Gleichstrom über sechs Dekaden ohne Bereichsumschaltung messen

| Autor / Redakteur: Michael Franke * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

In diesem Analogtipp stellen wir eine Schaltung vor, mit der man kleine Gleichströme über mehrere Dekaden ohne Umschalten des Shunts messen kann.

Die Messung von Gleichstrom erfolgt häufig shuntbasiert wie in Bild 1 dargestellt. Um die Rückwirkung auf den Laststromkreis und die Erwärmung von RSh gering zu halten, liegt sein Wert meist im Bereich von Milliohm. Entsprechend klein ist der Spannungsabfall UMess.

Er muss mit Störgrößen wie Thermospannungen, Eingangsoffset und Rauschen des Messverstärkers konkurrieren, die umso verfälschender wirken, je kleiner der Gleichstrom IDC ist. Dessen Erfassung über mehrere Dekaden erfordert daher ein Umschalten von RSh.

Das ist jedoch lästig, etwa beim Umstecken der Leitungen am Multimeter, oder verursacht zeitliche Lücken bei der Messung hochdynamischer Vorgänge.

Einen möglichen Ausweg zeigt Bild 2. IDC wird alternierend auf die Wege W1, W2 umgeleitet. Die Darstellung des Umschalters S symbolisiert, dass der Stromfluss nie unterbrochen ist. S besteht aus zwei MOSFETs mit niedrigem RD-S,on, z.B. dem IRFB7437 mit 1,5 mOhm. Das Fließen von IDC über W1, W2 erzeugt alternierende Magnetfelder B1, B2, die den Sensor M, beispielsweise ein Hall-Element, durchströmen. Das AC-Ausgangssignal von M wird phasensynchron zu S ausgewertet, was Richtung und Betrag von IDC ergibt und das Rauschen reduziert.

Die Störgrößen treten nun nicht mehr wie in Bild 1 in Relation zur stromproportionalen kleinen Spannung UMess auf, sondern bleiben in Relation zur viel größeren Spannung UDC vernachlässigbar klein, unabhängig von IDC. Die Umschaltfrequenz beträgt einige 100 Hz, so dass die Ansteuerleistung im einstelligen mW-Bereich bleibt. Weil sich die MOSFETs galvanisch getrennt ansteuern lassen, gibt es kaum Beschränkungen beim Einsatz in Hochvolt- oder floatenden Laststromkreisen.

Zur Verarbeitung der sehr großen Messdynamik für IDC mit preiswerten A/D-Wandlern sind dem Sensor M einige Verstärkerstufen nachgeschaltet. Diese liefern simultan das AC-Messsignal mit abgestuften Pegeln. Die Software wählt laufend das passendste Signal aus (noch nicht übersteuert, aber auch nicht zu klein) und ermittelt aus Pegel und Kanalnummer den Wert für IDC.

Nach dem beschriebenen Prinzip entstanden mehrere Evaluierungsmuster, mit unterschiedlichen Schaltungsdetails und ausgelegt für Maximalströme zwischen 20 und 300 A. Die erreichten Einfügewiderstände liegen zwischen 0,3 und 5 mOhm.

Oszilloskop-Screenshots der AC-Signale

Die Oszilloskop-Screenshots der AC-Signale A1 bis A4 in den Bildern 3 bis 10 wurden mit einem Versuchsmuster aufgenommen, das mit zwei MOSFETs des Typs IRFB7437 und drei Nachverstärkerstufen ausgestattet ist. Die auf den DC-Strom bezogene Verstärkung der Ausgänge A1 bis A4 beträgt: ±0,1 V/A an A1, ±1 V/A an A2, ±10 V/A an A3 und ±100 V/A an A4. In den Bildern 3 bis 10 ist oben jeweils das MOSFET-Umschaltsignal zu sehen, darunter eines der vier simultan abgegebenen AC-Messsignale.

Dabei flossen Ströme zwischen 100 µA und 41 A durch die MOSFET-Anordnung. Ohne Strom verbleibt ein Restsignal, das einem Messoffset von nur 7,5 µA entspricht.

Der Spannungsabfall über der Messanordnung, bei DC-Strömen von 100 mA bis 40 A, ergab einen Einfügewiderstand von rund 3 mOhm. Die Hälfte davon entspricht dem Drain-Source-Widerstand des jeweils durchgesteuerten MOSFETs, den Rest trägt die Verdrahtung des diesbezüglich noch nicht optimierten Versuchsmusters bei.

Im Gegensatz zur in Bild 1 skizzierten herkömmlichen Shunt-Messtechnik sind hier der Einfügewiderstand und der daran entstehende Spannungsabfall für das Zustandekommen des Messsignals gar nicht erforderlich und können durch niederohmigere MOSFETs und Leitungen theoretisch beliebig geringe Werte annehmen.

So weist ein anderes der aufgebauten Muster 0,3 mOhm auf, sein auf den Strom bezogener Nullpunktfehler beträgt 22 µA, der vorgesehene Maximalstrom ist 300 A, vermessen wurde es bis 340 A.

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* Michael Franke ist Inhaber der Elektronikmanufaktur Mahlsdorf (mailto: emmmf@gmx.de).

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