Strommessungen - All

THEMA
Bauelemente
Plusseitige
Strommessungen
am Shunt
Plusseitige Strommessungen waren stets eine
Aufgabe für die verschiedensten Arten von Differenz- oder Messverstärkern. Den kritischsten
Parameter für diesen Einsatzzweck stellt die
Gleichtaktunterdrückung dar.
n Schaltungen mit Widerstandsteilern
wird die Gleichtaktunterdrückung von
der Anpassung eines Widerstandspaares
bestimmt und ist dadurch auf Werte im Bereich von 70 bis 80 dB begrenzt. Bild 1 zeigt
I
Bild 2. Vereinfachtes
Schaltbild der Eingangsstufe des INA138
DER AUTOR
Wm. P. (Bill) Klein, P.E.
arbeitet als Senior Applikationsingenieur in
der Linear Division bei BurrBrown in Tucson, Arizona. Er
hat eine über
30jährige Erfahrung im Design
von analogen
Schaltkreisen.
Klein hält einen
BSEE der Arizona State University in
Tempe, Arizona und ist
erreichbar über
[email protected].
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den INA138, einen Baustein zur Spannungsmessung am plusseitigen Stromshunt. Der Chip weist eine Gleichtaktunterdrückung von 120dB auf und kann auch
die Signalverstärkung übernehmen.
Der in dem Baustein enthaltene Operationsverstärker arbeitet im linearen Modus.
Deshalb ist die Spannung an den Eingängen gleich. Es fließt außerdem kein Strom
durch die Eingänge. Sind diese Bedingungen erfüllt, muss die Spannung an Rg1
gleich der Spannung an RS sein (mathematisch ausgedrückt:
). Der
Kollektorstrom des Transistors muss gleich
dem Strom durch Rg1 sein. Dies lässt sich
wie folgt zusammenfassen:
Die Kombination beider Gleichungen ergibt:
Aus der Tatsache, dass VS = Vin+ - Vin- ist,
lässt sich ersehen, dass der INA138 ein Differenzverstärker mit vom Anwender einstellbarer Verstärkung ist.
Die in Bild 2 dargestellte Auslegung der
Eingangsstufe bringt es mit sich, dass die
Gleichtaktspannung lediglich durch die –
vom Fertigungsprozess abhängenden –
Spannungsfestigkeit des Transistors bestimmt wird. Andere Variablen wie die Versorgungsspannung, die eingestellte Verstärkung oder die Widerstandswerte wirken
sich dagegen nicht aus. Da die Eingangssignale an die Emitter der PNP-Transistoren
gelangen, fließt ein geringer Eingangsruhestrom. Der Großteil des Offsets,
der durch diesen Strom entsteht, wird
Bild 1. Der ‚High-Side Current Shunt Monitor‘ INA138
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durch die gleich großen Widerstände Rg1
und Rg2 an jeder Seite des Eingangs aufgehoben.
Ausgangsimpedanz
Einige Aspekte müssen in jeder Applikation
beachtet werden. Der INA138 eignet sich
für Gleichtaktspannungen über +2,7 V
(nur positiv). Wenn der Eingangssignalpegel in der Nähe von Null liegt, ist die Genauigkeit eingeschränkt. Wird der ausgangsseitige Strom mit Rout in eine Spannung umgewandelt, ist die Ausgangsimpedanz gleich Rout. Einige Anwendungen werden deshalb einen zusätzlichen Puffer erfordern, um die Ausgangsimpedanz zu verringern.
Es hat einen erheblichen Vorteil, dass das
Ausgangssignal als Strom und nicht als
Spannung vorliegt. Wenn sowohl der Ladeals auch der Entladestrom eines Akkus
überwacht werden muss, liefert die in Bild
3 gezeigte Schaltung die nötigen Werte. In
diesem Fall signalisiert IC1 den Entladeund IC2 den Ladestrom. Da es sich bei dem
Ausgangssignal um einen Strom handelt,
hat der Spannungsabfall an den Ausgangsdioden keinen Einfluss auf das Ausgangssignal. Mit den Dioden soll eine negative
Ansteuerung der Ausgangstransistoren verhindert werden, wenn an der jeweils anderen Stufe ein Ausgangssignal ansteht.
In Umgebungen mit hohem Strömungsaufkommen kann es notwendig sein, das
Signal einer Tiefpassfilterung zu unterziehen. Die entsprechende Schaltung ist in
Bild 4 gezeigt. Durch die hohe Ausgangsimpedanz wird die Polstelle des Tiefpasses
durch die Zeitkonstante (Rout)*(Cout) bestimmt.
Der INA138 von Burr-Brown eröffnet eine
neue, kostengünstige Möglichkeit zum
Messen des plusseitigen Stroms. Durch geeignete Wahl des Shunt-Widerstands und
der Signalverstärkung ist die nötige Flexibilität gegeben, um ein Optimum an Leistungsfähigkeit zu erzielen. Wegen seiner
hochentwickelten Eingangsstufe weist der
Baustein eine wesentlich höhere Gleichtaktunterdrückung auf als frühere Schaltungen.
Bild 3. Einsatz zweier
INA138 zum Signalisieren
von Lade- und Entladestrom
Bild 4. Tiefpassfilterung
des Ausgangssignals
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