Hochspannungs-Verstärker erweitert den Spannungsbereich zur Coulomb-Zählung auf ±270 V

| Autor / Redakteur: Kris Lokere * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

In diesem Analogtipp stellen wir eine Schaltung vor, in der ein kleiner Coulomb-Zähler-IC die Ladung in eine oder aus einer Batterie bei Spannungen bis 20 V misst. Mit einem Hochspannungs-Verstärker als Pegelwandler kann man diesen Messbereich auf höhere Spannungen erweitern. Mit dem LT6375, einem Differenzspannungs-Verstärker, sind akkurate Messungen in einem erstaunlich großen Bereich möglich.

Coulomb-Zähler messen die Spannung über einen Messwiderstand als Maß für den Strom. Bild 1 zeigt eine Schaltung mit dem LTC2941, einem Niederspannungs-Coulomb-Zähler. Entscheidend dabei ist, dass der Coulomb-Zähler die Spannung misst, daraus den Strom ermittelt und schließlich die Ladung.

Entfernt man den Messwiderstand und legt eine andere Spannung am SENSE-Pin an, wird weiterhin aus der Spannung ein Strom interpretiert und damit der Ladezustand.

In Bild 2 sind die Ausgänge des LT6375 mit dem SENSE-Pin des Coulomb-Zählers verbunden. Bei diesem IC handelt es sich um einen Differenzverstärker, hier in Form eines Operationsverstärkers plus Präzisionswiderstand. Er ist so geschaltet, dass er eine differentielle Eingangsspannung wandeln kann. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers berechnet sich dann wie folgt:

OUT = REF + GAIN × [(+IN) – (–IN)]

Der REF-Pin des LT6375 muss mit einer Quelle niedriger Impedanz verbunden werden, gleichzeitig muss am SENSE+-Pin eine Quelle niedriger Impedanz angeschlossen sein, die auch den IC versorgt. Man kann dabei beide REF- und SENSE+-Pins mit der Logik verbinden, die auch für das I2C-Interface verwendet wird (z.B. 3,3 V).

Verbindet der Entwickler den OUT-Pin mit dem SENSE-Pin des LT6375, prägt der LT6375 die anliegende Differenzspannung über seinen Eingängen auf die Eingänge des LTC2941. So stellt er sozusagen den Messwiderstand dar.

Die Genauigkeit des Differenzverstärkers hängt von der Anpassung des Widerstands ab. Eine Fehlanpassung des Widerstands beeinflusst also die Genauigkeit der Verstärkung. Weniger bekannt ist, dass dieser Fehler die Offset-Fehler bestimmt. Eine Fehlanpassung des Widerstands von 1% bedingt somit einen Ausgangs-Offset der Spannung, die der Pegelwandler liefert, von ebenfalls 1%.

Wird beispielsweise eine Eingangsspannung von 48 auf 3 V gewandelt, ergibt sich ein Offset-Fehler von 450 mV, was zu groß ist für diese Art der Messung. Die Gleichtaktunterdrückung (CMRR) des LT6375A ist aber mit minimal 97 dB spezifiziert, das bedeutet, eine Pegelwandlung von 45 V erzeugt einen akzeptablen Offset kleiner als 640 μV.

Beim Schaltungs-Design eines Hochspannungs-Wandlers ist es oft schwierig, die Eingänge des Operationsverstärkers im gültigen Eingangsspannungsbereich zu halten. Die Versorgung des LT6375 ist mit bis zu 60 V spezifiziert, er kann so in einigen Fällen von der Messspannung versorgt werden, wie in Bild 2 beispielhaft an 48 V gezeigt.

Fazit: Der IC enthält einige Präzisionswiderstände, die über einen externen Pin konfiguriert werden können, um den Eingangsgleichtaktbereich herunterzuteilen. Dabei wird die differentielle Verstärkung gleich Eins ansteigend beibehalten. In Bild 3 sind die Referenzpins alle mit der 5-V-Versorgung verbunden, was die –42-V-Eingangsspannung in den Versorgungsspannungsbereich des Verstärkers herunterbringt.

Für andere Applikationen bietet der Operationsverstärker des LT6375 eine einzigartige Eigenschaft: Seine Eingänge können an Spannungen arbeiten, die höher sind, als die Spannung am Versorgungsspannungs-Pin. Kombiniert man diese Eigenschaften, kann der Entwickler eine Schaltung fertigen, die Eingangsspannungen bis zu ±270 V erfassen kann.

* * Kris Lokere ... arbeitet als Strategic Applications Manager Signal Conditioning Products bei Linear Technology, das kürzlich von Analog Devices übernommen wurde, in Milpitas / USA.

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