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Thema: Strommessung über Shunt und OpAmp

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Strommessung über Shunt und OpAmp

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    Hallo!

    Ich baue momentan ein Labornetzteil und möchte gerne eine Stromüberwachung realisieren:
    Die Spannung, die über dem Shunt (low-side) abfällt, möchte ich mit einem nicht-invertierenden Verstärker verstärken und damit an den ADC eines ATMega32 gehen.

    Bei der Dimensionierung der Bauteile bin ich noch ein wenig unsicher. Meine Überlegungen sind folgende:
    Die Ausgangsspannung meines Netzteils kann ich über einen Spannungsbereich von 0V-27V auf rechnerische 26mV genau einstellen, möchte aber nur den Zehntel-Volt-Bereich ausnutzen. Ich dachte mir deshalb, dass ein maximaler Spannungsabfall über dem Shunt von ebenfalls 26mV, sagen wir 25mV, vertretbar wäre. Das Netzteil ist auf einen maximalen Strom von 2,5A ausgelegt, d.h. ich bräuchte einen Shunt mit 25mV / 2,5A = 0,01Ohm.
    Die ADC-Referenzspannung beträgt 5V, d.h. ich müsste meinen Verstärkungsfaktor zu 200 Wählen, um Vollausschlag bei 2,5A zu erhalten.

    Meine Fragen dazu:
    Ist dieser hohe Verstärkungsfaktor realistisch, oder bekomme ich da ein unglaubliches Rauschen drauf?
    Wäre dieser Shunt geeignet? Oder sind z.B. 10 parallel geschaltete 0,1Ohm-Widerstände besser?
    Ich habe bisher noch keine Erfahrung mit realen OPVs - welcher wäre für meinen Einsatzzweck geeignet? Ich brauche einen Single-Supply-Typ (+5V und GND) und soweit ich weiß die Rail-To-Rail-Eigenschaft, weil meine Ausgangsspannung ja den Bereich von 0V bis 5V umfassen soll, sowie möglichst wenig bis Null Offset und Drift. Könnt Ihr mir einen empfehlen?
    In welcher Größenordnung (wie ich die Werte berechne weiß ich) werden die Widerstände zum Einstellen der Verstärkung idealerweise ausgelegt? Oder spielt das keine Rolle?

    Vielen Dank für Eure Antworten,
    Manfred

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär
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    Ein shunt mit 25 mV als maximale Spannung geht noch, ist aber nicht ideal für hohe Auflösung. Für die 10 Bit im AVR sollte es aber reichen. Die normalen DVMs haben auch nur etwa 200 mV, und dass bei mehr Auflösung.

    Als OP könnte man so etwas wie AD8551 oder LTC2050 nehmen.
    Die Widerstandswerte für den Verstärker sind nicht so kritisch. Der shunt ist ja eine ausgesprochen niederohmige Quelle, und die Zero Dirft OPs haben einen hohen Eingangswiderstand, aber kein super niedrieges Rauschen so dass sich kleine Widerstände lohnen würden.

    Die 200 fache Verstärkung ist kein Porblem, solange es nicht schnell sein muß. Die OPs haben größenardungsmäßig 200 nV/ sqrt(Hz) an Rauschen. Da kann man noch einiges an Bandbreite (ca. 10 kHz) haben für die etwa 20 µV /LSB. Die Bandbreite sollte aber schon etwas Begrenzen und den AD Wandler mehrfach Wandeln lassen (Oversampling).

    Wenn es gut werden soll, sollte man da schon einen passenden Sunt nehmen, und wenn es nur einer für den 20 A bereich an DMMs ist. Beim Shunt ist nicht nur der Widerstand wichtig, sondern auch der Temperaturkoeffizient und die Thermospannungen.

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Als OP könnte man so etwas wie AD8551 oder LTC2050 nehmen.
    ....oder LT1636, den gibt es auch "um die Ecke" !

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker Avatar von µautonom
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    Hi ManniMammut,

    ich stehe vor einem ähnlichen Problem wie du, zur Zeit überlege ich ob ich nicht lieber ein Stromüberlastschutz baue statt den Strom zu messen. Baue zwar kein Netzteil aber ein Roboter bei dem der Strom der Motoren erfasst werden soll.

    Die Shunts von Isbaellenhütte sind natürlich 1A, wobei ich das von Conrad sehr teuer finde, wie wäre es damit ? ->

    buerklin*de mal in die Suche eingeben "09 E 270"

    Ist auch günstiger und reicht vielleicht in deinem Fall vollkommen aus.

    Dort kann man die schönen Shunt-Widerstände von Isabellenhütte erwerben, ich werde da demnächst bestellen.

    Was ist mit dem INA138? Gibt es bei csd-electr..., ist ein High-Side Current sensor, musst nur drauf achten das du die Vsense Spannung von 500mV nicht überschreitest. Kleiner Ruhestrom 25uA, Offset beträgt (typ) 0.2mV. Vorteil -> ist das schon alles enthalten (intern)

    Hm vielleicht wird das "preislich" günstiger für dich wenn du das ganze diskret mit dem vorgeschlagegen OP's von Besserwessi aufbaust.

    Mfg

  5. #5
    Eine Verstärkung von 200 ist noch relativ problemlos möglich.

    Allerdings hast du mit dem Mega32 die Möglichekeit, eine differenzielle Messung vorzunehmen. Dabei kann man auch noch einen internen Verstärker zuschalten (Verstärkungsfaktor 1, 10 oder 200). Allerdings meine ich mich erinnern zu können das dabei 2Bit Genauigkeit flöten gehen, das weiß aber das Datenblatt besser, ich wollte nur auf die Möglichkeit hinweisen.

    Edit: Auch sinnvoll kann es sein, die Referenzspannung niedriger als 5V zu wählen. Selbst wenn du nur auf die internen ~2,5V umsteigst, musst du nur noch um faktor 100, statt 200 verstärken.

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Vielen Dank für Eure Beiträge! Offensichtlich lag ich mit meinen Einschätzungen nicht ganz falsch.

    @MichaF: Diese beiden Möglichkeiten habe ich auch bedacht, nur brauche ich an anderer Stelle noch Aref=5V und es gehen lt. Datenblatt bei internem Gain wie Du gesagt hast 2 Bit Genauigkeit flöten. Den dabei entstehenden Fehler will ich bei meiner nicht allzu hohen Auflösung nicht auch noch einbringen.

    Ich habe mir jetzt einen LT1636 (danke @Besserwessi und WL!) und einen SMD-Shunt bei Buerklin (danke @µautonom!) besorgt, womit ich ein wenig experimentieren werde.

    VG, Manfred

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