AC messen

Da der Durchschnitt einer rein sinusförmigen Wellenform null ist, muss das Messgerät entweder die Spitze-zu-Spitze-Spannung messen, die durchschnittliche gleichgerichtete Spannung oder die wahre Effektivspannung. Für dasselbe Wechselstromsignal werden die angezeigten Werte unterschiedlich sein! Wenn wir zum Beispiel einen Wellenformgenerator einrichten, um eine sinusförmige Wellenform mit einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 10,00 V auszugeben, hat sie eine gleichgerichtete mittlere Spannung von 6,37 V und eine Effektivspannung von 7,07 V.

Elektronische Multimeter verwenden Effektivwerte, da dies die äquivalente Gleichspannung ist, die den gleichen Heizeffekt mit sich bringen würde mit einer ohmschen Last. Wenn das Wechselstromsignal jedoch keine reine Sinuswelle ist, sind die Messwerte sehr unterschiedlich, je nach Wellenform:



Die Lösung für all diese Probleme ist ein „True RMS“-Multimeter, das sowohl die AC- als auch die DC-Komponenten von kontinuierlichen Wellenformen anpassen und das richtige Ergebnis anzeigen kann:



Die Situation wird jedoch komplexer, wenn das Wechselstromsignal diskontinuierlich ist. Dann liefert sogar ein echtes RMS-Voltmeter nicht den korrekten Wert. Leider sind solche diskontinuierlichen Signale in AC/DC-Schaltkreisen sehr verbreitet, beispielsweise das trapezförmige Signal eines Umschalttransistors, der Sägezahnstrom durch eine Diode oder die Dreiecksspannung über einer Induktivität. Die äquivalente Effektivspannung ist ein Integral über die Zeit:



Die einzige Möglichkeit, den Effektivwert eines diskontinuierlichen Signals genau zu messen, ist mit einem Oszilloskop. Bei jedem digitalen Messgerät oder digitalen Speicheroszilloskop (DSO) ist eine weitere wichtige Fehlerquelle der Scheitelfaktor. Das ist einfach das Verhältnis der Spitze zur Effektivspannung. Wenn ein digitales Messgerät das Signal genau messen soll, muss es über einen ausreichenden dynamischen Eingangsspannungsbereich verfügen, um den Scheitelfaktor zu bewältigen, der variieren kann von 1 für eine Rechteckwelle, √2 für eine Sinuswelle bis zu 10 oder mehr für einen asymmetrisch gepulsten Eingang.





Praktischer Tipp: Passive Oszilloskopsonden müssen vor jeder Wechselstrommessung kalibriert werden. Alle Oszilloskope verfügen über einen Rechteckreferenzausgang auf der Vorderseite. Die Oszilloskopsonde sollte an diesen Ausgang angeschlossen und der kleine variable Kondensator im Stecker angeglichen werden, bis das Display eine flache Rechteckwelle anzeigt. Abbildung 4 unten zeigt zwei identische Sonden, die an dieselbe interne Rechteckwellenquelle angeschlossen sind. Kanal 2 ist richtig angepasst, Kanal 1 nicht:



Für die meisten Messungen sollte die Dämpfereinstellung 10:1 für die Sonde verwendet werden. Das wird die Gleichstromimpedanz der Sonde von 1 Mohm auf 10 Mohm erhöhen und die Belastung der Sonde auf dem gemessenen Signal verringern, auf Kosten einer weniger genauen Messung von sehr kleinen Signalen.

Bei der Messung von hohen Spannungen wie Wechselstrom oder gleichgerichtetem Wechselstrom ist besondere Vorsicht geboten mit Oszilloskopsonden. Der Masseanschluss der Sonde ist mit der Masse verbunden über das Stromkabel; einfach die Sonde an den Hochspannungskreis anzuschließen, würde die Sicherung durchbrennen lassen oder den Erdschlussmelder im Stromnetz auslösen.

Es gibt verschiedene Lösungen für dieses Problem:

1. Verwenden Sie eine isolierte aktive Sonde.
2. Verwenden Sie eine aktive Differenzspannungssonde (ebenfalls isoliert, jedoch mit einem höheren Eingangsspannungsbereich)
3. Führen Sie das Oszilloskop an einem Netztrenntransformator aus und trennen Sie das Erdungskabel. Stellen Sie außerdem sicher, dass hier keine Anschlüsse für die Fernbedienung (GPIB oder USB) verwendet werden, die das Oszilloskop über die Datenleitungen erden könnten.

Beachten Sie, dass Option 3 bedeutet, dass alle freiliegenden Metallteile (z. B. die BNC-Anschlüsse und die Hülle des Oszilloskops) möglicherweise nicht mehr auf Erdpotential sind. Seien Sie also besonders vorsichtig, wenn Sie mit einem isolierten Oszilloskop arbeiten. Verwenden Sie zum Messen gefährlicher Spannungen nur Option 1 oder 2.

Praktischer Tipp: Bei Verwendung eines isolierten Tastkopfs oder eines isolierten Oszilloskops können die Tastkopfspitze und der Tastkopfring zwischen zwei beliebigen Punkten des zu überprüfenden Stromkreises angeschlossen werden. Jedoch sollte der Ring an eine stabile Spannung und nicht an einen Schaltknoten angeschlossen werden, um falsche Messwerte zu vermeiden. Im folgenden Beispiel besteht die richtige Methode zum Messen der Spannung an einer Totem-Pole-PFC-Drossel darin, zwei Tastköpfe zu verwenden und dann die mathematische Funktion des Oszilloskops zu nutzen, um den Unterschied sichtbar zu machen:



Hochfrequenz-Wechselspannungsmessungen

Die Anstiegszeit einer Sonde von 10 % bis 90 % hängt von ihrer Bandbreite mit der folgenden Formel ab:



Dies bedeutet, dass das Oszilloskop durch die häufig verwendete Einstellung des 20-MHz-BW-Grenzwerts davon abgehalten wird, auf Flanken zu reagieren, die schneller sind als etwa 17,5 ns. Dies ist ideal zum Entfernen unerwünschter Schaltartefakte von Niederfrequenz-AC/DC-Wandlern, aber nicht so gut für die nächste Generation von schnell schaltenden SiC- oder GaN-basierten Stromversorgungen, bei denen solche Anstiegszeiten ein Teil des Signals sind.
Die Wechselstromimpedanz einer Oszilloskopsonde ist die Summe der verschiedenen Impedanzen in Serien- und Parallelschaltung ihrer Komponenten, so dass die vom DSO erfasste Spannung ergibt als:



Diese zusätzlichen Impedanzen verursachen ein Überschwingen (Klingeln) für eine Sprungänderung, die in der Regel erfolgreich gedämpft werden kann durch Messung des Hochfrequenzsignals über einen hochohmigen Vorwiderstand und/oder unter Nicht-Verwendung der Sondenerdungsklemme (die Klemme hat die höchste Impedanz aller Impedanzfaktoren).

Die folgenden Diagramme wurden aus dem DC/DC-Buch des Wissens reproduziert, um den nachteiligen Effekt der Verwendung des Masseclips beim Messen von Welligkeit und Rauschen zu verdeutlichen:



Wechselstrommesstechnik

Präzisions-Shunt-Widerstand

Wenn ein Präzisionswiderstand in einer Schaltung in Reihe geschaltet ist, ist die daran entstehende Spannung direkt proportional zum durchfließenden Strom. Dies ist das Prinzip, nach dem die meisten Multimeter mit einem Stromeingang den Strom messen. Wenn das Messgerät einen Skalenendwert von ± 200 mV aufweist, wird ein 100-Milliohm-Shunt-Widerstand einen Wert bis zu ± 2A messen können. Ein sehr vereinfachtes Multimeter-Schema mit wählbaren Spannungs- und Strombereichen im Vollbereich wird unten gezeigt:



Der Shunt-Widerstand muss niederohmig gehalten werden, damit der Spannungsabfall im Stromkreis unbedeutend ist (im obigen Beispiel nur 200 mV) und die durch Eigenerwärmung verursachten Fehler zu reduzieren. Alle widerstandsfähigen Materialien haben einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR), der eine Änderung verursachen wird im Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur; daher ist es wichtig, dass der Shunt-Widerstand aus einem Material besteht mit einem sehr niedrigen TCR, idealerweise weniger als ± 100 ppm/°C.

Bei einem festen Shunt-Widerstand auf einer Leiterplatte, mit dem Gleich- oder Wechselströme gemessen werden, können zusätzliche Fehler, die durch die Kupferschienen verursacht werden, sehr bedeutsam werden (Kupfer hat einen typischen TCR-Wert von ungefähr + 0,004%/°C oder + 4000 ppm/°C). Um Messfehler zu vermeiden, sollten vierpolige (Kelvin-Kontakt-) Shunt-Widerstände verwendet werden, so dass die Strommessschienen selbst keinen nennenswerten Strom führen:



Der Vorteil von Shunt-Widerständen ist, dass damit sowohl Gleich- als auch Wechselströme gemessen werden und sie geeignet dimensioniert werden können, um sowohl sehr kleine als auch sehr große Ströme zu messen. Bei sorgfältiger Schienenführung können Shunt-Widerstände auch zur genauen Messung hochfrequenter Wechselströme verwendet werden.

Häufig ermöglicht ein einfacher Tiefpassfilter, gebildet durch einen Kondensator in Reihe mit Shunt- und hochohmigen Widerständen in den Messbeinen, saubere Strommessungen auch bei geräuschvollen Installationen. Schließlich verschlechtert sich die Leistung auch bei Kurzschluss oder hohen Stoßströmen nicht: Es gibt keine Lawine oder keinen thermischen Durchgehensmodus.



Praktischer Tipp: Aktuelle Shunts können heiß genug werden, um benachbarte Komponenten zu beeinträchtigen. Lassen Sie also immer einen ausreichenden Abstand und verwenden Sie dicke Kupferschienen, um die Wärme abzuleiten. Hochstrombelastbarkeits-Shunts werden häufig von der Leiterplatte entfernt. Dies vermeidet eine Überhitzung des FR4-Materials unter dem zentralen hochohmigen Hot-Spot des Shunts und hilft bei der Luftkühlung. Überprüfen Sie auch, dass die Ausdehnungskoeffizienten des Shunts und der Leiterplatte nicht zu weit auseinanderliegen, um thermisch bedingte Risse und Lötstellenbelastungen zu vermeiden.

Die Nachteile der Verwendung eines Shunt-Widerstands bestehen darin, dass der Messkontakt direkt ohne Isolation ist; die Verlustleistung im Shunt-Widerstand kann die Messwerte beeinflussen, und sehr niederohmige Shunts benötigen eine Hochspannungsverstärkung, um ein nützliches Signal zu erzeugen, das Rausch-, Drift- und Offsetfehler zulässt. Darüber hinaus sind hochpräzise Leistungs-Shunt-Widerstände (0,1 % oder besser) mit geringem TCR und niederer Drift teure Bauteile.

Shunt + Stromspiegel

Da ein strommessender Shunt-Widerstand nicht isoliert oder notwendigerweise auf die Masse bezogen ist, kann dies beim Versuch, den Strom in einem Stromkreis mit höherer Spannung zu messen, Probleme verursachen. Das folgende Beispiel zeigt, wie ein Stromspiegel verwendet wird, um den Stromausgang auf ein Niveau das, sagen wir, geeignet ist für den Eingangspin eines Mikrocontrollers. DC und AC mit DC Offset (zum Beispiel Ausgangswellenstrom) können mit dieser Schaltung gemessen werden.



Die am Strommesswiderstand R_s entstehende Spannung wird vom Op-Amp verstärkt, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, I_sense = R_s/R. Da dieser Strom auf die Hochspannungsversorgung bezogen ist, muss er stromgespiegelt werden, um eine Ausgangsspannung V_sense zu erzeugen, die auf die 5 V-Versorgung referenziert wird. Die V_sense-Ausgangsspannung beträgt:



Shunt + Trennverstärker

Die Verwendung eines Stromspiegels in Kombination mit einem High-Side-Shunt-Widerstand ist für mittlere Versorgungsspannungen geeignet, aber für höhere Versorgungsspannungen nicht sicher. Zum Messen des Stroms in einer PFC Stufe oder einem Wechselstromleiter ist eine Sicherheitsisolation erforderlich. Eine Technik zur genauen Messung von Wechselstrom oder DC-Strömen an einer Hochspannungsversorgung ist die Verwendung eines Trennverstärkers mit einer isolierten DC/DC-Stromversorgung:



Stromwandler

Ein Transformator kann verwendet werden, um den Wechselstrom zu messen, der in einem Leiter fließt, wenn der Leiter ihn durchläuft, um wirksam eine einzige Runde zu vollziehen:



Der Sekundärstrom I_S ist proportional zum Primärstrom I_p, geteilt durch die Sekundärwindungen:



Stromwandler sind nützlich, um hohe Wechselströme zu messen, weil der Ausgangsstrom als Verhältnis von, z. B., von 20:1 zum Leiterstrom dargestellt werden kann durch einfaches Wickeln von 20 Windungen um die Sekundärspule. Wenn mehr Empfindlichkeit erforderlich ist, kann der Primärleiter zweimal um den Kern herumgewickelt werden, um den Vollausschlag auf 10:1 zu erhöhen, oder die Sekundärwindungen können erhöht werden. Es sind auch Split-Core-Versionen erhältlich, die um einen Leiter geklemmt oder geöffnet werden können, damit man weitere Primärwindungen hinzufügen kann, ohne dass die Drähte abgeschnitten werden müssen.

Praxistipp: Betreiben Sie einen Stromwandler niemals ohne Last. Wenn der Ausgangsstrom eine 20:1-Dämpfung hat, hat die Leerlauf-Ausgangsspannung einen 20-mal so hohen Strom. Ein Stromwandler, der den Hauptstrom misst, kann leicht Tausende von Volt an den Klemmen erzeugen, wenn die Last nicht angeschlossen ist. Schließen Sie die Ausgänge immer kurz, wenn die Last nicht angeschlossen ist! Stromwandler können keine Gleichströme messen, daher erzeugt nur die Wechselstromkomponente (z. B. der Welligkeitsstrom) ein Ausgangssignal. Da die Messungen von der Leistung des hochpermeablen Magnetkerns abhängen, hat ein Stromwandler eine Bandbreitenbegrenzung, einen minimalen und maximalen Primärnennstrom, eine maximale Primärnennspannung und einen Genauigkeitswert (typischerweise zwischen 0,2 % und 3 %, gültig über einen Primärstrom im Bereich von 5 % bis 120 %). Schließlich haben Stromwandler eine maximale Ausgangslast aufgrund der Sekundärimpedanz, die mit der Amperemeterlast zusammenwirkt. Ist die Ausgangslast zu hoch, wird der Ausgangsablesung zu niedrig, und der CT wird auch die Versorgung aufladen.

Die Hauptvorteile eines Stromwandlers sind ein Ausgang, der auch eine Stromquelle ist, eine hohe Isolationsfestigkeit, nahezu verlustfreie Messung und ein bidirektionaler Ausgang. Abbildung 13 zeigt einen CT, der in einer Hochleistungs-Vollbrückenanwendung mit Phasenverschiebung verwendet wird, um ein isoliertes Stromrückkopplungssignal zu liefern:



Kompensierter Stromwandler (Wechselstrom-Nullfluss)

Um den Niederfrequenzgang eines Stromwandlers zu erhöhen, kann eine Rückkopplungsschaltung hinzugefügt werden, um die durch die Sekundärwicklung verursachte Last auszugleichen. Zum Löschen des magnetischen Flusses im Kern wird eine separate Wicklung verwendet:



Wechselstrom-Nullfluss-Stromwandler eliminieren die B-H-Eigenschaften des Magnetkerns und bieten daher eine hohe Linearität, niedrige Einfügungsimpedanz und große Bandbreite. Die Erfassungswicklung und der AC Verstärker verursachen zusätzliche Kosten.

Rogowski-Spule

Eine Rogowski-Spule (RC) ähnelt zwar einem Split-Core-Stromwandler, funktioniert aber nicht auf die gleiche Weise, denn sie erzeugteine Ausgangsspannung proportional zum gemessenen Strom anstelle eines Ausgangsstroms. Eine RC benötigt keinen Magnetkern, was die Kosten und die Belastung des Primärleiters senkt; und die schnelle Reaktion ist nützlich für die Messung kleiner, schnell wechselnder Ströme.



Die Ausgangsspannung v(t) ist abhängig von der Änderungsrate des Primärstroms I_p:



Dabei ist A die Querschnittsfläche des Kerns, N die Anzahl der Sekundärwindungen mit der Länge l und μ₀ die magnetische Konstante, 4π x 10^-7. Da dies alles feste Einheiten sind, ergibt sich eine Ausgangsspannung, die einfach gleich ist der Änderungsrate des Primärstromabfalls/ dt multipliziert mit –M, eine Konstante, die nur abhängig ist von den mechanischen Abmessungen.

Die Sekundärverdrahtung ist schraubenförmig angeordnet, wobei die Rückleitung unter der sekundären Leitung zurückverläuft, so dass sich beide Drahtenden am gleichen Ende des offenen Kerns befinden. Das macht sie sehr nützlich für klemmenähnliche Strommesser, da keine Drähte die Spalte überbrücken. Es gibt flexible RC-Designs, bei denen die Sekundärwicklung über ein Kunststoffrohr gewickelt ist, das einfach um den Primärleiter oder andere Leiter gewunden werden kann.

Da der Ausgang eher proportional ist zur Änderungsrate des Primärstroms als zu dessen absolutem Wert, wird das Signal üblicherweise mit einem einsatzfähigen Verstärker integriert, um eine Spannung zu erzeugen, die direkt proportional zum Strom ist. Dies führt zu Fehlern bei den Messungen aufgrund von Verstärkeroffsets und Integrationszeiten und erzeugt einen Frequenzgang, der sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen abfällt. Trotzdem ist über einen weiten Frequenzbereich die Antwort linear und flach.

Hall-Effekt-Stromsensor

Der Hall-Effekt-Stromsensor beruht auf der Überwachung der durch ein Magnetfeld induzierten Spannung, die vom Primärstrom erzeugt wurde, anstatt den Strom direkt zu messen. Wenn Strom durch einen dünnen, flachen Leiter fließt, tritt keine Potentialdifferenz über den transversalen (längeren) Seiten auf, sofern die Ladungsträger nicht durch ein externes Magnetfeld beeinflusst werden. Das Magnetfeld übt eine Querkraft aus, die zu einem Ladungsungleichgewicht führt. Dies führt schließlich zu einer Spannung, die sich zwischen den Querseiten entwickelt und proportional ist zu der magnetischen Feldstärke.



Die Hall-Spannung V_H ist direkt proportional zum Vorstrom I und zur Magnetfeldstärke B und umgekehrt proportional zur Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit n, zur Ladung auf jedem Träger, e, und der Dicke des Flachleiters, d:



Der Hall-Effekt tritt in jedem Flachleiter auf, aber weil n = 10²⁹ m^-3 für Kupfer und n = 10²⁵ m^-3 für Silizium gilt, ist die resultierende Hall-Effekt-Spannung für einen Siliziumleiter 1000-mal höher. Daher werden für den Hall-Effekt-Sensor häufiger Halbleiter als metallische Leiter verwendet.

Der Vorstrom I kann von einer Konstantstromquelle geliefert werden, um einen Ausgang zu erzeugen, der nur abhängig ist von der externen Magnetfeldstärke; B, oder der Sensor, kann platziert werden zwischen die Pole eines Permanentmagneten, um einen externen Vorstrom zu messen. Auf diese Weise kann der Hallsensor Gleichstrom messen. Um einen Hall-Effekt-Sensor zur Messung des Wechselstroms in einem externen Leiter zu verwenden, kann dieser platziert werden im Luftspalt eines Transformatorkerns, durch den der Primärleiter verläuft:



Hall-Effekt-Stromsensoren können große Ströme oder niedrige Ströme gemessen werden, je nachdem, wie sie eingerichtet sind. Anders als die Rogowski-Spule und der Stromwandler kann ein Hall-Effekt-Stromsensor verwendet werden, um sowohl Wechsel- als auch Gleichströme zu messen. Die Leistung des Magnetkerns, externe Magnetfelder und Verstärkerfehler, wie etwa Offsets oder Gain-Drifts können die Messgenauigkeit verringern.

Flux-Gate-Stromsensor

Ein Flux-Gate-Stromsensor kombiniert Elemente sowohl des Hall-Effekt- als auch des AC-Nullflusssensors. Der Stromfluss durch den Primärleiter erzeugt ein Magnetfeld, das erfasst wird durch eine Sondenspule innerhalb des normalerweise vom Hall-Effekt-Sensor eingenommenen Spalts.



Das Ausgangssignal wird verstärkt und in eine Sekundärwicklung rückgekoppelt, um das Magnetfeld im Nullfl usssensor auf null zu stellen. Der Kompensationsstrom kann über einen Widerstand gegen die Erde zurückgeführt werden, um eine Ausgangsspannung anzugeben, die proportional zum Strom ist, der im Primärleiter fließt. Dieses geschlossene Schleifensystem erzeugt eine genauere Messung als andere äquivalente Stromsensoren, weil Temperatur-und Alterungseffekte ausgeglichen werden können, und das bedeutet, dass auch Gleichströme gemessen werden können.
Das verwendete magnetische Material hat eine nichtlineare B-H-Charakteristik und sättigt daher sehr leicht. Der Fluxgate-Controller verwendet diese Nichtlinearität, um ein sehr empfindliches Messsystem zu erstellen, das aufbaut auf die Rückkopplung, um den Magnetfluss bei kleinen Änderungen des Primärstroms wieder auf null zu bringen bei Primärstrom- und Kernsättigung, um das System vor starken Überstromsituationen zu schützen, wie etwa bei einem primären Kurzschluss.



Flux-Gate-Wandler eignen sich sehr gut als RCM-Sensoren (Residual Current Measurement). Ein AC-Kabel, das sowohl die stromführenden als auch die neutralen Drähte trägt, befindet sich im Sensor. Das Magnetfeld der Vor- und Rückleiter bricht zusammen, so dass jede beliebige Differenz entdeckt und verstärkt werden kann.

Der Nachteil des Flux-Gate-Stromsensors besteht darin, dass ein verbleibender Kernmagnetismus, der verursacht wird durch die Einwirkung äußerer Magnetfelder, die Messungen verfälscht. Intelligente Flux-Gate-Controller haben eine Entmagnetisierungsfunktion, um den Kern mit einem geregelten Wechselstrom-Antriebssignal zurückzusetzen vor einer neuen Messung.

GMR-Stromsensor

Giant Magnetoresistance (GMR) ist ein Quantenspin-Eff ekt, der bestimmte ferromagnetische, geschichtete Materialien dazu bringt, ihren Widerstand unter dem Einfl uss eines externen Magnetfeldes zu ändern. Der Sensor wird wie der Hall-Eff ekt im Spalt eines Magnetkerns platziert, als Stromsensor zur Messung von Wechselstrom oder in einer Spule zur Messung von Gleichstrom.

Ein GMR-Sensor besteht aus einer Wheatstone-Brücke mit zwei aktiven GMR-Elementen und zwei passiven abgeschirmten Beinen; dies wird in Abbildung 13.20 dargestellt. Das verdoppelt die Ausgangsempfindlichkeit gegenüber der ΔR-Änderung des Eigenwiderstands R aufgrund des GMR-Effekts.



Der GMR-Sensor hat eine sehr schnelle Reaktionszeit und ist sehr empfindlich, daher ist er ein nützlicher Sensor für Messung von Kleinsignal-Wechselströmen bis 5 MHz. Trotz der Wheatstone-Brückenanordnung bedarf es noch einer sorgfältigen thermischen Kompensation, um genaue Messwerte zu erhalten, weil der GMR-Effekt relativ schwach ist.