Mäta ström med varierande riktning, PIC

[squiz3r]

Hej. Jag skulle behöva slänga ihop en enkel batteriövervakning till min båt. Tanken är att avläsa spänningen på batteriet samt strömmen. Jag har en solcell som laddar batteriet, strömmen kan därför vara antingen positiv eller negativ.

Jag vill bygga ihop en enkel krets med de komponenter jag har hemma (LMC6041 eller LM358 kanske kan vara lämpliga att använda som op-amp?). Någon lämplig linjär hallbaserad strömgivare som kan mäta bidirektionell ström har jag inte hemma, jag tänker därför en shunt-baserad mätning. Enklast bör det väll vara med en lowside shunt. Som shunt kommer jag att använda kablaget från batteriet för att slippa introducera någon extra resistans. Denna kommer ju sedan att behövas förstärkas med en op-amp innan den avläses med ADC-modulen i någon lämplig PIC-processor. Men frågan är hur jag löser den negativa spänning som blir över resistansen när batteriet laddas?

Någon speciell precision är ej nödvändig, 10% hit eller dit kan vara OK.

Mvh. Daniel

[YD1150]

Bygg en ideal likriktare med OP! ( det är absolutbeloppet du vill ha, från 0 till +10A som exempel)
En komparator före ger signal, upp eller urladdning.

[squiz3r]

Det låter som en utmärkt lösning på problemet! Då dubblerar jag ju upplösningen också vilket kan vara bra då jag kommer att mäta strömmen över ett stort område (0 till 10,24A med upplösning om 10mA tänkte jag).

Jag har kollat runt på nätet en hel del nu efter lämpliga kopplingar för att skapa en ideallikriktare och det finns ju många olika modeller.. Jag behöver ju köra min på single supply, så det tar bort en hel del av dem.

Är denna första kopplingen i länken nedan bra?
Precision Absolute Value Circuits
Jag är dock inte riktigt med på hur jag bestämmer värdena på komponenterna? Det står "set the C1 * R1 pole equal to about 1/4 the unity gain bandwidth of A2.". "Unity gain bandwidth", är det förstärkningen på buffer-kretsen som utgörs av A2, R1 och R2? Hur tänker jag för att bestämma förstärkningen av kretsen?

[90kar08]

Precis en sån mätare ville min pappa att jag skulle bygga till hans båt för nåt år sen.
Det föll på att jag inte hade tillräckligt med elektronikerfarenhet då men den här tråden ska jag följa.

Välkommen tillbaka förresten

[YD1150]

Jag gjorde en wattmeter till sol & vindkraften för några år sedan.

Ingångssteget gjorde jag så här, fast jag kostade på mig dubbel matningsspänning.
isolerad från det övriga

Ingångssteg.pdf

Shunten ansluts mellan pinne 2-3 på kontakten J1, 1 är batterispänningen.
Utgången "SIGN" ger riktningen, upp eller urladdning till PIC-processorn.
V och A är självförklarande.

Mer bilder på bygget finns här: http://24volt.eu/phpBB3/viewtopic.php?f=23&t=1486

[jesse]

Ska du mäta positiv och negativ ström så kan en hallsensor från Allegro vara smidig. Eftersom utgången är isolerad från strömmen som ska mätas så kan den koppas på var som helst (higo eller low side) och den kräver inget externt shuntmotstånd. Man kan välja bidirectional ACS712 med mätområde på +/-5A, +/-20A eller +/-30A.

[xxargs]

+/- -spänningar underlättar ohört i sådana sammanhang och en galvanisk isolerande omvandlare mot det man skall mäta är riktig lyx som förenklar saker betydligt då problemen med med för dålig PMRR som stör mätvärdena förbättras med många dB.

kruxet är att göra det hela tillräckligt strömsnålt och själva DC/DC-omvandlaren kan vara den störta förbrukaren över tiden -

[TomasL]

Kör på Jesses förslag, han har mycket stor erfarenhet av sånt här.

[squiz3r]

De där bidirektionella (finns det något bra, korrekt, svenskt ord för detta?) hallsensorerna är riktigt smidiga, jag har använt dem ett par gånger tidigare. Dock vill jag som sagt bygga ihop detta utan att beställa nya komponenter, så jag skall fortsätta prova mig framåt med en absolutvärdeskoppling och en shunt. Går det inte får det bli att beställa några sådana!

En negativ spänning skulle jag ju kunna ordna med en inverting charge pump, har några olika modeller hemma. Men som sagt så drar dem ju en del ström.. Hur hade det underlättat om jag hade en negativ spänning? Den absolutvärdeskopplingen som jag länkade till tidigare klarar sig med single supply och min op-amp har rail-to-rail utgångar, så det bör väll fungera? xxargs, berätta gärna lite mer om vad PMRR är?

Tack för återvälkommnandet 90kar08! Det har inte blivit så mycket av varken elektronik eller forum de två sista åren, både högskolan och lägenheten tar tid.. Jag skall däremot försöka inreda ett litet elektronikrum i min klädkammare till hösten, så sen kanske det blir lite mer!

[squiz3r]

Ju mer jag läser om absolutvärdeskretsarna desto mer förvirrad blir jag.. Den kretsen jag hade tänkt använda verkar kräva att op-ampens inverterande ingång kan hantera spänningar mindre än v-, vilket inte verkar vara fallet med LMC6041...

Jag funderar däremot på en annan approach.. Jag använder mig istället av en high-side resistans. Med hjälp av en op-amp kopplad som en differential förstärkare mäter jag spänningsskillnaden på resistansens två sidor. Båda två spänningarna kommer ju att vara positiva även om spänningsskillnaden blir negativ. Vad händer då? Utgången borde gå ner till 0v helt enkelt? I så fall kommer denna fungera för ett positivt spänningsfall och ge ut 0v för ett negativt spänningsfall. En annan likadan differentiell förstärkare kopplas då på samma ställen med med inverterande och icke inverterande ingångar omvänt mot den förra. Denna kommer då ge ut 0 volt om spänningsfallet är positivt och i annat fall en (positiv) spänning proportionell mot det negativa spänningsfallet? Sedan får PIC'en läsa av båda dessa värden och får spänningsfallet som värdet från den icke inverterande förstärkaren minus värdet från den inverterande förstärkaren. Detta bör fungera?

[xxargs]

Ursäkta - skulle ha skrivit ut i klart text

du är säkert bekant från OP-ampar med med CMRR - Common Moder Rejection Ratio

PMRR = Power Mode Rejection Ratio är motsvarande men aktuellt för påverkan som beror på strömförsörjningen av utrustningen som brus eller spänningsvariation som påverkar utsignalen. Detta gäller också typ spänningsreferenser mm. som påverkas av hur matningsspänningen rör sig upp och ned då strömmen i tex förkopplingsmotståndet varierar i en zenerer-referens gör att spänningen rör sig en smula mm. och i ditt fall med batterier skall du hantera från 10.8 Volt (lägre vid start av motor) till över 15 Volt utan att mätvärdet på shunten påverkas - vilket kommer vara knepigt nog att få till.

ligger man med spänningsnivåer väldigt nära 0 Volt på en OP-amps ingångar som har samma 0 Volt som sin negativa matningsspänning samt att utgången också ligger nära 0 eller när max spänning så har man också stor påverkan på utgången beroende på hur matningsspänningarna varierar eller brusar - för god PMRR så kanske det innebär att spänningen på båda differensingångarna måste ligga 0.5 Volt över negativa matningsspänningen (0 Volt i singel rail fallet) och utspänningen ligga 1 Volt ifrån sina ändlägen då när man ligger väldigt nära så kan inte motkopplingen ta detta och det går in brus och störningar från matningen ut på utsignalen.

dvs det är sådan saker som man måste titta igenom på databladet och kanske också simulera i Spice innan fysisk bygge.

det här betyder också att tillverkningen av +/- spänningen måste göras med omsorg och inte med någon enkel laddpump då bruset och ripplet från laddningspumpen kan slå igenom.

---

det fins ingen OP-amp som kan mäta negativt under sin negativa matninsspänning - utan man får ta till lite trix som tex en summatorkoppling som lyfter nivån mot OP-ampens ingång med en referensspänning på ena summatormotståndet och det man vill mäta som är under nollan med den andra summatormotståndet - men då öppnar man upp för PMRR-problem istället...

Highside-mätning är också väldigt knepig då balansen på motstånden måste vara extremt bra för bästa möjliga commom mode dämpning - annars kommer du mäta skillnader som dels beror på spänningsvariationer av batterispänning som sådan och dels spänningskillnaden på shunten och du vet inte vilket som är vad


det fins säker spaltkilometer om detta i olika appnötter hos olika kiseltillverkare och problemet är verkligen inte av nybörjarnatur...

[ghu]

det finns ingen OP-amp som kan mäta negativt under sin negativa matninsspänning

Detta är inte korrekt. Det finns en uppsjö av operationsförstärkare där inspänningen kan vara 0.3 V under sin negativa matningsspänning. För att ta två i mängden: CA3140, MCP6271

Förslag till lösning på TS problem:
Om du har en OP med enkel matningspänning +5V som klarar rail-to-rail på utgången så kan man ta en vanlig inverterande koppling med förstärkningen -1 samt lägga +ingången på potentialen +1.25V.
Då inspänningen varierar mellan -2V och +2V kommer utspänningen från OP:n variera mellan +4.5v och +0.5V.
Då inspänningen är 0V kommer utspänningen att vara +2.5V.

Edit: Om man vill ha annat inspänningsområde är det lätt fixat. Exempelvis inspänning -0.2V...+0.2V kräver inverterande förstärkare med förstärkning -10 samt potential på +ingången på +0.227 V.
Beräkning av potential på +ingång 2.5V/(|K|+1) där K är inverterande kopplingens förstärkning.



Om du använder LM358 och +5V matning. Koppla som inverterande förstärkare med förstärkning -1. Lägg +ingången på potentialen +1V. Då inspänningen varierar mellan -1.5V och +1.5V kommer utspänningen från OP:n variera mellan +3.5v och +0.5V.
Då inspänningen är 0V kommer utspänningen att vara +2 V.

[squiz3r]

Kopplade upp så som jag beskrev tidigare med två differentialförstärkare med 10ggr förstärkning och mätte med en sladdbit med resistans på 0.13 ohm som shunt. Resultatet blev långt från perfekt, men acceptabelt till en början i alla fall. De blå prickarna är uppmätt data och den raka linjen är vad det teoretiskt borde vara.

stromsensor.jpg

Edit: Detta projektet är dock dödsdömt på det vis jag försöker lösa det nu..Med en såpass stor resistans som jag kommer behöva för att klara avläsningen (flera hundradelars ohm) kommer jag att få gigantiska spänningsfall p.g.a. momentant mycket höga effektuttag från ekolod och stereo.. Ekolodet har en peakeffekt på 1kW, det blir ca 85 ampere. Med en resistans på 0.05 ohm blir ett spänningsfall på 4,25 volt... Det får nog bli att skrinlägga detta projektet och beställa någon hallsensor.

[jesse]

Du kan köpa en (eller flera) ACS758 av mig om du vill.
Jag har flera varianter, alla för bidirektionell mätning.


ACS758-rak-150A
ACS758-rak-200A


ACS758-böjd-150A
ACS758-böjd 200A

Pris: 94 kr/st + moms.
datablad

Frakten blir väl 6 eller 12 kr, beroende på hur mycket "paddning" jag lägger i kuvertet.

[svanted]

spänningsfallen p.g.a. peakeffekterna kan kortslutas mha en effektdiod över kabeln...
så anpassa resistansen så att du får typ 0.5V vid den maxström du vill mäta...


edit....
eller sätt en stor kondensator nära ekolodet som dödar strömpeakarna....