Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik High-Side-Strom auf Low-Side spiegeln (Stromspiegel?!)


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von Chris (Gast)


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Hallo zusammen,

kurze theoretische Frage zu Stromspiegeln. In den üblichen Schaltungen 
dazu ist ja immer der gleiche Massebezug gegeben, siehe z.B. im Anhang. 
Das ist ja auch logisch, da sich sonst nicht die gleiche U_BE-Spannung 
einstellen kann.

Was aber, wenn man einen "echten" Stromspiegel möchte, welcher wirklich 
nur vom Strom durch die Transistoren abhängt?

Konkret geht es um einen Fall, bei welchem ein kleiner Strom von ~ 1 mA 
durch einen High-Side-N-FET (200 V zu GND) eingestellt wird und als 
Logiksignal (3.3 V zu GND) detektiert werden soll.

Eine Schaltung mit Optokoppler funktioniert soweit gut, braucht für 
meinen Geschmack aber einfach zu viel Strom. Bei 1 mA und 200 V 
entstehen 200 mW Verlust, was Grenzwertig ist...

Der Gedanke war nun, dass dieser bzw. auch ein kleinerer Strom durch 
einen Transistor (Bipolar oder MOSFET) parallel zum High-Side-FET 
fliest. Dieser Strom soll dann in einen weiteren Transistor gespiegelt 
werden, welcher letztendlich das 3.3 V Logiksignal ausgibt. Noch bin ich 
hier aber auf keine vernünftige Lösung gekommen ... oder ich denke zu 
kompliziert ;) Im Anhang ein schematischer Aufbau zur besseren 
Veranschaulichung

Gleich vorweg: Jegliche Schaltung zur Messung der Spannung über den 
High-Side-FET kann nicht verwendet werden, z.B. Current-Shunt-Monitor, 
Komparator, Differenzverstärker etc.

Schöne Grüße

von MaWin (Gast)


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Chris schrieb:
> siehe z.B. im Anhang

Die Schaltung ist Unsinn.

Ein Stromspiegdl geht so:
Strom
  |     Laststrom
  +---+   |
  |   |   |
  >|--+--|< NPN-Pair
 E|       |E
 GND     GND
Er funktioniert nur monolithisch auf einem Chip, weil der Transistor mit 
grösserer UCE wärmer wird und daher das Stromverhältnis zu sich zieht.
Mit Widerständen in der Emitterleitung wird es besser:
Strom
  |     Laststrom
  +---+   |
  |   |   |
  >|--+--|< NPN-Psor
 E|       |E
  R       R (z.B. 1V bei Nennstrom)
  |       |
 GND     GND
Natürlich kann man das mit PNP auch umdrehen
         VCC     VCC
         E|       |E
Strom     >|--+--|< PNP-Pair
  |       |   |   |
  +---+   +---+   |
  |   |   |    Stromquelle
  >|--+--|< NPN-Pair
 E|       |E
 GND     GND
Leider gibt es keine monolithischen Paare mehr, MAT02 (0.05mV), 
MAT01/LM194 (or 0.1mV), LM394BH SSM2210/20 (0.2mV), MAT03 MAT04 
HFA3127/3134/3135 CA3046/3083/3083/3096/3127 (Intersil) 2SC3381 THAT120 
THAT300 ALD1110 MEM517=SMY52 (P) LS3550, LS318, LS319, IT129A, IT132, 
2SA1349/2SC3381 sind verboten teuer oder unobtanium.

BCM847 PMP4201 DMMT3904 etc.
sind nicht monolithisch.

von Chris (Gast)


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MaWin schrieb:
> Die Schaltung ist Unsinn.
>
> Ein Stromspiegdl geht so:
Das ist mir schon klar, wie ein Stromspiegel geht, daher hatte ich ja 
auch extra geschrieben dass es nur ein *schematischer Aufbau zur 
besseren
Veranschaulichung* ist.

Die abweichenden Ströme wären in diesem Fall tatsächlich nicht das 
Problem, da ohnehin nur zwischen zwei Fällen unterschieden wird
- Kein Strom fliest -> Pull-Up Widerstand zieht Ausgang auf High
- Strom fliest (z.B. 0.1 - 1 mA) -> Signal wird von Transistor auf GND 
gezogen und ist dann Low

Die letzte Idee mit der Kombination aus PNP und NPN finde ich aber 
interessant. Zwar fällt in dem "mittleren Pfad" mit PNP und NPN in Reihe 
auch  Verlustleistung durch die direkten 200 V an, allerdings wird das 
durch einen kleinen Strom weniger sein.

von Carlo (Gast)


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von Peter D. (peda)


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Wenn die GND verbunden sind, nimm doch einfach einen Spannungsteiler 
200V/3,3V, z.B. 1M/16k.

von Olaf (Gast)


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> BCM847 PMP4201 DMMT3904 etc.
> sind nicht monolithisch.

BCV62? Jedenfalls steht das Stromspiegel als anwendung im Datenblatt.

Olaf

von Michael B. (laberkopp)


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Olaf schrieb:
> BCV62? Jedenfalls steht das Stromspiegel als anwendung im Datenblatt.

Nein, auch 2 Chips in einem Gehäuse, die sich unterschiedlich erwärmen, 
zumindest unterschiedlicher als wenn sie auf einem Kristall ineinander 
verwoben wären.

Beitrag #6355778 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Peter S. (psavr)


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Der ZDS1009TA tut genau das was Du haben möchtest:

von Max H. (nilsp)


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Btw, die gebräuchlichen monolitischen Transistorpaare wurden von ALFA 
RPAR AS neu aufgelegt: http://www.alfarzpp.lv/eng/sc/transistors.php

von Peter D. (peda)


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Falls es noch keiner gemerkt hat, er will gar keinen Stromspiegel, 
sondern nur die 200V erkennen:

Chris schrieb:
> Die abweichenden Ströme wären in diesem Fall tatsächlich nicht das
> Problem, da ohnehin nur zwischen zwei Fällen unterschieden wird
> - Kein Strom fliest -> Pull-Up Widerstand zieht Ausgang auf High
> - Strom fliest (z.B. 0.1 - 1 mA)

Ein einfacher Spannungsteiler reicht also.

von Achim S. (Gast)


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Peter D. schrieb:
> Falls es noch keiner gemerkt hat, er will gar keinen Stromspiegel,
> sondern nur die 200V erkennen:

Wenn man alle Diskussionen über Stromspiegel mal überliest, dann hätte 
ich es so interpretiert, dass er einen Stromfluss von 1mA erkennen will:

Chris schrieb:
> Konkret geht es um einen Fall, bei welchem ein kleiner Strom von ~ 1 mA
> durch einen High-Side-N-FET (200 V zu GND) eingestellt wird und als
> Logiksignal (3.3 V zu GND) detektiert werden soll.

Hier kam der (unnötige) Ansatz mit dem Stromspiegel rein:

Chris schrieb:
> Der Gedanke war nun, dass dieser bzw. auch ein kleinerer Strom durch
> einen Transistor (Bipolar oder MOSFET) parallel zum High-Side-FET
> fliest.

Wenn es wirklich so sein sollte, dass ein Strom durch die Last von 1mA 
digital detektiert werden soll, dann wäre es mehr als naheliegend, den 
Laststrom durch die Eingangsseite eines passenden Optokopplers zu 
schicken (dem 1mA sicher ausreichen). Es müsste also nur der Optokoppler 
in Serie zur Last geschaltet werden. Die 1,5V Spannungsabfall sollten 
bein den insgesamt 200V zu verkraften sein.

Wenn es stattdessen so ist, dass einwesentlich größerer Strom durch die 
Last fließt (danach sieht die Simu im Eröffnungsthread aus, aber es 
passt aus meiner Sicht nicht zum Text im Eröffnungsthread), dann bin ich 
bei Peter: Spannungsteiler parallel zu Last und gut ist es.

von Bauform B. (bauformb)


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Peter S. schrieb:
> Der ZDS1009TA tut genau das was Du haben möchtest:

Aber nur fast, der verträgt keine 200 Volt.

Peter D. schrieb:
> Falls es noch keiner gemerkt hat, er will gar keinen Stromspiegel,
> sondern nur die 200V erkennen:
Achim S. schrieb:
> Wenn man alle Diskussionen über Stromspiegel mal überliest, dann hätte
> ich es so interpretiert, dass er einen Stromfluss von 1mA erkennen will:

Für kleine Ströme würde ich die digitale Entscheidung "nach oben" 
verlegen und die 200 Volt mit einem Optokoppler überbrücken. Das braucht 
nämlich gleich 3 interessante Bauteile in einer so simplen Schaltung ;) 
Damit kommt man mit weniger als 10mW aus und braucht (fast) keine 
Hilfsspannung, man nutzt den Strom, der sowieso fließt. Die Stromquelle 
muss nur ein paar Volt mehr liefern.

Die Schaltschwelle bei 0.1mA ist sogar ziemlich genau, NCP301 und TVS 
brauchen zusammen weniger als 2uA. Für höhere Ströme als 5mA muss der 
HCPL durch einen HCPL2731 ersetzt werden, für mehr als 20mA taugt das 
Prinzip nicht (der gesamte Strom fließt durch die Optokopplerdiode). Der 
maximale Spannungsabfall lässt sich noch verringern, wenn man eine 
bessere TVS-Diode findet. Den NCP301 gibt es auch mit 2.7V und evt. 
schaltet der FET sogar mit 2.2V.

: Bearbeitet durch User
von Axel S. (a-za-z0-9)


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Achim S. schrieb:
> Peter D. schrieb:
>> Falls es noch keiner gemerkt hat, er will gar keinen Stromspiegel,
>> sondern nur die 200V erkennen
>
> Wenn man alle Diskussionen über Stromspiegel mal überliest, dann hätte
> ich es so interpretiert, dass er einen Stromfluss von 1mA erkennen will

Vielleicht, vielleicht auch nicht. Kurz darauf schreibt er dann, daß ihm 
1mA eigentlich zu viel sind. Seine Problembeschreibung ist so dermaßen 
unbrauchbar, daß ich gar nicht erst versucht habe, eine Lösung zu 
finden. Wenn er noch nicht mal sein Problem beschreiben kann ...

Für Ratespielchen ist mir meine Zeit zu schade.

von Achim S. (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Vielleicht, vielleicht auch nicht. Kurz darauf schreibt er dann, daß ihm
> 1mA eigentlich zu viel sind.

Die Beschreibung ist auch für mich nicht ganz eindeutig. Der Text liest 
sich für mich eigentlich schon klar, aber die angedachten Lösungen und 
der Schaltplanentwurf passen nicht wirklich zu dem, was ich im Text als 
eigentliche Problemstellung verstehe.

Dass 1mA "zu viel" sein soll bezieht sich nach meiner Interpretation 
wohl darauf, dass nicht der Laststrom direkt durch den Optokoppler 
geleitet werdnen soll sondern dass der nochmal gespiegelt werden soll um 
den OK anzusteuern. Dann hat man tatsächlich zusätzliche 200mW 
Verlustleistung.

Chris schrieb:
> Bei 1 mA und 200 V
> entstehen 200 mW Verlust, was Grenzwertig ist...

Aber wenn man mit dem Laststrom direkt den Optokoppler ansteuert (also 
OK und Last in Serie), dann liegt die Verlustleistung bei vielleicht 
1mA*1,5V=1,5mW. Deswegen fände ich das die sehr naheliegende Lösung für 
das eigentliche Problem.

von Chris (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Die Beschreibung ist auch für mich nicht ganz eindeutig.

Peter D. schrieb:
> Ein einfacher Spannungsteiler reicht also.

Ok ok, mein Fehler. Ich hatte zwei kleine Details im Schaltplan 
vergessen, weshalb es eben nicht möglich ist, einfach nur einen 
Spannungsteiler zu verwenden. An Source vom FET (M1) liegt dauerhaft 
über einen hochohmigen Widerstand die Drain Spannung an. Das wird für 
Mess- und Diagnosezwecke benötigt. Der Laststrom beträgt zudem 
üblicherweise 5 - 30 A, daher ist Optokoppler in Reihe nicht einfach so 
möglich ;)

Durch einen erzwungenen Strom von Drain nach Source (egal ob über den 
Last-FET oder den parallel dazu geschalteten Optokoppler) wird der 
tatsächliche Zustand vom FET erkannt (leitend oder nicht leitend).

Mit dem letzten Schaltplanbeispiel von MaWin war mir aber bereits sehr 
geholfen. Durch die Kombination eines Stromspiegels mit PNP parallel zum 
FET (quasi High-Side) und einem weiteren mit NPN auf GND (quasi Lowside) 
funktionier es wie gewünscht.

von Peter D. (peda)


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Chris schrieb:
> funktionier es wie gewünscht.

Na wenn Du das sagst.
Ich kann aus Deiner Prosa immer noch nicht erkennen, welchen Strom Du 
eigentlich spiegeln willst und warum.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Die "Magic" Blase gefällt mir. Sieht Lustig aus.

Kann man die als irgendwo kaufen, womöglich als Arduino Shield?

: Bearbeitet durch User
von Chris (Gast)


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Peter D. schrieb:
> Ich kann aus Deiner Prosa immer noch nicht erkennen, welchen Strom Du
> eigentlich spiegeln willst und warum.

Ich möchte den Strom spiegeln, welche meine Konstantstromquelle erzeugt.

Das Ziel der Schaltung ist einfach, den tatsächlichen Zustand vom FET zu 
erkennen. Dabei soll nicht die Gate-Spannung genutzt werden. Zudem kann 
man die Drain-Source-Spannung auch nicht verwenden, da am Source eine 
Spannung anliegen kann, ohne dass der FET leitend ist.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Die "Magic" Blase gefällt mir. Sieht Lustig aus.
>
> Kann man die als irgendwo kaufen, womöglich als Arduino Shield?
MS Paint ;)

von Peter D. (peda)


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Chris schrieb:
> Zudem kann
> man die Drain-Source-Spannung auch nicht verwenden, da am Source eine
> Spannung anliegen kann, ohne dass der FET leitend ist.

Dann legste eben noch ne Z-Diode in Reihe zum Spannungsteiler, daß erst 
High-Pegel rauskommt, wenn der FET voll leitend ist. Oder nen Komparator 
(TL331) hinter den Spannungsteiler.

: Bearbeitet durch User
von Chris (Gast)


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Peter D. schrieb:
> Dann legste eben noch ne Z-Diode in Reihe zum Spannungsteiler, daß erst
> High-Pegel rauskommt, wenn der FET voll leitend ist. Oder nen Komparator
> (TL331) hinter den Spannungsteiler.

Aber was soll das bringen? Im nicht leitenden Zustand kann an Drain und 
Source vom Last-FET die gleiche Spannung anliegen. Im leitenden Zustand 
liegt an Drain und Source auch eine fast identische Spannung an 
(abzügliche Spannungsabfall bei größeren Lastströmen). Fliest kein 
Strom, fällt auch keine Spannung ab, kann man also auch nicht 
detektieren. Oder sehe ich das falsch?

Die reine Source-GND-Spannung ist nicht eindeutig verwendbar zur 
Auswertung

von Peter D. (peda)


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Chris schrieb:
> Im nicht leitenden Zustand kann an Drain und
> Source vom Last-FET die gleiche Spannung anliegen.

Wenn sich die Spannung nicht ändert, kann sich auch der Strom nicht 
ändern.
Entweder es funktioniert nicht oder irgendwas verschweigst Du.
Welchen Zustand willst Du denn damit erkennen?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Chris schrieb:
> Peter D. schrieb:
>> Ich kann aus Deiner Prosa immer noch nicht erkennen, welchen Strom Du
>> eigentlich spiegeln willst und warum.
>
> Ich möchte den Strom spiegeln, welche meine Konstantstromquelle erzeugt.

Nein.

Und welche Konstantstromquelle eigentlich? Bis jetzt hast du nichts 
davon gesagt und es sind wohl alle davon ausgegangen, daß der MOSFET als 
Schalter betrieben wird.

> Das Ziel der Schaltung ist einfach, den tatsächlichen Zustand vom
> FET zu  erkennen.

Auch das ist nicht eindeutig. Den Zustand (leitend/hochohmig) kann man 
ohnehin nur indirekt feststellen, indem man entweder die Drain-Source 
Spannung oder den Drainstrom mißt.

> Zudem kann
> man die Drain-Source-Spannung auch nicht verwenden, da am Source eine
> Spannung anliegen kann, ohne dass der FET leitend ist.

Weil du den MOSFET hochohmig (wie hochohmig?) überbrückt hast? Aber wenn 
du von 5-30A Laststrom sprichst, dann muß die Last doch wohl deutlich 
niederohmiger sein. Auch bei 200V und 5A nicht mehr als 40Ω. Da sollte 
sich doch ein deutlicher Spannungshub einstellen. Es sei denn, die Last 
kann auch abgeklemmt sein. Dann natürlich nicht. Aber davon hast du 
bisher nichts gesagt. Siehe auch:

Axel S. schrieb:
> Seine Problembeschreibung ist so dermaßen
> unbrauchbar, daß ich gar nicht erst versucht habe, eine Lösung zu
> finden. Wenn er noch nicht mal sein Problem beschreiben kann ...

Ist es echt so schwer, einfach mal das Problem zu beschreiben?

von Chris (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Und welche Konstantstromquelle eigentlich? Bis jetzt hast du nichts
> davon gesagt und es sind wohl alle davon ausgegangen, daß der MOSFET als
> Schalter betrieben wird.
Siehe Bild im ersten Eröffnungs-Post

Axel S. schrieb:
>> Das Ziel der Schaltung ist einfach, den tatsächlichen Zustand vom
>> FET zu  erkennen.
>
> Auch das ist nicht eindeutig.
Wäre das eindeutig: "Das Ziel der Schaltung ist einfach, den 
tatsächlichen Zustand von der Drain-Source-Strecke des FET 
(leitend/nicht leitend) zu  erkennen."

Axel S. schrieb:
> Auch bei 200V und 5A nicht mehr als 40Ω. Da sollte
> sich doch ein deutlicher Spannungshub einstellen. Es sei denn, die Last
> kann auch abgeklemmt sein. Dann natürlich nicht. Aber davon hast du
> bisher nichts gesagt.
Siehe auch hier das Bild, sind als Last 7 Ohm eingezeichnet, welche aber 
durchaus schwanken können.

Abgeklemmt kann die Last eigentlich nicht sein, aber fehlerhaft. Das 
kann dann eben dazu führen, dass diese nicht mehr oder schlechter 
angebunden ist.

von Peter D. (peda)


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Chris schrieb:
> Im nicht leitenden Zustand kann an Drain und
> Source vom Last-FET die gleiche Spannung anliegen.

Mir ist ein Rätsel, woher die 200V am Source von M1 kommen sollen, wenn 
M1 sperrt.

Zeichne mal nen stimmenden Schaltplan ohne Wolken.

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