Leistungsfähige Strommessverstärker
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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. 40 Elektronik Informationen 05-2008 040-043_Operationsverst.indd 40 Bild 3. HighSide-Strommessung Kennziffer: 422 ³ Webcode: 05422 21.04.2008 10:11:27 Uhr 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. 040-043_Operationsverst.indd 41 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 21.04.2008 10:12:38 Uhr OPERATIONSVERSTÄRKER 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 040-043_Operationsverst.indd 42 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. 21.04.2008 10:13:09 Uhr
