Strommess-Modul Klari-Mod Datenblatt - Klaric

Strommess-Modul
Klari-Mod
Datenblatt
Version: 1.4
Autor: mho
Datum: 24.08.2004
Stefan Klaric GmbH & Co. KG Fon: +49 (0) 711 – 32 777 6 – 0
Hafenbahnstrasse 10A Fax: +49 (0) 711 – 32 777 6 – 59
70329 Stuttgart Web: www.klaric.de Email: klaric@klaric.de

Historie
Version Datum Autor Beschreibung
1.0 17.11.2003 mho Vorläufige Ersterstellung
1.1 10.05.2004 mho Streichung Klari-Mod
Einbauanleitung, Hinweis auf potentialgebundene RS232
1.2 04.06.2004 mho Spezifikation Rauschen Strommessung erweitert
Spezifikation Spannungsmessung erweitert
1.3 16.08.2004 mho Änderung des Produktnamens in Klari-Mod, aufgrund von
namensrechtlichen Problemen
1.4 24.08.2004 mho Fehler in Spezifikation des Rauschens für 200µOhm und
500µOhm-Shunts beseitigt (Zahlendreher in der deutschen
Version)
Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeines ....................................................................................................................... 4
2 Hardware .......................................................................................................................... 5
2.1 Blockschaltbild........................................................................................................... 5
2.2 Der ASIC IHM-A-1500 ............................................................................................. 6
2.2.1 Blockschaltbild................................................................................................... 6
2.2.2 Analoge Eingänge .............................................................................................. 6
2.2.3 Abgleichdaten..................................................................................................... 7
2.2.4 Betriebsmodi ...................................................................................................... 7
2.3 Anschlüsse.................................................................................................................. 8
2.4 Versorgung............................................................................................................... 10
2.5 CAN-Schnittstelle .................................................................................................... 10
2.6 RS232-Schnittstelle.................................................................................................. 10
2.7 Strommessung .......................................................................................................... 11
2.8 Spannungsmessung .................................................................................................. 12
2.9 Interne Temperaturmessung..................................................................................... 12
3 Einbauanleitung ............................................................................................................. 13
3.1 Einbauort und Einbauvorgang.................................................................................. 13
3.2 Potentialgebundene serielle Schnittstelle................................................................. 13
3.3 Thermische Ankopplung.......................................................................................... 13
4 Firmware......................................................................................................................... 14
4.1 Überblick.................................................................................................................. 14
4.2 Der KoDeX-Server................................................................................................... 15
4.3 Messablauf-Steuerung.............................................................................................. 15
4.3.1 Messmodus: Parameter „Measure_Mode“....................................................... 15
4.3.2 Messpfade und Kalibrierkonstanten................................................................. 16
4.3.3 Kanäle............................................................................................................... 18
5 Messmodus Multi-Channel-Mode (MCM) .................................................................. 19
5.1 Ablauf der Messungen ............................................................................................. 20
5.2 Effektive Samplingraten, Datenrate und Totzeit...................................................... 22
5.3 Einstellung der Häufigkeit für die Kanäle A bis D .................................................. 23
5.4 Autorange-Funktion ................................................................................................. 26
Klari-Mod – Datenblatt
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5.5 Differentielles Senden .............................................................................................. 27
5.6 Zeitstempel ............................................................................................................... 28
5.7 Datenformat CAN .................................................................................................... 28
5.8 Datenformat RS232.................................................................................................. 30
6 Spezifikationen ............................................................................................................... 31
6.1 Versorgung und Stromaufnahme ............................................................................. 31
6.1.1 Eigenschaften der Klari-Mod-Module ............................................................. 31
6.2 Widerstand und Belastbarkeit der Strommess-Shunts ............................................. 32
6.2.1 Widerstandswerte............................................................................................. 32
6.2.2 Thermisches Ersatzschaltbild........................................................................... 33
6.2.3 Stationäre thermische Zustände ....................................................................... 34
6.2.4 Pulsströme ........................................................................................................ 35
6.2.5 Eigenschaften des 100µO-Shunts .................................................................... 36
6.2.6 Eigenschaften des 200µO-Shunts .................................................................... 38
6.2.7 Eigenschaften des 500µO-Shunts .................................................................... 40
6.3 Auflösung und Genauigkeit der Strommessung....................................................... 42
6.3.1 Eigenschaften des 100µO-Shunts .................................................................... 42
6.3.2 Eigenschaften des 200µO-Shunts .................................................................... 43
6.3.3 Eigenschaften des 500µO-Shunts .................................................................... 44
6.4 Auflösung und Genauigkeit der Spannungsmessung............................................... 45
Klari-Mod – Datenblatt
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1 Allgemeines
Klari-Mod ist ein universell einsetzbares Modul zum Messen von Strom (I), Spannung (U) und
Temperatur (T). Es wurde für den Laboreinsatz im Bereich Batteriemanagement im KFZ entwickelt.
Die Anwendung ist aber nicht auf diesen Bereich begrenzt.
Die Basis des Klari-Mod auf messtechnischer Seite bilden zwei Produkte der Firma Isabellenhütte:
Strommess-Shunts mit Widerstandswerten zwischen 100 und 500 µOhm und ein ASIC zur
Spannungsmessung an diesen Shunts.
Als Mikrokontroller (µC) kommt eine PIC 18F458 der Firma Microchip zum Einsatz. Dieser besitzt
einen integrierten CAN-Controller, was ihn für den Einsatz im KFZ-Bereich prädestiniert.
Ein wesentlicher Bestandteil des Klari-Mod-Moduls ist die leistungsfähige Firmware, die es ermöglicht,
verschiedenste Messaufgaben zu erledigen. Durch zahlreiche Parameter kann man das Verhalten der
Moduls im Hinblick auf Bandbreite, Datenrate, Anzahl und Häufigkeit der zu messenden Kanäle usw.
beeinflussen.
Ein mitgeliefertes Konfigurationstool, Beispielkonfigurationen sowie vorgefertigte CAN-Datenbanken
im Vektor®-Format erleichtern dem Anwender die Applikation des Moduls.
Das Klari-Mod ist auch unter dem Namen UnImoT bekannt. Dieser Name musste aber aus
namensrechtlichen Gründen geändert werden.
Klari-Mod – Datenblatt
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2 Hardware
In diesem Kapitel soll ein Überblick über die Hardware der Klari-Mod-Module gegeben werden.
2.1 Blockschaltbild
Strom I
Spannung U
(U-Mess)
ASIC
IHM-A-1500
Interne
Temp. 1)
Zusätzlicher
Spannungseingang U-Aux
für externe Sensoren etc.
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µC
PIC18F458
Versorgung
CAN
RS232

2.2 Der ASIC IHM-A-1500
In diesem Kapitel soll ein kurzer Überblick über den integrierten ASIC gegeben werden, der als
analoges Front-End für das Klari-Mod-Modul dient. Näheres zum ASIC findet man auf den Internet-
Seiten der Fa. Isabellenhütte: www.isabellenhuette.de
2.2.1 Blockschaltbild
Folgendes Blockschaltbild verdeutlicht den Aufbau des ASIC:
2.2.2 Analoge Eingänge
Der ASIC besitzt 4 analoge Eingänge, die single-ended mit Bezug auf RSHL benutzt werden können.
Teilweise ist es auch möglich, Eingangspaare differentiell zu benutzen: Das ist z.B. bei den Pins
RSHH/RSHL oder ETS/VBAT der Fall.
Im Klari-Mod-Modul wird die Spannung am Strommess-Shunt über der Eingänge RSHH/RSHL
gemessen. Die externe Spannung U-Mess liegt auf dem VBAT-Eingang. Bezugspunkt ist auch hier
der RSHL-Pin.
Neben den externen Spannungen ist es auch möglich, die Spannung an einem internen
Temperatursensor zu messen.
Noch nicht genutzt sind im Klari-Mod-Modul die ETR und ETS-Pins. In Verbindung mit der internen
Stromquelle könnte man in Zukunft über diese Pins externe Temperaturmessungen mit Hilfe eines
PT100 oder eines Thermoelements realisieren.
Klari-Mod – Datenblatt
6
Quelle: Isabellenhütte

2.2.3 Abgleichdaten
Der ASIC bietet eine Reihe von Registern im RAM, in denen man Abgleichdaten für die einzelnen
Messkanäle ablegen kann. Diese Register werden aus einem Zener-Zap-Speicher beim Hochfahren
gefüllt. Es ist aber auch möglich, die Register über das serielle Interface zur Laufzeit zu beschreiben.
Dieser Weg wird im Klari-Mod-Modul (zur Zeit) gegangen. Die Werte für diese Register werden beim
Abgleich der Klari-Mod-Module ermittelt und im EEPROM des Mikrocontrollers gespeichert.
Vier Abgleichregister sind mit der differentiellen Messung über die RSHH/RSHL-Pins verknüpft. Die
Register heißen CGI1 bis CGI4. Jedem PGA-Gain ist eines dieser Register fest zugeordnet.
Sechs weitere Abgleichregister CAU0 bis CAU5 können vom Benutzer für verschiedene
Messaufgaben herangezogen werden. Die Benutzung dieser Register im Klari-Mod-Modul ist in
Kapitel 4.3.2 angegeben.
2.2.4 Betriebsmodi
Der ASIC kann in vielen verschiedenen Betriebsarten arbeiten. Die wichtigsten sind:
- MMS: (kontinuierliche) Ein-Kanal-Messung mit externer 8MHz-Clock
- MMD: (kontinuierliche) Zwei-Kanal-Messung mit externer 8MHz-Clock
- MSI: (kontinuierliche) Ein-Kanal-Messung mit interner 256kHz-Clock
In den Modi MMS und MSI legen die ASIC-Register CRG und CRA fest, welcher Eingang wie
gemessen werden soll. Im MMD-Modus kommt das Register CRB dazu, das die Einstellungen für den
zweiten Kanal festlegt. Die beiden Kanäle werden abwechselnd gemessen.
Im Klari-Mod-Modul kommt zur Zeit nur der MMS-Modus zum Einsatz. Die verschiedenen
Betriebsarten des Klari-Mod-Moduls werden über Software realisiert. Das hat den Vorteil, das man
Funktionen wie Autorange etc. integrieren kann. Diese Funktion bietet der ASIC von Haus aus nicht.
Klari-Mod – Datenblatt
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2.3 Anschlüsse
Bei allen Klari-Mod-Modulen sind die Leistungsanschlüsse des Strommess-Shunts direkt als Kupfer-
Laschen nach außen geführt.
Eine Lasche (RSHL) ist mit dem internen GND des ASIC bzw. der Schaltung verbunden. Das ist die
Lasche, bei unterhalb des Kabelaustritts der Module liegt.
Die andere Lasche (RSHH) bildet den zweiten Anschluss des Shunt.
Klari-Mod:
Klari-Mod
RSHH RSHL
www.klaric.de
Der Pfeil gibt die technische Stromrichtung an, die ein Strom haben muss, damit er einen positiven
Messwert hervorruft.
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Kabel

Alle weiteren Signale sind über eine Kabel mit 15-poligem Sub-D-Stecker aus den Modulen
herausgeführt. Der Stecker ist folgendermaßen belegt:
Pin Klari-Mod
1 U-Aux
2 Versorgung GND
3 RS232 GND
4 U-Mess
5
6 RS232 DSR
7 CAN-Lo
8 5V_Out *)
9 Versorgung +
10 RS232 TxD
11 RS232 RxD
12
13
14 U-Aux GND
15 CAN-Hi
*) 5V +/- 200mV –Spannungsausgang für die Versorgung von kleinen externen Lasten.
Innenwiderstand: 1kOhm
Achtung! Die blau schattierten Pins sind niederohmig mit der RSHL- und der RSHH-
Lasche des Strommess-Shunts verbunden! Sie dürfen nur mit potentialfreien Geräten
verbunden werden, oder mit Geräten, deren Bezugspotential auf dem Potential der
RSHL-Lasche liegt.
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2.4 Versorgung
Die Module vom Typ Klari-Mod können mit Spannungen zwischen 9V und 18V (DC) versorgt werden.
Die Stromaufnahme liegt je nach Anwendung zwischen 30 mA und 55 mA.
Die Spannung wird zwischen Versorgung + (Pin 9) und Versorgung GND (Pin 2) eingespeist.
2.5 CAN-Schnittstelle
Alle Klari-Mod-Module besitzen eine potential-getrennte CAN-Schnittstelle. Datenraten bis 1 MBaud
sind möglich. Die CAN-Leitungen sind intern nicht terminiert. Die CAN-Schnittstelle belegt Pin 15
(CAN-Hi) und Pin 7 (CAN-Lo).
2.6 RS232-Schnittstelle
Eine abgespeckte serielle RS232-Schnittstelle wird für die Konfiguration des Moduls und zur
Messdatenübermittlung genutzt. Folgende Pins sind vorhanden:
- RxD (Pin 11)
- TxD (Pin 10)
- DSR (Pin 6)
Der DSR-Pin stellt eine schaltbare Hilfsspannung zur Verfügung. Im Eingeschalteten Zustand liegt die
Spannung zwischen 7 und 8 V. Der Pin darf mit maximal 2 mA belastet werden. Der Pin wird nicht für
Handshake-Zwecke benutzt. Die serielle Schnittstelle wird grundsätzlich mit folgenden Parametern
betrieben:
- 115200 Baud
- 8 Datenbits
- 1 Stopbit
- Keine Parität
- XON/XOFF-Flußsteuerung
Zur Konfiguration und zum Datenaustausch wird ein spezielles Protokoll mit Namen KoDeX (
Konfigurations- und Debug-Schnittstelle) benutzt, das von der Fa. Klaric GmbH & Co. KG entwickelt
wurde. Ein Konfigurationstool auf Basis dieses Protokolls wird mitgeliefert. Näheres zur KoDeX-
Schnittstelle erfahren Sie auf Anfrage.
Achtung! Die RS232-Schnittstelle ist nicht potentialfrei!
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2.7 Strommessung
Bei der Installation wird ein Klari-Mod-Modul mit den Laschen RSHH und RSHL in den zu
überwachenden Stromkreis eingeschleift. Ein Spannungsabfall am Strommess-Shunt wird mit Hilfe
des differentiellen RSHH/RSHL-Kanals des ASIC gemessen.
Die Klari-Mod-Module werden zur Zeit mit folgenden Shunt-Widerstandswerten ausgeliefert: 100
µOhm, 200 µOhm oder 500 µOhm. Wichtig für den gefahrlosen und zerstörungsfreien Betrieb der
Klari-Mod-Module sind die Stromstärken und Verlustleistungen, für die die Module ausgelegt sind.
Näheres dazu siehe Kapitel 6.2.
Bei gegebenem Shunt hängt der Messbereich von Verstärkungsfaktor des PGA ab, der im ASIC
eingebaut ist.
Folgende Messbereiche gibt es:
PGA- 100µO-Shunt 200µO-Shunt 500µO-Shunt
Gain Messbereich Auflösung Messbereich Auflösung Messbereich Auflösung
4.8 +/- 1500A 45.7764 mA +/- 750A 22.8882 mA +/- 300A 9.15527 mA
24 +/- 300A 9.15527 mA +/- 150A 4.57764 mA +/- 60A 1.83105 mA
50 +/- 150A 4.57764 mA +/- 75A 2.28882 mA +/- 30A 0.915527 mA
100 +/- 75A 2.28882 mA +/- 37.5A 1.14441 mA +/- 15A 0.457764 mA
Achtung! Die hier angegebene Auflösung ist die theoretisch errechnete Auflösung. Sie ist zu
unterscheiden von der tatsächlichen im Betrieb erreichten Auflösung. Näheres dazu finden Sie im
Kapitel 6.3. Zu unterscheiden ist auch die Auflösung bzw. die Kodierung, mit der die Messwerte über
CAN oder RS232 übertragen werden. Die Messwerte werden immer mit folgenden Kodierungen
gesendet:
100 µOhm-Shunt: 2.28882 mA / Bit
200 µOhm-Shunt: 1.14441 mA / Bit
500 µOhm-Shunt: 0.457764 mA / Bit
Auf diese Weise erhält man bei einem konstanten Messstrom immer (in etwa) den gleichen Messwert,
unabhängig vom Messbereich.
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2.8 Spannungsmessung
Am Pin 4 (U-Mess) kann man eine zu messende Spannung anschließen. Bezugspunkt für die
Spannungsmessung ist die RSHL-Lasche des Strommess-Shunts.
Zur Spannungsmessung wird der VBAT-Kanal des ASIC benutzt. Über den PGA des ASIC kann man
verschiedene Spannungsmessbereich einstellen:
PGA-Gain Messbereich Auflösung Bemerkung
4.8 +/- 60 V 3.051757813 mV Batteriespannungsmessung in 42V Systemen
24 +/- 20 V 0.6103515625 mV Batteriespannungsmessung in 12V Systemen
50 +/- 10 V 0.3051757813 mV nicht benutzt
100 +/- 5 V 0.1525878906 mV nicht benutzt
Achtung! Die hier angegebene Auflösung ist die theoretisch errechnete Auflösung. Sie ist zu
unterscheiden von der tatsächlichen im Betrieb erreichten Auflösung. Näheres dazu finden Sie im
Kapitel 6.4. Zu unterscheiden ist auch die Auflösung bzw. die Kodierung, mit der die Messwerte über
CAN oder RS232 übertragen werden. Die Messwerte werden immer mit 0.1525878906 mV / Bit
gesendet. Auf diese Weise erhält man bei einer konstanten Messspannung immer (in etwa) den
gleichen Messwert, unabhängig vom Messbereich.
2.9 Interne Temperaturmessung
In Zukunft sollen die ASICs werksseitig mit Kalibrierdaten für den internen Temperatursensor
ausgeliefert werden. Das ist zur Zeit noch nicht der Fall. Messungen am internen Temperatursensor
liefern schon heute einen temperaturabhängigen reproduzierbaren Messwert. Die
Temperaturmessung wird aber erst dann genau spezifiziert, wenn die kalibrierten ASICs verfügbar
sind.
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3 Einbauanleitung
Achtung! Um einen problemlosen und zerstörungsfreien Betrieb der Module zu
gewährleisten, sind die üblichen Regeln zum Umgang mit elektronischen
Komponenten einzuhalten. Darüber hinaus sind einige mechanische, elektrische und
thermische Regeln beim Einbau der Module zu beachten. Diese Regeln werden im
folgenden zusammengefasst. Schäden, die auf die Verletzung dieser Regeln
zurückzuführen sind, unterliegen nicht der Haftung oder Gewährleistung der Fa.
Stefan Klaric GmbH & Co. KG.
3.1 Einbauort und Einbauvorgang
Die Anschlusslaschen der Module sind nicht für mechanische Beanspruchungen ausgelegt. Beim
Einbau und beim Betrieb dürfen keine Biegemomente über 0.25 Nm und keine Druck- oder Zugkräfte
über 10 N auf die Anschlusslaschen ausgeübt werden. Des weiteren dürfen keine Zugkräfte auf das
Anschlusskabel bzw. den Anschlussstecker ausgeübt werden.
Insbesondere sind folgende Punkte zu erwähnen:
- Beim Anschrauben eines Kabelschuhs etc. an das Modul ist darauf zu achten, das zwei
Werkzeuge (Schraubenschlüssel etc.) zum Anziehen von Schraube und Mutter verwendet
werden.
- Beim direkten Anbau eines Moduls an eine Batterie, einen Generator o. a. ohne flexible
Zuleitungen ist dafür zu sorgen, das die zulässigen Momente und Kräfte auf die
Anschlusslaschen durch Vibrationen, Schläge etc. nicht überschritten werden.
3.2 Potentialgebundene serielle Schnittstelle
Die serielle Schnittstelle des Moduls ist nicht potentialfrei ausgeführt. Die Schnittstellenleitungen
RS232 GND, RS232 DSR, RS232 TxD und RS232 RxD sind niederohmig mit den Anschlusslaschen
RSHL und RSHH des Moduls verbunden. Sie dürfen nur mit potentialfreien Geräten verbunden
werden, oder mit Geräten, deren Bezugspotential auf dem Potential der RSHL-Lasche liegt.
3.3 Thermische Ankopplung
Die Ampere-Angaben, die man auf den Modulen findet, beziehen sich nicht auf die zulässigen
Dauerströme, die durch das Modul geleitet werden dürfen, sondern bezeichnen den Messbereich. Die
zulässigen Dauerströme hängen von der thermischen Ankopplung der Module über die
Anschlusslaschen und der Umgebungstemperatur ab. Näheres dazu siehe Kapitel 6.2.
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4 Firmware
Die Firmware der Klari-Mod-Module umfasst mehrere Schichten und Prozesse, die im folgenden
dargestellt werden. Basis der Software ist ein proprietäres Betriebssystem, das mehrere kooperative
Prozesse verwalten kann. Die Prozesse sind im allgemeinen als Zustandsautomaten ausgeführt.
4.1 Überblick
Die folgende Grafik gibt einen Überblick über die Software-Komponenten der Firmware.
Prozesse auf
Anwender-Ebene
Prozesse auf
Interrupt-Ebene
Treiber-
funktionen
Hardware
DIO
Messdaten-
Erfassung
Messablauf-
Steuerung
IHM_A_1500
Library
ASIC RS232
CAN
Klari-Mod – Datenblatt
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KoDeX-
Server
RS323
Library
RS232-
Sender
CAN-
Sender
PCAN
Library

4.2 Der KoDeX-Server
KoDeX steht für Konfigurations- und Debug-Schnittstelle. Es handelt sich dabei um ein Protokoll, das
bei der Fa. Klaric GmbH & Co. KG entwickelt wurde. Über die KoDeX-Schnittstelle kann ein Client, der
z. B. über die serielle Schnittstelle mit dem Klari-Mod-Modul verbunden ist, Parameter und Variablen
der Firmware abfragen und ändern, sowie Kommandos auslösen.
Näheres zum KoDeX-Protokoll findet sich in einer separaten Dokumentation. Alle Parameter und
Kommandos, die über die KoDeX-Schnittstelle verändert bzw. gesendet werden können, sind in einer
separaten KoDeX-Referenz zum Klari-Mod-Modul angegeben.
Auf einen Grossteil der Parameter und Kommandos wird auch im folgenden eingegangen.
4.3 Messablauf-Steuerung
Die Messablauf-Steuerung bestimmt das Verhalten der Klari-Mod-Module auf oberster Ebene.
Nachdem ein Klari-Mod-Modul aus dem Reset kommt, sorgt die Messablauf-Steuerung zuerst dafür,
das alle wichtigen Parameter und Einstellungen aus dem EEPROM des Moduls ins RAM kopiert
werden.
4.3.1 Messmodus: Parameter „Measure_Mode“
Ein Parameter ist beim Hochfahren des Systems von zentraler Bedeutung: Über den Wert des
Parameter „Measure_Mode“ wird festgelegt, in welchen Betriebszustand das Modul gestartet werden
soll. Der Betriebszustand wird im folgenden Messmodus genannt.
Durch den Messmodus ist festgelegt, wie das Modul die einzelnen Messungen auf den Eingängen
durchführt, und wie die gemessenen Daten verarbeitet und verschickt werden. Durch das Kommando
„CMD_RESTART_MM“ kann man jederzeit das Modul im angegebenen Messmodus neu starten. Die
Parameter werden dann nicht aus dem EEPROM geladen, sondern so benutzt, wie sie gerade
eingestellt sind.
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Folgende Messmodi sind zur Zeit definiert:
Modus Beschreibung
Power-Down-Modus Es werden keine Messungen durchgeführt
Single Channel, schnell, CAN Es werden nur auf einem Eingang Messungen durchgeführt.
Maximale Samplingraten von 16ksps sind möglich. Das Versenden
der Daten erfolgt über CAN als Datenstrom.
Multi-Channel-Mode, CAN Es werden auf bis zu 5 Eingängen Messungen mit
unterschiedlicher Häufigkeit durchgeführt. Maximal 2000
Messungen pro Sekunde sind möglich, verteilt auf die einzelnen
Eingänge. Das Senden der Daten geschieht über CAN. Pro
Eingang wird ein Identifier benutzt.
Zusätzliche Funktionen wie Autorange, Differentielle Messungen
etc. sind realisiert.
Multi-Channel-Mode, RS232 Wie oben, das Senden der Daten geschieht aber über RS232.
Maximal 750 Messungen pro Sekunde
Die genaue Funktion der Messmodi ist weiter unten erklärt.
4.3.2 Messpfade und Kalibrierkonstanten
In der Software sind den einzelnen analogen Eingangskanälen symbolische „Messpfade“ zugeordnet.
Ein Messpfad legt fest, welcher ASIC-Eingang, welcher PGA-Gain und welche Kalibrierkonstante für
die Messung benutzt wird. Darüber hinaus sind zusätzliche Einstellungen (z. B. Stromquelle für
Widerstandsthermometer) des ASIC über den Messpfad festgelegt.
Die Messpfade dienen dazu, dem Anwender die direkte Einstellung der ASIC-Parameter
abzunehmen. Tiefe Kenntnisse über den ASIC sind deshalb nicht nötig, um das Klari-Mod-Modul für
eine Messaufgabe sinnvolle einzustellen.
Es gibt aber auch Messpfade (PATH_CRG_CRA, PATH_CRG_CRB) die es dem Experten
ermöglichen, die Inhalte der ASIC-Register direkt festzulegen.
Klari-Mod – Datenblatt
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Folgende Messpfade sind definiert:
Messpfad ASIC-Eingang PGA-Gain Kalibrierkonstante
Stromquelle
PATH_CRG_CRA
Die Einstellungen werden aus den ASIC-Registern CRG und
PATH_CRG_CRB
CRA bzw. CRB übernommen.
PATH_CURRENT_GAIN_4_8 RSHH / RSHL 4.8 CGI1 -
PATH_CURRENT_GAIN_24 RSHH / RSHL 24 CGI2 -
PATH_CURRENT_GAIN_50 RSHH / RSHL 50 CGI3 -
PATH_CURRENT_GAIN_100 RSHH / RSHL 100 CGI4 -
PATH_V_BATT_12V VBAT / RSHL 24 CAU0 -
PATH_V_BATT_42V VBAT / RSHL 4.8 CAU1 -
PATH_T_INT Interner Temp.-sensor 4.8 CAU5 -
PATH_V_AUX ETR /RSHL 4.8 CAU3 -
PATH_T_EXT_TC1047 ETR /RSHL 100 CAU2 -
Die gelb hinterlegten Messpfade sind für die Zukunft vorgehalten, aber noch nicht realisiert oder
spezifiziert.
Klari-Mod – Datenblatt
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4.3.3 Kanäle
Von den Messpfaden zu unterscheiden sind die sog. Kanäle. In der Software sind 5 Kanäle definiert:
Kanal I und Kanal A bis D. Ein Kanal ist eine komplette Messeinheit mit einstellbarem Messpfad,
eigener Mittelwertbildung etc. und einem eigenen CAN-Identifier, auf dem die verarbeiteten Daten
verschickt werden.
Es gibt Messmodi, in denen nur ein Kanal aktiv ist (z.B. im Single-Channel-Mode). In diesem Fall ist
das immer der Kanal I.
Im Multi-Channel-Modus sind mehrere Kanale aktiv, und zwar immer der Kanal I und dann je nach
Parametrisierung die Kanäle A bis D.
Welche physikalische Größe oder welcher Eingang auf einem Kanal gemessen wird, kann man über
den Parameter „Chan_x_Path“ einstellen. Dort wird der „Messpfad“ zum „Kanal x“ festgelegt.
Folgende Parameter sind für alle Kanäle definiert:
Parameter Bedeutung
Chan_x_Path Messpfad, auf dem gemessen wird. Siehe Kapitel 4.3.2.
Chan_x_Ave Anzahl der Mittelungen, die im ASIC durchgeführt werden, bevor der
Messwert an den Mikrocontroller gesendet wird.
Chan_x_Frq_Div Teiler für die Grundsamplingrate im ASIC.
Chan_x_Delta Für differentielles Messen: Im Multi-Channel-Modus werden Messwerte
nur gesendet, wenn sie um die hier angegebene Anzahl Bits vom letzten
gesendeten Messwert abweichen. 0 = Dauernd senden.
Chan_x_CAN_ID_high High-Word der CAN-ID für den Kanal
Chan_x_CAN_ID_low Low-Word der CAN-ID für den Kanal
Für den Kanal I gibt es noch den Parameter Chan_I_Autorange. Damit kann man die automatische
Bereichsumstellung im Multi-Channel-Mode aktivieren.
Die Bedeutung der Parameter kann unter Umständen auch vom verwendeten Messmodus abhängen.
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5 Messmodus Multi-Channel-Mode (MCM)
Der Multi-Channel-Modus MCM bietet die größte Flexibilität im Bezug auf die Anzahl der zu
messenden Größen, der Datenrate usw. Es lassen sich z. B. fast alle Messungen, die in einem KFZ
im Bezug auf den Batteriestrom anfallen, mit diesem Messmodus ausführen. In diesem Modus stehen
dem Anwender mehrere Funktionen zur Verfügung, die über die Eigenschaften des reinen ASICs
hinausgehen. Zu diesen Funktionen gehören im einzelnen:
- Eine Autorange-Funktion
- Messungen an 2 bis 5 Kanälen
- Variable Häufigkeiten für Messungen an verschiedenen Kanälen
- Externe Mittelungen der vom ASIC gelieferten Messwerte
- Verringerung der Datenrate durch differentielle Messungen
Im Multi-Channel-Modus wir jede zweite Messung am Kanal I durchgeführt. Dieser Kanal wird im
Normalfall für Strommessungen benutzt. Diese Einschränkung wurde aus folgendem Grund gemacht:
Für die Strommessungen liegt so im Normalfall immer eine konstante Samplingrate und damit eine
definierte Bandbreite vor. Das ist wichtig, da Klari-Mod in erster Linie zum Messen von Strömen und
Zählen von Ladungen eingesetzt wird.
Diese Regel lässt sich allerdings durchbrechen, wenn man für die anderen Kanäle verschiedene
Mittelungszahlen einstellt.
Die Häufigkeiten, mit denen neben dem Kanal I die anderen Kanäle gemessen werden, kann man
über Parameter in weiten Bereichen definieren. Folgendes Szenario ist somit denkbar:
Bei der Überwachung einer Autobatterie werden 50 % der Messungen auf den Strom verwendet, 49
% auf die Batteriespannung und 1 % auf die Messung der Temperatur.
Klari-Mod – Datenblatt
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5.1 Ablauf der Messungen
Die Strom- (Kanal I) und Spannungsmessungen (Kanal A bis D) werden mit dem ASIC in der
Betriebsart MMS durchgeführt. Nach Beendigung einer Einzelmessung wird der ASIC für die nächste
Messung, d. h. auf einen anderen Kanal, umprogrammiert. Dadurch entsteht eine gewisse Totzeit, die
im Bereich von 400 µs liegt.
Die Zuordnung der Kanäle zu den ASIC-Eingängen erfolgt über den Messpfad, wie in Kapitel 4.3.2
beschrieben. Für jeden Kanal kann man die Anzahl der internen Mittelungen (im ASIC), sowie einen
Teiler für die Samplingrate separat über die Parameter Chan_x_Ave und Chan_x_Frq_Div festlegen.
Das x steht dabei für den jeweiligen Kanal.
Der Messkanal Kanal I besitzt eine Autorange-Funktion. Die Spannungsmessungen werden mit dem
über den Messpfad festgelegten Range durchgeführt.
Für alle Kanäle gemeinsam kann man eine Anzahl von externen Mittelungen einstellen. Diese
Mittelungen werden im Mikrocontroller ausgeführt. Damit ist es möglich, die Datenrate zu verringern,
und dabei trotzdem eine höhere Bandbreite zur Umstellung des Ranges etc. zur Verfügung zu haben.
Zur Verringerung der Datenrate ist es des weiteren möglich, Messwerte nur dann zu Senden, wenn
Sie um einen bestimmten Betrag vom vorhergehenden Messwert abweichen. (Differentielle
Messungen).
Klari-Mod – Datenblatt
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Die folgende Darstellung beschreibt den Ablauf einer typischen Messung:
Zeit
Strom-Messung I
INT vom ASIC
Totzeit
Spannungsmessung A
INT vom ASIC
Totzeit
Strom-Messung I
INT vom ASIC
Totzeit
Spannungsmessung B
INT vom ASIC
Totzeit
Messwert I holen
ASIC auf A-Mess.
Messwert A holen
ASIC auf I-Mess.
Messwert I holen
ASIC auf B-Mess.
Messwert B holen
ASIC auf I-Mess.
Totzeit: 400µs
Zeit für die Strommessung:
Chan_I_Ave * 64µs
Zeit für die Spannungsmessung:
Chan_x_Ave * 64µs
Klari-Mod – Datenblatt
21
Messwert-Verarbeitung I
Mitteln, differentielles Messen, Autorange
Messwert-Verarbeitung A
Mitteln, differentielles Messen, Autorange
CAN
RS232
Messwert-Verarbeitung B
Mitteln, differentielles Messen, Autorange

5.2 Effektive Samplingraten, Datenrate und Totzeit
Der Multi-Channel-Modus ist auf eine minimale effektive Samplingperiode Ts (bzw. effektive
Samplingrate) von 1000µs (bzw. 1ksps) für 2 Messungen ausgelegt. Damit ist die Zeit gemeint, die
zwischen zwei Strommessungen (im ASIC mit internen Mittelungen etc.) mindestens verstreicht.
Davon zu unterscheiden ist die Rate, mit der die Messwerte gesendet werden, die sog. Datenrate.
Normalerweise werden pro Samplingperiode zwei Messwerte gesendet, ein Stromwert vom Kanal I
und ein Spannungswert vom jeweiligen Spannungskanal. Somit liegt die Datenrate bei maximal 2000
Messwerten pro Sekunde. Durch Verwendung von externen Mittelungen im Mikorcontroller und
differentiellen Messungen kann die Datenrate aber geringert sein.
Die effektive Samplingperiode Ts kann man leicht errechnen, wenn für alle benutzen Spannungs-
Messkanäle (Kanal A bis D) die gleiche Anzahl von internen Mittelungen eingestellt wird (Parameter
Chan_x_Ave). Wenn man zusätzlich die Anzahl der externen Mittelungen auf eins einstellt (Parameter
Ext_Ave) gilt:
Gleichung 1
Ts = 2•Tt + (Chan_I_Ave + Chan_x_Ave) • 64µs
Die Totzeit Tt liegt bei 400µs. Das ist die Zeit, die benötigt wird, um den ASIC von einem Kanal auf
den anderen umzustellen.
Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele:
Gesamtzahl der Mittelungen Samplingperiode Ts (für 2 Anzahl der Messwertpaare pro
(Chan_I_Ave + Chan_x_Ave) Messungen)
Sekunde
2 928 µs 1077,6
4 1056 µs 947,0
8 1312 µs 762,2
16 1824 µs 548,2
32 2848 µs 351,1
64 4896 µs 204,2
128 8992 µs 111,2
256 17,184 ms 58,2
512 33,568 ms 29,8
1024 66,336 ms 15
2048 131,872 ms 7,6
Wenn man für die verschiedenen Spannungsmessungen auf den Kanälen A bis D eine
unterschiedliche Anzahl von internen Mittelungen einstellt, dann ist die effektive Samplingperiode
natürlich nicht konstant!
Wenn man die Anzahl der externen Mittelungen erhöht, dann vergrößert sich die Samplingperiode
entsprechend der eingestellten externen Mittelungen:
Gleichung 2
Ts_ext = Ts • Ext_Ave
Klari-Mod – Datenblatt
22

Die größte erreichbare Samplingperiode liegt somit bei
131,872 ms • 32768 = 4321s
5.3 Einstellung der Häufigkeit für die Kanäle A bis D
Die Reihenfolge, in der die Spannungsmessungen A bis D zwischen den Strommessungen platziert
werden, ist durch ein System von Zählregistern definiert.
Für jeden Kanal (A .. D) existiert ein Zähler, und ein Parameter (Chan_x_N_part), der angibt, bis zu
welchem Stand der Zähler hoch gezählt wird, bevor er wieder auf 0 gesetzt wird.
Zu Beginn sind alle Zähler 0. Nach jeder Strommessung am Kanal I wird der Zähler für Kanal A um
eins erhöht.
Wenn der Zähler für Kanal A kleiner als die Grenze ist, dann wird Kanal A als nächstes gemessen.
Wenn der Zähler für Kanal A größer als die im Parameter angegebene Grenze ist, dann wird der
Zähler für Kanal B erhöht. Der Zähler für Kanal A wird wieder auf Null gesetzt.
Wenn jetzt der Zähler für Kanal B kleiner als die Grenze ist, dann wird Kanal B als nächstes
gemessen, usw.
Wenn irgendwann der Zähler für Kanal D die eingestellte Grenze überschreitet, wird wieder Kanal A
gemessen und der Zähler für Kanal D gelöscht.
Es ist zu beachten, das Kanal A die größte Priorität hat, und die anderen Kanäle nur dann gemessen
werden, wenn der Zähler für Kanal A die eingestellte Grenze überschreitet. Die Priorität der anderen
Kanäle ist abnehmend.
Klari-Mod – Datenblatt
23

Folgende Grafik soll das System erläutern: Nach jeder Messung am Kanal I wird eine neue Kugel „ins
Rennen“ geschickt. Es wird der Kanal gemessen (A bis D) in dessen Schacht die Kugel zum Liegen
kommt. Hinter jedem Schacht sind Schalter angebracht, die den Schacht leeren wenn die Kugel über
den Schalter läuft.
In diesem Fall würde die Kugel bis zum Schacht für Kanal C laufen. D. h. Kanal C würde als nächstes
gemessen. Die Schächte für Kanal A und B würde geleert, weil die Kugel über die entsprechenden
Schalter gelaufen ist.
Das System ist auf den ersten Blick vielleicht etwas kompliziert. Es ist aber in der Tat sehr einfach zu
implementieren. Darüber hinaus sind quasi alle Verteilungen realisierbar wenn man bedenkt, dass
man mit jedem Kanal A bis D einen beliebigen Eingang messen kann.
In den folgenden Beispielen sind zwei Verteilungen angegeben:
Beispiel 1:
Chan_A_N_part = 4
Chan_B_N_part = 3
Parameter Anzahl der Messungen
- Kanal I 50 %
Chan_A_N_part 1 Kanal A 50 %
Chan_B_N_part 0 Kanal B 0 %
Chan_C_N_part 0 Kanal C 0%
Chan_D_N_part 0 Kanal D 0%
Klari-Mod – Datenblatt
24
Chan_C_N_part = 2
Chan_D_N_part = 1

Beispiel 2:
Parameter Anzahl der Messungen
- Kanal I 50 %
Chan_A_N_part 1 Kanal A 26,6 %
Chan_B_N_part 1 Kanal B 13,4 %
Chan_C_N_part 1 Kanal C 6,6 %
Chan_D_N_part 1 Kanal D 3,4%
Klari-Mod – Datenblatt
25

5.4 Autorange-Funktion
Im Multi-Channel-Modus kann man den Kanal I (Strommessung) im Autorange-Modus betreiben. Bei
den anderen Kanälen ist das nicht möglich, da diese in der Regel abhängig vom Messpfad einen
festen Messbereich besitzen.
Die Autorange-Funktion arbeitet folgendermaßen: Immer wenn ein neuer Messwert für den Kanal I
vom ASCI übermittelt wurde, wird überprüft, ob der Messwert oberhalb von 75 % oder unterhalb von
3.5 % des momentan eingestellten Messbereichs liegt.
Im ersten Fall wird für die nächste Messung am Kanal I sofort der größtmögliche Messbereich
eingestellt. Das gilt auch bei Eintritt eines Overrange-Ereignisses. Es wird also nicht die Anzahl der
eingestellten externen Mittelungen abgewartet!
Der nächst kleinere Messbereich wird für die nächste Messung am Kanal I gewählt, wenn der
Messwert 5 mal ununterbrochen unterhalb der 3.5 %-Grenze lag.
Die nachfolgende Zeichnung verdeutlicht den Autorange-Modus des Kanal I:
Strom / A
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
Beispiel Autorange
0 1 2 3 4 5 6
Zeit / s
Klari-Mod – Datenblatt
26
4
3
2
1
0
-1
Gain-Code
Strom
Gain-Code

5.5 Differentielles Senden
Durch das differentielle Senden kann man die Datenrate auf einem Kanal vermindern, ohne
wesentlich an Bandbreite zu verlieren. Das differentielle Senden ist durch einen Parameter bestimmt,
der eine gewisse Abweichung von letzten gesendeten Wert in Bit angibt.
Im differentiellen Modus werden die vom ASIC kommenden Messwerte mindestens so lange gemittelt,
wie es der Benutzer durch die Anzahl der externen Mittelungen vorgegeben hat.
Danach wird bei jedem neuen Messwert entschieden, ob er die angegebene Abweichung zu letzten
gemessenen Wert überschreitet oder nicht. Wenn ja, dann wird der Mittelwert der letzten Messungen
wie gewohnt gesendet.
Wenn der neue Messwert diese Abweichung nicht überschreitet, wird er nicht verworfen, sondern im
Mittelungsregister weiter aufsummiert. Dies wird so lange gemacht, bis entweder das
Mittelungsregister die maximal mögliche Anzahl von Werte summiert (32768) hat, oder der neue
Messwert die eingestellte Abweichung überschreitet. Dann wird der momentan vorhandene Mittelwert
gesendet.
Die nachfolgende Grafik gibt ein Beispiel für das differentielle Messen. In diesem Beispiel sind 4
externe Mittelungen eingestellt. Das heißt, es werden immer mindestens 4 Messwerte vom ASIC
gemittelt! Ein neuer Messwert wird gesendet, wenn nach diesen 4 Messungen ein Einzelmesswert die
eingestellten Grenzen überschreitet. Der gesendete Messwert ist der Mittelwert aller
Einzelmessungen seit dem letzen Senden.
Strom / A
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Beispiel: Differentielles Messen mit Ext_Ave = 4
Ext_Ave = 4
gesendet:
3.2 A
gesendet:
3.3 A
1 3 5 7 9 11 13 15 17
Messungsnummer (rel.)
Klari-Mod – Datenblatt
27
gesendet:
3.675 A
Messwerte
obere Grenze
untere Grenze

5.6 Zeitstempel
Alle Messwerte werden mit einem 32-Bit Zeitstempel versehen gesendet. In Zukunft wird man
zwischen zwei Formaten wählen können:
- High-Resolution: (1s / 32768) pro Bit (ca. 30µs), Überlauf nach ca. 36 Stunden
- Low-Resolution: (1s / 128) pro Bit (ca. 7.8 ms), Überlauf nach ca. 388 Tagen
Der High-Resolution-Zeitstempel sollte gewählt werden, wenn die Datenrate über 10 Messungen pro
Sekunde liegt.
Achtung: Momentan ist aber nur der High-Resolution-Zeitstempel realisiert.
5.7 Datenformat CAN
Die Messdaten können unabhängig von der Datenrate immer über den CAN-Bus versendet werden.
Für jeden verwendeten Messpfad (I, A, ...,D) wird dazu ein CAN-Frame mit einem eigenen Identifier
verwendet. Die Identifier sind über Parameter einstellbar.
Die Datenbytes der Frames sind folgendermaßen belegt:
Byte Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Byte 6 Byte 7
Feld VALUE VAL/RNG frei TIMESTAMP
Bezeichnung (gemittelter) Siehe unten Zeitstempel im 32-Bit-unsigned-
Messwert im 16-Bitsigned-Integer
Format (low- vor
high-Byte)
Integer Format (low- vor high-Byte)
Klari-Mod – Datenblatt
28

Das VAL/RNG -Byte hat folgende Belegung:
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Feld OVR g1 g0 VAL_20_16
Bezeichnung Overrange-Bit. Zeigt an, dass bei Gain- Die 5 MSB’s des (gemittelten)
einer Messung ein Overrange
aufgetreten ist
Code
Messwertes
Über den Gain-Code ist der Messbereich festgelegt. Je nach Messpfad und Hardware sind folgende
Messbereiche definiert:
Gain-Code Gain I
100µO-
Shunt
I
500µO-
Shunt
Klari-Mod – Datenblatt
29
U_Mess
0 4.8 +/- 1500A +/- 300A +/- 60V
1 24 +/- 300A +/- 60A +/- 20V
2 50 +/- 150A +/- 30A +/- 10V
3 100 +/- 75A +/- 15A +/- 5V
Der insgesamt 21 Bit umfassende Messwert wird unabhängig vom tatsächlich eingestellten Gain
immer in der Auflösung des höchsten Gains (100) gesendet. Demzufolge bleiben die LSB’s des
Messwertes ggf. unverändert auf 0. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass man unabhängig vom
Gain bei gleicher Messgröße immer in etwa den gleichen Messwert erhält.
Die folgende Tabelle gibt die Auflösung der Messwerte im CAN-Frame an:
Art Messung Auflösung des Messwertes (entspricht nur im Gain 100 der
Auflösung des Messsystems)
Strommessung an 100µO-Shunt 2.28882 mA/Bit
Strommessung an 200µO-Shunt 1.14441 mA/Bit
Strommessung an 500µO-Shunt 0.457764 mA/Bit
Spannungsmessung (20V) 0.1525878906 mV/Bit

5.8 Datenformat RS232
Die Baudrate der RS232-Schnittstelle ist auf 115200 Baud eingestellt. Damit können die Messdaten
über die Schnittstelle gesendet werden, wenn die Datenrate 500 Messungen pro Sekunde nicht
übersteigt. Die Daten werden in folgendem Protokoll geschickt:
Byte
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
Feld RS ID VALUE VAL/R
NG
frei TIMESTAMP CS
Bezeichnung Record Siehe
Wie im Datenformat CAN Checksepara-
unten
summetor
der
(0x1E)
Bytes 1
bis 9
modulo
256
In der ID wird angegeben, von welchem Kanal der gelieferte Messwert stammt. Es gilt folgende
Zuordnung:
Kanal Kanal I
(Strommessung)
Kanal A Kanal B Kanal C Kanal D
ID 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04
Dieses Datenformat ist kompatibel zur KoDeX-Spezifikation. In diesem Zusammenhang kann man die
Bytes 2 bis 9 im Datenformat folgendermaßen als Datenstruktur angeben:
typedef struct
{
KD_INT Value; // Messwert
KD_UCHAR Val_Rng; // MSB’s und Gain-Code
KD_UCHAR Frei; // Noch nicht benutzt
KD_ULONG Timestamp; // 32-Bit Zeitstempel
} DATA
Klari-Mod – Datenblatt
30
Byte 5
Byte 6
Byte 7
Byte 8
Byte 9
Byte 10

6 Spezifikationen
6.1 Versorgung und Stromaufnahme
6.1.1 Eigenschaften der Klari-Mod-Module
Eigenschaft Bedingung Min. Typ. Max. Einheit
Versorgungsspannung 9 12 18 V
Versorgungsstrom
Multi-Channel-Mode, CAN,
2200 Frames / s
41 56 82 mA
Multi-Channel-Mode, CAN,
30 Frames / s
39 53 74 mA
Multi-Channel-Mode, RS232,
690 Frames / s
28 35 46 mA
Multi-Channel-Mode, RS232,
30 Frames / s
28 35 46 mA
Single Channel, schnell, CAN,
3920 Frames / s
41 58 81 mA
Power-Down-Modus 28 35 44 mA
5V_Out-Pin: Spannung 4.8 5.0 5.2 V
5V_Out-Pin:
Innenwiderstand
990 1000 1010 Ohm
Klari-Mod – Datenblatt
31

6.2 Widerstand und Belastbarkeit der Strommess-Shunts
Beim Betrieb der Klari-Mod-Module ist darauf zu achten, dass jeder Stromfluss durch den Mess-Shunt
eine elektrische Heizleistung nach sich zieht, die zum Aufheizen des Shunts und damit des gesamten
Moduls führt. Diese Wärme muss fast ausschließlicht über die Anschluss-Laschen RSHL und RSHH
abgeführt werden, da der thermische Widerstand der Vergussmasse etc. deutlich höher liegt als der
thermische Widerstand der Anschlusslaschen. Bei der Installation der Module ist also nicht nur auf
eine gute elektrische Ankopplung zu achten, sondern auch auf eine gute Wärmeableitung über die
Anschlusslaschen.
6.2.1 Widerstandswerte
Die Klari-Mod-Module werden mit drei verschiedene Strommess-Shunts ausgeliefert. Die Shunts
haben folgende Widerstandswerte:
Eigenschaft Symbol Shunt-Typ Min. Typ. Max. Einheit
Ohmscher Widerstand Rshunt 100µO 95 100 105 µO
200µO 190 200 210
500µO 475 500 525
Das Widerstandsmaterial ist Manganin®. Näheres zu den Shunts findet man auf den Internet-Seiten
der Fa. Isabellenhütte: www.isabellenhuette.de
Klari-Mod – Datenblatt
32

6.2.2 Thermisches Ersatzschaltbild
Die thermischen Eigenschaften der Klari-Mod-Module lässt sich folgendermaßen modellieren:
Der Strommess-Shunt besitzt eine Wärmekapazität Cth. Über den thermischen Widerstand Rth ist der
Shunt an die Anschluss-Laschen gekoppelt. Jeder elektrische Stromfluss im Shunt erzeugt Wärme,
die durch den Wärmestrom J dargestellt ist. Diese Wärme erhöht zum einen die Temperatur des
Shunts gemäß der Wärmekapazität. Zum anderen fließt die Wärme über den Widerstand Rth zu den
Anschlusslaschen.
Temperaturunterschiede zwischen dem Strommess-Shunt und den Anschlusslaschen bauen sich
exponentiell mit der Zeitkonstante t th ab. Es gilt:
Gleichung 3
t th = Rth • Cth
Wichtig für den Betrieb des Moduls ist außerdem die maximal zulässige Temperatur des Strommess-
Shunts Tmax.:
Gleichung 4
Strommess-Shunt TMG
Anschluss-Laschen TC
TMG < Tmax = 85°C
T /°C
Aus dieser Beziehung ergeben sich wichtige Regeln für den Betrieb des Moduls. Die Regeln beziehen
sich auf die maximalen Ströme, die bei einer gegebenen thermischen Ankopplung der
Anschlusslaschen dauernd oder kurzfristig zulässig sind. Sie werden im folgenden genauer betrachtet.
Klari-Mod – Datenblatt
33
Cth
Rth
J

6.2.3 Stationäre thermische Zustände
Wenn der elektrische Strom durch den Strommess-Shunt konstant ist, oder sich in Perioden ändert,
die kleiner als t th /10 sind, dann wird im folgenden von einem stationären thermischen Zustand
gesprochen. Das bedeutet, dass sich die Temperaturverteilung zwischen Strommess-Shunt und
Anschlusslaschen zeitlich quasi nicht ändert. Eine wichtige Kenngröße für einen solchen Strom ist der
Effektivwert dieses Stroms IRMS. Er ist nach dem Root-Mean-Square-Verfahren zu ermitteln.
Ein stationärer Strom bewirkt eine Temperaturdifferenz zwischen Anschluss-Laschen und Strommess-
Shunt. Es gilt folgender Zusammenhang:
Gleichung 5
2
TMG - TC = IRMS • Rshunt • Rth
Mit Hilfe von Gleichung 4 kann man jetzt ermitteln, welchen maximalen stationären Strom IRMSmax man
bei der Anschlusslaschen-Temperatur TC anlegen darf. Zu beachten ist, das sich TC im Betrieb
natürlich erhöht.
Achtung! Der Anwender muss über die thermische Ankopplung des Moduls das TC
so begrenzen, dass auch TMG beim angelegten Strom IRMS im erlaubten Bereich bleibt.
Klari-Mod – Datenblatt
34

6.2.4 Pulsströme
Aufgrund der Wärmekapazität des Strommess-Shunts kann man unter bestimmten Umständen den
elektrischen Strom durch den Strommess-Shunt kurzzeitig über die in Kapitel 6.2.3 angegebene
Grenze IRMSmax erhöhen. Das ist der Fall, wenn man den stationären Strom IRMS so begrenzt, dass das
die Shunt-Temperatur TMG den Grenzwert von 85°C sicher um einen bestimmten Betrag
unterschreitet. Dieser Betrag wird im folgenden „Pulsreserve“ Tpuls genannt. Sie wird in Kelvin [K]
angegeben. Die Bedingung, die erfüllt sein muss, damit kurze Pulsströme über IRMSmax hinaus
möglich sind, kann man schreiben als:
Gleichung 6
TMG < Tmax - Tpuls = 85°C - Tpuls
Im rein stationären Fall ist Tpuls = 0 K. Mit Hilfe dieser Gleichung kann man die maximalen stationären
Strome IRMSmax für den Fall neu berechnen, in dem man sich eine bestimmte Pulsreserve vorhält.
Näheres dazu findet man in den Diagrammen der nächsten Kapitel.
Wenn man zu einem Stationären Strom IRMS einen Pulsstrom Ipuls für eine gewisse Zeit tpuls addiert,
dann erhöht sich die Shunt-Temperatur TMG weiter. Die Pulsreserve Tpuls wird „aufgebraucht“. Das
Zurückgehen der Temperatur nach dem Puls kann man über die Zeitkonstante t th aus Gleichung 3
beschreiben. Nach der so genannten „Thermischen Relaxationszeit“ 5t th sind die Auswirkungen des
Pulsstroms nahezu vollständig abgeklungen. Ein neuer Strompuls gleicher Stärke darf nicht vor Ablauf
der Thermischen Relaxationszeit eingeprägt werden!
Klari-Mod – Datenblatt
35

6.2.5 Eigenschaften des 100µO-Shunts
Eigenschaft Symbol Min. Typ. Max. Einheit
Thermischer Widerstand Rth - - 2.0 K/W
Thermische Kapazität Cth - 0.7 - J/K
Thermische Relaxationszeit 5t th - - 7 s
Maximale Mess-Shunt-Temperatur Tmax - - 85 °C
IRMSmax / A
900
800
700
600
500
400
300
200
100
Maximaler Dauerstrom IRMSmax bei verschiedenen
Pulsreserven Tpuls / K
Tpuls = 0.0 K
Tpuls = 110.0 K
0
-40 -20 0 20 40 60 80
Anschlusstemperatur Tc / °C
Klari-Mod – Datenblatt
36
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
100 µOhm Shunt

Ipuls / A
1500
1250
1000
750
500
250
0
Maximaler Pulsstrom Ipuls bei verschiedenen
Tpuls = 10.0 K
Pulsreserven Tpuls / K
0.0 0.5 1.0 1.5
Pulsdauer tpuls / s
Klari-Mod – Datenblatt
37
Tpuls = 110.0 K
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
100 µOhm Shunt

6.2.6 Eigenschaften des 200µO-Shunts
Eigenschaft Symbol Min. Typ. Max. Einheit
Thermischer Widerstand Rth - - 3.4 K/W
Thermische Kapazität Cth - 0.35 - J/K
Thermische Relaxationszeit 5t th - - 6 s
Maximale Mess-Shunt-Temperatur Tmax - - 85 °C
IRMSmax / A
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
Maximaler Dauerstrom IRMSmax bei verschiedenen
Pulsreserven Tpuls / K
Tpuls = 0.0 K
Tpuls = 110.0 K
0
-40 -20 0 20 40 60 80
Anschlusstemperatur Tc / °C
Klari-Mod – Datenblatt
38
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
200 µOhm Shunt

Ipuls / A
700
600
500
400
300
200
100
0
Maximaler Pulsstrom Ipuls bei verschiedenen
Tpuls = 10.0 K
Pulsreserven Tpuls / K
0.0 0.5 1.0 1.5
Pulsdauer tpuls / s
Klari-Mod – Datenblatt
39
Tpuls = 110.0 K
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
200 µOhm Shunt

6.2.7 Eigenschaften des 500µO-Shunts
Eigenschaft Symbol Min. Typ. Max. Einheit
Thermischer Widerstand Rth - - 7.7 K/W
Thermische Kapazität Cth - 0.13 - J/K
Thermische Relaxationszeit 5t th - - 5 s
Maximale Mess-Shunt-Temperatur Tmax - - 85 °C
IRMSmax / A
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
Maximaler Dauerstrom IRMSmax bei verschiedenen
Pulsreserven Tpuls / K
Tpuls = 0.0 K
Tpuls = 110.0 K
0
-40 -20 0 20 40 60 80
Anschlusstemperatur Tc / °C
Klari-Mod – Datenblatt
40
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
500 µOhm Shunt

Ipuls / A
300
200
100
0
Maximaler Pulsstrom Ipuls bei verschiedenen
Tpuls = 10.0 K
Pulsreserven Tpuls / K
0.0 0.5 1.0 1.5
Pulsdauer tpuls / s
Klari-Mod – Datenblatt
41
Tpuls = 110.0 K
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
500 µOhm Shunt

6.3 Auflösung und Genauigkeit der Strommessung
6.3.1 Eigenschaften des 100µO-Shunts
Eigenschaft Symbol Messbereich
Min. Typ. Max. Einheit
Shunt-Temperatur TMG Alle -30 85 °C
Maximaler Betrag des
Shunt-Stroms
|I|max Alle - - 1500 A
Messtrom
Imess 1500 A -1500 - 1500 A
(Overrange bei Imess
300 A -300 - 300
außerhalb des angegebenen
150 A -150 - 150
Bereichs)
75 A -75 - 75
Auflösung LSB 1500 A - 45.7764 - mA
300 A - 9.15527 -
150 A - 4.57764 -
75 A - 2.28882 -
Offset-Fehler der Messwerte Foffset Alle - - 3 LSB
Gain-Fehler der Messwerte Fgain Alle - - 1 %
Grundrauschen:
s 0 1500 A - - 3 LSB
Standardabweichung der
300 A - - 5
Messwerte ohne Mittelungen
150 A - - 10
75 A - - 20
Standardabweichung der s 64 1500 A - - 1 LSB
Messwerte bei 64 externen
300 A - - 1
Mittelungen
150 A - - 2
75 A - - 3
Klari-Mod – Datenblatt
42

6.3.2 Eigenschaften des 200µO-Shunts
Eigenschaft Symbol Messbereich
Min. Typ. Max. Einheit
Shunt-Temperatur TMG Alle -30 85 °C
Maximaler Betrag des
Shunt-Stroms
|I|max Alle - - 1500 A
Messtrom
Imess 750 A -750 - 750 A
(Overrange bei Imess
150 A -150 - 150
außerhalb des angegebenen
75 A -75 - 75
Bereichs)
37.5 A -37.5 - 37.5
Auflösung LSB 750 A - 22.8882 - mA
150 A - 4.57764 -
75 A - 2.28882 -
37.5 A - 1.14441 -
Offset-Fehler der Messwerte Foffset Alle - - 3 LSB
Gain-Fehler der Messwerte Fgain Alle - - 1 %
Grundrauschen:
s 0 750 A - - 3 LSB
Standardabweichung der
150 A - - 5
Messwerte ohne Mittelungen
75 A - - 10
37.5 A - - 20
Standardabweichung der s 64 750 A - - 1 LSB
Messwerte bei 64 externen
150 A - - 1
Mittelungen
75 A - - 2
37.5 A - - 3
Klari-Mod – Datenblatt
43

6.3.3 Eigenschaften des 500µO-Shunts
Eigenschaft Symbol Messbereich
Min. Typ. Max. Einheit
Shunt-Temperatur TMG Alle -30 85 °C
Maximaler Betrag des
Shunt-Stroms
|I|max Alle - - 1500 A
Messtrom
Imess 300 A -300 - 300 A
(Overrange bei Imess
60 A -60 - 60
außerhalb des angegebenen
30 A -30 - 30
Bereichs)
15 A -15 - 15
Auflösung LSB 300 A - 9.15527 - mA
60 A - 1.83105 -
30 A - 0.915527 -
15 A - 0.457764 -
Offset-Fehler der Messwerte Foffset Alle - - 3 LSB
Gain-Fehler der Messwerte Fgain Alle - - 1 %
Grundrauschen:
s 0 300 A - - 3 LSB
Standardabweichung der
60 A - - 5
Messwerte ohne Mittelungen
30 A - - 10
15 A - - 20
Standardabweichung der s 64 300 A - - 1 LSB
Messwerte bei 64 externen
60 A - - 1
Mittelungen
30 A - - 2
15 A - - 3
Klari-Mod – Datenblatt
44

6.4 Auflösung und Genauigkeit der Spannungsmessung
Eigenschaft Symbol Messbereich
Min. Typ. Max. Einheit
Modul-Temperatur T Alle -30 85 °C
Maximaler Betrag der
Messspannung
|U|max Alle - - 60 V
Messspannung
Umess 60V -60 - 60 V
(Overrange bei Umess
20V -20 - 20
außerhalb des
10V -10 - 10
angegebenen Bereichs)
5V -5 - 5
Auflösung LSB 60V - 3.051757813 - mV
20V - 0.6103515625 -
10V - 0.3051757813 -
5V - 0.1525878906 -
Absoluter Messfehler Fabs 60V - - 100 mV
20V - - 20
10V - - TBD
5V - - TBD
Grundrauschen:
s 0 60V - - 5 LSB
Standardabweichung der
20V - - 5
Messwerte ohne
10V - - TBD
Mittelungen
5V - - TBD
Standardabweichung der s 64 60V - - 1 LSB
Messwerte bei 64 externen
20V - - 1
Mittelungen
10V - - TBD
5V - - TBD
Klari-Mod – Datenblatt
45