Lückenlos und hochaufgelöst

Die Menge an elektronischen Komponenten, die in modernen Fahrzeugen verbaut sind, steigt rasant an und reicht von elektrischen Verstellantrieben für Komfortfunktionen, Beleuchtungs- und Entertainment-Systemen, bis hin zu Steuergeräten (ECUs) für Antriebskomponenten. Selbst scheinbar banale Funktionen sind mittlerweile mit intelligenter und hochkomplexer Steuerungselektronik ausgestattet. Wie dieses komplexe System von Verbrauchern im batteriegespeisten DC-Bordnetz interagiert, ist ein wichtiges Thema im Entwicklungsbereich. Es ist ein gängiges Verfahren, im Prüffeld einen „Brett-Aufbau“ mit allen beteiligten Geräten, Komponenten und Systemen zu installieren, um verschiedene Betriebsszenarien und Abläufe durchzuspielen. Erfasst man dazu systematisch die individuellen Betriebsströme, so ist man schnell mit enormen Anforderungen an die Messbereichsdynamik konfrontiert. Zwischen Leckströmen im Nanoampère-Bereich während einer Sleep-Phase und dem Wechsel in den Volllast-Betriebsbereich liegen mitunter Welten, und trotzdem muss man gerade diese Zustands-Übergänge in einer durchgängigen Messung lückenlos erfassen.

Mit dem Brettaufbau lässt sich ein komplettes Fahrzeug-Bordnetz vermessen. IMC

Auto-Ranging als dynamische Messbereichs-Anpassung

Die mittlerweile gängige, hochauflösende ADC-Technologie mit 24 Bit ermöglicht es zwar, bereits mit einer festen Dimensionierung beachtliche Spannen abzudecken, doch für das beschriebene Szenario sind Bereichsdynamiken um die 30 Bit gefordert. Klassische Messtechnik stößt da rasch an ihre Grenzen, sodass zusätzlich eine angepasste Vorverstärkung erforderlich ist. Das überrascht zunächst nicht, doch die Herausforderung besteht hier darin, die Bereichswahl während der laufenden Messung vorzunehmen und zwar automatisch, in Abhängigkeit des aktuell gemessenen Stromwertes, dessen erwarteten Verlauf man nicht kennt. Darüber hinaus darf dieser Umschaltvorgang keine Rückwirkung auf den Messkreis oder das Messobjekt haben, denn genau diesen Übergangsbereich will man mit erfassen und analysieren.

Verstärkung ist als Shunt-Umschaltung realisiert

Um die Grenzen der Spannungsverstärkung zu überwinden, verwendet man einen festen Shunt und erreicht so die erforderliche Bereichsdynamik. IMC

Im Gegensatz zur Spannungsmessung kann man jedoch bei der Strommessung an einem Messwiderstand (Shunt) nicht einfach die Vorverstärkung erhöhen, denn man würde bei den extrem kleinen Signalen schlicht im Rauschen „ertrinken“. Daher muss bei sehr kleinen Strömen die Verstärkung aus einem angepassten, hochohmigeren Shunt resultieren, der nennenswerte Spannungssignale liefern kann. Das führt zu der ungleich anspruchsvolleren Aufgabe, den Shunt während der Messung umzuschalten, ohne dabei jedoch den Stromkreis zu unterbrechen.

Dazu betreibt man zwei Shunts in Reihe. Den hochohmigen überbrückt man über einen schnellen Leistungsschalter, sobald ein ansteigender Strom an ihm einen zu großen Spannungsabfall verursachen würde. Das jeweils relevante Messsignal selektiert man dann entsprechend aus den beiden Messpfaden.

Isolierte Messkanäle erlauben beliebig platzierte Messstellen im Bordnetz. IMC

30 dB Bereichsdynamik

Anhand der konkreten Dimensionierung wird das zu lösende Dilemma deutlich, denn die Größe des Shunts ist der zentrale Parameter beim Schaltungskonzept. Einerseits muss er groß genug ausfallen, um signifikante Spannungssignale zu liefern, welche nicht in Rauschen und Störgrößen untergehen. Andererseits nimmt die umgesetzte Verlustleistung mit dem Strom quadratisch zu und setzt auch bei ausgefeiltem Wärmemanagement harte Grenzen. Für einen Messbereich mit einem Arbeitsstrom von 50 A kann man den Shunt beispielsweise nicht größer als 2 mΩ wählen. Er setzt dabei bereits 5 W um und liefert an diesem oberen Arbeitspunkt dann gerade einmal 100 mV. Das ist eine Größenordnung, die noch gut beherrschbar ist und die ein 24-Bit-ADC gut verarbeiten kann.

In den Prüfkreis lässt sich ein zusätzliches externes Messgerät einschleifen. IMC

Strebt man jedoch mit dieser Konfiguration gleichzeitig eine Messauflösung von beispielsweise 50 nA an, etwa um Leckströme zu messen, so wird schnell klar, dass man hier klar an die Grenzen der Physik kommt. Pegel von 2 mΩ * 50 nA = 0,1 nV haben definitiv keine Chance, sich gegenüber Rauschen, parasitären Thermospannungen und ähnliches durchzusetzen, selbst wenn man sie mit einer zusätzlichen Verstärkung von beispielsweise Faktor 1000 auf 0,1 µV „aufblasen“ würde. Die Vorverstärkung muss also aus dem Shunt selbst generiert werden. Dieser zweite serielle Shunt ist mit 2 Ω um einen Faktor 1000 hochohmiger, was man als Shunt-Verstärkung bezeichnet, aber nur bei kleinen Strömen aktiv. Sobald höhere Arbeitsströme von mehr als 100 mA ihn überlasten könnten, wird er dynamisch mit einem Bypass überbrückt. So lässt sich eine Gesamt-Bereichsdynamik von ca. 30 Bit erreichen, also ein Verhältnis zwischen maximalem Messbereich zu minimaler Auflösung von 1:1 Mrd. (10 hoch 9).

Lösung für Bordnetz- und Komponenten-Prüffelder

Die Backplane weist mehrere Optionen zur Hochstrom-Kontaktierung auf. IMC

Auf diesem Konzept basiert das Cansas-IHR-Messmodul von IMC, indem es auf einer Moduleinheit zwei galvanisch isolierte Auto-Ranging-Messpfade zur Strommessung an Lasten bereitstellt, die mit bis zu 18 VDC versorgt sind. Die Isolation erlaubt es dabei, die Messstelle beliebig zu platzieren (Hin- oder Rückleiter, Teil- oder Gesamtströme).

Schnelle elektronische Sicherungen auf FET-Basis trennen bei Überlast sicher und reversibel den Prüfkreis und ein weiterer optionaler Schalter lässt es zu, ein zusätzliches externes Labor-Messgerät in den Kreis einzuschleifen.

Die Spannungen an beiden Shunts digitalisiert man mit 30 kSamples und 24 Bit, die ein Prozessor automatisch selektiert, skaliert und kalibriert. Die Ausgabe erfolgt über den CAN-Bus mit wählbaren Datenraten zwischen 1 Hz und 1 kHz. Ausgangsgrößen sind neben den Auto-skalierten Mittelwerten auch Min- und Max-Werte über das gewählte Ausgabe-Intervall, die man auf Basis der internen 30-kHz-Datenrate ermittelt.

Das Messmodul Cansas-IHR ist als 2-kanaliger Rack-Einschub oder als Stand-Alone-Modul für verteilte Installationen verfügbar. IMC

Die Module lassen sich in ein spezielles 19-Zoll-Rack einbauen, dessen Backplane mit mehreren Optionen zur Hochstrom-Kontaktierung der Prüflinge vorbereitet ist. Damit lassen sich sehr flexibel auch umfangreiche Prüffelder instrumentieren und die erfassten Messdaten mit beliebigen CAN-basierten Datenloggern oder Applikationssystemen aufzeichnen und auswerten.

Neben dieser Rack-Lösung für Prüfstands-Anwendungen ist auch eine Version im eigenständigen Alu-Profilgehäuse verfügbar. So lassen sich räumlich verteilte Anwendungen realisieren oder auch mobile Fahrversuche ausrüsten.

Dynamische Shunt-Umschaltung

Die Umschaltung des Shunts muss deutlich schneller reagieren als es für die eigentliche Messung erforderlich ist. Schlagartig ansteigender Strom muss augenblicklich den hochohmigen Shunt kurzschließen, um nicht nur dessen Verglühen zu verhindern, sondern auch eine Bürdenspannungs-Spitze im Lastkreis zu vermeiden. Diese würde sonst als kurzzeitiger Spannungseinbruch im Lastkreis die zu testende Lastkomponente beeinflussen oder sogar abklemmen.

Die dynamische Shunt-Umschaltung ermöglicht eine nahezu rückwirkungsfreie Umschaltung bei Messungen an Testobjekten mit hochdynamischem Verhalten. IMC

Daher steuert ein schneller Komparator das Zuschalten des Shunt-Bypasses, während ein erneutes Aktivieren des hochohmigen Shunts nur verzögert zugelassen ist. Die Kombination von Pegel-Hysterese der Umschaltschwelle und zeitlicher Hysterese des schnellen Aktivierens (< 1µs) und langsameren Deaktivierens (< 1 ms) des Bypasses garantiert dabei sichere und stabile Zustandsübergänge.

So gelingt es, auch bei Stromanstiegen von 10 A/µs eine nahezu rückwirkungsfreie Umschaltung zu realisieren, die dabei Spannungseinbrüche an der Last auf etwa 400 mV begrenzt. Dazu trägt eine passende Kapazität über dem Shunt bei, die im Übergangsbereich die Spannungstransienten bis zum Ansprechen des Komparators dämpft. Somit ist das Konzept auch zum Messen an Testobjekten mit hochdynamischem Verhalten geeignet.

Die Hysterese-Totzeiten sowie auszublendende Einschwingzeiten der parallelen Messpfade (ADC) limitieren sinnvolle Messdaten-Ausgaberaten auf 100 Hz. Allerdings ist es auch möglich, in einem Fix-Modus die Auto-Range-Shunt-Umschaltung zu deaktivieren und dann eine maximale Datenrate von 1 kHz zu nutzen.

(pet)