[wiregate] - √ - Selbstbau-Strommessung mit dem 1-Wire AD-Wandler DS2450

[Anders]

läßt sich der DS2450 mit dem Wiregate betreiben?

Gruß aus dem Norden
Andreas

[makki]

Theoretisch kein Problem, umgesetzt ist es aber nicht vollständig mangels brauchbarem fertigen Gerät damit (und damit mangels konkretem Anwendungsfall).

Wenn man mit dem DS2450 mal was anfangen kann, sollte die Einbindung schnell gemacht sein..
Was hast Du denn konkret mit dem ziemlich kleinen SMD-Chip vor ? Ich frage weil es damit eben in fertig AFAIK bisher nur Schrott oder ganz grosse Bastelstunde gibt

Makki

[Anders]

Strom messen

eigentlich müßte es relativ einfach zu lösen sein strom zu messen. stromwandler, gleichrichter, kondensator und widerstand an den eingang und fertig. die auflösung könnte eventuell ein problem sein, weil der stromwandler 1-20 A = 0,1V - 2,0V . 100%ig wird die messung nicht sein, dafür müßte man noch andere faktoren beachten, aber das wäre auch garnicht mein ziel. ich bastel mal ein wenig mal sehen was dabei rauskommt.

gruß aus dem norden
andreas

[StefanW]

Ganz so einfach ist es nicht

Hallo Andreas,

ich fürchte, ganz so einfach geht das nicht.

Folgende Dinge wären nach meiner Meinung nach zu beachten:


1. Spannungsabfall über den Gleichrichter

Wenn eine Spannung am Eingang des Brückengleichrichters angelegt wird, dann fließt der Strom Hin- und Zurück über jeweils zwei der vier Dioden, je nach Polarität der Eingangsspannung.

Bei normalen Siliziumgleichrichtern beträgt die Durchlasspannung einer Diode ca. 0,5 - 0,7V. Darunter werden diese nicht leitend = kein Stromfluss = nix am Ausgang = nix zu messen. Beim Brückengleichrichter sind es dann schon zwei solcher Dioden, was die Sperrspannung auf 1 - 1,4 V erhöht

Übertragen auf das Umsetzungsverhältnis von 0,1 A im Primärkreis = 0,1 V am Ausgang des Stromwandlers bedeutet dies, dass unterhalb von 10 - 14 A (entsprechend den 1 - 1,4 V des Gleichrichters) erst gar keine Messung möglich ist!

Werden anstelle des Gleichrichters mit Siliziumdioden welche mit Schotty-Dioden aus Germanium verwendet, reduziert sich das auf etwa 0,1 - 0,2 V pro Diode, respektive 0,2 - 0,4 V, entsprechend einem Strom im Primärkreis von 2 - 4 A der NICHT gemessen werden kann (weil er ja gar nicht über den Gleichrichter kommt.

Es gäbe zwei Möglichkeiten dies zu verbessern:

A. Operationsverstärker vor den Gleichrichter, der die Spannung um den Faktor 5 erhöht, so dass die Sperrspannung der Dioden nicht mehr so arg ins Gewicht fällt.

B. Synchrongleichrichter mit zwei MOSFETs da hier nur wenige mV abfallen würden. Wegen der Ansteuerung der MOSFETs komplex.

Jetzt kommen noch die Wechselstromeffekte dazu:


2. Messung des Spitzenstromes anstatt dem Effektivwert

Spannung und Strom in einem Wechselstromkreis ändern ständig Wert und Richtung, der Verlauf ist im normalen Stromnetz und ohmschen Verbrauchern Sinusförmig.

Die 230 V ist nur der effektive Mittelwert, tatsächlich beschreibt der Verlauf der Spannung einen Bereich von 0 V bis 312 V (Wurzel 2 * Effektivwert). Der Stromfluss folgt der Spannung, aus 20 A Effektiv werden 28,28 A Spitzenstrom. In beide Richtungen natürlich wegen dem Polaritätswechsel.

Unter der Annahme, dass der Stromwandler nur einen Widerstand (Bürde genannt) an seiner Sekundärwicklung hat und ansonsten KEINE Elektronik gilt folgendes:

Nach Gleichrichtung und Siebung durch den Kondensator (um die Welligkeit zu begrenzen) steht jedoch die (um die Flusspannung der Gleichrichterdioden verminderte) Spitzenspannung an!

Aus 20 A effektiv macht der Stromwandler (durch die eingebaute Bürde = Widerstand) eine Spannung von 2 V effektiv. Allerdings beträgt im Moment der maximalen Spannung (Scheitelpunkt der sinusförmigen Halbwelle) bei 312 V Spitze der Strom nicht 20 A sondern 28,28 A Spitze, entsprechend 2,828 V Spitze am Ausgang des Stromwandlers. Hiervon die Flusspannung bei Germaniumdioden von (sagen wir mal sehr günstigerweise) 0,3 V abgezogen, steht eine gleichgerichtete Spannung von 2,528 V zur Verfügung, die dann den 20 A effektiv entspricht.

Das ganze gilt natürlich nur bei einigermaßen idealen Bauelementen (die es nicht gibt) und bei einem unbelasteten Stromkreis bei der Messung, was wegen dem geringen Messstrom des DS2450 möglich ist (zu unbelastet sollte es aber auch nicht sein, damit die Dioden durchschalten).

Betrachten wir nun diesen Effekt der Gleichrichtung auf die Spitzenspannung bei z.B. 4 A eff. Strom im Primärstromkreis (den Du ja messen willst:

Diese 4 A eff. entsprechen 5,656 A Spitze, entsprechend 0,5656 V Spitzenspannung. Nach Abzug der (angenommenen supergünstigen 0,3 V für die beiden Germaniumdioden im Gleichrichter) verbleibt eine vom DS2450 (1-Wire 4 fach AD-Wandler) messbare Spannung von 0,2656 V.

Um nun zu Deinem im Primärkreis fließenden Effektivstrom zu kommen, solltest Du bei Verwendung eines Germanum-Gleichrichters folgende Formel verwenden:

((Gemessene Spannung + 0,3 V) / 1,414) * 10 = Strom im Primärkreis in A

Daraus kann man auch errechnen, dass der THEORETISCH minimal mit dieser Schaltung messbare Effektivstrom bei etwa 2,8 A liegt, entspricht im 230 V an ohmscher Last einer minimalen ("messbaren") Leistung von 644 Watt, das wäre zur Erfassung des Stromverbrauches eines normalen Stromkreises (etwa Beleuchtung) schon viel zu viel...
Allerdings dürfte das tatsächliche Minimum deutlich höher liegen, da bei den sehr geringen zu erwartenden Strömen durch den Gleichrichter der Spannungsdurchbruch zunächst gar nicht oder erst bei höheren Spannungen (damit höherer Stromfluss) erfolgen kann.

Die Angaben oben gelten nur für relativ ideale Bauteile, die es so nicht gibt. Hinzu kommen noch ein paar andere Effekte durch die Nichtlinearität der Dioden, auch was die Rückwirkung auf die Verhältnisse im Stromwandler (Eisenkern geht in Sättigung, dann plötzlich bei Stromfluss durch die Dioden baut sich das Magnetfeld ab, was eine erheblich höhere Spannung verursachen kann usw... mir wird schlecht wenn ich daran denke, was man noch alles beachten müsste...)


3. Die Wirklichkeit ist noch härter

Im folgenden nehme ich an, dass Dich nicht der reine Stromfluss interessiert, sondern dass Dich am Ende interessiert, was Du bezahlen musst:

Bezahlt wird die vom Zähler gemessene Wirkleistung. Diese entspricht Wirkstrom mal Wirkspannung.

Bei induktiven Verbrauchern (Schaltnetzteilen, Leuchtstofflampen, Motoren) verschiebt sich - vom zeitlichen Verlauf her - der Stromfluss gegenüber dem Spannungsverlauf (sofern diese induktiven Verbraucher nicht ausreichend kompensiert sind, was selten der Fall ist). Diese zeitliche Phasenverschiebung wird mit dem "cos. Phi" angegeben.

Der Scheinstrom fließt zwar tatsächlich über die Leitungen, bezahlen (und interessieren) tut jedoch nur derjeinge Stromanteil (Wirkstrom), der zeitlich mit dem Spannungsverlauf zusammentrifft. (Die Energieversorger sehen das allerdings anders, weil der nicht bezahlte Blindstromanteil unnütz zwischen dem Kraftwerk und den Verbrauchern hin und her fließt, die Leitungen belastet aber nicht bezahlt wird bei normalen Endkunden).

Die nächste Härte ist, dass z.B. Dimmer durch Phasenanschnitt / Phasenabschnitt (und in gewisser Weise auch Schaltnetzteile) einen nicht sinusförmigen Stromfluss erzeugen.

Mit der oben besprochenen Schaltung "misst" Du jedoch den Spitzenwert des Scheinstromes, je nach Art des Verbrauchers hat dies mit dem Wirkstrom rein gar nichts mehr zu tun. Insbesondere da wir Wirkleistung bezahlen, also die - hier von Dir gar nicht gemessene Spannung - auch noch fehlt.

Und diese ist nicht zu vernachlässigen, da eine 5% höhere Spannung einen 5% (an ohmschen Verbrauchern) höheren Stromfluss zur Folge hat, die bezahlte Wirkleistung das Produkt aus beiden darstellt und demzufolge die Spannungserhöhung (die den Stromfluss verursacht) eine quadratisch höhere Leistungsaufnahme (bei 5% Spannungserhöhung also um 10,25%) bewirkt. Insofern nur der Strom gemessen wird, ist nur ein linearer Anstieg (5%) zu beobachten, der Zähler im Keller dreht aber "quadratisch schneller" weil dieser auch die höhere Spannung misst.

Nehmen wir den Härtefall an: Einen per Phasenabschnitt bei 50% gedimmten Halogentrafo an 5% höherer Spannung.
Der von Dir auf die skizzierte Weise gemessene Spitzenscheinstrom in Verbindung mit meiner Formel oben (eigentlich nur an ohmschen Verbrauchern mit Sinusförmigem Stromverlauf) würde rund doppelt soviel Strom messen als tatsächlich fließt !


Fazit:

Will Dir nicht den Spaß verderben, aber Deine Aussage

eigentlich müßte es relativ einfach zu lösen sein strom zu messen.

wollte ich nicht unkommentiert stehen lassen.

Wenn Du damit leben kannst, bei Einsatz eines Germanium-Gleichrichters erst ab geschätzten 800 W überhaupt einen Strom zu messen, der dann bei Dimmern auch noch um 50% daneben liegen kann und die vermutlich angestrebte Berechnung der Stromkosten ohne cos phi und der tatsächlichen Spannung nur geschätzt werden kann, dann viel Spaß beim Basteln.

Die oben nur anskizzierten Verhältnisse sind auch der Grund dafür, warum sich die Hersteller von Stromerkennungsaktoren so schwer damit tun (und deshalb auch nicht von Messung, sondern nur von Stromerkennung) reden.


Wie man es richtig machen müsste?

Mit einem sehr schnellen echten Mehrkanal-ADC (der DS2450 ist weder schnell noch echter Mehrkanal, weil eigentlich nur 1 Kanal mit 4-fach Analogschalter) den Verlauf von Spannung und Strom etwa 50 bis 100x pro Halbwelle (also 5.000 bis 10.000 mal pro Sekunde) synchron abtasten, aus den Messwerte über Integralrechnungen die Wirkspannung, den Wirkstrom, den cos Phi und den Wirkstrom berechnen. Aber das ist dann nicht mehr einfach.

Wünsche noch einen schönen Feiertag.

Stefan

[Anders]

respekt

da hast du dir ja schon richtig nen kopf gemacht.
ja opv hab ich auch schon gedacht, es gibt ja genug beispiel im netz. das das zunächst ein absolutes bastelobjekt ist, war mir klar. vielleicht entwickelt sich da ja mehr. mal sehen.

gruß
andreas

[StefanW]

da hast du dir ja schon richtig nen kopf gemacht.

Nicht wirklich, ich hab das 6 Jahre gelernt und zig Jahre Berufserfahrung. Fällt aus dem Handgelenk

ja opv hab ich auch schon gedacht, es gibt ja genug beispiel im netz. das das zunächst ein absolutes bastelobjekt ist, war mir klar. vielleicht entwickelt sich da ja mehr. mal sehen.

Nun, ich wollte nur mal die wesentlichen Grundlagen anstreifen. Ich fürchte, dass mit einfachem Basteln das Ergebniss sehr ernüchternd ausfallen könnte. Selbst mit OPV ändert sich nichts daran, dass am Ende immer noch nur der Scheinspitzenstrom gemessen wird, der mit dem Wirkstrom nicht wirklich was zu tun haben muss - insbesondere wenn schaltende Lasten und / oder induktive Lasten - daran hängen. Die Abweichung der Messung zur Wirklichkeit kann dabei bis zu 50% (selbst nach Einsatz meiner obigen Korrekturformel, die bei OPV natürlich noch dessen Verstärkungfaktor enthalten muss) betragen, das ist halt in meinen Augen nur noch eine grobe Stromerkennung aber keine Messung mehr.

Viel Spaß

Stefan

[makki]

Ich hab über den Punkt Strommessung ja auch schon ein paarmal rumsinniert, solange es Bastelstunde bleibt finde ich es aber auch eher relativ uninteressant..
Was man sich dazu aber ansehen sollte ist das hier, wenn auch ebenso nicht perfekt ..
Der Baustein wird genausoviel (oder wenig, rohe Werte ja, komfortable Config nein) unterstützt und hätte da IMHO aber mehr potential. Der 1-Wire ist zum zeitnahen auslesen viel zu langsam, das muss der Chip wenn dann selbst machen/aufsummieren, der DS2450 kann das nicht und taugt dafür eher weniger (->DS2438, DS2760)

Das für mich unbefriedigende wäre, das man dabei bei weitem nicht (und schon garnicht einfach) die Präzision erreicht, die z.B. ich mir vorstellen würde

Nebenbei noch: wenn man da mit 230V rumspielt weiss man bitte wirklich was man tut !! Eine galvanische Trennung zum Laststromkreis und entspr. Trennabstände sind obligatorisch, 1-Wire ist SELV und auch ständig als solcher zu behandeln. Wenn da was übergeht, fliegt im besten Fall der RCD und im schlimmsten Fall liegen irgendwo 230V, wo sie garnicht hingehören oder es geht ordentlich was in Rauch auf..

Makki