Messbereich von 50 nA bis 50 A

Von Mücken und Elefanten

12. Oktober 2015, 9:53 Uhr | Von Martin Riedel und Marwin Schwarzbach

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Umschalt-Dynamik

Dynamische Shunt-Umschaltung
Bild 2. Dynamische Shunt-Umschaltung.
© imc Meßsysteme GmbH

Die Umschaltung des Shunts muss deutlich schneller passieren, als es für die eigentliche Messung erforderlich ist: Schlagartig ansteigender Strom muss augenblicklich den hochohmigen Shunt kurzschließen, um nicht nur dessen Verglühen zu verhindern, sondern auch eine Bürden-Spannungsspitze im Lastkreis zu vermeiden. Diese würde sonst als (auch nur kurzzeitiger) Spannungseinbruch im Lastkreis die zu testende Lastkomponente beeinflussen oder sogar abklemmen.

Daher wird das Zuschalten des Shunt-Bypass von einem schnellen Komparator gesteuert, ein erneutes Aktivieren des hochohmigen Shunts aber nur verzögert zugelassen (Bild 2). Die Kombination von Pegel-Hysterese der Umschaltschwelle mit der zeitlichen Hysterese des schnellen Aktivierens (<1 µs) und langsameren Deaktivierens (<1 ms) des Bypass garantiert dabei sichere und stabile Zustandsübergänge.

Maximaler Spannungseinbruch an der Last bei Surge-Strömen
Bild 3. Maximaler Spannungseinbruch an der Last bei Surge-Strömen.
© imc Meßsysteme GmbH

So gelingt es auch, mit Stromanstiegen (Inrush, Surge) von 10 A/µs eine nahezu rückwirkungsfreie Umschaltung zu realisieren, die dabei Spannungseinbrüche an der Last auf etwa 400 mV begrenzt. Dazu trägt eine passende Kapazität über dem Shunt bei, die im Übergangsbereich die Spannungstransienten bis zum Ansprechen des Komparators dämpft (Bild 3).

Somit ist das Konzept auch zum Messen an Testobjekten mit hochdynamischem Verhalten geeignet, wie Schaltregler, LED-Treiber usw. Die Hysterese-Totzeiten sowie auszublendende Einschwingzeiten der parallelen Messpfade (ADC) limitieren sinnvolle Messdaten-Ausgaberaten auf 100 Hz. Allerdings ist es auch möglich, in einem „Fix-Modus“ die Auto-Range-Shunt-Umschaltung zu deaktivieren und dann eine maximale Datenrate von 1 kHz zu nutzen. Eine schnelle und reversible elektronische Sicherung auf MOSFET-Basis gewährleistet in jedem Fall die Sicherheit und trennt bei Überlast den Strompfad.

High-Resolution-Strom-Messmodul imc CANSAS-IHR
Bild 4. High-Resolution-Strom-Messmodul imc CANSAS-IHR.
© imc Meßsysteme GmbH

Universell ­einsetzbares CAN-Modul

Dieses Auto-Ranging-Konzept ist realisiert als universell verwendbares CAN-Bus-Messmodul zum Einsatz in Labor und Prüfständen. Als imc CANSAS-IHR (Bild 4) vereint es in einem robusten Alu-Profilgehäuse zwei unabhängige, galvanisch isolierte Auto-Range-Messpfade zur Strommessung an Lasten, die mit bis zu 30 V (DC) versorgt werden. Die Isolation erlaubt es dabei, die Messstelle an beliebiger Stelle zu platzieren: Hin- oder Rückleiter, Teil- oder Gesamtströme.

Neben der digitalen Signalverarbeitung und Steuerung ist das sorgfältige thermisches Design des Systems von besonderer Bedeutung. Die enormen Ströme sind im PCB-Leiterkarten-Layout über die zu kühlenden Komponenten wie Anschlusstechnik, Leistungs-Shunt und FET-Schalter zu führen. Der Präzisions-Shunt ist dabei eine der kritischsten Komponenten: ein symmetrischer Wärmefluss muss sicherstellen, dass parasitäre Thermoelemente an Verbindungsstellen keine erhöhten Fehler und Driften verursachen und Effekte der Eigenerwärmung minimieren.

Die Nutzung von Auto-Ranging ist nicht immer sinnvoll
Bild 5. Die Nutzung von Auto-Ranging ist nicht immer sinnvoll.
© imc Meßsysteme GmbH

Wann ist Auto-Ranging sinnvoll?

Grundsätzlich sind Auto-Ranging-Verfahren insbesondere in den hier beschriebenen Anwendungen hilfreich, wo es um abgegrenzte und nacheinander durchlaufende Arbeitsbereiche geht, in denen auch verweilt wird (Bild 5). Dann lässt sich tatsächlich nutzen, dass kleine Signale optimal und mit angepasster Verstärkung rauscharm aufbereitet werden und es entsteht ein echter Gewinn an nutzbarer Messauflösung.

Begrenzter Nutzen von Auto-Ranging bei periodischen Signalen
Bild 6. Begrenzter Nutzen von Auto-Ranging bei periodischen Signalen.
© imc Meßsysteme GmbH

Auto-Ranging ist allerdings kein Allheilmittel, das in beliebigen Messtechnik-Situationen notwendigerweise Vorteile bringt. Für periodische Signale etwa, die spektral mittels FFT analysiert werden, ist folgendes zu bedenken: Löst man den inneren Teil des Signalbereichs, also den feinen Messbereich kleiner Amplituden, mit einer nachgeführten Verstärkung (zum Beispiel g = 1000) optimal auf, dann ist dieser rauscharme Bereich auch nur in einem vergleichbar kleinen Anteil der Gesamtzeit wirksam, nämlich 1/1000 (Bild 6). Entsprechend verschwindend gering ist folglich der Einfluss auf das Grundrauschen (Noise-Floor) der FFT, welches nach wie vor durch das Rauschniveau (SNR) des groben Messbereichs dominiert wird.

Auch dass der feine beziehungsweise gezoomte Bereich null-symme­trisch sein muss, ist eine essenzielle Voraussetzung für Auto-Ranging-Verfahren. Das erweitert aufzulösende Signal muss also um den Nullpunkt des uni- oder bipolaren Signalbereichs herum liegen, denn es geht hier nicht um AC-Kopplung, sondern um eine angepasste lineare Vorverstärkung. Während das für diese Form der Strommessung gegeben ist, gilt es in ganz anderen Anwendungen, wie etwa der Brückenmessung mit Dehnmessstreifen (DMS), gerade nicht: Dort ist das Signal nämlich typischerweise mit einem großen, zu kompensierenden Anfangs-Offset behaftet.

 

Die Autoren

Dipl.-Ing. Martin Riedel
 
ist seit 1991 bei der imc Meßsysteme GmbH in Berlin beschäftigt, war langjähriger Analog- und Mixed-Signal Entwickler und ist mittlerweile mit technischem Marketing und Produkt-Konzeption befasst.
 
M.Sc. Marwin Schwarzbach
 
arbeitet für imc Meßsysteme GmbH seit Anfang 2013 als Analog- und Mixed-Signal-Entwickler und übernimmt projektleitende Tätigkeiten. Seine Freizeit verbringt er mit Reisen und Wandertouren in den Bergen. 

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