Stromerfassung per Strommesswiderstand Genau überwachen mit Shunts

Die Strommessung ist eine grundlegende Anforderung für praktisch jedes Gerät mit elektronischen Steuer- oder Überwachungsfunktionen. Vorteile sind unter anderem: längere Batterielaufzeiten, effizienterer und ruhigerer Betrieb von Antrieben, schnellere Erkennung von Fehlerzuständen mit einem Plus an Sicherheit. Wie sehen die grundlegenden Konzepte von Strom-Messwiderständen und Techniken der Strommessung aus? Wo liegen die Vor- und Nachteile von drei typischen Messkonfigurationen?

Strom wird fast immer indirekt gemessen und oft aus der Spannung abgeleitet, die über einem Widerstand im Strompfad abfällt (I = V/R). Strommesswiderstände sind kostengünstig und können von sehr geringen bis zu mittelgroßen Stromwerten eine hohe Messgenauigkeit bieten. Sie eignen sich gleichermaßen für Wechsel- wie auch Gleichstromanwendungen.

Zu ihren Nachteilen zählt, dass sie einen zusätzlichen Widerstand in den gemessenen Schaltungspfad einbringen, der den Ausgangswiderstand der Quelle vergrößert und zu unerwünschten Lasteffekten führen kann. Außerdem ist damit ein Leistungsverlust (I2· R) verbunden. Daher kommen Strommesswiderstände selten zum Einsatz, wenn es nicht um die Messung von geringen bis mittelgroßen Strömen geht. Diese Nachteile lassen sich durch den Einsatz von niederohmigen Bauteilen minimieren. Allerdings kann der Spannungsabfall über den Messwiderstand dann so gering ausfallen, dass er in der gleichen Größenordnung liegt wie die Eingangs-Offsetspannung der angeschlossenen analogen Signalaufbereitungsschaltung.

Dies könnte die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Wenn der gemessene Strom eine nennenswerte hochfrequente Komponente umfasst, dann muss die Eigeninduktivität des Mess-widerstands gering sein, sonst kann die über den Widerstand auftretende Blindspannung die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Weitere wichtige Parameter für die Leistung eines Messwiderstands sind die Widerstandstoleranz, der Temperaturkoeffizient, die thermische Quellenspannung, die Nenntemperatur und die Nennleistung, die hoch genug sein sollte, um kurz andauernde Spitzenwerte und Transienten verarbeiten zu können.

An Masse oder an der Phase messen?

Für die Strommessung gibt es zwei grundlegende Techniken: die Strommessung an der Masseleitung (Low-Side) und die Strommessung an der Versorgungsspannungsleitung (High-Side). Jede dieser Techniken hat ihre Vor- und Nachteile. Bei der Strommessung an Masse (Bild 1) wird der Messwiderstand zwischen Last und Masse geschaltet.

Normalerweise ist das erfasste Spannungssignal (VSEN = ISEN· RSEN) so klein, dass man es über angeschlossene Operationsverstärkerschaltungen (z.B. einen nichtinvertierenden Verstärker) verstärken muss, um eine messbare Ausgangsspannung VOUT zu erzielen. Diese Konfiguration liefert eine geringe Eingangs-Gleichtaktspannung, sie besitzt asymmetrische Ein- und Ausgänge und ist einfach und kostengünstig. Allerdings reagiert diese Schaltung sehr empfindlich auf Störungen des Massepfads, und der Massepegel aus der Sicht der Last (Anwendungsschaltung) wird gegenüber der Systemmasse angehoben, da RSEN einen unerwünschten Widerstand in den Massepfad einführt.

Weitere Nachteile sind, dass jeder durch einen zufälligen Kurzschluss (zur echten Masse) verursachte hohe Laststrom unerkannt bleibt und dass Bauteile mit einer niedrigen Versorgungsspannung VDD benötigt werden. In einer Konfiguration mit nur einer Versorgungsspannung besteht der wichtigste Aspekt einer Low-Side-Strommessung darin, dass der Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich (VCM) des Operationsverstärkers den Massepegel einschließen muss.

Eine Strommessung an Masse ist also immer dann sinnvoll, wenn keine Kurzschlusserkennung erforderlich ist und wenn Störungen des Massepegels toleriert werden können. Bei einer Strommessung an der Versorgungsspannung (Bild 2) befindet sich der Messwiderstand zwischen der Spannungsquelle und der Last. Dadurch entfallen Störungen am Massepegel.

Die Anwendung lässt sich direkt mit Masse verbinden, auch Kurzschlussströme lassen sich damit erkennen. Allerdings muss die Messanordnung sehr hohe und dynamische Gleichtakt-Eingangsspannungen verarbeiten können. Dies bringt zusätzliche Komplexität und höhere Kosten sowie die Notwendigkeit von Bauteilen mit hoher Versorgungsspannung mit sich.

In einer Konfiguration mit nur einer Versorgungsspannung muss der Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich des Differenzverstärkers breit genug sein, um hohen Gleichtakt-Eingangsspannungen widerstehen zu können. Außerdem muss der Differenzverstärker dynamische Gleichtakt-Eingangsspannungen zurückweisen können.

Messverstärker mit nur einem Operationsverstärker

High-Side-Strommessungen nutzt man immer dann, wenn eine Störung des Massepegels nicht akzeptabel ist und eine Kurzschlusserkennung benötigt wird. Beispiele für solche Anwendungen sind Überwachung und Regelung von Antrieben, Überstromschutz- und Überwachungsschaltungen, Sicherheitssysteme in der Automobilelektronik und die Überwachung von Batterieströmen.

Bild 3 zeigt die erste von mehreren High-Side-Konfigurationen. In dieser Schaltung verstärkt ein einzelner, als Differenzverstärker konfigurierter Operationsverstärker (»MCP6H01« von Microchip plus vier externe Widerstände) den kleinen Spannungsabfall über den Messwiderstand um den Verstärkungsfaktor R2/R1, wobei gleichzeitig die Gleichtakt-Eingangsspannung abgeblockt wird.

Die Gleichtaktdämpfung CMRRDIFF des Differenzverstärkers wird hauptsächlich bestimmt durch Fehlanpassung der Widerstände (R1, R2, R1*, R2*), und nicht durch die CMRR des Operationsverstärkers. Widerstände mit engen Toleranzen erzeugen hier zusätzliche Kosten. Bei R2/R1 = 1 ergeben Widerstandstoleranzen von 0,1% ein maximales CMRRDIFF von 54 dB.

Verwendet man Widerstände mit 1% Toleranz, sinkt dieser Wert auf 34 dB. RSEN sollte wesentlich kleiner sein als R1 und R2, um widerstandsbedingte Lasteffekte zu minimieren. Die Eingangsimpedanzen des Differenzverstärkers sind in Bezug auf V1 und V2 unsymmetrisch. Dabei ist zu beachten, dass der widerstandsbedingte Belastungseffekt und die unsymmetrischen Eingangsimpedanzen einen negativen Einfluss auf CMRRDIFF haben.

Über die Referenzspannung VREF lässt sich das Ausgangssignal des Verstärkers auf eine höhere Spannung in Bezug auf die Masse verschieben. VREF muss von einer Quelle mit geringer Impedanz bereitgestellt werden, um zu vermeiden, dass sich CMRRDIFF verschlechtert. Die Eingangsspannungen V1 und V2 lassen sich durch eine Gleichtakt-Eingangsspannung VCM und eine differenzielle Eingangsspannung VDM darstellen:

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Um zu vermeiden, dass VOUT in den Versorgungsspannungspegel hineinläuft, muss diese Spannung innerhalb des zulässigen Bereichs zwischen VOL und VOH gehalten werden. Die aus den Widerständen R1, R2, R1*, R2* bestehenden Spannungsteiler definieren den VCM-Bereich des Differenzverstärkers. Diese Werte begrenzen also die Spezifikationen von VCM und VDM des Differenzverstärkers.

Insgesamt bieten Differenzverstärker eine akzeptable Gleichtaktunterdrückung, einen breiten Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich, niedrigen Stromverbrauch, günstige Kosten und einen einfachen Aufbau. Zu ihren Nachteilen zählen widerstandsbedingte Lasteffekte, unsymmetrische Eingangsimpedanzen und die Tatsache, dass man mehr als einem Widerstandswert ändern muss, um den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers einzustellen.