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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
> 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
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.
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
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.
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soso... schrieb: > Der Nachteil liegt im Spannungsabfall des Ganzen joa, die Diode sollte schon so 100W abführen können...
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.
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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
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
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.
Das sollte mit einer Josephson-Junction gehen. Muss er halt gut kuehlen :-).
> 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
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.
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/
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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
Das Thema kommt hier alle paar Monate, einfach mal die SuFu benutzen! Gruss Chregu
Die EFM32-Developmentboards haben eine Strommessung von 100nA bis 100mA onBoard. Das wird mit 2 Meßwandlern gemacht und in Software ausgewertet. Blackbird
> 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
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.
> 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
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.
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
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
> 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
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.
> 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
> 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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