Mehrkanal-Power-Analyzer

Von Wil Dijkman (Niederlande)

Dieses Projekt wurde durch den AC/DC-Leistungsmesser inspiriert, der im September 2015 in Elektor veröffentlicht wurde. Zuerst wollte ich das Gerät bauen, fand aber dann im Entwurf einige Einschränkungen und Nachteile, so dass ich beschloss, das Design weiter zu entwickeln. Die Dinge, die ich verbessern wollte, waren:

• Die Eingangsschaltung: Strom und Spannung sollen unabhängig voneinander zu messen sein. Der Strom durch die Messleitungen soll die Spannungsanzeige nicht beeinflussen.
• Die Abtastrate: Durch die niedrige Abtastrate konnten nur die ersten acht Harmonischen eines 50-Hz-Signals gemessen werden (mit perfektem Filter). Dies soll auf die ersten 40 Harmonischen erhöht werden.
• Die Bereichsumschaltung und Offset-Korrektur soll automatisch erfolgen.

Dies bedeutet allerdings, dass die Eingangs- und Verstärkerschaltung komplett neu gestaltet werden mussten. Außerdem wurde ein Mikrocontroller in der Messelektronik auf der Satellitenplatine benötigt, um die automatische Offset-Korrektur und das Auto-Ranging zu ermöglichen. Die Blockschaltung in Bild 1 zeigt eine Hauptplatine und (bis zu) drei Satellitenplatinen.

Die Hauptplatine

Der Schaltplan in Bild 2 ist weitgehend eine Kopie des EasyPICV7-Boards mit einem grafischen LCD-Touchscreen als Benutzerschnittstelle.

Ein Rechteck-Oszillator (Schaltung um IC1) erzeugt ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von 12 V_pp und einer Frequenz von etwa 150 kHz zur Versorgung der Satellitenplatinen. Die Datenkommunikation mit den Satellitenplatinen erfolgt über I²C, wobei der Mikrocontroller auf der Hauptplatine der Master ist und die auf den Satellitenplatinen seine Slaves darstellen.

Der Stromversorgungsteil der Hauptplatine erlaubt es, zur Versorgung des Messgeräts entweder eine stabilisierte 12-V- oder eine unstabilisierte 15...18-V-Versorgung zu verwenden. Die Auswahl erfolgt durch den „Lötjumper“ SJ1. Mit den beiden weiteren Lötbrücken/Jumpern MAX1 und MAX2 kann die Anzahl der Kanäle für den Master eingestellt werden: MAX1 zu schließen bedeutet nur einen, MAX2 zu schließen bedeutet zwei und beide zu schließen bedeutet drei Kanäle (sprich: Satellitenplatinen). Einige Drahtbrücken (in den Schaltplänen und auf dem Hauptplatinen-Layout mit Jx gekennzeichnet) helfen, die Notwendigkeit einer mehrlagigen Leiterplatte zu vermeiden.

Die Satellitenplatine

Auf den Satellitenplatinen (wer glaubt, hier die einfachere Schaltung zu finden, sieht sich durch Bild 3 widerlegt) wollte ich Spannung und Strom unabhängig voneinander messen.

Dies ist nicht vollständig gelungen, aber der Niederspannungseingang und der Stromeingang können aufgrund der Dioden D3, D4, D7, D8 immerhin nur um ±1 V gegeneinander floaten.

Ohne Schutzmaßnahmen könnte die Schaltung durch einen falschen Anschluss, ein hohes Potential am Niederspannungseingang und auch am Stromeingang, beschädigt werden. Um dies zu verhindern, wurden T10...T14 und das Reed-Relais K1 hinzugefügt. Für eine erste Strombegrenzung sorgt schon R11: Bei 750 V Eingangsspannung beträgt der maximale Strom 0,5 A. Wenn der Strom durch R11 größer als einige 10 mA bis 20 mA ist, fließt ein kleiner, aber ausreichender Strom durch R34, um T11 und T13 umzuschalten. Dadurch wird der Thyristorkreis mit T10 und T12 getriggert. Nach dem Triggern verbleibt der Thyristorkreis in diesem Zustand und schaltet über T14 das Relais K1 ab. Das Signal OC (über R39) zeigt dem Mikrocontroller, dass der Schutz ausgelöst ist. Wenn keine Spannung vorhanden ist, wird K1 auch abgeschaltet (V-LOW wird getrennt), so dass der Schaltkreis sicher ist. Um den Betrieb wiederherzustellen, muss die Stromversorgung der Schaltung aus- und wieder eingeschaltet werden.

Der Spannungsteiler (R2/4/7/12 gegen R22) liefert 100 mV Ausgangsspannung bei der maximalen Eingangsspannung von 750 V (DC), die maximale Wechselspannung kann etwa 500 V betragen. Der Spannungsabfall am 6,5-mΩ-Strommesswiderstand R62 beträgt etwa 100 mV bei 15 A_DC (etwa 10 A_AC). Die Verstärker für Spannung und Strom sind identisch, daher beschreibe ich hier nur den Spannungsverstärker. T1, T2 und T4, T6 dienen als Schalter, um den Differenzverstärker entweder mit dem Signal aus dem Eingangskreis zu verbinden oder den Eingang kurzzuschließen, um eine Offset-Messung zu ermöglichen. Der Wert des Offsets kann gespeichert und später von der Messung subtrahiert/addiert werden, um eine „saubere Messung“ zu ermöglichen. Der Verstärkungsfaktor des üblichen Instrumentenverstärkers IC2/IC6 wird von T3 und T5 entweder auf 1x oder 25x geschaltet. IC5 asymmetriert das Differenzsignal, anschließend erfolgt eine weitere Verstärkung durch IC4, dessen Verstärkungsfaktor je nach T8 und T9 1x oder 5x beträgt. Insgesamt sind damit vier Verstärkungen geben: 1x, 5x, 25x oder 125x. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors erfolgt durch den Mikrocontroller IC13.

Der Verstärker erzeugt ein positives oder negatives Signal in Bezug auf COMV. Dieses Signal ist das 0,5-fache von VREF, das von der Schaltung um IC3 erzeugt wird. VREF beträgt 4,5 V, so dass COMV, COMI und CINV 2,25 V betragen. VREF und CINV sind mit dem A/D-Wandler des PIC-Controllers PIC18F26K80 verbunden. Dieser Wandler kann eine Auflösung von 12 Bit plus Vorzeichenbit auf 13 Bit konvertieren. Bei 750 V ergibt dies eine Auflösung von etwa 200 mV pro Bit, bei 6 V etwa 1,6 mV/Bit. Ich halte dies für ausreichend für unsere Zecke.

Die I²C-Adresse einer Satellitenplatine wird durch SJ1 und SJ2 auf der Platine eingestellt. Durch Schließen von SJ1 wird die Platine zu Kanal 1, durch Schließen von SJ2 zu Kanal 2 und durch Schließen beider Lötjumper zu Kanal 3.

Galvanische Trennung

Das von der Hauptplatine stammende Rechtecksignal wird dem Transformator auf der rechten Seite zugeführt (Verhältnis 1:1). Die Gleichrichter liefern dann eine Ausgangsspannung von etwas weniger als 6 V, die dann von den Parallelreglern auf etwa 5 V geregelt wird. Die Wicklungen des Transformators haben einen Isolationswert von 900 V, so dass die Gesamtisolation 1800 V_Spitze beträgt, vorausgesetzt, der Rest der Konstruktion ist in Ordnung. Das I²C-Signal verläuft über IC14, das einen Isolationswert von 4 kV_Spitze hat. Die Satellitenplatinen sind also in Bezug auf die Hauptplatine und in Bezug zueinander vollständig potentialfrei.

Korrektur der Satellitenplatine

Nachdem der erste Prototyp gebaut war, zeigten Tests, dass einige Korrekturen vorgenommen werden mussten. Das Übersprechen vom Schalt- auf das Messsignal in den Offset-Schaltern musste durch C41/R102 und C40/R103 reduziert werden. Die Schutzschaltung sprach auch auf Spikes an, zum Beispiel, wenn eine Messleitung eingesteckt wurde. Die Empfindlichkeit für solch Spikes wurde durch C33 verringert. D14 und R101 begrenzen auch die Störempfindlichkeit für positive Spitzen.

Wenn die Verstärker auf die höchste Verstärkung von etwa 2750x eingestellt sind, ist eine Offset-Regelung unabdingbar. Dieser Regler wird bei niedriger(er) Verstärkung abgeschaltet. Abhängig vom Vorzeichen des Offsets muss mit den Lötbrücken SJ3/SJ4 eine Auswahl getroffen werden.

Leider hatte ich auch einige Entkopplungskondensatoren im Versorgungsteil vergessen, diese mussten ebenfalls hinzugefügt werden. Die Stückliste zu diesem Projekt im Open Office Format kann unter [2] heruntergeladen werden. Bestellnummern für Farnell sind angegeben, aber natürlich können Sie jeden anderen Lieferanten wählen.

Software für die Satellitenplatine

Das Programm ist in der relativ leicht verständlichen Programmiersprache mikroBasic für PIC (V5.6.1) von MikroElektronika geschrieben.

Ich wollte, dass ein Frequenzbereich von (etwas) weniger als 50 Hz bis zu einigen hundert Hertz verarbeitet werden kann. Daher musste das Signal mindestens 30 ms lang abgetastet werden. Dann gibt es bei 50 Hz mindestens drei Nulldurchgänge, so dass man stets eine Periode erfassen könnte, wenn diese Nulldurchgänge äquidistant sind. Bei einem Tastverhältnis ungleich 50 % bei 50 Hz reichen 30 ms aber nicht aus, deshalb habe ich mich für 35 ms entschieden. Bei einem Tastverhältnis von weniger als 25 % kann es deshalb sein, dass die Frequenz bei 50 Hz nicht korrekt bestimmt wird, bei höheren Frequenzen gibt es dagegen kein Problem. Signale mit weniger als drei Nulldurchgängen während der Abtastperiode werden als DC behandelt.

Die zweite Frage ist, wie viele Abtastungen in diesen 35 ms vorgenommen werden. Ideal wäre eine Abtastfrequenz von 10 kHz oder höher. Ich habe mich für 357 Abtastwerte bei 10,2 ksamples/s entschieden. Dies führt zu einem ganzzahligen Vielfachen der Abtastwerte für 50-Hz und 60-Hz-Signale. Diese Frequenzen können mit höchster Genauigkeit analysiert werden.

Es gibt eine Bibliothek mit I²C-Befehlen in mikroBasic, allerdings leider nur für einen I²C-Master. Für einen I²C-Slave musste ich eigene Prozeduren schreiben, um die Kommunikation mit dem I²C-Master auf der Hauptplatine einzurichten und zu steuern. Der Master fordert lediglich Informationen von den Satellitenplatinen an und zeigt sie an. (Auto-)Ranging und Offset, die gesamte Signalverarbeitung einschließlich Abtastung und Filterung wird auf der/den Satellitenplatine(n) durchgeführt.

Schnelle Fourier-Transformationen werden ebenfalls auf den Satellitenplatinen berechnet. Die Berechnungen sind nicht von mir erfunden, sondern von [3] „entlehnt“. Die digitale Filterung basiert auf Kapitel 16 des The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing. Es wird ein Blackman-Fenster verwendet und ein Filter mit 13 Koeffizienten (M=12). Die Wahl der Länge des Filters ist ein Kompromiss zwischen Unterdrückung von Signalen über 2,55 kHz und Dämpfung von Signalen unter 2,55 kHz und auch zwischen Rechenzeit, Speicherbedarf und Leistungsanforderung an das Filter.

Montage

Es wurde eine Frontplatte entworfen (für eine Dreikanalversion), die bei Schaeffer [5] bestellt werden kann. Ich habe ein Metallgehäuse verwendet (Metcase M5503110 bei Farnell 1510827).

Bild 4 zeigt einige detaillierte Abbildungen der eingebauten Hardware, die einen Eindruck davon vermitteln, wie der Leistungsmesser aussehen kann und wie die Einheiten im Gehäuse befestigt sind.

Beachten Sie das vorgefertigte Standard-Netzteil, das für die Stromversorgung des Power Analyzers verwendet wird.

In Bild 4c ist eine von zwei zusätzlichen kleinen Winkeln zu sehen, die ein Verbiegen der Frontplatte beim Ein- und Ausstecken der Messleitungen verhindern.

Zur Befestigung der Halterungen muss also je ein zusätzliches Loch in die obere und untere Abdeckung gebohrt werden. Ich habe ein Metallgehäuse verwendet, so dass das Gehäuse an den Schutzleiter angeschlossen werden muss (Bild 4d).

Bedienung

Nach dem Einschalten erscheint der Messbildschirm. Er zeigt einige Einheiten und deren Werte für den gewählten Kanal. Oben können Sie weitere Kanäle auswählen (falls verfügbar). Der Bildschirm kann maximal sieben Messwerte anzeigen, die im Konfigurationsbildschirm ausgewählt wurden. Das funktioniert so: Gehen Sie zum Main Menu (oben rechts auf dem Display) und wählen Sie Configuration, dann erscheint der Konfigurationsbildschirm mit 16 Werten zur Auswahl. Die gewählten Werte, die angezeigt werden sollen, werden hervorgehoben. Einige dieser Werte sind selbsterklärend, andere bedürfen einer Erläuterung. Vdis und Idis (Verzerrung) werden berechnet mit:

wobei V_N für die Amplitude der Harmonischen N des Signals steht.

Re-P steht für die Wirkleistung, P-VA für Scheinleistung (Vrms x Irms), Im-P für die Blindleistung und PF für den Leistungsfaktor, also Re-P / P-VA.

Wenn Sie Eff-> wählen, gelangen Sie zum Effizienz-Bildschirm. Hier können Sie die Formel wählen, die das von Ihnen untersuchte Leistungsverhältnis beschreibt. Dann kehren Sie zum Konfigurationsbildschirm und schließlich zum Messbild zurück, so dass die gewählte Formel mit dem berechneten Wert für alle Kanäle angezeigt wird.

Im Konfigurationsbildschirm können Sie auch Graphs-> wählen. Hier können Sie wiederum zwischen Scope oder FFT wählen. Ein Druck auf Scope bringt Sie zur Auswahl der Messkurven. Es wird immer Trace1 angezeigt. Eine ausgewählte Trace wird hervorgehoben dargestellt. Alle Messkurven können mit einem Kanal und mit V, I oder P dieses Kanals verknüpft werden. Die Anzeige wird von einem positiven Nulldurchgang von Trace1 „getriggert“. Die Scope-Anzeige gibt Ihnen einen Eindruck von der Wellenform der Signale und ihrer Phasenlage. Es werden zwei Perioden des Signals angezeigt. Damit man die Signale voneinander unterscheiden kann, werden Spannungssignale mit der maximal darstellbaren Amplitude, Stromsignale mit 80 % und Leistungssignale mit 60 % angezeigt. Bild 6 zeigt dies am Beispiel der Wellenformen eines Transformators, der in die Sättigung geht. Die im Display gezeigte Amplitude sagt also nichts über die Absolutwerte aus!

Zurück im Graphs-Screen wählen Sie FFT, um die FFT-Komponenten eines ausgewählten Signals anzuzeigen. Oben können Sie den Kanal, die LINeare oder LOGarithmische Anzeige und entweder V oder I wählen. Die größte Harmonische (normaler-, aber nicht notwendigerweise die erste) wird bei 100 % oder 0 dB angezeigt. Die horizontale Skala gibt die Zahl der Harmonischen an, nicht ihre Frequenz.

In der Logging-Funktion müssen Sie zunächst die Zeitperiode auswählen, die Sie anwenden möchten. Mögliche Werte liegen zwischen 0,25 h und 128 h, wobei sich die Schritte verdoppeln. Dann wählen Sie aus, wie viele Messkurven Sie protokollieren möchten (maximal drei). Jede Kurve kann mit einem Kanal verknüpft werden, und von diesem Kanal aus können Sie entweder V, I oder P wählen. Beim Druck auf Continue wird die Aufzeichnung sofort gestartet. Es wird ein alphanumerischer Bildschirm angezeigt, auf dem Sie den Durchschnitts-, Maximal- und Minimalwert sowie die verstrichene Zeit verfolgen können. Sie können auch zum Graphs-Bildschirm wechseln. Oben können Sie dort eine andere Messkurve auswählen, falls diese eingeschaltet ist. Wenn Sie Return drücken, gelangen Sie zurück in den Hauptbildschirm, die gesammelten Daten gehen dann verloren.

Auf dem Configuration-Bildschirm können Sie den Scheitel- oder Crest-Faktor (V-CF oder I-CF) wählen. Er dividiert einfach den höchsten Spitzenwert (positiv oder negativ) durch den RMS-Wert des Signals. Denken Sie daran, dass die Bandbreite der Messverstärker 2,5 kHz beträgt, so dass diese Funktion nicht für Audiosignale geeignet ist, sondern nur für Frequenzen bis etwa 250 Hz.

Wie man kalibriert und justiert

Vom Hauptbildschirm aus erreichen Sie den Kalibrierungsbildschirm und wählen dort zwischen Kalibrierung des Touchscreens und der Kanäle. Beim ersten Start des Geräts wird automatisch die Touchscreen-Kalibrierung angezeigt. Verwenden Sie zur Kalibrierung des Touchs einen weichen (Blei-)Stift.

Bei der Kanalkalibrierung soll zunächst ein Kanal ausgewählt werden. Dann gibt die Software einen Bildschirm vor, in dem Spannung, Strom und Frequenz gemessen und eingestellt werden können. In diesem Bildschirm ist die automatische Bereichswahl für V und I deaktiviert, so dass die Kalibrierung für jeden Bereich leicht vorgenommen werden kann. Mit den Pfeilen (< und >) können Sie die Bereiche ändern und den Messwert anpassen.

Die Frequenzmessung wird am besten mit einem Digitaloszilloskop an TP8 (Signal) und TP2 (GND) auf der Satellitenplatine des gewählten Kanals vorgenommen. Stellen Sie die sichtbare Impulsbreite mit den Pfeilen auf der Frequenzlinie auf 35,00 ms ein. Die zweitbeste Methode zur Einstellung der Frequenz besteht darin, eine Signalquelle mit einer kalibrierten Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz zu verwenden und den Messwert auf 50,00 Hz oder 60,00 Hz einzustellen. Der Messwert darf um ±0,5 % variieren.

Wenn die Kalibrierung eines Kanals abgeschlossen ist, drücken Sie OK, so dass die Kalibrierdaten auf der Satellitenkarte des gewählten Kanals gespeichert werden.

Soweit es mich betrifft, ist dieses Projekt abgeschlossen, es wird keine größeren Ergänzungen oder Änderungen mehr geben. Aber natürlich werde ich jede Frage beantworten.

Dieser Artikel basiert auf den Informationen, die auf der Elektor Labs-Projektseite unter [2] präsentiert werden. Auf dieser Seite können detailliertere Informationen zu diesem Power Analyzer einschließlich Software, PCB-Design-Dateien und Stückliste gefunden und heruntergeladen werden. Die Eagle-CAD-Dateien auf Elektor Labs sind stets auf dem neusten Stand der letzten Änderungen, aber neuere Versionen der Platinen wurden nicht gebaut und/oder getestet!

(190133-B-03)
 

Sie haben Fragen oder Kommentare?

Haben Sie Fragen oder Anmerkungen zu diesem Artikel? Schicken Sie eine E-Mail an den Autor unter w.j.dijkman@onsbrabantnet.nl oder kontaktieren Sie Elektor unter editor@elektor.com.

 

Bau des Trafos

Zutaten
1 Spulenkörper für EF20
Draht (900 V Isolation und max. 1,3 mm Durchmesser)
2 Kernhälften für EF20
2 Clips für EF20
 
Man nehme
den Spulenkörper und schneide die Stifte 2, 3, 4, 7, 8 und 9 ab. 9 Windungen des Drahts und wickle sie zwischen Stift 1 und Stift 10. Der Draht sollte genau eine Lage füllen. 9 Windungen des Drahts und wickle sie zwischen Stift 5 und Stift 6. Der Draht sollen genau eine Lage füllen. die Kernhälften und setze sie ein. die Clips und stecke sie auf. Es gibt keinen Luftspalt.
 
Wenn alles gut gegangen ist, hat man einen Transformator mit einer gleichen Primär- und Sekundärinduktivität von etwa 125 μH. Die Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung dürfte im Bereich von 30 pF liegen.

 

Wie wird was wo angeschlossen?

 
Es besteht ein Unterschied zwischen dem Anschluss von Messleitungen zur Messung der Leistungsaufnahme einer Last oder der Messung der von einer Quelle gelieferten Leistung, wie in Bild 5 zu sehen ist.

Bei den angegebenen Methoden wird der Spannungsabfall der Anschlussleitungen und der Strommessstrecke eliminiert. Die Spannungsdifferenz zwischen den I-Anschlüssen und dem V-Anschluss muss unter 0,5 V bleiben, da sonst wird die Schutzschaltung auslöst und die Stromversorgung neu eingeschaltet werden muss.
 
 
Streamers:
WARNUNG. Das Arbeiten mit Hochspannung kann tödlich sein. Der Bau der hier beschriebenen Schaltung ist nichts für Anfänger. Verwenden Sie sie nur, wenn Sie im Umgang mit Hochspannung erfahren sind!

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Wollen Sie weitere Elektor-Artikel lesen? Jetzt Elektor-Mitglied werden und nichts verpassen!

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------