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Driftfreier Operationsverstärker für drahtlose Strommessungen

Autor / Redakteur: Kris Lokere * / Kristin Rinortner

Drahtlose Sensoranwendungen benötigen eine akkurate Batterie-Entladeschaltung. Der Beitrag zeigt, wie man verschiedene Chips zu einem zuverlässigen SmartMesh-IP-Netzwerk kombiniert.

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Bild 1: Eine drahtlose Strommessschaltung mit sehr geringem Leistungsbedarf wird mit einem Chopper-OPV mit ebenfalls sehr geringem Leistungsbedarf gebildet, der die Messspannung verstärkt. Diese wird von einem A/D-Wandler mit sehr geringem Leistungsbedarf und einer Spannungsreferenz digitalisiert und dann mit einem drahtlosen SmartMesh-IP-Funkmodul verbunden. Ein DC/DC-Wandler konditioniert den Akku und erfasst die aus der Batterie gezogene Ladung.
Bild 1: Eine drahtlose Strommessschaltung mit sehr geringem Leistungsbedarf wird mit einem Chopper-OPV mit ebenfalls sehr geringem Leistungsbedarf gebildet, der die Messspannung verstärkt. Diese wird von einem A/D-Wandler mit sehr geringem Leistungsbedarf und einer Spannungsreferenz digitalisiert und dann mit einem drahtlosen SmartMesh-IP-Funkmodul verbunden. Ein DC/DC-Wandler konditioniert den Akku und erfasst die aus der Batterie gezogene Ladung.
(Bild: Linear Technology (ADI))

Viele Strommessschaltungen folgen demselben einfachen Prinzip: man erzeugt einen Spannungsabfall an einem Messwiderstand, verstärkt die Spannung, liest sie mit einem A/D-Wandler aus und man kennt den Strom. Wenn aber der Messwiderstand an einer Spannung liegt, die von der Systemmasse abweicht, kann es schnell kompliziert werden. Typische Lösungen überbrücken die Spannungsdifferenz dann entweder in der analogen oder digitalen Domäne. Hier wird eine andere Methode vorgestellt, die drahtlos arbeitet.

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Strommesswiderstände auf der stromführenden Seite (High-Side) arbeiten in der analogen Domäne. Die ICs sind kompakt, aber der Spannungsunterschied, den sie handhaben können, ist vom Halbleiter-Fertigungsprozess begrenzt. Bausteine, die für mehr als 100 V ausgelegt sind, gibt es selten. Diese Schaltungen werden zudem häufig weniger genau, wenn sich die Gleichtaktspannung des Messwiderstands schnell ändert oder über und unter die Systemmasse schwingt.

Magnetische oder optische Isolatoren durchbrechen üblicherweise die Isolationsbarriere in der digitalen Domäne. Die Hardware kann etwas voluminöser sein, arbeitet aber ohne Genauigkeitsverlust und verkraftet typischerweise tausende Volt. Diese Schaltungen benötigen eine galvanisch getrennte Stromversorgung, die aber manchmal in die Isolationskomponenten integriert werden kann. Wenn der Messwiderstand physisch vom Hauptsystem getrennt ist, muss man auch lange Leitungen oder Kabel einsetzen.

Kürzlich auf den Markt gekommene Techniken für die Signalkonditionierung und drahtlose Kommunikation mit extrem geringen Strombedarf eröffnen nun neue Möglichkeiten. Sie lassen die gesamte Schaltung mit dem Gleichtakt des Messwiderstands „schweben“ und übertragen die gemessenen Daten drahtlos über die Luft. Aus diesem Grund gibt es keine Spannungsbeschränkungen. Der Messwiderstand kann irgendwo angebracht sein, ohne dass Kabel verwendet werden müssen.

Wenn die Schaltung wenig Leistung benötigt, braucht man nicht einmal eine galvanisch getrennte Stromversorgung und kann sie stattdessen über viele Jahre mit einer kleinen Batterie betreiben.

Drahtlose Strommessung

Die Strommessschaltung in Bild 1 verwendet den Chopper-stabilisierten Operationsverstärker (OPV) LTC2063, um den Spannungsabfall am Messwiderstand zu verstärken. Der SAR-A/D-Wandler mit geringem Leistungsbedarf AD7988 digitalisiert den Wert und berichtet das Ergebnis über eine SPI-Schnittstelle. Das LTP5901-IPM ist das drahtlose Kommunikationsmodul, das automatisch ein IP-basiertes Mesh-Netzwerk mit anderen nahe gelegenen Knoten bildet. Es hat einen eingebauten Mikroprozessor, der die SPI-Schnittstelle des A/D-Wandlers AD7988 ausliest. Der LTC3335 ist ein Nanopower-Ab-/Aufwärtswandler, der die Akkuspannung auf eine konstante Ausgangsspannung umsetzt. Der LTC3335 enthält auch einen Coulomb-Zähler, der die aus dem Akku gezogene aufsummierte Ladung mitteilt.

Driftfreier Operationsverstärker mit wenig Leistungsbedarf

Um die Verlustwärme im Messwiderstand zu minimieren, ist der Spannungsabfall typischerweise auf 10 bis 100 mV begrenzt. Um dies messen zu können, braucht der Ingenieur eine Eingangsschaltung mit geringen Offset-Fehlern, wie einen driftfreien OPV. Der LTC2063 ist ein Chopper-stabilisierter OPV mit extrem geringem Leistungsbedarf und einem maximalen Versorgungsstrom von 2 µA. Weil die Offset-Spannung unter 10 µV liegt, kann er sogar sehr kleine Spannungsabfälle ohne Genauigkeitsverlust messen. Bild 2 zeigt den LTC2063, konfiguriert zum Verstärken der Spannung und Verschieben des Potenzials an einem 10-mOhm-Messwiderstand. Die Verstärkung wird so gewählt, dass ±10-mV-Vollskala am Messwiderstand (entspricht einem Strom von ±1 A) in einen nahezu Vollskalenbereich am Ausgang passen, zentriert um die mittlere Versorgung.

Dieses verstärkte Signal wird in den 16-Bit-SAR-A/D-Wandler eingespeist. Der AD7988 wurde wegen seines sehr geringen Standby-Stroms und seiner guten DC-Genauigkeit gewählt. Bei geringen Abtastraten schaltet der A/D-Wandler automatisch zwischen zwei Wandlungen ab, was in einem Stromverbrauch von 10 µA bei 1 kSamples/s resultiert. Die Spannungsreferenz LT6656 verbraucht weniger als 1 µA und spannt den Verstärker, den Widerstand für die Potenzialverschiebung und den Referenzeingang des A/D-Wandlers vor.

Industriegeeignetes drahtloses Mesh-Netzwerk

Drahtlose SmartMesh-Module wie das LTP5901-IPM enthalten die Schaltung für die Funkübertragung, den eingebetteten Mikroprozessor und die Netzwerk-Software. Wenn mehrere SmartMesh-Sensoren in der Nähe eines Netzwerk-Managers eingeschaltet werden, erkennen sich die Sensoren automatisch selbst und bilden ein drahtloses Mesh-Netzwerk. Alle Sensoren in einem Netzwerk sind automatisch Zeit-synchronisiert, was bedeutet, dass jede Funkschaltung nur während sehr kurzen speziellen Zeitintervallen mit Strom versorgt wird.

Als Ergebnis kann jeder Knoten als Quelle der Sensorinformation agieren und ebenso als Routing-Knoten, um Daten von anderen Knoten an den Manager weiter zu leiten. Dies ergibt ein sehr zuverlässiges vermaschtes Netzwerk mit sehr geringem Leistungsbedarf in dem mehrere unterschiedliche Pfade von jedem Knoten zum Manager verfügbar sind, auch wenn alle Knoten, einschließlich der Routing-Knoten, mit sehr geringer Leistung arbeiten.

Der LTP5901-IPM enthält einen ARM-Cortex-M3-Mikroprozessorkern, auf dem die Netzwerk-Software läuft. Zusätzlich können die Nutzer Anwendungs-Firmware schreiben, um Aufgaben auszuführen, die spezifisch für ihre jeweilige Applikation sind.

In diesem Beispiel liest der Mikroprozessor im LTP5901-IPM den SPI-Port des strommessenden A/D-Wandlers (AD7988) und den I²C-Port des Coulomb-Zählers (LTC3335). Der Mikroprozessor kann auch den Chopper-OPV (LTC2063) in den Abschalt-Modus versetzen, was den Stromverbrauch weiter von 2 µA auf 200 nA senkt. Dies ergibt weitere Einsparungen in Anwendungen mit extrem langen Zeitintervallen zwischen den Messungen.

Nanopower-Coulomb-Zähler integriert

Der typische Leistungsbedarf für einen Sensor, der einen Messwert einmal pro Sekunde sendet, liegt für die Messschaltung unter 5 µA und kann für die drahtlose Funkschaltung 40 µA betragen. In der Praxis hängt der Leistungsverbrauch von verschiedenen Faktoren ab, z.B. wie oft die Signalkette einen Messwert liest und wie die Knoten im Netzwerk konfiguriert sind.

Die Beispielschaltung wird von zwei Alkali-Primärzellen versorgt. Die Eingangsspannung der Batterie wird vom Ab-/Aufwärtswandler mit integriertem Coulomb-Zähler LTC3335 geregelt. Er konvertiert aus der Eingangsstromversorgung von 1,8 bis 5,5 V bis zu 3,3 V geregelte Ausgangsspannung. Der Laststrom in drahtlosen Anwendungen mit Tastverhältnis kann zwischen 1 µA und 20 mA variieren, je nachdem, ob die Funkschaltung aktiv oder im Schlafmodus ist.

Der Wandler hat ohne Last einen Ruhestrom von 680 nA. Damit ist der Leistungsbedarf der gesamten Schaltung sehr gering, wenn sowohl die Funkschaltung als auch die Signalkette im Schlafmodus sind. Der Chip liefert trotzdem noch bis zu 50 mA, was für Funkübertragung/-empfang und viele Signalketten-Schaltungen ausreicht.

In hochzuverlässigen drahtlosen Sensoranwendungen dürfen sich Batterien nicht vollständig entladen. Gleichzeitig führt jedoch ein prophylaktisches Auswechseln zu oft zu unerwünschten Kosten und Stillstandzeiten.

Für diese Aufgaben ist eine akkurate Batterie-Entladeschaltung notwendig. Der LTC3335 hat einen eingebauten Coulomb-Zähler. Wann immer der Regler schaltet, erfasst er die gesamte Ladung, die er aus der Batterie zieht. Diese Information kann über das I²C-Interface ausgelesen und dann als Prädiktor für die Zeitintervalle für einen Batteriewechsel benutzt werden.

Eine wirklich stommessende Schaltung

Kombiniert der Ingenieur die Produkte aus Signalkette, Power-Management und drahtlosem Netzwerk von Linear Technology und Analog Devices, kann er eine wirklich strommessende Schaltung entwickeln. Bild 3 zeigt ein Beispiel. Der Chopper-Operationsverstärker mit geringem Stromverbrauch LTC3335 kann selbst kleine Spannungsabfälle an einem Messwiderstand sehr genau erfassen.

Die gesamte Schaltung, einschließlich von Micropower-A/D-Wandler und Spannungsreferenz, schwebt mit der Gleichtaktspannung des Messwiderstands. Der Nanopower-Schalter kann die Schaltung über Jahre hinweg aus einem kleinen Akku mit Strom versorgen. Die aufsummierte Batterienutzung zeigt er mit seinem integrierten Coulomb-Zähler an. Das drahtlose Netzwerk-Modul LTP5901-IPM managt die gesamte Applikation und verbindet alle Komponenten zu einem hoch zuverlässigen SmartMesh-IP-Netzwerk.

* Kris Lokere arbeitet als Strategic Applications Manager Signal Conditioning Products bei Linear Technology (jetzt Analog Devices) in Milpitas.

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