Idee: Wattmeter mit ESP8266 und ADE7953

[Pf@nne]

Moin Peter,

da warst du ja echt fleißg.....

Generell gibt es m.E. zwei Herangehensweisen:
1. direkt die Netzspannung messen (da muss dann die Platine den einschlägigen VDE Regeln genügen, wo ich aber auch nicht der wirkliche Experte bin) oder
2. non-inversiv mit einer Spule. Diese hat aber ein paar Nachteile: man kennt ggf. das Übersetzungsverhältnis nicht bzw. durch die Induktivität wird die Phasenzuordnung Strom/Spannung gedreht, was sich auf den Effektivwert des gemessenen Verbrauchs auswirkt.

Die Netzspannung kann ruhig direkt gemessen werden, da dies hochohmig geschieht (>1MOhm).
Hier müsste nur ein geeigneter Widerstand eingesetzt werden, einen 0603 sollte man hier nicht verwenden....
Spannender wird die erfassung des Laststromes hier muss ein Kurzschlussstrom von bis zu 100A über eine Dauer von 200ms berherschbar bleiben.
Bei einem Kurzschluss hinter dem Messkreis könnte dieser Strom zum fließen kommen.
Daher bin ich eher ein freund der Wandlerlösung, auch wenn diese aufwendiger ist.
Die Übersetzung und die elektrischen Eigenschaften des CT kann man ermitteln.

Die Phasendrehung bekommt man ja durch den Sekundäranschluss wieder herraus und hat keine Auswirkungen auf den Effektivwert.
Anders ist es mit dem Fehlerwinkel den der CT verursacht (einige Gradminuten), dieser kann aber gemessen werden und dann sogar im ADE eingestellt werden.
Der ADE berücksichtigt den Korrektuwinkel dann bei der Berechnung. 

PHASE CALIBRATION
The ADE7953 is designed to function with a variety of current
transducers, including those that induce inherent phase errors.
A phase error of 0.1° to 0.3° is not uncommon for a current
transformer (CT). These phase errors can vary from part to
part, and they must be corrected to achieve accurate power
readings. The errors associated with phase mismatch are
particularly noticeable at low power factors. The ADE7953
provides a means of digitally calibrating these small phase
errors by introducing a time delay or a time advance.

Was will an messen (Strom, Spannung, Leistung, Verbrauch, Abweichungen vom Sinus, etc.)

Im Grunde nur einen Stom und eine Spannung als komplexen Zeiger.
Alle Anderen Werte sind dann berechnete Werte und stehen als "Abfallpodukt zur Verfügung:

• Spannung (Messwert mit Refrenzwinkel 0°
• Strom (Messwert)
• Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung mit Vorzeichen
• Scheinleistung
• Wirkleistung mit Vorzeichen
• Blindleistung mit Vorzeichen
• cosPhi mit Vorzeichen
• Samples über 2 Perioden von jedem Kanal

- Warum gibt es zwei Stromeingänge (phase und neutral)? Wenn alles ok ist, müssten beide gleich sein, nur mit unterschiedlichem Vorzeichen.

Ist als Vergleichsmessung vorgesehen, muss aber nicht genutzt werden.
Der zweite Stromeingang ist auch frei konfigurierbar, z.B. als zusätzliche Strom oder Spannungsmessung.

- Das Thema Rogowski Spule finde ich auch interessant, vermutlich liegt es an meinem profunden Halbwissen, dass ich da nicht weiter komme  aber vermutlich wäre das eine geeignete (und vermutlich teure) Spule

Eine Rogowskispule ist ein Stromwandler ohne Eisenkern, daher werden die negativen Eigenschaften die durch das Eisen eingebracht werden (Winkelfehler, Sättigung) eliminiert.
Das setzt aber voraus, das die Messankopplung sehr hochohmig erfolgt, da die Rogowskispule durch den Fehlenden Eisenkern (Leistungstransporteur) keine Leistung zur Verfügung stellen kann.
Auch müssen die Spulen für den Anwendungsfall berechnet werden.

Ich denke ein CT ist schon in ordnung.

- Wie ist Dein Massekonzept?

Na ja, da habe ich nicht wirklich Ahnung von....
Kannst du da helfen?

Ich habe festgestellt, dass Du unter dem IC und an einem Pin AGND und DGND "überlappst", meine Frage ist, ob das beabsichtig ist.

AGND und DGND "treffen sich am Massepad des ADE, das soll so.
Die Verbindung ist auch im ADE7953 Package vorgegeben.
Die Überlappung liegt nur drüber weil die Bahn stärker ist.

was kommt vom WeMos

Der WEMOS liefert 3V3/GND vom eigenen Linearregler.

Ich würde ggf. einen Lötjumper vorsehen, der geschickt platziert werden kann und wo die Analog- bzw. Digitalmasse an einem Sternpunkt zusammengeführt werden kann.

Ist das nicht das ADE Massepad?

Ich habe mal über das Board drübergeschaut und ein paar Anpassungen vorgenommen:

Danke! Immer gut wenn ein Fachmann drüber schaut!
Ist mein erstes PCB......

der Knopf unten ist dafür nicht spezifisch genug

Welcher Knopf?

Beim Löten könnte ich ggf. auch was machen (per Hand dispensen und im Ofen Löten, die BME280 sind ganz gut geworden).

Ich werde auch mal mein Glück probieren, ich habe gestern Bauteile bestellt.
ADE7953 für Stück 1,04€.....

Was aus meiner Sicht auf der Platine noch fehlt:
- Massekonzept (wichtig!)  --> könntest du da was vorschlagen?
- Beschriftung (Version, Datum, etc.) --> mache ich
- Masseflächen --> könntest du da was vorschlagen?
- Beschriftung der Bauteile bzw. der beiden äußeren Pinreihen --> mache ich

Erstmal vielen Dank!!

Gruß
Pf@nne

[Pf@nne]

Beschriftung ergänzt.....

P.S. das sieht ja gkeich viel professioneller aus!!!
Wie bekomme ich die Bezeichnungen auf die Pads bzw. die Bahnen?

[Pf@nne]

Ich hab da jetzt mal mit meinem Leienwissen Masseflächen drüber gelegt.
Ich weiß aber nicht auf was man da achten sollte.......

[PeMue]

Zustimmung (der Knopf unten ist dafür nicht spezifisch genug  ).

Welcher Knopf?

Das war auch eher in Richtung von Boris gemünzt 

Die Netzspannung kann ruhig direkt gemessen werden, da dies hochohmig geschieht (>1MOhm).

Aber genau das ist das, was die Sache nicht ganz ungefährlich macht. Hier müssen Luft- bzw. Kriechstrecken eingehalten werden - geht, aber man muss halt wissen, was man tut. Wenn die Spannung schon auf der Platine ist, sollte man den Strom auch messen können.

Bezüglich Massekonzept: Ziel von AGND und DGND ist es, die Störungen vom Ditigalteil (DGND) vom Analogteil zu trennen. In der Regel macht man das mit einem Sternpunkt. Jetzt weiß ich nicht, was vom WeMos (oder was auch immer) kommt. Ich vermute mal, das ist nur eine Masse (GND). D.h. wir haben hier nur einen Punkt, wenn wir den auftrennen, erzeugen wir eine Masseschleife, die uns die Messung verhageln könnte. Ich denke mal drüber nach, wie das gehen könnte ...

Danke! Immer gut wenn ein Fachmann drüber schaut!
Ist mein erstes PCB......

Ok, dann erst mal ein paar Vorschläge zum routen:
- Maße mache ich immer in mm (mit min. 0,5 mm Raster)
- Platzieren immer im mil Raster (mit 100 mil anfangen wegen der PinHeader, dann 50 bzw. 25 mil)
- Routen im 50 bzw. 25 mil Raster, erst wenn es eng wird, temporär auf 10 bzw. 5 mil runter gehen
- die vorgesehenen Layer verwenden 
- Masseflächen im 100 mil Raster, min. 15 mil Breite großzügig drüber und das Polygon bennennen (GND oder AGND, auch das ist Teil des Massekonzeptes  )

Den Rest schaue ich mir morgen an.

Gruß Peter

[Dr. Boris Neubert]

Hallo Peter und Pf@anne,

ich verfolge hier ganz interessiert Eure Fachdiskussion und freue mich über die tolle Zusammenarbeit. Ich bin interessierter Laie und hoffe, durch meine Fragen und das Nachdenken, das sie auslösen, einen Beitrag zu leisten.

Habt Ihr Euch das Hexaplug-Boardlayout angesehen (erster Post)? Vielleicht könnt Ihr Euch von dort Anregungen holen.

Grüße
Boris

[Pf@nne]

Moin Peter,

ich hab dir mal den Stromlauf vom WEMOS drann gehängt.

Gruß
Pf@nne

[Dr. Boris Neubert]

Der schon wieder mit seinen Shunts...

In SMD-Bauweise sind die gar nicht teuer. Abhängig von der maximalen Leistung, die das Wattmeter messen soll, habe ich diese Tabelle erstellt:

Edit: Tabelle gelöscht, weil die Shunts fälschlicherweise für Spannungen am ADE von bis zu 10mV berechnet wurden. Der ADE misst aber bis +-500 mV (und überlebt +-2 V).

Spricht aus meiner Sicht dafür, auf der Platine noch zwei unbestückte Plätze für SMD-Shunts vorzusehen.

Viele Grüße
Boris

[PeMue]

Gerade wollte ich die Platine zum Bestellen einstellen ...

[Pf@nne]

Moin,

lass uns die erstmal noch weg lassen, die "Hochspannungserweiterung" können wir im Anschluss immer noch machen.
Auf dem BreakoutBoard haben die so nicht verloren.

Was sagst du Perter?

[Dr. Boris Neubert]

Pf@anne hat recht. Muss auch mal gut sein. Das Board ist ja nur zur Softwareentwicklung und wird wohl nie an Netzspannung kommen.

[PeMue]

Was sagst du Peter?

Jetzt habe ich schon angefangen, jetzt baue ich die vollends ein. Und mit Hochspannung hat das nichts zu tun. Da kommt entweder eine Spannung rein (ohne Shunt) oder ein Strom rein (mit Shunt). Ich hoffe nur, Ihr habt so starke Netzteile 

[Pf@nne]

Neeee..... lass die doch weg für das BreakoutBord.

Hier reicht es vollkommen wenn wir an die drei Differenzverstärker rannkommen.
Wieviel Ohm willst du einbauen?
Dann müssen wir ja auch Strom machen, das ist zu aufwendig.

EDIT:
OK, ich weiß jetzt was du vorhast.
Du willst einfach in IA / IB einen Shunt parallel zum Boardpin legen, das wäre OK.
Wobei man wohl kaum mehrere Ampere drüber schicken würde, schon garnicht beim Entwickeln der Software.

[PeMue]

EDIT:
OK, ich weiß jetzt was du vorhast.

Das klinkt ein bisschen nach Wicki 
Ich meine, wir könnten dann auch gleich mit der Genauigkeit der Shunts Erfahrungen sammeln.

So sieht das Board jetzt aus:
top bzw. bottom (Bilder in den Text einfügen geht ja nicht  ).

Was ich gemacht habe:
- die Pinreihen noch mit den Signalnamen beschriftet (Boris wird es Dir danken  )
- das (c) ersetzt, da der CAM Job das vermutlich nicht versteht 
- die Beschriftung noch etwas angepasst
- die zwei Shunts eingebaut
- die Platine etwas vergrößert (0.5 mm nach oben)

Was noch fehlt:
- Schaltplan in vernünftigem Rahmen (A4_P)
- Wenn Du Dein Logo auf der Platine willst, müsstest Du den CAM Job anpassen, allerdings kann es sein, dass die Strichdicke zu dünn ist.

Bei iTead sollte das Ganze 10 USD + Versand kosten (10 Platinen + ggf. 2x OpenSource extra).
Vielleicht geht es bei dangeroousprototypes.com ohne Versand -> geht ohne Versand, kostet aber 13 USD, kommt also auf das Gleiche raus. Bei iTead kannst Du ja noch einen PSF-A85 mitbestellen, das ist der große (Leistung) bzw. kleine (Größe) Bruder vom ESP8266.

Wenn ich bestücken soll, dann hätte ich gerne 2-3 Platinen. Hast Du von den AD Chips welche übrig, oder soll ich auch bestellen?

Gruß Peter

Edit: Versionsnummer auf 0.16 geändert, damit die 1.0 für die finale Version bleiben kann 

[Pf@nne]

Moin Peter,

sieht doch gut aus! Vielen Dank!

Ich meine, wir könnten dann auch gleich mit der Genauigkeit der Shunts Erfahrungen sammeln.

Ja, schon aber willst du da 16A über das Board schicken? 

- die Beschriftung noch etwas angepasst

Gibt es da eine Minimalgröße?

Was noch fehlt:
- Schaltplan in vernünftigem Rahmen (A4_P)
- Wenn Du Dein Logo auf der Platine willst, müsstest Du den CAM Job anpassen, allerdings kann es sein, dass die Strichdicke zu dünn ist.

Quer finde ich schöner.... 
Ich habe das Logo jetz in tNames verschoben, reicht das?

Wenn ich bestücken soll, dann hätte ich gerne 2-3 Platinen. Hast Du von den AD Chips welche übrig, oder soll ich auch bestellen?

Selbstgänger, ich habe alle Bauteile schon bestellt.

Bei iTead sollte das Ganze 10 USD + Versand kosten (10 Platinen + ggf. 2x OpenSource extra).
Vielleicht geht es bei dangeroousprototypes.com ohne Versand -> geht ohne Versand, kostet aber 13 USD, kommt also auf das Gleiche raus. Bei iTead kannst Du ja noch einen PSF-A85 mitbestellen, das ist der große (Leistung) bzw. kleine (Größe) Bruder vom ESP8266.

OK, schaue ich mir an.
Ich würde gerne die Gerber-Files erzeugen.
Kannst du da dann nochmal drüber schauen?

Massekonzept:
Du hast jetzt zwei Masse-Polygone drüber gelegt.
Wie mache ich die Flächen wieder sichtbar?

Gruß
Pf@nne

EDIT:
Wie mache ich im Board die Signal-Namen auf den Pads bzw. den Bahnen wieder sichtbar?

[PeMue]

Moin Pf@nne,

Ja, schon aber willst du da 16A über das Board schicken? 

Ja, wir müssen ja auch beim finalen Board eine Aussage über die Stromtragfähigkeit der Leitungen machen. Und ich befürchte, dass da 1 oz copper nicht langen wird.

[silkscreen]: Gibt es da eine Minimalgröße?

Ja, laut Itead 32 mil. Ggf. gehen auch 30 mil noch, aber viel mehr drunter wird unlesbar. Ich weiß auch nicht, ob die einen checker drüberlaufen lassen. JP1 ... JP3 sind zu klein 
Und Deine Urheberinformationen könnten auch unlesbar werden. R11 ist auch zu klein 

Quer finde ich schöner.... 

Upps, war mein Fehler. Die verwechsle ich immer. Natürlich quer  , aber halt mit Info Feld. Und in der richtigen Größe für unsere Drucker.

Ich habe das Logo jetzt in tNames verschoben, reicht das?

Müsste passen. Auch hier gibt es Minimalanforderungen: Pixelgröße 3-4 mm. Du hast eine Breite von 1 mil bzw. dann die Länge unterschiedlich gerastert. Könnte klappen, aber ohne Garantie. Aber das Logo müsste sichtbar sein.

Massekonzept:
Du hast jetzt zwei Masse-Polygone drüber gelegt.
Wie mache ich die Flächen wieder sichtbar?

Einfach Ratsnest drücken  ...

Gruß Peter

Edit:
Vorschlag: Du änderst die o.g. Beschriftungen wie folgt:
R11 auf 35 mil, den Rest auf min. 32 mil, ziehst die Version auf 1.0 und machst noch mal neue Gerberdaten. OSHPark kann auch Gerberdaten rendern, aber mit den Bohrdaten haben die Probleme (da ist ein Faktor 10 dazwischen  ). Ansonsten sind die Gerberdaten ok.
Irgendwie ist aber die Definition der Lötstoppmasken unterschiedlich (mal abgerundete Ecken, mal eckig). Man sollte doch lieber die eigenen Bauteile nehmen 
Kannst ja Deine obige Version rausnehmen, ich habe die Versionsnummer oben verkleinert