Bidirectionele stroommonitor

Simpel, klein en zeer nauwkeurig

Het meten van een stroom is niet ingewikkeld. Een geschikte shunt met een bekende waarde en een spanningsmeter is alles wat je nodig hebt. Met de wet van Ohm is immer de gemeten spanning zo om te rekenen naar de stroom die er loopt. Toch is er een groot nadeel aan dit systeem, namelijk de spanningsval. De shunt moet daarom een zo klein mogelijke weerstand hebben. De spanningsval is dan minimaal, maar vraagt om een spanningsmeter die weer complexer is. Diodes heeft dit opgelost in de vorm van een stroommonitor die heel simpel is in te zetten.

Elke microcontroller met een analoge ingang kan gebruikt worden voor het meten van een stroom, maar voor de gewenste nauwkeurigheid moet daar wel veelal een versterker tussen de shunt en de ADC van de microcontroller geplaatst worden. Zonder versterker moet dan immers de spanning over de shunt gelijk zijn aan de maximale ingangsspanning van de ADC die veelal 5 V bedraagt. Voor systemen waar de voedingsspanning behoorlijk hoog is, is dit veelal geen probleem, maar voor batterijgevoede apparaten werkt dat niet. Een versterker is dan absoluut een must. Dit kan een opamp-versterker zijn die dusdanig opgebouwd moet zijn dat de versterkingsfactor stabiel is onder alle omstandigheden.
Diodes Incorporated heeft onlangs een serie bidirectionele stroommonitoren uitgebracht op basis van een zeer stabiele zero-drift-architectuur. Deze IC’s zijn in staat om zeer lage detectiespanningen nauwkeurig te meten over een breed bereik van common-mode-spanningen. Belangrijke toepassingen zijn onder meer laptops, batterijladers, industriële servo’s, servers, voedingsrekken in serverparken en robotsystemen.
Het gaat om de ZXCT199-serie, bestaande uit zes verschillende varianten. Deze hebben elk een met een precisie-chopper gestabiliseerde opamp voor een zeer nauwkeurige werking. Hun lage offsetspanning maakt stroomdetectie mogelijk bij een minimale spanningsval over de shunt van ca. 10 mV voor een volledige schaal. Hierdoor kunnen hoge stromen worden gemeten via goedkope, laagwaardige shuntweerstanden.

De ZXCT199-serie leveren een uitggangsspanning overeenkomstig de gemeten stroom en zijn verkrijgbaar in drie vaste spanningsversterkingsopties, namelijk 50 V/V, 100 V/V en 200 V/V. Ze kunnen spanningen over shunts meten bij common-mode spanningen van -0,1 V tot 26 V, onafhankelijk van de voedingsspanning.
De versterkers die geleverd worden in een SOT363-behuizing, hebben een operationeel temperatuurbereik van -40 °C tot 125 °C, met een minimale versterkingsfout hierover. Voor de A- en B-versies is de maximale versterkingsfout ten opzichte van de temperatuur ± 1,0%, terwijl deze voor de C-versie ± 0,8% is. Hun offset-spanningsniveaus zijn maximaal ±150 μV voor de A-versie, ±100 μV voor de B-versie en een ±80 μV voor de C-versie die hiermee de hoogste precisie levert. Alle varianten kunnen worden gevoed met een voeding van 2,7 V tot 26 V, waardoor ze een grotere toepassingsflexibiliteit hebben. De opgenomen stroom is slechts 100 µA.

Simpel
Diodes heeft zoals gezegd alles in het IC geïntegreerd. Dit maakt dat het schema eigenlijk niets om het lijf heeft. Afbeelding 1 toont het basisschema. Naast het IC en de schunt is er alleen nog een ontkoppelcondensator nodig. Met de in het schema getoonde waardes is de versterking een factor 100. Voor een factor 50 of 200 moet u een ander IC uit deze serie nemen waarin de waardes van de interne weerstanden zijn aangepast voor de genoemde versterkingsfactoren.
Omdat de referentie-ingang van het IC aan massa ligt, kan het IC alleen een positieve spanning leveren ten opzichte van massa. Hierdoor is deze versie van de stroommeter niet geschikt voor bidirectionele stromen. Is dit wel vereist, bijvoorbeeld voor het meten van laad- en ontlaadstromen van accu’s of voor het meten van een wisselstroom, dan moet de referentiespanning op bijvoorbeeld de halve voedingsspanning gelegd worden. Afbeelding 2 toont een schema hoe dit uitgevoerd zou kunnen. Met de spanningsdeler worden de referentie-ingangen van zowel de opamp als de ADC op een hoger niveau gebracht om zo een kunstmatig nul-potentiaal te creëren.

Het spreekt voor zich dat dat met twee weerstanden het nul-niveau niet echt stabiel is. Een oplossing met een zenerdiode of een speciaal voor dit doel gemaakt onderdeel, levert een betere referentiespanning.
Met het verhogen van het referentieniveau kan zoals in afbeelding 3 te zien is, een wisselstroom gemeten worden. De software in de microcoltroller moet dan alleen voor elke meting de referentiespanning van de gemeten spanning aftrekken om zo de werkelijk gemeten stroom te bepalen.

Klein
Omdat het IC in een SOT363-behuizing is ondergebracht waarin ook alle voor de opamp noodzakelijke weerstanden zijn geïntegreerd, neemt de schakeling iets meer dan 4 mm² ruimte op uw print in beslag. Dit is beduidend minder dan een vergelijkbare schakeling rond een standaard opamp. Daarnaast levert hij een hogere nauwkeurigheid. De datasheet vertelt u hier mee over. Daar treft u ook nog een aantal voorbeeld aan van meetsystemen voor applicaties waar stoorpulsen op de voeding weggefilterd moeten worden.