Strom erfassen mit Messwiderständen
Strommess-IC mit Funkmodul
Strommessungen sind nicht mehr trivial, wenn am Messwiderstand eine Spannung anliegt, die stark vom Massepotenzial des Systems abweicht. Bisher mussten sich Entwickler zwischen analogem IC oder digitaler Isolationstechnik entscheiden. Ein Funkmodul auf dem Strommess-IC eröffnen einen dritten Weg.
Den Strom zu messen, der durch einen Messwiderstand fließt, scheint einfach zu sein. Dazu verstärkt man die Spannung, liest sie mit einem A/D-Umsetzer und weiß dann, wie groß der Strom ist. Schwieriger wird es jedoch, wenn der Messwiderstand an einer Spannung liegt, die stark von der Systemmasse abweicht. Für diesen Fall steht der Entwickler vor der Frage, ob er einen analogen Strommess-IC oder digitale Isolationstechnik verwenden soll.
Analoge Strommess-ICs sind sehr kompakt. Allerdings ist die Spannungsdifferenz, die sie verkraften, durch Halbleiterprozesse begrenzt. Es ist schwierig, Bauteile zu finden, die für mehr als 100 V ausgelegt sind. Häufig verschlechtert sich zudem die Genauigkeit solcher Bauteile, wenn sich die Gleichtaktspannung des Messwiderstands schnell ändert oder über bzw. unter Systemmasse ausschlägt. Digitalisolationstechniken (magnetisch oder optisch) sind etwas sperriger, arbeiten aber ohne Genauigkeitsverlust und können typischerweise Tausende Volt aushalten. Diese Schaltkreise benötigen eine galvanisch isolierte Stromversorgung, lassen sich jedoch manchmal auch in die Isolatorkomponente integrieren. Falls der Messwiderstand physikalisch vom Hauptsystem getrennt ist, sind eventuell auch lange Verbindungsleitungen oder Kabel erforderlich.
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Alternative: Messdaten per Funk
Ein Strommess-Schaltkreis mit Funkmodul überwindet viele dieser Einschränkungen. Indem der gesamte Schaltkreis mit dem Gleichtakt des Messwiderstands gleitet (Floating) und die gemessenen Daten drahtlos (wireless) übertragen werden, gibt es keine Spannungsbegrenzungen. Der Messwiderstand kann sich überall befinden, da keine Anschlussleitungen erforderlich sind. Falls der Schaltkreis nur sehr wenig Leistung aufnimmt, braucht man auch keine galvanisch isolierte Stromversorgung. Stattdessen ist der Betrieb über viele Jahre an lediglich einer kleinen Batterie möglich.
Systemaufbau
Eine Blockschaltung des Designs ist in Bild 1 gezeigt. Der Strommess-Schaltkreis basiert auf dem chopperstabilisierten Operationsverstärker LTC2063, der den Spannungsabfall über einem Messwiderstand verstärkt.
Der Mikropower-A/D-Umsetzer AD7988 digitalisiert den Messwert und reicht das Ergebnis über eine SPI-Schnittstelle weiter. Der LTP5901-IPM ist das Funkmodul, das nicht nur die Funkschaltung, sondern auch die Netzwerk-Firmware enthält, die erforderlich ist, um automatisch ein IP-basiertes Mesh-Netzwerk zu bilden. Außerdem enthält der LTP5901-IPM einen Mikroprozessor, der den SPI-Port des AD7988 liest. Beim LTC3335 handelt es sich um einen DC/DC-Wandler mit geringer Leistungsaufnahme, welcher die Batterie-spannung in eine konstante Ausgangsspannung wandelt. Ferner enthält der LTC3335 einen Coulomb-Zähler, der die aufsummierte Ladung anzeigt, die der Batterie entnommen wurde.
Signalweg
Der LTC2063 ist ein Chopper-stabilisierter Ultra-Low-Power-Operationsverstärker (OPV). Mit einem maximalen Versorgungsstrom von 2 µA eignet er sich für den Einsatz in batteriegespeisten Applikationen. Da die Offset-Spannung weniger als 10 µV beträgt, kann er sehr kleine Spannungsabfälle bei gleichbleibender Genauigkeit messen.
Bild 2 zeigt den LTC2063 in einer Konfiguration, die die Spannung über einem 10-mΩ-Messwiderstand verstärkt und deren Pegel anpasst. Die Verstärkung ist so gewählt, dass der ±10-mV-Messbereichseingang am Messwiderstand (entsprechend ±1 A) auf einen annähernden Messbereich, zentriert um 1,5 V, am Ausgang abgebildet wird. Das verstärkte Signal wird auf einen 16-bit-A/D-Umsetzer geschaltet, der mit sukzessiver Approximation (Successive Approximation Register, SAR) arbeitet.
Der AD7988 wurde wegen seines niedrigen Stand-by-Stromes und seiner hohen DC-Genauigkeit gewählt. Bei niedrigen Abtastraten schaltet der ADC automatisch zwischen den einzelnen Schritten zur Umsetzung ab, woraus eine durchschnittliche Stromaufnahme von 10 µA bei 1 kSample/s resultiert. Der LT6656 erzeugt für den Verstärker, die Widerstände zur Pegelanpassung sowie den Referenzeingang des ADC eine Vorspannung. Die Spannungsreferenz LT6656 nimmt weniger als 1 µA auf und kann Lasten mit bis zu 5 mA mit geringem Dropout treiben. Dies macht es einfach, eine Spannung mit genau 3 V auszugeben; selbst bei der Versorgung mit der 3,3-V-Systemspannung.
Es gibt drei annähernd gleiche Quellen für Offsetfehler in dieser Signalkette, die zusammen etwa 0,5 % relativ zu einem Eingangsbereich von ±10 mV beitragen. Dies sind die Offsetspannung der Bauteile LTC2063 und AD7988 sowie die Diskrepanz der Widerstände zur Pegelanpassung (Widerstände mit 0,1 % Abweichung werden empfohlen). Ein Einpunkt-Kalibrierungsschritt könnte den Offset weitgehend eliminieren. Der Verstärkungsfehler wird hauptsächlich von Ungenauigkeiten bei verfügbaren Messwiderständen dominiert, die tendenziell schlechter sind als die Spezifikationen der Spannungsreferenz LT6656 von 0,05 %, 10 ppm/°C.
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