Wie sich der Strom in Satelliten akkurat überwachen lässt

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Bei Strommessungen geht es nicht ohne Kompromisse

Direkte Strommessmethoden greifen in die Schaltung ein, da ein Messwiderstand in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet wird, um einen Spannungsabfall proportional zum Laststrom nach dem Ohmschen Gesetz zu erzeugen. Die Auswahl des Messwiderstands ist ein Kompromiss zwischen dem Leistungsverlust im Widerstand und der Genauigkeit der Strommessung. Um exzessive Leistungsverluste im Messwiderstand zu vermeiden, muss er so klein wie möglich sein, dabei aber immer noch ein minimales Stromsignal auflösen können. Das minimale genau reproduzierte Signal ist hauptsächlich durch den DC-Eingangs-Offset der Messschaltung begrenzt (Bild 1).

Ein weiterer wichtiger Parameter der Messschaltung ist die Eingangs-Gleichtaktspannung. Diese ist besonders für die Überwachung von Versorgungspegeln relevant, da die Messschaltung die kleine differentielle Spannung überwachen muss, die sich am Messwiderstand am Gleichtaktleistungsbus, der überwacht wird, erzeugt. Dies wird als eine High-Side-Konfiguration bezeichnet (Bild 2a), die häufigste Konfiguration, die auch die meisten Vorzüge für die überwiegende Anzahl der Applikationen hat.

Idealerweise bietet die High-Side-Strommessschaltung die nötige Flexibilität die Schaltung direkt aus dem überwachten Versorgungsstrompegel mit zu versorgen, oder sie aus einer unabhängigen Versorgung zu betreiben, die separat gesteuert werden kann. Eine weitere nützliche Eigenschaft ist die Möglichkeit, die Leistung zur Versorgung der Schaltung von beiden Seiten des Messwiderstands zu entnehmen, was es erlaubt, die Stromaufnahme für die Schaltung inklusive oder exklusive dem überwachten Strom zu realisieren.

Im Gegensatz zum High-Side-Strommessen platziert das Low-Side-Strommessen den Messwiderstand in den Pfad des Verbrauchers zurück auf Masse (Bild 2b), weshalb die Gleichtaktspannung nahe an Massepotenzial liegt und der Ausgang auf Masse bezogen werden kann. Der Nachteil des Low-Side-Strommessens ist, dass kein kurzgeschlossener Verbraucher erkannt wird und die Last vom Spannungsabfall über den Messwiderstand über die echte Masse hinaus „angehoben“ wird.

Unterschiedliche Verstärker-ICs zur Strommessung

Obwohl einfache diskrete Implementierungen auf Transistorbasis auch weiterhin eine Option in Weltraumapplikationen bleiben, sind auch dort IC-Lösungen wegen ihrer höheren Leistungsfähigkeit, erweitertem Funktionsumfang und den kompakten Schaltungsausmaßen sehr attraktiv. Natürlich gibt es immer Kompromisse bezüglich der Strahlungsfestigkeit, Fehler-Modi und der Flugerprobung zu beachten.

Das Strommessen kann man mit unterschiedlichen Arten von Verstärker-ICs durchführen:

• Universal-Operationsverstärker in Strommessanwendungen sind wegen ihres begrenzten Gleichtaktspannungsbereichs am besten für die Low-Side-Messmethode geeignet. Ihre große Leerlaufverstärkung erfordert eine Rückkopplung (Bild 3a) und schränkt sie damit auf unsymmetrische Eingangssignale ein. Seit einigen Jahren eignen sich jedoch neue Produkte mit hohen Gleichtakteingangsspannungen, wie der LT6016, auch dafür.

• Differenzverstärker können verwendet werden, wo immer ein bidirektionales Strommessen erforderlich ist, z.B. in Motorsteuerungen, und sie haben einen weiten Gleichtakteingangsspannungsbereich, der die Versorgungsspannung für den Baustein um ein beträchtliches Maß übersteigen kann. Differenzverstärker enthalten präzise getrimmte Widerstände, die sie auf vordefinierte feste Verstärkungsverhältnisse einschränken.

• Instrumentenverstärker können als ein Differenzverstärker mit einer Vorverstärkerstufe betrachtet werden (Bild 3b), der mit einer variablen Verstärkung, die mit einem externen Widerstand eingestellt wird, eine höhere Flexibilität bietet. Der Vorverstärker hat eine sehr hohe Eingangsimpedanz, die ein Belasten des Versorgungsbusses minimiert, was es ermöglicht, kleinere Systemströme zu messen als dies mit einem Differenzverstärker möglich wäre. Ein Nachteil ist, dass die Gleichtaktspannung üblicherweise auf die Versorgungsspannung begrenzt ist.

• Null-Drift- oder „Chopper-stabilisierte“ Verstärker haben die kleinste Eingangs-Offsetspannung. Der LT2050 ist z.B. für 3 µV spezifiziert, was eine sehr präzise Strommessung ergibt. Mit seinem auf 6 V begrenzten Betrieb ist er am besten für Low-Side-Strommessungen geeignet.

• Strommessverstärker haben einen für die Aufgabe optimierten Funktionsumfang und Spezifikationen. Dies kann Entwicklungszeit einsparen und eine flexible Lösung für unterschiedliche Strommessapplikationen sein. Ein solcher Strommessverstärker ist der RH6105. Er ist eine strahlungsfeste und nach MIL-PRF-38535 Klasse V qualifizierte Version des LT6105.

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