Strom- und Spannungssensor INA3221

© Dervish37, 123RF

Unter Strom

Für einen kleinen Spannungsmesser wie den INA3221 gibt es viele Einsatzmöglichkeiten. Wir zeigen, wie Sie den flexiblen Baustein richtig verdrahten.

Beim I2C-Baustein INA3221 handelt es sich um einen kombinierten Sensor für Strom und Spannungen mit drei Kanälen. Er eignet sich zum Überwachen und zum Energiemanagement in unterschiedlichen Anwendungen. In diesem Zusammenhang lohnt es sich, einige Probleme rund um das Messen elektrischer Werte näher zu betrachten. Als Programmiersprache für das Beispiel kommt, wie schon in den letzten Teilen dieser Reihe, Go mit dem Gobot-Framework zum Einsatz.

Der INA3221 residiert in einem VQFN-Gehäuse mit 16 Beinen. Mit etwas Geschick wäre es möglich, diese Gehäuseform manuell zu löten. Leichter fällt der Umgang mit einem fertigen Modul [1], auf dem schon alle nötigen Zusatzkomponenten verlötet sind.

Der Betriebsspannungsbereich des INA3221 liegt zwischen 2,7 und 5,5 Volt. Der Baustein vermag für drei Verbraucher sowohl die Spannung als auch den Strom zu messen. Die Spannung darf dabei zwischen 0 und 26 Volt liegen, der Strom hängt von den verwendeten Widerständen ab. Auf dem Modul sind Widerstände mit einen Wert von 0,1 Ohm verbaut, im Allgemeinen als Shunt bezeichnet. Deren Funktionsweise erläutert der Kasten "Shunt".

Shunt

Als Shunt bezeichnet man einen niederohmigen Messwiderstand, den man in einen Stromkreis einbaut, um indirekt den Strom zu messen. Dazu misst man die Spannung, die am Widerstand abfällt, und errechnet daraus den Strom. Mehrere Umstände erzwingen diesen Umweg: A/D-Wandler können keine Stromwerte messen, da sie sich dabei in den Stromkreis einklinken müssten. Hohe Ströme verursachen am Shunt eine entsprechende Verlustleistung, weswegen man ihn in der Regel vom eigentlichen Kreislauf zum Messen trennt.

Der Shunt sollte möglichst geringe Toleranzwerte aufweisen, um die Messung nicht zu verfälschen. Bei der Strommessung fällt am Shunt auf jeden Fall eine Spannung (U=R*I) ab, die dann nicht mehr für den Verbraucher bereitsteht. Der Spannungsabfall am Shunt erzeugt eine an der Energiequelle gespeiste Verlustleistung (P=U*I), die immer Abwärme bedeutet. Bei Einsatz eines Shunts gilt es daher, immer die maximale Leistung des Bauteils zu beachten, sonst brennt es einfach ab.

Für das Wandeln von analog nach digital kommen im Baustein 12-Bit-A/D-Wandler zum Einsatz. Der INA3221 eignet sich damit für Batterielader, Netzteile, das Überwachen von Testumgebungen und allgemeines Energiemanagement in Geräten.

Das Modul lässt sich am I2C-Bus mit vier unterschiedlichen Adressen betreiben, je nachdem, welchen Pin Sie mit A0 verbinden (siehe Tabelle "Mögliche Adressen"). Verbinden Sie keinen Pin mit A0, verwendet der Baustein die Adresse 0x40h. Weiterführende Informationen liefert bei Bedarf das Datenblatt des INA3221 [2].

Mögliche Adressen

Pin an A0

Adresse

GND

0x40h

VSS

0x41h

SDA

0x42h

SCL

0x43h

Aufbau

Abbildung 1 zeigt unseren Testaufbau, den zugehörigen Schaltplan finden Sie in Abbildung 2. Wir verbanden das INA3221-Modul eins zu eins über den I2C-Bus mit dem RasPi. An den Eingängen des Moduls hingen als Verbraucher einige LED-Module mit 12 Volt Betriebsspannung.

Abbildung 1: Im Test kam ein Aufbau mit einem INA3221-Modul und zwei LED-Leuchten als Verbraucher zum Einsatz.
Abbildung 2: Der Schaltplan zum Aufbau zeigt, wie Sie die Bauteile korrekt verdrahten, um diesen Versuch selbst nachzuvollziehen.

Wie Sie die Software für die Testumgebung installieren, lesen Sie bei Bedarf in Teil 18 dieser Reihe nach [3]. Das Gobot-Framework bringt einen Treiber [4] für den INA3221 bereits mit, sodass von dieser Seite kaum Aufwand anfällt. Um zu überprüfen, ob die I2C-Verbindung zum Modul fehlerfrei arbeitet, verwenden Sie wie gewohnt I2cdetect (Listing 1).

Listing 1

 

$ i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: 40 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

Haben Sie die Adresse des Moduls nicht verändert, dann meldet es sich unter 0x40h. Nun fragen Sie die Register 0xFF und 0xFF ab, um zu prüfen, ob der Baustein auf Anfragen richtig antwortet (Listing 2).

Listing 2

 

$ i2cget -y 1 0x40 0xFE w
0x4954
$ i2cget -y 1 0x40 0xFF w
0x2032

In den beiden Registern befindet sich jeweils die Kennung für Hersteller und Gerät. Das Datenblatt merkt dazu an, dass Low- und High-Byte vertauscht sind. Das stellt kein großes Problem dar: Einige Hersteller übertragen zuerst das Low-Byte, andere das High-Byte. Sie brauchen nur daran zu denken, das im Programm wieder richtig herum zu drehen. In diesem Workshop verwenden wir eine Bibliothek, die solche Anpassungen für uns übernimmt. Der INA3221 verfügt über 17 jeweils 16 Bit breite Register (siehe Tabelle "Register des INA3221").

Register des INA3221

Register

Name

Typ

0x00

Configuration

R/W

0x01

Channel-1 Shunt Voltage

R

0x02

Channel-1 Bus Voltage

R

0x03

Channel-2 Shunt Voltage

R

0x04

Channel-2 Bus Voltage

R

0x05

Channel-3 Shunt Voltage

R

0x06

Channel-3 Bus Voltage

R

0x07

Channel-1 Critical Alert Limit

R/W

0x08

Channel-1 Warning Alert Limit

R/W

0x09

Channel-2 Critical Alert Limit

R/W

0x0A

Channel-2 Warning Alert Limit

R/W

0x0B

Channel-3 Critical Alert Limit

R/W

0x0C

Channel-3 Warning Alert Limit

R/W

0x0D

Shunt-Voltage Sum

R

0x0E

Shunt-Voltage Sum Limit

R/W

0x0F

Mask/Enable Alert

R/W

0x10

Power-Valid Upper Limit

R/W

0x11

Power-Valid Lower Limit

R/W

0xFE

Manufacturer ID (0x5449)

R

0xFF

Device ID (0x3220)

R

Testprogramm

Das Testprogramm verwendet die Gobot-Bibliothek für den INA3221 (Listing 3). Weiterhin importiert das Programm die Module time und fmt, um Zeitintervalle zu definieren und eine Ausgabe auf der Konsole zu erzeugen.

Die Funktion main() definiert einen Adapter für den RasPi. Danach lädt sie den Treiber für den INA3221 in diesen Adapter. Die Funktion work dient dazu, jede Sekunde die Sensordaten auszulesen und auf der Konsole auszugeben. Zu guter Letzt definieren Sie einen neuen robot, der diese Funktion ausführt.

Listing 3

 

package main
import (
  "fmt"
  "time"
  "gobot.io/x/gobot"
  "gobot.io/x/gobot/drivers/i2c"
  "gobot.io/x/gobot/platforms/raspi"
)
func main() {
  raspberry := raspi.NewAdaptor()
  sensor := i2c.NewINA3221Driver(raspberry)
  work := func() {
    gobot.Every(1000*time.Millisecond, func() {
    u1,_:=sensor.GetBusVoltage(1)
    u2,_:=sensor.GetBusVoltage(2)
    u3,_:=sensor.GetBusVoltage(3)
    i1,_:=sensor.GetCurrent(1)
    i2,_:=sensor.GetCurrent(2)
    i3,_:=sensor.GetCurrent(3)
    fmt.Printf("Voltage Channel 1: %.2f V\n", u1)
    fmt.Printf("Current Channel 1: %.2f mA\n", i1)
    fmt.Printf("Voltage Channel 2: %.2f V\n", u2)
    fmt.Printf("Current Channel 2: %.2f mA\n", i2)
    fmt.Printf("Voltage Channel 3: %.2f V\n", u3)
    fmt.Printf("Current Channel 3: %.2f mA\n\n", i3)
    })}
  robot := gobot.NewRobot(
    "Raspberry Pi",
    []gobot.Connection{raspberry},
    []gobot.Device{sensor},
    work,
    )
  robot.Start()
}

Um das Programm zu starten, verwenden Sie das Kommando go run INA3221.go; Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für die Ausgaben. Die Spannungen aller Kanäle fallen identisch aus, was daran liegt, dass in dem INA3221-Modul alle Kanäle miteinander verbunden sind. Das Modul kann also nur eine Spannung und drei Ströme verarbeiten, obwohl der Baustein selbst drei unabhängige Spannungen und Ströme messen könnte.

Abbildung 3: Die Ausgabe des Testprogramms zeigt, welche Daten der Baustein im Betrieb misst.

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