High voltage labvoeding

[B_FORCE]

Voor de mensen die net komen binnenvallen.
Dit topic is gesplitst uit de "EL-kroeg"
Voor een duidelijk verhaal, lees eerst:
B_FORCE in "High voltage labvoeding"

Ik ben bezig met een high voltage (300V) labvoeding.
Nu heb ik nog iets nodig voor current sensing.
Daar leek me een difference amplifier prima geschikt voor.
Bijvoorbeeld INA117 of INA149.

Nu vroeg ik me het volgende af.
Als common input voltage wordt daar bijvoorbeeld ±200V opgegeven.
Kan ik dat ook lezen als 400V en ground (dus nul)?

De spanning kan ingesteld worden van 50-300V (maybe 100-300V, moet ik nog even bekijken)

[ Voor 29% gewijzigd door B_FORCE op 22-03-2012 23:32 ]

[mux]

Nope. Wat er in die INAxxx's zit zijn gelasertrimde reductieweerstanden en een low-voltage (16V analoog) low-offset opamp. Je zit dus echt vast aan een absolute maximum van 275V boven ground en ietsjes minder eronder.

Heb je echt persé high side meting nodig? Dan ben je behoorlijk boned. Hall-effect is waarschijnlijk niet nauwkeurig genoeg (ACS712 haalt maar ~100mA resolutie). Wat je kunt doen is dan zelf een current sense amp maken door een ultra low offset instrumentatieversterker te combineren met cherrypicked weerstanden met hele lage drift en temperatuurcoefficient. Zolang je zorgt dat er >50µA door de weerstanden loopt zit je dan meestal wel prima met de noise (of je kunt zelf signal to noise uitrekenen als je weet hoe, ik weet niet zo goed meer hoe dat ging, microelektronica is niet mijn ding). Maar anders zou ik toch heel erg low-side meting gaan overwegen. Als je voeding toch al galvanisch gescheiden is kun je je guard/aarde aan de uitgang gooien zodat je geen ground offset hebt.

[SA007]

Wat ook kan is een een kleine voedingsspanning bovenop je geregelde spanning te gooien en dan meet je op net onder de 0V.

[lemming_nl]

Is een weerstand, versterker, V-to-F converter + optocouple geen optie? Kost een aantal componenten (+ nog een trafo/voedingscircuitje) maar dan kan je meten waar je wilt.

[mux]

Dan verlies je best een hoop nauwkeurigheid bij je v-to-f (en terug)-stadium. Kun je beter de ADC ook in het geïsoleerde deel gooien en het geheel (via i2c bijvoorbeeld) overgooien naar de main electronica.

Power isoleren kan voor nagenoeg geen geld met die XP Power-blokjes.

[ Voor 14% gewijzigd door mux op 21-03-2012 09:52 ]

[lemming_nl]

mux schreef op woensdag 21 maart 2012 @ 09:52:
Dan verlies je best een hoop nauwkeurigheid bij je v-to-f (en terug)-stadium. Kun je beter de ADC ook in het geïsoleerde deel gooien en het geheel (via i2c bijvoorbeeld) overgooien naar de main electronica.

Power isoleren kan voor nagenoeg geen geld met die XP Power-blokjes.

Je hoeft niet 'terug' bij V-to-F als je digitaal werkt, je kan dan gewoon de frequentie inlezen. Of een V-to-F genoeg nauwkeurigheid bied is natuurlijk afhankelijk van de wensen van B_FORCE.

[mux]

Ja, maar als B_FORCE geen goede nauwkeurigheid (goed=beter dan hall-effect) vereist, zijn er veel makkelijkere/goedkopere opties. Dat is een beetje mijn afweging.

[B_FORCE]

Ben eerst opties aan het bekijken.
Low-side heb ik zo ook bekeken, is inderdaad makkelijker, maar liever niet.
Dit wordt een labvoeding voor buizen ed, en dan moet ik heel erg gaan nadenken hoe ik de rest van mijn circuit ga aansluiten ivm een ground (waar dan dus een ref weerstand tussen komt).

Ik wil het liefst toch wel 1mA resolutie hebben.

Heb al de nodige (vervelende) onnauwkeurigheidsberekeningen gedaan, dus ik kan die noise berekeningen er ook nog wel bij doen

[mux]

En wat is je full-scale? En je bandbreedte?

[ Voor 28% gewijzigd door mux op 21-03-2012 12:33 ]

[B_FORCE]

mux schreef op woensdag 21 maart 2012 @ 12:33:
En wat is je full-scale? En je bandbreedte?

???
Gaat om een DC voeding heh
(of jij noemt nu iets dat ik anders zou noemen )

Instelbaar van 50-300Vdc (maybe 100-300Vdc, moet nog even kijken wat beter uitkomt).
Ik heb zelfs nog met het idee gelopen om dat via PWM te doen (step-down lijkt me hier het handigste).
Ben alleen bang dat die stap wel erg groot is.
Met lineair verstook ik alleen bijna 30W weg bij lage spanningen

[mux]

Nee, wat is je full-scale stroom die je wil meten, en met welke bandbreedte wil je die meten? Het lijkt me dat je geen perfect constante stroom erdoorheen hebt lopen Dat bepaalt allemaal je componentkeuze.

[B_FORCE]

mux schreef op woensdag 21 maart 2012 @ 14:08:
Nee, wat is je full-scale stroom die je wil meten, en met welke bandbreedte wil je die meten? Het lijkt me dat je geen perfect constante stroom erdoorheen hebt lopen Dat bepaalt allemaal je componentkeuze.

Vreemd om hiervoor begrippen full-scale en bandbreedte voor te gebruiken....
Liefst natuurlijk wel een perfecte constante stroom natuurlijk
Waarschijnlijk bedoel je de rimpel op de spanning/stroom?

edit: of heb je het nu over de oplossing van lemming_nl?

Ik heb al eens doorgerekend wanneer ik via een ucontroller (bv een Arduino oid) zelf een stroommeter maak.
Dat is vrij simpel door twee spanningsdelers uit te lezen, waarvan ik er een al heb voor uitlezen van de spanning.
Het probleem is echter dat de resolutie dan veel te laag is.
Je serie ref weerstand wil je namelijk ook weer niet AL te groot maken.
Dat betekent dat je spanningsval niet zo groot is, hooguit een paar volt.
Terwijl ik het liefst toch wel af wil lezen op een paar mA (of liever nog kleiner), ivm de instelling van sommige buizen (ik ontwikkel zo nu en dan (gitaar)versterkers, dan is het heel erg handig om die dingen te weten)

edit2:
Dit is de onnauwkeurigheid (dRt) die je verwacht van zo'n spanningsdeling met 0,1% weerstanden.


Daarbij komt nog de onnauwkeurigheid van een ucontroller.
Laten we als voorbeeld een Arduino nemen.
Die zit op ±2 LSB.
Bij exact 5V is dat zo'n 9,77mV (in het echt is die 5V wat lager, zo'n 4,75V, maar dat valt te monitoren)

[ Voor 15% gewijzigd door B_FORCE op 21-03-2012 16:30 ]

[B_FORCE]

Eigenlijk moet de berekening zo zijn.
(bovenste was alleen stukje van de spanningsdeling)



Grootste probleem is nu Vref.
Die is bij een Arduino nu niet bepaald nauwkeurig en verschilt heel erg van de gebruikte voeding en volgens mij ook per type bordje.
(heb verschillen gemeten van zo'n 0,3V)

[ Voor 87% gewijzigd door B_FORCE op 21-03-2012 16:35 ]

[mux]

Sorry dat ik gisteren niet hierop heb geantwoord, maar dit vereist wat meer inspanning om te beantwoorden (en ik had het gisteravond druk). Het lijkt erop dat ik iets meer voorkennis had verwacht, dus het is tijd voor uitlegmodus.

B_FORCE schreef op woensdag 21 maart 2012 @ 14:36:
Vreemd om hiervoor begrippen full-scale en bandbreedte voor te gebruiken....
Liefst natuurlijk wel een perfecte constante stroom natuurlijk
Waarschijnlijk bedoel je de rimpel op de spanning/stroom?

Full-scale slaat op hoeveel stroom je maximaal wil kunnen meten. Dat bepaalt de benodigde versterking en bitdepth. Stel dat je maximale stroom 250mA is, dan is het een koud kunstje om 1mA resolutie te behalen, zelfs al met een 8-bit ADC (hoewel je in de praktijk wel een 9- of 10-bit nodig hebt). Als je 2A maximaal wil meten met 1mA resolutie zul je in de praktijk minimaal een 12-bitter nodig hebben, en dus een externe ADC.

Bandbreedte heb je altijd. Je meet nooit een signaal dat helemaal niet verandert. Alleen al het aanzetten van de stroom zorgt voor bandbreedte, want je wil dat je meting stabiliseert in een eindige hoeveelheid tijd. Bijvoorbeeld 1 seconde. Afhankelijk van je bit depth kun je dan je bandbreedte bepalen:

Stel je wil 10-bit meten, dus je maximale toelaatbare error is 1/2048e (0.5LSB) van je signaal. In de praktijk moet je analoog filteren om van o.a. thermal noise af te komen, dus de spanning over je ADC heeft tijd nodig om te stabiliseren. Stel, je gebruikt hiervoor een R-C circuit, dan betekent dat dat de spanning zich gedraagt als:

V_C(t) = V_in * (1-e^-t/RC)

en de analoge bandbreedte (analog bandwidth, ABW) wordt dan gedefinieerd als het punt waarop -3dB respons is:

F_C = 1/(2*pi*R*C)

Voor een ADC die 1 keer per seconde samplet (digitale bandbreedte of DBW van 1 sample per seconde [S/s]), heb je dan dus een RC-tijd nodig van 101ms wat neerkomt op een ABW van 1.6Hz. Needless to say, een hogere samplefrequentie en hogere resolutie zorgen voor een hogere benodigde ABW.

Dit is de eerste stap in het ontwerpen van je meetcircuit. Vervolgens moet je bepalen welk soort meetapparaat je gaat gebruiken: hall-effect, shuntweerstand of iets anders. Het iets anders is hier niet van toepassing (voorbeeld: magnetische nullator, het principe wat in sommige hele nauwkeurige DC meettangen wordt gebruikt). Hall-effect zoals we al eerder hebben gezien is heel erg ruizig bij lage stroomsterktes en dus niet geschikt. Dan blijft de shuntweerstand over. Daarvan wil je vervolgens weten of hij high-side of low-side moet worden gebruikt.

High-side betekent dat je je ground niet hoeft te onderbreken, wat soms noodzakelijk is, maar low-side is altijd makkelijker. Als het enige dat je voeding doet is voeden en vervolgens niks met de ground van het apparaat hoeft te doen: ga vooral voor low-side meting. Maar omdat we het tot nu toe over high-side meting hebben gehad ga ik daarop verder.

De volgende stap die je wil weten is of je een versterker nodig hebt. Als je veel stroom wil kunnen meten (in de regel: meer dan ongeveer 1A) kun je eigenlijk niet om een versterker heen, anders verlies je veel teveel resolutie van de ADC. Als je bijvoorbeeld direct wil meten met een microcontroller of ADC wil je dat de full-scale stroom overeenkomt met de full-scale spanning van die ADC, dus in de regel 3.3 à 5V. Voor een stroom van 1A betekent dat 3.3 à 5 W aan dissipatie in de shuntweerstand. En dit is erg belangrijk, want zelfs als het je niet uitmaakt dat de labvoeding inefficiënt is, heb je nog steeds het feit dat die weerstanden flink heet worden en dus gaan verlopen. Dat is wat ik bedoelde met de temperatuurcoefficient.

De tolerantie van weerstanden (bijv. 1%, 5%, etc.) is niet zo boeiend. Dat is namelijk een vaste afwijking die de weerstand altijd heeft, en die kun je gewoon wegkalibreren. Ik let voor 99% van mijn toepassingen, ook dingen die ontzettend nauwkeurig moeten zijn, niet meer op de fabriekstolerantie. Zelfs in een project dat ik kort geleden heb gedaan dat 16-bit nauwkeurigheid nodig had heb ik 5% weerstanden gebruikt. Wat uitmaakt is de temperatuurcoëfficient en, indien opgegeven, de aging drift. Naarmate een weerstand warmer wordt wordt de weerstand anders, en dit is niet makkelijk weg te kalibreren omdat dit zelden lineair is. Hele goede weerstanden halen bijvoorbeeld 10ppm/K of 25ppm/K. Als je 5W weerstanden hebt, heb je het meestal over 50 of 100ppm/K. Als zo'n weerstand 5W staat weg te stoken en 120 graden wordt, betekent dat dat hij 100 graden warmer is geworden, en dus een extra afwijking kan hebben van tot 100*100ppm/K=1%. Dat is op onze hypothetische 10-bit ADC al meer dan 10LSB meetfout die niet gemakkelijk weg te kalibreren is.

Aging drift is zelden gespecificeerd en ook meestal niet zo significant, maar bij sommige typen weerstanden verloopt de waarde van de weerstand flink in de loop van de tijd (vooral oude metaalfilmweerstanden uit old stock die niet in een beschermende omgeving is opgeslagen, het metaal is dan gecorrodeerd, Dick Best heeft zulke setjes te koop)

Hetzelfde geldt voor de weerstanden die je eventueel voor de feedback van een versterker gebruikt. Vooral de temperatuurafhankelijkheid gooit snel roet in het eten. De fabriekstolerantie is lang niet zo erg. Temperatuurcoëfficienten zijn ook erg belangrijk als je frequentiekritieke dingen doet (kristallen hebben een temperatuurcoëfficient) of brakke keramische condensatoren gebruikt.

Vervolgens heeft je ADC ook een stabiele, nauwkeurige spanningsreferentie nodig. Zoals je zelf al opmerkte is de voeding van de AVR op die prutsbordjes niet nuttig, dus moet je er zelf een aparte referentie op gooien. Als je verwacht dat de referentie ook veel temperatuurverschil gaat meemaken moet je wederom op de tempco letten. Ik heb bijvoorbeeld voor mijn 1200W elektronische belasting de LM4040B gebruikt die maar 20ppm/K verloopt. Gezien dat ding vrijwel direct op de heatsink zit, en de heatsink 80 graden wordt, was dat heel belangrijk. Voor through hole is een TL431A ook een goede keuze.

En nu moet ik weer even wat anders doen. Dingen die ik nog niet heb uitgelegd: de keuze van feedbackweerstanden voor een versterker, een aparte ADC, verschillende manieren om high-side meting te doen (INAxxx-constructie, geïsoleerde power+data, reductieweerstanden direct vanaf high side, etc.) en thermal noise. Zodra ik tijd heb en er interesse naar is kom ik daar wel op terug (of iemand anders).

[B_FORCE]

Nou het ligt niet aan de voorkennis, maar eerder het verschil in jargon/achtergrond.
Om je een idee te geven, ik ben zo goed als klaar met studie technische natuurkunde.
Het komt echter vaker voor dat verschillende disciplines andere termen gebruiken
Anyway, ik kan je dus prima volgen (dus het hoeft niet in jip- en jannektaal zegmaar )

De manier manier waarop jij het woord bandbreedte gebruikt, zou ik gewoon integratietijd (of evt sampletijd noemen. Wat in wezen gewoon hetzelfde is natuurlijk
Dat zijn dingen die later komen (en waar ik echt even weer in mijn boeken/dictaten moet duiken, want heb al een tijd niks meer gedaan aan zulke dingen)

Wat ik met mijn onnauwkeurigheidsanalyse wilde duidelijk maken, is dat mijn onnauwkeurigheid nu op (maximaal) ±1,4V.
Nu kan ik middels een verschilversterker idd wel de verschilspanning over je shunt/serie weerstand versterken, maar dan wordt die onnauwkeurigheid enkel hoger.
Eigenlijk zou ik mijn resolutie liever nog op 0,1mA willen (of 0,05mA)
Grootste probleem is hier gewoon de hoge spanning in combinatie met de lage spanningsval (waardoor je relatieve fout groot is)

De tolerantie van de weerstanden is in die zin van belang dat het een project moet worden dat ook door andere is na te bouwen.
Deze dus zelf nauwkeuriger nameten/kalibreren is dus geen optie.

Het komt er eigenlijk op neer dat jou aanpak net iets anders is dan die van mij
Ik wil namelijk eerst eens weten waar nu mijn grootste onnauwkeurigheden liggen.
Vooralsnog is dat de voedingsspanning van de ucontroller.
Die wil je het liefst hebben op zo'n ±1mV, wat waanzinnig laag is
Daarnaast is tolerantie van de weerstanden nog best van invloed.
Ik zou er voor kunnen kiezen dat ik die zelf nameet/kalibreer, maar dat maakt direct het project onbruikbaar voor anderen.
De onnauwkeurigheid van de ADC heb ik nu uit de Atmege328 datasheet gehaald en is ± 2 LSB.
Deze waarde is ook best van invloed.

Ik ben dus wel met je eens dat die andere dingen zeker van belang zijn.
Ik zal echter eerst deze problemen moeten aanpakken, aangezien deze veel significanter zijn.
(lees: de onnauwkeurigheid door bijvoorbeeld temperatuur verschillen komt hier nog eens bovenop!)

Overigens, misschien handig om een eigen topic aan te maken?
Wordt zo wel heel specifiek

[ Voor 5% gewijzigd door B_FORCE op 22-03-2012 13:23 ]

[mux]

Oh, ik probeer niet neerbuigend te zijn hoor, het is alleen dat ik deze uitleg ook geschikt wil laten zijn voor de rest van het publiek hier. Doordat je eigenlijk de grootste invloeden op de nauwkeurigheid en componentkeuze niet meeneemt ging ik er vanuit dat je meer newb was dan je bent. En ja, gooi dit samen met je schema's en berekeningen maar in een apart topic, dan gaan we daar verder.

[B_FORCE]

mux schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 14:15:
Oh, ik probeer niet neerbuigend te zijn hoor, het is alleen dat ik deze uitleg ook geschikt wil laten zijn voor de rest van het publiek hier. Doordat je eigenlijk de grootste invloeden op de nauwkeurigheid en componentkeuze niet meeneemt ging ik er vanuit dat je meer newb was dan je bent. En ja, gooi dit samen met je schema's en berekeningen maar in een apart topic, dan gaan we daar verder.

Ik heb het niet als neerbuigend ervaren hoor
Het is alleen soms weleens handig te weten wat iemands achtergrond is, dan kun je soms wat makkelijker praten in de juiste termen etc.

Ik heb het nu nog vrij ideaal genomen en ingeschat waar nu mijn grootste fouten liggen.
Dat is nog vrij statisch allemaal, DAAROP komen nog eens de dingen die jij nu noemt.
(waarvan ik er een aantal vergeten was )

Ik zal later de dag eens een duidelijk schema en topic maken.
Kunnen we helemaal los

[Sissors]

Omdat ik niet kan wachten:

Vooralsnog is dat de voedingsspanning van de ucontroller.
Die wil je het liefst hebben op zo'n ±1mV, wat waanzinnig laag is

Je kan beter een referentiespanning gebruiken dan voor je ADC, geen idee of interne referentie nauwkeurig genoeg is, maar vast beter dan je voedingsspanning.

[mux]

Zowel interne referentie (bandgap voltage) als een aan de voedingsspanning onttrokken referentiespanning gaat niet in de buurt komen van die kwaliteit. De bandgap voltage (interne referentie) is letterlijk dat - en dus temperatuursafhankelijk en vooral verschillend tussen devices. Je voedingsspanning komt vervolgens per definitie uit een LDO of andere regulator via i.h.a. dunne spoortjes en beperkte ontkoppeling naar binnen, waardoor het extreem moeilijk is (zeker als je micro fysiek groot is, er veel spoortjes en pinnen langs elkaar lopen, etc.) om te garanderen dat die knap blijft, nog afgezien van het feit dat power regulators lang niet zo nauwkeurig of stabiel zijn als dedicated temperatuurgecorrigeerde spanningsreferenties. Maar als je echt in de honderden microvolts à 1mV nauwkeurigheid wil zitten moet je we door wat hoepels gaan springen, zeker als je dat zonder calibratie wil. Dan moet je een constant temperature zone maken (weerstand+diode+bjt die door zelf-terugkoppeling de temperatuur van de diode binnen +/-5C houden bijvoorbeeld) zodat je spanningsreferentie zijn temperatuurafhankelijkheid kwijtraakt, bijvoorbeeld.

[Sissors]

De bandgap voltage (interne referentie) is letterlijk dat - en dus temperatuursafhankelijk en vooral verschillend tussen devices.

Zoals ik al eerder zei, ik weet niet precies hoe nauwkeurig de interne is, en anders moet je een externe gebruiken, maar het is sowieso beter dan je voedingsspanning gebruiken als referentie. En als je toch een externe gaat gebruiken kan je waarschijnlijk ook net zo goed externe ADC gebruiken, maar alweer, ik heb me nu even niet in de exacte getallen verdiept.


Echter, een bandgap reference wordt juist gemaakt om temperatuur en spreiding onafhankelijk te zijn. Hoe goed dat lukt is uiteraard een tweede.

[B_FORCE]

In dit topic ontstond een discussie aan de hand van een vraag die had met betrekking tot het maken van een labvoeding (via een ucontroller)
B_FORCE in "De EL-kroeg - Deel 3"
De EL-kroeg - Deel 3

Aangezien het nogal specifiek werd lijkt het me handiger om even een eigen topic aan te maken.

Ik zal kort uitleggen wat de bedoeling is, zodat jullie een beeld erbij hebben.

Het doel is het maken voor een labvoeding voor spanningen van ongeveer 50/100 tot 300-350Vdc.
De stroom die deze voeding moet leveren wordt maximaal zo'n 100-150mA.
Het wordt een voeding voor voornamelijk buizenversterkers, dus er komt ook nog een schakeling voor de gloeispanning bij (maar dat komt later)

De eisen voor de spanning is dat deze gemeten kan worden met een totale nauwkeurigheid van ±1V (±2V zou ook nog mogen) en de stroom < ± 1mA. Liever nog op ±0,1mA (hoewel ik denk dat zoiets bijna onmogelijk wordt).

De eerste insteek is om een voeding te maken dat tevens door anderen na te bouwen is.
Mocht dat teveel problemen opleveren (qua component keuze etc), dat kan dat wel veranderd worden.

Vooralsnog wordt als ucontroller een Arduino gebruikt.

Ik zou een schema (grove schets nog) kunnen laten zien van de voeding, maar ik zou eigenlijk eerst de discussie uit "EL-kroeg" topic willen voorzetten.
Er moet namelijk eerst in kaart worden gebracht hoe de spanning en stroom gemeten gaat worden.

Om toch enig idee te krijgen is hier een schema te zien.

(figuur 1: schematische weergave meten van spanning en stroom)

Dit is natuurlijk heel erg versimpeld weergegeven, maar het geeft een idee.
Vcc stelt uiteraard de voeding voor en I1 de belasting.
Via R1 en R2 kan vervolgens de spanning gemeten worden middels de 10 bits ADC van de Arduino (dus 1024 stapjes).

Stroom is op een aantal manier te meten, een aantal daarvan zijn al in "EL-kroeg" naar voren gekomen.
Simpelste is eigenlijk een serie weerstand plaatsen voor of na de belasting (respectievelijk Rserie1 en Rserie2).
Dit wordt ook wel high side en low side meting genoemd.

Beiden hebben zo hun voor- en nadelen, welk hier mooi staan samengevat:
http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an105.pdf

Het grootste nadeel van low side, vind ik dat de last dus niet daadwerkelijk grounded is.
Nu is dat voor een enkele belasting geen probleem, maar wanneer daar nog een ander circuit bij komt, voorzie ik wel enige problemen.

Om een beeld te krijgen waar de grootste onnauwkeurigheden liggen, heb ik een analyse gedaan via de relatieve onnauwkeurigheid bij het meten van de spanning (via R1 en R2)
Hierbij ben ik eerst uitgegaan van de ideale waarden, dingen als thermische ruis etc heb ik nog niet meegenomen.

De onnauwkeurigheid bij 50V (dus minimale spanning):


De onnauwkeurigheid bij 300V (maximale spanning):


Ik ben hierbij uitgegaan van 0,1% weerstanden.
De ADC zou ± 2 LSB hebben (volgens de datasheet van de Atmege328)
Als referentie spanning van de ADC heb ik 4,9V genomen.
Je ziet dat daarvan de onnauwkeurigheid ± 0,001 V (= 1mV) bedraagt.

De onnauwkeurigheid zou dus (300,0±1,3) V zijn en (50,0±0,7) V
Of netjes afgerond naar boven wordt dat (300±2) V en (50±1) V

Het idee was om ook de spanning via R3 en R4 met ADC2 te meten.
Vervolgens ADC1 hiervan af te rekken en te delen door Rserie1.
Je kunt nu dus al zien dat een stroommeting via R3 en R4 nooit gaat lukken, aangezien de spanningsval kleiner is dan de meetonnauwkeurigheid
(en dan heb ik dingen als ruis ed nog niet eens meegnomen!!!)
Tenzij ik een heel grote serieweerstand zou gaan nemen (maar dat is nu ook niet echt de oplossing)

Een ander groot probleem is de nauwkeurigheid van de referentiespanning.
Wanneer ik deze op 0,1V zou zetten, schiet de dV bij 300V naar 7,4V!!!
Bij 0,01V bedraagt deze 1,8V.
Beiden dus nog steeds ongeschikt voor het meten van de stroom.

De vraag is dus hoe ik in hemelsnaam de stroom op voldoende nauwkeurigheid kan meten.
Mijn eerste ingeving was via INAxxx serie, maar deze kunnen helaas niet zulke hoge spanningen aan.

(mocht er nog onduidelijkheden zijn, stel die dan ook gerust )

[B_FORCE]

We kunnen hier verder met de discussie
High voltage labvoeding

(is het mogelijk om berichten van de discussie hier, daarheen te verplaatsen?)

[Puch-Maxi]

Ja dat kan, even een modje waarschuwen (kan e.v.t. via Topic Report).

[mux]

In plaats van meteen door te gaan met harde analyse is het om een beeld te krijgen nog wel belangrijk om te weten:

Ga je zelf het circuit en de printplaat ontwerpen? Waar komt de 300V vandaan? Heb je al praktische schema's?

[TNW]

Nogal een verhaal

Heb ik het goed dat je vooral problemen hebt met de stroommeting? 300V verschil met 1V nauwkeurigheid moet te doen zijn met de 10 bits ADC van de Arduino.

Stroom meten is uiteraard een ander verhaal. Een kale shunt geeft te weinig spanningsval en je hebt ook te maken met een hoog voltage voor en na de weerstand. Met een draaispoelmeter is dat een minder groot probleem dan met een microprocessor omdat je niet tov de aarde hoeft te meten. Met dergelijke spanningen is een echte aarde ook wel een benodigheid, dus op de aardelijn meten lijkt me ook niet echt iets.

Je zou eigenlijk een shunt op de pluslijn moeten hebben, dan een redelijk ruisvrije hoog voltage opamp o.i.d. welke het allemaal naar een veilig voltage zet welke door de microprocessor is te meten.

Of, zoals al een beetje in het schema staat, spanningsdeler voor en achter de shunt, en dit vervolgens versterken met een opamp naar 0-5v voor de ADC. Spanningsdelers moeten dan wel nauwkeurig zijn, dus geen 5% weerstandjes. Kans op ruis en andere complicaties is voor mij gevoelsmatig nog steeds vrij groot...

Lastig probleem...

[mux]

Spanningsdelers voor en achter gaan niet lukken, dat heeft B_FORCE al uitgerekend. Daarvoor heb je idioot accurate weerstanden nodig. Let wel: B_FORCE wil dit hele circuit zonder enige calibratie binnen spec laten lopen. Dat is best lastig.

Een HV opamp met voldoende common-mode rejection gaat ook niet werken. Allereerst heb je al het probleem dat je nooit een 300V opamp/instrumentatie-amp vindt, althans, er zijn er maar een paar (AD629 bijvoorbeeld). Als je dan gaat doorrekenen:

Die AD629 heeft een CMRR van 77dB, oftewel een factor 7000. Met een common-mode van 300V is dus je maximale common-mode error 43mV, wat je het liefst 0.5LSB maakt. Je wil 0.1mA resolutie hebben, dus 0.5LSB = 0.05mA. De shuntweerstand moet dan dus minimaal ongeveer R=U/I=1000 ohm zijn. Bij je maximale outputstroom van 150mA drop je dus 150V over je senseweerstand. Er bestaat een betere versie van de AD629, de AD629B, die krijgt 86dB voor elkaar, oftewel een factor 2.86 beter. Dat is nog steeds niet acceptabel, je wil eigenlijk maar een paar volt verliezen over je shunt. En dan zit je écht in de heel erg dure opamps (ik weet dat ze bestaan, maar ik kan even niets vinden dat beter is dan AD629).

Met andere woorden, verschilversterker direct aan de high side plakken gaat niet werken.

[SA007]

Ik zie geen problemen bij een simpele gescheiden 5V op de shunt gooien, dan heb je direct je mV's ter beschikking en kan je met een simpele opamp (of direct op de µC, maar niet erg intressant door de spanningval die je daarvoor nodig heb) 'm aan een simpele micro hangen (een tiny13 bijv) die een ruwe meting doet en via een optocoupler naar je arduino gooit.
Hoeft niet veel te kosten en hoef je totaal geen rekening meer te houden met op welk voltage je meet.

[B_FORCE]

@TNW
Ja, correct, het probleem is voornamelijk de stroom meting.
De spanning meten is niet echt een probleem.
(hoewel het nog iets nauwkeuriger mag )

@mux
Het is uiteindelijke de bedoeling om het geheel inderdaad op printplaat te maken.
De 300V is een spanning die gewoon praktisch veel gebruikt wordt voor bijvoorbeeld buizen.
Liever zou ik naar de 400V gaan, maar dat maakt het probleem nog moeilijker ben ik bang.
Definitieve schema's heb ik nog niet.
Er is namelijk een ander probleem waar ik nog mee zit.
Als ik de voeding namelijk lineair maak, stook je bij lage spanning en volle last bijna 20-30W weg.
Dat is best wel veel en vraagt ook wel nodige van bepaalde componenten.

Om je toch een idee te geven van een schema (V1 stelt hier de spanning van de trafo voor)


Intussen zijn daar al wel wat dingen veranderd
(ik zie net dat deze niet helemaal up te date is, maargoed het gaat om het idee)
Het leek me namelijk een beter idee om het gedissipeerde vermogen over de twee MOSFETs te verdelen.

Liever zou ik nog voor een PWM regulator gaan, maar het bereik lijkt me dan bijna ondoenlijk?

Er is misschien nog een andere optie, en dat is wellicht wat SA007 bedoelt?
Je zou een circuit kunnen maken dat zwevend is en op die manier de stroom door je shunt/serie weerstand meet.
Moet je enkel nog iets vinden om dat weer nauwkeurig, netjes en vooral veilig naar de ucontroller te krijgen.

En nogmaals, mijn eerste idee is idd zonder kalibratie.
Mocht dat echt totaal niet lukken, dan kan ik dat laten varen.
Zo ver zijn we alleen volgens mij nog niet?

[ Voor 16% gewijzigd door B_FORCE op 22-03-2012 21:42 ]

[mux]

Als je maar 30W nodig hebt kun je best met een ringkern de spanning omhoog gooien, gelijkrichten en van daaruit werken. Ultra low-tech, maar het werkt prima. Als je dan zoals SA007 (en ik en anderen in de EL-kroeg) zegt een geïsoleerde high-side current meting erop bouwt ben je vrij in het kiezen van je spanning en stroomsterkte. Bij deze lage stroomsterktes kun je dan zelfs zonder voorversterker werken.

Het netjes naar de microcontroller vervoeren van die data doe je gewoon met i2c (of een eigen protocol) over optocouplers. Digitaal.

[ Voor 14% gewijzigd door mux op 22-03-2012 21:47 ]

[B_FORCE]

mux schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 21:46:
Als je maar 30W nodig hebt kun je best met een ringkern de spanning omhoog gooien, gelijkrichten en van daaruit werken.Ultra low-tech, maar het werkt prima

Dat heb ik nu in feite toch?
Probleem is alleen die 30W die je ergens weg moet stoken.
Ik had ooit eens theoretisch berekend wat een PWM regulator zou doen en dan zit je op hooguit 5-10W.
Maargoed, dat is een ander (lees: het volgende) probleem

Als je dan zoals SA007 (en ik en anderen in de EL-kroeg) zegt een geïsoleerde high-side current meting erop bouwt ben je vrij in het kiezen van je spanning en stroomsterkte. Bij deze lage stroomsterktes kun je dan zelfs zonder voorversterker werken.

Het netjes naar de microcontroller vervoeren van die data doe je gewoon met i2c (of een eigen protocol) over optocouplers. Digitaal.

Ik moet bekennen dat ik over het digitale stuk minder kaas heb gegeten (protocollen doel ik dan op).

Maar als ik je goed begrijp, bedoel we volgens mij hetzelfde?
Dus voor de stroommeting een zwevend circuitje (geïsoleerd)
Ik zal eens zoeken of ik daar wat meer over kan vinden, heb jij toevallig voorbeelden?

[Sprite_tm]

Puch-Maxi schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 19:00:
Ja dat kan, even een modje waarschuwen (kan e.v.t. via Topic Report).

Of even wachten tot er een modje langskomt die toevallig ook berichten leest Ik heb nu alle berichten hierheen gemoved; ze staan wel op chronologische volgorde dus kunnen ze qua leeslogica wat doorelkaar lopen.

[B_FORCE]

Sprite_tm schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 23:27:
[...]


Of even wachten tot er een modje langskomt die toevallig ook berichten leest Ik heb nu alle berichten hierheen gemoved; ze staan wel op chronologische volgorde dus kunnen ze qua leeslogica wat doorelkaar lopen.

Top!

[B_FORCE]

Ik heb even zitten zoeken en kwam per toeval deze tegen:
http://circuits.linear.com/all--high_side_current_sense-239

Ik heb alleen begrepen dat deze maar tot maximaal 10mA kan meten?

edit: dat hangt natuurlijk van Vsense af en Rout/Rin
Eens even wat rekenen

[ Voor 18% gewijzigd door B_FORCE op 23-03-2012 10:29 ]

[B_FORCE]

Ok, ik had schema van de LTC6101 eens gesimuleerd.



De gekozen MOSFETs zijn enkel voor de simulatie.
Omdat ik toch enige overhead wil hebben, heb ik verhouding Ro/Ri iets anders genomen.

Vervolgens is bij het maximum (120mA) de onnauwkeurigheid:


Bij 100mA:


En bij 1mA:


Begint toch in de buurt te komen?

Dit is wederom met 0,1% weerstanden en Vred binnen ±1mV

[ Voor 5% gewijzigd door B_FORCE op 23-03-2012 13:02 ]

[mux]

Wow, die had ik nog niet eerder gevonden. Dit moet in principe te tweaken zijn om aan jouw voorwaarden te voldoen. Ik kan er nu niet echt diep op ingaan, maar ik zal vanavond eens kijken wat je nodig hebt om de gewenste nauwkeurigheid te kunnen garanderen.

[B_FORCE]

Ik heb al zitten kijken en de nauwkeurigheid gaat flink omlaag als ik een 12 of 16 bits ADC neem met zelfde aantal LSB.

[mux]

Goed, ik hoef eigenlijk ook niet zelf het rekenwerk te doen, dat kan ik wel aan jou overlaten dan kan ik gewoon lijstjes noemen van dingen die je moet bekijken:

18. Heb je je specificaties goed vastgelegd? Zonder specs kun je geen ontwerp maken

244. Zodra je specs hebt is mijn tactiek meestal om niet in de cijfers te duiken maar even naar nl.farnell.com te gaan en te zoeken naar welke componenten daadwerkelijk beschikbaar zijn. Dan heb je realistische tempco's, componenttoleranties en andere karakteristieke grafieken. Die moet je dan doorrekenen.

µ₀ Je hele meet-chain is behoorlijk laagimpedant, dat vertelt mij dat je flink wat bias current hebt. Is dat een probleem? Ik bedoel dus dat er door V+ via de opamp naar Q1 en door R3, maar ook door Q2 totaal een paar mA loopt. Dat kan zo een paar watt zijn. Dat zorgt weer voor warmte enzo. Gaat dit ergens een probleem vormen? Neem je dit mee in je temperatuurcoefficient-afwijkingsberekeningen?

e. BSP230 kan maar maximaal 20Vgs hebben, in je praktische circuit moet je ervoor zorgen dat je daar niet overheen kan (met een leuk zenertje naar de source ofzo). In het algemeen is het een gedoe om dit in de praktijk transient safe te maken. Maar dat boeit niet echt voor je nauwkeurigheid

1. Waar ga je filteren, bij de bron of bij je ADC? Het filter moet je meenemen in je circuit. Ik raad voor deze toepassing heel sterk X7R of NP0 caps aan, die gedragen zich zo goed als ideaal (in tegenstelling tot lesser-grade keramische of elektrolytische condensatoren). Het is noodzakelijk om te filteren en een condensator direct op de ADC te hebben staan omdat er een sample cap in de SAR ADC zit die gevuld moet worden, en deze heeft al best gauw invloed op je nauwkeurigheid als je naar een 12- of 16-bits ADC gaat. Dus hoe dan ook wil je een filter onderin, maar je kunt ervoor kiezen om ook bij je high-side meting een klein RC-filter te plaatsen. Dat minimaliseert ook de eventuele invloed van de 120ohm weerstand R2.

666. Heb je al gekeken naar een spanningsreferentie en neem je die mee in je berekeningen?

Dat is het voorlopig wel. Zodra dit allemaal voorbij is gaan we naar het schema- en layout-stadium waar het echt leuk wordt

[B_FORCE]

Nummer dat lijstje dan ook gelijk even

Dit was eerst een vooronderzoek, om te kijken of ik überhaupt in de juiste orde van grootte zou kunnen komen.
Volgens mij is het dus wel te doen, tenzij ik een waanzinnige (denk)fout gemaakt heb ergens?

Nu wordt het pas echt een drama, aangezien ik dus aaaaaaaaalll die andere dingen mee moet gaan nemen (en we kunnen nu al stellen dat het er enkel slechter van wordt )
Dat wordt een leuke berekening

1 - Op welke verdere specs doel je nu? Ruis ed? Voor de rest is het ook een beetje afhankelijk wat praktisch nog te realiseren valt
2 - Uiteraard moet je uitgaan van realistische componenten. Het zal wel een lastige overweging worden wat makkelijk te krijgen is (eventueel te samplen), wat mensen nog kunnen solderen (SSOP is bv bijna niet te doen) etc etc.
3 - Ik weet niet zo goed hoe nauwkeurig Multisim hierin is. Als ik die mag geloven, heeft de hele meetschakeling zo'n 0,5-1mA nodig.
4 - Zoals ik al zei, MOSFETs waren enkel voor simulatie doeleinde. Er komen natuurlijk andere MOSFETs in
5 - Daar moet ik nog over nadenken, verdere tips zijn welkom
6 - Als je mijn berekeningen gevolgd hebt (ja, ze zijn nogal heavy ), is daar Vref in opgenomen.
Hoe nauwkeurig die moet worden, hangt ook samen van verdere optimalisatie

[ Voor 3% gewijzigd door B_FORCE op 23-03-2012 16:40 ]

[mux]

Je nummering komt niet overeen.

(poker face)

Ja, het moet mogelijk zijn om hoe dan ook voor elkaar te krijgen wat je wil. Alles is mogelijk in de elektronica. En in dit geval lijkt er geen reden te zijn waarom het ergens heel erg fout moet gan.

Aaaallll die andere dingen gooien inderdaad je ontwerp flink in de war, maar je kunt ze maar beter nu meenemen dan later erachter komen dat het niet werkt. In dit geval (bij lageprecisiewerk kun je het erop wagen en gewoon wat bouwen).

18. Je moet gewoon je ontwerpeisen helemaal vastleggen. Welke spanning, hoeveel stroom, welke resolutie, welke garanties wil je op de nauwkeurigheid hebben, etc. etc. Gewoon wat je kunt bedenken. Ruis is niet echt van toepassing hier, maar spannings- en stroomrimpel wil je wel specificeren ja. En ontwerpfout #1 is om te zeggen dat het afhangt van wat er praktisch te realiseren valt, want ALLES is praktisch te realiseren, en zo kom je nooit tot een ontwerp. Gewoon getallen noemen en ervoor gaan. Nadat je klaar bent met het ontwerp kun je er nog een keer doorheen itereren, maar nu moet je gewoon getallen vastzetten en ontwerpen.

244. Alles SMD, package boeit niet (nouja, hele fine-pitch BGA met veel pinnetjes is irritant, de rest gaat prima). Veel beter verkrijgbaar dan through hole Met SMD heb je geen soldeergereedschap nodig, alleen maar een oven en een pastastencil. En je resultaat is 10x beter dan handgesoldeerd.

µ₀. Datasheet erop naslaan. Wat is je worst-case voedingsstroom (I_CC), want deze komt er ook nog bij!

e. Just FYI, en ik weet dat ik dit later ga vergeten te zeggen (als je een schema aan het tekenen bent), dus ik zeg het nu alvast. Ik kan je ook alvast zeggen dat je R1 beter een mm omhoog kunt plaatsen, maar dat zou verraden dat ik een tijdmachine heb.

1. (ok)

666. nee, Vref moet je gewoon 0.5LSB (of iig 0.5xgewenste resolutie) nauwkeurig hebben. De nauwkeurigheid van Vref hangt helemaal af van je specs, niet van verdere optimalisatie.

[B_FORCE]

Dat alles te realiseren is ben ik niet helemaal met je eens.
In theorie klopt dat ja, maar praktisch moet het ook nog uitvoerbaar en zeker betaalbaar zijn.

Zo ga ik zeker niet alles SMD doen.
Ten eerste omdat ik zelf geen goede oven en ander gereedschap daarvoor heb.
Ten tweede omdat het doel dus is dat het door anderen nagebouwd kan worden.
Met SMD beperk ik me nu al teveel, dus dat ga ik dan ook het liefst zo min mogelijk doen.

Ik heb trouwens al gezien dat temperatuurcoëfficiënt niet heel significant is (er loopt immers ook maar 100mA doorheen), maar moet uiteindelijk wel meegenomen worden.

Wat je over Vref zegt mbt 0,5LSB klopt niet.
Althans, zo wordt de gemeten stroom en spanning niet bepaald.
De Vref spanning is namelijk een variabele die ingevuld moet worden in de code van de microcontroller.
Die bepaald namelijk de factor die vervolgens gebruikt dient te worden om de gemeten spanning te berekenen.
Wil ik dus een goede nauwkeurigheid hebben, moet deze spanning binnen 1mV of lager vallen.
Tenzij ik voor een ADC ga met meer bits en ten hoogste zelfde aantal LSB.

Ik zie nu al met een praktisch probleem, namelijk dat er geen 1ohm 0,1% weerstanden te vinden zijn (of ze zijn heel duur).

edit:
Ik denk dat ik het stroombereik toch maar schakelbaar ga doen.
Dat scheelt namelijk enorm!!
Dus van 1-10mA gebruik ik een 10ohm serie weerstand ipv 1ohm.
Kan ik mijn Vref ook alweer op ±10mV leggen.

[ Voor 13% gewijzigd door B_FORCE op 07-04-2012 16:48 ]

[B_FORCE]

Dit project ligt niet volledig stil
Laatste tijd beetje druk gehad met werk ed.

Shunt weerstand is eigenlijk gemakkelijk op te lossen door weerstanden parallel te zetten.

Ik zit alleen nog steeds met een ander probleem (of eigenlijk twee).
Bij 50V en volle last stook ik namelijk heel wat warmte weg, zo'n 30W.
Daar heb je toch best wat koeling voor nodig, zeker als daar nog regelbare gloeispanning bij komt (die hoeft niet zo nauwkeurig overigens).

Ik zit dus al een tijd een oplossing te bedenken om die 30W flink naar beneden te brengen.

Dan kom je toch bij een variac (wel heel ruig en niet zo klein te krijgen volgens mij) of bij een buck/boost convertor.
Maar gaat dat laatste lukken over een schaal van 50-300Vdc?

[ Voor 14% gewijzigd door B_FORCE op 19-07-2012 13:52 ]

[mux]

Je kunt relatief low-tech niet combineren met lage dissipatie. Als je een buck of buck-boost converter gaat implementeren krijg je te maken met een control loop die wat lastiger is dan anders, omdat je te maken hebt met een variabele uitgangsimpedantie. Ik wed dat je dan transients gaat krijgen die je niet leuk vindt. Zelfs kwalitatief heel redelijke HV voedingen hebben hier last van om precies die reden.

Ik denk dat de beste kans om dit project binnen redelijke tijd goed te laten werken is om je er gewoon bij neer te leggen dat je 30W moet dissiperen. Het is helemaal niet zoveel. Eén TO220 kan eigenlijk al 30W kwijt als je actief koelt, en zon heatsinkje kan dan best klein zijn.

[B_FORCE]

Daar was ik dus al bang voor.
Nouja, het is niet anders, fannetje op lage spanning zal voldoende zijn.
Dit is ook een extreem geval dus het zal ook niet vaak voorkomen denk ik.
(ik ontwerp alleen liever niet op de grenzen)

De gloeispanning varieert maar van ongeveer 5-20Vdc en eigenlijk een mooie constante last.
Daarvoor zou ik evt wel een buck-boost convertor kunnen nemen denk ik (ook omdat spanningsval niet zo enorm is)?
Daar wil ik zo'n 1,5-2A kunnen leveren en zit je dus ook al snel richting de 30W.

[mux]

Als je een buckconverter wil gebruiken zou ik sterk aanraden om een lineaire voeding daar nog achter te gooien om transients de kop in te drukken en je uitgang wat strakker te krijgen. Dan verstook je wel een klein beetje in de lineaire voeding, maar nog lang niet zoveel als anders. EEVblog heeft hier het eea over te vertellen.

[B_FORCE]

Wat eng, you can read my mind
(nouja, eigenlijk is het gewoon de meest logische stap )

edit:
Overigens, problemen met je transience response krijg je volgens mij enkel wanneer je plots schakelt naar een andere belasting (bv telefoons, versterkers voor audio,belastingen die hard schakelen ed)
Bij de gloeispanning is dat sowieso geen issue en mag hij zelfs softstarting zijn.

Ik denk echter zelfs dat mijn HV regelaar daar niet echt issues mee heeft.
Met andere woorden, het hoeft niet een voeding te zijn die snel en nauwkeurig hoeft te reageren bij plotselinge verandering in de last, aangezien er niet zulke veranderingen zijn.

offtopic:
Ik vind die meneer van EEVblog soms wel rare/incorrecte dingen zeggen/doen

[ Voor 94% gewijzigd door B_FORCE op 19-07-2012 15:22 ]