Strommessung -> Korrekt so?

[BASTIUniversal]

Hallo!
Ich will eine Stromüberwachung für meinen Roboter bastelln. Überwachen will ich die beiden (vorgesehenen) Motoren RB35 und auch den Gesamtstrom der von der Batterie entnommen wird.
Für die Shuntwiderstände hab ich 0,22Ohm/2W vorgesehen:
-> Motor braucht max. 0,5A -> Verlustleistung bei 12V: (0,22Ohm * 0,5A)*12V =1,32W.
Bei 0,5A fallen dann 0,11V am Shunt ab.
Max. möglicher Strom wäre dann 0,75A (?)

Ist die Rechnung überhaupt korrekt?

Mit welcher max. Auflösung und Genauigkeit kann ich ungefähr rechnen wenn die Widerstände +-10% haben (laut Reichelt) und ein OpAmp LM358 mit ner Verstärkung von ca. 45 eingesetzt wird (Widerstände +-1%)? Digitalisiert wird mit einem ATTiny26 (10Bit A/D ->5mV Auflöung).

Naja, im Anhang hab ich ein Bild mit meiner geplanten Schaltung, wäre nett wenn da jemand mal n Blick drüber werfen könnte.

Danke
Basti

Edit:
Funktioniert diese Schaltung überhaupt bei Vorwärts und Rückwärtslauf? Die Motoren sollen nämlich mit einem L298 angesteuert werden.

[kalledom]

Hallo Basti,
Ich empfehle kleinere Widerstands-Werte (0,1 Ohm) und größere Verstärkung bei den OpAmps.
Die OpAmps benötigen eine negative Versorgungsspannung.

[BASTIUniversal]

Hmm, laut Datenblatt ist der LM358 ein Single Supply OpAmp...?!

[PICture]

Hallo BASTIUniversal!

Ich habe mir Dein Schaltplan angeschaut. Grundsätzlich ist es O.K. Aber mir ist folgendes Eingefallen:

- Resistanz den Kabeln zu Motoren addiert sich zum Shunts und wird großen Messfehler verursachen. Deswegen würde ich die Schunts direkt an den Motoren montieren.

- Es können Störungen von Strömen die durch die Masse fliessen, auftretten. Besser wäre die OpAmps als Differenzverstärker konfigurieren und die Kabeln von Motoren nur bei Motoren mit Masse verbinden.

Die Drehrichtung den Motoren ändert nichts am Stromrichtung, da die Umpolung der Spannung für Motoren wird im L298 gemacht.

MfG

[kalledom]

Idealerweise wird das Eingangs-Signal für einen OpAmp in die Mitte der Versorgungsspannung gelegt, damit der Ausgang symmetrisch arbeiten kann. Bei symmetrischer Versorgung ist das 0 Volt, bei Single Supply die halbe Spannung.
Wenn nur positive Eingangsspannungen zu erwarten sind, wie weit kann die Eingangsspannung nach GND 'verschoben' werden, damit der OpAmp noch richtig arbeitet ?
Oder anders gefragt, ergibt beim LM 358 mit einfacher 6 Volt Spannungsversorgung und einem Verstärkungsfaktor von 45 eine Eingangsspannung von 0,11 Volt ca. 5 Volt am Ausgang ?
Ergeben 0,011 Volt Eingangsspannung ca. 0,5 Volt Ausgangsspannung ?

[BASTIUniversal]

Hallo!

@PICture:
Also für eine möglichst genaue Messung Shunt in die "+ Leitung" des Motors hängen?
Das zweite hab ich nicht ganz vestanden, wie soll ich den OpAmp als Differenzverstärker laufen lassen? Das mit den Masse-Kabeln hab ich auch nicht recht verstanden...sorry!

@kalledom:
Im Datenblatt vom LM358 hab ich jetzt mal etwas danach gesucht, gefunden hab ich das Bild im Anhang.
Bedeutet das, dass ich mit dem Single Supply eine Eingangsspannung von min. 1V brauch? Kann ich mir fast nicht vorstellen...!
Ausserdem hab ich gesehen das der max. Offset vom LM358 bis zu 9mV betragen kann, das wären bei 0,5A ca. 8%!

Im Notfall kann ich immernoch eine kleine negative Spannung mit einem ICL7660 erzeugen.

P.S.: Das ist meine erste OP-Schaltung :-#

Edit:
@kalledom:
Oder meinst du vielleicht die "nicht Linearität" des OpAmps? Darüber kann ich aber nix im Datenblatt finden.

[Robotronix]

an einem 0,22Ohm-Widerstand fällt bei 0,5A Strom nur eine Spannung von 0,11V ab, das ergibt für den Widerstand eine Verlustleistung von 55mW.
Nach meinen Messungen hat ein RB35 einen Wicklungswiderstand von ca. 10 Ohm. Damit ergibt dsich bei 12V Betriebsspannung ein max. Strom von 1,2A und eine Meßspannung von 264mV.

[kalledom]

Ich meine nicht die Linearität.
Ein OpAmp, der mit Single Supply 10 V versorgt wird, kann am Ausgang nicht auf 10 V kommen und auch nicht auf 0 V. Bei RailToRail-Bausteinen auch nur annähernd.

Bei den Eingängen sehe ich das auch so, daß es nicht bis 10 V oder 0 V geht. Wenn ich mir das Innenschaltbild betrachte, sehe ich Basis-Emitter-Strecken, die erst mal etwas 'Saft' brauchen. Deshalb auch meine Frage dazu. Dein Diagramm bringt da schon etwas Licht ins Dunkel. Was macht ein OpAmp bei 0,1 V / 0,01 V am +Eingang mit seinem Ausgang ?

[BASTIUniversal]

Naja, ich hab keine Ahnung was der OP dann macht...ich weiß nicht wie ich das aus den Diagrammen rauslesen kann.
Aber auf Grund meiner falsch Rechnung kann ich ja den Widerstand etwas größer machen um eine höhere Genauigkeit zu gewinnen, denke das da 1 Ohm ganz gut geeignet ist (wären dann 0,5W Verlustleistung bei 1A und 5mA Auflösung ohne OP).

Trotzdem will ich das mit dem OpAmp nicht aufgeben (hab ja immerhin schon ne Schaltung entworfen).

[Manf]

Wie ist es mit den TLC272, sind die zu teuer?
Bei Reichelt kosten die 0,24€

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlc272.html

Common-Mode Input Voltage Range Extends Below the Negative Rail (C-Suffix, I-Suffix types)

[kalledom]

@Manf
Damit ist meiner Meinung nach das Problem nicht gelöst.
Die Frage bleibt: was liefert der Ausgang eines OpAmp mit Versorgung GND und 5 Volt (Single Supply), wenn am nicht-invertierenden Eingang 0 Volt / GND anliegt ?
(0 Volt liegen immer dann an, wenn kein Strom fließt und am Shunt kein Spannungsabfall entsteht)

[Manf]

Naja, es ist ein MOS Transistor nach Masse. Im Datenblatt steht 0-50mV, (je nach Last). Es zwingt uns ja niemand die Messschaltung zu belasten. Wenn dann bei 1A 4V am Ausgang sind, dann wären es bei 1mA noch 4mV. Das müßte doch zu schaffen sein.
Manfred

[PICture]

Hallo BASTIUniversal!

Sorry, meine Beschreibung war wirklich schlecht verständlich.
Diesmal eine kleine Skizze im Code. Der OpAmp dient als Differenzialverstärker und verstärkt nur die Spannungsabfall am Shunt. Bei genauen Messschaltungen ist die negative Versorgungsspannung des OpAmps notwendig, die kannst Du ohnehin mit ICL7660 erzeugen.
Viel Erfolg! :)

MfG



Rs (Shunt)
___
zum L298 <--------+-|___|-+-----------------------< von + Akku
| |
| | R2
| .-. ___
| R1| | +-|___|-+
| | | | |
| '-' | VCC |
| | R1 | + |
| | ___ | |\| |
+---------|___|-+-|-\ |
| | >--+-------> zum D/A
+---------|+/ Wandler
| |/|
.-. -
R2| | VCC
| |
'-'
|
===
GND

Verstärkung Ku = R2 / R1

[BASTIUniversal]

Hallo!
Danke für die Schaltung!
Ich hab das ganze mal für meinen "Anwendungsfall" aufgezeichnet, eine Spannungsverstärkung von 10 bei einem 0,1Ohm Shunt. Bei einem Spannungabfall von 0,1V bei 1A kann ich bei dieser Verstärkung bis ca. 5A messen (im Normalfall dürften max. 3-4A fließen).

Welcher OP ist für diese Aufgabe am besten geeignet? In meinem Plan hab ich einen TLC272 verwendet, würde den aber lieber durch einen mit kleinerem Offset tauschen, negative Spannung kann ich ja zur Verfügung stellen.

Ausserdem bräuchte ich dann noch Shunts mit höherer Genauigkeit (bei Reichelt haben die 2W Widerstände 10%), das würde im extremfall (also 0,11 Ohm bzw. 0,09Ohm) einen Fehler von +-0,5V (nach der Verstärkung) geben, das würden dann +-500mA sein (oder?).
Wie sollte ich dann ausserdem das Layout gestallten, um eine hohe Genauigkeit des A/D-Wandlers zu bekommen (nehme den 10Bit Wandler aus nem ATMega)? Mit den 10Bit müssten (theoretisch) 5mA Auflösung drin sein.

Naja, fragen über fragen...!

[kalledom]

Irgendwie fehlt da eine Verbindung vom nicht-Invertierenden Eingang des OpAmp nach R6 / R7.

Edit: Warum ist jetzt der Schaltplan weg ?
Edit: OK, weil er geändert wurde; ist wieder da.

[PICture]

Wenn Du sehr genau messen willst, würde ich Dir die OpAmp´s mit Offsetkompensation (mit Trimmpoti) empfehlen. (z.B. NE 5534)

Die Shunts mit höherer Genauigkeit kannst Du z.B. aus 10 parallel geschalteten 1 Ohm 1% Metallschicht Resistoren erstellen.

Ich rechne einfacher. 10% von 5A ergibt ein Fehler 0,5 A, stimmt. 10 bit sind 1024 Werte, (gerundet 1000), also 5000 mA/1000 = 5 mA Auflösung. Stimmt auch.

Über Layout kann ich nur algemein empfehlen, die ganze Fläche ausser Leiterbahnen als Masse nehmen. (möglichst wenig Kupfer weg ätzen). Das ist wichtig bei allen analogen Schaltungen, nebenbei schohnt die Ätzlösung. :)

MfG

MfG

[kalledom]

Mit Basti's OpAmp-Schaltung habe ich so meine Probleme:
Der nicht-invertierende Eingang liegt durch den Spannungsteiler R6 / R7 an der halben Versorgungsspannung von 15 Volt. 7,5 V liegen dadurch auch am Ausgang an. Ein Spannungsabfall an R9 wird entsprechend dem Verstärkungsfaktor aus R1 / R3 die Ausgangsspannung verändern.
Eine sich ändernde Versorgungsspannung wird aber ebenfalls die Ausgangsspannung verändern. Wie soll das kompensiert werden ?

[BASTIUniversal]

Naja, Zeichnung hab ich geändert...hab nur die Verbindung vergessen!

Mit dem Offset einstellen will ich mich eigentlich nicht auch noch rumschlagen...ich hab mal etwas nach OP's gesucht und den OP07 entdeckt. Der hat nen max. Voffset von 75µV, läuft ab 3V und ist sogar für Strommessung über nen Shunt spezifiziert. Sahnehäubchen sind dann die 0,25€ die Reichelt pro Stück dafür will :-)
Die negative Spannung sollte ja unkritisch sein...-5V direkt aus nem ICL7660 kann ich ja da drauf schicken, oder?

@kalledom: Wie kann ich denn dann am besten solch einen Verstärker aufbauen? Ich hab davon leider keine (oder sehr wenig) Ahnung!

[Manf]

Mit Basti's OpAmp-Schaltung habe ich so meine Probleme:

Hier sind Differenzverstärkerschaltungen hergeleitet und beschrieben.
https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker

https://www.roboternetz.de/wissen/images/a/aa/Operationsverst%C3%A4rkerBild3.gif

[BASTIUniversal]

Naja, nach der Formel im Artikel von Manf geht das mit dem Verstärker aus Bild 3...denn die Spannung vor und hinter dem Shunt verändert sich ja gleich. Sprich sind bei vollem Akku 15V da, dann sind hinter dem Shunt 14,5V. Bei leerem Akku und z.B. 12V sind bei gleicher Stromaufnahme dahinter logischerweise 11,5V!
Wenn ich das richtig verstanden hab kann ich ja die Schaltung aus Bild 3 mit einem OP07 (?) verwenden.

[PICture]

Deswegen sind die gute Messgeräte so teuer. :)

Die negative Spannung ist nicht kritisch, muss nur grösser als maximale negative Eingangsspannung sein (bei Dir 0V). Muss auch nicht stabiliesiert werden.

In meiner Skizze ist ein Fehler. Der untere Resistor von + Eingang an Masse sollte R2 (nicht R1) heissen. Sonst passt die Verstärkung nicht. Sorry...

MfG

[BASTIUniversal]

Naja, hauptsache jetzt ist kein Fehler mehr drin...dann werd ich mich nämlich gleich mal ans Layout machen, die geplanten LiPo Akkus wollen auch noch überwacht werden :-)

[Manf]

Der Vorteil des OP07 ist seine sehr geringe Offsetspannung.
Er ist allerdings ein klassischer Bipolartyp der keine Chance hat die Rails zu erreichen. Er geht also mit negativer Versorgungsspannung.
(Der low Offset Typ zum TLC 271 ist der TLC 277.)

Es soll doch aber der Strom bei der Ansteuerung mit einem L298 gemessen werden. Da kann doch der Shunt auch gegen Masse eingesetzt werden.
Manfred

[PICture]

Ohne weiteres, die Schaltung von Manf ist mit der in meiner Skizze identisch, bloss ich habe wegen Eile einen Fehler (schon nachgebessert!) gemacht.

MfG

[kalledom]

Hallo Manfred,
bei asymmetrischer Versorgung verwendet man die Möglichkeit, einen 'virtuellen Nullpunkt' zu erzeugen, indem der nicht-invertierende Eingang über einen 1 : 1 Spannungsteiler an die halbe Versorgungs-Spannung gelegt wird. Ohne Eingangs-Differenz nimmt auch der Ausgang den Wert der halben Versorgungsspannung an und kann positiver (bis zur Versorgungsspannung) und negativer (bis zum GND) werden. Sehe ich das Deiner Meinung nach bis hier hin richtig ?
Wenn die Versorgungsspannung 15 V beträgt, ist die Ausgangsspannung 7,5 V. Diesen Wert kann ich per 7,5 V-Offset auf 0 V 'reduzieren' und auf meinen ADC-Eingang geben. Bei richtigem Verstärkungs-Faktor kann eine maximale Eingangs-Differenz am Ausgang zu einem Anstieg von 5 V führen, was dann 7,5 V + 5 V = 12,5 V ergibt; dadurch liegen dann am ADC-Eingang 5 V an. Funktioniert bis hier hin wunderbar.
Wenn meine Versorgungsspannung jedoch von 15 V auf 10 V sinkt, sinkt der Ausgang um den halben Betrag, nämlich um 2,5 V. Damit wäre die Schaltung unbrauchbar. Liege ich da Deiner Meinung nach immer noch falsch ?

So lange OpAmps symmetrisch versorgt werden, ist mir deren Funktionsweise klar. Sobald sie asymmetrisch (Single Supply) versorgt werden, wird es komplexer und für mich schwieriger nachvollziehbar, weil da 'nach unten', wo es sonst negativ werden kann, der GND 'im Weg ist' und ein 'virtueller Nullpunkt' geschaffen werden muß. Datenblätter beziehen sich in der Regel auf symmetrische Versorgung.
Deshalb fehlen auf meinen OpAmp-Seiten (http://www.domnick-elektronik.de/elekovg.htm) auch die Beschreibungen zu den OpAmp-Schaltungen mit asymmetrischer Versorgung. Da helfen mir auch keine Grundschaltungen weiter, da werde ich mich die nächsten Tage wohl doch mal an meinen Labortisch setzen und einige grundsätzliche Dinge mal in der Praxis klären.

[BASTIUniversal]

Naja, diese Schaltung will ich einsetzen um den Batteriestrom zu überwachen, beim L298 hab ich je an den Sense-Pins einen 1Ohm Shunt vorgesehen und damit eine direkte Überwachung an einem ADC.
Wenn das alles mit den OP's funktioniert kann ich ja immernoch einen normalen nichtinvertierenden OP dafür verwenden (Schlauer wär's ja, wenn man die die verbratene Leistung anschaut...bei 5A und 1Ohm Shunt immerhin 5W).
Mit den OP's komm ich jetzt langsam durcheinander...einen TLC277 kann ich also ohne negative Spannung betreiben...bei 0,5mV Offset hab ich dann Verstärkt 5mV, das ist 1 LSB am ADC. Dann stellt der OP07 quasi einen Overkill dar.
Die 0,1Ohm hier in der Schaltung kann ich ja auchnoch verringern...was ist da realistisch? 50mOhm dürften doch noch ohne große Verluste in der Genauigkeit funktionieren!?

[Manf]

Ich habe mit Sicherheit auch noch gelernt (siehe Altersangabe), dass ein Operationsverstärker am besten dann arbeitet, wenn die Eingänge in der Mitte des Versorgungsspannungsbereichs und mit gleichen Widerständen beschaltet sind.

Viele(?) haben ja schon den 741 bei 5V betrieben was dann zu einem "Sehschlitzbetieb" mit 1V Spannungshub geführt hat.

Mittlerweile ergeben sich ein paar zusätzliche Möglichkeiten. Der TLC272, TLC277 wurde ja speziell für den Arbeitspunkt Ue = GND gemacht damit man mit 5V auskommt.

Ich würde einfach mal für ein paar Arbeitspunkte die Spannungen in den Schaltplan schreiben, wenn sie im Bereich bleiben geht es (und natürlich auch ausprobieren).
Manfred

[Manf]

Den Shunt würde ich nach dem höchsten Strom dimensionieren, damit an der Stelle keine zu hohe Verlustleistung auftritt. Ob bei 10% des maximalen Stroms auf 1% genau gemessen wird ist häufig gar nicht so wichtig.
Sicher ist Genauigkeit erwünscht, wenn sie aber Akkuladung kostet, ist sie dann manchmal nicht mehr so vorrangig.
Manfred

[kalledom]

Hallo Manfred,

Viele(?) haben ja schon den 741 bei 5V betrieben was dann zu einem "Sehschlitzbetrieb" mit 1V Spannungshub geführt hat. Genau das ist der Punkt, der mir nicht aus dem Kopf / in den Kopf will.


Mittlerweile ergeben sich ein paar zusätzliche Möglichkeiten. Der TLC272, TLC277 wurde ja speziell für den Arbeitspunkt Ue = GND gemacht damit man mit 5V auskommt. Das habe ich mittlerweile gefressen :-)
Erst muß ich das auf meinem Labortisch mit unterschiedlichen OpAmps probieren, dann werde ich es auch schneller begreifen. Weg von dem 'Sehschlitzbetrieb'.

[BASTIUniversal]

Hallo!
Ich hab jetzt mal meinen Schaltplan und das Layout fertig gemacht, wär nett wenn einer kurz drüberschauen kann.
Ist leider im "Eagle"-Format, für'n Bild ist das ganze zu groß geworden...!

MfG
Basti

[Manf]

Die Widerstände mit nominal 40k (und 50k) werden nicht so leicht verfügbar sein. Wenn man sie aus 2 Widerständen zusammensetzen will dann kann man das im Layout vorsehen.
Manfred

[PICture]

Hallo BASTIUniversal!

Habe mir gerade Dein Schaltplan und Board angeschaut. Ich habe zwar Eagle bei mir installiert, aber bis jetzt noch nichts damit gemacht, bin also totaler Neuling. Auf dem Schaltplan ist mir nur eingefallen, dass zu den OpAmps keine Betriebspannungen geführt sind. Den ICL 7660 habe ich auch niergendwo gesehen. Wahrscheinlich hast Du doch die Single Supply OpAmps angewendet. Auf dem Board, das bei mir schwarz war konnte ich die Massenfläche nicht erkennen. Die Leiterbahnen von Motoranschlüsen zu Shunts sind vielleicht zu dünn. Ich habe mal gelernt das eine Leiterbahn sollte ca. 1mm pro Amper breit sein. Man kann auch auf die Leiterbahn, wenn sie zu dünn ist, dickes Draht anlöten. Ich habe nicht lange gesucht, aber keine Fehler gefunden.

MfG

[BASTIUniversal]

Hallo!
Die Leitungen vom Akku sind 1,27mm dick, das muss ich dann wahrscheinlich noch ändern. Die Steckerbelegung ist auch noch nicht ganz klar, das werd ich erst sehen wenn die Akkus da sind.
Zu den 40k Widerständen: Ich würd einen 40,2k nehmen, die LM35-Temperatursensoren werden ziemlich Rauschen. Da spielt dann die kleine Abweichung keine Rolle mehr.
Und ja, ich hab mich für den TLC277 entschieden...das spart mir den ICL im Layout!

Die Verschaltung der Akkus war korrekt (also 7,4V Akku1 an - von Akku2 für 14,8V)?

[PICture]

Ich habe den Shaltplan noch mal, diesmal bischen genauer betrachtet.
Warum ist der Spannungsregler 5V (IC 3) nach dem Shunt und nicht direkt an +7V angeschlossen ? Du willst doch nur Motorstrom messen.

[BASTIUniversal]

Nein, ich will den ganzen entnommenen Strom aus der Batterie messen. Das mit dem Spannungsregler war absicht :-)

[PICture]

Dann passt es so. Ich bin natürlich nicht in der Lage DeineGedanken telepatisch zu empfangen. :)

Wünsche Dir, das es genauso gut funktioniert, wie es ausschaut !

MfG

[BASTIUniversal]

Hallo!
Ich hab mir die Platine nun geätzt und aufgebaut. Funktioniert so auch wunderbar (aber mit HCl und H2O2 ätz ich nimmer).
Ein kleines Problem bleibt aber trotzdem:
Ich gebe zum Testen (und mangels LiPo Akkus) 12V auf die Anschlüsse, die durch den Shunt fließen und dann auf 5V heruntergeregelt werden (das ganze hat ohne µC's und OP's nen Leerlaufstrom von ~0,6mA).
Ohne OP's bekomme ich auf dem A/D-Port des µC's ungefähr 12V. Also hab ich den TLC eingesetzt und bekomme nun eine Spanung die langsam ansteigt (bis über 5V).
Kann es sein das der Eingang vom OP zu niederohmig ist? Im RN-Wissen Artikel steht ja: "Für große Widerstandswerte ist die Schaltung in Bild 3 schon einsetzbar, bei hoher Verstärkung und kleinen Werten für R1 ist es besser, die Eingänge hochohmig zu machen."

Sind 10k zu wenig?

Edit:
Die Spannung steigt auf 5,85V, wenn ich keine +5V anlege bleibt die Spannung bei ~2,7V!
Komischer Fehler...das würde einer Verstärkung von knapp 60.000 entsprechen!

[BASTIUniversal]

Also ich hab jetzt für R1 75k und für R2 820k eingesetzt.
Ich hab's sogar mit SWCad simuliert...und da funktioniert's (hab aber nen anderen OP-Typ einsetzen müssen).

Und mit der Schaltung bezieh ich mich auf diese Seite: https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker

[SeaLion]

Moin,

hast du die Schaltung zur Spannugnsüberwachung mitlerweile umgesetzt? Ich versuche mich nämlich auch gerade an der Strommessung.

MfG

[BASTIUniversal]

Hallo!
Die Strommessung hab ich so nicht umsetzten können...lag wohl an den Toleranzen der Widerstände.
Mit nem MAX472 gings auch nicht, jetzt entwerfe ich das ganze Board mit Low-Side Strommessung anstatt High-Side. Das ist deutlich einfacher!

MfG
Basti

[SeaLion]

Könntest du mir die von dir verwendete Schaltung mal zukommen lassen, oder hier veröffentlichen?
Wenn deins funktioniert, dann brauche ich das ja nicht noch mal zu entwickeln.

MfG Mike

[BASTIUniversal]

Naja, wie gesagt...ich bin immernoch in der Entwurfsphase! Zur Low-Side Strommessung findest du hier ziemlich viele Beiträge, ich bezweifle einfach mal das du die exakt gleiche Schaltung wie ich benötigst.