Wirkleistungsmessgerät


Einleitung
Meine Lösung
Das Messgerät
Das Display
Beispielmessung
Gehäuse
Nachbau
Stromverlauf diverser Netzteile

 


Einleitung

Wieviel kostet mich eigentlich der Betrieb eines Steckernetzteils im Jahr?  

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Mit meinem Leistungsmessgerät von ELV kann ich das ungefähr bestimmen, ohne ein Jahr warten zu müssen. Da das Teil im unteren Bereich allerdings irgendwann ungenau wird, brauche ich was präziseres für den Bereich von 0,1 bis 10 Watt.  

   

Meine Lösung

Mir ist ein 400mA Stromwandler LEM CT 0.4-P (Datenblatt) in die Hände gefallen. Das Teil mißt den Strom über das Magnetfeld, welches ein stromdurchflossener Leiter um sich herum aufbaut. Dazu muss der Leiter durch das Loch im LEM geführt werden.  

  Indem man den Leiter mehrfach durchführt, erhöht man die Stromempfindlichkeit.  

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Bei 400mA gibt er an einem 10K Widerstand 5V aus. Mit den 4 Windungen (grün) bzw. 16 Windungen (braun) habe ich die Messempfindlichkeit auf 100 bzw. 25mA erhöht.  

  Der Bau war aufregend problematisch.  

  Die Platine war recht schnell erstellt - und komplett vom Autorouter geroutet. Daher ist teilweise großer Blödsinn auf der Platine. Geht aber schneller, die vielen Durchkontaktierungen zu löten, als sie wegzuoptimieren.  

  Erst war die Belichtung an einer Seite ungleichmäßig, so dass ich nach dem ätzen einen Teil nochmal entwickeln mußte.
Erstaunlicherweise ging das aber...  

  Nach dem Bestücken und einschalten: Fauch.
Es war ein Fehler in meiner Protel Library, so dass zwei Spannungsregler falsch rum eingelötet waren. Blöd, wenn man für einen 78xx nur ein Bauteil anlegt und als Footprint TO-92 oder TO-220 Gehäuse zuläßt. Die Pinbelegung ist nämlich unterschiedlich.
Dann stellte ich fest, dass ich in der Offset-Mimik einen Fehler hatte und musste ein wenig umfädeln.  

  Beim programmieren fiel mir auf, dass ich den Drehschalter gar nicht abfrage, und der Prozessor den eingestellten Messbereich damit gar nicht kennt.
Als dann der Prozessor zu 87% voll war und die komplette Display-Ansteuerung noch fehlte, habe ich mal eben umstrukturiert: Das Display kriegt 'nen eigenen Prozzi. Und ich habe wieder Unmengen an Port-Pins frei und kann damit die Drehschalterstellung erfassen.  

 
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Das Messgerät

 

  Die Wirkleistung ist das, was der Stromzähler zählt. Mathematisch ist sie der arithmetische Mittelwert der Augenblicksleistung.  

  Die Wirkleistung wird wie folgt gemessen: Für eine Vollwelle des Spannungsverlaufs wird so schnell wie möglich Strom und Spannung gemessen und miteinander multipliziert. Aus dem Ergebnis wird der Mittelwert gebildet (Also die Ergebnisse aufaddiert und am Ende durch die Anzahl geteilt).
Um alles noch etwas genauer zu machen, erfasse ich 8 Vollwellen. Der Nulldurchgang wird von einem eigenen OpAmp detektiert und an den Prozessor gemeldet.  

  Zusätzlich wird noch der Effektivwert, also der quadratische Mittelwert von Strom und Spannung getrennt errechnet. Der Effektivwert gibt an, welche Gleichspannung an einem Widerstand die gleiche Leistung verbraten würde.
Bei einem sinusförmigen Strom- und Spannungsverlauf ist die Wirkleistung Ueff * Ieff * cos(phi).
Da ich den Verbrauch von Schaltnetzteilen messen will, muss ich aber davon ausgehen, dass der Strom alles andere als sinusförmig ist.  

  Der Phasenwinkel phi wird durch den zeitlichen Abstand des positiven Nulldurchgangs zwischen Strom und Spannung bestimmt.
Positive Werte bedeuten induktive Last.
Die Nulldurchgänge werden aus den Messwerten von U und I bestimmt. Daher habe ich immer eine leichte Phasenverschiebung, da ich Strom und Spannung ja nacheinander messe.  

  Beim Einschalten - und wenn man den Wahlschalter links rum bis zum Anschlag dreht - wird der Offset der Spannung und des Stromes gemessen. Der Sollwert ist bei 2,5V - also halber Betriebsspannung.
Ich weiss nicht, wie empfindlich der LEM auf das Erdmagnetfeld reagiert, daher kann man so von Hand nachkalibrieren.
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Das Display

 

  Die Display Platine steuert mit einem AtMega8 eine billige 27 Zeichen x 4 Zeilen Anzeige von Pollin an, welches auch schon im Midi-Recorder Verwendung fand.  

  Hier ein Prototyp der Ansteuerplatine, bei dem leider der Anschlußstecker für das Display noch auf der falschen Seite ist:  

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  Das Teil versteht sowohl RS232 Pegel als auch TTL Pegel.
Wenn man Daten via TTL empfängt oder RS232 gar nicht braucht, sind Hier-Durchkratz-Stellen eingebaut.  

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Platz für einen 5V Längsregler ist auch vorgesehen, so dass das Teil dann mit 8-12V läuft.  

 
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Hier der Schaltplan, das verbesserte Layout (als PDF und Protel-Datei) und der Quellcode in C zum runterladen:
97_lcd27x4.zip
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Die Schnittstelle arbeitet mit 9600 Baud 8N1.  

  Beim Einschalten gibt der Prozessor auf der Schnittstelle meine Spezialcodes aus, mit denen sich das Display steuern läßt.  

  Hier eine Übersicht:  

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  Spezialzeichen im Text beginnen mit senkrechtem Strich:
      |o  = Oberer Display-Controller (Zeile1+2)
      |u  = Unterer Display-Controller (Zeile 3+4)
      |*  = ClearLCD (auf gerade eingestelltem Controller)
      |1  = Home 1. Zeile 
      |2  = Home 2. Zeile 
      |3  = Home 3. Zeile
      |4  = Home 4. Zeile
      |Gyx= GotoYX x:1..4  y:@..Z
      |C  = Cursor Ein (auf gerade eingestelltem Controller) 
      |B  = Cursor Ein + Blinken(auf gerade eingestelltem Controller) 
      |c  = Cursor Aus (auf gerade eingestelltem Controller) 
      Die HOME-Befehle schalten auch die Displayhälfte um
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Wie man das benutzt, kann man im Code für das Wirkleistungsmessgerät sehen.  

 
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Beispielmessung


 

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Das eingesteckte Gerät braucht P=1,693Watt Wirkleistung.
Die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung beträgt phi=2 Grad
Der Effektivwert der Spannung beträgt 221 Volt, der des Stromes 18,4 Milliampere
Der gewählte Messbereich ist 0..25mA
Es wurden Ni=715 Strommessungen durchgeführt und dabei Nphi=7 Phasenwinkelmessungen gemacht
Der A/D-Wandler liefert den Wert 514, wenn kein Strom fliesst.  

 
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Hier der aktuelle und der ursprüngliche Schaltplan des Wirkleistungsmessers. Dazu die Protel Datei mit dem vergurkten Layout (ich habe auch keine neue Platine geplant) und der Quellcode in C zum runterladen:
97_wirkleistung.zip
Hier ein verbesserter Quellcode mit höherer zeitlicher Stromauflösung:
97_wirkleistung2.zip
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Hinweis: Der Prozessor für den Wirkleistungsmesser ist jetzt ein AtMega88 und nicht - wie im Schaltplan angegeben - ein AtMega8. Im Display werkelt weiterhin ein AtMega8...  

   

Gehäuse

 

  Eigentlich müsste ich ein komplett schutzisoliertes Gehäuse bauen, da die Schaltung incl. Display auf 230V liegt. Dann müsste auch eine Isolierscheibe über das Display. Für sowas habe ich aber grade kein Material zur Hand.  

  Notlösung:  

  Das ganze Zeug kommt in eine stabile Holzkiste und wird am Trenntrafo betrieben.  

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Im Deckel sind Display und Displayansteuerung angeschraubt. Dazu noch Drehschalter und Steckdose:  

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Das Ganze ist eher auf "Muss endlich fertig werden" als auf Schönheit getrimmt. Als ich das Gehäuse anfing, sah ich, das der Schaltplan schon 4 Monate alt war. Da wurde es doch wirklich Zeit, das Gerät mal in Aktion zu sehen. Nur bei der Farbe habe ich mir richtig Mühe gegeben und alles möglich zusammengerührt, ohne dass es erkennbar ansehlicher wurde. Nicht mal bei Zugabe von sehr viel Gelb. Nu isses halt so'n undefinierbares blassgrün...
Von vorne sieht man das einzige Bedienelement: den Drehschalter.  

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Und jetzt mal im Betrieb:  

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Hm, der automatische Weißabgleich war wohl doch überfordert. Das Gehäuse ist identisch - und nicht etwa umlackiert...
Die Farbe würde sich also prima als Autolack für Fluchtfahrzeuge eignen...  

   

Nachbau

 

  Dran denken: Man braucht einen AtMega88 zum messen und einen AtMega8 für's Display.  

  Wer sich den Schaltplan angesehen hat, dem ist vielleicht der Chip ADC124S051 aufgefallen. Den braucht man gar nicht.  

  Ich habe mir mal 2 Muster von dem Ding kommen lassen und auf der Platine schon mal die Leiterbahnen gezogen, so dass ich ihn bei Bedarf einbauen kann. Das Teil ist ein flinker 12 Bit A/D Wandler mit ISP-Schnittstelle. Bevor ich aber nicht festgestellt habe, dass die Messung durch höhere Abtastraten (sagen wir mal 250KHz statt 9) und 12 statt 10 Bit Wandlung erheblich genauer wird, tue ich mir das nicht an, für den Käfer Software zu entwickeln und mir die Finger beim Einlöten zu verknoten.
Das Teil ist nämlich wirklich winzig! Der 10 polige Fliegenschiss ist man grade so lang wie 2 Beine eines normalen IC. Da kam ich mit dem Layout-Programm an dessen Rundungsgrenzen!
Hier ein Ausschnitt, der die Leiterbahnen für den Chip und 8 Pole einer normalen DIL-Fassung zeigt.  

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Deutlich zu sehen sind die Rundungsfehler zwischen Footprint und angeschlossener Leiterbahn.
Im Layout gehen die Bahnen nämlich alle schön mittig auf die Anschlusspads.  

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Wenn da einer einen Tipp für mich hätte, wie man den Fehler in Protel 99SE umgeht ohne etwas neues zu kaufen...
Auf der selbstgeätzten Platine mit den nachentwickelten Leiterbahnen krieg ich den Käfer wahrscheinlich nur mit Mühe zum laufen, wenn die Leiterbahnen das überhaupt halten.
Vielleicht probier ich es irgendwann mal...  

 
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Ein Hinweis noch zur Sicherheit:  

  Die gesamte(!) Schaltung inklusive Display steht unter Netzspannung!  

  Da die Masse (GND) auf eine Leitung des Schukosteckers geht, kann sie auf Phase liegen.
In der Schaltung fehlt deshalb auch die so nützliche Programmierschnittstelle - das Programmiergerät oder der PC würden abrauchen.
Ich nutze das Teil nur an einem Trenntrafo. Ohne himmelt man beim messen eventuell das teure Oszilloskop oder beim bloßen anfassen des Gehäuses auch die eigene Blutpumpe.
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Stromverlauf diverser Netzteile

Wie oben erwähnt ist der Stromverlauf eines Verbrauchers ja nicht unbedingt sinusförmig und man kann die Wirkleistung nicht einfach aus Ueff x Ieff x cos(phi) berechnen.
Mein Messgerät multipliziert daher die einzelnen gemessenen Strom- und Spannungswerte und kommt damit auf recht genaue Werte. Die Abtastfrequenz liegt bei 9KHz - das sollte ja wohl reichen - oder?  

  Wie sieht den der Stromverlauf nun wirklich aus?  

  Spaßeshalber habe ich mal verschiedene Geräte angeschlossen und den Stromverlauf für euch aufgezeichnet.  

  Erstmal ein klassisches Steckernetzteil mit Trafo:  

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Die saubere Sinuskurve mit der großen Amplitude ist der Spannungsverlauf. Die verbeulte Kurve der Stromverlauf.
Wie man schön sieht: "Bei Induktivitäten tut sich der Strom verspäten"  

  Die Spannungskurve habe ich in den folgenden Bildern weggelassen. Diagrammmittelpunkt ist immer der Nulldurchgang der Spannung hin zur positiven Halbwelle.  

  Noch ein Steckernetzteil:  

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Die Ähnlichkeit ist unverkennbar.  

  Jetzt mal ein Ringkerntrafo:  

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Die Hysterese im Eisen drückt die Kurve ganz schön platt.  

  Ein Ladegerät mit Schaltnetzteil:  

[Bild(22.8k)] [Bild(33.1k)]

Die Teile haben am Eingang einen Netzgleichrichter mit Kondensator. Immer wenn die Netzspannung über die Kondensatorspannung kommt, fließt ein wenig Strom.  

  Noch ein Ladegerät: links im Leerlauf, rechts mit angeschlossenem Akku:  

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Da wurde wohl gespart wo es ging: Statt Brückengleichrichter nur einen einfache Diode, so dass nur eine Halbwelle ausgenutzt wird. Da freut sich das E-Werk, weil es deren Trafo langsam in die Sättigung schiebt und sie die andere Halbwelle duch Verluste ausgleichen müssen.  

  Nun mal ein anderes Wirkleistungsmessgerät:  

[Bild(23.2k)] [Bild(35.1k)]

Oh - eine kapazitive Last: Am KondensatOOOr eilt der Strom VOOOr. Aber warum ist da so viel Gezappel drauf?  

  Um mal einenn wirklich schön um 90° verschobenen Sinus zu sehen, habe ich einen Kondensator direkt ans Netz angeschlossen.  

[Bild(30.9k)]

Erwartet hatte ich eine Kurve wie aus dem Physikbuch:  

[Bild(14.5k)]

 

  Das Ergebnis sah aber deutlich anders aus:  

[Bild(38.2k)]

Was ist das für ein Gezappel?
Stimmt da was in meiner Meßmimik nicht? Schwingt der LEM?  

  Also ein Test mit den elementaren Bauteilen: Ein Kondensator über einen 10 Ohm (3x 3,3 Ohm) Widerstand ans Netz. Das Scope zeigt die Spannung über dem Widerstand - also den Strom. Masse und Signal hätten andersrum gemusst. Daher ist der Strom an der X-Achse gespiegelt.  

[Bild(36.8k)] [Bild(36.8k)] [Bild(33.5k)]

Huch. Da schwingt ja wirklich was.
Dafür fiel mir spontan keine plausible Erklärung ein.  

  Ich habe mir da sowas zusammengereimt:
Der Kondensator hat eine gewisse Induktivität und einen Reihenwiderstand. Zusammen mit seiner Kapazität scheint sich da irgendwas aufzuschwingen. Die Kondensatoren gelten aber als induktionsarm. Reicht das für einen dermaßen verrauschten Stromverlauf? Immerhin fließen da im Mittel 150mA und die Störungen machen bis zu 30% aus!  

  Ich habe das mit diversen Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität ausprobiert - immer der gleiche Ärger.  

  Durch Nachdenken, ein paar Experimente und Diskussionen im Forum ließ sich der Fall aber klären:
Die Stromschwankungen rühren nicht vom Kondensator her. Da schwingt nix.  

  Was man dort sieht, sind Störungen auf dem Stromnetz. Der Kondensator versucht nämlich wirklich, die Spannung zu glätten. Je höherfrequent die Störung ist, um so niederohmiger wirkt der Kondensator, also um so höher ist der Strom.  

  Jede Abweichung vom Sinus wird durch die Schaltung somit deutlich hervorgehoben.
Als Sinusgenerator kann man die Netzspannung also getrost vergessen.  

  Damit wird klar: Es lohnt sich, im Wirkleistungsmessgerät den Strom mit hoher Abtastrate und hoher Auflösung zu erfassen, um die genaue Wirkleistung zu ermitteln.
Die Spannungsmessung dagegen ist erheblich unkritischer.  

  Dieses Wissen habe ich in die Software 97_Wirkleistung2.zip (siehe oben) eingearbeitet - und glatt deutlich andere Messergebnisse bekommen.  

  Also muss ich da irgendwann ran und den schnellen A/D-Wandler mit 12 Bit einbauen. Das könnte sich doch lohnen!
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