Messtechnische Grundlagen Stromsensor-Techniken für breitbandige Leistungsmessungen

Dank eines speziellen Designs der Leitplatten erreicht der Leistungsmesser einen geringen Phasenfehler. Die magnetischen Felder, erzeugt durch den Stromfluss, heben sich gegenseitig auf.

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Schulz-Electronic GmbH

Treston Deutschland GmbH

Neutrik Vertriebs GmbH

Caltest Instruments GmbH

Die Nachfrage des Markts und einschlägige Vorschriften haben zur Folge, dass sich der Druck zur Steigerung der Energieeffizienz verstärkt. Stromrichter für den Industrie-, Luft- und Raumfahrt-, Automotive- und Hausgerätemarkt werden deshalb zunehmend getaktet und mit hoher Schaltfrequenz implementiert. Beispiele hierfür sind Schaltnetzteile oder elektronische Lampenvorschaltgeräte, die bei höherer Schaltfrequenz mit kleineren gewickelten Bauelementen bestückt werden können. In Anwendungen, die nach variabler Drehzahl verlangen (beispielsweise Waschmaschinen, Aufzüge, Elektrofahrzeuge oder Elektrowerkzeuge), bietet außerdem die Pulsweiten-Modulation (PWM) die Möglichkeit zum Verstellen der Drehzahl.

Der Trend zu nicht sinusförmigen Strom- und Spannungsverläufen führt zwangsläufig dazu, dass sich das Frequenzspektrum der Signale vergrößert. Leistungsmessgeräte, die bei der Entwicklung und Prüfung moderner Leistungselektronik-Produkte zum Einsatz kommen, sollten deshalb so ausgelegt sein, dass sie über eine große Bandbreite hinweg eine hohe Messgenauigkeit bieten.

Die Konsequenzen für die Leistungsmesseung

Da die Wirkleistung aus den phasengleichen Spannungs- und Stromkomponenten berechnet, wird die Leistungsmessung fehlerhaft, sobald sich in den Strom- oder den Spannungseingang ein Phasenfehler einschleicht. Spannungsabschwächer weisen stets eine hohe Impedanz bei relativ geringer Kapazität auf. Ihr Phasenfehler ist deshalb vernachlässigbar gering. Deutlich höhere Anforderungen stellen dagegen Shunt-Widerstände für die Strommessung, denn ihr ohmscher Widerstand ist zwangsläufig gering, damit die aus der Messung resultierende Belastung ebenso minimiert wird wie die Erwärmung.

Aufgrund des niedrigen ohmschen Widerstands machen jegliche parasitären Induktivitäten des Strom-Shunts einen großen und mit der Frequenz zunehmenden Teil der Gesamtimpedanz aus. Aus diesem Grund sollten Präzisions-Leistungsmessgeräte, die mit Strom-Shunts arbeiten, idealerweise Strommesskanäle von sehr geringer Induktivität aufweisen. Im Diagramm sind die Phasenverschiebungen von drei Strom-Shunts über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 1 MHz aufgetragen. Die beiden als Vergleichsmaßstab dienenden Shunts sind Messwiderstände in Instrumentenqualität und mit geringer Induktivität. Die Phasenfehler sind deshalb – wie das Diagramm zeigt – bis 1 kHz vernachlässigbar gering.

Wenn man jedoch die Grundschwingung und die Trägerfrequenz samt ihrer jeweiligen Oberwellen als Balkendiagramm einfügt, wird deutlich, dass beide Referenz-Shunts infolge des PWM-Trägers erhebliche Phasenfehler, und demzufolge auch Leistungsmessfehler, verursachen.

Shunt-Designs mit extrem geringer Induktivität

Aus dem Phasen-Frequenz-Diagramm lässt sich ablesen, dass die äußerst induktivitätsarme Konstruktion eines Strom-Shunts des Herstellers N4L im Vertrieb von Caltest bis weit über die Frequenzkomponenten des Trägers hinaus einen geringen Phasenfehler beibehält. Erreicht wird das mithilfe eines ausgeklügelten Leiterplatten-Designs, bei dem sich die Felder, die durch den Stromfluss von und nach den oberflächenmontierten Widerständen entstehen, gegenseitig aufheben.

Mit der Umsetzung des bekannten Prinzips der gegenseitigen Aufhebung von Magnetfeldern hat N4L ein Design entworfen, das geringere parasitäre Induktivitäten aufweist als jeder vergleichbare Strom-Shunt und somit die Entwicklung von Leistungsmessgeräten mit herausragender Breitband-Genauigkeit gestattet.

* Francois Epp ist Geschäftsführer bei der Caltest Instruments in Achern. Stuart Chappell ist Geschäftsführer Newtons4th in Loughborough, UK.

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