Analog-Tipp Mit Halleffekt-Stromsensoren hohe Spannungen messen

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Halleffekt-Stromsensoren gelten als weniger genau als Sensoren mit Shunt. Ich stelle eine Lösung mit dem TMCS1123 zur präzisen Messung von Strömen in Hochspannungssystemen vor, die wenig komplex ist und sich einfach eindesignen lässt.

Stromsensoren messen Ströme anhand des von ihnen erzeugten Magnetfelds (Halleffekt-Sensoren) oder des Spannungsabfalls in einem Shunt-Widerstand. Shunt-basierte Stromsensoren sind über den gesamten Strombereich hinweg meist genauer als Halleffekt-Sensoren. Mit präzisen A/D-Wandlern und Shunt-Widerständen sowie stabilen Verstärkern kann eine Drift von unter 1 % über den gesamten Strom- und Temperaturbereich und die Lebensdauer erreicht werden.

Die Kombination aus Verstärker und A/D-Wandler erfasst den Spannungsabfall am Shunt-Widerstand und erzeugt daraus ein proportionales Ausgangssignal. Dabei bestehen gewisse Einschränkungen. So weisen shunt-basierte Lösungen architekturbedingt eine längere Signallaufzeit auf und sind komplexer, da eine high- und low-seitige Stromversorgung benötigt wird. Nicht zuletzt müssen die Kenndaten und die Verlustleistung des Shunt-Widerstands sorgfältig überlegt werden.

Was In-Package-Halleffekt-Stromsensoren bieten

Kosteneffektiver als shunt-basierte Lösungen sind In-Package-Halleffekt-Stromsensoren, die eine kürzere Signallaufzeit bieten und sich einfacher in Systeme integrieren lassen. Bei diesen Bausteinen durchfließt der zu messende Strom das Gehäuse und die Leadframe-Struktur, sodass keine Präzisionswiderstände erforderlich sind und der Bauteileaufwand geringer ist. Außerdem kommt ein solcher Sensor mit einer einzigen low-seitigen Stromversorgung aus, was das Design weniger komplex macht.

Dass man bei Hochspannungs-Systemen bisher kaum auf Halleffekt-Stromsensoren gesetzt hat, liegt an ihrer hohen Temperatur- und Langzeitdrift, wobei sich letztere aus der Alterung der Elektronik und der Isolation erklärt.

An der Beseitigung dieser Nachteile wurde aber erfolgreich gearbeitet, und so weist der Halleffekt-Stromsensor TMCS1123 eine Empfindlichkeitsdrift über die Lebensdauer von ±0,5 % auf. Dies erlaubt die Entwicklung von Hochspannungs-Systemen mit weniger Kalibrierungs- und Instandhaltungsaufwand über die Nutzungsdauer. Außerdem gelang es, den maximalen Empfindlichkeitsfehler über Lebensdauer und Temperatur auf ±1,75 % zu senken, was der Effizienz zugutekommt und die Notwendigkeit kostspieliger Systemkalibrierungen verringert. Mit seiner differenziellen Halleffekt-Erfassung dämmt der Hall-Stromsensor magnetfeldbedingte Interferenzen und Übersprechen ein, und nicht zuletzt ergänzen eine Überstrom-Erkennung, eine Präzisions-Spannungsreferenz und eine Sensor-Alert-Funktion die Ausstattung (Bild 1).

Der TMCS1123 räumt ferner mit einigen weiteren Nachteilen gängiger Halleffekt-Sensoren auf. Dazu zählen der Leadframe-Widerstand und thermische Restriktionen des Halbleiterchips, die dem Maximalstrom des Bausteins eine Grenze setzen. Der Chip verkraftet deshalb bis zu 75 ARMS bei 25 °C und kommt ohne Kalibrierung auf einen Empfindlichkeitsfehler von ±1,75 % über den Temperaturbereich und die Lebensdauer.

Auswahl eines Stromsensors

Bei der Auswahl eines Stromsensors für ein System sind einige wichtige Überlegungen anzustellen. An erster Stelle steht hierbei die Genauigkeit, die eines der wichtigsten Auswahlkriterien darstellen sollte. An zweiter Stelle steht die Nennleistung, denn das Spannungs- und Stromniveau des jeweiligen Systems darf die Kenndaten des Stromsensors nicht überschreiten, wenn ein sicherer und effektiver Betrieb gewährleistet sein soll. Die Bandbreite und die Geschwindigkeit sind wichtig für die aktive Regelung geschalteter Systeme, zu denen beispielsweise isolierte Gleichspannungswandler in PV-Anlagen zählen, und als weiterer wichtiger Aspekt kommt die Komplexität des Designs hinzu. Hier zahlt es sich aus, dass Halleffekt-Stromsensoren – sofern die Grenzwerte des jeweiligen Bausteins eingehalten werden – bei beliebigen Spannungen unkompliziert einsetzbar sind, da sie ohne zusätzliche Stromversorgungen oder Bauelemente auskommen.

Mit dem TMCS1123 steht insgesamt eine Lösung zur präzisen Messung von Strömen in Hochspannungssystemen zur Verfügung, mit der sich die Komplexität reduzieren lässt und Designprobleme schnell und kostengünstig gelöst werden können. (kr)

Analogtipp

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* Kyle Stone ist Marketing Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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