Strom Messverstärker

Die Messung von Strömen im Leistungsbereich ist in der Elektrotechnik eine fast täglich Aufgabe. In den meisten Fällen wird ein Digitalmultimeter in den Stromkreis eingeschleift, das den Strom direkt als Zahlenwert abliefert.
Etwas anspruchsvoller wird die Aufgabe, wenn man den zeitlichen Verlauf von zwei Strömen mit unterschiedlichen Bezugspotentialen auf dem Oszilloskop darstellen möchte.

Und das Ganze bitte noch recht breitbandig, also von Gleichstrom bis in den 10 kHz Bereich.
Stromzangen, die für diese Aufgabe in Frage kommen, also solche mit Oszilloskop-Ausgang, sind sehr teuer und oftmals nicht mehrfach verfügbar.

Der hier vorgestellte Strommessverstärker benutzt zur Erfassung der Ströme aktive Hall-Effekt Stromwandler mit galvanischer Trennung. Der gemessene Strom wird in eine proportionale Spannung umgesetzt.
Um den Strommessverstärker in die Stromkreise einzuschleifen, müssen diese allerdings, wie mit einem Digitalmultimeter, aufgetrennt werden.

Stromwandler:

HY 10-P

Isolation:

2500 V Prüfspannung des Wandlers

Sichere Trennung:

500 V Bemessungsspannung des Wandlers

Ausgangssignal:

0,5 V/A entspricht 2 A/V

Messbereich:

±20 As

max. Messdauerstrom:

10 Aeff (pro Kanal)

max. Ausgangsspannung:

±10 V (entspricht ±20 A)

Frequenzbereiche:

DC bis 20 KHz

Versorgungsspannung:

±15 V stabilisiert

Anwendungsbeispiele:

1. Messung des zeitlichen Verlaufs des Versorgungsstroms einer Audioendstufe:
Ein Audio-Endverstärker wird von seinem Netzteil mit einer Spannung von ±50 V versorgt.
Wie sehen diese Versorgungsströme aus, wenn man den Verstärker mit einem 30 Hz Sinussignal auf Nennleistung betreibt? Die Ausgangsspannung beträgt ±40 V, also 28,3 Veff an einer ohmschen Last von 4 Ohm. Der Laststrom wird ±10 A betragen. Mit diesem Strommessverstärker kann man gleichzeitig den zeitlichen Verlauf beider Versorgungsströme auf dem Oszilloskop darstellen.

2. Messung des Einschaltstromes eines Netzteils:
Ein etwas größerer Ringkerntransformator, der im Spannungsnulldurchgang des Netzes eingeschaltet wird, zieht aufgrund der Sättigungseigenschaften seines Magnetkerns einen sehr hohen Einschaltstrom. Mit diesem Strommessverstärker kann man den zeitlichen Verlauf dieses Einschaltstromes auf dem Oszilloskop zeitlich darstellen.

3. Messung des Einschaltstromes eines Elektromagneten:
Ein Elektromagnet wird über eine Einweggleichrichtung mit Freilaufdiode an der Netzspannung betrieben. Mit diesem Strommessverstärker kann man den zeitlichen Verlauf des Netzstroms und gleichzeitig des Spulenstroms auf dem Oszilloskop darstellen. Interessante Kurvenverläufe ergeben sich beim Einschalten, im statischen Betrieb und beim Ausschalten.
 

Aufbau:
Die Schaltung besteht aus dem Strom/Spannungsumsetzer
HY 10-P der Fa. LEM und einem einstufigen Verstärker, dessen Verstärkung von 1,25 die Übertragungsfunktion von 0,5 V/A bildet.
Als Operationsverstärker wird hier der einfache und schnelle Typ LF356 verwendet.
Die Schaltung kann sowohl positive als auch negative Ströme messen.

Das ganze Gerät wird aus Gründen der Schutzisolierung in ein kleines Kunststoffgehäuse gebaut. Hierbei ist es wichtig, dass die beiden Primärkreise (Strommesspfade) voneinander und von der Elektronik räumlich gut getrennt werden.

Stromversorgung:
Die Versorgungsspannung von ±15 V kommt von einem externen, geregelten Netzteil. Sie gelangt über eine 6-polige Mini-DIN-Buchse in die Schaltung wo sie zunächst einmal gut gesiebt wird. Die Stromaufnahme des gesamten Verstärkers liegt bei 20 mA.

Sensor:
Als Strom/Spannungsumsetzer wird der Typ HP 10-P der Fa. LEM verwendet. Er arbeitet nach dem Halleffekt-Messprinzip, bietet eine sichere galvanische Trennung zwischen Strompfad und Elektronik (bezogen auf eine Bemessungsspannung von 500 V), eine gute Messgenauigkeit und eine hohe Bandbreite. Er besitzt eine (für seinen Messbereich) kleine Baugröße und ist auf einer Leiterplatte montierbar.
 

Es ist zu beachten, dass dieser Wandler einen magnetischen Kreis mit Eisenkern besitzt und somit eine Hysterese aufweist. Das bedeutet: Wenn man einen positiven Strom misst und diesen ausschaltet, bleibt eine kleine positive Ausgangsspannung zurück. Misst man danach einen negativen Strom und schaltet diesen ab, bleibt eine kleine negative Ausgangsspannung zurück.

Funktion:
Der zu messende Strom gelangt über die beiden Bananenbuchsen auf den Strom/Spannungsumsetzer.
Dessen Ausgangssignal wird von einem einstufigen Verstärker verstärkt und für die Weiterleitung zu einem Oszilloskop aufbereitet. Mit einem Trimmer-Poti kann die Offsetspannung des Wandlers unterdrückt werden.

Offset-Abgleich:
Vor dem Offset-Abgleich wäre es gut, den Restmagnetismus aus dem Eisenkreis des Wandlers herauszubringen. Dazu kann man einen Wechselstrom von einigen Ampere aus einem Regeltransformator benutzen, den man langsam bis auf Null herunterdreht.
Jetzt werden die Strompfade geöffnet (Bananenstecker abziehen) und die Ausgangsspannung für jeden Kanal auf 0 mV abgeglichen.

Tipps:
Ein Kunststoffgehäuse ist zur Schutzisolierung der Primärkreise dringend erforderlich. Die Leiterplatte sollte nicht in der Nähe der Primärkreise mit nach außen führenden Metallschrauben befestigt werden.
Auf den Primärkreisen können bei Messungen am Netz gefährliche Spannungen anliegen.
Eine Abschirmung des Gehäuses ist nicht notwendig.


Die Mini-Din-Buchse zum Anschluss der Versorgungsspannung kann mit Heißkleber im Gehäuse befestigt werden. Für Anwendungen im Zimmertemperaturbereich ist das eine einfache und stabile Lösung.

Die Buchsen für die Ausgangsspannung habe ich seinerzeit als Chinch-Buchsen ausgeführt.
Heute würde ich BNC-Buchsen verwenden, die sind einfach solider.
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