StromSpannung-Messung ;)

Der chaotische Hauptfaden

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StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Jannyboy » Mo 8. Jan 2018, 21:36

Hallo Zusammen,

nach längerer Abstinenz melde ich mich auch mal wieder zu Wort :D
Aktuell Arbeite ich einen einen Strom und Spannungsumsetzer.

Ich habe da ein paar Fragen zu dem Schaltungsvorschlag:
screenshot.jpg


Hier soll eine Spannung von +/- 400V nach 0-2V und +/-20A nach 0-2V umgesetzt werden.
Der Shunt R1 soll umschaltbar sein zwischen 0.025 und 1 Ohm, so wie R4 2K und 4K.

Gibt es eine elegantere Lösung? Weniger OPamps?
Und warum liegt an R8/R9 nur +/-250mV an? Statt der errechneten +/- 1V?

Vielen Dank schon mal für Eure Unterstützung.
Grüße Jan
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Harley » Mo 8. Jan 2018, 22:01

Soll die Messung mit einem Mikrokontroller ausgewertet werden?
Dann bietet sich doch ein INA226 von TI an.
Gibts fertig auf Platine vom Chinesen für 3,10€.
Dann hast Du die Werte gleich digital I2C.
Der kann von Haus aus 36V, kann man leicht an höhere Spannungen anpassen.
Der Strommessbereich wird sowieso vom Shunt bestimmt.

https://www.ebay.de/sch/i.html?_from=R40&_trksid=p2047675.m570.l1313.TR1.TRC0.A0.H0.Xina226.TRS0&_nkw=ina226&_sacat=0

Das fertige Projekt:

http://shelvin.de/ein-batteriemonitor-fuer-strom-und-spannung-mit-dem-ina226-und-dem-arduino-uno/
Zuletzt geändert von Harley am Mo 8. Jan 2018, 22:07, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon shaun » Mo 8. Jan 2018, 22:06

>Gibt es eine elegantere Lösung? Weniger OPamps?

Kommt auf den Anwendungszweck an.

>und warum liegt an R8/R9 nur +/-250mV an? Statt der errechneten +/- 1V?

Weil Du falsch gerechnet hast, der untere Widerstand ist nicht 3k sondern 3k//1k.

Die Frage von oben rezitiert: womit soll gemessen werden? Offensichtlich Wechselspannung und Du addierst 1V dazu, weil der nachfolgende Wandler vermutlich nur bis 0V kann.
Sicher, dass er es mag, wenn eine Spitze auf Spannung oder Strom doch mal eine negativere Spannung als -1V bewirken würde und der Ausgang unter 0 schwingt?

Ein paar Antworten zur Anwendung und umliegenden Schaltung wären hilfreich

Denk auch an die Offsetspannungen der Wandler bzw die Genauigkeit, die Du erreichen willst.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon shaun » Mo 8. Jan 2018, 22:07

Offsetspannungen der OPs war gemeint ;)
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Martin » Mo 8. Jan 2018, 22:09

Hallo Jan,

frohes Neues Jahr! Also für die Spannung fällt mir das hier ein:

Spannung.jpg


Die Schaltung hat wohl eine "Leerlaufeingangsspannung" von ca. 1V, das ist aber bei einer niederohmigen Quelle völlig egal. Vorteil: Wenn ein rail/rail OP verwendet wird, benötigt man keine negative Versorgung. Der OP dient hier nur als Impedanzwandler.

1. Wenn die Eingangsspannung um +-400V "schwankt" soll der Ausgang um +-1V wackeln. Also ist der linke R 400x dem rechten.
2. Bei 0V am Eingang sollen +1V anliegen. Also fallen an 400R1 genau 1V ab, demnach an R1 25mV, ergäbe eine "Soll-Referenz" von 1,025V (ich glaube 1,024 gibt's sogar :D )
3. Wenn eine andere Ref.spg zur Verfügung steht (z.B. 2,5V) ersetze R1 durch einen Spannungsteiler. Beide parallel sollen R1 ergeben und das Teilungsverhältnis eben die 1,025V.

Wegen der Toleranzen und so könnte man die Ausgangsspannung etwas kleiner dimensionieren und die Kalibrierung in Software machen. Oder Potis einbauen. Übrigens, vorsicht bei hoher Spannung und "normalen" Widerständen. Hatte letztens erst einen solchen, der bei 300V= nach Jahren hochohmig geworden ist.

Für den Strom kann ich nochmal überlegen. Hatte auch mal einen Trick mit einem OP und einer Ub.

Was hast du vor? Bin gespannt.

Grüße
Martin
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Martin » Mo 8. Jan 2018, 22:30

Guck mal, was dir besser gefällt. INA hat natürlich auch was. Ansonsten ganz "klassisch" mit OP (rail/rail) für den Strom. Ist invertierend, aber das stört nicht, oder? Entschuldige das unscharfe Foto.

Strom.jpg


20A an 25mOhm, also +-500mV sollen auf +-1V verstärkt werden. "V=2" Also aus der Sicht R2 = 2*R1. Bei I=0 sollen +1V anliegen, also liegen am invertierenden Eingang +1V * R1/(R1+R2) also 1/3V. D.h. die Referenz muss 0,33V sein. Da sie als einzige am nichtinvertierenden Eingang hängt hast du alle Freiheiten für den Spannungsteiler bei anderer Referenzspannung :)
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Anse » Mo 8. Jan 2018, 22:43

Bei 20A und je nach gewünschter Genauigkeit wäre ein Stromwandler eine Option.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon ferdimh » Di 9. Jan 2018, 02:04

Eine derartige Schaltung hat NIE einen sinnvoll definierten Nullpunkt. Damit wird das Ding bei kleinen Spannungen schnell ungenau. Der Trick ist hier, das zu messende Signal abschaltbar zu machen (und zwar am Verstärkereingang). Ein Reedrelais oder ein MOSFET leistet hier evtl gute Dienste. Dann kann man den aktuellen Offset messen und mit dem Wert Offset+Signal verrechnen.
Wenn das Signal analog weiterverarbeitet werden soll, sollte der Offset um jeden Preis eingespart werden. Das gibt nur Probleme, sich mit dem Entwickler des nächsten Stücks Elektronik (auch wenn man das selbst ist!) über die exakte Höhe des Offsets zu einigen.

Die zwei Opamps als invertierende Verstärker machen auch nur eingeschränkt Sinn, ein einzelner nichtinvertierender Verstärker erscheint zweckmäßiger. Auch hier kann man am invertierenden Eingang einen Offset hinzufügen. Das bietet sich insbesondere an, wenn der Offset schon nicht so genau stimmen muss (wenn man das oben genannte Konzept anwendet).
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Hightech » Di 9. Jan 2018, 18:39

Ich habe ein sehr lesenswertes Dokument gefunden betreffend Stromwandler von LEM.

Es ist ALLES darin erklärt, wie die Wandler funktionieren und wie man die beschaltet.

http://www.hg-electronics.de/downloads/LEM/Applikationsbroschuere_3rd_deutsch.pdf
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Harley » Di 9. Jan 2018, 19:04

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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Jannyboy » Di 9. Jan 2018, 23:14

Vielen Dank schon mal Für die ganzen Anregungen.
Es soll ein (Milli)Wattmeter werden mit einem Messbereich 0-40VA und 0-4000VA.
Drin soll ein Cortex-M3 werkeln, der über 4x Optos einen ADC auf der Primären Seite sampelt.
Als ADC ist ein MCP300x angedacht.

Ich habe mal Fingers alte Schaltung(100kHz über Optokoppler) rausgekramt und überlegt wie man sie noch schneller machen kann.
Ein Optokoppler mit vorgespannter Basis. Das sollte noch was mehr gehen.
screenshot_opto.jpg


Blau = Signal, Grün = Output2
screenshot_opto_Signal.jpg


Ich werde das mal am WE auf Papierbringen und Testen.
Zudem habe ich mir gerade noch überlegt wenn das mit der Offsetspannung so ein Problem ist.
Könnte man auch den ADC Dual-Supply mit +/- 2.5V um den Neutral-Leiter versorgen dann fallen 3 OpAmps weg. Dann wird nur noch einer für den Shunt benötigt.
Der kann dann auch Nicht-Invertierend ohne Offset ausfallen, wie Martin schon angeregt hat.

Bedenken?

Viele Grüße
Jan
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon ferdimh » Di 9. Jan 2018, 23:41

Soll da jetzt AC oder DC gemessen werden?
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Bastelbruder » Di 9. Jan 2018, 23:47

Den Fototransistor vorspannen könnte tatsächlich noch etwas bringen. Eigentlich ist das durch den LED-Ruhestrom schon passiert, aber niederohmiger abschließen bringt schon. Den Widerstand nach Masse oder zum Emitter und mehr LED-Strom sollten effektiver sein.

Wenn's noch schneller werden soll, würde ich auf induktive Kopplung umsteigen, vorne Schmitt-Trigger und ein RC-Glied mit vielleicht 100 pF und 100 Ohm in Serie zur Primärwicklung, und hinter dem Trafo zwei Widerstände 1k nach VDD und an R und S vom RS-Flipflop. Das System braucht bloß zu Beginn einen Impuls auf allen Leitungen um das Flipflop auf die richtige Seite zu kippen. Der Trafo sind 10 Windungen CuL durch einen 5mm-Ringkern.

Damit (HC-Familie) sollten sich 20 MHz übertragen lassen.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Jannyboy » Mi 10. Jan 2018, 00:35

ferdimh hat geschrieben:Soll da jetzt AC oder DC gemessen werden?

AC soll gemessen werden.

@Bastelbruder... Kann man da nicht gleich einen Ethernet Trafo nehmen? Der hat doch 4 Wicklungpaare. Und Spannungsfest bis mindestens 4kv sind die auch.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon ferdimh » Mi 10. Jan 2018, 12:36

AC macht das ganze halt erheblich einfacher, weil man das ganze Offsetthema ignorieren kann, zumindest bei der Spannung. Beim Strom mag es eklige Lasten geben, die dann doch bedingen, dass man Gleichstrom misst (Fön mit Diode, GANZ billiges Schaltnetzteil, altes Allstromradio...)
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon ESDKittel » Mi 10. Jan 2018, 16:59

Schnelle Optokoppler gibts auch in fertig, allerdings dann nicht mehr linear sondern digitale Übertragung:
z.B. HCPL2601,

Harley hat geschrieben:Solche Stromwandler gibts auch in billig:

Das ist aber ein Wandler nach einem anderen Wirkprinzip als die LEM mit anderen Vor-/Nachteilen.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Hightech » So 14. Jan 2018, 23:10

Moin werte Fachschaft,

ich hab da mal ein Problem, zuerst dachte ich, das liegt an mir, wie so oft, doch nun :

Ich hab hier Stomwandler Telcon HTP25 und ABB EL 100.
Ziel ist es, Wirkleistung (3Phasen 400V) in beide Richtungen zu messen, ab ca. 20W.
Nun habe ich zu diesem Zwecke o.G. Stromwandler genommen und festgestellt,
die machen Offset.
Und das dürfen die lauft Datenblatt auch, aber das stört mich.
Nach der Gleichrichtung (aktiv) habe ich eine positive oder negative Halbwelle die größer ist als die jeweils andere.

Käse ist das beim Messen.
Das kommt daher, wenn Stromspitzen den Messwandler zu stark magnetisieren. Kann kann das wieder löschen, wenn das Geraffel dann später eingebaut ist, und ich habe einen Kurzschluss, ist ein ordentlicher Offset möglich.

Ist es für Wechselstromkreise dann nicht sogar besser, ich nehme einen Messtrafo ?
Sowas :
https://www.tme.eu/de/Document/4bf379646b30b1f30becba759f9411ed/asm_series.pdf

Nur ist der angegeben 1A-30A, warum unter 1A keine Angabe ? Nicht linear genug ?
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Bastelbruder » So 14. Jan 2018, 23:28

Die Trafos haben das gleiche Problem, bloß noch schlimmer. Dank nicht vorhandenem Luftspalt geht der Kern in Sättigung und die Spitzenamplitude nimmt ab. Und das passiert nicht bloß wenn ein Fön auf halber Leistung läuft.

Ich würde den Offset der Hallsensoren mit einer Grenzfrequenz im Millihertzbereich aussieben, dann ist das gut.
Einfach einen Integrator vorsehen, dessen Ausgangssignal abgeschwächt gerade so den legalen Offset ausgleichen kann. Oder gleich das Kleinhirn diese Aufgabe erledigen lassen.

Ich weiß jetzt nicht so richtig, was da an Analog- und Digitaltechnik vorgesehen ist, aber ich würde vor dem ADC höchstens eine Pegelanpassung und vielleicht eine Tiefpaßfilterung (zur Verringerung des Rauschens) vorsehen.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Hightech » Mo 15. Jan 2018, 07:54

Ja, es kommt ein µC dahin.
DIe Stromsensoren liefern ausreichend Strom, so das die Spannung dann auch hoch genug ist.
Nur bräuchte ich ich noch für die kleineren Ströme einen Verstärker, oder lieber für die großen Ströme einen Spannungsteiler ?
Kann man einen "Kompressor" vorschalten, der die kleinen Spannungen verstärkt und die hohen Spannungen dämpft also quasi log(n) oder log(10) ?
Muss natürlich einfach berechenbar sein, so das ich das im µC wieder glatt ziehen kann.
Blöd ist nur, wenn ich einen Filter und Integrator vorschalte, verschiebt sich sich Phase.
Wenn ich die Spannungsmeesung über den gleichen Filter schicke ist es ja gleich verschoben und dann für die Messung egal oder ?
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Bastelbruder » Mo 15. Jan 2018, 09:11

Log war mal. Da geht Auflösung flöten und der Wandler muß temperaturstabilisiert (geheizt) werden...
Ein Vorverstärker könnte vielleicht was bringen, der muß aber durchlaufen, separat gefiltert werden und er braucht eine eigene Offsetkorrektur.

Tiefpaßfilterung unmittelbar vor dem Eingangs-Multiplexer des ADC, eigentlich sollten Spannung und Strom doch gleichzeitig gemessen werden, geht mit bloß einem einzigen Wandler halt nicht. Deshalb für jeden Kanal einen separaten Sample&Hold in Form des Integrators der die Samplingzeit sinnvoll ausdehnt und effektiv das mit dem Quadrat der Zeit proportionale Rauschen reduziert. Wie war das noch mit Tau und Anzahl bits? Im Low Level Handbook ist gleich zu Beginn eine nette Tabelle zu finden.

Und komm nicht auf die Idee, den Zyklus der sequenziellen Abtastung dynamisch zu variieren. MOS-Schalter injizieren Ladung bei jedem Schaltvorgang.. Und die Stromnadeln sind richtig heftig.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Hightech » Mo 15. Jan 2018, 18:00

Ach, ich hatte gedacht, ich nehme den Spannungs-Nulldurchgang als Startinterrupt des ADC und samlpe je Halbwelle 100 Werte. Das sollte reichen um auch den Phasenwinkel zu erfassen.
Einen Komparator (Die Flanke kann ich ja auch gut nehmen um den ADC zu starten) nehme ich noch dazu um dem µC zu sagen ob gerade eine positive oder negative Welle kommt.
Das ist auch wichtig für die Leistungsrichtung.
Ich glaube am besten ich mache bei 25A 15V und nehme einen Spannungsteiler vor dem ADC.
An einem weiteren Eingang gehe ich dann direkt oder mit Vorverstärker drauf.
Oder ich nehme immer einen Vorverstärker und schalte die Verstärkung um.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Bastelbruder » Mo 15. Jan 2018, 20:11

Wegen einem Bit zweifelhafter Genauigkeit einen extra Komparator?
Und jeder Spike elektrische Furz erzeugt einen Interrupt?

Nachtrag zum letzten Beitrag : Nicht daß der Satz "Zyklus der sequenziellen Abtastung" in falsche Richtung interpretiert wird. Ich meine damit den "Drehschalter" vor dem Single-ADC, der nacheinander die einzelnen Eingangskanäle abtastet. Bei MOS lassen sich temporär unbenutzte Stellungen überspringen, das ist aber eine schlechte Idee weil die Ladungsinjektion sich bei variabler Zykluszeit unterschiedlich auswirkt.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Hightech » Mo 15. Jan 2018, 20:53

Leider sind die elektronischen Feinheiten jenseits meines bescheidenen Verständnis-Horizonts.
Das muss mit 1k/100nF gehen, ggf noch 4k7/1µ.
Auf den Mux im µC hab ich keinen Einfluss ?
Auf den Ratschlägen aufbauend habe ich erst mal einen 1µF Kerko vor den Verstärker geschaltet und den Offset weg bekommen.

Wie soll ich dem µC besser mitteilen ob es gerade die positive oder negative Halbwelle ist ?

Ich mal mal auf was ich bis jetzt habe.
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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Hightech » Mo 15. Jan 2018, 21:10

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Re: StromSpannung-Messung ;)

Beitragvon Jannyboy » Mo 15. Jan 2018, 21:33

Uiii... Hier hat sich ja eine ganze Menge getan.

Ich habe da mal was vorbereitet:
screenshot_neu.jpg


So gefällt mir der Analog-Teil Ganz gut.
Kritik? bitte :)

Also ADC konnt denn jetzt ein MCP3204 zum Einsatz mit einer 2048mV Referenz-Spannung.
Das sieht auf den Papier ganz gut aus.
http://de.farnell.com/microchip/mcp3204 ... dp/1196795

Die Wahl der Optokoppler fällt auf den TLP2310 oder 6N137... das verifiziere ich gerade welcher besser geeignet ist.
http://de.farnell.com/toshiba/tlp2310/o ... dp/2524275
http://de.farnell.com/broadcom-limited/ ... dp/2393289

Beim CPU bin sich noch was unentschlossen ob ich einen STM32F0 oder PIC24FJ einsetzen soll.
PIC ist robust und in Professionell- und Industrieal-Bereich sehr verbreitet.
Für STM32 gibt es sehr viel Code(Arduino-STM und Co) und ist auch für den nicht so bedarften Programmierer geeignet.
Also mal schnell ein bisschen Code durch nen C-Compiler schieben. Ist natüchbesser wenn man mal was als OpenSource veröffentlichen will.
Was meint ihr?

Grüße,
Jan
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