Analogtipp DC/AC-Strommessung über einen Gleichtaktbereich von ±600 V

Strommessungen über einen Shunt im Strompfad sind meist auf Gleichtaktspannungen von ±65 V begrenzt. Wir stellen eine Schaltung vor, die auch bei extrem hohen Gleichtaktspannungen sowohl bei High-Side- als auch bei Low-Side-Strommessungen einwandfrei funktioniert.

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Power-Management spielt bei den meisten Elektroniksystemen eine wichtige Rolle. Für Leistungskomponenten wie Sicherungen, Leitungen, Thermoelemente und Trennschalter gelten gemäß ihrer Spezifikationen maximal zulässige Effektivwerte von Strömen. Um eine Schaltung vor Überlastung zu schützen, muss man den Effektivwert des Stromes messen und den Wert mit dem spezifizierten Wert vergleichen.

Ohne eine echte Effektivwert-Schaltung sind Messungen des Stromes, der von nichtlinearen Lasten und darin enthaltenen Halbleitern aufgenommen wird, wahrscheinlich ungenau. Die hier vorgestellte Schaltung liefert unabhängig von der Art der Last oder des Stromverlaufs genaue Messergebnisse.

Zur Minimierung des Energieverbrauchs muss man in der Lage sein, den Laststrom kontinuierlich zu überwachen. Durch eine sorgfältige Kontrolle kann das System die gewünschten Leistungspegel aufrechterhalten, indem der Ausgang geregelt oder die Schaltung abgeschaltet wird, um eine Beschädigung zu verhindern.

Eine praktische Möglichkeit zur Messung des Stromes ist, einen Messwiderstand mit geringem Widerstandswert in den Strompfad einzubinden und den Spannungsabfall über dem Widerstand zu messen. Shunt-Widerstände werden häufig sowohl für High-Side- wie auch für Low-Side-Strommessungen verwendet.

Viele Schaltungen nutzen diese Messtechnik zur Messung von Gleichströmen. Jedoch können die meisten Schaltungen nur das Signal über dem Messwiderstand in einem Gleichtaktspannungsbereich von ±65 V messen. Dies ist die Begrenzung bei herkömmlichen Halbleiterfertigungsprozessen. Hochvolt-Anwendungen allerdings müssen über einen Gleichtaktbereich von über 65 V arbeiten.

Ein weiterer Punkt ist die Komplexität der Last. Der Strom durch den Shunt-Widerstand kann ein Gleichstrom, ein Wechselstrom oder beides sein. Daher muss die Schaltung in der Lage sein, diese komplexe Spannung in einen aussagekräftigen Wert umzusetzen. Bei Wechselspannungen muss man deren Effektivwert messen; dieser Wert entspricht der in einem Signalverlauf enthaltenen Energie.

Wenn man mit ±15-V-Versorgungen arbeitet, funktioniert die in Bild 1 gezeigte Schaltung bei extrem hohen Gleichtaktspannungen sowohl bei High-Side- wie auch bei Low-Side-Strommessungen einwandfrei. Die erste Stufe ist ein differenzieller Verstärker (AD8479) mit sehr großem Gleichtakteingangsspannungsbereich.

Möglich sind genaue Messungen kleiner differenzieller Signale bei Gleichtaktspannungen bis ±600 V. Die zweite Stufe enthält einen Standardpuffer, der eine skalierte Kopie des Laststromes liefert, und den Effektivwert/DC-Wandler AD8436, der eine zum Effektivwert des Stromes proportionale DC-Ausgangsspannung liefert.

Die Schaltung kann einen komplexen Signalverlauf in einen DC-Verlauf wandeln. Dabei wird eine brauchbare Repräsentation des Effektivwertes mit massebezogenem Ausgang geliefert. Der AD8436 enthält Ein- und Ausgangspuffer, die den Ausgang so skalieren, dass er mit einem A/D-Wandler oder einem anderen Steuersystem verwendet werden kann.

Arbeitet man mit resistiver Messtechnik, muss der Shunt-Widerstand speziell für diesen Zweck ausgelegt sein. Andernfalls könnten Umgebungsbedingungen wie schwankende Temperaturen und Strompegeländerungen den Widerstand beeinträchtigen. Der Wert dieses Widerstands muss sorgfältig gewählt werden.

Ein Shunt von 0,1 Ω liefert eine Spannung von 450 mV (Vollausschlag) mit einer Last von 4,5 A. Der Verstärkungsblock liefert eine massebezogene Ausgangsspannung. Bei einer Gleichtaktspannung von ±600 V und einer Verstärkung von 11 V/V bewirkt das maximale Eingangssignal von 450 mV eine massebezogene Ausgangsspannung von 4,95 V (Vollausschlag). Diese Spannung passt zum Betriebsbereich von Hochleistungs-A/D-Wandlern.

* Chau Tran und Fotjana Bida arbeiten als Applikationsingenieure bei Analog Devices in Wilmington, USA.

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