Strommessung Closed-Loop-Wandler richtig einsetzen

Strommesswandler nutzen am häufigsten den Closed-Loop-Hall-Effekt und das Closed-Loop-Fluxgate als Messprinzip. Neben den vielen Vorteilen gibt es allerdings auch eine Reihe von Details, die wenig bekannt sind und die in der Anwendung Probleme machen oder zu Fehlern führen können.

Strommesswandler (engl. Transducer) sind passive Bauteile in dem Sinne, dass sie den zu messenden Strom nicht aktiv beeinflussen. Allerdings benötigen sie für ihren Betrieb eine Versorgungsspannung. Unabhängig von dieser liegt der typische Strombedarf bei weniger als 30 mA. Die meisten Messwandler erfordern eine bipolare Versorgungsspannung, meist ±15 V. Zunehmend sind auch Messwandler mit unipolarer Versorgungsspannung erhältlich (+5 V). Closed-Loop-Wandler benötigen zusätzlichen Versorgungsstrom für ihre Sekundärkreise.

Das erste Charakteristikum von Transducern ist, dass sie – anders als Stromtransformatoren – nicht nur Wechsel-, sondern auch Gleichstrom messen können. Galvanische Isolierung ist das zweite charakteristische Merkmal, das bei der Auswahl eines Strommesswandlers als Lösung für eine Strommessung wichtig ist. Primär- und Sekundärkreis eines Transducers sind elektrisch voneinander isoliert, was den Betrieb bei hohem Potenzial im Primärkreis (480 V) ermöglicht, währe V oder +5 V) arbeitet. Der Primärstrom erzeugt ein Magnetfeld, das mit Hilfe eines Magnetkreises konzentriert wird. Ein auf magnetischer Basis arbeitendes Messelement erfasst die Stärke des Magnetfelds und gibt diesen Wert aus. Die Informationen über die Feldstärke werden in eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom umgewandelt, die beziehungsweise der proportional zum Primärstrom ist.

Die ersten Strommesswandler arbeiteten nach dem Funktionsprinzip des Open-Loop-Hall-Effekts. Ein solches System besteht aus drei Komponenten – einem Magnetkreis, einer Hall-Zelle und einem Verstärker. Der Wandler gibt eine Spannung aus, die proportional zum Primärstrom ist.

Der nächste Entwicklungsschritt in der Transducer-Technologie war der 
Closed-Loop-Hall-Effekt (Bild 1). Dieses Prinzip greift das Konzept der offenen Messschleife auf und erweitert es um eine zweite Wicklung für den Ausgang. Diese Sekundärwicklung ist so um den Magnetkreis herum angeordnet, dass der Sekundärstrom ein Magnetfeld erzeugt, dessen Polarität der Polarität des vom Primärstrom erzeugten Feldes entgegengesetzt ist. Diese Technik reduziert den magnetischen Fluss im Magnetkern. Vorteile einer solchen geschlossenen Regelschleife sind eine fast vollständige Vermeidung von Wirbelströmen und eine höhere Bandbreite.

Das Ausgangssignal lässt sich als Stromquelle modellieren, dessen Strom proportional zum Primärstrom ist, und dessen Verhältnis gegenüber dem Primärstrom durch die Anzahl der Windungen im Sekundärkreis bestimmt wird. Weil das Verstärkungsverhältnis durch die Anzahl der Sekundärwicklungen definiert wird, ist diese Anordnung in der Praxis unempfindlich gegenüber einer temperaturbedingten Verstärkungsdrift.

Hall-Effekt und Fluxgate

Das Datenblatt eines Messwandlers mit geschlossener Regelschleife enthält keine Angaben über Einflüsse der Temperatur auf die charakteristische Verstärkung. Bei einer Anordnung mit geschlossener Regelschleife beeinflusst die Temperatur das Verstärkungsverhältnis nicht. Der Stromausgang ist vorteilhaft, da dieser gegenüber Störquellen in der Anwendung weniger empfindlich ist. In der Regel fließt der Ausgangsstrom über einen Lastwiderstand, der einen Spannungsabfall erzeugt, den man mit Hilfe eines A/D-Wandlers oder eines Komparator-ICs messen kann.

Eine andere Transducer-Technologie ist der Closed-Loop-Fluxgate-Messwandler (Bild 2), der anstelle der Hall-Zelle einen Fluxgate-Detektor nutzt. Dieser besteht aus einem Stück magnetischem Material, das im Luftspalt des Magnetkreises angeordnet ist. Um den Fluxgate-Kern herum ist eine Wicklung angeordnet, die mit einer Rechteckspannung stimuliert wird. Der dadurch induzierte Strom wird gemessen, und sobald er einen bestimmten Schwellwert überschreitet, verändert sich der Zyklus der Rechteckspannung. Das Tastverhältnis der Rechteckspannung ist dabei proportional zum Primärstrom. Die Fluxgate-Technik arbeitet digital und nutzt einen internen Taktgenerator, der Störungen bei der Taktfrequenz verursachen kann. Allerdings liegt diese Störung weit oberhalb der Bandbreite des Messwandlers.

Damit besteht das Gesamtsystem aus dem Magnetkreis, dem Fluxgate mit Wicklung, einem ASIC sowie einer Sekundärwicklung. Der Lastwiderstand kann Teil des Messsystems sein, sodass dieses dann eine Ausgangsspannung liefert; andernfalls würde ein Ausgangsstrom erzeugt werden. Es gibt noch andere Fluxgate-Technologien, die unterschiedliche Anregungs- und Messkonzepte nutzen, insgesamt aber sind die Ergebnisse dabei ähnlich.

Messwandler mit geschlossener Regelschleife sind für die Messung eines Gleichstroms ausgelegt, der kleiner gleich dem im Datenblatt spezifizierten Nennstrom ist. Der zu messende Strom wird als Primärstrom bezeichnet. Den Ausgangsstrom aus dem Sekundäranschluss des Transducers bezeichnet man als Sekundärstrom. Messwandler mit geschlossener Regelschleife können Ströme messen, die höher als der Nennstrom (der Messbereich) sind, diese höheren Ströme aber lassen sich nur während einer kurzen Zeit (Milli- oder Mikrosekunden) messen. Da Transducer mit geschlossener Regelschleife als Stromquelle arbeiten, sind sie um einiges störempfindlicher als ihre Open-Loop-Pendants.

Einfluss von Messfehlern

Der Zweck eines Strommesswandlers ist die Messung von Strömen. Welche Störgrößen spielen dabei eine Rolle? Messwandler sind keine idealen Komponenten, und bieten damit eine endliche Genauigkeit. Erstaunlicherweise bestimmt ein mechanischer Kennwert den Verstärkungsfaktor: Dieser hängt davon ab, wie genau die Sekundärwicklung durch die Wickelmaschine gewickelt wurde. Der Offset hängt vom Restmagnetismus des Magnetkreises ab. Wie bereits oben erwähnt, beeinflusst die Temperatur das Verstärkungsverhältnis nicht, sehr wohl aber den Offset. Die temperaturbedingte Offset-Drift kann die Anwendung beeinträchtigen (zum Beispiel als Drehmoment-Welligkeit). Hier kann das Fluxgate seine Vorzüge ausspielen: Fluxgate-Messwandler besitzen einen geringeren Anfangs-Offset und eine niedrigere Offset-Drift über die Temperatur als Geräte auf Hall-Effekt-Basis.

Eine entscheidende Herausforderung bei allen Messgeräten ist die, wie viele Größenordnungen sie messen können. Die Antwort darauf ist abhängig von der Genauigkeit. Eine Messung muss ein gewisses Maß an Genauigkeit an dem zu messenden Punkt des Messbereichs bieten, um einen vertrauenswürdigen numerischen Wert als Messergebnis zu liefern. Ein Verhältnis von 4:1 an einem solchen Punkt sollte das Minimum sein (10:1 ist besser). Ein 100-A-Transducer mit einer Genauigkeit von 1% könnte einen Wert von 1 A genau messen, aber was bedeutet das? Hier kommen die Begriffe »Messwert« und »Skalenendwert« ins Spiel. Der Verstärkungsfaktor ist immer ein Prozentsatz des Messwerts, also des tatsächlichen Werts des Primärstroms. Die Linearität ist ein Prozentsatz vom Skalenendwert und bezieht sich auf den Nennstrom des Messwandlers. Der Offset ist ebenfalls ein Prozentsatz des Skalenendwerts.

Diese drei Fehlerwerte kann man typischerweise nicht aufaddieren. Dies würde zu einem unrealistisch großen potenziellen Fehlerbereich führen. Die Fehler werden meist einzelnen quadriert, dann aufsummiert, und anschließend zieht man die Wurzel aus dem Ergebnis (Pythagoreische Addition). Ein Messwandler mit einem Verstärkungsfaktorfehler von 1%, einem Linearitätsfehler von 0,5% und einem Offset-Fehler von 0,2% hat demnach eine Genauigkeit von 1,14%. Die Fehlerunsicherheit bei Verstärkern variiert mit der Größe des Primärstroms, weil der Verstärkungsfaktor in Bezug auf den tatsächlich gemessenen Ampere-Betrag ermittelt wird. Ein 100-A-Messwandler mit der oben genannten Genauigkeit würde bei der Messung eines Stroms von 1 A eine Messunsicherheit von 0,55 A haben, was besser als ein Verhältnis von 10:1 wäre. Der Fehlerbetrag von 0,55 A ist aber in Bezug auf 1 A schlechter als 2:1 und kann wohl kaum als eine zuverlässige Messung gelten.

Genau darin besteht also die Herausforderung der Größenordnung. Die meisten Transducer können Messungen unterhalb ihres nominellen Skalenendwertes mit einem Fehlbetrag ausführen, der im Bereich einer Größenordnung liegt. Zwei Größenordnungen sind bereits äußerst anspruchsvoll. Einige der besseren Closed-Loop-Messwandler kommen in die Nähe eines Verhältnisses von 4:1 zwischen Messunsicherheit und aktuellem Messwert bei zwei Größenordnungen in Bezug auf den Skalenendwert. Dies gilt umso mehr, wenn der anfängliche Offset beim Einschalten auf null heruntergeregelt und die temperaturbedingte Offset-Drift minimiert wird (Fluxgate). Dabei sollte man nicht vergessen, dass die Messgenauigkeit nicht beim Messwandler endet. Die Genauigkeit und die Temperaturdrift des Lastwiderstands (1% oder 0,1%) sollte man hier genauso berücksichtigen wie die des A/D-Wandlers. Eine Überprüfung des Systems anhand eines Oszilloskop-Tastkopfs mit Spaltkern und offener Regelschleife und einer Genauigkeit von 2% kann keine brauchbaren Vergleichswerte bei einem Transducer mit einer Genauigkeit von 0,5% liefern.

Die Datenblätter eines Messwandlers spezifizieren Nennwerte für Strom, Temperatur und Bandbreite. Dabei kann man die drei Parameter nicht gleichzeitig jeweils bis an ihre Grenzen ausreizen. Die internen Verstärker des Transducers haben ebenfalls ihre Grenzen. Spannungsabfälle und damit verbundene Verluste fallen beim Verstärker, der Sekundärwicklung und dem Lastwiderstand an. Ein kleinerer Lastwiderstand bedeutet mehr Verlustleistung beim Verstärker und erhöht damit dessen Betriebstemperatur. Ein zu großer Lastwiderstand beschneidet den Messbereich. Hohe Umgebungstemperaturen zusammen mit hohen Messströmen und einem kleinen Lastwiderstand führen zu einer größeren Verlustleistung im Verstärker des Messwandlers. Diese Faktoren muss man also schon während der Entwicklung berücksichtigen.

Um diese Wechselbeziehungen zwischen den drei Variablen zu quantifizieren, gibt es meist Derating-Kurven. Transducer mit geschlossener Regelschleife können den Magnetfluss im Kern nicht perfekt kompensieren. Mit zunehmender Amplitude und Frequenz nimmt auch der nicht kompensierte Magnetfluss im Kern zu. Dies führt zu Wirbelströmen, was den Magnetkern erwärmt und die Notwendigkeit einer Überdimensionierung erklärt.

Derating und Messöffnung

Wie der Primärleiter innerhalb der Messöffnung des Messwandlers angeordnet ist, beeinflusst ebenfalls die Genauigkeit. Zentriert man den Leiter oder wählt man die Größe des Messwandlers beziehungsweise die des Primärleiters so, dass die Messöffnung möglichst weitgehend ausgefüllt wird, so verbessert dies die Genauigkeit. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Platzierung des Primärleiters am Rand der Messöffnung bei höheren Strömen je nach Wandlerhersteller zu einer lokalen Sättigung führen kann. Nicht alle Magnetkerne sind gleich konstruiert. Manche Hersteller nutzen technisch überzüchtete Magnetkerne, andere legen die Kerne ohne Reserve für Fehler genau für einen bestimmten Strom aus.

Alle Hersteller liefern Datenblätter für ihre aktuellen Messwandler-Produkte – es gibt aber keinen »Standard« für Datenblätter. Es gibt Ähnlichkeiten, aber auch viele Unterschiede. Manche Datenblätter geben den Messbereich an, jedoch keinen Nennwert. Ein Dauerbetrieb am durch den Messbereich definierten Maximalwert kann sich negativ auswirken. Die Genauigkeit kann bei einem Hersteller aus einer Kombination von Verstärkungs-, Linearitäts- und Offset-Fehlern bestehen, und bei einem anderen lediglich als Verstärkungsfehler spezifiziert sein. Manche Hersteller verwenden in ihrer Fertigung knappere Wicklungstoleranzen als andere: hier ±3 Wicklungen, dort ±10 Wicklungen. Dies führt zu unterschiedlichen Fehlern beim Verstärkungsverhältnis. Auch die Bandbreite kann am ±-1dB- oder am ±3-dB-Punkt spezifiziert werden.

Über den Autor:

Erik Lange ist Marketing- und Applikationsingenieur bei LEM.