. Es nutzte 
zur Temperaturkompensation 2 solcher Wandler in einer 
selbstkompensierenden Brückenschaltung

Messung bis DC wäre dann auch möglich, und der Crestfaktor wäre sehr 
viel höher.

Ralph Berres

von Andrew T. (marsufant)


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Letztlich sind alle Möglichkeitne obne bereits genannt.

Gerhard muss sich halt Entscheiden, ob im AD636 / 736 genügen mit 
0.5..1% Genauigkeit,
oder ob Over-engeneering für ggfs. so gut wie nie vorkommenden 
Crestfaktoren von 100 mit Bandbreite DC...1 MHz vorzusehen sind - und 
man das zu Tode diskutiert.

Kurz: einfach mal aufbauen, und schauen ob es die Anwendung erfüllt.
Wenn nicht, dann nachbessern.

von Andrew T. (marsufant)


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Wolfgang D. schrieb:
> Das hp 3400 hat eine untere Grenzfrequenz, es trennt
> also den Gleichanteil einer Messgröße ab. Der Begriff TRMS bedeutet hier
> also nur, dass die Kurvenform (ohne Gleichanteil) bis  zur CF-Grenze
> korrekt dagestellt wird.

Korrekt, aber Abhilfe:
Kann man durch Abändern des Videoverstärkers im HP3400A ändern bis DC -- 
aber dann kann man das Gerät  auch gleich neu aufbauen.
Jim Williams hat ja seinen HP3400A Nachbau in der App-Note sehr schön 
dargestellt.

von Andrew T. (marsufant)


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Ralph B. schrieb:
> der AD736 hat einen Crestfaktor von maximal 5. Im Vergleich zu einen
> Dreheisenmesswerk ist das nicht so dolle.

Muss man korrekt lesen im DaBla.
Crest 5 bei 100% Nutzung des FS input eines AD736.

Wird zu Crest 50 wenn man sich auf kleine Eingangsspanungne beschränkt.

Letztlich hat ein HP3400A nur einen Crest 10,
der im Handbuch auf 100 erhöht wird wenn man es nur zu 10% aussteuert.

Crest 10 ist schon sehr gut für 99% der Praxis ausreichend,
und das erreicht man beim z.B. AD736 wenn man ihn nur mit 150mV (statt 
300mV) anbläst.

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