High-Side Strommessung diskreter Aufbau

[µautonom]

Hi, ich brauche eure Hilfe.

Ich möchte den Strom durch die Motoren erfassen. Roboter hat insgesamt 4 Stück.

Das ganze soll viermal aufgebaut werden.

Es gibt zwar fertige High-Side Stromsensoren z.B. den INA138 nur wird mir das zu teuer bei bei einem Stückpreis von 2.95 und das 4mal.

Deshalb will ich das ganze diskret aufbauen und hoffe das es ein wenig günstiger wird.

Die Formel um den Strom zu berechnen hab ich mir hergeleitet:

Vout=Iout*Rout

URs=URin

Isense*Rs =Iout*Rin

Vout=Isense*Rs*Rout/Rin

-> Isense = Vout*Rin / Rs*Rout

Jetzt weiß ich nicht genau nach welchen Kriterien ich den Transistor und den Op bzw. die Widerstandswerte dimensioniern soll bzw. ob die Art von Schaltung überhaupt geeignet ist bevor ich wild rumrechne.

Ich habs mal versucht. Mein Gedankengang unten:

Nach der Formel oben wird der Strom durch den Transistor durch Rin bestimmt. Wenn ich z.B. von 0,5A ausgehe die der Motor zieht , sind das 0,025V die an Rin abfallen (input offset vernachlässigt) das wären 0.025mA die durch den MOSFET fließen würden.

Also würde ein Logic-Level MOSFET für kleine Ströme reichen -> BS170? (5 Ohm RDs maximal)

Spielt der Rds hier eine große Rolle?

Fehlt noch der OP. Die Eingangspannung z.B. am nichtinvertierenden Eingang liegt nah an der Versorgungsspannung -> Rail to Rail notwendig.

In der Formel bin ich davon ausgegangen das Ud=0V und Usense = URin ist also sollt es einer mit geringen Offsetspannung sein. Hochohmig und großen Verstärkung.

Besserwessi hattte in einem anderen Thread den AD8551 genannt, würde der hier passen? Der Ausgangstrom 30mA sollte ja reichen um Logic-Level MOSFET schnell genug durchzuschalten?

Was meint ihr dazu? Ich bin mir nicht sicher ob diese Art von Schaltung für meinen Fall geeignet ist.

Leider kann ich das Shunt nur in die versorgungsspannung oder in den unteren Zweig (Masse) sonst hätte ich in jeden Zweig jeweils einen shunt einbauen.

Ich weiß das sind viele Infos und ich verlange viel aber ich hoffe jemand nimmt sich die Zeit und ließt sich das durch :/

Grüße,

µautonom

[MichaF]

Leider kann ich das Shunt nur in die versorgungsspannung oder in den unteren Zweig (Masse) sonst hätte ich in jeden Zweig jeweils einen shunt einbauen.

Verstehe ich das richtig, das du auch Low Side messen könntest? Würde ich bevorzugen wenns möglich ist.

Zur Schaltung: Der Sinn des FETs erschließt sich mir nicht ganz. Du kannst aus dem OP direkt an den ADC deines Controllers gehen, da braucht es keine weiteren Bauteile dazwischen.

[Besserwessi]

So wie es aussieht kann man auch low Side Messen, das ist etwas einfacher, und spart den FET.

Die Schaltung mit dem FET soll dazu dienen das Signal von der High Side auf die low Side zu bekommen. Also ein ersatz für einen differenzverstärker. So wird die Schaltng aber nur recht eingeschränkt gehen, wenn sie nicht duchgehen schwingt. Der FET in der Rückkopplung könnte genug Verstärkung geben damit die Schaltung schwingt.

Der AD8551 ist nur bis 5 V Versorgungsspannung vorgesehen, das ist gerade etwas knapp.

Edit:
Die normale Schaltung zur highside Strommessung nutzt einen p-Kanal FET oder einen PNP Transistor. Die Rückkopplung erfolgt dann vom Emitter bzw. Source und hat daher keine Spannungsverstärkung.

[µautonom]

Hi, ich hab hier gelesen -> 2008_05_Linear_Technology-Strommessen.pdf das eine Low-Side Messung zwei Probleme entstehen.
Deswegen hab ich die High-Side Methode gewählt. Hab das aber noch nicht getestet udn weiß auch nicht ob das wirklich stimmt.

Das Zitat aus dem Artikel:
1.Problem

Da die
Masseleitung kein perfekter Leiter ist, kann
die Massespannung an verschiedenen Punkten
im System unterschiedlich sein, was den
Einsatz eines Differenzverstärkers für Präzisionsmessungen
erforderlich macht.

2.Problem

Ein Widerstand im Massepfad
bedeutet, dass sich das Massepotenzial für
die Last in dem Maße ändert, wie sich der
Strom ändert. Dies kann Gleichtaktfehler in
das System einführen und stellt ein Problem
beim Anschluss an andere Systeme dar, die
dasselbe Massepotenzial erfordern

Ich hab den internen Aufbau bei High-Side Sensoren abgeguckt.
Der FET ist dafür da um die Messspannung ein auf Masse bezogenes Signal zu übersetzen, der Strom durch Rin wird durch Rout geleitet. Ich hatte das erst auch den Sinn nicht verstanden aber nach der Herleitung der Formel wurde mir das klar.

Ich hänge mal die pdf an

EDIT:

Also soll ich einfach Low-Side messen ohne den FET? Ausgang vom Op über Spannungsteiler an ADC?

Ich habe noch den OP gefunden 4-fach , leider kein Zero Drift , Single Supply Input Range: –0.4V to 44V, 6V V+ sollte gehen? Ich finde in der Specifitakion nur für Vs=5V 0V und Vs=+-15V -> LT1491

Grüße,

µautonom

[MichaF]

Logisch, so macht der FET natürlich durchaus Sinn. Hab ich nicht gesehen.

Die von dir beschriebenen Probleme dürften bei den relativ geringen Strömen hier zu vernachlässigen sein. Ich würde daher low Side messen, das ganze mit einem OP nicht-invertierend verstärken und direkt auf den ADC gehen. Ein zusätzlicher Spannungsteiler ist eigentlich nicht nötig sofern Controller und OP mit der gleichen Spannung versorgt werden. Denn höher als die OP Versorgungsspannung kann dessen Ausgangsspannung nicht werden, somit braucht du keinen Spannungsteiler um den ADC Eingang zu schützen.

Bei geeigneter OP wahl kannst du den sogar direkt an 6V betreiben, während der Controller nur mit 5V versorgt wird. Du darfst dann nur keinen OP auswählen, der Ausgangsseitig Rail2Rail kann. Viele OPs können nicht mehr als VCC-1V am Ausgang, und das wäre für dich ja ideal.

Edit: Der LT1491 kann Ausgangsseitig Rail2Rail, kommt dann auf die Versorgungsspannungen an. Würde aber ansonsten auf den ersten Blick passen.

Für solche Aufgabe verwende ich gerne den LM324. Hat sich gut bewährt. Kann am Ausgang VCC-1,5V

[µautonom]

Ich nutze nen STM32 3.3V (ARM) hat 12BIT ADC, wie die referenzspannung aussieht weiß ich grad nicht, vermute man kann auf 3.3V Vref einstellen.

Mit Rs=0.05Ohm und maximalen Strom von 557mA fallen 27.85mV ab, da sollte dann doch eine Verstärkung von 100 reichen ?

Sobald der Strom weiter ansteigt werd ich die komplette Spannungsversorgung abschalten, dann brauch ich keinen Spannungsteiler für den ADC, also die 3.3V sollten dann nicht überschritten werden.

Den LM324N hab ich zufällig da nur kein Shunt in der gröenordnung grr sonst könnte ich das sofort mal testen.

Mfg

[PICture]

Hallo!

@ MichaF

Deinen Vorschlag finde ich viel besser.

@ alle

Ich denke, dass in der o.g. "*.pdf" Erklärung ein Denkfehler enthalten ist, weil bei richtigen Anschluss des Shunts und sternförmiger Massenführung, ich keinen Unterschied sehe, ausser dass bei "low side" kein Differenzialverstärker nötig und somit die Messschaltung einfacher ist.

MfG

[Besserwessi]

Vom Aufwand ist nicht viel Unterschied, ab man jetzt Low side oder high side mißt.
Low side braucht man 1 OP und 4 Widerstände für einen Differenzverstärker. Besondere Präzision braucht man da nicht, denn der Gleichtaktanteil belibt eher gering.

High Side braucht man 2 Widersände und einen Transistor (PNP oder P MOSFET) zum OP. Der OP muß hier allerdings an der oberen Versorgungsspannung noch funktionieren, und das ist seltener als Single Suppy OPs. Ggf. braucht man auch noch eine Spannungsbegrenzung für den Eingang des AD-wandlers.

[PICture]

Ich denke, wie MichaF eben, dass für "low side" man keinen Differenzverstärker braucht, weil man schon vom Shunt nur eine Spannung gegen GND hat.

MfG

[µautonom]

Hi, ich werde "Low-Side" ausprobieren.

Ich hab ein LM258 und LM324N gerade da, der LM258 hat einen kleinere Offsetspannung.

Das macht ja eine Menge aus bei kleinen Strömen.

Bei 40mA hätte ich einen Spannungsabfall von 2mV , jetzt kommt noch beim LM258 2mV offset dazu also werden 4mV verstärkt, hab ich das richtig verstanden?

Ist es da nicht besser einen Single OP zu suchen mit low offset bzw. die Möglichkeit bietet diese abzugleichen?

Könnte man die 2mV vielleicht einfach rausrechnen also vom Ergebnis abziehen?

Mfg µautonom