Bild 1: Der MCS3264R005FEZR von Ohmite ist ein oberflächenmontierter 5-Milliohm-Shunt-Widerstand aus Metall.

Bild 1: Der MCS3264R005FEZR von Ohmite ist ein oberflächenmontierter 5-Milliohm-Shunt-Widerstand aus Metall. (Bild: Ohmite)

Eine einfache Möglichkeit der Strommessung besteht darin, einen kleinen Widerstand, auch Strom-Shunt genannt, mit dem zu messenden Strom in Reihe zu schalten. Die am Strommesswiderstand abfallende Spannung ist messbar, wodurch sich anschließend unter Anwendungen des ohmschen Gesetzes, basierend auf dem bekannten Wert des Widerstands, die Stromstärke berechnen lässt. Diese Methode ist einfach, kostengünstig und linear.

Eckdaten

Strommessverstärker und auch Strom-Shunt-Monitore sind Differenzverstärker-ICs, die Entwickler speziell für die Messungen der Strommessung entwickelten. Die Messungen basieren bei dieser Technologie auf der Berechnung des Spannungsabfalls an in Reihe geschalteten Shunt-Widerständen, die als Stromsensoren dienen. Auswahl und Platzierung dieser Shunts sowie der zugehörigen Strommessverstärker sind entscheidend für eine ordentliche Leistungsverteilung und -effizienz. Dieser Artikel behandelt die Auswahlkriterien für Shunts und Strommessverstärker basierend auf den Genauigkeitsanforderungen und Kosten.

Strommessung über Widerstände

Bild 1: Der MCS3264R005FEZR von Ohmite ist ein oberflächenmontierter 5-Milliohm-Shunt-Widerstand aus Metall.

Bild 1: Der MCS3264R005FEZR von Ohmite ist ein oberflächenmontierter 5-Milliohm-Shunt-Widerstand aus Metall. Ohmite

Bei der Auswahl des Strommesswiderstands sind Genauigkeit, Temperaturkoeffizient (TK) und Nennleistung des Widerstands wichtige Faktoren. Der Wert des Widerstands bestimmt den Spannungsabfall für einen bestimmten Wert des Stroms, außerdem bestimmt er die Verlustleistung des Messwiderstands. Im Allgemeinen beträgt der Wert des Messwiderstands einen Bruchteil eines Ohms. Für die Strommessung sind spezielle Widerstände erhältlich. In diesen Widerständen werden Metallelemente in Form von Platten oder Folien oder in Hybridtechnik aufgebaute Dünn- oder Dickschichtelemente verwendet.

Ein Beispiel für einen oberflächenmontierten Shunt-Widerstand aus Metall ist der Strommesswiderstand Ohmite MCS3264R005FEZR (Bild 1). Bei dieser oberflächenmontierten Komponente (SMD, Surface Mount Device) handelt es sich um einen 5-Milliohm-Widerstand mit zwei Anschlüssen, einer Nennleistung von 2 Watt und einem TK von 50 ppm/°C.

Shunt-Widerstände sind auch in Ausführungen mit vier Anschlüssen für Kelvin erhältlich. Bei der Kelvin-Verbindung wird der Strom in zwei Anschlüsse der Quelle eingespeist. Unmittelbar neben dem Shunt-Widerstand befinden sich zwei zusätzliche Messanschlüsse für die Spannung. Eine solche Platzierung der Spannungsdrähte verhindert den Spannungsabfall an den Anschlussdrähten oder -kontakten der Quelle. Da annähernd kein Strom zum Messinstrument fließt, ist der Spannungsabfall entlang der Messleitungen vernachlässigbar. Der FC4TR050FER von Ohmite ist ein Beispiel für einen 50-Milliohm-Metallfolien-Strom-Shunt mit vier Anschlüssen.

Es ist zu berücksichtigen, dass der Wert des Messwiderstands aufgrund seines Temperaturkoeffizienten abhängig von Temperaturänderungen variiert. Die Auswahl eines Widerstands mit einem geringen TK, die Verwendung eines Widerstands mit hoher Nennleistung oder die Bereitstellung eines Kühlkörpers sind Möglichkeiten, um Widerstandsänderungen durch Temperatureffekte zu minimieren.

Über Strommessverstärker Strom messen

Bild 2: Der vereinfachte Schaltplan eines typischen Strommessverstärkers. Die Verstärkung wird von den Verhältnissen der Widerstände R2 zu R1 und R4 zu R3 festgelegt.

Bild 2: Der vereinfachte Schaltplan eines typischen Strommessverstärkers. Die Verstärkung wird von den Verhältnissen der Widerstände R2 zu R1 und R4 zu R3 festgelegt. Digi-Key Electronics

Bei einem Strommessverstärker handelt es sich um einen speziellen Differenzverstärker-IC, der die an einem Strom-Shunt abfallende Spannung misst und eine zum gemessenen Strom proportionale Spannung ausgibt. Die am Strommesswiderstand abfallende Spannung bewegt sich üblicherweise im Bereich zwischen 1 bis 100 Millivolt, kann jedoch in der Nennspannung des Busses enthalten sein. Der Strommessverstärker verfügt über ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR, Common Mode Rejection Ratio), um die Busspannung aus dem Ergebnis am Ausgang zu eliminieren. Diese Komponenten sind für Gleichtaktspannungen ausgelegt, die höher als ihre eigene Versorgungsspannung sind.

Der vereinfachte Schaltplan eines Strommessverstärkers in Bild 2 zeigt einen typischen Differenzverstärker mit invertierenden und nicht invertierenden Eingängen sowie einem einzelnen Ausgang.

Hier legen die Widerstandswerte die Verstärkung des Strommessverstärkers fest. Die Struktur ist symmetrisch mit R1 = R3 und R2 = R4 und die Verstärkung wird vom Verhältnis von R2 zu R1 und vom Verhältnis von R4 zu R3 bestimmt. Bei einem typischen Strommessverstärker wie dem INA210CIDCKR von Texas Instruments weisen R2 und R4 einen Wert von 1 Megaohm und R1 und R3 einen Wert von 5 Kiloohm für eine Verstärkung von 200 Volt/Volt auf. Die Verstärkungsgenauigkeit für diese Version des Verstärkers beträgt 0,5 Prozent, während sich die Nennversorgungsspannung für diese IC sich im Bereich zwischen 2,7 Volt und 26 Volt bewegt. Jedoch liegt die maximale Gleichtakteingangsspannung unabhängig von der Versorgungsspannung zwischen -3 Volt und 26 Volt. Hierbei handelt es sich um das Hauptunterscheidungsmerkmal des Strommessverstärkers. Die Eingangs-Offset-Spannung beträgt lediglich 35 Mikrovolt und das typische CMRR ist 140 dB.

Abhängig von der Anwendung wäre der INA180B3IDBVR von Texas Instruments eventuell eine wirtschaftlichere Wahl. Dieser Strommessverstärker bietet einen identischen Bereich bei der Gleichtakteingangsspannung und ist mit Verstärkungen von 20, 50, 100 und 200 Volt/Volt verfügbar. Die Verstärkungsgenauigkeit beträgt 1 Prozent und das CMRR ist 100 dB mit einer Eingangs-Offset-Spannung von 100 Mikrovolt.

Welche Topologien der Strommessung gibt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Strommessung unterschiedlich konfigurieren

Bild 3: Bei der High-Side-Messung wird der Shunt (RSENSE) zwischen Spannungsquelle und Last platziert, wohingegen er bei der Low-Side-Messung zwischen Last und Masse platziert wird

Bild 3: Bei der High-Side-Messung wird der Shunt (R SENSE) zwischen Spannungsquelle und Last platziert, wohingegen er bei der Low-Side-Messung zwischen Last und Masse platziert wird. Digi-Key Electronics

Es gibt zwei Topologien zur Strommessung: die High-Side- und die Low-Side-Strommessung. Bei der High-Side-Konfiguration wird der Messwiderstand zwischen Spannungsquelle und Last platziert, wohingegen der Shunt bei der Low-Side-Messung zwischen Last und Masse platziert wird (Bild 3).

Bei der Low-Side-Strommessung ist zu beachten, dass diese massebezogen und die Gleichtakteingangsspannung niedrig ist. Dies vereinfacht die Wahl des Strommessverstärkers und des zugehörigen Schaltkreises, was zu einer Senkung der Kosten führt. Der Nachteil der Low-Side-Messung ist, dass die Last um den Wert der am Messwiderstand abfallenden Spannung über Masse schwebt. Ein Strom, der durch den Shunt-Widerstand fließt, erhöht oder senkt das Referenzniveau des Systems, da die Stromwerte schwanken. In einem Regelkreis kann dies zu Problemen führen. Des Weiteren lassen sich Masseschlüsse der Busspannung um den Shunt-Widerstand herum bei dieser Schaltkreiskonfiguration nicht erkennen. Die Vorteile der High-Side-Messung hingegen liegen darin, dass Last und Systemreferenz unabhängig vom überwachten Strom bezogen auf die Masse fest sind und sich Masseschlüsse der Busspannung problemlos identifizieren lassen. Nachteilig jedoch ist, dass nahe der Busspannung am Eingang der Messschaltung eine Gleichtaktspannung anliegt. Zusätzlich zur Belastung des Strommessverstärkers kann es bei manchen Anwendungen außerdem erforderlich sein, dass das Ausgangsniveau des Strommessverstärkers bis fast auf das Referenzniveau des Systems nach unten verschoben wird.

Die Probleme im Zusammenhang mit der High-Side-Strommessung haben zur Entwicklung zahlreicher Produktfamilien von Strommessverstärkern geführt. Sowohl der INA180 als auch der INA210 sind neue Strommessverstärker, die unabhängig von ihren Versorgungsspannungen für Gleichtaktspannungen von -3 Volt bis 26 Volt geeignet sind. Sie sind unter anderem vorgesehen für Anwendungen wie Motorsteuerungen, Batterieüberwachung und Leistungsmanagement. Für Anwendungen mit höheren Busspannungen können andere Strommessverstärker verwendet werden, die Gleichtakt-Eingangsspannungsbereiche bis 80 Volt bieten. Bei höheren Spannungen erfordern Strommessverstärker entweder die Verwendung externer Komponenten zur Isolierung des Verstärkers vor der Gleichtaktspannung oder von Isolationsverstärkern.

Auswahl des Werts für den Messwiderstand

Bild 4: Eine Simulation des Schaltkreises mit dem Simulationsprogramm TINA-TI von Texas Instruments mit dem 5-Milliohm-Strom-Shunt zeigt die lineare DC-Übertragungskennlinie mit einem Anstieg von 1 Volt/Ampere.

Bild 4: Eine Simulation des Schaltkreises mit dem Simulationsprogramm Tina-Ti von Texas Instruments mit dem 5-Milliohm-Strom-Shunt zeigt die lineare DC-Übertragungskennlinie mit einem Anstieg von 1 Volt/Ampere. Digi-Key Electronics

Bei der Strommessung ist der Wert des Messwiderstands so eingestellt, dass der Spannungsabfall am Widerstand über den erwarteten Busspannungsbereich weit über der Offset-Spannung des Strommessverstärkers und jeglichem vertikalen Rauschen liegt. Hierbei bestimmen die maximale Busspannung und der maximale Spannungsabfall die Nennleistung des Messwiderstands.

Anhand eines Beispiels mit einem 12-Volt-Bus, über den ein maximaler Strom von 2 Ampere fließen soll, lässt sich dies verdeutlichen. Bei Verwendung des Stromverstärkers INA210 sollte der Spannungsabfall am Shunt größer als die maximale Offset-Spannung von 35 Mikrovolt sein und das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis im Bereich zwischen 105 dB bis 140 dB liegen. Mit dem niedrigeren Wert (105 dB) wird das Potenzial des 12-Volt-Busses auf etwa 67 Mikrovolt gedämpft, was sich am Ausgang des Stromverstärkers als Offset-Spannung bemerkbar macht. Der Verstärker-IC multiplizierte hier die Offset-Spannung. Diese Offset-Spannung ist aufgrund des Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses nicht durch den zu messenden Strom bedingt. In diesem Fall ist sie jedoch nicht weiter problematisch, da sie weniger als 1 Prozent des gemessenen Werts beträgt.

Entwickler müssen den Wert des Messwiderstands so wählen, dass ein Spannungsabfall sehr viel höher als die Offset-Spannung ist. Für einen unipolaren Spannungshub von 2 Volt am Ausgang des INA210, der eine Verstärkung von 200 aufweist, sollte die Eingangsspannung 10 Millivolt betragen. Dieser Wert ist beträchtlich höher als der Eingangsspannungs-Offset oder die angegebene Offset-Spannung aufgrund des Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses. Bei einem maximalen Nennstrom von 2 Ampere sollte der Messwiderstand 5 Milliohm betragen. Die Nennleistung des Shunts sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die erwartete, maximale Nennverlustleistung von 20 Milliwatt. Der weiter oben beschriebene MCS3264R010FEZR von Ohmite wäre angesichts einer Nennleistung von 2 Watt geeignet.

Mit dem Simulationsprogramm Tina-TI von Texas Instruments lassen sich die DC- und AC-Übertragungskennlinie des Schaltkreises für diese Konfiguration sehen (Bild 4). Hier zeigt die DC-Übertragungskennlinie einen linearen Anstieg von 1 Volt/Ampere. Damit erhält man für einen maximalen Strom von 2 Ampere eine Spannung von 2 Volt am Ausgang. Der AC-Frequenzgang weist eine Bandbreite von 20 kHz auf.

Rich Miron

Rich Miron
Senior Technical Content Developer bei Digi-Key

(prm)

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