Leistungsmessung (USB)

[BlackDevil]

Servus

Mein erstes Projekt läuft jetzt solangsam an, hängt noch ein wenig am Programmer. Nun frage ich mich nur ob ich die Leistung bzw Strom und Spannung mit dem AVR so messen kann. Das Strom"signal" würde ich selbstredend noch mal durch einen nicht-invertierenden Verstärker schicken bevor ich an den ADC gehe.

Grüße
http://img3.imagebanana.com/img/7tr24i9/thumb/leistungsmessung.png (http://img3.imagebanana.com/view/7tr24i9/leistungsmessung.png)

[pacer_one]

Warum verbindest du Vbus und GND über den Widerstand?
Normalerweise misst man den Strom indirekt über den Spannungsfall an einem niederohmigen Präzisionswiderstand. Außerdem benötigst du einen differentiellen Eingang, da du einen Kurzschluss erzeigen würdest wenn du mit dem GND auf ein anderes Potential gehst.
Ich hoffe, ich habe mich verständlich ausgedrückt.

Gruß, pacer

[BlackDevil]

Mh ich habe doch eigentlich einen vierleiter Widerstand genommen durch den der Strom fliest. Bei einem Multimeter würde ich an den zwei anderen Beinchen mit + und - die Spannung messen, durch den Widerstand teilen und erhalte den Strom. So hatte ich das hier auch vor, das eine Beinchen gegen Masse und das andere Beinchen zum Spannung messen => I = U/R und voilá. Ich hab im Netz leider nix zum Thema gefunden und in Messtechnik hatten wir das nur ca. 5min ... Hab die Vierleiter Widerstände eben so verstanden. Wenns falsch ist lass ich mich gerne eines besseren Belehren.

Ein Differenzeingag/Verstärker würde ja auch nicht weh tun.

Edit: Ich brauch ja Strom und Spannung für die Leistung, deshalb zwei Anschlüsse aber ich denke das ist klar.

[pacer_one]

nein brauchst du nicht, deshalb der Präzisionswiderstand:
P=R*I^2

[BlackDevil]

Stimmt auch wieder, kann im Prinzip auf die Spanung Pfeifen...

Dann brauch ich noch I. Dafür hab ich aber immer noch oben den Vierleiter Widerstand drin.

[pacer_one]

nix 4 Leiterwiderstand, einfach in die zu messende Leitung (V+) einen 0.5R Widerstand einbauen (Präzionswiderstand mit entsprechender Leistung)
und die Spannung über dem Widerstand messen.

[avion23]

Lad das .sch mal hoch.

[BlackDevil]

http://rapidshare.com/files/175765590/untitled.sch.html

Also einfach Widerstand in die Leitung und vor dem Widerstand das ADC Signal abgreifen? Wobei ich da nicht 0.5 nehmen würde ... Bei 100mA maximalem Strom fallen da immerhin 50mV ab was bei Digitalen Schaltungen schon viel ist, ich tendiere eher zu was kleinerem.

[pacer_one]

leider kann ich scematics nicht öffnen.
Prinzipiell ist es so einfach, du kannst natürlich auch den Wert kleiner wählen.
Dann fällt aber auch weniger Spannung ab und du schränkst den Messbereich ein. Um das zu beurteilen sind aber mehr Infos nötig.
Falls das Signal dann zu schwach wird, könnte man es anschließend noch verstärken, aber dann steigt der Aufwand.
Aber ich würde erst mal schauen ob du für deine gewünschte Messauflösung ohne zusätzliche Verstärkung hinkommst.

Edit: da ich nicht weiß wie deineSchaltung jetzt aussieht noch der Hinweis:
Spannung direkt über den widerstand messen. (Messpunkt 1 vor dem Widerstand. Messpunkt 2 nach dem Widerstand)
Deswegen der differentielle Eingang.

[vohopri]

Hallo dev,

der Vierleitershunt ist OK. Du hast ihn im Schaltbild vom Eingangspost falsch angeschlossen. So gibts Kurzschluss. BEIDE Messanschlüsse kommen auf je einen Messeingang zur Spannungsmessung. Eventuell über je einen Vorverstärker (als Spannungslupe geschaltet). Muss nicht potentialfrei sein. Ein Differenzverstärker ist unnötig, da in der digitalen Weiterverarbeitung die Differenz gebildet wird.

Spannungsmessung: U2 (Spannung am Verbraucher) auswerten.
Strommessung: (U2 -U1)/R auswerten (R = 0.002)
Leistungsmessung: U2*(U2-U1)/R auswerten (R = 0.002)

Wenn du Vorverstärkung brauchst, ist die Nichtlinearität der Spannungslupen leicht rechnerisch zu kompensieren.

Der Vorschlag, I²*R aus zu werten ist nicht zielführend, da das die am Shunt verbratene Leistung ergibt, die ja nicht primär von Interesse ist.

grüsse,
Vohopri

[BlackDevil]

Naja bei 0.002 Ohm liegen am Shunt maximal U=R*I=0.002Ohm*100mA=0,2mV an. Die wollte ich schon auf 0...2V anheben. Wenn ich jetzt beide Seiten an den Messeingang führe, muss ich auch beide Seiten verstärken oder nicht? Soviel aufwand ist das ja nicht einen fertigen zu nehmen.

Da ich noch den ein oder anderen Denkfehler drin habe und per Google nichts finde hätte ich wegen den beiden Pins am Shunt ud der Differenzbildung gerne noch nachhilfe. Bin nich so der Autodidakt :(

[pacer_one]

Der Einwand mit der Leistung ist natürlich richtig.
Den Strom misst er über den Widerstand, und die Spannung ganz normal über V+ und GND.
Aber wozu 2 Widerstände nötig sein sollen weiß ich immer noch nicht?!

Und solange er keine "Spannungslupe" hat, sprich ohne Verstärkung arbeitet, ist ein differentieller Eingang nötig.

[BlackDevil]

Ist doch nur ein Widerstand?

[pacer_one]

Ein Widerstand hat aber nur 2 Anschlüsse, ich weiß nicht was ein Vierleiterwiderstand ist, aber ich vermute mal 2 Widerstande in einem Gehäuse.

[vohopri]

Ja richtig, du musst beide Spannungen die vom den Messleitungen des Präzisionsshunt kommen verstärken. Ist auch nicht viel Aufwand, wenn das Operationsverstärker Schaltungen sind. Die Verstärker sind nur als Spannungslupen zu schalten, damit der Ausgangsbereich in sinnvollen Grenzen bleibt.

Weitere Information über Präzisionsshunts liefern Wiki und Google. Und lass dich nicht irre machen durch so unsinnige Vermutungen, ein Vierleitershunt seien 2 Widerstände in einem Gehäuse. Deine Entscheidung für 4 Leiterwiderstand war schon richtig.

v.

[BlackDevil]

"Spannungslupe" ist ein mir unbekannter Begriff ... meinst du damit das ich das Signal von 0...0,2V auf 0...2V anhebe? Wenn ich auf den Differenzverstärker gehe bekomme ich hinten ein einzelnes Signal raus, damit geh ich dann auf einen normalen ADC Eingang richtig?

[pacer_one]

Eventuell könnte ja mal jemand den aktuellen Schaltplan als jpeg hochladen.
Da haben dann auch noch andere was davon.

@vohopri
ich würde immernoch gern wissen wollen wozu er 2 Widerstände braucht.
ohne Schaltplan komme ich nicht dahinter.

[vohopri]

google mal Spannungslupe.

und NEIN, mein Vorschlag beinhaltet keinen Differenzverstärker.

v.

[vohopri]

@ pace
wer hat von 2 Widerständen geschrieben?

[pacer_one]

ich finde leider nix zur Spannungslupe, gibts noch einen anderen Begriff dafür? Eventuell mal die Schaltung posten?

@vohopri
sorry, hab gerade gesehen, dass es nur ein Widerstand ist, der aber aus Kontaktgründen 4 Anschlusstellen hat.
Wäre aber aus meiner Ansicht nicht nötig, da diese sicher schwierig zu beschaffen und teuer sind.

[BlackDevil]

Eine Spannungslupe scheint einfach nur ein U-Teiler aus R und Z-Diode zu sein. Mir erschliest sich noch nich so ganz der Nutzen. Mit eiem Diff.Verstärker hätte ich ja den Vorteil das ich das Differenzsignal schon auf einen gute Messbaren Pegel angehoben habe und mit einem normalen ADC Eingang messen kann ...

[Besserwessi]

Ein Differenzverstärker ist schon richtig. Bei einigen AVRs ist sogar schon ein differenzverstärker drin und man kann direkt die Differenzspannung messen. Allerdings ist man da in der Verstärkug festgelegt, und ob das an der oberen Grenze der Versorgungsspannung geht weiss ich auch nicht.

Ein Widerstand von nur 0,002 Ohm kommt mir etwas viel vor. Die 0,5 Ohm vom Anfang waren da schon fast besser. Ich würde etwa von etwa 0,1 Ohm wählen, dann hat man bei 500mA maximal 50 mV Spannungsabfall, was digitalschaltungen noch gut verkraften können. Für die Messung mit dem AVR internen AD braucht man auch keine wirkliche Präzison. Von der Leistung sollten das auch maximal etwa 25 mW werden, da reicht also sogar ein kleiner SMD Widerstand. Wegen des Wertes aber wohl eher 2-3 parallel.

[BlackDevil]

Naja da ich wirklich die Leistung von USB Messen will und der Strom, soweit ich weis, auf 100mA begrenzt ist Orientiere ich mich danach. 50mV kommt mir pers. etwas viel vor, aber wenn USB das Verkraften kann (müsste ich mal googlen) bräuchte ich einen Widerstand von 0,5Ohm.

Eher einen normalen Widerstand als einen Shunt nehmen? Dann bräuchte ich auch keinen Differenzspaß. Und jetz weis ich auch was es mit dem Differenzeingang vom AVR zu tun hat. Danke.

[vohopri]

Hallo Wessi,

Ein Differenzverstärker ist möglich. Weil er aber nicht den Strom, sondern die Leistung messen möchte, hab ich ihm eine Variante mit 2 Spannungseingängen vorgeschlagen, wo er dann etwas einfacher zum Ziel kommt, weil er beide Eingänge identisch beschalten kann. Siehe Post 16:48.

grüsse,
vohopri

[BlackDevil]

Naja im Prinzip taucht meine Schaltung von oben nur das ich nicht auf Ground sondern auf einen Differenzverstärker/eingang gehe und das dann intern verrechne und ausgebe ... oder?

Wie ist so ein Shunt eigentlich von innen Aufgebaut und wo kann man die beziehen? Normale Drahtelemente wären mir eigntl auch lieb ... Bei Bürklin hab ich einen gefunden, 1,77€ SMD, bei Conrad schau ich gleich mal

[vohopri]

Deine Schaltung von oben macht Kurzschluss

[pacer_one]

ein shunt ist nichts weiter als ein Präzisionswiderstand der hohe Ströme verträgt. Das Widerstandsmaterial ist dann sowas wie Konstantan, damit sich der Widerstandswert mit der Temperatur so wenig wie möglich verändert.

@vohopri
es wäre schön wenn du deinen Vorschlag etwas näher erläutern würdest.
Zu einer Spannungslupe konnte ich leider nix finden (7 Seiten in Google)

Wenn er auf Differenzeingänge geht, gibt es keinen Kurzschluss.
Klar der Widerstand ist falsch angeklemmt (wegen der 4 Anschlüsse) , aber das hat er ja schon verstanden.

[vohopri]

Spannungslupe, das ist eigentlich Basiswissen und devill hat es schon erklärt. Die zu messende Spannung wird mit einem Spannungsteiler geteilt, wobei der obere Widerstand durch ein Zenerdiode gebildet wird. Dadurch habe ich am Mittelpunkt des Spannungsteiler die Eingansspannung minus der Zenerspannung. Das kann ich Verstärken und bleibe so bei hoher Genauigkeit in einem brauchbaren Spannungsbereich.

Wertebeispiel, willkürlich gewählt:
Zu Messen ist 4.98 bis 5.02 V
Im Spannungsteiler wird eine Zenerdiode mit 4.97 V verwendet.
Spannungslupe bringt .01 bis .05 raus
Verstärkung 100 Fach ergibt 1 bis 5 V, was sich gut weiter verarbeiten lässt.

Der Sinn ist der, dass ich die Genauigkeit verhundertfacht habe, ohne dass ich mit 500V umgehen muss.

Die Werte der Zenerspannung und des Verstärkers kann man den Anforderungen eines Projekts anpassen. Wenn man keine passende Zenerdiode hat, kann man auch welche niederer Spannung in Serie schalten.

Hoffe, das ist verständlich,
v.

PS:
Rechnerisch wird der vorher abgezogene Betrag nachher wieder aus geglichen.

[pacer_one]

Öhm, prinzipiell hab ich es verstanden, doch braucht man dahinter auch eine Verstärkerschaltung die aus einem OP-Vertärker besteht. Nur verstehe ich den Vorteil der Schaltung gegenüber einem Differenzverstärker nicht.

[vohopri]

So habe ich zwei identisch beschaltete Spannungseingänge, anstatt von zwei unterschiedlich beschalteten Eingängen. Der reine Spannungsverstärker in meiner Variante ist auch etwas einfacher auf zu bauen als ein potentialfreier Differenzvertärker. Wenn man das Projekt ganz durchdenkt, dann ist meine Variante etwas weniger aufwändig.

Wenn man unbedingt mehr Aufwand treiben will, als nötig, dann kann man das natürlich immer.

vohopri

[pacer_one]

der Aufwand sollte eigentlich bei beiden Schaltungen in etwa gleich hoch sein.
Spannungslupe: 3 Widerstände; 1OP; 1Z-Diode
Differenzverstärker: 4 Widerstände; 1OP

Für die Strommessung würde ich wohl einfach einen Differenzverstärker nehmen. Für die Spannungsmessung wäre wohl die Spannungslupe ideal, da für den AVR 5V als Messpannung an der Grenze liegt. Durch die Z-Diode kann man dann den Wert absenken und braucht vielleicht nicht mal eine Verstärkerschaltung

[BlackDevil]

http://img3.imagebanana.com/view/7hxzs7/leistungsmessung.png
Schaut jetzt quasi so aus. Wobei ich mir über den Differenzverstärker noch Gedanken machen muss. Mach ichs mit zwei Transistoren und ein paar Widerständen oder mach ichs mit einem OP Amp. Ich find nur in meinen Büchern blöderweise nur Schaltungen mit zwei OPAmps (Instrumentenverstärker) nicht mit einem ...

Mit der "Spannungslupe" (ich würde es einfach Spannungsteiler nennen) hab ich nur noch so meine Schmerzen, muss man Umdenken ... aber das passt schon xD Wie groß muss ich dann eigentlich den Widerstand wählen? So das bei Umax die Diode nicht zuviel Strom bekommt oder? Und warum 2 bis 3,5V? Weil ich die interne Referenz mit 3V oder was das war nutzen möchte. Ich werd den ganzen Kram an einem weiteren USB Port betreiben und da habe ich 100mA zur Verfügung und hab den AVR und ein Display am laufen. Sollte machbar sein, ich werd den AVR dafür mit etwas weniger Spannung beaufschlagen.

[avion23]

http://img387.imageshack.us/img387/2457/shuntju3.jpg (https://addons.mozilla.org/firefox/1174)

Spannungsmessung:
Vbus wird Vcc für den µC. Vcc wird als Referenz eingestellt. Der µC misst dann die interne Referenz.

Strommessung:
Differenzeingang mit Verstärkung (20, 200) wird genutzt. Vcc ist eine Seite, "Strom" die andere.

Braucht zwei ADC Pins und sonst nichts. Auflösung kann durch Oversampling beliebig hoch getrieben werden, dann hat man gleich das Rauschen weg. Systematischer Fehler kann reduziert werden, in dem man den Offset des differentiellen Verstärkers misst (Datenblatt). Die interne Referenz kann man abgleichen.

@alle anderen: Hört bitte auf so einen Schwachsinn zu schreiben, das ist peinlich.

[Besserwessi]

Ein 2 mOhm Widerstand ist etwas wenig. Das gibt nur 0,2 mV bei 100 mA, also selbst mit Verstärkung 200 noch reichlich wenig. Mit gut 2 V als Ref. sollte die Spannung etwa 10 mV sein wenn man die AVR internen Verstärkung von 200 nutzen will. Das wären dann 0,1 Ohm. Wenn man eine Controller mit weniger Verstärkung hat, dann eventuell sogar mehr als 0,1 Ohm. Die 0,5 Ohm vom Anfang sind dann gar nicht so schlecht.

Bei der eher geringen Auflösung und genauigkeit der Verstärkung kann man auch einen "normalen" Widerstand nutzen, ein extra präziser ist kaum nötig. Wenn wirklich der 0.002 Ohm Widerstand sein soll, dann wird man wohl einen aus Manganin nehmen müssen, sonst kriegt man leicht probleme mit Thermospannungen. Auch wird man dann einen extra Differenzverstärker brauchen denn mit 0,2 mV kann der AVR interne nicht viel anfangen.

[pacer_one]

naja, du bist hier zwar Roboterexperte, aber noch lange kein Grund zu behaupten wir wären peinlich. Zugegeben, wenn er seinen µC an die Versorgungsspannung des USB hängt, kann er nie eine größere Messspannung als die Refspannung des µCs haben. Hat er aber Bspw. nur 3,3 Volt, kann er gar keine 5V messen. Da muss man sich dann schon mal ein bisschen den Kopf zerbrechen. Ob das dann zielführend ist, ist eine andere Sache.
Das eine Differenzschaltung für den Strom benötigt wird, war eigentlich schon klar, also nix Neues. Außer er hat bereits einen AVR mit Differenzeingängen, was aber auch schon erwähnt wurde.

Also, nicht immer gleich drauf los hauen. ;-)

[BlackDevil]

Vorallendingen hänge ich den Microcontroller bzw meine Messschaltung nicht an die selbe Spannungsversorgung wie die, die ich vermessen will. Belaste ich sie ja zusätzlich. Ist nicht Zielführend. Aber die Spannungsversorgung ist nebensache: Entweder die 5V vom USB oder nur etwa 3V um den Strom zu reduzieren, zumindest denke ich mir das ich dan weniger Strom brauche.
Ich werde die Interne Referenz von 2,ebbes Volt nehmen, dann brauch ich nicht so stark verstärken und es reicht eventuell auch die Interne verstärkung.

Nur was deine Schaltung oben bewirkt versteh ich nich. Du misst die Spannung am Shunt per differenz. Und weiter? Nich einfach was hinklatschen und alle anderen als Peinlich bezeichnen sondern selbst erklären was du da treibst. Für mich fehlt da die Spannung. Den Strom erhalte ich ja über die Spannung am Shunt, die Spannug eben über die Leitung selbst. Und beides brauch ich für die Leistung von meinem USB Gerät. Will ja nicht die Leistung von meinem selbstgebauten Gerät wissen sondern von zB meinem MP3 Player.

[Besserwessi]

Die Spannung mißt man zwischen dem Shunt (sinnigerweise besser den "Strom" Anschluß in der zeichnung) und der Masse. Den Controller selber könnte man auch vom USB speisen, dann halt von der linken Seite. Mit weniger Spannung wird die Stromaufnahme auch tatsächlich geringer. Man müßte dann nur einen Spannungsteiler Nutzen um die höhere Spannung zu messsen. Wenn der Controller eher langsam läuft kann der Strom aber auch so relativ klein bleiben. Pro MHz braucht man bei 5 V etwa 1 mA.

[BlackDevil]

Hab ich schon mal erwähnt das die Shunt doof sind? Wir habe für die Strommessug bei Messgeräten den Vierleiterwiderstand vorgestelllt bekommen über dessen zwei Messbeichen wir die Spannung messen. Diese durch den Widerstand geteilt ergibt den Strom +- die entsprechenden Fehler (eher + klar). Wenn ich jetzt noch die Spannung benötige messe ich, laut der Vorlesung, vor dem Shunt die entsprechende Spannung.

Das ist mein Wissensstand. Und so wollte ich es auch tun, nur das ich nicht nachgedacht habe das die zwei zusatzbeinchen am Shunt ja quasi direkt am Widerstand festgemacht sind und ich so gegen Masse eben den Kurzen Fabriziert habe. Also hätte ich den die Spanung über den Shunt jetzt über den Differenzanschluss am µC oder eben über einen Diff. Verstärker gemessen und durch den Widerstand geteilt und hätte meinen Strom, die entsprechende Spannung hätte ich vor dem Shunt abgegriffen.
Wobei: Da kommt mir eine Idee. Die Differenz der beiden Potentiale vor und hinter dem Shunt entspricht der Spannung am Shunt selbst, das Potential am vorderen Anschluss vom Shunt entspricht ja genauso dem Potential zwischen Vbus Eingang (am USB Stecker) bis zum Shunt selbst ... Potentiale lassen sich ja mehr oder weniger verschieben. Jup dann kann man den Punkt zusätzlich für die Spannungsmessung nehmen, ist okay :D

Ich hätte einen Atmega 8 genommen und den auf 8Mhz laufen gelassen per Exteren Quarz. Hab zwar noch nicht so die große Erfahrung aber für die Berechnug und Ausgabe der Leistung und ggf. verbrauchten Energie über ein kleines 2 Zeilen Display sollte das reichen. Wären dann ~8mA für den Controller bei 5V und ich denke icht das das Display noch mal 92mA braucht, ich hoffe nicht :D