Leistungsfähige Strommessverstärker

OPERATIONSVERSTÄRKER
Leistungsfähige
Strommessverstärker
Greg Zimmer, Linear Technology
Die meisten analogen ICs (Komparatoren, Operationsverstärker,
Instrumentationsverstärker,
Referenzen und Filter) sind dafür
konzipiert, Spannungssignale zu
verarbeiten. Wenn es darum geht,
mit Stromsignalen umzugehen,
haben Designer deutlich weniger
Möglichkeiten und viel mehr Kopfschmerzen. Das ist schade, denn
es kann von großem Vorteil sein,
Strom direkt zu überwachen und
zu messen. Das Motordrehmoment,
die Stärke von Magnetspulen,
die LED-Intensität, die Exposition
von Solarzellen und die Batterieleistung können am besten überwacht werden, indem man den
Stromfluss beobachtet. Dafür
benötigt man eine Schaltung,
die Strom präzise messen und
diesen Strom in eine Spannung
umwandeln kann.
D
ie gängigste Lösung ist, einen Messwiderstand zu verwenden, der direkt
in Reihe mit dem Strom geschaltet
wird, sowie einen Verstärker, um die Spannung über diesen Widerstand zu messen. Dabei unterscheidet man zwischen High-Sideund Low-Side-Strommessung. Bild 1 zeigt
das Prinzip der Low-Side-Messung. Da die
Masseleitung kein perfekter Leiter ist, kann
die Massespannung an verschiedenen Punkten im System unterschiedlich sein, was den
Einsatz eines Differenzverstärkers für Präzisionsmessungen erforderlich macht (Bild 2).
Bild 1. Topologie
einer Low-SideStrommessung
Bild 2.
Schaltung für
eine Low-SideStrommessung
Dieses Verfahren wird als High-Side-Strommessung bezeichnet. Die Differenzspannung
über dem Messwiderstand bietet eine direkte Messung des Stroms, aber es entsteht
jetzt eine Gleichtaktspannung über dem Widerstand (Bild 3).
Bei Niederspannungssystemen kann ein Instrumentationsverstärker oder ein Rail-to-RailDifferenzverstärker für die Überwachung eines High-Side-Messwiderstands ausreichen.
Wenn die Versorgungsspannung sehr hoch
ist, kann eine Schaltung erforderlich sein,
um VSENSE auf den Eingangsgleichtaktbereich
des Verstärkers herabzusetzen oder um den
Verstärker bis zur Versorgungsspannung
zu betreiben. Bei den meisten Strommessapplikationen ist es erforderlich, von großen Gleichtaktschwankungen auszugehen.
Strommessschaltungen können Gleichtaktspannungen ausgesetzt sein, die höher sind
als die Versorgungsspannung. Viele Elektrogeräte sind von Natur aus induktiv. Schnelle
Stromänderungen können eine induktive
Bei der Implementierung einer Low-SideStrommessung entsteht noch ein zweites
Problem. Ein Widerstand im Massepfad
bedeutet, dass sich das Massepotenzial für
die Last in dem Maße ändert, wie sich der
Strom ändert. Dies kann Gleichtaktfehler in
das System einführen und stellt ein Problem
beim Anschluss an andere Systeme dar, die
dasselbe Massepotenzial erfordern. Das Problem kann man vermeiden, indem man den
Strommesswiderstand zwischen die Stromversorgung und die Last schaltet.
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Elektronik Informationen 05-2008
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Bild 3. HighSide-Strommessung
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Rückkopplung verursachen, die zu großen
Spannungsschwankungen über den Messwiderstand führen.
Einfache Lösung
Um die Herausforderungen der Strommessung zu meistern, wurden High-SideStrommessverstärker
entwickelt.
Diese
speziellen Verstärker sind dafür konzipiert,
eine kleine Differenzspannung, die vom
Strom, der durch einen kleinen Messwiderstand fließt, erzeugt wird, aus einer hohen
Gleichtaktspannung zu extrahieren. Die
Messspannung wird dann verstärkt und in
ein auf Masse bezogenes Signal übersetzt.
Bild 4 zeigt die grundlegende Topologie
eines High-Side-Strommessverstärkers. Hier
zwingt der Verstärker eine Spannung über
RIN, die äquivalent mit VSENSE ist. Der Strom
durch RIN wird dann durch ROUT geleitet, was
eine massereferenzierte Ausgangsspannung
ergibt. Es ist klar, dass High-Side-Strommessverstärker für diese grundlegende Fähigkeit
einen hohen Eingangswiderstand haben
sollten, eine hohe Verstärkung mit großer
Verstärkungsgenauigkeit und einen großen
Gleichspannungsbereich mit guter Gleichtaktunterdrückung.
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Bild 4.
Elementarer
High-Side-Strommessverstärker
Bild 5.
Beschaltung
des LTC6102
Idealerweise sollte sich die Strom- und Spannungsmessung nicht auf die Last auswirken,
mit der sie verbunden ist. Das bedeutet,
dass Spannungsmessgeräte einen fast unbegrenzten Eingangswiderstand haben sollten.
Dadurch wird gewährleistet, dass kein nennenswerter Strom von der Last abgeleitet
wird. Dagegen sollte ein Strommessgerät einen Eingangswiderstand von fast null haben,
denn dadurch wird gewährleistet, dass die
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Spannung zur Last nicht bedeutend reduziert
wird. High-Side-Strommessschaltungen (Verstärker und Widerstand) müssen beide Forderungen erfüllen. Der Verstärker, der für die
Messung der Spannung über RSENSE verwendet
wird, muss einen hohen Eingangswiderstand
haben. Der Widerstand, der für die Messung
des Stroms zur Last verwendet wird, muss
sehr klein sein. Um dies richtig zu verstehen,
betrachten wir doch die Verwendung eines
großen Messwiderstands. Wenn der Reihenwiderstand steigt, sinkt die Spannung, die
für die Last verfügbar ist. Große Messwiderstände können übermäßige Hitzeabstrahlung
verursachen, was langfristig Zuverlässigkeitsprobleme mit sich bringen kann.
Moderner Strommessverstärker
Neue High-Side-Strommessverstärker bieten drastische Leistungsverbesserungen
im Vergleich zu früheren Generationen.
Zum Beispiel ist der LTC6102 ein neuer
High-Side-Strommessverstärker mit ZeroDrift-Technologie. Der Verstärker hat eine
Eingangsoffsetspannung von nur 10 μV
und eine Offsetdrift von maximal 50 nV/°C.
Verglichen mit früheren Generationen von
Strommessverstärkern kann der LTC6102
einen deutlich kleineren Messwiderstand
verwenden. Wenn das System eine große
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VSENSE tolerieren kann, kann der LTC6102
Messspannungen bis zu 2 V akzeptieren.
Das Messen von sehr kleinen Strömen
ist möglich, weil mit externen Widerständen
eine beliebige Verstärkung gewählt werden
kann. Bei Verwendung von Präzisionswiderständen kann die Verstärkungsgenauigkeit
über 99 % liegen.
Die hochohmigen Eingänge begrenzen
den Eingangsruhestrom auf unter 300 pA.
Der LTC6102 kann mit einer Eingangsgleichspannung von bis zu 105 V arbeiten. Die
Gleichspannungsunterdrückung von 130 dB
führt weniger als 32 μV Offsetfehler über
den gesamten Eingangsgleichspannungsbereich von 100 V ein. Zum Fehlerschutz hat
der LTC6102 eine Schaltzeit von 1 μs, so dass
er schnell eine Stromabschaltung veranlassen
kann, wenn eine unerwartete Überlast oder
Versorgungsänderungen auftreten (Bild 5).
Fazit
High-Side-Strommessverstärker bieten inhärente Vorteile für die Überwachung und
Steuerung von Strom. Sich weiterentwickelnde Technologien bei Batteriemanagement und Motorsteuerung erzeugen einen
größeren Bedarf an Strommessverstärkern
mit höheren Gleichspannungen, höherer
Genauigkeit und höherer Präzision. HighSide-Strommessverstärker haben jetzt die
Leistungsniveaus von Präzisionsoperationsverstärkern erreicht, so dass Entwicklern
eine einfache, vielseitige und hochpräzise
Alternative zu den Strommessschaltungen
der Vergangenheit zur Verfügung steht. Für
weitere Informationen zum Strom messen
hat Linear Technology eine Application Note
zusammengestellt, die eine umfangreiche
Sammlung von Strommessschaltungen enthält, die unter www.linear.com/currentsense
zur Verfügung steht.
(jo)
• Linear Technology
• Kennziffer: 203
• www.el-info.de
³ Webcode: 05203
Zum Autor
Greg Zimmer
ist Produkt Marketing
Ingenieur für Signalkonditionierungsprodukte bei Linear
Technology. Er hat
einen BS in Electrical
Engineering und
Computer Science
und einen BA in
Ökonomie.
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