Effiziente Auswahl und Anwendungen von Strommessverstärkern für ein besseres Leistungsmanagement

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Leistungsintegrität und -regelung sind für tragbare und IoT-Geräte sowie für Systeme in der Automobiltechnik, in denen netz- oder batteriebetriebene elektronische Komponenten durch Überwachung von Netzteilströmen die Leistungsverteilung regeln, von entscheidender Bedeutung. Strommessung ist der Schlüssel zur Verlängerung der Batterielebensdauer, da Überströme verhindert, Erdungsfehler überwacht und die Regelung von Stromquellen optimiert werden. Das Problem dabei ist, trotz hoher Gleichtaktspannungen exakte Messwerte zu erhalten.

Strommessverstärker bzw. Strom-Shunt-Monitore sind Differenzverstärker-ICs, die speziell für diese wichtigen Messungen entwickelt wurden. Strommessungen basieren auf der Berechnung des Spannungsabfalls an in Reihe geschalteten Shunt-Widerständen, die als Stromsensoren verwendet werden. 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

Die einfachste Möglichkeit zur Strommessung besteht darin, einen kleinen Widerstand, der auch als Strom-Shunt bezeichnet wird, mit dem zu messenden Strom in Reihe zu schalten. Die am Strommesswiderstand abfallende Spannung wird gemessen, woraufhin der Strom unter Anwendung des ohmschen Gesetzes basierend auf dem bekannten Wert des Widerstands berechnet werden kann. Diese Methode ist einfach, kostengünstig und linear.

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 der 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 (Abbildung 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.

Bild: Shunt-Widerstand MCS3264R005FEZR von Ohmite

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

Shunt-Widerstände sind auch in Ausführungen mit vier Anschlüssen (für Kelvin) erhältlich. In 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). Durch diese Platzierung der Spannungsdrähte wird der Spannungsabfall an den Anschlussdrähten bzw. -kontakten der Quelle verhindert. 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.

Man sollte 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.

Strommessverstärker

Bei einem Strommessverstärker handelt es sich um einen speziellen Differenzverstärker-IC, mit dem die an einem Strom-Shunt abfallende Spannung gemessen wird und der 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 Abbildung 2 zeigt einen typischen Differenzverstärker mit invertierenden und nicht invertierenden Eingängen sowie einem einzelnen Ausgang.

Vereinfachter Schaltplan eines typischen Strommessverstärkers

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

Die Widerstandswerte legen die Verstärkung des Strommessverstärkers fest. Die Struktur ist symmetrisch mit R1 = R3 und R2 = R4. Die Verstärkung wird vom Verhältnis von R2 zu R1 und vom Verhältnis von R4 zu R3 bestimmt. Bei einem typischen Strommessverstärker wie dem leistungsstarken Texas Instruments INA210CIDCKR 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 %. Die Nennversorgungsspannung für diese IC bewegt sich im Bereich zwischen 2,7 Volt und 26 Volt. Die maximale Gleichtakteingangsspannung liegt jedoch 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 % und das CMRR ist 100 dB mit einer Eingangs-Offset-Spannung von 100 Mikrovolt.

Konfigurationen zur Strommessung

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 (Abbildung 3).

Schaltbild zur High-Side- und Low-Side-Strommessung

Abbildung 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. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die Low-Side-Strommessung ist massebezogen und die Gleichtakteingangsspannung ist niedrig. Dies vereinfacht die Wahl des Strommessverstärkers und des zugehörigen Schaltkreises, wodurch üblicherweise auch die Kosten gesenkt werden.

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 können Masseschlüsse der Busspannung um den Shunt-Widerstand herum bei dieser Schaltkreiskonfiguration nicht erkannt werden.

Die Vorteile der High-Side-Messung sind, dass Last und Systemreferenz unabhängig vom überwachten Strom bezogen auf die Masse fest sind und Masseschlüsse der Busspannung problemlos erkannt werden können.

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 V 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

Der Wert des Messwiderstands ist so eingestellt, dass der Spannungsabfall am Widerstand über den erwarteten Busspannungsbereich weit über der Offset-Spannung des Strommessverstärkers und jeglichem vertikalem Rauschen liegt. Die Nennleistung des Messwiderstands wird durch die maximale Busspannung und den maximalen Spannungsabfall festgelegt.

Nehmen Sie als Beispiel einen 12-Volt-Bus, über den ein maximaler Strom von 2 Ampere fließen soll. Bei Verwendung des Stromverstärkers INA210 sollte der Spannungsabfall am Shunt größer als die maximale Offset-Spannung von 35 Mikrovolt sein.

Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis liegt im Bereich zwischen 105 dB bis 140 dB. Mit dem niedrigeren Wert (105 dB) wird das Potenzial des 12-Volt-Busses (die Gleichtaktspannung) auf etwa 67 Mikrovolt gedämpft. Dies macht sich am Ausgang des Strommessverstärkers als Offset-Spannung bemerkbar, die mit der Verstärkung des Verstärkers multipliziert wurde. Diese Offset-Spannung aufgrund des Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses ist nicht durch den zu messenden Strom bedingt. In diesem Fall ist sie jedoch nicht weiter problematisch, da sie weniger als 1 % des gemessenen Werts beträgt.

Der Wert des Messwiderstands muss so gewählt werden, 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.

Simuliert man diese Konfiguration mit dem Simulationsprogramm TINA-TI von Texas Instruments, kann man die DC- und AC-Übertragungskennlinie des Schaltkreises sehen (Abbildung 4). Die DC-Übertragungskennlinie zeigt 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.

Bild: Simulation des Schaltkreises mit dem Simulationsprogramm TINA-TI von Texas Instruments

Abbildung 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. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Fazit

Strommessverstärker wurden speziell entwickelt, um Busströme anhand von Spannungsabfällen an in Reihe geschalteten Shunt-Widerständen zu messen. Sie eignen sich insbesondere für High-Side-Strommessungen, bei denen hohe Gleichtaktspannungen vorhanden sind. Die Wahl eines passenden Verstärkers ist einfach und dieser liefert bei ordnungsgemäßer Verwendung ausgezeichnete Ergebnisse zur Messung, Überwachung und Regelung der Leistung in elektronischen Systemen.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

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