Designbeschreibung

Dieser isolierte bidirektionale Strommessschaltkreis mit einzelner Stromversorgung kann Lastströme von –50 A bis 50 A genau messen. Der lineare Bereich des Eingangs beträgt –50 mV bis 50 mV mit einem differenziellen Ausgangsspannungshub von –2,05 V bis 2,05 V und einer Gleichtaktspannung am Ausgang (V_CM) von 1,44 V. die Verstärkung des isolierten Verstärkerschaltkreises ist auf 41 V/V festgelegt. Eine Sekundärverstärkerstufe mit TLV9002wandelt die differenzielle Ausgangsspannung in eine einseitig geerdete Ausgangsspannung von 55 mV bis 4,945 V um. Die gesamte Signalkette arbeitet auf einer einzigen 5,0 V-Schiene.

Dieser Schaltkreis eignet sich für viele industrielle Hochspannungsanwendungen wie Solarwechselrichter, Motorantriebe und Schutzrelais. Die Gleichungen und Erklärungen zur Komponentenauswahl in diesem Design können auf der Grundlage der Anforderungen und Systemspezifikationen des Endgerätes angepasst werden.

Designhinweise

1. Der AMC3302 wurde aufgrund seiner Genauigkeit, des Eingangsspannungsbereichs und der Anforderungen an die einzelne Low-Side-Stromversorgung des Bausteins ausgewählt.
2. Der TLV9002 wurde aufgrund seiner niedrigen Kosten, geringen Offset, kleinen Größe und zwei Kanäle ausgewählt.
3. Wählen Sie eine rauscharme Quelle mit niedriger Impedanz für AVDD, die den TLV9002 und AMC3302 versorgt sowie die Gleichtaktspannung für den unsymmetrischen Ausgang bereitstellt.
4. Für höchste Genauigkeit verwenden Sie einen Präzisions-Shunt-Widerstand mit niedrigem Temperaturkoeffizienten.
5. Wählen Sie den Strom-Shunt für den erwarteten Spitzenstrom am Eingang.
6. Für einen kontinuierlichen Betrieb sollten die Shunt-Widerstände unter normalen Bedingungen gemäß IEEE-Standards nicht mit mehr als zwei Dritteln des Nennstroms betrieben werden. Für Anwendungen mit strengen Verlustleistungsanforderungen kann eine weitere Reduzierung des Shunt-Widerstands oder eine Erhöhung der Nennleistung erforderlich sein.
7. Verwenden Sie die richtigen Widerstandsteilerwerte, um die Gleichtaktspannung entsprechend einzustellen.
8. Wählen Sie die richtigen Werte für die Verstärkungseinstellwiderstände auf Kanal 2 von TLV9002, damit der unsymmetrische Ausgang über einen geeigneten Ausgangsspannungshub verfügt.

Designschritte

1. Bestimmen Sie die Übertragungsgleichung anhand des Eingangsstrombereichs und der festen Verstärkung des Isolationsverstärkers.
   $V_{OUT}=I_{in}\times R_{shunt}\times 41$
2. Bestimmen Sie den maximalen Shunt-Widerstandswert.
   $R_{shunt}=\frac{V_{inMax}}{I_{inMax}}=\frac{50 mV}{50 A}=1 m\mathrm{\Omega }$
3. Bestimmen Sie die minimale Verlustleistung des Shunt-Widerstands.
   ${Power R}_{shunt}={I_{inMax}}^2\times R_{shunt}=2500 A\times 0.001 \mathrm{\Omega }=2.5\mathrm{ }\mathrm{W}$
4. Zur Anbindung an einen 5 V-ADC können der AMC3302 und der TLV9002 beide mit 5 V betrieben werden, sodass eine einzelne Stromversorgung verwendet werden kann.
5. Kanal 1 von TLV9002 wird zur Einstellung der 2,5 V-Gleichtaktspannung des unsymmetrischen Ausgangs von Kanal 2 verwendet. Bei einer 5 V-Versorgung kann ein einfacher Widerstandsteiler verwendet werden, um 5 V auf 2,5 V zu teilen. Mit 1 kΩ für R₄kann R₃ mit der folgenden Gleichung berechnet werden.
   $R_3=\frac{V_{DD}\times R_4}{V_{CM}}-R_4=\frac{5 V\times 1000 \mathrm{\Omega }}{2.5 V}-1000 \mathrm{\Omega }=1000 \mathrm{\Omega }$
6. Der TLV9002 ist ein Rail-to-Rail-Operationsverstärker. Der Ausgang des TLV9002 kann jedoch maximal 55 mV von seinen Versorgungsschienen schwingen. Aus diesem Grund sollte der unsymmetrische Ausgang von 55 mV auf 4,945 V (4,89 Vpk zu Spitze) schwingen.
7. Die Ausgänge V_OUTP und V_OUTN des AMC3302 sind 2,05 Vpk-Spitze, 180 Grad phasenverschoben und haben eine Gleichtaktspannung von 1,44 V. Deshalb beträgt der Differenzausgang ±2,05 V oder 4,1 Vpk-Spitze. Damit die Ausgangsbeschränkungen von TLV9002 nicht versteinert werden, muss der Ausgang von AMC3302 um den Faktor 4,89 / 4,1 verstärkt werden. Wenn R₆ = R₇ und R₅ = R₈ist, kann die folgende Übertragungsfunktion zur Berechnung von R₅ und R₈ verwendet werden.
   $V_{OUT}=\left(V_{OUTP}-V_{OUTN}\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{R_{\mathrm{6,7}}}\right)+V_{CM}$
8. Unter Verwendung des zuvor berechneten Ausgangsspannungshubs des TLV9002 und wenn R₆ und R₇ auf 10 kΩ gesetzt werden, können R₅ und R₈ mit der folgenden Gleichung auf 11,93 kΩ berechnet werden. Um die Standardwiderstandswerte zu berücksichtigen, verwenden Sie stattdessen 11,8 kΩ-Widerstände.
   $4.945=\left(2.465 V-415 mV\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{10 k\Omega }\right)+2.5$

Gleichstromübertragungskennlinie

Die folgenden Diagramme zeigen die simulierten DC-Eigenschaften des unsymmetrischen Ausgangs des Verstärkers TLV9002 und des Differenzausgangs AMC3302. Beide Diagramme zeigen, dass die Ausgänge bei ±50 A linear sind.

Ergebnisse der AC-Simulation im geschlossenen Regelkreis

Die folgende AC-Abtastung zeigt die Wechselstromübertragungskennlinie des unsymmetrischen Ausgangs. Da der AMC3302 eine Verstärkung von 41 V/V aufweist und eine Verstärkung von 1,2 V/V mit der Umwandlung von differenziell in unsymmetrisch erfolgt, ist die im Folgenden dargestellte Verstärkung von 33,83 dB zu erwarten.

Ergebnisse der Transienten Simulation

Die folgende Transientensimulation zeigt die Ausgangssignale des AMC3302 und TLV9002 von –50 A bis 50 A. Der Differenzausgang des AMC3302 beträgt wie erwartet ±2,05 Vpk-Spitze und der unsymmetrische Ausgang beträgt 4,89 Vpk-Spitze und schwingt von 55 mV bis 4,945 V.

Designreferenzen

Eine umfassende Schaltkreisbibliothek von TI finden Sie in Analog Engineer's Circuit Cookbooks.

Anwendungshinweis von Texas Instruments: Anbindung eines (isolierten) Verstärkers mit Differenzausgang an einen A/D-Wandler mit unsymmetrischem Eingang .

Design empfohlener isolierter Verstärker

Design von Differenzial- zu unsymmetrischen Verstärkern

Design eines alternativen Isolierverstärkers

Design eines alternativen Differenzial- zu unsymmetrischem Verstärker