Hilfe Bei der Bauteilsuche

theoneandonly_89 · May 19, 2014, 9:00am

Hallo,
…ich hoffe das ist das richtige Forum…

da ich noch recht neu hier bin stelle ich mich mal kurz vor. Ich bin Tobias, bin Elektrotechnikstudent und bin gerade über meiner Studienarbeit und dann später Diplomarbeit. In den Arbeiten geht es um eine Kondesnatorbatterie die ich etwas Umbauen soll. Nun kommt ihr ins Spiel weil ich nicht genau weis welche Bauteile die richtigen für das vorhaben sind.
Das System besteht aus 12 Kondensatoren mit jeweils 400V und 29.000µF in einem 19" Rack und ist in 1x 2s2P und 1x 2s4p verschalten. Dies soll dann Später estwas umgebaut werden auf 2x 1s6p. Desweiteren soll der Strom, der rein bzw raus fließt gemessen werden, sowie die geladenen Spannung.
Ich weis das jetzt einige sagen werden 400v alles zu viel für Anfnager und so… Ja dies ist mir bewusst. Das projekt wird von Laboringenieruren, Professoren und Doktoren überprüft bevor es an das Netz mit 400V geht. Zu test versuchen wollte ich im kleinen Maßstab mit kelinen Spannungen versuche durchführen.

Um den Strom zu messen wurden mir die Strommessmodule von von LEM empfohlen. Da habe ich das LEM HAS 200-s gefunden (gibt je nach strom ±4 Volt aus). Nun die Frage ist dieses Bauteil ausreichend um max 176A zu messen und dann über ein Mikrocontroller (Arduino) aus zu werten und dann an einem LCD dar zu stellen? Da kommt mir die Nächste frage, der AD Wandler im Atml kann doch keine negativen spannungen lesen oder? mit ner Offste spannung komm ich doch über die max 5v die der ADwandler kann… Evtl nen OPV davor schalten, aber wie stellt sich mir da die Frage…
Kennt Ihr vielleicht ein anderes Bauteil was für meine Zwecke geeigneter wäre.

Die Spannung soll evtel mit einem Spannungsteiler von TesTec gemessen werden.

Ich hoffe meine Fragen sind nicht all zu dämlich für ein E-Technik-Studenten und ihr Könnt mir irgendwie Helfen, wenn Ihr Fragen habt fargt bitte einfach.

Vielen Dank schonmal
Tobi

michael_x · May 19, 2014, 10:03am

Mit 400V , 200A und 20000µF Kondensatoren hat wohl kaum einer praktische Erfahrung hier,
und wenn doch, hat das wohl nichts mit einem Arduino zu tun

Zu test versuchen wollte ich im kleinen Maßstab mit kleinen Spannungen Versuche durchführen

Da wirst du dann auch andere Kondensatoren verwenden und andere Ströme anders messen.
(Wo sollen bei deinen Versuchen die Ströme herkommen ?)

Bei Simulationen ist die wirklich interessante Frage der Zeitmassstab.
Wenn du mit einem Arduino messen und simulieren willst, solltest du berücksichtigen,

dass eine Analogmessung im Normalfall > 100 µs dauert
ein Arduino ziemlich wenig RAM hat um Messwerte zwischenzuspeichern
die einfachste (serielle) Übertragung zum PC im Normalfall auf 115200 Bd begrenzt ist ( also ca. 10kB / sec )

Mach es langsam, Tobi.

Evtl. siehst du trotzdem Unterschiede zwischen realen Kondensatoren und theoretischen idealen Kapazitäten.
Und evtl. haben diese Unterschiede was mit dem realen Verhalten von 30000µF / 400V Brummern bei 200 A Strömen zu tun.

Zur Frage der Zeit gehören bei Kapazitäten noch Widerstände und Induktivitäten, das dürfte dir aber bekannt sein

edit: ja stimmt , 20000µF ist was anderes als 20 F ;
aber bei 400V immer noch ziemlich viel

theoneandonly_89 · May 19, 2014, 10:39am

Ich weis nicht ob du dich evtl verlesen hast es geht um 29.000µF, also 0,029F!!

So serh viel mit specihern soll da nicht werden von messdaten,eigentlich nur Ausgaben an einem LCD, damit man weis welche Spannung geladen wurde und ob wieviel Strom gerade rein oder raus geht aus der Kondesnatorbattterie

guntherb · May 19, 2014, 10:48am

Ich denke die Frage des Kollegen, das Arduino-Forum betreffend, ist mehr die hier:

theoneandonly_89:
Um den Strom zu messen wurden mir die Strommessmodule von von LEM empfohlen. Da habe ich das LEM HAS 200-s gefunden (gibt je nach strom +-4 Volt aus). Nun die Frage ist dieses Bauteil ausreichend um max 176A zu messen und dann über ein Mikrocontroller (Arduino) aus zu werten und dann an einem LCD dar zu stellen? Da kommt mir die Nächste frage, der AD Wandler im Atml kann doch keine negativen spannungen lesen oder? mit ner Offste spannung komm ich doch über die max 5v die der ADwandler kann... Evtl nen OPV davor schalten, aber wie stellt sich mir da die Frage....
Kennt Ihr vielleicht ein anderes Bauteil was für meine Zwecke geeigneter wäre.

Ja, für 176A ist das ausreichend.
Du müßtest, wie schon bemerkt, einen Offest von 2,5V draufschalten, und das Signal mittels eines Spannungsteilers runterteilen.
OPV brauchts nicht.
Andere Strommesser gäbe es schon, aber wenn bidirektionaler Strom gemessen werden soll, dann ist damit fast immer auch Signalausgabe +/- Spannung verbunden.

theoneandonly_89 · June 4, 2014, 10:59am

Hi
@guntherb
es sollte schon mit einem opv gelöst werden, da man die Verstärkung unb den offset mit Potis einstellen soll....
Ist da dieser http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp?sku=1750138 der richtige? Könntest du mir da evtl eine kleine Hilfe bei der Verkabelung geben, muss ihn ja als nichtinvertierenden schalten aber dann hört es auf ?

uwefed · June 4, 2014, 12:02pm

Ich sehe das Problem eher in der Auflösung der ADC. Bei 400V ist die Auflösung ca 0,4V.
Die Ausgangsspannung ees Spannungsteilers mußt Du auf alle fälle mittels eines Opertionsverstärkers der als Impedanzwandler geschaltet wird verstärken.
Grüße Uwe

guntherb · June 4, 2014, 1:48pm

theoneandonly_89:
es sollte schon mit einem opv gelöst werden, da man die Verstärkung unb den offset mit Potis einstellen soll…

Dann kannst du aber deine Genauigkeit völlig vergessen. Potis sind die schlechtesten Widerstände überhaupt!

Und OP brauchst du wirklich nicht!

du erzeugst dir mit 2 Widerständen aus der Arduino 5V eine 2,5V Hilfsspannung. (die du als Referenz zurückmißt)
Auf diese stellt du den GND des Sensors, und auf diese teilst du auch das Sensorsignal runter.

Und jetzt machst du nur noch:
x = analogRead(A0) - analogRead(A1)
I = x * 200/4 * (4700+7500)/7500; // kann man auch zusammenfassen zu einer Zahl
und schon hast du deinen Strom.

Alles was du mit OPs machst wird ungenauer.
Alles was du mit Potis machst kannst du, was Genauigkeit angebelangt, sowieso vergessen!

theoneandonly_89 · June 11, 2014, 8:45am

Sorry war die letzten tage krankheitsbedingt nicht online und konnt mich erst jetzt wieder melden

danke das du dir die mühe gemacht hast und mir sogar einen genauen schaltplan gezeichnet hast super! . dann werde ich es ohne opv machen und nach deiner schaltung arbeiten. kurze frage, die widerstände r3 und r4 bringen die ±4v auf ±2,5v oder?

ich müsste dann noch eine spannung von ±7v(vom aktiven spannungsteiler, der die 800v misst und als ±7v ausgibt) am arduino messen, das wäre ja genauso möglich nur mit andern r4 und r3. wenn ich nur r3 ändere brauchte ich einen widerstand mit 13500 ohm (richtig?) (7500*7/2,5)-7500=13500. aber ein 13k5er wiederstand scheint es nicht zu geben find nur 13k7, 13k3 also müsste ich bestimmt noch r4 ändern

vielen dank, ohr seit echt spitze!

gruß tobi

edit:
bei der spannungsmessung treten eigentlich keine negativen werte auf, also bräuchte ich die -7v vom spannungsteiler garnicht)

Doc_Arduino · June 12, 2014, 12:07am

Hallo,

man kann auch mehrere Widerstände zusammenschalten. Reihen und Parallelschaltung gemischt wenn es sein muß um genau auf den Wunschwert zu kommen. Oder man muß mit einer Abweichung leben wenn es möglich ist. Je nach Anforderung. Für R3/R4 würde ich dann auch welche mit höhere Genauigkeit verwenden. 0,1% Toleranz zum Bsp.

Am LEM HAS Out kommen ja +/- 4V maximal raus. Bedingt durch das angehobene Massepotential um +2,5V liegen jedoch links vom R3 keine max. +4V an sondern max. +6,5V an. Gegenüber Masse. Jetzt kommt der Spannungsteiler R3/R4 ins Spiel. Über R3/R4 fallen die max. +4V ab. Der AD0 sieht davon aber nur die Teilspannung über R4.

4V / (4,7 + 7,5) * 7,5 = 2,46V

Da der Arduino jedoch gegen saubere Masse mißt, gelangen max. 4,96V (2,46 + 2,5V) an AD0. Das ist das Optimum der Ausreizung der Meßauflösung. Cool. Habe ich nicht anders erwartet von Gunther.

Deine errechneten 13,5 kOhm für R3 stimmen, nimm den nächst kleineren Wert. Oder baue ihn mit 2 Widerständen zusammen. Oder Du rechnest noch etwas hin und her um andere Werte für R3/R4 zu finden. Den Rest legste in der Software fest zum rechnen. Was was entspricht.

nix_mehr_frei · June 12, 2014, 9:17am

Man muß ja nicht aufs letzte Ohm mit Festwiderständen arbeiten. Je nach zu erwartendem Toleranzbereich, den es auszugleichen gilt, Festwiderstände und die restlichen 1 oder 10 Prozent Poti. Schau bei den Widerständen, das du Metallschicht 1% oder besser verwendest. Bei den Potis verwende Dickschichtregler, am besten mit Spindeltrimmer, damit man vernünftig ableichen kann.
(Gleich)ströme, insbesondere so Große, kann man recht gut mit analogen Hallsensoren messen. So nebenbei hast du dann ein potentialfreies Messignal. Das selbe Prinzip wird bei der Gleichstrommessung beim Zangenamperemeter angewendet. Gehen die Ströme in den Kiloampere Bereich, wäre es sogar denkbar, mittels Kraftaufnehmer die mechanischen Kräfte, die zwischen den Stromschienen wirken, zu messen. Die Lorenzkraft wirkt ja auch auf die elektrischen Leiter. Es sind bei Kurzschlüssen in Schaltschränken und bei Railgun-Versuchsaufbauten schon Isolatoren geborsten und Stromschienen verbogen

Gruß Gerald

udoklein · June 12, 2014, 3:47pm

Auf die 5V Referenzspannung würde ich mich bei einem Arduino nie verlassen. Siehe hier: Supply Voltage Measurement | Blinkenlight. Dann eher schon einen Olimexino verwenden, dort wurde beim Design das Problem explizit adressiert.

Doc_Arduino · June 12, 2014, 3:55pm

Hallo,

spielt denn die Spannung an/von AREF bei dem Schaltplan/Beschaltung überhaupt eine Rolle? Ich sage nein. Hier wird an 2 analogen Eingängen gemessen und davon die Differenz gebildet. Entscheidend für die Genaugkeit ist in meinen Augen nur die Toleranz der Widestände R3/R4. Die AREF darf in meinen Augen sogar schwanken und spielt dennoch keine Rolle.

guntherb · June 13, 2014, 10:05am

Doch, die Spannung an AREF spielt eine Rolle!
Die kann man nur ignorieren, wenn du eine ratiometrische Messung hast, also eine Reihenschaltung von Vorwiderstand und Sensor, die aus eben der AREF gespeist wird.

Hier hast du aber eine externe Spannungsquelle, die 2% Genauigkeit der Arduino-Versorgung geht also voll ein.
Die Frage ist, ob die 2% stören.

Doc_Arduino · June 13, 2014, 2:50pm

Hallo,

irgendwie sehe ich das noch nicht so. Ich notiere mal meine Gedankengänge, um den Gedankenfehler zu finden.

A0 und A1 mißt der Arduino gegen seine Masse mit seiner AREF. Das bedeutet doch, dass sich ein Fehler/Schwankung von AREF auf beide Eingänge/Messungen auswirkt und sich damit aufhebt, weil von beiden Werten die Differenz gebildet wird. Der Differenz und nur dieser, ist die Genauigkeit von AREF egal.

Was ist falsch?

guntherb · June 13, 2014, 5:34pm

Die Spannung an AD1 ist von VREF abhänging, die wird "neutral" gemessen.

Die Spannung an AD0 kommt aber von einer unabhängigen Quelle aussen, und die "sitzt" auf der virtuelle Masse (der 2,5V Hilfsspannung, die mit AD1 zurückgemessen wird.

Wenn die externe Spannung 0V ist, dann ist alles ok. Dafür sorgt der Vergleich der beiden Werte.
Wenn aber eine externe Spannung anliegt, dann wird diese runtergeteilt, und mit ADO gemessen und die Differenz zu AD1 gebildet.
nun erhalte ich ein Ergebnis in Bit.
Den Wert eines Bits erhalte ich durch die REchnung: VREF/1024
Den Wert der externen Spannung berechnet sich zu:
Uext = (AD0 - AD1) * VREF/1024 / R4 * (R3+R4)

Wie du nun schön sehen kannst: Der Wert von Uext ist direkt von VREF abhängig.

Doc_Arduino · June 13, 2014, 5:55pm

Hallo Gunther,

jetzt fiel der Groschen. Danke für gute Erklärung.
Rückwärts gedacht, wenn der Spannungsteiler R1/R2 links aus den +/- 15V gespeist würde, dann wäre AREF vom Arduino egal. Oder?

Was ich jedoch korrigieren muß in Deiner Rechnung ist, dass man durch 1023 teilen muß und nicht durch 1024. Sonst ist das Ergebnis immer um die Auflösung von 1Bit daneben. Die Proberechnung rückwärts geht dann nicht mehr auf. Zur Beruhigung, dass www ist voll mit diesem Rechenfehler.

guntherb · June 14, 2014, 7:41am

Doc_Arduino:
Hallo Gunther,

jetzt fiel der Groschen. Danke für gute Erklärung.
Rückwärts gedacht, wenn der Spannungsteiler R1/R2 links aus den +/- 15V gespeist würde, dann wäre AREF vom Arduino egal. Oder?

Leider nein.
Generell: wenn du eine Spannung mißt, die ausserhalb des Arduinos erzeugt wird, eine Batterie, eine Solarzelle, ein Sensor mit eigener Versorgung, dann geht die VREF mit ein.
Wenn du ein Verhältnis mißt (klassisch: NTC mit Vorwiderstand), bei dem die Versorung aus der VREF kommt, dann kürzt sich VREF aus der Formel raus und sie geht nicht mit ein.

In diesem konkreten Fall würde die Schaltung nicht funktionieren, wenn du R1/R2 aus den 15V speist. Die “virtuelle Masse” brauchst du ja, um auch negative Sensorausgangsspannungen messen zu können.

Doc_Arduino:
Was ich jedoch korrigieren muß in Deiner Rechnung ist, dass man durch 1023 teilen muß und nicht durch 1024. Sonst ist das Ergebnis immer um die Auflösung von 1Bit daneben. Die Proberechnung rückwärts geht dann nicht mehr auf. Zur Beruhigung, dass www ist voll mit diesem Rechenfehler.

Dass das WWW voll ist davon, liegt vielleicht daran, dass es kein Rechenfehler ist!

Du verstehst es leichter, wenn du es an einem 2-Bit AD Wandler betrachtest:
Der zerlegt des messbaren Spannungsbereich in 2² = 4 Bereiche: 00, 01, 10, 11. (Entspricht 0,1,2,3 in Dec)
Bein AREF = 5V sieht das so aus:

der höchste Wert, 3 hex oder 11 bin, steht für eine Spannung zwischen 3,75V und 5V
Bei 10bit entsprechend: Der Bereich wird in 2¹⁰ = 1024 Bereiche geteilt.
Der höchste AD-Wert (1023 = 400hex = 11 000 000 bin) steht für eine Spannung zwischen 4,995V und 5,0V, weil ein Bit einen Spannungsbereich von 5V / 1024 = 4,88mV darstellt.

Doc_Arduino · June 14, 2014, 1:59pm

Hallo Gunther mein Guter,

okay, das mit AREF und externer Spannung habe ich jetzt gerafft. Alles klar. Besten Dank.

Leider muß ich Dir wieder widersprechen bei der Berechnung vom AD Wandler. Der Ansatz ist falsch. Jetzt helfe ich Dir mal auf die Sprünge. Bleiben wir erstmal der Einfachheithalber beim 2Bit AD. Die erhältllichen Meßwerte sind 0, 1, 2, 3. Aufgeteilt auf 0 bis 5Volt. Man hat nur 3 Unterteilungen und nicht 4.

    0       1       2       3     Messbits vom AD
        |       |       |     
        1.      2.      3.

    0     1,66    3,33     5,0 Volt

Die 3 steht für 5V und nicht für irgendeine Differenz. Die Spannungssprünge dazwischen von 0 auf 1 und von 1 auf 2 und von 2 auf 3 betragen 1,6667V. Die 3 steht dennoch 5V.

Um auf Dein 10Bit Bsp. zurückzukommen. Du würdest mit 4,88mV / Bit und einem maximal gelieferten Meßwert von 1023 (nicht 1024) ein falsches Ergebnis bekommen. Rechne mal 4,88mV * 1023. Man erhält 4992,24V und keine 5V. Man muß auch nicht den Umweg gehen über mV/Bit. mit der Verhältnisgleichung 5V/1023*Messwert = gemessene Spannung stimmt alles.

Das heißt, wenn ich wirklich 5V am AD anlege, erhalte ich als Ergebnis auch wirklich 5V zurück. Du dagegen falsche 4,99224V. Wenn die Rechenprobe rückwärts nicht stimmt, muß irgendwas falsch sein.
Anderes Bsp. Lineal 0 bis 10cm. Wieviel Zentimeterunterteilungen sind dazwischen. Genau 10 und nicht 11. Hier kommt auch niemand auf die Idee mit 11 zurechnen.

Alles klar?

guntherb · June 14, 2014, 3:56pm

Doc_Arduino:
Die 3 steht für 5V und nicht für irgendeine Differenz.

Verzeihe mir, aber meiner Meinung nach irrst du.
die “3” (bei einem 2bit AD-Wandler) steht nicht für “5V”, sondern für eine Spannung “zwischen 3,75V und 5V”. Das nennt man Quantisierungsfehler. Weil ein digitaler Wert eben nicht exakt einen analogen Spannungswert wiederspiegelt.

Doc_Arduino:
Rechne mal 4,88mV * 1023. Man erhält 4992,24V und keine 5V.

Ja, die 4,88mV sind gerundet. Genauer sind es eben 5V/1023 = 4,8828125mV
Und 1023 * 4,8828125mV = 4,9951171875V; Ein AD-Ergebnis von 1023 sagt: eine Spannung zwischen 4,9951171875V und 5V.
(Falls die VREF 5.00000V haben sollte)

Doc_Arduino:
Anderes Bsp. Lineal 0 bis 10cm. Wieviel Zentimeterunterteilungen sind dazwischen. Genau 10 und nicht 11. Hier kommt auch niemand auf die Idee mit 11 zurechnen.

Damit widerlegst du deinen eigenen Rechenweg.
ein 10-bit AD kann 1023 (3FF hex) darstellen, aber nicht 1024 (400 hex) weil 1024 schon 11 Bit benötigen würde.
Um bei deinem dezimalen Beispiel zu bleiben:
Mit einem Digit kann ich maximal “9” darstellen. “10” baucht schon 2 digits.
Ich habe also im Dezimalsystem mit einem Digit 10¹ = 10 Wertebereiche.
Die sind durchnummeriert von 0-9:

Ein Messwert von 1,25cm würde interpretiert als “1cm” (Nachkommastellen gibt es keine), ein Messwert von 9,4cm als “9cm”
Wir Menschen würde nun einen Wert von 9,8cm als “10cm” interpretieren, weil wir in Gedanken runden. Das kann der µC aber nicht. Für den würde eine 9 eben eine 9 bleiben.

Um das zu untermauern, einen Auszug aus dem Datenblatt des Maxim-ADs MAX7578:

Das ist ein 12-Bit AD und bereits bei 4,99878 V gibt er FFF hex zurück. Es gibt keinen Wert für 5V.

Dir ist aber schon klar, das wir hier auf sehr theoretischem Nivau diskutieren?
In der Praxis wird der Rechenfehler über den wir hier reden, deutlich überspielt durch Rauschen, Ungenauigkeiten und Fehler im AD.

Aber mir macht die Diskussion Spaß!
XD XD XD XD XD XD XD

Gunther

Doc_Arduino · June 14, 2014, 5:41pm

Hallo Gunther,

ich habe nie behauptet das 10Bit bis 1024 geht. Das lag an Deiner falschen Rechnung.

Die 4,88mV sind entstanden durch die falsche Rechnung von 5V durch 1024. Das damit rückwärts nicht genau 5V rauskommen habe ich ja geschrieben. Genau das ist ja der Rechenfehler.

Wenn Du mit 4,8875855327468mV rechnen würdest (5V/1023) kommt man eben wieder zurück auf seine ursprünglichen 5V. Wenn man nicht zurückkommt stimmt was an der Rechnung nicht. Am Ende sagt noch einer 2 ist gleich 2,003 usw. Wo kommen wir denn da hin. Das würde ja die Grundlagen der Mathematik auf den Kopf stellen.

Der Quantisierungsfehler von dem Du redest entsteht ja intern im AD. Entweder kippt er noch von 1022 auf 1023 oder nicht. Das ist ja die Messauflösung. Ich bekomme jedoch entweder 1022 oder 1023 vom AD mitgeteilt. Dennoch muß man 1023 für 5V ansetzen.

Das ist nichts weiter wie eine Verhältnisgleichung. 5V entsprechen 1023, wieviel Volt sind x Bit vom AD.

Aber das alles solltest Du doch eigentlich wissen.

Extrem Bsp. 1Bit AD.

0 ... 0V
1 .... 5V

Möchtest Du mir jetzt ernsthaft erzählen das Du bei 1 dann auf der Anzeige 0,5V sehen möchtest?

Und wegen meinem Lineal. Ich widerlege nichts im geringsten.
10Bit sind 0 bis 1023. Hat genau 1023 Unterteilungen und keine 1024.
10cm Lineal sind 0 bis 10cm. Hat genau 10 x 1cm Teilstücke und keine 11.

Wegen dem Datenblatt. Ja sehe ich. Das ist aber absolut unlogisch. Der höchste digitalisierte Endwert muß dem Spannungsmaximal AREF entsprechen. Wenn irgendwas 100% ist, kann es nicht plötzlich nur noch 99,9% sein.