Pomiar spadku napięcia przed przetwornicami dc-dc

Witam,

chcę zbudować urządzenie potrafiące mierzyć na bieżąco pobierany przez siebie prąd z zakresu bliskiego 0 do ok 1500mA.
Przy czym zasilane będzie ono napięciami z zakresu 2 - 12V (różnego rodzaju ogniwa i zasilacze) a sam "układ pomiarowy" wymagać będzie 5.00V, dlatego wsparłem się dwiema przetwornicami step-up -> step-down , aby ten efekt osiągnąć (stabilne 5.00V niezaleznie od napięcia wejściowego z zakresu 2-12V).

Pytania - czy poniższy układ będzie działać poprawnie bez łączenia masy (GND) przetwornicy z "minusem" zasilania wejściowego ? Lub czy połączenie masy i minusa jest tu zalecane do działania takiego układu ? Lub co trzeba zmienić aby to działało ?

PS. Poniższy układ ma za zadanie mierzyć spadek napięcia na rezystorze pomiarowym 0.1Ω 1% 2W umieszczonym przed przetwornicami, następnie wzmocnić ten spadek napięcia 10x, a następnie chcę tę wartość zmierzyć w ADC mikrokontrolera (pin ADC uC na schemacie - za wzmacniaczem operacyjnym).

Oba moduły jeśli kupiłeś je na Ali będą miały połączone na płytkach -Uwe z -Uwy więc twoje pytanie jest trochę bez sensu. Pokaż jeszcze jak będzie podłączony odbiornik.

Tak oba moduły są z Aliexpress i tak też myślałem, że mają połączone masy (GND) dlatego wolę zapytać czy to wszystko będzie działać ? I pytanie ma sens - bo gdybym połączył masę przetwornic z "minusem" na wejściu układu to wg. mnie na wyjściu ADC uC (ze schematu) będzie zawsze 0V. A jeśli nie połączę masy z "minusem" to "chyba" będzie to działać i na wyjściu ADC uC będę miał jakieś napięcie proporcjonalne do spadku napięcia na rezystorze pomiarowym 0.1R ?

Odbiornikiem będzie silnik DC małej mocy podłączony do wyjścia pierwszej przetwornicy MT3608 (do tego napięcia od 8 do 12V DC)


Znalazłem też takie rozwiązanie (pierwszy schemat od góry), tylko nie wiem co z tym "VHALF" - chyba oznacza połowę napięcia zasilania - ale tego VCC 5V czy wejściowego (u mnie od 2-12V wejściowe)? W miejscu rezystora "Rload" byłaby przetwornica step-up a za niąwentylator, a dalej przetwornica step-down, która zasilałaby mikrokontroler oraz opamp'a.

Masz tak podłączyć obciążenie aby zawsze był spadek na rezystorze pomiarowym.
Dodatkowy problem to że w tym układzie istotny jest też kierunek przepływu tego prądu bo ADC nie toleruje napięć ujemnych.
A gdzie podepniesz przetwornice to sprawa drugorzędna bo od tego będzie tylko zależało czy pomiar uwzględni (zsumuje) prądu przetwornic i silnika czy nie.

eurotips wrote:

Masz tak podłączyć obciążenie aby zawsze był spadek na rezystorze pomiarowym.
Dodatkowy problem to że w tym układzie istotny jest też kierunek przepływu tego prądu bo ADC nie toleruje napięć ujemnych.
A gdzie podepniesz przetwornice to sprawa drugorzędna bo od tego będzie tylko zależało czy pomiar uwzględni (zsumuje) prądu przetwornic i silnika czy nie.

"Masz tak podłączyć obciążenie aby zawsze był spadek na rezystorze pomiarowym."
Czyli w tej pierwotnej wersji schematu jaką umieściłem na początku tematu - przetwornica a za nią wentylator DC ciągle pobierałyby prąd - czyli zawsze byłby spadek napięcia na rezystorze pomiarowym. Czyli tu wszystko jest OK.


Mogę poprosić też o wstawienie jakichś sprawdzonych rozwiązań takiego lub bardzo podobnego problemu?
Ewentualnie rozważam jeszcze użycie modułu ACS712 5A, lecz utracę możliwość dokładnego/dokładniejszego pomiaru przepływającego prądu....

..Albo dodatkowe pytanie - czy można jakoś zmierzyć spadek napięcia (jeśli tak to jak - poproszę o schematy) na rezystorze pomiarowym (np. za pomocą opamp'a) ale bez łączenia masy czy też +zasilania układu pomiarowego z bocznikiem/rezystorem na którym dokonuję pomiaru ? Coś na zasadzie pomiaru spadku napięcia na rezystorze pomiarowym, ale w "obcym - nie sprzężonym" układzie ? Coś na zasadzie poniższego schematu (gdzie masy oraz +zasilania NIE są ze sobą połączone):

Witam,
moim zdaniem możesz użyć gotowego specjalistycznego układu pod tytułem "Current Sense Amplifier" (Texas, Linear, Analog Devices, oraz inni).
Można mierzyć prąd w gałęzi "high side", charakterystyki takich układów są znacznie lepsze niż wzmacniacza robionego "na piechotę", ceny nie rzucają na kolana.

Pozdrawiam

Schemat z pierwszego postu jest poprawny, z tym że ten górny jest odwracającym i ma wzmocnienie 9, a pewnie chciał byś 10.

mariomario wrote:

..Albo dodatkowe pytanie - czy można jakoś zmierzyć spadek napięcia (jeśli tak to jak - poproszę o schematy) na rezystorze pomiarowym (np. za pomocą opamp'a) ale bez łączenia masy czy też +zasilania układu pomiarowego z bocznikiem/rezystorem na którym dokonuję pomiaru ? Coś na zasadzie pomiaru spadku napięcia na rezystorze pomiarowym, ale w "obcym - nie sprzężonym" układzie ? Coś na zasadzie poniższego schematu (gdzie masy oraz +zasilania NIE są ze sobą połączone):

Jeśli nie użyjesz wzmacniacza izolowanego to musisz wiedzieć jakie napięcia są pomiędzy GNDA i GNDB bo jeśli wyjdą poza dopuszczalny zakres układ przestanie działać. Poza tym nawet gdyby były to niezależne odseparowane obwody dodając wzmacniacz łączysz je w jakiś sposób.
Wzmacniacz izolowany ci z głowy ten problem ale za wygodę się płaci - jest kilkudziesięciokrotnie droższy od zwykłego

Dodano po 8 [minuty]:

krzysiek_krm wrote:

Można mierzyć prąd w gałęzi "high side", charakterystyki takich układów są znacznie lepsze niż wzmacniacza robionego "na piechotę", ceny nie rzucają na kolana.

Ale w tym zastosowaniu nie ma konieczności pomiaru high-side, a wtedy układ z pierwszego postu doskonale się sprawdzi. Zależnie od wymaganej dokładności można wybrać wzmacniacz z odpowiednio małym offsetem.
A co do tych lepszych niż robione na piechotę, nie należy zbytnio uogólniać - fakt że nie ma sensu robić na piechotę wzmacniacza różnicowego (pomiarowego) bo CMRR będzie kiepski.
Wszystkie inne wzmacniacze robione "na piechotę" dają tak samo dobre rezultaty, włącznie z odwzorowaniem high-side current sense amplifier które działa na innej zasadzie niż instrumentation amplifier i ma sens w niektórych nietypowych zastosowaniach.
Za to wzmacniacz różnicowy, ale taki którego schemat wewnętrzny zaczyna sie rezystorami, może mierzyć napięcia znacznie wykraczające poza zakres napięć zasilania - czasem warto o nim pamiętać, są takie do kupienia z rezystorami wewnątrz korygowanymi do bardzo dużej precyzji dla uzyskania dobrego CMRR

jarek_lnx wrote:

Schemat z pierwszego postu jest poprawny, z tym że ten górny jest odwracającym i ma wzmocnienie 9, a pewnie chciał byś 10.

mariomario wrote:

..Albo dodatkowe pytanie - czy można jakoś zmierzyć spadek napięcia (jeśli tak to jak - poproszę o schematy) na rezystorze pomiarowym (np. za pomocą opamp'a) ale bez łączenia masy czy też +zasilania układu pomiarowego z bocznikiem/rezystorem na którym dokonuję pomiaru ? Coś na zasadzie pomiaru spadku napięcia na rezystorze pomiarowym, ale w "obcym - nie sprzężonym" układzie ? Coś na zasadzie poniższego schematu (gdzie masy oraz +zasilania NIE są ze sobą połączone):

Jeśli nie użyjesz wzmacniacza izolowanego to musisz wiedzieć jakie napięcia są pomiędzy GNDA i GNDB bo jeśli wyjdą poza dopuszczalny zakres układ przestanie działać. Poza tym nawet gdyby były to niezależne odseparowane obwody dodając wzmacniacz łączysz je w jakiś sposób.
Wzmacniacz izolowany ci z głowy ten problem ale za wygodę się płaci - jest kilkudziesięciokrotnie droższy od zwykłego

Dodano po 8 [minuty]:

krzysiek_krm wrote:

Można mierzyć prąd w gałęzi "high side", charakterystyki takich układów są znacznie lepsze niż wzmacniacza robionego "na piechotę", ceny nie rzucają na kolana.

Ale w tym zastosowaniu nie ma konieczności pomiaru high-side, a wtedy ukłąd z pierwszego postu doskonale się sprawdzi.
A co do tych lepszych niż robione na piechotę nie należy zbytnio uogólniać - fakt że nie ma sensu robić na piechotę wzmacniacza różnicowego bo CMRR będzie kiepski.
Wszystkie inne wzmacniacze robione "na piechotę" dają tak samo dobre rezultaty, włącznie z odwzorowaniem high-side current sense amplifier które ma sens w niektórych nietypowych zastosowaniach.

Zapytam więc ostatecznie celem upewnienia się - czyli nie trzeba łączyć masy przetwornic z "minusem" na wejściu zasilania tego układu z pierwszego postu i układ taki będzie działać prawidłowo (ten z pierwszego schematu w pierwszym poście)? Oczekuję w sumie tylko aby przy np. 1A poboru prądu przez pierwszą przetwornicę, spadek na rezystorze pomiarowym 0.1Ω wyniósł 100mV (to logiczne..), a następnie opamp'em wzmocnię to x10 i na wyjściu opamp'a będzie 1V, który mogę zmierzyć już bez problemu za pomocą uC zasilanego z przetwornicy (+5.00V VCC z przetwornicy, oraz GND z przetwornicy).

Co do dokłądności pomiaru to i tak będę ograniczony 10 bitowym ADC (ewentualnie 12-bitowym) więc dokładność na poziomie +/-5mA jest dla mnie bardzo "super", nie potrzebuję dokładniej mierzyć, choć na MPC6002 mógłbym pewnie i wycisnąć jeszcze większą dokładność zwiększając wzmocnienie.

mariomario wrote:

Zapytam więc ostatecznie celem upewnienia się - czyli nie trzeba łączyć masy przetwornic z "minusem" na wejściu zasilania tego układu z pierwszego postu i układ będzie działać prawidłowo ?

Nie trzeba, te przetwornice nie mają izolacji galwanicznej, zresztą większość modułowych przetwornic tak ma, bo przetwornicę nieizolowaną robi się na dławiku (masowo produkowanym) a izolowaną na transformatorze (robionym indywidualnie na zamówienie konstruktora), więc tych drugich będzie mniej na rynku i będą droższe.

mariomario wrote:

Oczekuję w sumie tylko aby przy np. 1A poboru prądu przez pierwszą przetwornicę, spadek na rezystorze pomiarowym 0.1Ω wyniósł 100mV (to logiczne..), a następnie opamp'em wzmocnię to x10 i na wyjściu opamp'a będzie 1V, który mogę zmierzyć już bez problemu za pomocą uC zasilanego z przetwornicy (+5.00V VCC z przetwornicy, oraz GND z przetwornicy).

Jeśli będziesz pobierał duże prądy uważaj skąd bierzesz "masę" bo może być spadek napięcia na masie, który pogorszy dokładność. Uważaj też na te 5.00V w większości przetwornic i stabilizatorów nie można liczyć na to że będzie dokładnie 5,00V - do wytwarzania referencyjnych napięć służą źródła napięcia odniesienia.

jarek_lnx wrote:

mariomario wrote:

Zapytam więc ostatecznie celem upewnienia się - czyli nie trzeba łączyć masy przetwornic z "minusem" na wejściu zasilania tego układu z pierwszego postu i układ będzie działać prawidłowo ?

Nie trzeba, te przetwornice nie mają izolacji galwanicznej, zresztą większość modułowych przetwornic tak ma, bo przetwornicę nieizolowaną robi się na dławiku (masowo produkowanym) a izolowaną na transformatorze (robionym indywidualnie na zamówienie konstruktora), więc tych drugich będzie mniej na rynku i będą droższe.

mariomario wrote:

Oczekuję w sumie tylko aby przy np. 1A poboru prądu przez pierwszą przetwornicę, spadek na rezystorze pomiarowym 0.1Ω wyniósł 100mV (to logiczne..), a następnie opamp'em wzmocnię to x10 i na wyjściu opamp'a będzie 1V, który mogę zmierzyć już bez problemu za pomocą uC zasilanego z przetwornicy (+5.00V VCC z przetwornicy, oraz GND z przetwornicy).

Jeśli będziesz pobierał duże prądy uważaj skąd bierzesz "masę" bo może być spadek napięcia na masie, który pogorszy dokładność. Uważaj też na te 5.00V w większości przetwornic i stabilizatorów nie można liczyć na to że będzie dokładnie 5,00V - do wytwarzania referencyjnych napięć służą źródła napięcia odniesienia.

Generalnie całość będzie pobierać nie więcej jak 700mA i to tylko w dolnym zakresie napięciowym (okolice 3V), w górnym zakresie napięciowym (12V) pobór spadnie do około 160mA czyli około ~2W mocy. Jesli pomiar będzie się rozjeżdżać przez "słabą masę" to zmniejszę wartość rezystora pomiarowego z 0.1Ω na 0.05Ω lub jeszcze mniej (oraz zwiększę odpowiednio wzmocnienie na opamp'ie).

Jak poprowadzisz masy w miarę szerokimi ścieżkami albo płaszczyzną, to przy takim prądzie nie będzie problemów, wspomniałem o tym dla porządku bo ludzie czasem się dziwią że wąska ścieżka ma kilkadziesiąt mΩ. Kwadratowe pole na laminacie z miedzią 35um ma 0,5mΩ, rezystancję ścieżki łatwo wyliczyć, mnożysz to razy stosunek długości do szerokości.

mariomario wrote:

Jesli pomiar będzie się rozjeżdżać przez "słabą masę" to zmniejszę wartość rezystora pomiarowego z 0.1Ω na 0.05Ω lub jeszcze mniej (oraz zwiększę odpowiednio wzmocnienie na opamp'ie).

Najczęściej błąd tego typu to suma lub różnica napięcia na rezystorze i jakiegoś spadku napięcia na ścieżce, jeśli temperatura nie zmienia sie w szerokich granicach można to odjąć, zmniejszenie rezystora pomiarowego utrudni sprawę.

jarek_lnx wrote:

Jak poprowadzisz masy w miarę szerokimi ścieżkami albo płaszczyzną, to przy takim prądzie nie będzie problemów, wspomniałem o tym dla porządku bo ludzie czasem się dziwią że wąska ścieżka ma kilkadziesiąt mΩ. Kwadratowe pole na laminacie z miedzią 35um ma 0,5mΩ, rezystancję ścieżki łatwo wyliczyć, mnożysz to razy stosunek długości do szerokości.

Co do grubości ścieżek i przewodów jestem bardzo na to "uczulony" już od dawna ścieżki gdzie płyną większe prądy i masa zawsze pogrubiam cyną a czasem miedzianka+cyna , jak kupuję kable USB to tak samo sprawdzam czy mogę nimi ładować telefon ciągnąc z USB ok min 1.6A no i same kable muszą być maksymalnie krótkie. Zaś jak robię jakieś "sztuczne obciążenie tzw. DC LOAD" to kable dla prądów ok 5A stosuję linkę 2,5mm², a napięcie mierzę nie w układzie a na samym ogniwie/zasilaczu osobnymi kabelkami.. nie lubię spadków napięcia

jarek_lnx wrote:

Najczęściej błąd tego typu to suma lub różnica napięcia na rezystorze i jakiegoś spadku napięcia na ścieżce, jeśli temperatura nie zmienia sie w szerokich granicach można to odjąć, zmniejszenie rezystora pomiarowego utrudni sprawę.

Co do temperatury to opamp będzie oddalony od źródeł ciepła, a cały układ ma pracować raczej w pokojowej temperaturze. A co do zmniejszania wartości rezystora pomiarowego to też wiem że im mniejszy tym większe szumy będę wzmacniał (np. offset wejściowy opampa - "input offset voltage" i inne szumy), lekka rozbieżność temperaturowa wprowadzi większy błąd pomiaru na rezystorze o mniejszej rezystancji niż na tym o większej itp. Choć można tu znaleźć półśrodek - np. zastosować lepszego opampa mp. MCP6022 (któy ma prawie 20x mniejszy input offset i może pracować z pasmem 10x szerszym niż MCP6002 itp.)


// EDIT //

Dla potomnych - przetestowałem układ z pierwszego postu (pierwszy schemat, opamp MCP6002, bez łączenia "masy" z "minusem" zasilania) i działa to zaskakująco dobrze, testowałem w zakresie poboru prądu od blisko 0mA do 1A. Dokładność pomiaru jaką udało mi się uzyskać wynosi ok +/- 3% * , a sam wynik "nie pływał" i był stabilny.
(zastosowałem wszędzie rezystory o tolerancji 1%)


* - pomiarów napięć dokonywałem tanim multimetrem DT-830B a on sam w sobie dokładny nie jest, więc w rzeczywistości dokładność pomiaru może być tylko lepsza niż +/- 3%