Schaltschrankzentrale inkl. Leistungsmessung mit Raspberry und Energy Measurement IC

[Dawa P. (dawa)]

Hallo,

Zuerst zu meiner Person: Ich bin Techniker für Elektrotechnik und weiß 
zumindest was ich im Schaltschrank tue. Auf der Platine sieht das leider 
ganz ganz anders aus.
Wobei sich mein Status in den letzten Wochen von "gar keine Ahnung, weil 
es 6 Jahre her ist seit ich das letzte mal Eagle gesehen habe" zu "ok, 
die Grundlagen sitzen wieder, aber es gibt noch sehr viel Luft nach 
oben" geändert hat.

Ich hatte vorher schon als Gast geschrieben (Ich habe eben entdeckt, 
dass ich noch einen Account von 2014 habe), leider passen die 
Threadnamen gar nicht zum Thema, weil ich ursprünglich etwas ganz 
anderes machen wollte. Es war bis jetzt eher ein ran tasten zu der 
jetzigen Lösung und das entdecken von immer anderen ICs die ich vorher 
nicht kannte. Außerdem war die Sache mit der Isolierung sehr 
Zeitintensiv. Wenn man vorher noch nicht einmal das Wort 
Gleichtaktstörung kannte, dann ist selbst der Aufbau eines isolierten 
DC/DC-Wandlers komplex. Danach will man den Bus trennen und kommt über 
I2C zu SPI von Optokopplern zu ICoupler und so weiter und so 
weiter...Learning by doing.

Genug geweint, nun zum Thema: Wie auf dem Bild zu sehen ist, habe ich 
vor meinen Schaltschrank mit einem Raspberry Pi zu steuern. Auf der 
rechten Seite will ich mehrere Karten mit Relais positionieren. Zum 
Schalten der Relais wird die Spannung per Schaltregler auf >22,5V 
hochgedreht(mal gucken was das Netzteil - Drop am Schaltregler hergibt). 
Danach wird die Spannung auf 9,6V verringert um die Relais zu halten. So 
kann ich ungefähr 50% Energie sparen.
Auf der linken Seite soll isoliert Spannung und über 
Messwiderstände(Shunt) der Strom auf der Low-Side "N" gemessen werden. 
Die Aufteilung auf beide Seiten hat den Vorteil, dass der I2C bzw. der 
SPI-Bus kurz bleiben. Falls die Leistungsmessung nicht funktioniert kann 
ich die Relaiskarten unangetastet lassen und muss mich nur neu an der 
Messkarte versuchen, wäre also auch zu verschmerzen. Zuerst wollte ich 
einfach ADCs nehmen und die Leistung selber berechnen. Dies scheint aber 
auf den zweiten Blick sehr komplex zu sein. Außerdem wäre hier der 
Raspberry wohl ein ziemlicher Flaschenhals. Weshalb ich jetzt hoffe, 
dass das gewählt "Energy Measurement IC" wie erhofft die Eierlegende 
Wollmilchsau ist. Theoretisch sollte ich mit einem IC direkt für zwei 
Kanäle Strom, Spannung, die Wirk-, Blind-, Scheinleistung usw. ausgeben 
können.

Im Netz findet man sehr wenig über solche Chips. Auf den ersten Blick 
wirkt das um einiges einfacher als die Berechnung selber durchzuführen.
Hat mit solchen ICs schon jemand gearbeitet? Warum wird das so wenig 
benutzt? Das ließt sich doch fast zu schön um wahr zu sein. Naja bis auf 
das Package, aber das sehe ich eher als Herausforderung. Bzw. ich muss 
nochmal in mich gehen, es gibt die ja auch in freundlicheren Designs. 
Dann halt nur mit einem Kanal. Zumindest habe ich sonst nichts passendes 
gefunden.

Aus der Werbung:

https://www.cirrus.com/products/cs5480/

On-chip measurements / calculations:
Active, reactive and apparent power
RMS voltage and current
Power factor and line frequency
Instantaneous voltage, current and power

[Spess53 (Gast)]

Hi

>Aus der Werbung:

>https://www.cirrus.com/products/cs5480/

Na ja Werbung. Interessanter ist

Technical Documents->CS5480 Product Datasheet

Lies dir das erst mal durch und entscheide dann. Wie gut sind deine 
Eektronik-/Programmerkentnisse?

Was und wofür soll das ganze werden?

MfG Spess

[Dawa P. (dawa)]

Spess53 schrieb:
> Was und wofür soll das ganze werden?

Das wird ein Hobbyprojekt. Ich will damit meine Wohnung automatisieren. 
Das mit der Leistungsmessung ist hauptsächlich Spielerei. :)

Spess53 schrieb:
> Lies dir das erst mal durch und entscheide dann.

Das Datenblatt hatte ich schonmal quer gelesen. Es mangelt mir aber 
ehrlich gesagt gerade an der Stelle an einigen Basics, die in Verbindung 
mit meinen überragenden(ironie) Kenntnissen des technischen Englisch die 
Sache sehr erschweren. Deshalb wollte ich mir eine Messkarte aufbauen 
und ein bisschen mit dem SPI-Bus spielen, um die Grundlagen zu 
verstehen.

Spess53 schrieb:
> Wie gut sind deine
> Eektronik-/Programmerkentnisse?

Elektronik:
Die Relaisseite klappt locker. 1-2 Schaltregler habe ich auch schon 
aufgebaut. Die Messplatine und der SPI-Bus sind absolutes Neuland.

Programmierung:
Grundlagen: Python, Html, PHP, Javascript(copy&paste) und Mysql.

Ich schreibe/lese von Python in eine Mysql-Datenbank und von Php in die 
selbe. Somit steht schonmal eine erste Visualisierung.

[Dawa P. (dawa)]

Ich habe erstmal die Relaiskarte gebaut und währenddessen nochmal 
überlegt welches IC ich für die Strommessung nehme. Es ist am Ende das 
"CS5463" geworden. Das sollte alles können was ich will und das Package 
ist viel freundlicher. Jetzt muss ich zwar doppelt so viele ICs 
auflöten, aber das wird mit Sicherheit trotzdem doppelt so schnell 
gehen. ;)

Ich habe keinen isolierten 6V oder 9V DC/DC-Wandler gefunden, der mehr 
als 167mA kann. Um Strom zu sparen, schließe ich deshalb den Digitalteil 
des CS5463 an 3V3(das geht laut Datenblatt) und den Analogteil an 5V. 
Id=1.7mA, Ia=1.1mA, bei 40 IC's komm ich dann auf 112mA.

112mA 40xCS5463

3.5-4.82mA ADuM260N

13.5-23mA ADuM4151

---------------

129-140mA

Dann habe ich noch 27mA-38mA Puffer für die Muxer. Das sollte 
hoffentlich reichen. Kann die Art von DC/DC-Wandler gut am Limit 
betreiben werden oder mögen die das nicht?
Die alternative wäre einen DC/DC-Wandler mit 5V zu nehmen. Aber dann 
kann ich keinen LDO mehr dahinter setzen und hätte Angst das die 
Spannung zu unsauber ist.

Bei der "Befilterung" des isolierten DC/DC-Wandlers habe ich vielleicht 
etwas übertrieben. Aber ich habe bis jetzt noch nie einen auf der 
Platine gehabt. Am Ende muss ich ja nicht alles bestücken.

P.S. Die eigentliche Strommessung folgt noch.

https://www.mouser.de/datasheet/2/76/CS5463_F3-1132314.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADuM4151_4152_4153.pdf
https://www.mouser.de/datasheet/2/308/74LCX138-D-1801480.pdf
https://www.mouser.de/datasheet/2/609/ADuM260N-261N-262N-263N-1503671.pdf

[Fritz (Gast)]

Da ich selbst schon mit ähnlichen ICs zur Leistungsmessung im 
Wechselspannungsnetz gearbeitet habe möchte ich dich fragen, ob dir klar 
ist, dass diese ICs für 50/60Hz Leistungsmessung entwickelt wurden, aber 
nicht für reine DC-Messungen. Möglicherweise kann man damt auch 
DC-Strommessung machen, aber das ist völlig überzogen. Allein die 
Programmierung über irgendein serielles Interface ist nicht trivial. Da 
du auch Begriffe wie Scheinleistung, Blindleistung erwähnst, frage ich 
wie du in der Materie theoretisch und praktisch bewandert bist.
Beginne doch erst einmal kleinere Brötchen zu backen. Messe mit einem 8 
bis 12 bit AD Wandler denStrom nach dem Netzteil und sammle Erfahrung. 
Überlege dir erst welche Genauigkeit du brauchst, so wie du das 
beschrieben hast würde auch nur ein 8-Bit Typ genügen.
LG Fritz

[Dawa P. (dawa)]

Ich denke dabei handelt es sich um ein Missverständnis. Das Ganze kommt 
in meine Wohnungsunterverteilung. (230VAC/50Hz)

[Dawa P. (dawa)]

Mir hat das mit der Spannungsversorgung noch nicht gefallen. 
DC/DC-Wandler mit 5V gibt es im Gegensatz zu der 6V Variante zu Hauf in 
2W. Wenn ich dann den Energy Measurement IC CS5490(3V3 anstatt 5V) nehme 
kann ich auch noch ein LDO davor setzen. Der CS5490 hat allerdings UART 
und nicht SPI. Weshalb ich meine Multiplexer nochmal umgebaut habe. UART 
bekommt keine Pullups, aber wie sieht das beim Multiplexer betrieb aus? 
Ohne die gezeichneten Pullup bei TX hätte doch theoretisch nur der 
gerade ausgewählte IC ein klares Signal. Die anderen wären unbestimmt? 
Bei RX habe ich einen Pullup auf die andere Seite gesetzt, dass nicht 
zwischen den Kanalwechseln undefinierte Zustände herrschen. Passt das 
so?

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd74hc4067.pdf?HQS=dis-mous-null-mousermode-dsf-pf-null-wwe&ts=1612698794198&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.mouser.fr%252F

https://statics.cirrus.com/pubs/proDatasheet/CS5490_F3.pdf

[Dawa P. (dawa)]

So, die Kinder sind bei der Oma und ich habe wieder etwas Zeit mein 
"Wunderwerk" zu präsentieren. ;) Ich arbeite manchmal am Laptop oder am 
PC. Darum fehlen jetzt die hälfte der 3D-Bauteile. :( Nach allen 
Anleitungen zu Kicad wird der Arbeitsordner unter Windows in Dokumente 
angelegt. Dumm ist wenn die Benutzer unterschiedlich heißen und die 
links zu den 3D-Modellen nicht mehr stimmen. Schade das man in Kicad 
keine Arbeitsordner verlinken kann. Vielleicht mach ich auch einfach nur 
etwas falsch.

Nachdem ich etliche Stunden mit meinen 6x 16Port Multiplexern geroute 
habe und irgendwann fertig war, fand ich das Ganze dermaßen 
unübersichtlich das ich alles wieder gelöscht habe. :) Geblieben sind 
dann für die Leistungsmessung ein DC-DC-Wandler und 3 icoupler. Auf die 
linke Seite (noch zu Konstruieren) kommen sechs Steckkarte mit je zwei 
Multiplexern für TX(74CBTLV3251) und RX(74CBTLV3251) und 8x 
Leistungsmessung(CS5490).

Es hat zwar lange gedauert, aber so langsam kann ich selber ein Konzept 
erkennen. :D

https://www.mouser.de/datasheet/2/698/IDT_74CBTLV3251_DST_20190510-1996333.pdf

[Dawa P. (dawa)]

Kurze Frage:

Gegeben ist folgendes PDF.

https://statics.cirrus.com/pubs/appNote/AN362REV1.pdf

Auf Seite 7 ist der Anschluss eines Stromwandlers beschrieben. Damit 
schließe ich doch "l" an IIN1+ und "k" an IIN1- an. Beim Shunt (Seite 
11) messe ich den Neutralleiter, die Last läge oberhalb des Shunts. Hier 
wird das Signal ebenfalls "verpolt" angeschlossen.

Gegeben ist folgendes PDF.

https://statics.cirrus.com/pubs/rdDatasheet/CDB5490U_DB5.pdf

Auf Seite 12/13 ist ebenfalls ein Shunt und ein Stromwandler 
eingezeichnet. Die Polung ist genau anderes herum.

Bekommt der das später irgendwie über die Software raus wie rum das 
angeschlossen ist? Ich finde es etwas verwirrend, da ich bei einem 
anderen Hersteller folgendes gelesen habe.

"Klemmen S1/S2 (k/l)
Die Anschlüsse der Primärwicklung sind mit „K“ und „L“ oder „P1“ und 
„P2“ bezeichnet und die Anschlüsse der Sekundärwicklung mit „k“ und „l“ 
oder „S1“ und „S2“. Die Polung hat dabei so zu erfolgen, dass die 
„Energieflussrichtung“ von K nach L verläuft.

Das Vertauschen der Klemmen S1/S2 führt zu falschen Messergebnissen und 
kann bei Emax und BLK-Anlagen auch zu falschem Regelverhalten führen"
Quelle: https://www.janitza.de/einbau-von-stromwandlern.html

[M. K. (schuk0)]

Die Flachstecker an den Relaiskarten sind aber nicht dein Ernst oder?
Da würde ich vernünftige Schraubklemmen z. B. Von WAGO oder Phoenix 
nehmen.

Überhaupt scheint das ganze wenig praktisch für einen tatsächlichen 
Schaltschrankeinbau zu sein.

[Dawa P. (dawa)]

Mit den Flachsteckern bei den Relaiskarten muss ich dir recht geben. Der 
Hintergrund war, dass ich mit dem Leistungsteil nicht auf die Platine 
gehen wollte. Auf dem 3D-Aufbau sieht man aber, dass man bei der 
Anordnung beim Stecken zu leicht an die Kontakte der darüberliegenden 
Karte kommen kann. Ich habe jetzt Kabelgehäuse mit Steckern gewählt 
(20A). Die Leitungswege auf der Platine sind 1mm+Shunt. Da mach ich mir 
dann keine Sorgen.

Der auf dem Bild zu sehende Aufbau ist der maximal mögliche. Ich kann 
Karten für Stromwandler stecken oder eine Version mit Messwiderständen. 
Testen werde ich natürlich erstmal von jeder Version eine. Wenn das gut 
klappt, mache ich mir Gedanken wie viele ich von jeder Art brauche.

Was jetzt noch fehlt ist ein Gehäuse wegen Berührungsschutz und um die 
Karten zu fixieren. Das Gehäuse will ich aus schwer entflammbarem ABS 
drucken.

[Spess53 (Gast)]

Hi

>Was jetzt noch fehlt ist ein Gehäuse wegen Berührungsschutz und um die
>Karten zu fixieren. Das Gehäuse will ich aus schwer entflammbarem ABS
>drucken.

Hast du eigentlich irgend eine von deinen Schaltungen schon mal 
praktisch aufgebaut?

MfG Spess

[Dawa P. (dawa)]

Spess53 schrieb:
> Hast du eigentlich irgend eine von deinen Schaltungen schon mal
> praktisch aufgebaut?

Teils teils. Schaltregler und Relais, ja.
Leistungsmessung, nein.

Ich bau den Teil "Raspberry - Relais" komplett auf. Das wird, wenn ich 
mich nicht irgendwo verhauen habe problemlos funktionieren. So etwas 
ähnliches habe ich vor Jahren schonmal gebaut. Bei dem 
Leistungsmessungsteil bau ich erstmal von jeder Art 1 Karte und habe 
etwas zum Testen.

Ich habe gerade die Halter geplant. Auf die Montageplatte Schraube ich 
zwei Schienen, auf die ich die gezeichneten "Dreiecke" aufstecken kann. 
Zur Stabilisierung kommt noch eine runde Strebe oben in die Mitte. Als 
"Stecksicherung" folgen dann von oben noch zwei Schrauben. Danach ist 
die Platine geklemmt und bewegt sich nicht mehr. So ähnlich werde ich 
das bei den anderen Karten auch machen.

[Werkzeugmacher (Gast)]

Ersetze die 4 Streben doch einfach durch 2 Rippen, das hält doch auch. 
Zumal der Halter unten mit 6 Schrauben befestigt wird.

Die vorstehende Nase (roter Kreis) sollte weggelassen werden. Beim 
Reinschieben könnten da Bauteile hängen bleiben.

[M. K. (schuk0)]

Dawa P. schrieb:
> Ich habe jetzt Kabelgehäuse mit Steckern gewählt (20A)

Das wäre mir für 20A immer noch zu friemelig, aber besser als vorher 
allemal.

Trotzdem immer noch jede Menge Stellen, wo man im jetzigen Zustand 
direkt an Netzspannung greifen kann.