Schaltungstipp

Komplett isolierte Strommessung für Solar- und Motor-Applikationen

| Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch * / Kristin Rinortner

Bild 1: Prinzip der Schaltung zur Strommessung
Bild 1: Prinzip der Schaltung zur Strommessung (Bild: Analog Devices)

Ein zentrales Thema bei Solar-Wechselrichtern wie auch im Bereich der Antriebstechnik ist die isolierte Messung eines Wechselstroms. Die große Herausforderung ist die Höhe der Isolationsspannung, da mögliche Spannungsspitzen einige hundert Volt betragen können. Gleichzeitig werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit wie auch die Auflösung gestellt.

In der Praxis sieht man häufig Systeme, die auf Hall-Effekt-Sensoren basieren. Wenn keine Gleichströme gemessen werden sollen, werden auch Rogowski-Spulen eingesetzt. Jedes dieser Systeme hat seine Vor- und Nachteile. So ist bei Hall-Effekt basierenden Systemen die Genauigkeit über die Temperatur recht gering (nicht rückgeführte Systeme) oder bei rückgekoppelten Systemen ist der Strombedarf auf der Sekundärseite recht hoch, da die Kompensationswicklung mit einem Strom bis zu 2 A (typische Werte sind 50 bis 300 mA) beaufschlagt wird. Diese Nachteile sind bei der hier vorgestellten Schaltung nicht gegeben. Eine Übersicht über die Vor- und Nachteile der verschiedenen Systeme zeigt Tabelle 1.

Die Schaltung in Bild 1 benutzt als Sensor einen 1-mΩ-Strommesswiderstand, der einen Messbereich von ±25 A ermöglicht. Über den AD8639, einen Operationsverstärker mit sehr geringem Offset, wird eine Verstärkung von 10 eingestellt. Durch Änderung des Verstärkungsfaktors können auch andere Maximalströme gemessen werden. Der Operationsverstärker stellt zusammen mit dem differentiellen Eingang des Sigma-Delta-Modulators (AD7401A) einen klassischen 3-OP-Instrumentenverstärker dar. Der geringe Offset von 3µ V und die Drift von 0,01 µV/°C sind ideal für Anwendungen in Solar-Wechselrichtern.

Der zwischen Verstärker und Modulator angeordnete Tiefpass erster Ordnung hat eine Bandbreite von 1,56 MHz und dient dazu, das Breitband-Rauschen zu reduzieren. Der Modulator wird mit einem externen Takt von 5 bis 20 MHz betrieben und gibt einen kontinuierlichen Datenstrom aus. Der 1-Bit-Datenstrom wird im nachfolgenden DSP oder FPGA durch einen Sinc3 Filter in ein Datenwort konvertiert. Dieser Filter hat eine typische Dezimierungsrate von DR = 256, was eine sehr gute Genauigkeit ergibt (Bild 3).

Dieses Schema kann ohne zusätzliche Hardware noch erweitert werden. Für schnelle Abschaltungen (z.B. bei Überstrom) kann parallel ein Sinc3-Filter mit einer deutlich geringeren Dezimierungsrate (z.B. DR = 8) betrieben werden, der eine geringere Auflösung, aber auch eine geringere Durchlaufzeit besitzt. Diese zweifach aufgebauten Sinc3-Filter sind in den CortexM4-Prozessoren von Analog Devices bereits als Hardware Element integriert (Bild 4).

Die Spannungsversorgung auf der isolierten Seite wird durch Linearregler realisiert. Auf der „heißen“ Seite, die am Leistungsschalter hängt, wird eine isolierte Spannung von 5 V durch den ADuM6000 erzeugt, ein DC/DC-Wandler im SOIC-Gehäuse. Da der Operationsverstärker eine bipolare Versorgung bekommt, werden die 5 V durch einen Inverter (ADM8829) zu –5 V gewandelt. Die beiden Spannungen (±5 V) werden anschließend über rauscharme Linearregler auf ±2,5 V geregelt.

Der Vorteil der Strommessung über isolierte Sigma-Delta-Modulatoren und Strommesswiderstände liegt in der geringen Erwärmung und einem sehr guten thermischen Verhalten (Drift) über einen Bereich von –40 bis +125°C. Die Schaltung ist durch die robuste 1-Bit-Datenübertragung sehr gut für raue Umgebungen geeignet und kann dadurch in größerer Entfernung vom DSP/FPGA platziert werden, als Verfahren mit analogem Ausgang. Durch die geeignete Wahl der Dezimierungsrate (und einem eventuell nachfolgenden Sinc1-Filter) ist eine gute 50/60Hz-Unterdrückung gegeben. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens sind – je nach Ausführung der Schaltung – die Kosten- und Platzersparnis gegenüber Hall-Effekt basierten Systemen.

* Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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