Stromsonde

Was ist eine Stromsonde?

Eine Stromsonde ist eine Sonde zur direkten Messung des Stroms mit einem Oszilloskop.

Die Stromwellenform wird beobachtet, indem man das Kabel mit dem Kopf dort abklemmt, wo der zu messende Strom fließt. Ein Zangenmessgerät ist ein Instrument zur Messung des durch ein Kabel fließenden Stroms, ohne das Kabel zu zerschneiden.

Der Hauptvorteil besteht darin, dass der Strom gemessen werden kann, während die Beleuchtung oder das Gerät wie gewohnt in Betrieb ist, da das Kabel nicht jedes Mal für eine Messung durchtrennt werden muss. Wie Zangenmessgeräte können Stromsonden auch Stromwellenformen beobachten, ohne dass Kabel getrennt werden müssen.

Anwendungen von Stromsonden

Stromsonden werden zur Beobachtung von Stromverläufen mit Oszilloskopen verwendet. Zu den Anwendungen gehören Strommessungen in industriellen und elektronischen Geräten. Die spezifischen Anwendungen reichen von der Messung von Strömen in Wechselrichtern, Lastströmen in Motoren und Schaltnetzteilen bis hin zur Bewertung der Ansteuerungsschaltungen von LED-Beleuchtungen.

Je nach Größe des Stroms und der Anwendung stehen verschiedene Modelle zur Verfügung, z. B. für große Ströme, kleine Ströme und Ströme mit hoher Geschwindigkeit. Es gibt auch Stromsonden für Gleich- und Wechselströme und reine Wechselstromsonden, die nur Wechselströme messen können.

Funktionsweise der Stromsonden

Stromsonden nutzen den magnetischen Fluss, der erzeugt wird, wenn Strom durch ein Stromkabel fließt. Im Gegensatz zum Einsetzen eines Amperemeters können sie also Messungen durchführen, ohne den zu prüfenden Stromkreis zu unterbrechen. Der Kopf der Stromsonde (der Teil, der das Kabel einklemmt) besteht aus einem magnetischen Material mit hoher Permeabilität (Material auf Eisenbasis wie Permalloy), ähnlich dem Kern eines Transformators, um den vom Kabel erzeugten magnetischen Fluss einzufangen.

Die Methode zur Erfassung des magnetischen Flusses unterscheidet sich jedoch zwischen reinen Wechselstromsonden und kombinierten AC/DC-Stromsonden.

1. Reine Wechselstromsonden

Ein Transformator ist in der Lage, einen an der Primärseite angelegten Wechselstrom in eine Spannung oder einen Strom auf der Sekundärseite umzuwandeln, je nach dem Übersetzungsverhältnis. Bei einer Stromsonde wird ein Kabel, das Wechselstrom führt, in den vom Kern umschlossenen Raum gelegt, der sich wie die Primärwicklung des Transformators verhält.

Der Kern ist ebenfalls mit einer Spule gewickelt, die der Sekundärwicklung entspricht, und der Wert des im Kabel fließenden Stroms kann anhand der Spannungen bestimmt werden, die an seinen beiden Enden als Reaktion auf die Änderungen des magnetischen Flusses im Kern auftreten. Diese Methode wird hauptsächlich bei Stromsonden für Wechselstrom verwendet.

Bei Gleichstrom tritt jedoch keine Spannung in der Sekundärwicklung auf, da sich der magnetische Fluss nicht ändert. Daher kann die oben beschriebene Methode nach dem Transformatorprinzip nicht angewendet werden.

2. Wechsel-Gleichstrom-Sonden

Die Wechselstromsonden, die auch Gleichströme messen können, verwenden einen Kopf mit einem im Kern eingebetteten Hall-Element. Das Hall-Element gibt eine Spannung aus, die der magnetischen Flussdichte aufgrund des Hall-Effekts sowohl für Gleich- als auch für Wechselströme entspricht, so dass bei Eingabe dieser Spannung in die Oszilloskopklemmen der Stromwert (Wellenform) auf dem Display angezeigt wird.

Weitere Informationen zu Stromsonden

1. Einstellen der Stromsonde

Bei der Verwendung der Stromsonde sollten zwei Dinge eingestellt werden, bevor die Stromsonde verwendet wird:

Offset-Abgleich
Obwohl AC-DC Stromsonden einfach zu benutzen sind, da sie von DC bis 120 MHz AC messen können, ist ein DC-Offset unvermeidlich, da ein Hall-Element für die Stromerfassung verwendet wird und dessen Ausgang durch einen DC-Verstärker verstärkt und mit dem Eingangsanschluss des Oszilloskops verbunden wird. Für genaue Messungen ist es daher notwendig, diesen Offset auszugleichen.

Das Verfahren ist wie folgt:

1. Entmagnetisieren Sie den Kern am Ende der Sonde, um jeglichen Restmagnetismus zu beseitigen.
2. Verwenden Sie die Funktion zur Einstellung der Offsetspannung, um die Anzeige des Oszilloskops so einzustellen, dass sie 0 A anzeigt.
3. Nach diesem Abgleich wird die Stromsonde an den zu prüfenden Stromkreis angeschlossen. Der oben beschriebene Vorgang muss jedoch von Zeit zu Zeit wiederholt werden, da der DC-Offset allmählich schwankt und sich die 0-A-Position im Laufe der Messung über einen längeren Zeitraum ändert.

Skew-Abgleich
Wenn Strom- und Spannungswellenformen gleichzeitig mit Strom- und Spannungssonden beobachtet werden, wie z. B. bei der Leistungsmessung in einem Stromkreis, ist es notwendig, die Phase der Signalwellenformen einzustellen, der so genannte Skew-Abgleich, da die Verzögerungszeit der am Oszilloskopkörper ankommenden Signale für jede Sonde unterschiedlich ist. Zur Einstellung der Phase zwischen den Tastköpfen stehen Justiervorrichtungen wie z. B. Schräglagenausgleichsvorrichtungen für die Leistungsmessung zur Verfügung.

2. Was mit Wechselstromsonden zu messen ist

Wie bereits erwähnt, arbeiten Wechselstromsonden nach dem Transformatorprinzip, um den im zu prüfenden Stromkreis fließenden Strom zu erfassen, aber die Kurvenform ist bei niederfrequenten Strömen eher klein. Insbesondere die Wellenform von Impulssignalen mit niedriger Geschwindigkeit ist aufgrund von Durchhängen verzerrt.

Daher ist es wichtig, bei der Messung von niederfrequenten Signalen, die Gleichstrom enthalten, eine Stromsonde mit doppeltem Verwendungszweck (AC/DC) zu wählen.

3. Frequenzgang von Stromsonden

Die Größe des Stroms, der von einer Stromsonde verarbeitet werden kann, hängt von ihrer Frequenz ab, wobei der messbare Strom mit steigender Frequenz abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit steigender Frequenz die Wärmeentwicklung im Kern und im Transformator zunimmt.

Das Modell der zu verwendenden Stromzange muss in Abhängigkeit von der Frequenz des zu messenden Stroms ausgewählt werden.

4. Einfluss der Einfügungsimpedanz

Das Anschließen einer Stromsonde an den zu prüfenden Stromkreis bedeutet, dass eine kleine Impedanz in den zu prüfenden Stromkreis eingefügt wird. Die Auswirkung dieser Impedanz auf den Stromkreis ist so gering, dass sie normalerweise vernachlässigt werden kann.

Wenn jedoch die stromdurchflossene Leitung mehrmals um den Kern gewickelt wird, um kleine Ströme zu messen, wird die genannte Impedanz doppelt so groß wie die Anzahl der Umwicklungen und kann sich daher stärker auf den zu prüfenden Stromkreis auswirken.