Komponenten und Verfahren
Ströme messen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Transistor
Transistoren lassen sich auf zwei verschiedene Arten zur direkten Strommessung verwenden.
RDS(on) – Drain-Source-Durchlasswiderstand
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Transistoren werden für verlustfreie Überstrommessverfahren eingesetzt, da sie Standard-Steuerungskomponenten für den Schaltungsentwurf sind und keine weiteren widerstands- oder leistungsabführenden Vorrichtungen erfordern, um ein Steuersignal zu liefern. Transistor-Datenblätter geben den Durchlasswiderstand für Drain-Source (RDS(on)) mit einem typischen Widerstand im Bereich von mΩ für Leistungs-MOSFETs an. Dieser Widerstand besteht aus mehreren Komponenten (Bild 5), beginnend mit den Leitungen, die mit dem Halbleiter verbunden sind. Dessen Widerstand wird durch die zahlreichen Kanaleigenschaften definiert. Auf Grundlage dieser Informationen kann der Strom, der durch den MOSFET fließt, durch ILast = UDS(on)/RDS(on) bestimmt werden.
Jeder Bestandteil von RDS(on) trägt zum Messfehler bei, der auf geringfügige Änderungen der Widerstandswerte der Grenzflächenbereiche und TCR-Effekte zurückzuführen ist. Die TCR-Effekte können teilweise durch Temperaturmessungen kompensiert werden, indem die gemessene Spannung gemäß den voraussichtlichen temperaturbedingten Änderungen des Widerstands korrigiert wird. Oft erreicht der TCR für MOSFETs einen Wert von 4000 ppm/°C. Im Allgemeinen stellt dieses Messverfahren ein Signal mit einer Genauigkeit von etwa 10 % bis 20 % bereit. Je nach den Anforderungen an die Genauigkeit ist dies für die Bereitstellung von Überstromschutz ein akzeptabler Bereich.
Ratiometrische Strommess-MOSFETs
Ein MOSFET besteht aus Tausenden von parallelen Transistorzellen, die den Durchlasswiderstand verringern. Der Strommess-MOSFET nutzt einen kleinen Teil der parallelen Zellen und ist mit dem gemeinsamen Gate und Drain verbunden, aber mit einer separaten Source (Bild 6). Dadurch wird ein zweiter isolierter Transistor, ein „Messtransistor“, erzeugt. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, steht der Strom durch den Messtransistor in einem festen Verhältnis zum Hauptstrom durch die anderen Zellen.
Abhängig vom Transistor kann der Genauigkeitsbereich von nur 5 % bis hin zu 20 % variieren. Das ist in der Regel nicht für Stromsteuerungsanwendungen geeignet, die typischerweise eine Messgenauigkeit von 1 % erfordern, sondern ist für Überstrom- und Kurzschlussschutzanwendungen vorgesehen.
| Messverfahren | Genauigkeit | Isolierung | EMI (Manipulationsschutz) | Robust | Größe | Kosten |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Widerstand (direkt) | ||||||
| Messwiderstand | Hoch | Nein | Hoch | Hoch | Klein | Niedrig |
| Transistor (direkt) | ||||||
| RDS(On) | Niedrig | Nein | Mäßig | Mäßig | Klein | Niedrig |
| Ratiometrisch | Mäßig | Nein | Mäßig | Mäßig | Klein | Mäßig |
| Magnetisch (indirekt) | ||||||
| Stromwandler | Hoch | Ja | Mäßig | Hoch | Groß | Mäßig |
| Rogowski-Spule | Hoch | Ja | Mäßig | Hoch | Groß | Mäßig |
| Hall-Effekt | Hoch | Ja | Hoch | Mäßig | Mäßig | Hoch |
Verschiedene Strommessverfahren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile
Die Tabelle fasst die verschiedenen Strommessverfahren zusammen. Das gewählte Verfahren hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Jedes Verfahren hat seine eigenen Vor- und Nachteile, die man beim Design berücksichtigen muss.
Der Autor
| Bryan Yarborough |
|---|
| zeichnet als Product-Marketing-Ingenieur für Vishay-Dale-Produkte, insbesondere für SMD Power Metal Strip und drahtgewickelte Bauteile, bei Vishay Intertechnology verantwortlich. Zuvor war er bei TT Electronic IRC, Saft Batteries und Corning Cable Systems tätig. Er hat einen Bachelor und einen MBA in Informatik. |
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