Strommessungen leicht gemacht: Ein Stromtastkopf für HF

Dec 31, 2023

In vielen Fällen sind Strommessungen ohne Gleichstromanteil sinnvoll. Am gebräuchlichsten sind CTs (Stromwandler) für Wechselstromnetze. In diesem Artikel geht es um den Aufbau von Stromwandlern für mittlere bis hohe Frequenzen, die wirklich einfach zu bauen sind. Die dargestellten Formeln gelten auch für AC-Netzgeräte.

Die Sonde drinFigur1 ist für die Messung von bis zu 50 A Spitzenstrom in einem Frequenzbereich von 7 kHz bis mehreren zehn MHz ausgelegt. Der Schaltplan inFigur2ist ganz einfach: Der Draht, dessen Strom gemessen werden soll, wird durch den Ringkern geführt, bei dem es sich um einen gewöhnlichen Amidon FT 82-43-Kern handelt, der bis mindestens 50 MHz eine gute Leistung erbringt.

Die Sekundärwicklung besteht aus zehn gleichmäßig über den Kern verteilten Drahtwindungen. Wenn verfügbar, verwenden Sie eine Litze mittlerer Stärke, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Durch das Verhältnis von 1:10 Windungen beträgt der maximale Strom in der Sekundärseite 5 Ap. Die Sekundärseite wird mit 0,2 Ω belastet, was durch eine Parallelschaltung von fünf 1 Ω-Widerständen realisiert wurde. Bei einem Spitzenstrom von 5 Ap beträgt die Spitzenspannung an diesen Widerständen 1 Vp, was für Messungen mit einem Oszilloskop sehr praktisch ist. Bei einem sinusförmigen Strom beträgt die durchschnittliche Verlustleistung an den Widerständen R·I2 = R·Ip2 / 2 = 2,5 W oder 0,5 W pro Widerstand. Ein kontinuierlicher Sinusstrom von 50 Ap kann nur mit Widerständen von 0,5 W oder größer gemessen werden. Wenn die Wellenformen jedoch gepulst sind oder sehr kurze Messungen durchgeführt werden, reichen ¼-W-Widerstände aus. Das war meine Wahl, weil ich das Design für eine bessere HF-Leistung kompakt halten wollte. OK, ich muss auch zugeben, dass das die Widerstände waren, die ich zur Hand hatte.

Figur3 zeigt die typische Verwendung mit einer Oszilloskopsonde unter Verwendung eines BNC-Adapters für Oszilloskope. Das Gerät kann auch mit einer direkten Koaxialkabelverbindung zum Oszilloskopeingang verwendet werden, da 1 Vp ideal für den Oszilloskop-1×-Betrieb ist: In diesem Fall empfiehlt sich die Verwendung eines kurzen Kabels, um Reflexionen im interessierenden Band, nämlich dem Koax, zu vermeiden wird auf beiden Seiten nicht übereinstimmen. Noch besser ist, dass das Koaxialkabel auf der Oszilloskopseite an seinem Wellenwiderstand abgeschlossen werden kann: Viele moderne Oszilloskope bieten die Möglichkeit, die Eingangsimpedanz auf 50 Ω einzustellen, was besonders einfach ist. In diesem speziellen Fall ist zu bedenken, dass die Messung aufgrund der Parallelität der 50-Ω-Last mit den in der Sonde integrierten 0,2-Ω-Lasten leicht außerhalb der Skala liegt (der Gesamtwiderstand beträgt 0,1992 Ω, was einen Skalierungsfaktor von 50,2 A ergibt). /V).

Es muss vermieden werden, die Oszilloskopsonde mithilfe der Clips direkt an Widerständen zu befestigen und den BNC-Anschluss wegzulassen, da bei der Messung hoher HF-Ströme bereits die minimale ungeschirmte Schleife in den Sonden zu Artefakten bei den Messungen führt.

Der Aufbau des Stromwandlers ist nicht kompliziert, es sind jedoch einige elektromagnetische Formeln erforderlich. Zunächst zum Lastwiderstand RL, der so klein wie praktisch möglich sein sollte, um den Leistungsverlust zu minimieren, da der zu messende Schaltkreis mindestens R·n2 „sieht“, wobei 1:n das Windungsverhältnis ist (1). :10) und R ist die Summe aus RL (0,2 Ω) und dem Sekundärdrahtwiderstand (einige mΩ). Wie bereits erwähnt, ist es sehr wichtig, dass die Sekundärseite gleichmäßig gewickelt ist, da der zu prüfende Schaltkreis sonst eine gewisse Streuinduktivität in Reihe aufweist. Wenn wir im anderen Extremfall einen zu niedrigen Wert für RL wählen, müssen wir auch eine sehr kleine Spannung messen, was zu Rauschen auf den Leiterbahnen führt. Schließlich sollte RL größer sein als der Sekundärdrahtwiderstand. In meinem Fall habe ich 0,2 Ω gewählt, damit ich 1 V bei 5 A (50 A auf der Primärseite) erhalten kann, was dem zu testenden Schaltkreis 2 mΩ hinzufügt. Die Anzahl der Sekundärwindungen n bestimmt das Stromverhältnis. Bei einem Hochfrequenz-Stromwandler muss diese Zahl niedrig gehalten werden, um Eigenresonanzen durch Streukapazität zusammen mit hoher Induktivität zu vermeiden. Bei Netzstromwandlern ist die Frequenz recht niedrig (50 oder 60 Hz), daher ist n = 1000 ein üblicher Wert. Potenzen von 10 sind üblich, so dass das Stromumwandlungsverhältnis einfach ist, aber auch andere Werte sind möglich. Die höchste nutzbare Frequenz für einen Ringkern-Ferrit-Stromwandler hängt ab von:

Eine Konstruktion wie meine kann problemlos bis zu mehreren zehn MHz funktionieren, wenn ein geeigneter Ferrit, wie etwa Material 43 von Amidon/Fair-Rite, verwendet wird. Es können auch Kerne mit hoher Permeabilität zur EMI-Unterdrückung verwendet werden, jedoch nur bis zu viel niedrigeren Frequenzen. Kerne mit geringer Permeabilität, die für Leistungsdrosseln und Induktivitäten mit hohem Q verwendet werden, werden nicht empfohlen, da ihre Induktivität pro Windung zu niedrig ist, was sich auf den folgenden Punkt auswirkt. Die Wahl des Ferritkerns hat aus zwei Gründen auch Auswirkungen auf die niedrigste nutzbare Frequenz:

Die kapazitive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung kann Messungen bei den höchsten Nutzfrequenzen oder sogar bei moderaten Frequenzen stören, wenn der Primärleiter einer hohen HF-Spannung ausgesetzt ist. Das Design kann durch Hinzufügen einer elektrostatischen Abschirmung verbessert werden, die diese kapazitive Kopplung vermeidet: In In der Praxis wird der Primärdraht durch ein kleines Stück Metallrohr (normalerweise Kupfer oder Messing) geführt, das mit dem Ausgangs-GND des Sekundärdrahts verbunden ist, wie in gezeigtFigur4 . Dies verändert die magnetische Verbindung nicht, sondern wirkt als Blocker des elektrischen Feldes.

Dieses Beispiel eines HF-Stromwandlers zusammen mit den wichtigsten Designkriterien beweist, dass die Materie weniger komplex ist, als es zunächst scheint. Ich hoffe, dass die hier vorgestellten Überlegungen und Formeln Ihnen helfen, den Umgang mit Ringkernen zu vereinfachen und Ihnen als Grundlage für Ihre eigenen Entwicklungen dienen.

Roberto Visentin ist ein kürzlich pensionierter Elektronikingenieur, der an Elektronik- und Steuerungssystemen für Meeresanwendungen und Unterwasserrobotik gearbeitet hat. Er arbeitet immer noch als freiberuflicher Berater und genießt es, mehr Zeit für die Entwicklung von Hobbyprojekten in seinem heimischen Elektroniklabor zu finden.

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Dieser Artikel erschien ursprünglich im Elektor im Mai und Juni 2023. Werden Sie noch heute Elektor-Mitglied!