Differentielles Frontend-Design für die Netzspannungsmessung

Ich baue ein digitales Wattmeter, das für Messungen an Wechselstromleitungen bestimmt ist. Ich habe viele Anwendungshinweise und Beispieldesigns durchgesehen und bin auf ein etwas verwirrendes Motiv gestoßen, das in einer Reihe von Designs von TI Designs von Texas Instruments wiederkehrt.

Sie verwenden ein ähnliches Frontend zur Spannungsmessung, bei dem die Netzspannung zunächst mit einem Spannungsteiler herunterskaliert wird. Das herunterskalierte Spannungssignal wird dann als Differenz genommen und durch einen Tiefpassfilter geleitet, bevor es einem Differenzeingangsverstärker oder direkt einem hochauflösenden Differenzeingangs-ADC zugeführt wird.

Frage 1

Wozu dient die Verbindung von Neutral zur Bezugsmasse, wenn sie zu einem verschlechterten Differenzsignal führt?

Schema 1(vereinfachtes Diagramm des Eingangsabschnitts aus dem SimpleLink™ Wi-Fi® CC3200 Smart Plug Design Guide)

Nachdem ich eine Simulation dieser Eingangsschaltung durchgeführt habe, habe ich festgestellt, dass die Masseverbindung auf der neutralen Leitung das V_SENSE- Signal tausendmal kleiner macht als das V_SENSE+ Signal und eine Phasendifferenz von nicht 180 ° zwischen ihnen verursacht, was zu einem suboptimalen Differential führt Signal. Im Gegensatz dazu, wenn die Verbindung entfernt wird, sind die Signale V_SENSE+ und V_SENSE- gleich groß und um 180° relativ zueinander, wodurch ein perfektes Differenzsignal entsteht.

Welchen Zweck hat diese Verbindung vom Neutralleiter zur Bezugsmasse?

Frage 2

Was ist der Zweck, einen kleineren Wert für R5 zu verwenden? Warum verwendet die vorherige Konfiguration denselben Wert für R5 und R6? Woher weiß ich, wann ich welches verwende?

Schema 2(vereinfachtes Diagramm der Eingangsschaltung von Smart Plug mit Remote Disconnect und Wi-Fi-Konnektivität)

Dies ist weitgehend identisch mit der vorherigen Konfiguration. Abgesehen von den Unterschieden in den Komponentenwerten liegt der faszinierendste Unterschied in R5, der 100 Ω im Gegensatz zu 1 kΩ für R6 beträgt. Laut dem Dokument soll der kleinere Wert gerechtfertigt sein, um die viel größere Impedanz bei V_SENSE+ auszugleichen. Simulationsergebnisse zeigen jedoch, dass die Ausgänge nahezu identisch mit denen der vorherigen Konfiguration sind. Darüber hinaus bestehen immer noch Probleme mit der Magnitudenfehlanpassung und dem Phasenwinkel.

Was ist der Zweck, einen kleineren Wert für R5 zu verwenden? Warum verwendet die vorherige Konfiguration denselben Wert für R5 und R6? Woher weiß ich, wann ich welches verwende?

Hast du schon versucht TI zu kontaktieren?
Ja. Tatsächlich habe ich die gleiche Frage vor 3 Tagen im TI-Forum gepostet.
Hier ist der Link zur Frage: Link Wurde aber selten gelesen. Dieses einer der vielen TI-Foren wird so selten besucht, dass ich befürchte, dass die Frage in absehbarer Zeit nicht beantwortet wird. Außerdem bemerke ich, dass die Techniker von TI eher Fragen beantworten, die sich direkt auf ihre ICs und Produkte beziehen.
An welchen Chip werden die V_Sence-Drähte angeschlossen?
Es könnte an einen Differenzeingangs-ADC (VSENSE+ an positiven Eingang und VSENSE- an negativen Eingang) angeschlossen werden, um die Spannung direkt zu messen. Beispiel: ti.com/lit/df/tidrb17/tidrb17.pdf Oder es könnte einem Instrumentenverstärker zugeführt werden, um einen verstärkten Single-Ended-Ausgang zu erzeugen, der ebenfalls von einem ADC gelesen wird, diesmal jedoch ohne die Notwendigkeit eines differentieller Eingang. Beispiel: ti.com/lit/df/tidrfq8/tidrfq8.pdf

Antworten (1)

Trotz der galvanisch getrennten Versorgung kann die Masse nicht um die Leitung schweben - sie muss (mehr oder weniger) mit einer Seite der Stromversorgung verbunden sein, insbesondere mit der Seite, an der der Strom-Shunt angeschlossen ist.

Die Erfassungsspannung am unteren Ende des Spannungsteilers wäre erwartungsgemäß nahezu null.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Danke für die Beantwortung meiner ersten Frage. :) Aber wenn VSENSEP und VSENSEN perfekt differenziell sind, warum sollte es dann eine Rolle spielen, wenn eines der nachfolgenden Signale nach dem Filter nicht auf den Neutralleiter bezogen ist? Wenn VSENSEN fast null ist, was ist der Zweck des LPF, der von C7 und R8 gebildet wird? Würdest du mir bitte eine ausführlichere Antwort geben, da ich ein Neuling bin. Danke schön.
In einem echten Differenzverstärker gibt es einen begrenzten Gleichtaktbereich - höchstens einige Volt. Der LPF wird durch die beiden GNDs kurzgeschlossen, daher besteht der Grund darin, Spannungen zu filtern, die über den Leiterbahnen der Leiterplatte auftreten (vermutlich, warum sie überhaupt einen Diffamp anstelle von Single-Ended verwenden).
Danke schön. Ich verstehe jetzt, dass die Referenzmasse eine übermäßige Gleichtaktspannung verhindert. Aber ich verstehe nicht, "Spannungen zu filtern, die über den Leiterbahnen der Leiterplatte erscheinen". Meinen Sie die Spannung, die sich an den beiden GND_S entwickelt (einer am Neutralleiter und der andere zwischen C5 und C7)? Was wäre auch die Hauptursache für eine solche Rauschspannung? Liegt es an dem großen Strom in der Nähe (im Shunt)?
Ja, Strom im Shunt könnte ein Grund sein, aber wenn Sie versuchen, sehr genau zu messen, können selbst wenige mA durch eine Leiterbahn oder über eine Masseebene die Messung beeinflussen. 150 V in den Teiler sind ~ 230 mV am Widerstand und 0,1% davon sind 230 uV. Nur 5 mA durch eine 1 "10 mil 1-oz-Spur werden dies verursachen.
Danke für deine Antworten. Ich habe noch eine Frage zu diesem Design von TI. Gemäß dem vollständigen Schema werden die LMV324 von den +3,3-V- (Vcc) und -3,3-V-Versorgungen gespeist, was zu insgesamt 6,6 V an den Versorgungspins des LMV324 führt. Das Datenblatt des LMV324 gibt jedoch die absolute maximale Versorgungsspannung mit 5,5 V an. Das Referenzdesign konnte nicht falsch sein (oder doch?). Was habe ich hier verpasst?
Es kann definitiv falsch sein. Ich sehe jedoch nicht, was Vcc ist. Eine ähnliche Frage hier . Sie verwenden gerne proprietäre Teile (die nicht von anderen Herstellern hergestellt werden) in Referenzdesigns, aber das Überschreiten der ABS-Max-Bewertung ist überhaupt nicht klug, insbesondere wenn es keinen Grund dafür gibt.
Differentielles Frontend-Design für die Netzspannungsmessung
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