schnelle HS shunt Messung

[Alexander V. (avogra)]

Hi,

ich wollte hier Beitrag "wie funktionieren schnelle Strommess-Zangen? Eigenbau?" eine 
Strommesszange fürs Oszi selbst bauen. Im Verlauf der Diskussion bin ich 
dann drauf gekommen, dass das zwar ein feines Werkzeug ist, für meinen 
Bastelbedarf aber eigentlich gar nicht notwendig. Eine Messung mit Shunt 
würde mir vollkommen ausreichen. Nur schnell soll das ganze sein :)

Dafür hab ich momentan drei Varianten:

- wie vorgeschlagen der magnetoresistive Current Sensor 
http://www.sensitec.com/index.php?s=3,1,0&p=59:
Wäre galvanisch getrennt, relativ flott (2MHz Bandbreite). Braucht aber 
bipolare Versorgung und ist evtl. bei kleinen Strömen im mA-Bereich 
ungenau.

- http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/7283: Schafft 
10MHz Bandbreite (übrigens der einzige den ich gefunden habe), 
unkomplizierte Versorgung, genau, robust, lässt vermutlich kaum Wünsche 
offen bis auf galvanische Trennung.

- Eigenbau: Hier habe ich gestern mal ein bisschen in LTSpice gespielt. 
Das ist gar nicht so einfach wie ichs mir vorgestellt hab :). Meine 
aktueller Entwurf schafft immerhin auch über 10MHz und kann bis 0V 
CM-voltage messen. Aktuell hat das ganze noch ein paar Probleme, vor 
allem, dass es ein simulierter Aufbau ohne parasitäre Effekte ist :-P 
Mich würds aber reizen, deshalb werde ich das wohl versuchen.


Jetzt hätte ich gerne etwas Feedback zur Schaltung. Ich hab das 
LTSpice-Modell mal mit angehängt. Die Schaltung ist sicher noch 
unvollständig, z.B. Blockkondensatoren hab ich für die Simulation 
weggelassen, falls die jemand vermisst.
Das test setup spiegelt ein paar mögliche Mess-Situationen wieder. Die 
linke Last erzeugt einen Sweep von 0..10MHz, die mittlere diverse Rampen 
und schnelle Flanken, die rechte ist für die AC-Simulation. Die 
Schaltungs-Versorgung sinkt gegen Ende langsam ab und wird mit M1 auch 
mal komplett abgetrennt.
Ganz rechts gibts als "Benchmark" noch einen HS current monitor von LT.

Ein paar Probleme, die ich selbst schon erkannt habe:
- C1 und C2 sind schon sehr klein, leider aber notwendig. Ob das in 
einer realen Schaltung noch hinhaut??
- Die Versorgung von U1 muss mindestens so hoch wie die Spannungen am 
Shunt sein. Zum Messen kann ich meistens die Versorgung der Schaltung 
mit verwenden, wenn nicht, muss halt eine zweite Versorgung her.
- Die OPs halten nur 12,5V aus. Hier hab ich schon geschaut. Es gibt 
z.B. von Analog Devices Alternativen, die über 30V können.
- Strom nur in eine Richtung messbar. Damit werd ich vorerst wohl leben 
müssen.
- Mit dem BFS17 bin ich noch etwas skeptisch. Ich hab (relativ spät) 
entdeckt, dass der richtige Transistor eine zentrale Rolle spielt. Ob 
der hier wirklich passt?
- Die CMRR hab ich noch nicht gemessen, da erwarte ich nichts allzu 
Gutes.

Das ganze ist sicher teurer und nicht so leistungsfähig wie der MAX9643, 
aber es geht ja auch um den Bastelspass :)

Was haltet ihr davon?

Viele Grüße,
Alex

[Alexander V. (avogra)]

Kleine Ergänzung zu C1, C2:
Ich hab mich geirrt. Für Stabilität sind beide nicht notwendig. C2 hilft 
lediglich gegen Überhöhung bei 10MHz, C1 brauchts gar nicht! Ist wohl 
noch ein Relikt aus vorhergehenden Versuchen :)

[Christian (Gast)]

Hallo Alexander,
bei der Messung von hochfrequenten Strömen mit Shunts beeinflusst dessen 
Induktivität das Messergebnis teils sehr stark. Mit ansteigender 
Frequenz wird auch der induktive Blindwieder größer und mit ihm die 
Impedanz, also auch der Spannungsabfall über dem Shunt.

Beispiel: R_Shunt = 200µOhm; H_Shunt = 2nH
Z_Shunt @ 0 Hz =  200µOhm
Z_Shunt @ 1kHz =  372µOhm
Z_Shunt @ 1MHz = 3150µOhm

D.h. mit steigender Frequenz steigt der Spannungsabfall über dem Shunt 
an und somit der Messfehler.
Die hohe Bandbreite des Signalverarbeitungs-ASIC ist in diesem Fall 
zweitrangig. Um diese ausnutzen zu können, benötigst du einen Shunts mit 
einer extrem niedrigen Induktivität, z.B. einen Koaxial-Shunt. Dieser 
dürfte allerdings nicht gerade günstig sein.

In deinem Fall wäre ein magnetoresistiver Sensor die bessere Wahl. Der 
CMS3000 von Sensitec bildet den Strom, der über einen kupfernden Leiter 
(=Kurzschluß) innerhalb des Sensors fließt, direkt über das Magnetfeld 
ab. Die Induktivität des Leiters hat dort keinen direkten Einfluss auf 
das Messsignal. Diese sorgt zwar dafür, analog zum Shunt, dass der 
Stromfluss bei hohen Frequenzen gebremst wird, dieser wird aber 
weiterhin korrekt gemessen.

[Alexander V. (avogra)]

Danke, das ist wirklich ein ziemlich massiver Einwand. Ich hätte jetzt 
argumentiert, dass meine Shunts eher im Bereich 100mOhm bis 1Ohm liegen. 
Wenn ich allerdings bis 10MHz gehe und noch etwas mehr parasitäre 
Induktivität annehme, dann siehts auch nicht viel besser aus. An solche 
Effekte beim Shunt hätte ich nicht im Entferntesten gedacht.

Mein Hauptproblem beim CMS3000 ist der Messbereich. Mich interessieren 
vor allem Ströme deutlich unter 1A, eher in der Region 10..100mA. Da 
befürchte ich, dass der mit seinem 5A-Messbereich bei kleinen Strömen 
nichts sinnvolles mehr ausspuckt, oder irre ich mich?

Was mir dazu noch einfällt: Die Messung findet ja nicht auf einer 
Leiterplatte statt, bei der ich auf möglichst geringe parasitäre C und L 
optimeren kann. Ich möchte z.B. eine bestehente (durchaus auch mal 
längere) Leitung auftrennen und die Messschaltung einfügen. Dabei 
interessiert mich z.B. auch, welchen Einfluss die Leitung auf mein 
Signal hat. Ich behaupte jetzt mal, dass das parasitäre L des Shunts 
gegenüber dem Leitungs-L schon fast vernachlässigbar wird.

Das ganze stellt für mich jetzt allerdings auch wieder den Sinn z.B. der 
Strommesszangen etwas in Frage, die bis 50 oder 100MHz Bandbreite haben.

[Christian (Gast)]

Bei kleinen Strömen spielt meist der Offset sowie das Rauschen des 
Ausgangssignals die größte Rolle.
Der Offset kann leicht herausgerechnet werden, in dem du das 
Ausgangssignal des Sensors bei aufgetrennter Leitung misst und diesen 
Wert bei den weiteren Messungen vom Messwert abziehst oder hinzufügt.
Das Signalrauschen des CMS3005 ist im Datenblatt 
(http://www.sensitec.com/index.php?s=3,1,0&p=59) mit typisch 2mV 
angegeben. Bei Nennstrom, also 5A, gibt der Sensor eine Ausgangsspannung 
von 2,5V aus. Ein Rauschen von 2mV bedeutet also umgerechnet ein 
Primärstrom von 4mA (Auflösungsgrenze). Ob dir 4mA reichen, hängt dann 
natürlich von den Anforderungen ab.
Eine nachfolgende Filterung würde das Rauschen zwar weiter reduzieren, 
ist aber bei hochfrequenten Strömen eher kontraproduktiv. ;-)

Die Induktivität der Leitung, in der der zu messende Strom fließt, 
spielt für die Genauigkeit des Messergebnisses eine untergeordnete 
Rolle. Beim Shunt ist die Induktivität der Messstelle von Bedeutung, da 
der Spannungsabfall über dieser gemessen wird. Hier sollte auch die 
Zuleitung zur Messstelle mitbetrachtet werden.

Die Induktivität der Leitung mag zwar dafür sorgen, dass der Stromfluss 
bei hohen Frequenzen durch die größer werdende Impedanz reduziert wird, 
eine Strommesszange oder ein magnetoresistiver Stromsensor werden aber 
weiterhin den realen Strom präzise.

[Alexander V. (avogra)]

Ok, ich denke, dann werde ich mal beides aufbauen, mit dem CMS3005 und 
dem IC von Maxim. Bin eh noch nicht aktiv geworden. Wenns vom Strom her 
wirklich hochauflösend werden soll, muss ich mit der Shunt-Lösung eben 
auf Bandbreite verzichten.
Meine Eigenbau-Lösung kann ich dann vielleicht irgendwann mal als 
Lernobjekt aufbauen. Naja ^^

Dankeschön für den Input!

[Alexander V. (avogra)]

Ich hab vorhin mit Sensitec telefoniert und wegen Mustern bzw. 
Bezugsquellen gefragt. Für Ströme < 50mA ist der Sensor wohl eher 
ungeeignet. Dann muss ich wohl doch wieder bei der Shunt-Messung 
bleiben. Ein Kompensations-Netzwerk wird vermutlich auch schwierig, da 
hol ich mir nur wieder jede Menge zusätzliche Parasiten. Oder ist das 
eventuelle machbar? Das ist so ein bisschen Neuland für mich. Wenn nötig 
hab ich hier bisher einfach simuliert und an den Werten gedreht, bis was 
brauchbares rauskommt. Aber jedes zusätzliche Bauteil hat ja wieder 
parasitäre Eigenschaften in einer Größenordnung, die ich eigentlich 
kompensieren will.