Grundlagen der Strommessung: Teil 2 – Strommessverstärker

Von Steve Leibson

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Anmerkung des Herausgebers: Im 1. Teil dieser Artikelserie wurden die Unterschiede zwischen Strommesswiderständen behandelt. In dem hier vorliegenden 2. Teil wird das Design und die Verwendung von Verstärkern zur Anhebung der an ihnen anliegenden Spannung auf einen nutzbaren Pegel besprochen.

Strommesswiderstände, auch Shunts genannt, sind die bevorzugte Technologie zur Messung des Stromflusses. Um den Stromfluss nicht negativ zu beeinflussen, haben sie einen kleinen Widerstandswert, der zu einem proportional kleinen Spannungsabfall führt. Infolgedessen müssen Entwickler Schaltungen einsetzen, die diese kleine Spannung für die weitere Nutzung durch einen Analog/Digital-Wandler (ADC) verstärkt.

Die niedrige Spannung am Shunt-Widerstand muss in der Regel von einigen zehn oder hundert Millivolt auf einige Zehntelvolt oder Volt verstärkt werden. Diese Aufgabe wird häufig von einem Operationsverstärker (OPV) bzw. einem Strommessverstärker übernommen. Ein Strommessverstärker ist ein spezieller Operationsverstärker mit einem zusätzlichen lasergetrimmten Präzisions-Widerstandsnetzwerk, mit dem die Verstärkung festgelegt wird. Der Verstärkungsfaktor für die Spannung beträgt typischerweise 20 bis 60 und manchmal auch mehr.

Im Gehäuse des Strommessverstärkers kann sich bereits der Strommesswiderstand befinden. Bei höheren Leistungen ist wegen der von der Verlustleistung erzeugten Wärme ein externer Shunt-Widerstand vorzuziehen.

Die übliche Konfiguration der Signalkette zur Überwachung des Stromflusses besteht aus einem Shunt-Widerstand, einem Analog-Front-End (AFE), einem ADC und einem System-Contoller (Abbildung 1). Ein AFE, d. h. ein Operationsverstärker oder ein dedizierter Strommessverstärker, wandelt die kleine Differenzspannung, die am Shunt-Widerstand abfällt, in eine vom ADC nutzbare Spannung um.

Diagramm: Messung des Stromflusses mit einem Strom-Shunt-Widerstand

Abbildung 1: Am einfachsten lässt sich der Stromfluss mit einem Shunt-Widerstand (ganz links) messen, an dem eine Spannung abfällt, die proportional zum Stromfluss durch den Widerstand ist. Da die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung sehr klein ist, wird sie über ein AFE verstärkt, um den vollständigen Messbereich des Analog-Digital-Wandlers zu nutzen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Es gibt zwei grundlegende Möglichkeiten, einen Shunt-Widerstand in einer Schaltung für Low-Side- und High-Side-Strommessungen anzuschließen. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile.

Low-Side-Strommessungen

Bei einer Low-Side-Strommessung wird der Strom-Shunt-Widerstand zwischen der aktiven Last und Masse angeordnet. Die geeignetste Schaltung für Low-Side-Strommessungen ist in Abbildung 2 dargestellt. In der Schaltung wird ein Strommessverstärker INA181 von Texas Instruments verwendet. Zur Low-Side-Strommessung können auch viele andere Verstärkermodelle verwendet werden.

Diagramm: Low-Side-Strommessung mit einem INA181 von Texas Instruments

Abbildung 2: Bei einer Low-Side-Strommessung mit einem INA181 von Texas Instruments wird der Strom-Shunt-Widerstand zwischen der aktiven Last und Masse angeordnet. (Bildquelle: Texas Instruments)

Low-Side-Strommessungen sind einfach zu implementieren, da die am Shunt-Widerstand gemessene Spannung massebezogen ist. In dieser Konfiguration kann der Strommessverstärker ein Niedrigspannungs-Bauteil sein, da die Größenordnung der gemessenen Spannung nur wenige Millivolt über der Massereferenz liegt. In dieser Konfiguration ist die gemessene Spannung kein Versatz bezüglich einer höheren Spannung, sodass keine Gleichtaktunterdrückung erforderlich ist. Die Low-Side-Messung ist die einfachste und kostengünstigste Messmethode.

Der Nachteil der Low-Side-Strommessung ist, dass die Last aufgrund der Anordnung des Shunt-Widerstands nicht mehr massebezogen ist und die Low-Side der Last daher mehrere Millivolt über Masse liegt.

Eine nicht vorhandene Massereferenz kann zu einem Problem werden, wenn ein Kurzschluss zwischen einer Last und Masse auftritt. Ein derartiger Kurzschluss kann beispielsweise dann auftreten, wenn es einen Kurzschluss zwischen einer Wicklung der Last, z. B. eines Motors, in einem Metallgehäuse mit dem massebezogenen Gehäuse gibt. Der Strommesswiderstand ist möglicherweise nicht in der Lage, einen derartigen Kurzschluss zu erkennen.

Darüber hinaus muss der Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich Masse einschließen, damit eine Low-Side-Messung möglich ist. Dies ist normalerweise bei Verstärkern mit positiver und negativer Stromversorgung kein Problem, aber es kann für Verstärker mit einer einzelnen Stromversorgung zu einem Problem werden. Daher ist ein Gleichtaktspannungsbereich einschließlich Masse ein wichtiges Kriterium bei der Wahl eines geeigneten Verstärkers für Low-Side-Messungen.

Es gibt bei Low-Side-Strommessungen einen weiteren Aspekt. Beachten Sie, dass der ADC ADS114 von Texas Instruments in Abbildung 2 eine direkte Massereferenz besitzt und dass sich der Low-Side-Eingangsknoten des ADC in der Nähe der Masseverbindung am Eingang des Strommessverstärkers INA181 befindet.

Bei einer Strommessung mit kleinen Spannungsabfällen an Shunt-Widerständen mit kleinen Widerstandswerten, durch die große Lastströme fließen, ist darauf zu achten, dass Masse nicht überall auf dem gleichen Potenzial liegt. Es können leicht Spannungsabfälle von einigen Millivolt zwischen verschiedenen Massepunkten eines Systems auftreten, wenn durch Massenetzwerke oder Masseebenen die bei Leistungsanwendungen auftretenden hohen Stromstärken fließen. Verdrahten Sie daher unbedingt zusammenhängende Massereferenzen nahe beieinander, um Spannungsdifferenzen zu minimieren.

Um diese Fehlerquelle auszuschließen, muss der Massereferenz-Pin des ADC in der Nähe der Low-Side des Strommesswiderstands und dem Low-Side-Eingang des Strommessverstärkers angeschlossen werden. Der Anschlusspunkt darf in keinem Fall irgendein leicht erreichbarer Punkt der Masseebene sein. Notieren Sie sich zur doppelten Absicherung diese Anforderung direkt auf dem Schaltplan und zeichnen Sie für die Massereferenz eine Sternverbindung ein, um diesen Punkt noch einmal zu unterstreichen.

Ebenso beeinflusst die Offset-Spannung am Eingang des Strommessverstärkers die Genauigkeit der Verstärkung unverhältnismäßig, wenn der Spannungsabfall am Strommesswiderstand gering ist. Aus diesem Grund empfiehlt sich die Wahl eines Verstärkers mit sehr niedriger Offset-Spannung am Eingang. Der in Abbildung 2 gezeigte Verstärker INA181 hat bei einer Konfiguration für Low-Side-Messungen, bei denen keine Gleichtaktspannung vorhanden ist, einen Spannungs-Offset von ±150 Mikrovolt am Eingang.

Trotz einiger Nachteile ist die Konfiguration für die Low-Side-Strommessung eine gute Wahl, wenn die Last keine Massereferenz besitzen muss oder wenn interne Kurzschlüsse zwischen Last und Masse entweder nicht auftreten können oder von der Elektronik für die Strommessung nicht erfasst werden müssen.

Wenn aber bestimmte funktionelle Sicherheitsvorschriften für ein Design vorliegen, ist eine High-Side-Strommessung die bessere Wahl.

High-Side-Strommessungen

Bei einer High-Side-Strommessung wird der Strom-Shunt-Widerstand zwischen Stromquelle und aktiver Last eingefügt. Abbildung 3 zeigt diese Anordnung mit einem Strommessverstärker INA240 von Texas Instruments als AFE. Die Gleichtakteingangsspannung dieses Bausteins kann die Versorgungsspannung bei Weitem übertreffen. Damit ist er eine gute Wahl für High-Side-Strommessungen.

Diagramm: HIgh-Side-Strommessung mit einem INA240 von Texas Instruments

Abbildung 3: Bei einer Schaltung für eine High-Side-Strommessung wird der Strommesswiderstand zwischen Stromquelle und aktiver Last eingefügt. (Bildquelle: Texas Instruments)

High-Side-Strommessungen bieten gegenüber Low-Side-Messungen zwei wesentliche Vorteile. Erstens ist ein Kurzschluss zwischen der Last und Masse leicht zu erkennen, da der entstehende Kurzschlussstrom direkt durch den Strom-Shunt-Widerstand fließt, wodurch an diesem ein Spannungsabfall entsteht. Zweitens wird bei dieser Messtechnik keine Massereferenz verwendet, sodass differenzielle Massespannungen, die von starken Stromflüssen durch die Groundplane verursacht werden, die Messung nicht beeinflussen. Trotzdem empfiehlt es sich, die Massereferenz des ADC in der Nähe der Masse des Verstärkers anzubringen.

Die High-Side-Strommessung hat einen wesentlichen Nachteil. Wie oben besprochen muss der Strommessverstärker über eine hohe Gleichtaktunterdrückung verfügen, da die geringe Spannung am Strom-Shunt knapp unter der Versorgungsspannung der Last liegt. Je nach Auslegung des Systems kann die Gleichtaktspannung recht hoch werden. Der Strommessverstärker INA240 in Abbildung 3 hat einen großen Gleichtaktbereich von -4 bis 80 V.

Integrierte Verstärkungswiderstände oder nicht?

Abbildungen 2 und 3 veranschaulichen Konfigurationen für die Low-Side- und High-Side-Strommessung, für die in beiden Fällen Strommessverstärker mit integrierten Verstärkungswiderständen eingesetzt werden. Diese integrierten Widerstände bieten viele Vorteile, u. a. eine Vereinfachung des Designs, eine Reduzierung der benötigten Komponenten und eine lasergetrimmte Genauigkeit der Verstärkung. Der wesentliche Nachteil bei der Verwendung eines derartigen Verstärkers besteht darin, dass die Verstärkung ab Werk fest eingestellt ist. Dies ist kein Problem, wenn die Einstellung der Verstärkung für den beabsichtigen Zweck geeignet ist. Wenn für den Einsatzzweck allerdings eine bestimmte Verstärkung erforderlich ist, da die Höhe des Shunt-Widerstands aufgrund anderer Kriterien gewählt wurde, ist ein Operationsverstärker mit separaten Widerständen die bessere Wahl.

Abbildung 4 zeigt die Schaltung eines Strommessverstärkers für High-Side-Strommessungen auf Grundlage des Operationsverstärkers MCP6H01 von Microchip Technology und separaten Widerständen zur Einstellung der Verstärkung.

Diagramm: Konfiguration für die High-Side-Strommessung mit separaten Widerständen und Operationsverstärker

Abbildung 4: Diagramm: Konfiguration für die High-Side-Strommessung mit separaten Widerständen und Operationsverstärker. (Bildquelle: Microchip Technology)

Bei dieser Schaltung wird die Verstärkung durch den Quotienten von R2 und R1 festgelegt. Beachten Sie dabei, dass R1* = R1, R2* = R2 und dass der Strom-Shunt-Widerstand RSEN ganz erheblich niedriger als R1 und R2 sein muss. Dies ist normalerweise kein Problem, da die Größenordnung des Strom-Shunt-Widerstands bei sehr großen Stromstärken im Milliohm-Bereich liegt oder ein Bruchteil eines Milliohms beträgt.

Die Gleichungen in Abbildung 4 belegen, dass bei der Verwendung eines Operationsverstärkers mit separaten Widerständen mehr Komponenten als bei einem Strommessverstärker mit internen Widerständen spezifiziert werden müssen.

Fazit

Strommessverstärker formen die niedrigen Spannungen an Shunt-Widerständen in höhere Spannungen um, die sich besser für die Wandlung mit einem ADC eignen. Es gibt zwei Möglichkeiten für die Strommessung: Low-Side und High-Side. Bei Low-Side-Messungen wird der Strommesswiderstand zwischen Last und Masse eingefügt, während bei High-Side-Messungen der Strommesswiderstand zwischen Stromversorgung und Last eingefügt wird. Sowohl die Low-Side- als auch die High-Side-Messung habt Vor- und Nachteile, daher sind bei der Wahl für einen bestimmten Zweck Überlegungen erforderlich.

Bei einer Strommessung ist es möglich, einen für diesen Zweck konstruierten Strommessverstärker ab Werk mithilfe von lasergetrimmten Widerständen eingestellter Verstärkung oder einen geeigneten Operationsverstärker und separate Widerstände zu verwenden. Bei der Wahl der ersten Alternative ist die Anzahl der Komponenten geringer und das AFE-Design wird vereinfacht. Wenn allerdings die Auslegung des AFE eine spezifische Verstärkung zur Anpassung an einen bestimmten Wert für den Shunt-Widerstand und an den Eingangsspannungsbereich des ADC verlangt, ist die zweite Alternative geeigneter.

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Über den Autor

Steve Leibson

Steve Leibson war Systemingenieur für HP und Cadnetix, der Chefredakteur für EDN und Microprocessor Report, ein Tech-Blogger für Xilinx und Cadence (u.a.) und er diente als Technologieexperte für zwei Folgen von „The Next Wave with Leonard Nimoy“. Er hilft Entwicklern seit 33 Jahren, bessere, schnellere und zuverlässigere Systeme zu entwickeln.

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