Eigenschaften von Stromwandlern mit geschlossenem Regelkreis

Ein richtig ausgewählter Stromwandler für eine Anwendung kann problemlos eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren bieten. Durch die Kenntnis der Details hinter dem Datenblatt sind leistungsfähigere Anwendungen und robustere Designs möglich.

Erik Lange, Marketing- und Anwendungsingenieur | LEM USA, Inc

Die Strommessung ist ein integraler Bestandteil der Leistungselektronik. Für diese Messung stehen Stromwandler mit unterschiedlichen Technologien zur Verfügung. Die am häufigsten verwendete Technologie ist der Closed-Loop-Hall-Effekt oder Closed-Loop-Flux-Gate. Die Closed-Loop-Technologie bietet viele spezifische Vorteile, die Entwickler von Leistungselektronik benötigen. Es gibt jedoch einige Details, die oft nicht bekannt sind und die eine Anwendung außergewöhnlich machen oder zum Scheitern führen können. Im Folgenden sind einige der Merkmale aufgeführt, die berücksichtigt werden sollten.

Stromwandler sind passive Geräte in dem Sinne, dass sie den gemessenen Strom nicht aktiv beeinflussen, für ihren Betrieb jedoch Strom benötigen. Der typische Versorgungsbedarf liegt unabhängig von der Versorgungsspannung im Bereich unter 30 mA. Die meisten Wandler benötigen eine bipolare Versorgung (+/-15 V typisch). Es werden immer mehr unipolare Versorgungswandler verfügbar. Closed-Loop-Geräte haben zusätzliche Anforderungen an die Stromaufnahme ihrer Sekundärströme.

Stromwandler (nicht zu verwechseln mit Stromwandlern) können Gleich- und Wechselströme messen. Für die Gleichstrommessung sind Stromwandler erforderlich. Dies ist eine der beiden Eigenschaften, die Wandler von anderen Formen der Strommessung unterscheiden. Ein reiner Wechselstrom könnte mit einem herkömmlichen Stromwandler gemessen werden. Wenn der zu messende Strom jedoch Zeiträume ohne di/dt aufweist, ist ein Stromwandler erforderlich.

Die galvanische Trennung ist das zweite Merkmal, das die Auswahl eines Stromwandlers als Lösung für eine Strommessanwendung bestimmt. Der Primärkreis und der Sekundärkreis des Stromwandlers sind galvanisch voneinander isoliert. Dies ermöglicht ein hohes Primärpotential (480 V), während die Sekundärspannung eine niedrigere Steuerspannung (+/-15 V oder +5 V) aufweist. Die galvanische Trennung wird durch Magnetik erreicht. Der Primärstrom erzeugt ein Magnetfeld, das durch einen Magnetkreis konzentriert wird. Ein magnetisches Messgerät misst das B-Feld und gibt die Intensität in irgendeiner Form (Spannung oder Schwellenstrom) aus. Die Intensitätsinformationen werden in einen Spannungs- oder Stromausgang umgewandelt, der proportional zum Primärstrom ist.

Der ursprünglich entwickelte Stromwandler ist der Open-Loop-Hall-Effekt. Dieser Wandler besteht aus drei Teilen: einem Magnetkreis, einer Hall-Zelle und einem Verstärker. Der Ausgang ist eine Spannung proportional zum Primärstrom.

Der nächste Fortschritt in der Wandlertechnologie ist der Closed-Loop-Hall-Effekt. Der Closed Loop übernimmt das Open-Loop-Konzept und fügt dem Ausgang eine Sekundärwicklung hinzu. Diese Sekundärwicklung ist so um den Magnetkreis gewickelt, dass der Sekundärstrom ein Magnetfeld erzeugt, das dem vom Primärstrom erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Dadurch entsteht ein relativ flussmittelfreier Kern. Die Vorteile des Closed Loop sind praktisch keine Wirbelströme und eine höhere Bandbreite. Der Ausgang kann als Stromquelle modelliert werden, deren Strom proportional zum Primärstrom ist und dessen Verhältnis durch die Anzahl der Sekundärwicklungen bestimmt wird. Die Tatsache, dass die Verstärkung durch die Anzahl der Sekundärwicklungen bestimmt wird, macht es praktisch immun gegenüber Verstärkungsänderungen im Zusammenhang mit der Temperatur. Ein Datenblatt eines Closed-Loop-Wandlers weist nicht auf einen Temperatureffekt auf die Verstärkungscharakteristik hin. In einem Closed-Loop-Gerät gibt es keine Auswirkung auf die Temperaturverstärkung. Der Stromausgang ist von Vorteil, da er weniger anfällig für Rauschquellen innerhalb der Anwendung ist. Der Ausgangsstrom eines geschlossenen Regelkreises wird typischerweise durch einen „Bürden“-Widerstand gesteuert. Der durch den Widerstand fließende Strom erzeugt einen Spannungsabfall, der von einem Analog-Digital-IC oder Komparator-IC gemessen werden kann.

Abb. 1. Geschlossener Kreislauf

Das Closed-Loop-Flux-Gate ersetzt die Hall-Zelle durch einen Flux-Gate-Detektor. Das Flux Gate ist ein Stück magnetisches Material, das in eine Lücke im Magnetkreis eingesetzt wird. Der Flux-Gate-Kern ist von einer Wicklung umgeben, die durch eine Rechteckspannung angeregt wird. Der induzierte Strom wird gemessen und wenn er einen bestimmten Schwellenwert erreicht, ändert sich der Rechteckwellenzyklus. Das Tastverhältnis der Rechteckwelle ist proportional zum Primärstrom. Die Flux-Gate-Technologie ist digitaler Natur und verfügt über eine interne Uhr, die sich bei der Taktfrequenz als Rauschen bemerkbar machen kann. Allerdings liegt das Rauschen deutlich über der Bandbreite des Wandlers. Somit besteht das Gesamtsystem aus: Magnetkreis, Flux Gate und Wicklung, einem ASIC und einer Sekundärwicklung. Der Bürdenwiderstand kann sich im Gerät befinden und dann einen Spannungsausgang liefern. Andernfalls würde ein Stromausgang erzeugt werden. Es gibt andere Flux-Gate-Technologien, die andere Anregungs- und Detektionsschemata verwenden, aber die Gesamtergebnisse sind ähnlich.

Abb. 2. Flux Gate

Closed-Loop-Wandler sind für die Messung eines Dauerstroms ausgelegt, der gleich oder kleiner als der im Datenblatt angegebene Nennstrom ist. Der gemessene Strom wird typischerweise als Primärstrom bezeichnet. Der Ausgangsstrom vom Sekundäranschluss des Wandlers wird als Sekundärstrom bezeichnet. Closed-Loop-Wandler können höhere Ströme als den Nennwert (den Messbereich) messen, diese höheren Ströme können jedoch nur für einen kurzen Zeitraum (Sekunden, ms oder μs) gemessen werden.

Die Vorteile eines Closed-Loop-Stromwandlers ähneln denen einer Stromquelle, einschließlich höherer Störfestigkeit und höherer Genauigkeit.

Der Zweck des Stromwandlers besteht darin, den Strom zu messen. Aber wie groß ist die Unsicherheit? Dies sind keine idealen Geräte und ihnen ist ein Genauigkeitswert zugeordnet. Seltsamerweise wird die Verstärkung durch eine mechanische Eigenschaft definiert: wie genau die Sekundärspule von der Wickelmaschine gewickelt wird. Die Linearität wird durch die Materialeigenschaften des Magnetkreises definiert. Der Offset ist eine Funktion des Restmagnetismus des Magnetkreises. Der Gewinn wird, wie bereits erwähnt, nicht von der Temperatur beeinflusst. Der Offset wird jedoch von der Temperatur beeinflusst. Die Offsetdrift über die Temperatur wirkt sich auf die Anwendung aus (z. B. Drehmomentwelligkeit). Dies ist der Vorteil des Flux Gate. Flux-Gate-Wandler haben einen geringeren Anfangsoffset und eine geringere Offsetdrift über der Temperatur als Geräte auf Hall-Effekt-Basis.

Eine wesentliche Herausforderung bei allen Messgeräten besteht darin, wie viele Größenordnungen gemessen werden können. Dies ist eine Funktion der Genauigkeit. Das Vertrauen in eine Messung erfordert ein gewisses Maß an Genauigkeit am gemessenen Punkt, um sich auf die Zahl verlassen zu können. Ein Verhältnis von 4:1 an einem Punkt sollte mindestens sein (10:1 ist besser). Ein 100-A-Gerät mit einer Genauigkeit von 1 % misst möglicherweise 1 A genau, aber woher weiß man das? Hier kommen „Lesen“ und „Bewerten“ ins Spiel. Die Verstärkung ist immer ein Prozentsatz des Messwerts, des tatsächlichen Werts des Primärstroms. Die Linearität ist ein Prozentsatz des Nennstroms im Verhältnis zum Nennnennstrom des Wandlers. Der Offset ist ebenfalls ein Prozentsatz der Bewertung. Diese drei Fehler werden normalerweise nicht hinzugefügt. Dies würde zu einem potenziellen Fehlerbudget führen, das unrealistisch wäre. Die Fehler werden in der Regel einzeln quadriert, addiert und die Quadratwurzel gezogen. Ein Wandler mit einem Verstärkungsfehler von 1 %, einem Linearitätsfehler von 0,5 % und einem Offsetfehler von 0,2 % hat eine Genauigkeit von 1,14 %. Die tatsächliche Unsicherheit in Ampere variiert mit der Größe des Primärstroms, da die Verstärkung im Verhältnis zu den tatsächlich abgelesenen Amperewerten interpretiert wird. Ein 100-A-Wandler mit der gerade oben genannten Genauigkeit, der 10 A anzeigt, hätte eine Unsicherheit von 0,55 A, besser als 10:1. Ein 100-A-Wandlermesswert von 1 A mit den oben gezeigten Genauigkeiten hätte eine Unsicherheit von 0,54 A. Die 0,54 A sind schlechter als 2:1 bei der Messung von 1 A und wären keine zuverlässige Messung.

Das ist die Größenordnung der Herausforderung. Die meisten Wandler verarbeiten Messungen unterhalb ihres Nennwerts bis zu einer Größenordnung. Zwei Größenordnungen sind eine ernsthafte Herausforderung. Einige der besseren Closed-Loop-Wandler erreichen in zwei Größenordnungen nahezu 4:1. Dies gilt umso mehr, wenn der anfängliche Offset beim Einschalten auf Null gesetzt wird und die Offsetdrift über die Temperatur minimiert wird (Flux Gate). Bitte beachten Sie, dass die Messgenauigkeit nicht beim Aufnehmer endet. Die Genauigkeit und Drift des Bürdenwiderstands spielen eine Rolle (1 % gegenüber 0,1 %) und auch die Genauigkeit des A/D-Wandlers. Die Überprüfung des Systems mit einem 2 % genauen Splitcore-Open-Loop-Oszilloskoptastkopf liefert keine gültigen Vergleiche mit einem 0,5 % genauen Stromwandler.

Auf dem jeweiligen Datenblatt der Wandler sind Strom-, Temperatur- und Bandbreitenwerte angegeben. Alle drei können nicht gleichzeitig bis zum Limit ausgeübt werden. Den internen Verstärkern des Wandlers sind Grenzen gesetzt. Die Spannung fällt ab und daher wird die Leistung zwischen dem Verstärker, der Sekundärwicklung und dem Bürdenwiderstand aufgeteilt. Ein kleinerer Bürdenwiderstand leitet mehr Leistung an den Verstärker, was zu höheren Verstärkertemperaturen führt. Eine zu große Last führt zu Clipping. Hohe Umgebungstemperaturen in Kombination mit hohen Messströmen und einer geringeren Bürde führen zu einer höheren Verlustleistung im Wandlerverstärker. Diese Faktoren müssen bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Zur Quantifizierung der Wechselwirkung zwischen diesen drei Variablen stehen üblicherweise Derating-Diagramme zur Verfügung. Closed-Loop-Wandler kompensieren den Fluss im Kern nicht perfekt. Mit zunehmender Amplitude und Frequenz gibt es mehr unkompensierten Fluss im Kern. Dies führt zu Wirbelströmen und einer Kernerwärmung. Daher ist eine Leistungsreduzierung erforderlich.

Die Platzierung des Primärleiters innerhalb der Öffnung des Wandlers hat Auswirkungen auf die Genauigkeit. Das Zentrieren des Leiters und die Dimensionierung des Wandlers oder Leiters so, dass er die Öffnung so weit wie möglich ausfüllt, verbessert die Genauigkeit. Bitte beachten Sie, dass die Platzierung des Primärleiters am Rand der Öffnung je nach Wandlerhersteller bei höheren Strömen zu einer lokalen Sättigung führen kann. Nicht alle Magnetkerne sind gleich. Einige Hersteller überarbeiten ihre Kerne und manche entwerfen sie exakt auf den Strom, ohne dass dabei Spielraum für Fehler besteht.

Alle Hersteller stellen Datenblätter für ihre aktuellen Wandlerprodukte zur Verfügung. Es gibt jedoch kein Datenblatt „Standard“. Es gibt Gemeinsamkeiten und viele Unterschiede. In einigen Datenblättern ist der Messbereich angegeben, jedoch kein Nennwert. Ein dauerhafter Betrieb an der als Messbereich definierten Maximalgrenze kann negative Folgen haben. Die Genauigkeit kann bei einem Hersteller eine Kombination aus Verstärkung, Linearität und Offsetfehlern sein, bei einem anderen jedoch nur die Verstärkung. Bei manchen wird bei der Herstellung auf eine höhere Wickelgenauigkeit geachtet; +/-3 Windungen, im Vergleich zu anderen, +/-10. Die resultierenden Verstärkungsfehler werden unterschiedlich sein. Die Bandbreite kann im Bereich von +/-1 dB oder +/-3 dB angegeben werden.

Ein richtig ausgewählter Stromwandler für eine Anwendung kann problemlos eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren bieten. Durch die Kenntnis der Details hinter dem Datenblatt sind leistungsfähigere Anwendungen und robustere Designs möglich. Eigenschaften wie Genauigkeit, Temperatureffekte, Leistungsreduzierung und Auswahl des Bürdenwiderstands wirken sich alle auf die Leistung aus. Dies führt dazu, dass ein kompetenter Partner als Wandlerlieferant benötigt wird.

Über LEM LEM ist Marktführer bei der Bereitstellung innovativer und qualitativ hochwertiger Lösungen zur Messung elektrischer Parameter. Seine Kernprodukte – Strom- und Spannungswandler – werden in einem breiten Anwendungsspektrum in den Märkten Industrie, Traktion, Energie und Automobil eingesetzt. Die Strategie von LEM besteht darin, die intrinsischen Stärken seines Kerngeschäfts zu nutzen und Chancen in neuen Märkten mit neuen Anwendungen zu entwickeln. Zusammen mit Produktionsstätten in Genf (Schweiz), Machida (Japan), Peking (China) und unseren regionalen Vertriebsbüros bietet LEM einen nahtlosen weltweiten Service. LEM ist seit 1986 an der SIX Swiss Exchange kotiert. Das Tickersymbol des Unternehmens ist LEHN.

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