Nanopower-Operationsverstärker – Teil 2 Einsatz als präzise Messverstärker: Messen der Stromstärke

Nanopower-Operationsverstärker richtig auswählen und einsetzen
Nanopower-Operationsverstärker richtig auswählen und einsetzen

Was müssen Entwickler beachten, wenn sie präzise Messverstärker mit Nanopower-Operationsverstärkern realisieren wollen? Im zweiten Teil geht es um die Frage wie mit minimierter Verlustleistung dennoch Messsignale präzise verstärkt werden können.

Im ersten Teil [6] dieser zweiteiligen Reihe über Nanopower-Operationsverstärker wurde die Bedeutung der Offsetspannung (Uoff) und der Offsetspannungsdrift (TCVoff) für die Gleichstromverstärkung beschrieben. An einem Beispiel wurde gezeigt wie ein Nanopower-Operationsverstärker mit der passenden Genauigkeit ausgewählt wird, um den Fehler eines Verstärkers für ein niederfrequenten Sensorsignal zu minimieren.

Thema des zweiten Teils sind Grundlagen der Strommessung und wie mit einem Operationsverstärker eine präzise Messung mit gleichzeitig minimaler Verlustleistung realisiert werden kann.

 

Grundlagen: Strommessung

Entwickler nutzen die Strommessung zu Schutz- und Überwachungszwecken. Sie schalten dazu meist einen Stromesswiderstand (Shunt) mit dem jeweiligen Verbraucher in Reihe und schließen an diesen Widerstand einen speziellen Strommessverstärker oder einen Operationsverstärker an. Strommessverstärker haben herausragende Fähigkeiten zum Messen von Strömen. Kommt es dagegen auf die Leistungsaufnahme an, stellt ein präziser Nanopower-Operationsverstärker eine gute Alternative dar.

Der Strommesswiderstand kann an zwei Stellen angeschlossen werden: entweder zwischen Stromversorgung und Verbraucher (Bild 4) oder zwischen Verbraucher und Masse (Bild 5).

Um in beiden Fällen bei bekanntem Widerstandswert (R) eine Strommessung durchzuführen, misst der Operationsverstärker die Spannung (U) an den Anschlüssen des Messwiderstands, sodass nach dem ohmschen Gesetz der Strom (I) errechnet werden kann:

 

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Strommesswiderstand und Operationsverstärker werden so gewählt, dass sich minimale Auswirkungen auf das Verhalten der Schaltung ergeben. Zwei Faktoren sprechen dafür, einen niedrigen Widerstandswert zu wählen:

  • Der Spannung über dem Strommesswiderstand soll möglichst gering sein, damit das Potenzial am jeweiligen Anschluss des Verbrauchs möglichst wenig durch die Strommessung beeinträchtigt wird.
  • Minimierung der Verlustleistung. Da der Strom gemessen werden soll und folglich die unabhängige Variable ist, sollte der Strommesswiderstand gemäß Gleichung 9 so gering wie möglich gewählt werden, um die Verlustleistung zu minimieren.

 

P equals I ² asterisk times R space space left parenthesis 9 right parenthesis

 

In dieser Anwendung geht es um die Messung der Stromstärke und nicht um die Minimierung des Stroms, wie im ersten Teil [6]. Deshalb muss hier der Widerstandswert minimiert werden, um auch die Verlustleistung zu minimieren. Dies ist also genau der umgekehrte Denkprozess wie bei der Betrachtung der Gleichstromverstärkung im ersten Teil [6].

Das Messen der Stromstärke mit extrem geringer Verlustleistung ist beispielsweise beim Laden und Überwachen von Akkus aber auch zum Sicherstellen der korrekten Funktion industrieller IoT-Anwendungen nützlich.

Wie niedrig aber darf der Widerstandswert zur Strommessung sein? Hier gilt die einfache Regel: die Spannungsdifferenz am Strommesswiderstand sollte größer sein als die Offset-Spannung des verwendeten Operationsverstärkers.

 

Schaltungsbeispiel zur Strommessung

Angenommen, die Stromaufnahme eines Systems soll Masse-seitig überwacht werden, um einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung zu detektieren (Bild 6).
Zur Vereinfachung werden in diesem Beispiel Parameter wie die Widerstandstoleranzen nicht berücksichtigt.

Die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers beträgt 3,3 V. Das System, dessen Stromaufnahme überwacht werden soll, nimmt bei korrekter Funktion maximal 10 mA auf. Als weitere Vorgabe wird gefordert, dass die für den Verbraucher relevante effektive Masse nicht um mehr als 100 µV über dem wirklichen Massepotenzial liegt.

Damit ist klar, dass am Strommesswiderstand durch den Stromfluss im normalen Betrieb nur eine Spannung von höchstens 100 µV auftreten darf. 

Mit dem Ohmschen Gesetz (Gleichung 10) kann nun der maximale Wert des Strommesswiderstands berechnet werden:

 

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Mit diesem Strommesswiderstand liegt der Masseanschluss der Systems bei normaler Funktion um 100 μV über dem eigentlichen Massepotenzial.

Um Funktionsfehler des Systems erkennen zu können, muss der Operationsverstärker Änderungen der am Strommesswiderstand abgegriffenen Spannung detektieren können. Das System befindet sich im Normalzustand, wenn seine Stromaufnahme um nicht mehr als ±10 % von seinem typischen Wert von 10 mA abweicht. Dazu muss der Operationsverstärker die Änderung der Spannungsdifferenz am Strommesswiderstand erfassen können, wenn sich der Strom um mindestens 10 % – was 1 mA entspricht – ändert.

Die Spannungsänderung am Strommesswiderstand errechnet sich nach Gleichung 11:

 

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Für diese Schaltung würde sich beispielsweise der Zero-Drift-Nanopower-Operationsverstärker LPV821 eignen. Dank seiner Zero-Drift-Technik beträgt die Offsetspannung maximal 10 µV, sodass er Funktionsstörungen des Systems sicher erkennen kann.

Zero-Drift-Operationsverstärker eignen sich ideal, wenn genaue Messungen von Spannungen (<100 µV) verlangt werden.

Darüber hinaus ist der LPV821 ein Nanopower-Operationsverstärker. Er kann also stets eingeschaltet bleiben und liefert bei geringsten Auswirkungen auf die Gesamtleistungsaufnahme des Systems stets präzise Strommessungen.

 

Literatur

[2] Atwal, J.: Advantages of Using Nanopower, Zero Drift Amplifiers for Battery Voltage and Current Monitoring in Portable Applications. Texas Instruments, TI TechNotes, Dezember 2017, www.ti.com/lit/an/snoa977a/snoa977a.pdf.

[3] Atwal, J.: Simplifying Environmental Measurements in Power Conscious Factory and Building Automation Systems with Nanopower Op Amps. Texas Instruments, TI TechNotes, Januar 2018, www.ti.com/lit/an/snoa978a/snoa978a.pdf.

[4] Althar, A.: Current Sensing in No-Neutral Light Switches. Texas Instruments, TI TechNotes, Oktober 2017, www.ti.com/lit/an/snoa968a/snoa968a.pdf.

[5] Amplifiers, Overview. Texas Instruments, www.ti.com/amplifier-circuit/overview.html.

[6] Vansteeg, G.: Nanopower-Operationsverstärker – Teil 1. Einsatz als präzise Messverstärker: Gleichstromverstärkung. Elektronik.de, www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/einsatz-als-praezise-messverstaerker-gleichstromverstaerkung-156122.html

 

Die Autorin

Gen Vansteeg, M.Eng.

hat ihr Masterstudium an der Purdue University Calumet, USA, abgeschlossen. Sie hat viele Jahre in der Halbleiterindustrie gearbeitet und ist heute als Ingenieurin bei Texas Instruments im Produktmarketing tätig, mit dem Schwerpunkt auf Ultra-Low-Power Operationsverstärker.

asktexas@ti.com