externer Shunt für 30A DC gebastelt

Themen rund um die Hardware und Abgleich des Digitalvoltmeters DIV gehören hier rein.
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externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von lab-freund » 24.02.2015, 21:54

Hallo Leute,

unzufrieden mit den Parametern der Bauteile für die Strommessung beim DIV habe ich mir einen Shunt gebaut.

Idee war, die sehr gute Messgenauigkeit und Auflösung auch in dem kleinen Gleichspannungsmessbereich von 250mV einfach mal auszureizen.
Dabei geht es mir gar nicht darum, jetzt Kraftstrommessungen zu betreiben, sondern einen Shunt zu nutzen, bei dem die USB-Festplatte noch startet und nicht stattdessen in einer Klackerorgie aufgrund Spannungsmangel verharrt.
Anders gesagt, bestand das Ziel in der Minimierung der Bürdenspannung.

Der Sinn vergleichsweiser hochohmiger Shunts auch bei edlem Messgerät erschließt sich mir nicht ganz.

Ich habe den 10 Milliohm-Shunt von Isabellenhütte gewählt.
Die Motive bestanden darin, einen Shunt-Wert in Höhe einer Zehnerpotenz zu nehmen, weil mein Hirn sich bei der manuellen Umrechnung weniger vertut.
Andererseits sollten aber auch die Shunt-Werte meiner Vergleichsmessinstrumente unterboten werden.

Folgende Werte für die Shunts der grössten Messbereiche habe ich entweder gemessen oder der Dokumentation entnommen:

25mOhm - Voltcraft GS6510 (mein erstes Multimeter aus den 1980-er Jahren, hat 20A-Messbereich)
30mOhm - Fluke 87V (edles Fetischgerät, vergleichbar mit Apple-Computern, nicht meins!)
37mOhm - Unitrend UT61E (USD 45 Low Cost-Asiagerät, mein persönlicher Preis-Leistungssieger, seit 2 Jahren meins)
<666 mOhm* - Agilent 34401A (wohl so ein Mercedes für Leute mit tiefen Taschen)

Mit einem Gesamtwiderstand von 16,6mOhm kann ich die Messgeräteliste jetzt unterbieten.

* in der Produktübersicht von Agilent steht wörtlich "<2V" im 3A-Messbereich

Langzeiterfahrungen über Temperaturdrift kann ich aber noch nicht beisteuern.
Laut Doku beträgt der Temperaturkoeffizient 30ppm für Widerstände >10mOhm. Damit ist mein Widerstand mit genau 10mOhm zwar ausgeschlossen, aber die Größenordnung lässt sich abschätzen:

Mit 30A Strom (für mehr sind die Buchsen nicht spezifiziert) fallen 9W Leistung an. Wird die Leistung erfolgreich an meinen Kühler mit 2,8K/W abgeführt, bedeutet das eine Temperaturerhöhung von circa 30K.
Wenn sich der Messwiderstand um dann vielleicht 30ppm/K*30K=900ppm/K ändert, also rund ein Promille, wäre ich hochzufrieden.
Dank Vierleitermesstechnik ist vollkommen egal, welches Temperaturverhalten alle Leiter außerhalb des Messwiderstands aufweisen.

Der Widerstand ist mit 0,5% Genauigkeit spezifiziert. Bei einer Erstmessung mit 2A wich er etwa 0,3% von der Anzeige des stromliefernden Netzteils Korad KA3005D ab. Ich habe leider noch keine Stromreferenz.

Ich nutze die originale Firmware v3.1 von Carsten Meyer.
Bringt mir die C-Firmware einen Komfortgewinn bei der Arbeit mit einem externem Shunt?

Gruß
Martin

P.S.: Der Shunt ist natürlich universal mit allen Messgeräten mit ordentlichem mV-Bereich nutzbar!

Anbei ein paar Bilder:
Dateianhänge
Shunt 30A_3.jpg
elektrische Werte
Shunt 30A_2.jpg
innen
Shunt 30A_1.jpg
außen

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von ylf » 25.02.2015, 21:47

Fein, fein.
Ist der Shunt eigentlich isoliert? Von daher ist das mit dem Metallgehäuse nicht so geschickt.

Ich habe die Teile für einen externen Shunt auch schon lange hier herumliegen, hatte aber bislang noch nicht die Musse den dann auch wirklich zusammen zu bauen.
Geplant ist der Kühlkörper mit Shunt innenliegend in einem Kunststoffgehäuse.

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von lab-freund » 25.02.2015, 23:27

Hallo ylf,

danke für die Anregung! Die nackte metallische Shuntrückseite hat meiner Messung nach keine leitende Verbindung zu den Anschlusspolen.

Ich weiß jetzt nicht, welche Annahmen Du über den maximalen Strom getroffen hast. Wieviele Ampere (Dauerlast) sollten es denn sein?
So einen 10W-Shunt in ein Kunststoffgehäuse zu setzen, finde ich gewagt.
Der innenliegende Kühlkörper nimmt erst einmal Wärme auf, dann wird vermutlich die geschlossene Kunststoffhülle mit der Wärmeabfuhr nicht mehr nachkommen und irgendwann wegschmelzen.

Wenn man mit Kunststoffgehäuse baut, dann würde ich den Kühlkörper nach außen setzen und ein rechteckiges Loch hereinschneiden, so daß der Shunt direkt auf dem Kühlkörper zu liegen kommt.

Das ist bei mir nicht der Fall, der Shunt liegt auf dem Tekogehäuse auf, ich habe nichts ausgeschnitten.
Ich weiß nicht, inwieweit das oberflächenbehandelte Aluminium weniger gut leitet als der Kühlkörper.

Gruß
Martin

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von psclab38 » 26.02.2015, 00:07

lab-freund hat geschrieben:Die nackte metallische Shuntrückseite hat meiner Messung nach keine leitende Verbindung zu den Anschlusspolen
Das Datenblatt für den PBV spricht von Isolationsspannung 500V AC, bleibt aber die konkrete Angabe schuldig, zwischen was... . Da aber die vier Anschlüsse zwansgsweise niederohmig miteinander verbunden sind, dürfte es sich tatsächlich um die Isolation zwischen Widerstand und Metallrückwand handeln.
Zuletzt geändert von psclab38 am 27.02.2015, 00:03, insgesamt 1-mal geändert.

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von ylf » 26.02.2015, 22:14

Hm, also um die Wärmeentwicklung hatte ich mich bisher noch gar nicht gekümmert. Ich gehe mal von einem Strom von 25A aus, das sollte das Maximum des Messbereichs sein. Mein Shunt hat 0.01Ohm, macht 6,25W. Als Gehäuse hatte ich etwas aus meiner Restekiste mit Lüftungsschlitzen gedacht.

500V, für die normale Steckdose reicht das eigentlich. Aber ein bischen Sicherheitsreserve kann nie schaden.

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von lab-freund » 26.02.2015, 23:11

Hallo ylf,

kannst ja mal mit Hochlastwiderständen 10W in Deinem Kunststoffgehäuse verbraten und gucken, ob die Lüftungsschlitze die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs kompensieren können, eventuell einen Temperatursensor in das Gehäuse hineinführen.

Was ich gar nicht explizit geschrieben habe, ist, dass der Shunt zwar im Messbereich 0,01Ohm Widerstand hat, aber die Widerstand der gesamten Strecke, bei mir 0,0166 Ohm, wirksam wird. Das bedeutet mit P=I^2*R, dass die gesamte umgesetzte Energie entsprechend bei mir nämlich nicht 10W, sondern 16,6W beträgt.

Bei Dir sind es dann 10W anstelle Deiner genannten 6,25W, wenn Du ähnlich viel Kontaktwiderstand produzierst wie ich.

Gruß
Martin

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von ylf » 27.02.2015, 21:04

Du hast Flachstecker verwendet, oder sieht das nur so aus?
Ich hatte für die Messseite Polklemmen vorgesehen, die leider, wie ich jetzt feststellte, mit Ringösen kontaktiert werden. Auch nicht so optimal.

Wegen der Wärme habe ich gerade einen Versuch gemacht. Eine Glühlampe mit 10W beaufschlagt und ins Plastikgehäuse gelegt. Leider habe ich kein Termometer zur Hand. Wird ordentlich warm, aber schmelzen tut da noch nichts.
Aber ich denke trotzdem darüber nach, mal nach einem Metallgehäuse mit Lüftungsschlitzen zu schauen, weils einfach robuster ist. Ich kann den Kühlkörper ja zusätzlich isoliert montieren, dann wäre es in allen Belangen auf der sicheren Seite.

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von psclab38 » 27.02.2015, 21:50

Ich nutze die originale Firmware v3.1 von Carsten Meyer.
Bringt mir die C-Firmware einen Komfortgewinn bei der Arbeit mit einem externem Shunt?
Habe die Frage erst jetzt gesehen. Der Hauptunterschied ist, daß die C-Firmware ein Menü hat und gepflegt wird. Wie definierst Du einen "Komfortgewinn"? Bei der C-Firmware kann man jedenfalls nicht aus Versehen zwischen den Spannungs- und Strombereichen wechseln - dazu muß man am Encoder Drücken-Drehen-Drücken. Der 10A-Modus mit externem Shunt genießt (bislang) aber keine Sonderbehandlung, außer daß man ihn abschalten kann.

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von lab-freund » 28.02.2015, 14:08

ylf hat geschrieben:Du hast Flachstecker verwendet, oder sieht das nur so aus?
Ja. Ich habe mich zu Lasten höherer Übergangswiderstände für die demontierbare Shuntversion entschieden.
Ich hatte für die Messseite Polklemmen vorgesehen, die leider, wie ich jetzt feststellte, mit Ringösen kontaktiert werden. Auch nicht so optimal.
Autopolklemmen?

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von lab-freund » 28.02.2015, 14:09

pcslab38,
psclab38 hat geschrieben:
Ich nutze die originale Firmware v3.1 von Carsten Meyer.
Bringt mir die C-Firmware einen Komfortgewinn bei der Arbeit mit einem externem Shunt?
Habe die Frage erst jetzt gesehen. Der Hauptunterschied ist, daß die C-Firmware ein Menü hat und gepflegt wird. Wie definierst Du einen "Komfortgewinn"? Bei der C-Firmware kann man jedenfalls nicht aus Versehen zwischen den Spannungs- und Strombereichen wechseln - dazu muß man am Encoder Drücken-Drehen-Drücken. Der 10A-Modus mit externem Shunt genießt (bislang) aber keine Sonderbehandlung, außer daß man ihn abschalten kann.
Die Kindersicherung gegen Fehlbedienung gefällt mir.
Mit Komfortgewinn dachte ich an die Möglichkeit, hier über einen Modus zu verfügen, bei dem im 250mV oder 2,5V-Messbereich der Spannungsabfall an einem externem Shunt gemessen wird und der dazugehörige Strom auf dem Display und der Schnittstelle ausgegeben wird.

Ein Skalierungsfaktor für einen externen Shunt sollte man dazu abspeichern können.
Beispielsweise den Wert "10" in meinem Fall für einen Shunt von 10 mV/A.

Bei einem Messwert von 20mV und einen Shunt von 0,01Ohm wie bei mir wären es dann
0,02V / (10mV/A) = 2A die angezeigt werden sollten.

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von psclab38 » 28.02.2015, 17:19

lab-freund hat geschrieben:Mit Komfortgewinn dachte ich an die Möglichkeit, hier über einen Modus zu verfügen, bei dem im 250mV oder 2,5V-Messbereich der Spannungsabfall an einem externem Shunt gemessen wird und der dazugehörige Strom auf dem Display und der Schnittstelle ausgegeben wird.

Ein Skalierungsfaktor für einen externen Shunt sollte man dazu abspeichern können.
Beispielsweise den Wert "10" in meinem Fall für einen Shunt von 10 mV/A.

Bei einem Messwert von 20mV und einen Shunt von 0,01Ohm wie bei mir wären es dann
0,02V / (10mV/A) = 2A die angezeigt werden sollten.
Wenn ich das noch richtig in Erinnerung habe, dann bieten sowohl Pascal- als auch C-Firmware einen 10A-Bereich an. Der ist zunächst so skaliert, daß bei Vollausschlag 10A angezeugt werden. Das bezieht sich dann auf 250mV am Eingang, also quasi auf einen 25mOhm Shunt.
Wenn Du nun einen 10mOhm Shunt einsetzt, dann mußt Du halt bei den Skalierungsfaktoren der 10A-Bereiche statt dem Kalibierungsfaktor 1,xxxx einfach 2,5xxx verwenden. Würde das Dein "Komfortproblem" lösen?

Gruß
Paul

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von lab-freund » 28.02.2015, 19:35

Hallo Paul,

hier ist was faul!
Ich brauchte einen Skalierungsfaktor von 34,4 an meinem Shunt, damit der vom Netzteil angezeigte Wert auch vom DIV angezeigt wird.

Ich habe dann einfach mal 0,25V auf das DIV per Netzteil in der Stellung DC 10A gejagt. Prompt flossen da 0,738A. :? :shock: :(
Eigentlich sollte das DIV doch fast stromlos die 0,25V abnehmen und via Skalierungsfaktor auf dem Display anzeigen und ein "A" für Ampere dahinterschreiben.

Fazit:
Die Anschlussmöglichkeit für einen externen Shunt funktioniert zumindest bei meiner Pascal-Firmware v3.1 nicht so, wie man sich das vorstellt.

Meine Frage: Schaltet die C-Firmware die Relais so, wie ich das erwarte? Misst die Firmware im Modus für den externen Shunt einfach nur die anliegende Spannung?

Gruß
Martin

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von psclab38 » 28.02.2015, 20:31

Hi Martin,
lab-freund hat geschrieben:hier ist was faul!
Ich brauchte einen Skalierungsfaktor von 34,4 an meinem Shunt, damit der vom Netzteil angezeigte Wert auch vom DIV angezeigt wird.

Ich habe dann einfach mal 0,25V auf das DIV per Netzteil in der Stellung DC 10A gejagt. Prompt flossen da 0,738A. :? :shock: :(
Eigentlich sollte das DIV doch fast stromlos die 0,25V abnehmen und via Skalierungsfaktor auf dem Display anzeigen und ein "A" für Ampere dahinterschreiben.

Fazit:
Die Anschlussmöglichkeit für einen externen Shunt funktioniert zumindest bei meiner Pascal-Firmware v3.1 nicht so, wie man sich das vorstellt.
Vermutlich hast Du recht. Ich hatte diese Beobachtung vor Jahren schon mal gemacht, aber wohl die genauen Zusammenhänge wieder vergessen. Wie wir hier in einem alten Thread
http://www.thoralt.de/phpbb/viewtopic.p ... =10A#p4001 von 2012 rausgefunden haben, ist die von mir erwähnte Funktion in der Pascal-Version zwar dokumentiert, aber in der Firmware nicht mit der korrekten Relaisschaltung verknüpft. Dort wird der 10A-Bereich wie eben der 2,5A-Bereich behandelt und der extra 10A-Anschluß spätestens damit ziemlich nutzlos.
lab-freund hat geschrieben:Meine Frage: Schaltet die C-Firmware die Relais so, wie ich das erwarte? Misst die Firmware im Modus für den externen Shunt einfach nur die anliegende Spannung?
Das hatte ich dann im Nachgang auf die oben erwähnte Erkenntnis so in die C-Firmware eingebaut ("behavior for 10A range: changed to external shunt mode, actually using 250mV DC/AC full scale ranges, but scaling to 10A (default)"). Wenn es nicht so funktionieren sollte, dann können wir das ändern.

Gruß
Paul

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von lab-freund » 28.02.2015, 21:01

Danke, Paul,

dann steht einem Umzug von Pascal- auf C-Firmware nichts mehr im Wege!
Bin gerade wieder schwer am basteln, melde mich dann wieder mit hoffentlich neuen Erkenntnissen.

Gruß
Martin

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Re: externer Shunt für 30A DC gebastelt

Beitrag von ylf » 12.03.2016, 18:22

Schon über ein Jahr vergangen, aber jetzt habe ich meinen Shunt auch endlich mal zusammen gebaut.

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