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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Weitbereichs-Strommessung ohne Umschaltungen

Die Messung von Strömen, insbesondere die von Gleichstrom, erfolgt meist durch das Einfügen eines Shuntwiderstands in den Laststromkreis und die Erfassung der am Widerstand abfallenden Spannung. Dieses Verfahren ist leicht anwendbar, weist aber prinzipbedingt eine begrenzte Messdynamik auf. Im Beitrag wird eine alternative Messmethode vorgestellt.

Bild 1 Gebräuchliche Strommessung mit Shuntwiderstand (Quelle: M. Franke)

Bild 2 Gebräuchliche Strommessung mit Shuntwiderstand (Quelle: M. Franke)

Die etablierte Shunt-basierte Technik ist in Bild 1 skizziert. In Handheld-Multimetern wird häufig ein A/D-Wandler mit 0...±200 mV Messbereich eingesetzt, sodass ein Shuntwiderstand RSh von 10 mΩ die Erfassung von Strömen bis zu ±20 A gestattet. Die dann an RSh umgesetzte Verlustleistung von 4 W legt eine Begrenzung der zulässigen Messdauer nahe. Ein Spannungsabfall von 200 mV führt in Stromkreisen mit geringer Quellenspannung UDC außerdem zu einer nicht mehr vernachlässigbaren Verfälschung des Stromes IDC. Wenn dieser Strom hingegen klein ist, z. B. 1 mA, wird das Nutzsignal Umess ebenfalls sehr klein. An RSh = 10 mΩ fallen dann nur noch 10 µV ab. Die unvermeidlich auftretenden Fehlerquellen (Rauschen, Eingangsoffset und -drift, thermoelektrische Spannungen), hier als Ustör zusammengefasst, liegen in Reihe zu Umess und verfälschen das Ergebnis umso mehr, je kleiner IDC ist. Aus diesen Gründen wird RSh zum Zweck der Bereichswahl meist umschaltbar ausgeführt. Bei einem Multimeter führt dies zu der lästigen Notwendigkeit, die Messleitungen zwischen den Buchsen „Ampere“ und „µA, mA“ umstecken und hierzu den Stromkreis vorübergehend auftrennen zu müssen. Für automatisierte Messungen hochdynamischer Vorgänge, mit schnellen und großen Variationen der Stromstärke, etwa in wissenschaftlichen oder industriellen Testvorrichtungen, ist jede Umschaltung von RSh mit zeitlichen Lücken sowie einer unerwünschten Rückwirkung auf den Laststromkreis verbunden. Hinzu kommt noch der Verschleiß an Steckverbindungen oder Relaiskontakten.

Einsatz der Stromweiche

Die geschilderten Nachteile lassen sich umgehen, wenn der in Bild 1 farbig markierte Maschenstromkreis aufgetrennt und RSh entfernt wird. Stattdessen durchfließt der gesamte Strom die Messvorrichtung, wird zur Eliminierung von Offsetfehlern vorübergehend in einen rechteckförmigen Wechselstrom zerhackt und anschließend wieder zu seiner Ursprungsform zusammengeführt. Dies erfolgt durch die in Bild 2 dargestellte Stromweiche. Die MOSFETs T1, T2 schalten abwechselnd ein und aus, wobei die ein-Phasen lückenlos aufeinander folgen oder sogar leicht überlappen, damit der Strom IDC zu keinem Zeitpunkt unterbrochen wird. Es erfolgt also praktisch keine Beeinflussung des Laststromkreises. Der Einfügewiderstand der Stromweiche ist, im Gegensatz zu RSh in Bild 1, für das Funktionieren nicht notwendig und kann durch den Einsatz geeigneter MOSFETs sehr niedrige Werte bis unter 1 mΩ annehmen. Infolge der periodischen Umleitung von IDC entsteht ein rechteckförmig moduliertes AC-Magnetfeld, in Bild 2 durch die Feldlinien M1, M2 dargestellt. Sein Gleichrichtwert ist proportional zu IDC. Es wird durch den Sensor S, beispielsweise ein Hall-Element, erfasst. Die digitale Signalauswertung erfolgt phasensynchron zum Umschalten von T1, T2, wodurch die Stromflussrichtung erkannt, Nullpunktfehler eliminiert und das Rauschen unterdrückt werden. Um die sehr hohe mögliche Messdynamik verarbeiten zu können, bietet sich das Nachschalten mehrerer Verstärkerstufen an. Deren rechteckförmige Ausgangssignale werden von einigen 12-bit-A/D-Wandlern simultan aufgenommen. Je nach Stromstärke IDC und der dazu proportionalen Intensität des Wechselmagnetfeldes liefern einzelne Kanäle vielleicht unpraktisch kleine Signale, während weiter hinten liegende Kanäle eventuell schon übersteuert sind. Die Software wählt stets ein Signal mit gut auswertbarer Amplitude aus und errechnet daraus und aus der Kanalnummer den zu messenden Strom IDC. Die Ansteuerung von T1, T2 kann galvanisch getrennt von der Signalauswertung erfolgen. Das Potential der Stromweiche floatet dann, und es werden Messungen in Hochvolt-Stromkreisen möglich, ohne Probleme mit der Benutzersicherheit oder mit der begrenzten Gleichtakt-Eingangsspannung üblicher Messverstärker zu bekommen, wie es bei der Shunt-Methode gemäß Bild 1 der Fall wäre.

Autor: M. Franke

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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