Mäta 80 - 180 volt isolerat

[jesse]

Ska mäta en spänning på 80 - 180 volt med omkring 0.1-0.2 volts noggrannhet och max 0.5 volts avvikelse.
Mätobjektet måste vara elektriskt isolerat.
Mätresultatet vill jag ha in i en AVR-processor, gärna via SPI.
hastighet: mer än två samples per sekund är overkill.

Skall kunna tillverkas i ett 20-tal exemplar på kretskort.

Lite funderingar:

* på vilken sida om isolationen skall jag sätta ADC?

* Hur högohmig spänningsdelare kan jag tillåta mig utan att få avvikelser/störningar?
Med en kondensator (mot störningar/brus) efter spänningsdelare och en högohmig OP-amp bör jag väl kunna bygga en mycket högohmig mätingång? (Har för närvarande ingen absolut krav på högsta mätström). Kan 10 µA vara realistiskt vid 180 volt? (det blir bara 18 Mohm... skulle bli 500 kohm över ingången om man räknar att 180 volt = 5 volt. Får leta OP-ampar med låg bias-ström antar jag)

* hur lösa (billig och enkel) strömförsörjning till mät-sidan?
* analog eller digital isolerad dataöverföring?

Jag har ju vana med t.ex. ADUM1411 som är en bra isolator för SPI
jag vet även att det finns motsvarande kretsar som även överför lite kraft (5 volt) till "andra sidan" (ADUM4501). Då skulle man kunna ha en ADC och en spänningsreferens på mätobjektets sida. Det verkar vara en ganska OK lösning, förutom att ADUM5401 sprider EMI väldigt mycket åt alla håll...

Jag kanske kör på den, om jag inte får idéer om bättre alternativa lösningar. Då hamnar ju ADC och spänningsreferens automatiskt på "andra sidan"... Att överföra analogt med optokopplare är jag lite orolig över (har svårt att räkna ut felmarginaler) och tror dessutom att det kan kräva en del dyra kretsar. Annars finns ju inbyggd 10-bit ADC i AVRen.

10 bitars ADC verkar ju räcka ( 200 volt / 1024 = ca 0.2 volt) men 12 bitar skadar ju inte.

[TomasL]

Jesse, vi kan diskutera.

[jesse]

Thomas har PM

EN fördel som jag kom på med att överföra den analoga signalen isolerat är att jag mäter fler analoga saker , och kan då kombinera detta med en ADC med flera kanaler, så slipper man ha flera separata ADC-kretsar.

[jesse]

Har hittat en bra Application note från "Clare" (har aldrig hört talas om den tillverkaren förr) om linjära optokopplare:
AN-107

Då ska man bara "skapa" en drivspänning (t.ex 5 volt, 10 mA) , antingen via en isolerad DC/DC eller en step down från 180 volt... Jag har aldrig sett någon step-down-IC som klarar 200 volt DC in som kan reglera ner till 5-6 volt?

[Jonas L]

Vänta lite här. Du vill alltså mäta med 0,5/180 ~ 0,25 %? Det är inte alla multimetrar som reder ut detta över lite temperaturområde och ålder. Försöker du spänningsdela med 0,1%-resistorer så har du redan ätit upp hela felet. Att denna signal ska gå att överföra analogt över en isolationsbarriär verkar nästan orimligt. Tänk på att spänningsreferensen måste räknas med och ofta spelar stor roll i en sån här koppling.

Angående drivspänning så är en flyback rimligast om du ska ha flera zoner som är isolerade i förhållande till varandra. Fast för 20 enheter totalt så är det väl bättre med något färdigt.

[jesse]

Jag vet att man i praktiken sällan får samma noggrannhet som i databladen, av olika orsaker. Men det ska väl inte vara såååå orimligt? Det är väl ganska normalt i industriella sammanhang att man mäter spänning upp till 200 volt med 0.1 V noggrannhet. Och dom har väl inte tillgång till bättre kretsar än vad jag har? Man får väl kalibrera om man vill ha det perfekt.

Jag behöver komma ner i ca 0.25% noggrannhet.

Med 0.1% motstånd kan jag få maximalt fel på 0.2% vid 25 grader C.
Med temp mellan -25 och +75 grader avviker det max 0.125% mer, dvs. totalt 0.325%

Med referens på max 0.1% fel får jag max 0.425%
Med max 0.1% överföringsfel får jag max 0.525%
Med 12 bitar ADC och 2 LSB fel adderas max 0.098% fel
vilket totalt skulle bli ca 0.62% fel worst case..
Detta med kretsar som håller sig inom intervallet från -40 till + 85 grader.

Om man matchar motstånden en aning kan man säkert minska felet med 0.1 procentenheter.

säg att jag hamnar på +/- 0.5% .... det blir 0.9 volt fel....
tillkommer kansle lite offset och så... jo lite för mycket...
får leta efter bättre kretsar då.

>Att denna signal ska gå att överföra analogt över en isolationsbarriär verkar nästan orimligt.

Den linjära optokopplaren jag länkade till ovan har en linjäritet med avvikelse på upp till 0.01%
Skulle det inte funka i praktiken så överför jag den digitala signalen istället och sätter ADC:n direkt efter spänningsdelare och OP-förstärkare. Då blir överföringsfelet noll.

EDIT: Sedan satte jag 0.5 volt noggrannhet som ett mål för mig vid konstruktion. Om jag sedan hamnar på strax över 1 volt (dvs. ca 0.6% maximalt fel) så duger det. Exakt var "worst case" hamnar beror lite på hur jag haterar datan senare. Jag kan t.ex. lägga in temperaturkompensation i mjukvara om det behövs... eler andra former av kompensation. Fixa offsetvärden eller gain-avvikelser kalibreras och kan programmeras in i EEPROM. Så jag tror det är lugnt. DÅ kan jag nog hantera upp till 3 volts avvikelse vid 180 volt. Inte ens linjäriteten är viktig, då det bara är vid vissa tröskelspänningar det är viktigt att ha ett noggrannt mätvärde. (t.ex. vid 85 volt, 154 volt och vid 172 volt)

[exile]

Jag skulle nog ha gjort en digital överföring av signalen men det är jag.
Det skulle gå att kombinera signal överföring och strömförsörjningen.
Exempel:

iso.png

Där man kan skicka data åt bägge hållen om man skulle villa, det är dock lite krångligare att skicka data från den oisolerade sidan till den isolerade sidan ( man kan använda frekvensmodulering eller "av/på" av strömförsörjningen vilket kräver någon form av "smartare" hårdvara exempel uC)

Om man använder en uC som AD-omvandlare kan man skicka signalen med hjälp av uarten rakt i genom från ISO-sidan, skulle man hellre vilja en extern ad som exempel MCP3201 så skulle det fungera SPI åt det ena hållet, dock måste chip-select signalen växla för att den ska starta omvandlingen det kan man åstadkomma med hjälp av en division av "klockan" med hjälp av exempel vis 74HC590....

[monstrum]

Toleranserna på spänningsdelare och referens är egentligen inte viktigt, det är bara att kalibrera bort. Det är stabilitet som är tricket om du ska kunna mäta noggrant. Vill du vara riktigt lurig så ska du baka in hela mätelektroniken och reglera temperaturen där inne så har man nästan bara ålderstabiliteten att ta hänsyn till, och den går ju faktiskt också att kalibrera bort med jämna intervaller.

Jag skulle nog byggt hela kretsen på mätsidan och sedan isolerat kommunikationen med optokopplare. Enda problemet kanske är vid utveckling då man måste bygga sig något isolerat interface till programmeringsadapter/debuginterface. Kör du AVR och SPI så kanske det kan vara samma bus till kommunikation som för programmering.

[jesse]

Hade tänkt undvika ytterligare en processor på "högspänningssidan".... kör hellre färdiga ADC-kretsar än att hålla på och programmera...

[rehnmaak]

Det finns några coola sigma-delta modulatorer AD7400 från analog devices som har inbyggd isolator. Lägg till en NMJ0505SAC från murata och ett sinc filter så är det klart (nåja... nästan).

[jesse]

Intressant alternativ, men det blir skrymmande och inte billigare + att jag inte har pysslat med SINC3 filter tidigare...
Får bestämma mig i morgon vad det ska bli. Sedan måste jag beställa komponenter.

[Jonas L]

AD7401 har jag använt. En väldigt rolig feature är att man kan koppla på flera olika filter på samma signal, och man kan då få ut dels en snabb signal med få bitar och dels en långsam med fler bitar. Väldigt bra för vissa funktioner, fast det förutsätter nästan en FPGA.

Om du väljer den kretsen så se till att du har en bra buffer att driva dem med, då de har en förmåga att störa ut sig själva med sin switchande kondensator-ingång.

[jesse]

Har kommit fram till en väldigt enkel lösning.

Det visar sig att högspänningen kopplas bort vid vila, så strömmen som går genom spänningsdelaren går endast under korta stunder då kretsen är aktiv. Det underlättade en hel del. Jag gjorde helt enkelt en spänningsdelare med spänningsreferens (0.2% tolerans) som jag byggde på med en vanlig diod. Där får det gå ca 1 - 2 mA. Kretsen drar totalt max 0.8 mA, spänningsreferensen ska ha mellan 80 µA och 15 mA för att fungera. Sedan har jag en annan spänningsdelare med 1206-motstånd till mätingången. Strömmen genom de höga motstånden (330k) ger max 13 mW effekt per motstånd vilket ger en remperaturhöjning på ca 1.3 grader C...EDIT: 2.6 grader (200K/W). När omgivande temperatur varierar kommer alla motstånd att ha ungefär samma temperatur vilket gör att temperaturkoefficienten neutraliseras nästan helt ( 3graders skillnad ger 300 ppm eller 0.03% fel).

ADC drivs alltså på högspänningssidan, och SPI-interfacet körs via en 2-kanals digital isolator - klocka och data. Eftersom ADC-kretsen behöver en Chip-select också så genererar jag den på samma sida om isolatorn så sparar jag en kanal.

Det största kruxet är att ADC:n inte ska ha en högohmig källa på ingången. Här har jag ju 990 kohm... Jag tror det löser sig med en 100 nF - 1 µF kondensator över ingången. Om jag samplar tillräckligt sällan hinner den ladda upp sig ordentligt, så när jag kör en omvandling kommer samplingskondensatorn (på 25 pF) att ta sin laddning från den stora kondensatorn och på så vis sänks inte inspänningen under samplingen.

Alternativet hade varit en OP på ingången, men jag ville inte få strul med offsetspänningen...

schemat nästan klart...

EDIT: Exile - ditt schema såg också intressant ut. Men jag har lite svårt att räkna på det för att vara säker på att den funkar till 100% i alla väder... (frekvenser mm) så jag kör min metod med färdiga IC med inbyggd garanti.