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.

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