Strommasten im Dämmerlicht

Stromleitungen zu überwachen ist oft ein heikles Unterfangen, da es nicht ganz ungefährlich ist und oftmals mehrere Verfahren notwendig sind. Mit einem einzigen Baustein lässt sich das jetzt umsetzen. Neben Datenerfassung übernimmt er auch noch Diagnose-Features. (Bild: ©brianguest - stock.adobe.com)

In vielen Anwendungen sind zur Überwachung von Stromleitungen Stromwandler und Widerstandsteiler-Netzwerke erforderlich, die die Spannungen und Ströme auf den drei Außenleitern und dem Neutralleiter erfassen (Bild 1). Der Baustein AD7606B von Analog Devices kann wegen seiner hohen Eingangsimpedanz direkt mit dem jeweiligen Sensor verbunden werden. Das Design des Datenerfassungssystems vereinfacht sich, da in den AD7606B alle benötigten Funktionsblöcke integriert sind.

Der AD7606B vereint auf einem Chip nicht weniger als acht separate Signalketten, die echte bipolare, analoge Eingangssignale von ±10 V oder ±5 V entgegennehmen können, obwohl der Baustein selbst nur mit einer einzigen Spannung von 5 V versorgt wird. Als Treiber fungierende Operationsverstärker oder externe bipolare Versorgungsspannungen sind dank dieser Eigenschaften nicht erforderlich.

Jeder der acht Kanäle besteht aus einer 21-V-Eingangsspannungsbegrenzung, einem resistiven Programmable Gain Amplifier (PGA) mit einer Eingangsimpedanz von 5 MΩ, einem Anti-Alias-Filter erster Ordnung und einem 16-bit-SAR-ADC. Zusätzlich vorhanden sind ein optionaler digitaler Mittelwertfilter mit Oversampling-Verhältnissen bis zu 256 sowie eine driftarme 2,5-V-Referenz, die beim Aufbau eines kompletten Datenerfassungs-Systems zur Überwachung von Stromleitungen helfen können.

Neben der vollständigen analogen Signalkette besitzt der AD7606B eine Vielzahl an Kalibrier- und Diagnose-Features, um die Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit des Gesamtsystems zu verbessern.

Bild 1: Beschaltung des AD7606B in einer typischen Applikation zur Überwachung einer Stromleitung. (Bild: Analog Devices)
Bild 1: Beschaltung des AD7606B in einer typischen Applikation zur Überwachung einer Stromleitung. (Bild: Analog Devices)

Direkte Sensorschnittstelle

Die Eingangsimpedanz des AD7606B wurde gegenüber dem AD7606 auf 5 MΩ angehoben, was den direkten Anschluss eines breiten Spektrums von Sensoren ermöglicht und dabei zwei eindeutige Vorteile bietet:

  • Verringerung des Verstärkungsfehlers, der durch externe Serienwiderstände (z. B. ein Filter- oder Widerstandsteiler-Netzwerk) hervorgerufen wird.
  • Der beim Abklemmen des Sensors entstehende Offset reduziert sich, was die Implementierung einer Sensor-Unterbrechungs-Erkennung vereinfacht.

Verstärkungsfehler durch externe Widerstände

Beim werksseitigen Abgleich können RFB und RIN (typisch 5 MΩ) an einem PGA genau kontrolliert werden, um die Verstärkung des AD7606B präzise einzustellen. Befindet sich jedoch ein Widerstand im Frontend, wie es in Bild 1 der Fall ist, weicht die tatsächliche Verstärkung von dem auf den Idealwert getrimmten Verhältnis zwischen RFB und RIN ab.

Je höher RFILTER ist, umso größer wird der Verstärkungsfehler, was wiederum Kompensationsmaßnahmen seitens des Controllers erfordert. Je höher allerdings RIN ist, umso weniger wirkt sich ein bestimmter RFILTER-Wert aus. Betrug die Eingangsimpedanz des AD7606 noch 1 MΩ, wurde dieser Wert im Fall des AD7606B auf 5 MΩ gesteigert, woraus folgt, dass sich der Verstärkungsfehler bei identischem Serienwiderstand (RFILTER) ohne Kalibrierung auf ein Fünftel verringert (siehe Bild 2).

Bei Verwendung des AD7606B im Softwaremodus kann jedoch der Verstärkungsfehler des Systems automatisch und innerhalb des Chips kompensiert werden, und zwar für jeden Kanal einzeln, sodass seitens des Controllers keinerlei Notwendigkeit zur Berechnung irgendwelcher Verstärkungs-Kalibrierungen besteht.

Verstärkungsfehler
Bild 2: Durch einen Serienwiderstand hervorgerufener Verstärkungsfehler. (Bild: Analog Devices)

Erkennung einer unterbrochenen Verbindung zum Sensor

In der Vergangenheit ermöglichte ein Pull-down-Widerstand (RPD) parallel zum Sensor (in Bild 1 ein Stromwandler), eine Unterbrechung in der Verbindung zum Sensor zu erkennen. Hierzu musste lediglich überwacht werden, ob sich ein ADC-Ausgangscode von weniger als 20 LSB für eine Reihe von Abtastwerten (N) wiederholt.

Empfohlen wird ein RPD-Wert, der deutlich größer ist als die Quellimpedanz des Sensors, damit der von diesem parallelen Widerstand erzeugte Fehler möglichst gering ist. Allerdings wird mit dem Widerstandswert von RPD auch der Ausgangscode größer, der bei fehlender Verbindung zum Sensor generiert wird. Dies aber ist aber nicht wünschenswert, denn eine fehlende Verbindung zum Sensor kann bei einem großen ADC-Ausgangscode möglicherweise unbemerkt bleiben. Da der AD7606B eine höhere Eingangsimpedanz hat als der AD7606, wird bei fehlender Sensorverbindung bei gleichem RPD ein kleinerer ADC-Ausgangcode erzeugt, wie Bild 3 zeigt, sodass das Risiko von Fehlalarmen sinkt.

Im Softwaremodus des AD7606B steht eine Funktion zur Erkennung von Leitungsunterbrechungen zur Verfügung, sodass nicht mehr die Controller-Software dafür verantwortlich ist, eine fehlende Verbindung zum Sensor zu detektieren. Nachdem die Anzahl der Abtastwerte N programmiert ist (im Beispiel von Bild 4 ist N = 3), wird automatisch der Algorithmus gestartet, wenn für den analogen Eingang für mehrere Abtastwerte hintereinander ein niedriger DC-Wert gemeldet wird. Hierdurch wird ein Flag gesetzt, das die fehlende Verbindung zum Eingangssignal meldet.

Offsetfehler
Bild 3: Entstehender Offsetfehler bei Trennung des Sensors von den analogen Eingängen des ADC. (Bild: Analog Devices)

System-Performance

Kalibrierung des System-Offsets

Bei der Verwendung eines externen Widerstandspaars, wie in Bild 1 gezeigt, führt jegliche Veränderung zwischen beiden Widerständen zu einem Offset, der als Code am ADC-Ausgang ansteht, wenn der Sensor an Masse gelegt wird. Durch Programmieren des Offsetregisters für den betreffenden Kanal kann das Umwandlungsergebnis mit einem Offset zwischen -128 LSB und +127 LSB versehen werden, um diesen System-Offset zu kompensieren.

Kalibrierung der System-Phasenlage

Über den CONVST-Pin wird der Wandlungsbeginn so koordiniert, dass der Prozess auf allen Kanälen gleichzeitig angestoßen wird. In Anwendungen allerdings, in denen die Ströme mit Stromwandlern gemessen werden, während die Spannungen mithilfe eines Spannungsteilers herabskaliert werden, entsteht zwangsläufig ein Phasenversatz zwischen den Strom- und Spannungs-Kanälen. Um diesen Versatz auszugleichen, kann der AD7606B den Abtastzeitpunkt auf beliebigen Kanälen hinauszögern, sodass, wie in Bild 5 gezeigt, eine einheitliche Phasenlage der Ausgangssignale hergestellt wird.

Fehlende Verbindung zum Sensor
Bild 4: Erkennung einer fehlenden Verbindung zum Sensor. (Bild: Analog Devices)

Betriebssicherheit des Systems

Um die Verlässlichkeit des Systems zu verbessern, sind in den Chip mehrere Diagnose-Features integriert:

  • Über- und Unterspannungs-Komparatoren für jeden Kanal.
  • Ein Interface-Check, der auf allen Kanälen vorgegebene Daten heraustaktet, um die Kommunikation zu verifizieren.
  • Meldung ungültiger SPI-Schreib- und Lesevorgänge, wann immer Schreib- oder Lesezugriffe auf ein ungültiges Register erkannt werden.
  • Mit BUSY STUCK HIGH wird gemeldet, wenn die BUSY-Leitung nach dem Initiieren einer Umwandlung länger als die normale Zeitspanne gesetzt bleibt.
  • Die Reset-Detektierung löst einen Alarm aus, wenn ein vollständiger, partieller oder Power-on-Reset am internen LDO-Regler detektiert wurde.
  • Eine CRC-Prüfung kann für den kompletten Speicherbereich, im ROM und für jede Schnittstellen-Kommunikation ausgeführt werden, um die korrekte Initialisierung und/oder Funktion zu garantieren.
Phasenlage
Bild 5: Angleichung der Phasenlage verschiedener Kanäle. (Bild: Analog Devices)

Zusammenfassung zum AD7606B

Mit dem AD7606B ist ein komplettes, auf einem Chip zusammengefasstes Datenerfassungs-System auf den Markt gekommen, das sämtliche Funktionsabschnitte eines analogen Frontends enthält. Neben einer vollständigen Auswahl an Diagnose-Features ist auch die Verstärkungs-, Offset- und Phasenkalibrierung enthalten. Der AD7606B senkt auf diese Weise die für die Bauelemente entstehenden Kosten und verringert die Designkomplexität, sodass sich die Realisierung von Anwendungen zur Überwachung von Stromleitungen vereinfacht.

Autor

Lluis Beltran Gil

Application Engineer bei Analog Devices

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