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Labormesstechnik:: Kleine Ströme messen

Leistungen größer als etwa 20 W lassen sich mit hinreichender Genauigkeit messen, darunter ergeben sich einige Probleme. Eine ordnungsgemäß durchgeführte Standby- Messung ist weniger trivial als auf den ersten Blick zu vermuten. Neben dem richtigen Messaufbau und der Wahl der richtigen Einstellungen durch den Anwender stellt die Messung durchaus hohe Anforderungen an das Messgerät selbst. Und der Entwickler muss die Arbeitsweise der Messgeräte verstehen.

Seit einigen Jahren werden die Leistungsaufnahmen sowohl im Betriebszustand als auch im Standby optimiert. Standards wie »Energy Star«, Normen wie die IEC 62301 oder auch die EuPRichtlinie (Energy using Products, Richtlinie 2005/32/EG) definieren die maximale Leistungsaufnahme und legen die entsprechenden Messaufbauten fest. Doch beim Messen der Standby-Leistung kann man einiges falsch machen. Prinzipiell lässt sich die Leistungsaufnahme mittels zweier verschiedener Schaltungen ermitteln: Bild 1 zeigt die spannungsrichtige, Bild 2 die stromrichtige Messung. Für hohe Ströme kommt üblicherweise die spannungsrichtige Messung zum Einsatz, weil die Verlustleistung im Strommesskanal mit steigendem Strom quadratisch ansteigt (I² x Ri). Die Verlustleistung durch den Spannungsmesskanal berechnet sich über U²/ Ru.

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Bild 1: Die spannungsrichtige Messung wird bevorzugt, wenn der Strom über Ru sehr klein ist im Verhältnis zum Strom durch den Verbraucher Z (Verlustleistung in Ru: 53 mW)

Bei einer Netzspannung von 230 V ist dieser Wert unabhängig von der Belastung. Üblicherweise weisen Leistungsmessgeräte einen Innenwiderstand Ru im Bereich von 1 MΩ auf. Somit ergibt sich ein Leistungsverlust im Spannungskanal von 53 mW. Im Stromkanal kann die Verlustleistung mehrere Watt betragen; bei einem Ri von beispielsweise 10 mΩ ergibt sich bei 10 A eine Verlustleistung von 1 W. Wie sieht es bei kleinen Strömen und kleinen Leistungen aus? Bei einer Standby-Leistung von beispielsweise 100 mW bedeutet eine Verlustleistung von 53 mW im Spannungskanal einen Fehler von über 50%. Im Falle eines ohmschen Verbrauchers mit 100 mW ergäbe sich bei einem Ri von 50 Ω ein Strom von 0,43 mA und somit eine Verlustleistung im Stromkanal von nur 9,2 μW. Somit empfiehlt sich der stromrichtige Messaufbau (Bild 2). Der Fehler reduziert sich um einen Faktor größer 5000! Dieser systematische Messfehler lässt sich prinzipiell korrigieren.

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Bild 2: Die stromrichtige Messung wird bevorzugt, wenn der Spannungsabfall über Ri sehr gering ist im Verhältnis zum Spannungsabfall über den Verbraucher Z (Verlustleistung in Ri: 9,2 uW)

Der rechnerische Lösungsansatz ist allerdings meist nicht hinreichend, da die genauen Widerstandwerte Ri und Ru in der Regel nicht bekannt sind. Weiterhin ist es weniger fehleranfällig, wenn man »richtige« Werte ablesen kann und diese nicht noch korrigieren muss. Im dargestellten Beispiel entsprechen 9,2 μW des Stromkanals einem Anteil von nur 92 ppm im Verhältnis zur Wirkleistung in Höhe von 100 mW. Der Messfehler des Messgerätes kann somit üblicherweise vernachlässigt werden. Bei der Messung derart niedriger Ströme (0,43 mA) ist es meist nicht sinnvoll, die im Messgerät eingebauten direkten Messbereiche zu verwenden. Der 5-mA-Messbereich eines Messgerätes zum Beispiel würde zu weniger als 10% ausgesteuert, was einen größeren Messfehler zur Folge hätte. Auch der Überlastschutz kann zur Herausforderung werden. Beispielsweise kann der Anlaufstrom eines Kühlschrankkompressors einen Wert von 10 A über mehrere Sekunden erreichen. Diese Stromstärke kann das Messgerät beschädigen. Für diese Anforderungen hat ZES spezielle externe Shunts entwickelt. Bauteile der Serie »SH100-P« decken einen Bereich von 30 μA bis 500 mA ab. Der Vorteil der Shunts besteht in einer internen Schutzbeschaltung, sodass selbst extreme Stromüberlastung möglich ist. Ein 30-μA-Shunt kann beispielsweise mit bis zu 20 A Dauerstrom belastet werden. Teure Überlastschäden am Messgerät werden somit vermieden.

Wahl des Messbereichs

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wahl des Messbereichs. Entweder lässt man das Gerät den Messbereich automatisch wählen (Auto- Range-Modus) oder man selektiert diesen manuell. Beides hat sowohl Vor- als auch Nachteile, je nachdem, was das Ziel der Messung ist. Für ein besseres Verständnis folgen einige Erläuterungen, wie die automatische Messbereichswahl funktioniert: Während einer Messung steigt der Momentanwert des Stroms über den Maximalwert des eingestellten Messbereichs. Dies erkennt das Messgerät, stoppt den Messzyklus und verarbeitet die bisher aufgenommenen Messwerte nicht weiter, da der Stopp des Messzyklus‘ in der Regel nicht mit einem Periodenende zusammenfällt. Das Messgerät wechselt in den nächstgrößeren Messbereich, und das Signal muss neu einschwingen, da sich ja die Verstärkung geändert hat. Dieser Vorgang dauert üblicherweise 50 ms.

Die in diesem Zeitraum aufgenommen Werte werden vom System verworfen, da sie wertlos sind. Es muss sich nun neu synchronisieren, und erst dann kann ein neuer Zyklus gestartet werden. Erst am Ende des Zyklus‘ kommen neue Werte. Sollten die Messbereiche häufiger umgeschaltet werden müssen, wiederholt sich diese Prozedur mehrmals. Es bleibt festzuhalten, dass das Umschalten des Messbereichs zu einer lückenhaften Messung führt. Dies kann sich bei einem gepulsten Strom als kritisch erweisen. Dazu ein Beispiel: Auf einem geringen Nennstrom wiederholen sich alle zwei Sekunden Stromimpulse mit dem 1000-fachen Wert des Nennstroms mit einer Dauer von 20 ms. Im Auto-Range-Modus werden diese Werte nicht erfasst, da das System bei jedem Stromimpuls den Messbereich wechselt. Abhilfe schafft die manuelle Wahl eines entsprechenden Messbereiches, der alle auftretenden Stromstärken abdeckt. Eine etwas andere Situation liegt vor, wenn das Signal für den Messbereich zu klein wird. Wir nehmen eine Zykluszeit von 500 ms an. Nach 40 ms im laufenden Zyklus fällt das Signal auf einen Wert, der ein Umschalten in einen niedrigeren Messbereich rechtfertigen würde. Am Ende des Messzyklus’ kann man anhand der Messwerte aber nur sehen, dass die Spitzenwerte des Signals so groß waren, dass der aktuelle Messbereich der richtige ist. Erst am Ende des nun folgenden Zyklus’ kann das System erkennen, dass der Messbereich heruntergeschaltet werden darf.

Dies geschieht, wie bereits oben beschrieben. Es ergeben sich bis zu zwei Zyklen, in denen das Signal mit schlechter Genauigkeit gemessen wird, gefolgt von einer Lücke in der Messwertaufnahme. Während es bei einem gleichmäßigen Strom egal ist, mit welcher Methode man den Messbereich einstellt, kann es bei gepulsten Strömen und automatischer Messbereichswahl im schlimmsten Fall zu einem völlig unbrauchbaren Messergebnis kommen. Wenn möglich, sollte der Messbereich daher von Hand eingestellt werden. In der Praxis ist eine geringfügig höhere Ungenauigkeit einer lückenden Messwerterfassung meist vorzuziehen. Bei einphasigen Systemen empfiehlt es sich meist, den Strom im Neutralleiter zu messen. Dabei bekommt der Stromkanal des Messgerätes kein Gleichtaktsignal, da er quasi auf Erdpotenzial liegt. Demzufolge kann es auch keine Probleme mit der Gleichtaktunterdrückung geben. Ein Gleichtaktsignal kann, insbesondere bei kostengünstigen Messgeräten, zu Problemen führen, da diese meist eine unzureichende Unterdrückung von nur 60 dB bis 80 dB aufweisen. Bild 3 zeigt das übliche Ersatzschaltbild eines Prüflings. Aus EMV-Gründen beinhaltet das System neben dem Verbraucher Z auch CX- und CY-Kapazitäten gegen Erdpotential (PE), wodurch sich faktisch ein Dreileiter-System ergibt. Die einzige Möglichkeit, alle Ströme im System zu erfassen, ist die Messung von IL in der Phase. Die Messung von IN reicht nicht aus. Somit ist bei Standby-Messungen der übliche Messaufbau mit Messung des Stromes im Neutralleiter nicht zu empfehlen, und man benötigt ein Messgerät mit einer sehr guten Gleichtaktunterdrückung.

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Bild 3: mit einem einphasigen Messgerät muss der Phasenstrom iL gemessen werden, da der Prüfling über drei Leiter angeschlossen ist

Messlücken vermeiden

Gleichwohl ist es natürlich nicht hinreichend, nur den Strom zu messen und die Spannung zu »kennen «. Durch reaktive und nichtlineare Lasten ist es nicht möglich, die Leistung nur auf Basis einer Strommessung zu bestimmen; eine echte (Wirk)Leistungsmessung ist nötig. Wie bereits oben erwähnt, kann eine lückende Messung zu unbrauchbaren Ergebnissen führen, speziell wenn der Strom nicht konstant ist. Diese Art von Lücken entsteht prinzipbedingt bei jedem Messgerät. Es gibt aber auch Lücken, die sich relativ leicht vermeiden lassen. Viele kostengünstige Messgeräte verfügen nur über einfache Prozessoren mit geringer Rechenleistung. Diese Messgeräte sammeln die Messwerte über einige Zyklen und speichern diese, um dann die Messergebnisse zu berechnen.

Während dieser Kalkulationszeit kann das System keine neuen Werte aufnehmen, und es kommt zu einer lückenhaften Messwerterfassung. Dieses Vorgehen entspricht der Arbeitsweise digitaler Oszilloskope. Häufig wird dieses Verfahren auch noch als »nicht lückende Mittelwerte« beworben. Zwar ist eine solche Messung über mehrere Perioden (das ist der Mittelwert) lückenlos, dies bedeutet aber nicht, dass keine Lücken zwischen den Mittelwerten auftreten können. Ein weiterer Grund für lückende Messung kann die Kompensation von DC-Fehlern im Stromkanal sein. Jeder Operationsverstärker verursacht einen DC-Offset, der als Teil des Messwerts interpretiert wird. Das Messgerät muss diesen DC-Offset kompensieren. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten. Das System erzeugt künstlich Lücken in der Messung, trennt in diesen Lücken das Messsignal intern ab und bestimmt den DC-Offset. Mit diesem korrigiert das Gerät dann die Messwerte intern. Dieses Verfahren kommt häufig bei einfachen Messsystemen zur Anwendung. Die bessere Möglichkeit ist, den DCOffset dauerhaft durch Justierung des Gerätes zu kompensieren.