Messung kleiner Ströme Spannende Präzision

Für die high-seitige Strommessung nutzt man üblicherweise spezielle Verstärker. Dies ist schwierig, wenn Ströme bei Gleichtaktspannungen über 100 V ohne Abstriche an die Messgenauigkeit gemessen werden sollen - hier erscheint ein klassischer 5-V-Operationsverstärker völlig absurd.

Zweck der vorliegenden Applikation ist das Messen von Strömen in einer mit 150 V betriebenen industriellen Motorsteuerung. Gemäß Bild 1 erfolgt die Messung mithilfe eines Shunts. Um auch kleine Ströme exakt messen zu können, kommt für die Schaltung ein für 5 V bemessener Präzisionsoperationsverstärker zum Einsatz.

Damit der besagte Operationsverstärker in dieser Anwendung verwendet wer­den kann, ohne dass er durch das Anlegen von immerhin 150 V an seinen Eingang zerstört wird, nutzt man die Spannung V1, um die positiven Versorgungsspannung Vcc_H für den ersten Operationsverstärker OP_A zu erzeugen. Mithilfe einer Zenerdiode Z1 mit 4,7 V Durchbruchspannung (z. B. »BZT52C4V7S«) wird die negative Versorgungsspannung Vcc_L für den OP_A erzeugt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass OP_A von Vcc_L = 145,3 V bis Vcc_H = 150 V mit einer Spannung von 4,7 V gespeist wird. Der Widerstand RZ sorgt für einen Bias-Strom in der Zenerdiode (ca. 5 mA) und stellt einen Rücklaufweg für den Bias-Strom des Operationsverstärkers (ca. 40 µA) zur Verfügung.
Die infolge des Stromflusses durch RSense entstehende Spannung VSense wird von OP_A mithilfe der Widerstände R1, R2, R3 und R4 verstärkt. Der P-MOSFET (z. B. »BSP2220«) erzeugt einen Ausgangsstrom, der exakt proportional zum Strom durch RSense ist, sowie mit R4 die massebezogene Spannung V0, die proportional zum high-seitigen Strom ist. Die Ausgangsspannung der ersten Stufe der Schaltung wird durch Gleichung (1) beschrieben.

left parenthesis 1 right parenthesis space V subscript o equals rightwards arrow from R subscript 1 to V subscript apostrophe S E N S E end subscript of times rightwards arrow from R subscript 3 to R subscript 4 of times open parentheses R subscript 1 plus R subscript 2 plus R subscript 3 close parentheses


Der zweite Operationsverstärker OP_B hat die Aufgabe, die Spannung V0 zu puffern. Der Widerstand R5 kann hinzugefügt werden, um die eingebaute ESD-Schutzdiode von OP_B davor zu schützen, dass in den Eingangsanschlüssen während des Einschaltvorgangs ein hoher Strom fließt.
Die Motorsteuerung zieht einen Strom von maximal 100 A, sodass über einen Shunt-Widerstand von 100 µΩ eine maximale Spannung VSense von 10 mV abfällt. Die maximale Ausgangsspannung hängt ab von VSense und dem resultierenden, durch R4 fließenden Ausgangsstrom. Da sie einem A/D-Wandler des Mikrocontrollers zugeführt werden soll, darf die maximale Ausgangsspannung V0 nicht größer als 3,3 V sein.
Damit das beschriebene System einwandfrei funktioniert, sind die Werte der verwendeten Bauelemente sorgfältig zu wählen. Hauptsächlich geht es darum, den Betrag der Gate-Source-Spannung über dem Transistor klein zu halten, damit der Ausgang von OP_A nicht in die Sättigung gerät. Folglich ist bei der Dimensionierung der Bauelemente ein Kompromiss zu schließen und Gleichung(2) 

 left parenthesis 2 right parenthesis space open vertical bar V subscript G S comma m a x end subscript close vertical bar space less than V subscript Z e n e r end subscript minus fraction numerator R subscript 3 times open parentheses R subscript 1 plus R subscript 2 close parentheses over denominator R subscript 4 times open parentheses R subscript 1 plus R subscript 2 plus R subscript 3 close parentheses end fraction times V subscript O _ m a x end subscript

einzuhalten. Darin ist VGS,max der Wert der Gate-Source-Spannung, der nötig ist, um im Transistor den Strom ID,max = (V0,max)/R4 fließen zu lassen. Außerdem gilt VZener = Vcc_H – Vcc_L.