Verstehen, Auswählen und effektives Verwenden von Stromsonden

Anmerkung des Herausgebers: Bei diesem Artikel zur Strommessung und zu Stromsonden handelt es sich um den dritten aus einer Artikelserie zu Messspitzen und ihrer korrekten Verwendung. Teil 1, ummantelte, passive Messspitzen mit hoher Impedanz. Im zweiten Artikel ging es um asymmetrische, differenzielle und aktive differenzielle Hochspannungsmessspitzen. Im dritten Artikel der Serie geht es um die Strommessung und um Stromsonden.

Es gibt drei allgemeine Techniken zum Messen von Strom unter Verwendung eines Oszilloskops. Die erste verwendet einen Widerstand (manchmal als Strom-Shunt bezeichnet) in Reihe mit dem gemessenen Strom. Beim zweiten Verfahren kommt ein Stromwandler zum Einsatz. Beim dritten wird eine Stromsonde verwendet. Weil der zu messende Strom bei allen drei Verfahren durch den Messfühler fließen muss, sind alle auf bestimmte Weise invasiv.

Beim Verfahren mit der Stromsonde kann jedoch der Strom in einem Leiter gemessen werden, ohne den Leiter abzulöten und daher handelt es sich hierbei um das am wenigsten invasive Verfahren. Benutzer müssen jedoch einige grundlegende Prinzipien von Stromsonden verstehen, um aus den aktuellen Sonden das Optimum herauszuholen.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Methodiken zur Strommessung beschrieben, bevor auf die Stromsonden und ihre effektive Nutzung eingegangen wird.

Der Strom-Shunt

Der Strom-Shunt wird üblicherweise in den Schaltkreis oder die Prüfvorrichtungen integriert. Der Strom wird durch Messung des Spannungsabfalls am bekannten Widerstand des Shunt bestimmt. Zwischen dem Reihenwiderstand des Shunt und der gewünschten Empfindlichkeit der Strommessung wird ein technischer Kompromiss eingegangen

Die Idee dabei ist, einen akzeptablen Spannungsabfall zu erhalten, ohne dabei die Leistung des Schaltkreises zu beeinträchtigen. Des Weiteren muss die Nennleistung des Shunt für den zu messenden Strom ausreichend hoch sein. Ein Beispiel für einen zur Strommessung geeigneten Shunt-Widerstand ist der Riedon RSA-10-100. Dieser Widerstand für die Chassismontage hat einen Wert von 0,01 Ω mit einer Toleranz von ±0,25 % und einer Nennleistung von 1 Watt. Die Nennleistung des Widerstands legt für die maximale Stromstärke einen Wert von 10 Ampere fest, wodurch sich eine Ausgangsspannung von 100 Millivolt ergibt. Zur Messung der am Shunt anliegenden Spannung wird ein Oszilloskop verwendet Die meisten Oszilloskope können diese Spannung in einen entsprechenden Strom skalieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Kanaleinstellungen eines Teledyne LeCroy HDO4104 Oszilloskops zeigt die Reskalierungseinstellung zur vertikalen Anzeige der Stromstärke basierend auf dem Wert des Shunt-Widerstands (Bildquelle: DigiKey).

Die Einstellung des Eingangskanals für ein HDO4104-Oszilloskop von Teledyne LeCroy ist dahingehend typisch für viele Instrumente, dass es die Reskalierung vertikaler Daten ermöglicht. Bei der Reskalierung kann der Benutzer die Einheiten, in unserem Fall Ampere, sowie den Reskalierungsfaktor in Einheiten/Volt angeben. Für den RSA-10-100 ist die Einstellung „Einheiten pro Volt“ der Kehrwert des Widerstandswerts bzw. 1/0,01 = 100. Außerdem kann ein Offset-Strom addiert oder subtrahiert werden. Dies kann unter Umständen für einen aktiven Sensor erforderlich sein. Nachdem die Reskalierungseinstellung vorgenommen wurde, erfolgt die Ausgabe der vertikalen Skalierung des Eingangskanals des Oszilloskops direkt in Ampere, inklusive Messparameter und Cursor-Werte.

Shunt-Widerstände reagieren sowohl auf Wechsel- als auch auf Gleichströme mit Bandbreiten, die durch die innere Induktivität und Kapazität des Widerstands beschränkt werden.

Eine Ergänzung zum branchenüblichen Flachstrom-Shunt-Widerstand ist der Koaxial- oder Impulsstrom-Shunt. Diese Komponenten ordnen die Shunt-Widerstände in einer zylindrischen Geometrie an, um ihre Induktivität zu minimieren. Spannungskontakte werden zu einem Koaxialverbinder geeigneter Bandbreite herausgeführt.

Koaxialstrom-Shunts sind mit Bandbreiten bis zu einigen 100 MHz verfügbar, abhängig vom Widerstandswert und der maximalen Stromstärke.

Die Größe des koaxialen Shunts ist proportional zur maximalen Nennstromstärke und sie sind viel größer als herkömmliche flache Strom-Shunts.

Stromwandler

Die Erfassung des Magnetfelds um einen Leiter stellt eine weitere Möglichkeit zur Messung des Stroms in einem Leiter dar. Der einfachste Messfühler auf Basis der magnetischen Abtastung ist der Stromwandler (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Stromwandler misst über eine Sekundärspule mit mehreren Wicklungen den Strom in einem Leiter, der durch die Öffnung in einem Ferritkern verläuft. (Bildquelle: DigiKey)

Der Leiter mit der zu messenden Stromstärke (I_Meas) verläuft durch die Mitte eines Ferritkerns und bildet zusammen mit ihm die Primärspule eines Transformators. Der Strom induziert im Ferritkern einen magnetischen Fluss, der proportional zum Strom ist. Mit einer Abtastspule mit N Wicklungen wird der magnetische Fluss gemessen. Der in der Sekundärspule induzierte Strom ist proportional zum Wicklungsverhältnis (Verhältnis der Anzahl der Wicklungen der Primärspule zur Anzahl der Wicklungen der Sekundärspule, in unserem Fall 1/N).

Der Sekundärstrom wird in eine Spannung umgewandelt, indem er durch einen Widerstand geführt wird. Hierbei handelt es sich meistens um den 50-Ohm-Abschlusswiderstand des Oszilloskops. Die Reskalierung für den Eingangskanal wird auf N/50 Ampere/Volt eingestellt, falls der 50-Ohm-Abschlusswiderstand verwendet wird. Der Stromwandler kann nur für Wechselströme verwendet werden. Eine Verwendung zur Messung von Gleichströmen ist nicht möglich.

Beachten Sie, dass der Leiter mit dem zu messenden Strom durch den Ferritkern verlaufen muss. Hierfür kann ein Ablöten des Kabels erforderlich sein, um es durch den Ferritkern führen zu können. Manche Stromwandler verwenden geteilte Ferritkerne, um das Einführen des Leiters zu erleichtern.

Stromsonden

Stromsonden stellen eine bequeme Methode zur Strommessung dar. Sie können AC-gekoppelt sein, die Technologie von Stromwandlern verwenden oder AC/DC-gekoppelt sein. In jedem der Fälle sind sie mit einem geteilten Ferritkern ausgestattet, damit der stromführende Leiter problemlos umschlossen werden kann und nicht abgelötet werden muss.

Die Teledyne LeCroy CP030 ist ein gutes Beispiel für eine AC/DC-Stromsonde, mit der Stromstärken von bis zu 30 Ampere mit einer Bandbreie von 50 MHz gemessen werden können (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Stromsonde CP030 von Teledyne LeCroy ist im Bereich DC bis 50 MHz für bis zu 30 Ampere geeignet. Sie ist voll integriert in Teledyne LeCroy-Oszilloskope mit ProBus-Schnittstelle. (Bildquelle: Teledyne LeCroy).

Die CP030 verwendet eine Hybridtechnologie. Für die DC- sowie die niederfrequenten AC-Signale kommt eine Hall-Effekt-Komponente zum Einsatz und für die hochfrequenten AC-Signale ein Stromwandler (Abbildung 4).

Abbildung 4: Ein Funktionsblockdiagramm der AC/DC-Stromsonde CP030 von Teledyne LeCroy. (Bildquelle: DigiKey)

Die CP030 basiert auf einem geteilten Ferritkern, der das schnelle Einführen des Leiters mit dem zu messenden Strom ermöglicht.

Sie umfasst einen Hall-Effekt-Sensor, der sich in einer Lücke im Ferritkern befindet, sowie eine Rückkopplungswicklung. Der Hall-Effekt-Sensor erzeugt bei korrekter magnetischer Vorspannung einen Ausgangsstrom, der proportional zum magnetischen Fluss im Ferritkern ist. Dieser Ausgangsstrom wird verstärkt und fließt durch die Rückkopplungswicklung, um im Ferritkern einen Zustand ohne magnetischen Fluss zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt ist der durch die Rückkopplungswicklung fließende Strom proportional zum magnetischen Fluss, der durch den stromführenden Leiter induziert wird.

Der Abschlusswiderstand wandelt diesen Strom in eine Spannung um. Wenn das Ausgangssignal des Hall-Effekt-Sensors mit steigender Frequenz abnimmt, fungiert die Rückkopplungswicklung als Stromwandler, der die hochfrequenten Bestandteile des gemessenen Signals exakt misst.

Die Empfindlichkeit der CP030 beträgt 1 Volt/Ampere. Die Sonde übermittelt das Signal über die ProBus-Schnittstelle an das Oszilloskop. Das Oszilloskop passt die Skalierung des Kanals, an dem die Sonde angeschlossen ist, automatisch an, um eine Anzeige in Ampere zu erhalten (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Kanaleinstellungen eines Teledyne LeCroy HDO4104-Oszilloskops mit angeschlossener CP030. Die Sonde wird automatisch erkannt (siehe entsprechendes Eingabefeld). Die korrekte Skalierung wird unter „Einheiten/V“ automatisch angegeben und die vertikalen Einheiten werden auf Ampere gesetzt. (Bildquelle: DigiKey)

Zusätzlich zur Erfassung und Skalierung des Sonden-Ausgangssignals zeigt das Oszilloskop ein Dialogfeld mit allen Steuerungsfunktionen für die Sonde an (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das Dialogfeld zur Einrichtung der Sonde CP030 mit den Steuerungsfunktionen für die Entmagnetisierung und den automatischen Nullabgleich der Sonde. (Bildquelle: DigiKey)

Enthält die Steuerungsfunktionen für die Entmagnetisierung und den automatischen Nullabgleich der Sonde. Die Entmagnetisierung beseitigt über ein entmagnetisierendes Signal jeglichen noch verbleibenden magnetischen Fluss im Ferritkern der Sonde. Für möglichst genaue Ergebnisse sollte die Entmagnetisierung vor allen kritischen Messungen durchgeführt werden. Mit dem automatischen Nullabgleich wird jeglicher Offset des Ausgangssignals der Sonde auf null Volt gesetzt, wenn kein Strom fließt. Da diese Steuerungsfunktionen in das Oszilloskop integriert sind, belegen sie keinen Platz im Körper der Sonde oder in der Schnittstellenbox, wodurch die Sonde kleiner gehalten werden kann. Im Dialogfeld werden außerdem die Bezeichnung der Sonde sowie ihre hervorstechenden Spezifikationen angezeigt.

Verbreitete Verfahren zur Steigerung des Nutzens von Stromsonden

Beim Messen kleiner Ströme kann die Empfindlichkeit einer Stromsonde erhöht werden, indem der Leiter mehrmals durch die Primärspule geführt wird (Abbildung 7A).

Abbildung 7: Erhöhen Sie die Empfindlichkeit der Stromsonde, indem Sie den Leiter mehrmals durch den Ferritkern der Sonde führen (A). Führen Sie eine Differenzmessung durch, indem Sie mehrere verschiedene Leiter durch den Ferritkern der Sonde führen (B). (Bildquelle: Teledyne LeCroy)

Wie bei jedem Transformator erhöht sich die Empfindlichkeit der Sonde mit der Anzahl der Wicklungen des Leiters, die durch den Ferritkern der Sonde verlaufen. In der Abbildung sind es vier Wicklungen, die durch den Ferritkern verlaufen, wodurch die Empfindlichkeit um den Faktor vier erhöht wird. Dieser Faktor muss per Hand in die Reskalierungseinstellungen der Sonde eingegeben werden. Beachten Sie außerdem, dass sich die Einfügungsimpedanz um die Anzahl der Wicklungen zum Quadrat erhöht. In unserem Fall erhöht sich die Impedanz also um den Faktor 16. Da diese Messmethode für niedrige Ströme verwendet wird, ist der Spannungsabfall an dieser Impedanz im Allgemeinen gering und sollte lediglich minimale Auswirkungen auf die Messung haben.

Falls mehrere Leiter durch die Sonde geführt werden, zeigt das Oszilloskop den Nettostrom an (Abbildung 7B). Dieses Verfahren kann zur Messung des Differenzstroms zwischen zwei Leitern verwendet werden. Außerdem kann mit diesem Verfahren ein großer Offset-Strom eliminiert werden, indem ein Leiter, durch den ein äquivalenter Gleichstrom fließt, in Gegenrichtung durch den Ferritkern geführt wird. Auf diese Weise kann der Messbereich der Stromsonde erweitert werden.

Verwenden von Stromsonden von Drittanbietern

Viele Hersteller liefern Stromsonden für den allgemeinen Oszilloskopmarkt, die keine proprietären Schnittstellen verwenden. Diese Sonden enthalten eine Stromquelle und Steuerungsfunktionen zur Entmagnetisierung sowie zur Anpassung des DC-Offsets der Sonde. Ein Beispiel hierfür ist die CP6990O-NA, eine eigenständige AC/DC-Stromsonde (40 A, 1,5 MHz) von Cal Test Electronics (Abbildung 8).

Abbildung 8: Eigenständige Stromsonde CP6990-NA von Cal Test Electronics inklusive Zubehör (Bildquelle: Cal Test Electronics)

Diese batteriebetriebene Stromsonde kann über das im Lieferumfang enthaltene BNC-Kabel direkt mit einem Oszilloskop verbunden werden. Sie bietet zwei Empfindlichkeitsbereiche, entweder 1 Volt/Ampere oder 100 Millivolt/Ampere. Für die Reskalierung bei Verwendung mit einem Teledyne LeCroy HDO4104 wären 1 bzw. 10 Einheiten/Volt eingegeben. Im Feld für die Einheit sollte „A“ ausgewählt werden. Die vertikale Skala für den ausgewählten Kanal ist jetzt in Ampere kalibriert.

Fazit

Mit Oszilloskopen können unter Verwendung von Strom-Shunts, Stromwandlern oder Stromsonden Strommessungen durchgeführt werden. Unabhängig vom verwendeten Sensor kann der Oszilloskopkanal so skaliert werden, dass direkt die Stromstärke angezeigt wird.

Am einfachsten in der Handhabung ist die Stromsonde. Vom Hersteller des Oszilloskops gelieferte Stromsonden werden vom Gerät automatisch erkannt und die Stromwerte entsprechend skaliert.