Obwohl es nicht ungewöhnlich ist, Strom mit einem Digitalmultimeter zu messen, erfordert die Messung von Strom, der sich im Laufe der Zeit ändert, die Verwendung eines Oszilloskops. Die meisten Oszilloskope messen nur direkt die Spannung, nicht den Strom. Sie können jedoch den Strom mit einem Oszilloskop messen, indem Sie eine von zwei Methoden anwenden.
- Messen Sie die Spannung, die über einen Shunt-Widerstand abfällt: Einige Stromversorgungskonzepte verfügen über eingebaute Shunt-Widerstände zur Rückkopplung. Eine Technik besteht darin, den differentiellen Spannungsabfall über einem solchen Widerstand zu messen. Im Allgemeinen handelt es sich um Widerstände mit geringem Wert, oft kleiner als 1 Ohm.
- Strommessung mit einem Stromtastkopf: In Verbindung mit den Möglichkeiten eines Oszilloskops zur Spannungsmessung können Strommesszangen eine Vielzahl wichtiger Leistungsmessungen ermöglichen, wie Momentanleistung, Durchschnittsleistung und Phase.
Um sicherzustellen, dass Ihre aktuellen Messungen so genau wie möglich sind, muss die am besten geeignete Technik ausgewählt und korrekt angewendet werden. Beide oben genannten Methoden haben ihre Vor- und Nachteile, auf die wir im Folgenden eingehen werden.
Messung des Stroms als Spannungsabfall über einen Shunt-Widerstand
Wenn ein Strommesswiderstand ("Shunt"-Widerstand) in die DC-Stromversorgung eingebaut ist, stellt dies die bequemste Lösung dar.
Die Messung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand mit einem aktiven Differenzial-Tastkopf liefert gute Ergebnisse, solange das Gleichtaktsignal innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs des Tastkopfs liegt und der Spannungsabfall groß genug ist.
Die Verwendung eines Differential-Tastkopfes für schwache Signale erfordert jedoch eine gewisse Aufmerksamkeit bei der Rauschunterdrückung im Messsystem.
- Verwenden Sie die niedrigste verfügbare Tastkopfdämpfung und begrenzen Sie die Bandbreite des Tastkopfs oder des Oszilloskops, um das Rauschen des Messsystems zu reduzieren.
- Denken Sie auch daran, dass die Kapazität und der Widerstand des Tastkopfes parallel zum Messwiderstand liegen und dass Sie sich bewusst sein sollten, dass sie vorhanden sind, auch wenn sie so konzipiert sind, dass sie die Auswirkungen auf das zu prüfende Gerät minimieren.
Designüberlegungen zur Strommessung mit einem Shunt-Widerstand
Die Einführung eines Messwiderstandes in Reihe mit der Last erfordert eine sorgfältige Planung. Mit steigendem Widerstandswert nimmt der Spannungsabfall pro Ampere gemäß dem Ohmschen Gesetz zu, wodurch sich die Qualität der Strommessung verbessert. Die Verlustleistung im Widerstand steigt jedoch mit dem Quadrat des Stroms, und der zusätzliche Spannungsabfall muss berücksichtigt werden. Außerdem fügen Widerstände dem Stromkreis einen induktiven Blindwiderstand hinzu.
Vergessen Sie nicht, dass die Eingangskapazität des Differenzial-Tastkopfes parallel zum Messwiderstand liegt und einen RC-Filter bildet.
Wenn Sie einen Messwiderstand in die Schaltung einfügen, versuchen Sie, ihn so nah wie möglich an die Masse zu legen, um die Gleichtaktsignale über den Widerstand zu minimieren, die das Messsystem abweisen muss. Im Gegensatz zu Hochleistungs-Stromtastkopf neigt die Gleichtaktunterdrückung von Differenzspannungsmessungen dazu, mit der Frequenz abzufallen, was die Genauigkeit von Hochfrequenz-Strommessungen mit Messwiderständen verringert.
So messen Sie Strom mit einem Stromtastkopf
Wenn Strom durch einen Leiter fließt, bildet sich ein elektromagnetisches Flussfeld um den Leiter herum. Stromtastköpfe sind so konstruiert, dass sie die Stärke dieses Feldes messen und in eine entsprechende Spannung umwandeln, die mit einem Oszilloskop gemessen werden kann.
Auf diese Weise können Sie aktuelle Wellenformen mit einem Oszilloskop betrachten und analysieren. In Kombination mit den Spannungsmessfunktionen eines Oszilloskops können Sie mit Stromtastköpfen auch eine Vielzahl von Leistungsmessungen durchführen. Je nach den Wellenformberechnungsfunktionen des Oszilloskops können diese Messungen Momentanleistung, Wirkleistung, Scheinleistung und Phase umfassen.
Es gibt zwei Haupttypen von Stromtastköpfen für Oszilloskope:
- AC-Stromtastköpfe
- AC/DC-Stromtastköpfe
Mehr dazu: Frequenz mit einem Oszilloskop messen
Das Wirkungsprinzip eines Transformators
Beide Typen nutzen das Prinzip der Wirkung eines Transformators, um den Wechselstrom (AC) in einem Leiter zu messen.
Damit ein Transformator funktioniert, muss durch einen Leiter ein Wechselstrom fließen. Dieser Wechselstrom bewirkt den Auf- und Abbau eines Flussfeldes entsprechend der Amplitude und der Richtung des Stromflusses. Wenn eine Messspule in diesem Magnetfeld platziert wird, induziert das sich ändernde Flussfeld durch einfache Transformatorwirkung eine proportionale Spannung an der Spule. Dieses strombezogene Spannungssignal wird dann aufbereitet und kann als stromskalierte Wellenform auf einem Oszilloskop angezeigt werden.
Arten von Stromtastköpfen
Die einfachsten AC-Stromtastköpfe sind passive Geräte, bei denen es sich einfach um eine Spule handelt, die nach genauen Vorgaben auf einen Magnetkern, etwa aus Ferritmaterial, gewickelt wurde. Bei einigen handelt es sich um feste Ringkerne, bei denen der Benutzer den Leiter durch den Kern führen muss. Stromtastköpfe mit geteiltem Kern verwenden ein präzise konstruiertes mechanisches System, das es ermöglicht, den Kern zu öffnen und um den Leiter zu klemmen, ohne den zu prüfenden Stromkreis zu unterbrechen. Stromtastköpfe mit geteiltem Kern haben eine hohe Empfindlichkeit und arbeiten ohne Strom, sind jedoch mechanisch starr und haben in der Regel eine kleine Öffnung, was ihre Vielseitigkeit einschränken kann.
AC-Stromtastköpfe, die auf der Rogowski-Spulen-Technologie basieren, sind eine Alternative zu Stromtastköpfen mit massivem und geteiltem Kern. Die Rogowski-Spule verwendet einen Luftkern und ist mechanisch flexibel, sodass die Spule geöffnet und um einen Draht oder ein Bauteilkabel gewickelt werden kann. Da der Kern kein magnetisches Material ist, treten Rogowski-Spulen auch bei hohen Stromstärken, selbst bei Tausenden Ampere, nicht in die magnetische Sättigung. Sie haben jedoch in der Regel eine geringere Empfindlichkeit als Stromtastköpfe mit geteiltem Kern und erfordern aktive Signalaufbereiter, um das Signal von der Spule zu integrieren, weshalb sie eine Stromquelle benötigen.
Für viele Anwendungen im Bereich der Leistungsumwandlung ist ein AC/DC-Stromtastkopf mit geteiltem Kern die vielseitigste, genaueste und benutzerfreundlichste Lösung. AC/DC-Stromtastköpfe verwenden einen Transformator zur Messung von Wechselströmen und ein Hall-Effekt-Gerät zur Messung von Gleichstrom. Da sie eine aktive Elektronik zur Unterstützung des Hall-Effekt-Sensors enthalten, benötigen AC/DC-Tastköpfe zum Betrieb eine Stromquelle. Diese Stromquelle kann eine separate Stromversorgung oder auch in einige Oszilloskope integriert sein.
