Messbereich von 50 nA bis 50 A Von Mücken und Elefanten

Ströme zwischen Betriebszustände bestimmen, konfrontiert die Messtechnik mit einer extremen Dynamik.
Ströme zwischen Betriebszustände bestimmen, konfrontiert die Messtechnik mit einer extremen Dynamik.

Jeder, der Ströme vermisst, die von Power-Management, Sleep-Modi und den Übergängen zwischen Betriebszuständen bestimmt sind, ist mit einer extremen Dynamik konfrontiert, die übliche Messtechnik an ihre Grenzen bringt. Auto-Ranging bietet neue Möglichkeiten, jedoch auch neue Herausforderungen.

Die in der Messtechnik auf breiter Front durchgesetzte Technik hochauflösender ADCs ermöglicht es bereits mit einer festen Dimensionierung, beachtliche Dynamikbereiche abzudecken. Trotzdem umfassen Sensoren, Signale und die zu untersuchenden physikalischen Prozesse oft so weite Spannen, dass zusätzlich eine angepasste Bereichswahl (zum Beispiel durch Vorverstärkung) nötig ist, um die Technik sinnvoll auszuschöpfen.

Während klassischerweise der Bereich vor der Messung fest konfiguriert wird, erlauben Auto-Ranging-Verfahren eine dynamische Anpassung während der laufenden Messung. Das ist sinnvoll, wenn man den erwarteten Verlauf nicht kennt oder der Test den gesamten Dynamikbereich abdeckt und auch lückenlos erfassen soll.

Will man Bereichsdynamik erreichen, die über die ADC-Auflösung (von zum Beispiel 24 bit) noch weit hinausgeht, so kann man zumindest bei Spannungsmessungen dynamisch die Vorverstärkung erhöhen. Bei Strommessungen an einem Messwiderstand (Shunt) ist die Aufgabe dagegen anspruchsvoller: Hier ist es erforderlich, während der laufenden Messung den Shunt anzupassen – und zwar ohne dabei den Mess-Stromkreis zu unterbrechen und die kontinuierliche Messung im Übergangsbereich zu beeinträchtigen.

Ein typisches Anwendungs-Szenario ist etwa eine einzige durchlaufende Testmessung, die einen kompletten Power-Up-Zyklus analysiert: Von winzigen Leckströmen im Sleep-Modus, über Surge und Inrush beim Starten, bis hin zu Hochleistungs-Arbeitsbereichen – und wieder zurück. Dabei muss die Messtechnik rückwirkungsfrei sein. Sie darf also das Testobjekt nicht beeinflussen und soll in allen Arbeitsbereichen optimale Messauflösung und Genauigkeit liefern. Großen Bedarf gibt es dafür natürlich im Automotive-Bereich, etwa in einem Testfeld, das eine Vielzahl von Komponenten und Steuergeräten aus einem Fahrzeug verschaltet und deren komplexes Zusammenspiel im Bordnetz untersucht. Doch auch Entwicklung und Test von Mobilgeräten mit Batterie und Funktechnik bis hin zum Energy Harvesting sind mit ähnlichen Aufgabenstellungen konfrontiert.

Strom-Messung als besondere Herausforderung

Bei der Strommessung mittels Messwiderstand stellt die Wahl des Shunt eine zentrale Entscheidung und auch Limitierung dar. Während er groß genug ausfallen muss, um signifikante Spannungssignale zu liefern, die nicht in Rauschen und Störgrößen untergehen, setzt die mit dem Arbeitsstrom qua­dratisch zunehmende Verlustleistung harte Grenzen. Für einen angestrebten maximalen Arbeitsstrom (Messbereich) von 50 A kann der Shunt etwa nicht größer als 2 mΩ gewählt werden, da er dann bereits 5 W umsetzt – das Limit für ein noch handliches Gerät. An diesem oberen Arbeitspunkt liefert er dann magere 100 mV, die aber noch gut beherrschbar sind und nach adäquater Vorverstärkung etwa von einem 1-V-ADC mit 24 bit sauber verarbeitet werden können. Strebt man jedoch mit dieser Konfiguration gleichzeitig eine Messauflösung von zum Beispiel 50 nA an, etwa um Leckströme zu messen, so wird schnell klar, dass hier die Grenzen der Physik klar überschritten werden. Pegel von 2 mΩ × 50 nA = 0,1 nV haben definitiv keine Chance, sich gegenüber Rauschen und parasitären Thermospannungen etc. durchzusetzen, selbst wenn man sie mit einer zusätzlichen Verstärkung von zum Beispiel Faktor 1000 auf 0,1 µV „aufblasen“ würde (Bild 1a). Die Vorverstärkung muss also aus dem Shunt selbst generiert werden.

Das kann durch einen zweiten seriellen Shunt realisiert werden, wie in Bild 1b gezeigt: Dieser ist mit 2 Ω um einen Faktor 1000 hochohmiger (Shunt-Verstärkung), aber nur bei kleinen Strömen aktiv. Sobald höhere Arbeitsströme ihn überlasten könnten, lässt er sich dynamisch mit einem Bypass überbrücken.

Bild 1c skizziert, wie sich mit dieser Kombination dann eine Gesamt-Bereichsdynamik von circa 30 bit erreichen lässt, also ein Verhältnis von maximalem Messbereich zu minimaler Auflösung von 1:1 Milliarde (109). Zum Vergleich: Mit einer Waage mit dem entsprechenden Messbereich könnte man eine Mücke von 2 mg und dann einen Elefanten von 2 t (= 2 × 109 mg) messen.

Damit ist das Grundprinzip bereits umrissen: Das Herz des Messmoduls von imc bildet der Messstrom-Pfad, in dem ein für den Maximalstrom ausgelegter niederohmiger 2-mΩ-Shunt stets aktiv ist. Ein zweiter hochohmiger 2-Ω-Shunt in Serie kann auch kleinste Ströme noch sauber erfassen, wird jedoch mittels schneller Schalter dynamisch überbrückt, sobald der aktuelle Arbeitsstrom eine Schwelle von circa 100 mA überschreitet. Die Spannungen an beiden Shunts werden von einem 30-kS/s-ADC mit 24 bit gemessen und von einem Prozessor korrekt selektiert, skaliert und kalibriert. Die Ausgabe erfolgt über den CAN-Bus mit wählbaren Datenraten zwischen 1 Hz und 1 kHz. Ausgangsgrößen sind neben Mittelwerten auch Minimal- und Maximal-Werte über das gewählte Ausgabe-Intervall. Diese werden auf Basis der internen Datenrate von 30 kHz ermittelt.