Galvanisch getrennte Strom- und Spannungswandler · 2 Die LEM-Gruppe bietet umfassendes Knowhow und...

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Galvanisch getrennte Strom- und Spannungswandler Eigenschaften - Anwendungen - Dimensionierung 3. Auflage

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Galvanisch getrennteStrom- und SpannungswandlerEigenschaften - Anwendungen - Dimensionierung

3. Auflage

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Die LEM-Gruppe bietet umfassendesKnowhow und Gesamtlösungen für Strom-,Spannungs- und Leistungs-Messungen inder Leistungselektronik. Schwerpunktmäßigkonzentriert sich LEM auf die Gebiete:Energie, Transport, Industrie, F&E, Medizin,Umwelt und Prüfeinrichtungen.

Die Qualität der Produkte und der Servicehaben oberste Priorität. Eine Kombinationvon Erfahrung und Kompetenz ist derbeste Weg, das Kundenvertrauen zustärken und eine lange, erfolgreichePartnerschaft zu garantieren.

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Galvanisch getrennte Strom- und SpannungswandlerEigenschaften - Anwendungen - Dimensionierung

InhaltsverzeichnisSeite

1 Optimale Lösungen mit 6 verschiedenenLEM Wandler-Technologien 4

2 Betimmende Parameter für die Wandler-Auswahl 5

2.1 Welche Parameter sind zu berücksichtigen 5

2.2 Wie nutze ich die LEM Dokumentation? 5

2.3 Zusätzliche Auswahlkriterien 5

2.4 Checkliste des zur Auswahl einesStromwandlers 6

2.5 Besonderheiten zur Auswahl einesSpannungswandlers 8

2.6 Checkliste zur Leistungsmessung 8

2.7 Varianten des Ausgangssignals 8

3 Halleffekt-Wandler 9

3.1 Open-Loop-Halleffekt Stromwandler 9

3.2 Halleffekt Closed-Loop-Stromwandler 13

3.3 Eta Halleffekt Kompensations-Stromwandler 21

3.4 Halleffekt Kompensations-Spannungswandler 23

3.5 Weitere Halleffekt-Spannungswandler 26

4 Fluxgate-Technologien 27

4.1 Grundprinzip der Fluxgate-Technologien 27

4.2 Die existierenden Arten der Fluxgate-Wandler 30

4.3 Allgemeine Merkmale der Fluxgate-Technologie 30

4.4 C-Typen-Fluxgate-Kompensationswandler 30

4.5 Fluxgate-Wandler des IT-Typs 33

5 Galvanisch getrennte Stromwandler mitLuftkern 36

5.1 Grundprinzip und Empfindlichkeit 36

5.2 LEM~flex - der flexible Wechselstromwandler 37

5.3 „PRiME“-Wandler (Planar Rogowski I-currentMEasurement) 39

6 Zusätzliche Typen von Spannungswandlern 41

6.1 OptiLEM-Spannungswandler 41

6.2 AV-Baureihe Spannungswandler 42

7 Verschiedenes 44

7.1 Verpolung der Spannungsversorgung 44

7.2 Kapazitive Einstreuungen (du/dt) 44

7.3 Magnetische Einstreuungen 45

7.4 Typische fehlerhafte eingestellte Parameter 45

7.5 LEM Wandler in ASIC Technologie 45

Glossar A-Z 46

Internationale LEM-Verkaufs-Niederlassungen 48

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Optimale Lösungen mit 6 verschiedenen LEM Wandler-Technologien

Die LEM-Gruppe bietet umfassendes Know-How und Gesamt-lösungen für Messungen in der Leistungselektronik und inwichtigen Wirtschaftssektoren wie Energie, Transport, Indus-trie, F&E, Medizin, Umwelt und Prüfeinrichtungen an.

Die Qualität unserer Produkte und der Service haben für unsoberste Priorität. Eine Kombination von Erfahrung und Kom-petenz ist der beste Weg, das Kundenvertrauen zu stärkenund eine lange, erfolgreiche Partnerschaft zu garantieren.

1 Optimale Lösungen durch 6 verschiedeneLEM Wandler-Technologien

Seit 1972 gelang es LEM durch die Entwicklung eines breitenSpektrums galvanisch getrennter Strom- und Spannungs-wandler zahlreiche spezifische Forderungen zu erfüllen, diemittlerweile zum Standard im Bereich der Messtechnikwurden. Basierend auf den Applikationsanforderungen undWandlereigenschaften wird unserem Kunden ein breitesSpektrum an LEM-Wandlern angeboten. Dieses Dokumentdient dazu, dem Kunden die technischen Hintergründe zu

erklären und den für seine Anforderungen besten Wandlerauszuwählen.

Zunächst möchten wir das LEM-Portfolio in vier Hauptkatego-rien unterteilen. Diese beinhalten sechs verschiedeneTechnologien, die später ausführlich werden:

• Halleffekt-Wandler werden unterteilt in Closed-Loop-Wandler, Open-Loop-Wandler und „EtaTM“-Wandler;

• Fluxgate-Wandler werden unterteilt in IT-Typ, C-Typ,Standard-Typ und Niederfrequenz-Typen

• Luftspulen-Wandler werden unterteilt in LEM-Flex(Rogowski) und PRiMETM-Wandler

• Spannungswandler werden unterteilt in Hall-Effekt,Fluxgate, AV und OptiLEMTM Produkte

Die charakteristischen Eigenschaften dieser Technologiensind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Obwohl die meisten Anwendungen mit einem Standard-wandler, in einer der angeführten Technologien optimalgelöst werden können, entwickelt LEM für spezielle Fälleauch gezielt kundenspezifische Lösungen.

Tabelle 1: Übersicht über die verschiedenen LEM Wandler-Technologien mit ihren charakteristischen Eigenschaften

Strom- Halleffekt Technologien ①①①①① Fluxgate Technologien ①①①①① Luftspulen ②②②②②messung Technologien

Closed-Loop ‘Eta’-Typen Open-Loop IT-Typen C-Typen Nieder- Standard- LEM-flex PRiME™frequenz Typen

Typen (CTS)

Messbereich IP 0 - 15 kA 0 - 150 A 0 - 15 kA 0 - 600 A 0 - 150 A 0 - 400 A 0 - 500 A 0 - 10 kA 0 - 400 A

Bandbreite f 0 - 200 kHz 0 - 100 kHz 0 - 25 kHz 0 - 100 kHz 0 - 500 kHz 0 - 100 Hz 0 - 200 kHz 10Hz-100kHz 10Hz-6 kHz

Typ.Ansprech- td < 1 µs < 1 µs < 3-7 µs < 1 µs < 0,4 µs < 5 ms < 1 µs 10 - 50 µs 2 - 10 µszeit (@ 90%)

Typ. Messge- X ±0,5 % ±1,0 % (DC) ±1,5 % ±0,0002 % ±0,1 % ±0,1 % ±0,2 % ±1,0 % ③ ±0,5 % ③nauigkeit bei ±0,5 % (AC)25 °C,in % v.IPN

Linearität ±0,1 % ±0,5 % (DC) ±0,5 % ±0,0001 % ±0,05 % ±0,1 % ±0,1 % ±0,05 % ±0,2 %±0,1 % (AC)

Besonder- Mess- Schnelligkeit Geringer Hohe Hohe Empfindlich- Empfind- Messgenau- Messgenau-heiten genauigkeit geringer Leistungs- Empfindlichkeit Empfindlichkeit keit lichkeit igkeit igkeit

keit, Leistungs- bedarf Höchste Hohe Mess- Mess- Mess- Bandbreite BandbreiteSchnelligkeit bedarf Kleine Genauigkeit genauigkeit genauigkeit genauigkeit Einfaches Geringe

unipolare Bauweise Schnelligkeit Höchste Niedere Schnellig- Handling MasseSpannungs- kosten- Schnelligkeit Frequenzen keit nur AC nur ACversorg. (5V) günstig Kostengünstig

① Die bei Hall-Effekt und Fluxgate genannten Eigenschaften basieren auf Wandler mit geschlossenem Kern. Ebenfalls sind Versionen mit aufklapp-barem Kern sind mit geringfügig reduzierten Eigenschaften verfügbar.

② LEM-Flex kann geöffnet und um einen Leiter herumgeführt zu werden. PRiMETM kann auch, ohne negativen Einfluss auf seine Eigenschaften,als aufkappbare Version ausgeführt werden.

③ Die Messgenauigkeit von Luftspulen wird in Prozent des tatsächlichen Messwertes angegeben (nicht des Nominalwertes).

Spannungsmessung Halleffekt-Technologie Fluxgate-Technologie Elektronisch isoliert Optisch isoliertClosed-Loop C-Typen AV 100 OptiLEM

Messbereich VPRMS 0 - 9,5 kV 0 - 7 kV 50 - 2 kV 100 V - 6 kV

Bandbreite f einige kHz 0 - 2/10/800 kHz ④ 0 - 13 kHz 0 - 13 kHz

Ansprechzeit tr 10 - 100 µs 0,4µs < 30 µs < 30 µs(10 % → 90 %)

Typ. Genauigkeit X ±1 % ±0,2 % ±0,7 % ±0,9 %bei 25°C

Linearität - < 0,5 % ±0,05 % ±0,1 % ±0,1 %

Besonderheiten Messgenauigkeit Hohe Messgenauigkeit Kleine Bauweise Sehr gutes EMV-Verhaltengeringe Schnelligkeit Schnelligkeit Hohe Gleichtaktunterdrückung

Kosten Hohe Isolationseigenschaften

④ Abhängig von der Ausführung

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Bestimmende Parameter für die Wandlerauswahl

2 Bestimmende Parameter für die Wandlerauswahl

Die große Vielfalt der LEM-Wandler ist das Ergebnis vonlangjähriger Erfahrung und Know-how. Sie ermöglicht uns,im breitgefächerten Anwendungsbereich der Leistungs-elektronik auf die speziellen Aufgabenstellungen unsererKunden einzugehen und diese zu lösen.

2.1 Welche Parameter sind zu berücksichtigen?

Die Auswahl eines Wandlers ist oft das Ergebnis einesKompromisses zwischen erforderlicher Technik und Wirt-schaftlichkeit, wobei sowohl wandlerspezifische als auchübergeordnete systemspezifische Faktoren Berücksichti-gung finden. Es müssen alle Aspekte einer Anwendung inihrer Gesamtheit betrachtet und mit einbezogen werden, umeine optimale Gesamtlösung zu erreichen. Bei den techni-schen Parametern sind das folgende Kriterien:

• die elektrischen Anforderungen wie Spannungs-versorgung, Messbreich, Ansprechzeit, di/dt, du/dt, usw.

• die mechanischen Anforderungen wie Abmessungen,Masse, eingesetzte Materialien, Befestigung, usw.

• die thermischen Aspekte wie Lastprofil der Messgrößeüber der Zeit, maximaler Effektivwert (Strom oder Span-nung), thermische Widerstände, vorhandene Kühlung,usw.

• die Umgebungsbedingungen wie Beeinflussung durchbenachbarte stromführende Leiter oder andere elektroma-gnetische Störungen, Vibrationen, Temperatureinflüsse

Im Zuge der Entwicklung eines Wandlers wird jeder dieserParameter einzeln getestet, wobei Kombinationen mehrererEffekte normenkonform geprüft werden.

Während der Fertigung der Wandler gibt ein Qualitätsplandie durchzuführenden Prüfungen (mit Bezug auf jedes Pro-dukt oder jedes Fertigungslos) vor, um die Einhaltung dergeforderten und zugesicherten Parameter zu überprüfen.

In der Anwendung können verschiedene Faktoren gleichzei-tig auftreten und möglicherweise zu unerwarteten Ergebnis-sen führen. Es ist wichtig diese Faktoren abzuschätzen umden Wandler unter diesen Bedingungen mit einer akzeptab-len Performance zu betreiben. Die Erfahrung von LEM zeigt,dass diese Abschätzung nicht schwierig ist, wenn dieFaktoren bekannt und ausreichend definiert sind.

Der Bereich der Betriebstemperatur ist abhängig vonMaterial und Konstruktion des Wandlers. Typische Werte fürdie minimale Betriebstemperatur sind -40, -25 oder -10°C;die Maxima liegen bei +50, +70, +85 oder +105°C.

2.2 Wie nutze ich die LEM Dokumentation?

Der erste Schritt zur Auswahl eines Wandlers ist das genaueVerständnis der Anwendung, inklusive der Parameter wieDauereffektivwert, sich wiederholender messbarer Spitzen-wert, Mess-Signalsprünge (z.B. du/dt oder di/dt), erlaubteAnsprechzeit, usw. Weiter müssen die externen Einflüssewie z.B. Temperatur, mechanische Beanspruchung, externemagn. Felder; sowie einzuhaltende Normen (EN, IED, UL,...)beachtet werden.

Mit diesen Informationen kann im Gesamtkatalog dieProduktreihe aus unserem Portfolio gewählt werden, dieIhre Anforderungen erfüllt. Danach können Sie aus diesemProduktbereich bestimmte Wandler auswählen die exakt zuIhren Anforderungen passen.

Das jeweilige Datenblatt der(s) gewählten Wandler(s)informiert dann über weitere Einzelheiten (verfügbar aufwww.lem.com oder bei unseren Vertriebsniederlassungen).Eine Überprüfung / Bewertung ob der von Ihnen ausgesuch-te LEM-Wandler Ihren Anforderungen gerecht wird, kanndurch die in den Tabellen der Kapitel 2.4 und 2.5 gezeigtenChecklisten durchgeführt werden.

2.3 Zusätzliche Auswahlkriterien

Wie bereits erwähnt, weisen manche Anwendungen einenhöheren Komplexitätsgrad auf und beinhalten mehrerepotenziell kritische Elemente wie:

• elektromagnetische Störungen

• hohe Gleichtaktspannungsänderungen (du/dt)

• mechanische Störungen (Schwingungen, Stöße usw.)

• besondere Anforderungen an die Isolations- und Teil-entladungsfestigkeit

• Erfüllung spezifischer Normen, usw.

Natürlich ist es am Besten den Wandler in der spezifischenApplikationsumgebung zu testen. Wenn dies nicht möglich /techn. nicht sinnvoll ist, stellen Sie LEM eine möglichstdetalierte Zeichnung und Beschreibung ihrer Anwendungzur Verfügung (z.B. Angabe der Umgebungsbedingungen,Aufzeichnung der Strom- oder Spannungsform des zumessenden Signals, in der Nähe befindlicher Störelementewie Induktivitäten oder stromführende Leiter oder auch, inspeziellen Fällen, das Vorhandensein magnetischer Felder).

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Checkliste zur Auswahl eines Wandlers

2.4 Checkliste zur Auswahl eines Stromwandlers

Elektrische Parameter Auswahlkriterien

Zu messende Stromart - DC, AC oder komplexe Mischströme- Anzuwendende Technologie auswählen (siehe Tabelle 1)

Bereich des zu messenden Stroms - zu messender Nenn- oder Effektivstrom IPN

- zu messender Dauer-Spitzenstroms IPmax

- zu messende kurzzeitige Überströme- nicht zu messender Spitzenstrom und dessen Zeitdauer

Erforderliches Ausgangssignal - Strom- oder Spannungsausgang- Wert bei IPN, bzw. IPmax

- Ermittlung des erforderlichen Bürdenwiderstands bei Wandlern mit Stromausgang

Messgenauigkeit - erforderliche Genauigkeit bei 25°C unter Berücksichtigung des DC-Offsets undder Linearitätsabweichung des Ausgangssignals

- Gesamtgenauigkeit innerhalb des Betriebstemperaturbereichs, addiert zurGenauigkeit bei 25°C und der Offsetdrift

Verfügbare Spannungsversorgung - Versorgungsspannung, inkl. Toleranzen- maximal zulässige Stromaufnahme

Isolationskoordinaten, Prüfspannung - Betriebs-, Nominal-, Bemessungsspannung- geltende Normen zur Isolation (Auslegung oder Prüfung nach EN 50178,

EN 50124 usw.)- einfache oder verstärkte Isolierung- Spannungspegel für Isolationsprüfung (z.B. 2 kVrms, 50 Hz, 1 min)- Verschmutzungsgrad (z.B. Klasse 2)- Überspannungskategorie (z.B. OV Kat. 1)- Nenn-Steh-Stoßspannung (z.B. 8 kV – 1,2 µs / 50 µs )- Teilentladungs-Aussetzspannung und zugehörige elektrische Ladung

Dynamische Betriebsparameter Auswahlkriterien

Frequenzbereich - zu messender Frequenzbereich- Grundbetriebsfrequenz- Summe der Oberschwingungen (z.B. Schaltfrequenz des Antriebs)- nicht zu messende Stromoberwellen die zu erhöhten Wandlerverlusten führen

di/dt - Übereinstimmung zwischen zu messendem di/dt und den Ansprech- undAnstiegszeiten des Wandlers (Definition siehe Bild 8)

- Maximal mögliches di/dt bei Überlast, dem der Wandler nicht folgen muss,hierdurch aber nicht zerstört wird oder irreversible Schäden davon trägt

• Maximale Wandlererholzeit nach einer di/dt-Überlastdu/dt - maximal zulässige Ungenauigkeit während einer du/dt-Störung

- maximal zulässige Wandlererholzeit nach einem du/dt

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Checkliste zur Auswahl eines Wandlers

Umgebungsparameter Auswahlkriterien

Temperaturen - maximale und minimale Betriebstemperatur für die die Wandlerparametergelten

- zulässige Lagertemperaturen

Schwingungen und Schocks - zu berücksichtigende Normen und Pegel (falls anwendbar)

Vorliegen von externen Störfeldern - eventuell ist vorhandener Störstrom mit dem zu messenden identisch- handelt es sich um Wechsel- oder Gleichstrom- Felder von Transformatoren oder Spulen

Mechanische Schnittstellen Auswahlkriterien

Elektrische Anschlüsse des Primärkreises - Lötstifte für Platinen (PCB/PWB)- Durchführungs-Öffnung (Größe und Form)- Stromschiene inkl. Abmesssungen- Sonstige Anschlüsse (z.B. Schrauban-

schlüsse)

Elektrische Anschlüsse des Sekundär- - Stecker- Schraubbolzen- Lötstifte für Platinen (PCB/PWB)- Faston Anschlüsse- Andere Anschlussarten auf Anfrage

Außenmaße - zulässige maximale Außenabmessungen- Öffnung / Lage des Primäranschlusses- Stecker / Lage des Sekundäranschlusses- benötigte Luft- und Kriechstrecken

Gehäusebefestigung - auf Leiterplatte- auf Frontplatte- auf Hutschiene- DIN Schienekonfiguration usw.

kreises

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Bild 1: Ausgangsspannung LTS-Serie in Abhängigkeit zum Primär-strom

Checkliste zur Auswahl eines Wandlers

2.5 Besonderheiten zur Auswahl eines Spannungs-wandlers

LEM bietet eine Vielzahl von galvanisch isolierten Span-nungswandlern bis zu einem Messbereich von 9,5 kV an.Diese Wandler basieren auf den 4 versch. Technologien,wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind.Die für einen Stromwandler definierten Auswahlkriterien

gelten im Allgemeinen auch für die Auswahl einesSpannungswandlers, insbesondere dann, wenn dieSpannungsmessung auf einem ‘Strommessprinzip’ wie in 3.4beschrieben aufbaut. Der Hauptunterschied bezieht sich aufdie Primärparameter, welche die zu messende Spannung ineinen vom Wandler zu erfassenden Strom (IMES) umwandelt –der vorgeschaltete serielle Widerstand R1 und die zur gutenÜbertragung vorhandene Primärimpedanz. Dies ergibtfolgende zusätzliche Auswahlkriterien:

Elektrische Parameter Auswahlkriterien

Messgenauigkeit - bezügl. Primärwiderstand und Serienwiderstand R1 des Wandlers (eingebautoder extern) sind die Herstellertoleranzen und die Temperaturabhängigkeit zuberücksichtigen.

Verlustleistung im Primärkreis - Gesamtverlustleistung unter Berücksichtigung der Verlustleistung im Primär-widerstand (R1).

- Der gewählte Primärwiderstand muss für die bei Nennspannung auftretendeVerlustleistung ausreichend dimensioniert sein.

Dynamische Betriebsparameter Auswahlkriterien

Frequenz bzw. Bandbreite oder - Abhängig von der Zeitkonstante L/R des Primärkreises, bestehend aus derAnsprechzeit Primärspule (LP), dem internen Primärwiderstand (RP) und dem Serien-

widerstand (R1)

2.6 Checkliste zur Leistungsmessung

Leistungsmessungen lassen sich mit einer Kombination vonStrom- und Spannungswandlern realisieren. Die Auswahl-kriterien sind identisch mit den, in den vorherigen Kapitelnbeschriebenen Kriterien für Strom- und Spannungswandler.Bei der Multiplikation der beiden Ausgangssignale entstehteine Einschränkung bezüglich der Bandbreite undAnsprechzeit – Faustformel f = 0,35 / tr

2.7 Varianten des Ausgangssignals

Das Ausgangssignal eines LEM-Wandler zeigt typischer-weise das direkte Abbild des Primärsignals und gewährleis-tet gleichzeitig eine galvanische Trennung. Es kann eineSpannung, ein Strom, ein digitaler Wert oder schleifen-gespeist (4-20mA) sein. Weiterhin existieren auch Variantenmit Mittelwert- und Echteffektivwert-Ausgängen oder Aus-gängen für Effektivwerte von Sinuskurven.

Diese speziellen Ausgänge eignen sich als Eingangssignalfür z.B. A/D-Wandler, DSPs, Mikroprozessoren (Bild 1) oderStandardschnittstellen (4-20mA; 0-10V). In Ausnahmefällensind auch ratiometrische Ausgänge (abhängig von Versor-gungsspannung bzw. externer Referenz) lieferbar. Dies istin Anwendungen, wo sich die der Referenzpunkt des Aus-gangssignals (z.B. 2,5V bei LTSR) durch externe Einflüssez.B. Temperaturschwankungen ändert sehr vorteilhaft.

Schleifengespeiste Wandler („loop-powered“) besitzenlediglich 2 Anschlüsse. Die Spannungsversorgung erfolgtüber die Meßschleife, bestehend aus Spannungsversor-gung, Lastwiderstand (Controller, Meter, ...) und dem

Stromwandler. Der Wandler gibt einen Strom aus (4-20mA)der dem Effektivwert des Primärstroms entspricht (je nachAusführung Echteffektivwert bzw. Effektivwert eines sinus-förmigen Stromes).

Bei Stromausgängen kann der Anwender durch einfügeneines „Messwiderstands“ zwischen Wandlerausgang M undNullpotenzial des Netzteils, den eingeprägten Strom in eineSpannung umwandeln. Der Wert des Messwiderstandsmuss innerhalb des im Datenblatt angegebenen Bereichsliegen. Dabei ist der minimale Messwiderstand RMmin zurBegrenzung der im Wandler umgesetzten Verlustleistung

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erforderlich. Der maximale Messwiderstand RMmax gibt an biszu welchem Primärstrom das Wandlersignal noch abgebil-det werden kann. Dabei entsprechen die Spannungsabfälleder Wandlerelektronik, der Sekundärwicklung und desBürdenwiderstandes exakt der minimalen Versorgungs-spannung des Wandlers.

3 Halleffekt-Technologie

Der HALL-Effekt, auf dem die 3 Wandlertechniken von LEMbasieren (Open-Loop, Closed-Loop und ETA), wurde 1879von dem amerikanischen Physiker Edwin Herbert Hall ander John-Hopkins-Universität in Baltimore entdeckt. DerHalleffekt entsteht durch die Lorentz-Kraft F = q • (v • B), dieauf die bewegten elektrischen Ladungsträger im Leitereinwirkt, wenn diese einem senkrecht zur Stromrichtungverlaufenden Magnetfeld ausgesetzt sind.

Halleffekt-Technologie: Open-Loop

Bild 2: Darstellung der elektrischen Parameter beim Halleffekt

Ein Plättchen aus Halbleitermaterial wird in Längsrichtungvon einem Steuerstrom IC durchflossen (Bild 2). Die magneti-sche Flussdichte B übt auf die bewegten Ladungsträger, dieden Strom bilden, in Querrichtung eine Lorentz-Kraft FL aus.Dadurch ändert sich die Zahl der Ladungsträger an beidenRändern des Plättchens und es entsteht eine Potentialdiffe-renz, die man als Hallspannung VH bezeichnet.

Für die beschriebene Anordnung mit senkrecht zum Stromverlaufendem Magnetfeld gilt:

VH = K / d • IC • B + VOH

Dabei sind K die materialabhängige Hallkonstante, d dieDicke des Plättchens und VOH das Offset-Signal, das von derHall-Zelle vorgegeben wird, wenn diese keinem externenFeld ausgesetzt ist. Eine solche Anordnung nennt manHallgenerator, und das Produkt „K/d • IC" wird im Allgemeinenals Empfindlichkeit des Hallgenerators bezeichnet.

Die Halleffekt-Generatoren weisen eine gewisse Tempera-turabhängigkeit bezüglich Empfindlichkeit und Offset-Span-nung VOH auf, die sich jedoch im Stromwandler schaltungs-technisch weitgehend kompensieren lässt.

Die Anwendung der Halleffekt-Technologie der LEM Strom-und Spannungswandler wird nachfolgend detailliert beschrie-ben.

3.1 Open-Loop-Halleffekt Stromwandler

Open-Loop Wandler nutzen die einfachste Ausführung derHall-Effekt Technologie. Sie bieten die kleinste, einfachsteund kostengünstigste Lösung einer Strommessung,weiterhin ist ihre Stromaufnahme sehr gering.

3.1.1 Aufbau und Funktionsweise

Ein stromführender Leiter erzeugt ein Magnetfeld, diesesFeld wird im Magnetkern konzentriert. Der Kern hat einenLuftspalt in dem der Hall-Generator die magnetischeFlußdichte misst. Der Steuerstrom IC und die Differenz-verstärkung werden von der im Wandler eingebautenElektronik geliefert.

Bild 3: Umwandlung des Primärstroms in eine Ausgangsspannung

IC

IP

Innerhalb des linearen Bereiches der Magnetisierungs-kennlinie (Bild 4) des verwendeten magnetischen Werkstof-fes gilt: B ist proportional zu IP und somit ist die Hall-Span-nung VH proportional zu dem zu messenden Strom, dazuaddiert sich der Hall-Offset VOH .

Das Messsignal wird abgeglichen um Temperatureinflüsseund die Offset-Komponente zu reduzieren. Anschließend wirddas Signal verstärkt um das gewünschte Ausgangssignalbereitzustellen.

Bei kleinen zu messenden Strömen (<50 A) wird empfohlenden Leiter mehrmals durch die Öffnung zu führen (min. 50Ampere-Windungen) um eine ausreichende Flussdichte zuerreichen.

LinearerBereich

Bild 4: Magnetisierungskennlinie

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men setzt. Die gegenüber Temperaturänderungen empfind-lichen Faktoren werden hierbei besonders hervorgehoben.

Bei Umgebungstemperatur ergibt sich die Genauigkeit auseiner Kombination folgender Faktoren:

• DC-Offset bei IP=0 (z.B. Offset des Hall-Elements und derElektronikschaltung)

• magnetischer DC-Offset

• Verstärkungsfehler (der Elektronikschaltung)

• Linearität (magnetische Sättigung, Elektronikschaltung)

• Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung, wenn dieGrenze der Bandbreite erreicht wird

• Rauschen

und Temperaturänderungen bewirken:

• Offset-Drift oder die Drift der Referenzspannung

• Verstärkungsdrift.

LEM-Wandler werden im Werk bei Umgebungstemperaturund Nennstrom kalibriert, wodurch sich die „Genauigkeit beiUmgebungstemperatur“ ergibt, die auf den LEM-Daten-blättern angegeben wird (im allgemeinen für +25°C angege-ben). Letztere enthalten auch Daten bezüglich derTemperaturempfindlichkeit der Genauigkeit.

Um den Wandler bestmöglich einzusetzen, empfiehlt LEMunter anderem eine optimale Position für den Primärleiter.Darüber hinaus wird im Fall hochfrequenter externerStöreinflüsse, bezogen auf das Platinenlayout am Wandler-ausgang, beeinflusst. Abhilfe kann hier z.B. mit verdrilltenbzw. abgeschirmten Kabeln und einer geeigneten Anord-nung der Leiterbahnen geschaffen werden.

3.1.6 Überlegungen zum magnetischen Offset

Je nach Typ des Wandlers und Art des verwendeten magne-tischen Werkstoffs bewirkt der Restmagnetismus (Rema-nenz), einen zusätzlichen Offset, der als ‘magnetischerOffset’ bezeichnet wird. Sein Wert hängt vom Magnetisie-rungszustand des Wandlerkerns ab und ist dann am höchs-ten, wenn der magnetische Kreis gesättigt ist. Das könnte imFall von hohen Stromüberlastungen eintreten.

Beispielsweise liefern Messungen, die mit Open-Loop-Wandlern vom Typ HAL-, HAK- bzw. HTA durchgeführtwerden, folgende Ergebnisse: nach einem Stromzyklus 0 bis3 • IPN und dann zurück zu Null, beträgt der magnetischeOffset 2,5 mV für HAL-Wandler und 3 mV für HAK- und HTA-Wandler (< 0,1 % des Nennstroms IPN).

Im Fall einer höheren Stromüberlast (z.B. 10 • IPN ), kann eingrößerer bleibender Messfehler auftreten, der eine dedizier-te Wandlerentmagnetisierungsprozedur zum Wiederherstel-len des ursprünglichen Verhaltens erfordert.

3.1.2 Vorteile und Einschränkungen

Open-Loop Wandler können bei galvanischer Trennung DC,AC sowie Ströme komplexer Kurvenformen messen. Siezeichnen sich aus durch geringe Stromaufnahme, kleineBaugröße sowie geringes Gewicht, vor allem im Hochs-trombereich (> 300A). Sie verursachen im Messkreis keineEinfügungsverluste und vertragen Überströme besondersgut. Überströme können eine Magnetisierung des Kernshervorrufen, die zu einem Offsetfehler führt (genannt Rema-nenz oder magnetischer Offset, s. 3.1.6).

Verglichen mit anderen Technologien sind die Nachteile derOpen-Loop-Wandler eine mäßige Bandbreite / Ansprechzeitwie auch eine größere Temperaturempfindlichkeit derMessgenauigkeit. In einigen spezifischen Fällen könnenHochfrequenz-Eisenverluste einen einschränkenden Faktorfür ihre Anwendung darstellen.

Open-Loop Wandler kommen in vielen Anwendungen zumEinsatz, da die Vorteile meist überwiegen.

3.1.3 Strombereiche

Der Betriebsbereich der Open-Loop-Wandler von LEM ist fürNennströme IPN von einigen Ampere bis zu 10 kA ausgelegt,für Spitzenströme bis 30 kA

Bei einem bestimmten Open-Loop-Wandler hängt dermaximale Strom, der gemessen werden kann, einerseits vonder Konstruktion und dem Werkstoff des magnetischenKreises und andererseits von der Begrenzung, die bewusst indie Elektronikschaltung eingebaut wird (z.B. die Elektronikerreicht die Sättigung bei dem 3-Fachen des Nennstroms),ab. Bei den verschiedenen Typen von LEM Wandlern liegtder nutzbare Messbereich typisch zwischen dem 1- bis 3-Fachen des Nennstroms.

Andererseits können Open-Loop-Wandler im Allgemeinenkurzzeitigen Stromimpulsen, die den maximal messbarenWert erheblich übersteigen (z.B. das 10-Fache des Nenn-stromes) standhalten. Es kann dadurch jedoch ein großermagnetischer Offset verursacht werden, welcher zu einemzusätzlichen bleibenden Messfehler führt, was dann einededizierte Entmagnetisierungsprozedur (siehe zusätzlicheAnmerkung unten) erfordert.

3.1.4 Ausgangssignal

Die Ausgangsspannung VOUT ist zum Messstrom direktproportional. Für gewöhnlich beträgt die Ausgangsspannung4 V bei Nennstrom IPN. Variationen hiervon sind möglich, z.B.Stromausgang, 2,5V bei IPN = 0V, wenn die sekundäreVersorgungsspannung des Wandlers geändert wird. Strom-ausgangsversionen sind auch lieferbar.

3.1.5 Messgenauigkeit

Open-Loop-Wandler haben eine Gesamtgenauigkeit voneinigen Prozent, die sich aus verschiedenen Werten zusam-

Halleffekt-Technologie: Open-Loop

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Halleffekt-Technologie: Open-Loop

3.1.6.1 Beseitigen des maggnetischen Offset durchEntmagnetisierung

Das Beseitigen des magn. Offset erfordert eine Entmagneti-sierung. Ein Entmagnetisierungszyklus erfordert das durch-fahren des Kerns durch die gesamten Magnetisierungskenn-linie (B-H) mit einer AC-Quelle kleiner Frequenz. Nach ca.5 Zyklen mit voller Amplitude kann die Erregung langsam(nicht schneller als 4% pro Zyklus) reduziert werden.Insgesamt sind dazu ca. >30 Zyklen oder 500ms bei 60Hznotwendig. Bei Kompensationswandlern (C/L) ist darauf zuachten, dass die Sekundärwicklung die Entmagnetisierungnicht behindert (s. 3.2.6).

Alternativ ist auch eine Teil-Entmagnetisierung möglich.Hierzu muss möglichst exakt das Signal das die Remanenzhervorgerufen hat, in entgegengesetzter Richtung durch denWandler geführt werden. Das erreichen der gleichen Amplitu-de und Zeitdauer stellt hier die größte Schwierigkeit dar, istaber für ein positives Ergebnis unbedingt notwendig. In derPraxis ist das nur in genau definierten Applikationen möglich.

3.1.7 Frequenzgang und Eisenverluste

Die Begrenzung des Frequenzgangs von Open-Loop-Wand-lern ist hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückzuführen:

• die Begrenzung der Bandbreite der Elektronikschaltung

• die Erwärmung des Magnetkerns infolge der Eisenverluste,eine Kombination von "Wirbelströmen" und "Hysterese-verlusten".

3.1.7.1 Eisenverluste

Das Ausmaß dieser Eisenverluste wird durch die Wahl desmagnetischen Werkstoffs für den Kern bestimmt, es ist jedochauch konstruktionsabhängig und hochempfindlich gegenübereiner Strom- bzw. Frequenzänderung. Im Detail:

• Verluste durch Wirbelströme sind proportional zum Quadratder Dicke der Blechlamellen, aus welchen sich der Magnet-kern zusammensetzt, dem Spitzenwert der magnetischenInduktion und der Frequenz.

• Verluste durch Hysterese sind proportional zur Frequenzund dem Spitzenwert der magnetischen Induktion sowiedem Eisenvolumen.

Für LEM-Wandler hat das Schlussfolgerungen:

• Eisenverluste werden bei hohen Frequenzen bedeutend,und es ist demzufolge wesentlich, die maximalen Betriebs-frequenzen auf einen akzeptablen Pegel einzustellen(durch die maximale angegebene Wandlertemperaturvorgegeben). Das erfordert, zunächst die maximale Fre-quenz des Grundstroms zu begrenzen. Jedoch ist auch dieSumme der Stromoberwellen zu berücksichtigen, daHochfrequenzstromwelligkeiten (selbst mit einer kleinenAmplitude) zu unzulässigen Verlusten führen können (z.B.Stromwelligkeit infolge hochfrequenten PWM-Schaltens).

• Bei einem bestimmten Strom und einer Primärwicklung, diesich aus mehreren Wicklungswindungen zusammensetzt,ist der Induktionspegel proportional zur Anzahl der Windun-gen. Die proportionale Beziehung gilt nur für eine begrenz-te Kernsättigung oder kleine Ströme.

3.1.7.2 Berechnung der Eisenverluste

Für den Anwender können diese Schlussfolgerungen in derfolgenden Formel zusammengefasst werden, welche die dreizum Eisenverlust beitragenden Faktoren enthält: je größerdas Resultat des Produkts, desto höher sind die Eisen-verluste. Zur annähernden Kalkulation hat LEM das soge-nannte „Strom-Frequenz-Produkt“ definiert:

N • I • f

wobei

I = Primärstrom oder Amplitude einer vorgegebenenHarmonischen

N = Anzahl der primären Windungen (N = 1 bei Wandlernmit Durchführungs-Öffnung („through-hole“))

f = Frequenz des Primärstromes oder Frequenz dervorgegebenen Harmonischen

Zusammengefasst: Wenn der Wert einer der drei Parameteransteigt (z.B. größerer Strom), steigen die Wandlereisen-verluste, es sei denn, der Wert von mindestens einem derbeiden anderen Parameter sinkt (z.B. Reduktion der Betriebs-frequenz und/oder die Anzahl primärer Windungen).

Man kann auch sagen, dass das Konstanthalten des Produkts‘N • I’ zu annähernd konstanten Eisenverlusten führt, auchwenn die Anordnung der Primärwindungen oftmals eine nichtvernachlässigbare Auswirkung auf die Verluste hat.

Bedauerlicherweise kann man jedoch nicht sagen, dassbestimmte Eisenverluste erreicht werden, wenn das Produktder drei Parameter konstant gehalten wird, oder, mit anderenWorten, dass ein Strom, der um einen Faktor Zwei reduziertwird, den Betrieb mit der doppelten Frequenz zulässt.

Abschließend kann angemerkt werden, dass der störungs-freie Betrieb eines Open-Loop-Stromwandlers die Begren-zung seines Temperaturanstiegs voraussetzt, um ein Überhit-zen der inneren Teile des Wandlers zu vermeiden. Die dieTemperatur beeinflussenden Parameter gehen über die indiesem Kapitel besprochenen Eisenverluste hinaus undumfassen insbesondere die Wärmeentwicklung des Primär-leiters, die Verluste der Elektronikschaltung des Wandlersund den Wert der verschiedenen Wärmewiderstände (im

> 5 Zyklen

> 30 Zyklen

Ent

mag

netis

iers

trom

Bild 5: Strom im Entmagnetisierzyklus

12

Halleffekt Technologie: Open-Loop

Inneren des Wandlers oder bedingt durch die Umgebungs-temperatur).

3.1.7.3 Eisenverluste, typische Werte

Ein Beispiel für die Grenze, die bauartbedingt gegeben ist,wird durch Betrachtung des HY10-P-Wandlers, bei dem derPrimärleiter bereits in den Wandler integriert ist (d.h. dieAnzahl der Primärwindungen kann nicht geändert werden)veranschaulicht. In diesem Fall und für bestimmte Wandler-montagebedingungen haben Tests die folgenden maximalenStrom - Frequenz-Betriebsbedingungen ergeben, wobei dieTatsache, dass das Produkt „N x I x f „ keine Konstante ist,erneut belegt wird:

bei 25°C Umgebungstemperatur

IP N • IP • f fmax

10 A 130.000 13 kHz6 A 198.000 33 kHz2 A 680.000 340 kHz

bei 70°C UmgebungstemperaturIP N • IP • f fma

10 A 59.000 6 kHz6 A 72.000 12 kHz2 A 180.000 90 kHz

Bei den HY10-P-Wandlern sind dies die Grenzfrequenzen,die die Eisenverluste auf einem theoretisch akzeptablen Werthalten. Der Wandler kann jedoch nicht über 50 kHz (- 3dB)betrieben werden, wobei diese Grenze durch die maximaleBandbreite der in der Elektronikschaltung verwendetenVerstärker vorgegeben wird.

3.1.7.4 Ausgleich der Kernverluste

Oftmals werden die ungünstigen Eigenschaften der Eisen-verluste im ersten Design nicht berücksichtigt oder könnennicht exakt bestimmt werden. Entwickler befinden sichdeshalb oft in einer schwierigen Situation, wenn die Eisen-verluste zu einer unzulässigen Erwärmung des Wandlersführen. Bei der Lösung dieses Problems ist auf eine sorgfälti-ge Abwägung zwischen Reduzierung der Eisenverluste und

Bild 6: Schematische Darstellung der Parallelschaltung

Bild 7: Ansprechen des Wandlers HX 15-NP

einer akzeptablen Einschränkung der Ansprechzeit zuachten.

Obwohl die Einfügungsdämpfung eines Wandlers äußerstgering ausfällt, ist die Impedanz in der Tat eine Kombinationaus Widerstand und Induktivität der Primärspule. DasZuschalten eines mit einem Kondensator in Reihe geschal-teten Widerstands parallel zur Primärspule (Bild 6) leitet diehochfrequenten Anteile des Stroms an der Primärspulevorbei und verringert dadurch die Kernverluste erheblich.Dies nimmt zudem diese Frequenzen aus dem Messpfad

Bild 8: Definition der Ansprechzeit-Parameter

und erhöht die Ansprechzeit. Ein Beispiel ist in Bild 7 gezeigt,in dem das Ansprechen von VOUT beim Wandler HX 15-NPdargestellt ist, mit und ohne Parallelwiderstand R (C = 0).

3.1.8 Ansprechzeit und di/dt-Verhalten

Drei verschiedene Kriterien charakterisieren in der Praxis dasdynamische Verhalten eines Wandlers: die Bandbreite, dieAnsprechzeit und wie schnell der Ausgang des Wandlerseinem schnellen di/dt des Primärstromes folgt.

LEM definiert die Ansprechzeit als Zeit zwischen dem Zeit-punkt, zu dem der Primärstrom 90 % seines Endwerteserreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem das Ausgangssignal90 % seiner endgültigen Amplitude erreicht (Bild 8).Allerdings ist es bei einigen Anwendungen eventuell erforder-lich, die „Verzögerungszeit“ (Zeit zwischen Eingang @ 10%

I[A]

90 % v. IN

10 % v. IN

IP

IS

IP: PrimärerReferenzstrom

IS: Sekundärstrom desLEM Wandlers

IN

Rise time

t [µs]

Ansprech-zeit tr

Reaktionszeit tra

LP

RP

13

Hall Effect Technologies: Closed-Loop

und Ausgang @ 10%) und die „Anstiegszeit“ (Zeit zwischenAusgang @ 10% und Ausgang @ 90%) des Wandlers zuberücksichtigen.

Bei Open-Loop-Wandlern hängen Ansprechzeit und di/dt-Verhalten im Wesentlichen von zwei Parametern ab: von derSteuerelektronik des Wandlers (z.B. der Anstiegsteilheit desVerstärkers) und der Einbaulage. Die Einbaulage des Wand-lers, insbesondere des zu messenden Schaltkreises und dieLage des Primärleiters, können das dynamische Verhaltenebenfalls beeinflussen. Eine sorgfältige Berücksichtigung derVerkabelung in und um den Wandler löst gewöhnlich Proble-me mit der Ansprechzeit und dem di/dt-Verhalten.

Bild 9 zeigt das mit dem Wandler HAL 600-S erhalteneMessergebnis, das an den Flanken einen kleinen Unter-schied zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom aufweist. Indiesem Fall beträgt die Ansprechzeit weniger als 3 µs beidi/dt = 50 A/µs.

3.1.9 Typische Anwendungen

Open-Loop-Stromwandler werden bei zahlreichen industriel-len Anwendungen eingesetzt, generell als ein wesentlichesElement von Regelschleifen und Überwachungen (z.B. fürStrom, Drehzahl, Kraft, Geschwindigkeit, Positionierung).

Typische Anwendungsbereiche:

• Frequenzumrichter, Drehstromantriebe mit Stromregelungder Ausgangsphasen und Gleichspannungs-Zwischenkreis

• Elektrische Schweißanlagen mit Regelung des Schweiß-stroms

• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und anderebatteriebetriebene Geräte mit Überwachung des Lade- undEntladestroms.

• Elektrofahrzeuge mit Stromrichtern für den Fahrantrieb undBatteriestrom-Überwachung.

• Elektrische Bahnsysteme, Stromrichter für Fahrantriebe undHilfsgeräte für Unter-Stationen.

• Weitere Anwendungen sind zum Beispiel Energie-management-Systeme, Schaltnetzteile und Galvanisieran-lagen

3.1.10 Berechnung der Messgenauigkeit

Wie bereits erwähnt, gilt die in den Datenblättern angegebeneGenauigkeit für den Nennstrom IPN und eine Umgebungs-temperatur von 25 °C. Die für die Anwendung zu berücksichti-gende Gesamtabweichung schließt Offset-Spannung, Nicht-linearität und Temperatureffekte und das möglicheVorhandensein eines magnetischen Offsets, wenn der Stromden Nominalwert überschreitet (IPN), mit ein. Das LEM-Datenblatt stellt die „Worst- Case“-Werte dieser Faktoren zurVerfügung. Der theoretische Höchstwert entspricht derSumme der maximalen Einzelfehler, doch kommt dieser in derPraxis selten vor.

Beispiel: Stromwandler HAL 200-S (siehe Datenblatt)Bei diesem Beispiel gehen wir von einer perfekt geregeltenStromversorgung und einem vernachlässigbar kleinenmagnetischen Offset aus. Es soll ein Strom von 200 A beieiner Umgebungstemperatur von +85 °C gemessen werden.

Das Datenblatt gibt für den Nennstrom von 200 A eineAusgangsspannung von 4 V an. Im ungünstigsten Fall beträgtdie Ungenauigkeit bei IPN, 25 °C und ±15 V Versorgungs-spannung 1 % oder 40 mV. Außerdem ergibt sich bei Ip = 0und 25 °C eine maximale Offsetspannung von 10 mV. Diesezwei Werte sind voneinander unabhängig, da die Ungenauig-keit (40 mV) mit einem Wechselstromsignal ermittelt wird,während der Offset (10 mV) einem Gleichstrom-Messwertentspricht. Daher kann beim Messen eines Stroms von 200 ADC bei 25 °C die Ausgangsspannung um bis zu 50 mVdaneben liegen, was 1,25 % vom 4 V Ausgang entspricht.

Der Betrieb bei einer anderen Temperatur führt sowohl zurOffset- als auch zur Empfindlichkeitsdrift. Die maximaleOffsetdrift ist mit 1 mV/K angegeben, und die maximaleEmpfindlichkeitsdrift beträgt 0,05 %/K. Wenn wir den Wandlerbei 85 °C betreiben, kann es zusätzlich 1 mV/K • (85 – 25) °C= 60 mV an Offsetspannung und 0,05 %/K • 4 V • (85 – 25) °C= 120 mV an Empfindlichkeitsdrift geben. Der Gesamtfehleraus allen diesen Auswirkungen beträgt 230 mV oder 5,75 %der Nennausgangsspannung von 4 V.

3.2 Halleffekt Closed-Loop-Stromwandler

Im Gegensatz zu dem im vorherigen Kapitel beschriebenenOpen-Loop-Wandler, hat der Halleffekt Closed-Loop-Wandler(auch als Halleffekt-Kompensations- oder ‘Nullfluss’-Wandlerbezeichnet) eine eingebaute Kompensationsschaltung, diedie Leistungsdaten deutlich verbessert.

3.2.1 Aufbau und Funktionsweise

Während die Open-Loop-Stromwandler eine Ausgangs-spannung VOUT liefern, die proportional zur verstärkten Hall-sensorspannung VH ist, wird die Hallsensorspannung vonClosed-Loop-Wandlern (Bild 10) als Gegenreaktionssignalverwendet, welches eine „Sekundärspule“ IS derart ansteuert,dass der gesamte Fluss im Magnetkern gleich Null ist. Mitanderen Worten, der Sekundärstrom IS erzeugt in derSekundärsspule ein, dem durch den Primärstrom erzeugtesPrimärfeld BP, entgegengesetztes Sekundärfeld. Die Summedieser Felder ist gleich Null, d.h. dies ist der Closed-LoopRegelpunkt, welcher durch den Hallsensor erfasst wird.

Bild 9: Dynamisches Verhalten des Wandlers HAL 600-S bei 600 A

0

600 A

-50 A/µs

14

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

VBild 10: Funktionsprinzip des Closed-Loop Wandlers

IP

IS

IS

IC

IP

IS

Um den Wert des Sekundärstroms IS zu begrenzen, bestehtdie Sekundärwicklung aus mehr Windungen NS als diePrimärwicklung NP. Wenn der Magnetfluss kompensiert(gleich Null) ist, ist das magnetische Potenzial (Durchflutung)der beiden Spulen identisch. Daraus folgt:

NP • IP = NS • IS

was auch wie folgt umgeformt werden kann:

IS = IP • NP / NS

Der Sekundärstrom IS ist folglich das genaue Abbild des zumessenden Stroms IP. Durch Einfügen eines sogenannten„Messwiderstands“ RM in Reihe mit der Sekundärspule (Bild10), ist die an den Widerstandsausgängen erfasste Span-nung ein genaues Abbild des zu messenden Stroms.

Um das Ganze größenmäßig zu erläutern: die Anzahl dersekundären Windungen beträgt in vielen Fällen annäherndNS = 1000 ... 3000 und der Sekundärstrom im Allgemeinenzwischen IS = 25 ... 300 mA, wobei dieser gelegentlich bis auf2 A ansteigt. Für Ströme größer als 200 mA ist eine Aus-gangsleistungsstufe erforderlich, um den Sekundärstrom IS zuerzeugen.

Die maximale Betriebsfrequenz dieses Closed-Loop-Prinzipswird durch die Bandbreite der Verarbeitungselektronik unddurch die Fähigkeit, die Sekundärspule mit dem Kompen-sationsstrom Is zu speisen bestimmt. Der Kompensations-strom Is wird durch das induktive Verhalten der Spule, demSpannungsabfall am Messwiderstand und der Versorgungs-spannung begrenzt.

Für höhere Frequenzen (über 2-10 kHz, je nach der spezifi-schen Wandlerbauform) wirkt die Sekundärspule als Strom-transformator. Er wandelt den primären in einen sekundärenWechselstrom um, der wiederum als Abbild des zu messen-den Stroms ist und durch den Messwiderstand zu einerabbildungsgleichen Spannung umgewandelt (falls diemagnetische Kopplung optimal ist) wird.

Der Frequenzgang von Closed-Loop-Wandlern ist hervorra-gend, da diese zwei Technologien in einer Bauform vereinen

und zwar die Hallsensor-Closed-Loop-Technologie von DC-bis in den mittleren Frequenzbereich und dem Strom-transformatorprinzip für höhere Frequenzen (Bild 11). DieHerausforderung besteht darin, den Wandler derart zukonstruieren, dass die Messgenauigkeit über den gesamtenFrequenzbereich, einschließlich des Punkts, an dem diebeiden Frequenzgangkurven aus Bild 11 übereinstimmenmüssen, aufrechterhalten wird.

Auf Grund dieses interessanten Konstruktionsmerkmalsweisen Closed-Loop-Wandler einen breiten Betriebs-frequenzbereich auf.

Bild 11: Bandbreite Closed-Loop-Wandler

Grenzfrequenzder Elektronik

Betrieb als Strom-transformator

3.2.2 Vorteile und Einschränkungen

Die Closed-Loop-Wandler sind in der Lage, galvanischgetrennte Gleich-, Wechsel- und komplexe Mischströme zumessen und die galvanische Trennung sicherzustellen. Siezeichnen sich aus durch:

- hervorragende Genauigkeit, sehr hohe Linearität,

- geringe Temperaturdrift,

- kurze Ansprechzeit und einen breiten Frequenzbereich,

- verursachen keine Zusatzverluste im Messkreis,

- Stromausgänge sind besonders vorteilhaft beim Einsatz inUmgebungen mit elektromagnetischen Störeinflüssen, vorallem wenn das Signal über eine weite Strecke zu übertra-gen ist. Andererseits ist das Stromsignal bei Bedarf sehreinfach in eine Spannung umzuwandeln,

- vertragen Überströme ohne Schaden.

Die wesentliche Einschränkung der Closed-Loop-Wandlerist der höhere Stromverbrauch der sekundärseitigen Strom-versorgung (die den Kompensationsstrom liefern muss), diegrößeren Abmessungen (besonders bei Hochstrom-Wand-lern) und eine im Verhältnis zur einfachen Open-Loop-Bauform teurere Konstruktion. Diese „Nachteile“ werden vonindustriellen Nutzern meist in Kauf genommen. Der Einsatzmoderner Produktionsmethoden verringert kontinuierlichden preislichen Unterschied, speziell im Bereich der Nieder-strom-Wandler.Die Closed-Loop-Wandler eignen sich besonders gut fürindustrielle Anwendungen, bei denen hohe Anforderungenan Messgenauigkeit und eine breiten Frequenzbereichgestellt werden.

15

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

3.2.3 Nenn- und Extremströme

Die Closed-Loop-Wandlerpalette von LEM deckt Nenn-ströme IPN von mehreren Ampere bis mehr als 20 kA ab.Spezifische Bauformen bis zu 500 kA sind möglich.

Bei den Closed-Loop-Wandlern ist das Verhältnis vonmaximal messbarem Strom zu dem maximal thermischenEffektivwert-Strom typischerweise 1,5 und in spezifischenFällen (z.B. LTS-Serie) bis max. 3.

Bei einem bestimmten Closed-Loop-Wandler kann dermaximal messbare Strom auf zwei verschiedene Artendefiniert werden:

• Bei niedrigen und mittleren Frequenzen (die Hallsensor-Closed-Loop-Nullflussregelung arbeitet, siehe §3.2.1)wird der maximal messbare Strom durch die Fähigkeit desWandlers begrenzt, den Kompensationsstrom IS derSekundärspule zuzuführen. Dieser maximale Stromentspricht dem auf den LEM-Datenblättern angegebenenWert. Dieser Maximalwert basiert auf dem Gleichgewichtder verfügbaren minimalen Versorgungsspannung undder Spannung die an der Reihenschaltung aus Wandler-elektronik, Sekundärspule und Bürdenwiderstand abfällt.Ist die Spannung an dieser Reihenschaltung größer alsdie minimale Versorgungsspannung spricht man von derSättigung der Wandlerelektronik. Diese führt zu perma-nenten Messfehlern.

• Für kurzzeitige Ströme mit höheren Frequenzen wirkt derWandler als Stromtransformator, die vorhin genanntemaximale Stromgrenze ist nicht mehr gültig. In diesem Fallkann der Strom im Allgemeinen höhere Werte erreichen,wobei das Maximum durch magnetische und thermischeEinschränkungen bestimmt wird. Diese Einschränkungenbegrenzen für gewöhnlich die Stromimpulsdauer. Jegrößer der zu erfassende Strom ist, desto kleiner ist dieImpulsamplitude. Da es schwierig ist, diese Beziehung imBesonderen und im Allgemeinen zu definieren, solltevorzugsweise bei LEM angefragt werden, falls der Wand-ler im Transformatorischen Prinzip betrieben werden soll.Bei einigen Wandlertypen von LEM (z.B. die LTS-Reihe)können Primärströme, die den normalen Messbereichüberschreiten, infolge ihrer Operationsverstärker imAusgang, nicht gemessen werden.

Im Fall von Überströmen kann eine übermäßig langeÜberlastdauer (z.B. > 1 ms), in manchen Fällen zum Überhit-zen der Wandlerelektronik führen. Dies kann zur Beschädi-gung entweder der Ausgangsleistungstransistoren odergegebenenfalls des Überspannungs-Schutzelementsführen.

3.2.4 Ausgangssignal – Messwiderstand

Die meisten der Closed-Loop-Wandler weisen einenStromausgang auf, welcher mit einem in Reihe geschaltetenMesswiderstand betrieben wird. Näheres können SieKapitel 2.7 entnehmen.

3.2.5 Messgenauigkeit

Da diese Wandler nach dem Closed-Loop-Funktionsprinzippraktisch bei Nullfluss arbeiten (in der Praxis liegen jedochschwache magnetische Streuflüsse vor), weisen die Closed-Loop-Stromwandler von LEM eine hervorragende Linearitätüber einen breiten Messbereich auf, wobei eine Gesamt-genauigkeit von unter 1 % typisch ist.

Bei Umgebungstemperatur ergibt sich die Genauigkeit ausfolgenden kombinierten Faktoren:

• elektrischer Offset bei Nullstrom (IP = 0)

• Linearitätsabweichung

• Verstärkung (infolge der Toleranz hinsichtlich der Anzahlsekundärer Spulenwindungen; nicht infolge der Elektronik,die stets am selben Nullflusspunkt agiert)

• Toleranz des Messwiderstands RM (intern oder extern vomBenutzer des Wandlers angeordnet)

und Temperaturänderungen bewirken:

• Offset-Drift oder (ggf.) Drift der Referenzspannung

• Drift des Messwiderstandwertes RM

Während diese Faktoren für Gleichstrom einfach zu bewertensind, kann andererseits die Gesamtgenauigkeit vonWechselstromsignalen und komplexen Stromwellenformendurch die Begrenzungen der Wandler-Frequenzbandbreite(Bild 11), die zu Oberwellendämpfungen oder Phasenver-schiebungen führen, beeinflusst werden.

Um schließlich den Wandler optimal einzusetzen, müssen dieEinbaubedingungen derart sein, dass die magnetischeKopplung von der Primärseite zur Sekundärseite optimal ist,insbesondere für Wechselstromsignale, bei denen derWandler als Stromtrafo wirkt. Darüber hinaus sollte diePlatzierung der Wandlerdrähte (z.B. verdrillte Kabel) oder derWege der Leiterplattenbahnen an den Wandlerausgängenderart sein, dass sie die Hochfrequenzstörungen, die durchAußenleiter hervorgerufen werden, begrenzt (Leiterschleifensind auf ein Minimum zu reduzieren).

3.2.6 Anmerkungen zum magnetischen Offset

In normalen Betriebsbedingungen wird ein Closed-Loop-Wandler stets bei Nullfluss betrieben, entweder wenn derNiederfrequenz-Closed-Loop auf Hallbasis in Aktion tritt oderwenn der Hochfrequenz-Stromtransformator aktiv wird. Unterdiesen Voraussetzungen sollte er nicht durch den Fall einesbleibenden magnetischen Offsets, wie es für die Open-Loop-Wandler besprochen wurde, beeinträchtigt werden.

In der Praxis können Closed-Loop-Wandler in Bedingungen,die nicht den Nennbedingungen entsprechen, dennocheinem magnetischen Offset unterliegen:

16

• wenn ein nieder- oder mittelfrequenter Primärstrom seinenNennwert stark überschreitet, wobei die Durchflutung derSekundärspule nicht mehr in der Lage ist, die Durchflutungauf Nullfluss zu bringen,

• wenn zumindest eine der beiden sekundären Versor-gungsspannungen fehlt, was den Verarbeitungselektronik-kreis, der die Nullflusskompensation realisieren soll, zumTeil oder zur Gänze stillegt. Im Allgemeinen liefert dieserFall nicht den stärksten magnetischen Offset.

• wenn ein Außenleiter eine lokale Sättigung verursacht, dienicht komplett vom Hallsensor des Wandlers erfasst wird.

Das Resultat dieser Einflüsse ist ein potentiell großer mag-netischer Versatz, der zu einem zusätzlichen bleibendenMessfehler führt. Dies erfordert einen dedizierten Entmag-netisierungsvorgang, der im Allgemeinen durch Versorgender Primärseite des Wandlers mit einem Wechselstromerfolgt, welcher zu Beginn stark genug ist, um den Magnet-kern-Hysteresekreis abzudecken und dann schrittweisegegen Null hin abnimmt (z.B. beginnend beim Mehrfachendes maximal messbaren Primärstroms und Reduktion aufNull in wenigen Sekunden). Die Frequenz des Wechsel-stroms soll möglichst niedrig sein (z.B. 5 Hz), um sicherzustel-len, dass die Flusskompensation nicht durch die Sekundär-spule des Wandlers, die als Stromtrafo wirkt, erfolgt. Währenddieses Vorgangs muss die Kompensationsspule deaktiviertwerden, beispielsweise durch Abschalten der Stromversor-gung des Wandlers oder durch Trennen des Messausgangs-kreises.

3.2.7 Frequenzverhalten und Eisenverluste

Die mit Closed-Loop-Wandlern durchgeführten Messungenweisen einen hervorragenden Frequenzgang zwischen0...20 kHz auf, während spezielle LEM-Produkte (LB Serie –patentierte Ausführung) sogar 300 kHz erzielen.

Der Nominalstrom kann nicht über den gesamten Frequenz-bereich bereitgestellt werden (Datenblattwerte gelten für denKompensationsbereich). Um die Wandlerverluste konstant zuhalten, muss bei steigender Frequenz die Stromamplitudereduziert werden.

Obwohl der Transformatorische-Effekt von Closed-Loop-Wandlern zu hervorragendem Hochfrequenzverhalten führt,sind Wirbelstrom- und Eisenverluste (Hysterese) zu berück-sichtigen. Wie bei Open-Loop-Wandlern (3.1.7) ist auf dieseEffekte zu achten, wenn über längere Zeit hohe Ströme mithoher Frequenz gemessen werden müssen.

3.2.8 Ansprechzeit und di/dt-Verhalten

Die Ansprechzeit eines Wandlers auf einen Stromsprungcharakterisiert die korrekte Wiedergabe der zu messendenStromsteilheit di/dt. Sie wird durch mehrere Parameterbestimmt: Reaktionszeit, Anstiegszeit und Ansprechver-zögerung (siehe § 3.1.8, Bild 8). Bei den Closed-Loop-Wandlern ist die Reaktionszeit kleiner als 1 µs.

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

Die einwandfreie Wiedergabe der Stromsteilheiten di/dt hängtvom speziellen Aufbau des einzelnen Wandlers und, wie in§ 3.2.5 beschrieben, der Anordnung beim Einbau des Wand-lers in die Messschaltung ab.

Die Closed-Loop-Wandler können je nach gewählter Ausfüh-rung di/dt-Steilheiten von etwa 50 A/µs bis zu mehrerenHundert A/µs messen. Daher sind sie unter anderem für denSchutz von Halbleitern bei Kurzschluss in Leistungs-schaltungen gut geeignet.

3.2.9 Typische Anwendungen

Closed-Loop-Wandler eignen sich insbesondere für indus-trielle Anwendungen, die eine hochgradige Genauigkeit und/oder eine breite Frequenzbandbreite voraussetzen. Siewerden oft als ein wichtiges Element einer Regelschleife(z.B. Strom, Drehmoment, Kraft, Drehzahl, Position) jedochauch zur Stromanzeige verwendet.

Die Anwendungen sind ähnlich jenen, die für Open-Loop-Wandler angeführt wurden. Sie decken jedoch das höhereLeistungsspektrum ab. In diesem Zusammenhang könnenjedoch auch folgende Sonderanwendungen angeführtwerden:

- Frequenzumrichter und Drehstromantriebe, bei denen dieStröme in den Phasen und in den Gleichstromschienenüberwacht werden, aber auch zum Schutz von Leistungs-schaltern (z.B. IGBT) im Falle eines Kurzschlusses.

- Stromrichter für Servomotoren, die man häufig in derRobotik oder für die Hochleistungs-Geschwindigkeits- bzw.Positionssteuerungen verwendet.

- Stromrichter für Windkraftgeneratoren

- Spezielle Stromversorgungen für Radar.

Weitere Anwendungen: Energie-Managementsysteme,Leistungs-Schaltnetzteile, Galvanisieranlagen, Laser, Gleich-richter für Galvanisieranlagen und schließlich zahlreicheAnwendungen im Labor, Prüffeld und an Prüfständen.

Schließlich bietet die Konstruktionslösung mit einer Durch-führungsöffnung und mehreren U-förmigen Primärleitern, dieseriell-parallel (z.B. LTS-Reihe) geschaltet werden können,zahlreiche Möglichkeiten, beispielsweise die Messung vonDifferenzialströmen (z.B. Erfassung von Erdschlussströmen).

3.2.10 Beispiele für die Einstellung der Wandlerparameter

Die folgenden Beispiele dienen dazu, den Benutzer dabei zuunterstützen, die Grenzen der Betriebswerte eines Closed-Loop-Stromwandlers zu schätzen und den geeigneteneinzusetzenden Messwiderstand zu berechnen. Es bestehenzwei Möglichkeiten um den passenden Messwiderstandfestzulegen: a) Auswahl nach dem auf dem im Datenblattangegebenen Bereich oder b) auf akzeptablen Betriebs-bedingungen basierend außerhalb der Datenblattwerte. Ineinigen Fällen ist es möglich Ströme jenseits des im Daten-blatt angegebenen Wertes zu messen, nachfolgend sindzwei Beispiele aufgeführt.

17

VCE(sat) = ?

VCmin = 14,25 V

VSÎS

RM = 90 ΩRS = 80 Ω

VM

VA

Bild 12: Äquivalentes Diagramm für die Berechnung der verfüg-baren Spannung VA auf der Verstärkerendstufe.

Bild 13: Äquivalentes Diagramm zur Berechnung des Messwider-stands RM

VCE(sat) = 2,35 V

VCmin = 14,25 V

VSÎS

RM = ?RS = 80 Ω

VM

VA

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

Beispiel 1 : Closed-Loop Stromwandler LA 55-P

a) Welche maximale Messspannung ist bei den nachfol-genden Parametern erreichbar?

IP = 70 A, TA = 70 °C, VC = ±15 V

Das Übersetzungsverhältnis von 1:1000 bestimmt denSekundärstrom IS = 70 mA

Dem LEM-Katalog/Datenblatt entnimmt manRM = RM max = 90 Ω. Daraus ergibt sich für die maximaleMessspannung:

VM = RM • IS = 90 Ω • 70 mA = 6,3 V

b) Welcher Messwiderstand muss bei den nachfolgendenParametern gewählt werden, um bei maximalem Primär-strom eine Messspannung von 3,3 V zu erhalten?

IPN = 50 A, TA = 85 °C, VC = ±12 V; IS = 50 mA

Das ergibt: RM = VM / IS = 3,3 V/50 mA = 66 Ω und fürdiese Parameter soll der Messwiderstand laut Datenblattim Bereich zwischen 60 Ω und 95 Ω liegen.

RM min. = 60 Ω und RM max. = 95 Ω. Ein 66 Ω Widerstandkann verwendet werden.

c) Ist es möglich, für dieselben Parameter eineMessspannung von 6 V zu verwenden?

RM = VM/IS = 6 V/50 mA = 120 Ω

Der 50 A Strom wird nicht mit diesem Widerstandgemessen, da er den maximal zulässigen RMmax Wert von95 Ω überschreitet. Die maximale Messspannung wirdmit dem maximalen Widerstand RM gemessen und istgleich 50 mA x 95 Ω = 4,75 V.

Wenn jedoch ein 120 Ω Widerstand verwendet wird, istdie Messung nur für Primärströme korrekt, die kleiner alsder normale Bemessungswert des Wandlers sind. DieBerechnung des maximalen Stromwerts erfolgt indiesem Fall nicht direkt und wird in den nächstenAbsätzen beschrieben.

Beispiel 2: Betrieb von LA 55-P außerhalb der Datenblatt-werteBei Betrieb mit kleineren Messströmen ist es möglich einehöhere Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn man einenMesswiderstand oberhalb der im Datenblatt angegebenenGrenze wählt. Weicht die Versorgungsspannung von den imDatenblatt angegeben Werten ab, kann die zu einemeingeschränkten Messbereich führen.

a) Was ist die maximale am Verstärkerausgang verfügbareSpannung?Bild 12 zeigt den Schaltplan des Ausgangs einesClosed-Loop-Stromwandlers. Die Spannungsaufteilungwird an den Spannungsabfällen in der Ausgangs-verstärkerstufe (VCE(sat)), im Sekundärspulenwiderstand

(RS) und im Messwiderstand (RM) vorgenommen. Denmaximal möglichen Wert der Spannung (VA) am Aus-gang der Verstärkerstufe zu kennen ermöglicht es, denmessbaren Strombereich zu bestimmen. Der ungünstigs-te Fall, und zwar die Maximaltemperatur und derMindestwert für die sekundäre Versorgungsspannung,wird nun betrachtet.

Wir erhalten:

VA = (RS + RM max.) • ÎS = (80 Ω + 90 Ω) • 70 mA = 11,9 V

wenn wir die Werte auf dem LA55-P Datenblatt zugrundelegen:

- maximaler Messwiderstand RM Max. = 90 Ω(±15 V±5 %; 70 A max.; +70 °C):

- sekundärer interner Widerstand RS = 80 Ω (+70 °C)

b) Wie hoch sind die Maxima von Ausgangsspannung undMesswiderstand (Bild 13)?

Wenn wir davon ausgehen, dass: ÎP = 60 A, TA = +70 °C,VC = ±15 V ±5 %, ÎS = 60 mA.

dann erhalten wir:

VM = VA - (RS • ÎS) = 11,9 V - (80 Ω • 60 mA) = 7,1 VRMmax = VM / ÎS = 7,1 V/60 mA = 118 Ω

18

Beispiel 3: Messstrom höher als im Datenblatt angegebe-ner Maximalwert

LEM-Datenblätter geben die Wandlerbetriebsbedingungenan, mit einem Messbereich, der im allgemeinen auf das 1,5-– 2fache des Nennstroms (IPN) begrenzt ist. Es ist dennochmöglich, Ströme, die diesen Bereich überschreiten, zumessen, wenn man folgende beiden Parameter berücksich-tigt:

• Der Messwiderstand darf nicht kleiner als der auf demDatenblatt angeführte RM min Wert sein, um die in dieWandlerelektronik abgeführten Leistungsverluste zubegrenzen. Je nach ausgewähltem Wandler kann RM minäußerst klein, in manchen Fällen sogar gleich Null, sein.

• Die maximale Primärleitertemperatur darf die auf demDatenblatt angeführten Werte (z.B. 90 °C) nicht über-schreiten, um den verwendeten Kunststoff nicht zubeschädigen.

Die Berechnung des maximal messbaren Stroms erfolgtfolgendermaßen, wobei aufbauend auf verschiedenenArten von LEM-Wandlern unterschiedliche Szenarien inBetracht gezogen werden.

a) RMmin ist ungleich Null.

Beispielsweise werden für einen LA 55-P-Wandler diefolgenden Parameter definiert:

VC = 15 V ± 5 %; TA = +70 °C; RS = 80 Ω ; RM min = 50 Ω;VA = 11,9 V (wie im Beispiel 2a berechnet)

Der maximale Wert des Sekundärstroms ist folgender:

ÎS = VA / (RS + RM min) = 11,9 V / (80 + 50) Ω = 91,5 mA

Der entsprechende maximal messbare Primärstrom ist91,5 A .

b) RMmin ist gleich Null.

Beispielsweise für einen LA305-S-Wandler werdenfolgende Parameter definiert:

VC = 15 V ± 5 %; TA = +70 °C; IP = 300 A; RS = 35 Ω(bei +70 °C); RM min = 0 Ω; Übersetzungsverhältnis= 1: 2500

In diesem Fall kann der minimale Messwiderstand RMauf Null abfallen, und es ist dem Benutzer überlassen,den geeignetsten Wert auszuwählen: je kleiner der Wertist, desto größer ist der maximal messbare Strom, aberdesto kleiner ist das verfügbare Ausgangsspannungs-signal.

Die verfügbare Spannung am Verstärkerausgang (VA)wird folgendermaßen bestimmt: RM max = 75 Ω bei 300 A für VC = 15 V

ÎS = 300 A / 2500 = 120 mA

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

Daraus folgt:

VA = (RS + RMmax) • ÎS = (35 + 75) Ω • 120 mA = 13,2 V

Der Maximalwert des Sekundärstroms hängt vom gewähl-ten Messwiderstand ab. Beispielsweise erhalten wir füreinen Wert RM = 5 Ω:

ÎS = VA / (RS +RMmin) = 13,2 V / (35 +5) Ω = 330 mA

Der maximal messbare Primärstrom ist folglich gleich330 mA • 2500 = 825 A, was 2,75 • IN entspricht. Die amMesswiderstand gemessene Spannung istVM = 330 mA • 5 Ω = 1,65 V.

Für einen Wert RM = 2 Ω erhalten wir ÎS = 357 mA, einenmaximal messbaren Primärstrom von 3 • IPN (892 A) undeine kleinere entsprechende Ausgangsspannung von0,71 V.

Wird ein 0 Ohm Messwiderstand betrachtet, kann derWandler Is = 377mA liefern, dies entspricht 3,14 • IPN(943A). Diese Anordnung liefert keine Ausgangsspannung,hierfür wäre ein auf Masse bezogener Strom/Spannungs-umsetzer erforderlich.

Unter diesen Bedingungen (hoher Ausgangsstrom) ist esbesonders wichtig die Temperatur des Primärleiters unterder maximal erlaubten Temperatur zu halten, um denWandler nicht dauerhaft durch Überhitzung zu schädigen.

Beispiel 4: Höhere Strommessung mittels des Stromtrafo-effekts

In manchen Fällen können höhere Ströme mittels des Strom-trafoeffekts gemessen werden, vorausgesetzt, dass dieFrequenz und / oder der di/dt-Wert hoch genug sind. Näheresfinden Sie in § 3.2.3.

Zudem weisen manche Wandler (z.B. LTS) einen fixenMesswiderstandswert auf und der maximale Messbereichkann nicht eingestellt werden.

Beispiel 5: Periodische kurzzeitige Stromüberlast

Die folgende Messsequenz wird angewandt und für einenLTS 25-NP-Wandler veranschaulicht (Bild 14):

a. Der Wandler misst den Nennstrom (25 Arms), die dreiAnschlussbügel des Primärkreises sind daher parallelgeschaltet;

b. Während t1 Sekunden findet eine Stromüberlast (IPt1)statt, welche den Nennwert von 25 Arms überschreitet;

c. Während t2 Sekunden kehrt der Strom zum anfänglichenStromwert (IPt2) zurück, welcher in diesem Fall gleich25 Arms ist, wodurch der Wandler nach der Überlastauskühlen kann;

d) im ungünstigsten Fall wiederholen sich die Sequenz b)und c) kontinuierlich.

19

Das Diagramm Bild 14 gilt für eine Umgebungstemperaturvon +85°C.

Welche Bedingungen müssen erfüllt werden, damit derWandler diesen Überstrom messen kann.

Bild 14: Periodische Überlast mit einem Ruhestrom auf demNennstrompegel von 25 Arms (+85°C)

t1 t2 t1

IPt2

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

Für eine bestimmte Überlastdauer (t1) und -amplitude (IPT1)geben Bild 15 und Bild 16 die Mindestzeit (t2) an, welche er-forderlich ist, damit der Wandler bei Nennstrom von 25 Armsund maximaler Umgebungstemperatur (+85°C) abkühlenkann. Bild 15 ist genauer genommen eine Vergrößerung vonBild 16 für eine kurze Überlastdauer (unter 40 Sekunden). Indiesem Fall können die Kurven linearisiert werden. Diesermöglicht ein konstantes Tastverhältnis wie folgt zu definie-ren (Tastverhältnis in Bild 15 als ‘ED’ bezeichnet):

Tastverhältnis = ED = t1 / (t1 + t2)

Dies ergibt:

t2 = (1 - ED) • t1/ ED

Bild 15: Bild 14: Überlastdiagramm des LTS25-NP für einenLeerlaufstrom von 25 Arms

IPt1 = 100 [A] IPt1 = 75 [A] IPt1 = 50 [A]

t2 (m

in.)

t1 (s)

3028262422201816141210

86420

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Considered aslinear zone

IPt1 = 34 [A](permanently)

040

80120160

200240280320

360400

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

IPt1 = 100 ADT = 0.07

IPt1 = 75 ADT = 0.105

IPt1 = 50 ADT = 0.26

IPt1 = 34 ADT = 1

t1 (s)

t2 (s

)

Bild. 16 Überlastdiagramm des LTS 25-NP für einen Ruhestromvon 25 Arms,- lineare Zone

Bild 17: Überlastdiagramm des LTS 25-NP für einen Leerlaufstromvon 0 A, lineare Zone

IP =100 A

IP = 75 A

IP = 50 A

IP = 40 A

IP = 34 A

Wenn beispielsweise der Überlaststrom IPT1 = 50 Arms und dieDauer t1 = 14 s beträgt, dann ist der minimale Ruhewert t2 =40 s. Die Zeit t2 kann entweder direkt aus Bild 15 entnommenoder mit Hilfe der oben angeführten Formel berechnet werdent2 = (1 - 0,26) • 14 / 0,26 = 40 s

Es ist interessant zu sehen, dass ein Strom von 34 Arms beimLTS25-NP-Wandler bei TA = +85°C ständig gemessen werdenkann, ohne ein bestimmtes Tastverhältnis einhalten zumüssen. Bei genau diesem Stromwert ist t1 nicht begrenzt, daeine völlige Stabilisierung der ASIC-Sperrschichttemperatursich einstellt, bei einem Wert, der unter der maximal zulässi-gen Sperrschichttemperatur (TJMaxASIC) liegt.

Andererseits steigt bei einem Temperaturanstieg die Ausfall-rate eines Wandlers erheblich an. Die vorliegende Erwär-mung ist der Ausfallrate des Wandlers proportional. DieseÜberlastbedingungen reduzieren die Zuverlässigkeit desWandlers: der Nennstromwert 25 Arms ist das Resultat einesKonstruktionskompromisses zwischen Temperatur undAusfallrate und sollte vorzugsweise nicht überschrittenwerden.

Wichtig! Die auf dem Wandlerdatenblatt angeführte maximaleBetriebstemperatur muss unbedingt eingehalten werden.Andernfalls können zusätzlich zu rein thermischen Problemen(Leistung in der Elektronik), bestimmte Parameter wie derMessbereich und die Messgenauigkeit nicht gewährleistetwerden.

Die folgenden Diagramme (Bild 17 und Bild 18) zeigen dieMindestdauer des Ruhestromes t2 für eine Überlastdauer t1.Der Ruhestrom beträgt dabei IPt2 = 0 A.

3.2.11 Berechnung der Messgenauigkeit

Für Closed-Loop-Stromwandler werden Beispiele derMaximalfehlerberechnung wie folgt angeführt.

Stromwandler LA 55-P

In diesem Beispiel wird ein Gleichstrom mit dem LA 55-P-Stromwandler gemessen.

20

Bild 18: Überlastdiagramm des LTS 25-NP für einen Leerlaufstromvon 0 A

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

t1 [sec]

t2 [

sec]

IP =100 A

IP = 75 A

IP = 50 A

IP = 40 A

IP = 34 A

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

Das Datenblatt liefert die folgenden Informationen: (1)Nennstrom IPN = 50 A; (2) Versorgungsspannung ±15 V; (3)Genauigkeit bei +25°C ist 0,65 % von IPN; (4) Übersetzungs-verhältnis gleich 1:1000; (5) Offset-Drift mit Temperaturbeträgt ±0,6 mA/110 K max. (-25 bis +85 °C).

Wenn ein Gleichstrom von 50 A gemessen wird, beträgt derAusgangsstrom 50 mA und der Wert der einzelnen Fehler:

Genauigkeit bei 25 °C ±0,65 % von IPN = ±0,65 %Temperaturdrift des Offset ±0,6 mA/50 mA ±1,20 %

Maximalfehler (+85 °C) ±1,85 %

Der „Worst-Case“-Fehler beim Messen eines 50 A Stroms istfolglich gleich ±1,85 % x 50 A = ±0,93 A.

Wenn ein Gleichstrom von 40 A gemessen wird, beträgt derAusgangsstrom 40 mA und der Wert der einzelnen Fehler:

Genauigkeit bei 25 °C ±0,65 % von IPN = ±0,81 %Offset-Drift mit Temperatur ±0,6 mA/40 mA ±1,50 %

Maximalfehler (+85 °C) ±2,31 %

Der „Worst-Case“-Fehler beim Messen eines 40 A Stroms istfolglich gleich ±2,31 % x 40 A = ±0,93 A, wie zuvor alsAbsolutwert (Ampere).

Bei Primärströmen unterhalb des Nennstroms werden Fehlerprozentual höher, da sich Offsetströme immer stärker Auswir-ken. Der elektrische Offset I0 von ±0,2mA und der magneti-sche Offset I0M (nach einer Überlast) von ±0,3mA sind imDatenblatt angegeben. Beträgt der Primärstrom 0A kann amAusgang ±0,2mA fließen oder 0,4% von IPN = ±0,2A. Zusätz-lich können nach einer dreifachen Überlast (150A) ±0,3mAfließen. In Summe kann der Offsetfehler auf ±0,5mA oder1,0% von IPN = ±0,5A betragen.

Stromwandler LTS 25-NP

Beim LTS25-NP-Wandler wird die Genauigkeit bei +25°C mit±0,7 % von IPN angegeben. Diese setzt sich aus folgendenKomponenten zusammen:

Abweichung durch die Toleranz derWicklungszahl: ±0,1 % von IPNLinearitätsabweichung: ±0,1 % von IPNAbweichung durch die Toleranz von RIM: ±0,5 % von IPN

Gesamtfehler: ±0,7 % von IPN

Der Messwiderstand RM hat einen Wert von 50 Ω (+25°C)und seine thermischen Drift wird mit 50 ppm/K angegeben. InAnbetracht eines Temperaturbereichs von -10°C bis +85°Cbeträgt die maximale RM-Änderung ±0,15 Ω (50 Ω x 50 ppm/K x 60° K) und der entsprechende Fehler infolge des RM-Drifts ist gleich ±0,3 % von IPN

Der Spannungsausgang des LTS25-NP-Wandlers hat eine2,5 V ‘Bezugsspannung’, welche einem primärseitigenNullstrom entspricht (Bild1). Der Offset-Fehler dieser Bezugs-spannung (im Datenblatt angeführt) beträgt ±25 mV bei+25°C. In Anbetracht eines Temperaturbereichs von -10°Cbis +85°C und bei einer Temperatur Drift 100 ppm/K, beträgtdie Temperatur Offset Drift bis zu ±15 mV.

Da ein Primärnennstrom (IPN) eine Ausgangsspannung von625 mV bei +25°C erzeugt, ist der durch den Offset in dieBezugsspannung eingebrachte Fehler:

- Fehler auf Grund des Standard-Offset = (±25/625) =±4 % von IPN

- Maximalfehler Temperatur Offset Drift = (±15/625) =±2,4 % von IPN

Der maximale Messfehler im gesamten Temperaturbereichbeträgt: (0,7% + 0,3% + 2,4%) = ±3,4% von IPN

Der Fehler infolge des Standard-Offset (4 %) wird nicht inBerücksichtigung gezogen, da er eine konstante Abweichungdarstellt, welche mittels einer geeigneten Elektronikbauformproblemlos beseitigt werden kann.

3.2.12 Unipolare Stromversorgung

Die meisten LEM Wandler können für die Messsung voneinseitig gerichteten Strömen auch mittels unipolarenSpannungsversorgung betrieben werden. In diesem Fall sindzu beachten:

• Die Versorgungsspannung muss gleich der Summe derauf dem Datenblatt angeführten positiven und negativenSpannungen sein (z.B. ±15 V → +30 V).

• Die Auswahl des Messwiderstandes und des zu berück-sichtigenden maximalen Stromes darf keinen übermäßiggroßen Leistungsverlust in der Verstärkerendstufe desWandlers nach sich ziehen. In erster Näherung ist diese

21

Strom-wandler

+

M

-

+RM

Berechnung nicht erforderlich, sofern man die Hälfte desPrimärnennstroms nicht überschreitet. Anderenfalls stelltLEM diese Informationen auf Anfrage zur Verfügung.

• Da der Verstärkerschaltung für eine bipolare Stromversor-gung ausgelegt ist, müssen Dioden in den Messkreiseingefügt werden (Bild 19), wenn dieser für eine unipolareKonfiguration verwendet werden soll. Die Dioden sollendie Restspannung an den Anschlüssen des unbenutztenAusgangstransistors kompensieren, da dieser im Mess-kreis einen Offset-ähnlichen Strom erzeugen könnte.

Außerdem sind Standard-Varianten im Lieferprogramm, diesich speziell für den unipolaren Betrieb eignen.

Schließlich werden bei Antriebsanwendungen häufig3 Wandler verwendet, um die 3 Ausgangsleitungen zumessen. Wenn nur eine bipolare sekundäre Stromversorgungfür den Stromwandler erforderlich ist, muss eine zusätzlicheWicklung am Stromversorgungstrafo hinzugefügt werden,gemeinsam mit dem zugehörigen Spannungsfiltern und derStabilisierung. Dies ist ein typischer Fall, für den die Verwen-dung eines Wandlers mit einer unipolaren sekundärenSpannungsversorgung empfohlen wird.

Halleffekt Technologie: Closed-Loop

3.3 Eta Halleffekt Kompensations-Stromwandler

Eta ist der Name des griechischen Buchstabens „η“, er stehtfür Effizienz. Diese Produktfamilie trägt den Namen wegenihrer geringen Anforderungen an die Spannungsversorgungbei hoher Messgenauigkeit. Die Messgenauigkeit liegtzwischen der Open-Loop und Closed-Loop Technologie.Da die Konstruktion Closed-Loop-Wandlern sehr ähnlich istkönnen Eta-Wandler zu ähnlichen Preisen angebotenwerden.

3.3.1 Die Konstruktionsweise und das Funktionsprinzip

Hinsichtlich ihrer Konstruktion ähneln die Halleffekt-ETA-Stromwandler den Kompensationsstromwandlern undverfügen über die gleiche Bauweise bezüglich des Magnet-kreises, des Hallsensors und der Sekundärwicklung. DieUnterschiede finden sich in der Auslegung des Magnetkernsund in der elektronischen Signalverarbeitung, welche diespezifischen ETA-Leistungsmerkmale charakterisieren. Soverbindet die ETA-Technologie die Design-Elemente vondirektabbildenden und Kompensationswandlern mit denfolgenden Merkmalen:

• bei niedrigen Frequenzen (bis zu 2-10 kHz, je nach derspezifischen Wandler-Bauweise) arbeitet er als direktab-bildender Wandler, wobei der Hallsensor ein zum gemes-senen Primärstrom proportionales Signal liefert (§ 3.1.1);

• bei hohen Frequenzen funktioniert er als Kompensations-wandler, bei dem das Ausgangssignal proportional zumprimären Wechselstrom durch den Stromtransformatoreffekterzeugt wird (§ 3.2.1)

Die Hallsensor- und Transformatorsignale werden elektro-nisch zusammengefasst, um ein gemeinsames Ausgangs-signal zu bilden.

Die ETA-Technologie zeichnet vor allen Dingen folgendeEigenschaften aus:

• hohe Bandbreite

• geringer Leistungsverbrauch (‘Eta’ steht für das griechischeSymbol ‘η’ und repräsentiert den Wirkungsgrad)

• Verwendung an niedrigen Spannungsversorgungen (z.B.unipolar 5 V)

Die hohe Bandbreite wird durch den Einsatz einer Sekundär-wicklung, die als Stromtransformator arbeitet, erzielt. Dergeringere Leistungsverbrauch und damit niedrige Strom-belastung der unterstützenden Spannungsversorgungerreicht man dadurch, dass diese Sekundärwicklung nicht zurKompensation (Nullfluss-Kompensation; siehe § 3.2.1) desmagnetischen Flusses bei niedrigen Frequenzen verwendetwird. Dadurch ist die Eta-Technologie bestens für den Einsatzan Spannungsversorgungen mit niedrigen Spannungspegelngeeignet.

Dies gilt besonders für hohe zu messende Primärströme(größer 25 A), bei denen eine kleine Spannungsversorgung(kleiner oder gleich 5 V, unipolar) nicht ausreichen würde, umeinen hohen Kompensationsstrom, wie er bei Kompensa-tionswandlern erforderlich ist, zu treiben. Hier ist es nahezunicht möglich, einen Kompensationswandler mit zufrieden-stellenden Leistungseigenschaften zu entwickeln. Denn dieEntwicklung eines Kompensationswandlers orientiert sichdaran, dass ein großer Primärstrom auch eine großeWindungszahl auf der Sekundärwicklung bedingt, um den

Bild 20: Hall Effekt Eta Prinzip

Bild 19: Anordnung von Diode(n) mit unipolarer Stromversorgungam Ausgang des Stromwandlers

22

Halleffekt-Technologien

von der Spannungsversorgung entnommenen Strom zubegrenzen. Dies wiederum führt zu einer hohen Impedanzder Sekundärwicklung, und damit wird es außerordentlichschwierig, den Sekundärstrom mit der erforderlichen Dyna-mik aus der vorhandenen Spannungsversorgung zu speisen.Eine mögliche Lösung wäre eine Sekundärwicklung mitweniger Windungen, aber dann wäre die Belastung dermeisten Spannungsversorgungen zu groß. Andere bekannteTechniken, die Impedanz der Wicklung zu reduzieren (wiebeispielsweise der Einsatz dickeren Kupferdrahts), führendagegen zu großen Wicklungsausmaßen; dies steht derForderung nach möglichst kompakten Wandlern entgegen.

3.3.2 Vorteile und Einschränkungen

Mit den Eta-Wandlern können galvanisch getrennt Gleich-und Wechselströme sowie deren komplexe Mischformengemessen werden. Wie bereits erwähnt zeichnen sie sichdurch eine geringe Stromaufnahme, eine hohe Frequenz-bandbreite sowie eine schnelle Ansprechzeit aus. Sie eignensich ferner für den Einsatz an Spannungsversorgungen mitunipolarer Spannung (+5 V). Bei Frequenzen, bei denen derWandler nach dem Stromtransformatorprinzip (> 2-10 kHz)funktioniert, weisen die Eta-Wandler eine hohe Genauigkeitund eine niedrige Temperaturdrift auf (ähnlich den reinenKompensationswandlern). Es treten keine Überhitzungen beihochfrequenten Strömen durch Ummagnetisierung undWirbelströme auf, da der Fluss im Magnetkreis praktisch Nullist (primäre Durchflutung gleich sekundärer Durchflutung).Sie weisen ferner ein gutes Stromüberlastverhalten auf undbedingen durch ihre Konstruktion (Primärbügel) praktischkeine Einfügungsverluste im Messkreis. Sie eignen sichdamit besonders gut für den Einsatz in Umgebungen mitstarken Störeinflüssen (z.B. PWM-Antriebe).

Beim Messen eines (leicht variierenden) Gleichstroms bzw.Wechselstroms mit niedrigen Frequenzen arbeitet ein Eta-Wandler nach demselben Prinzip wie ein direktabbildenderStromwandler. Daher muss der Magnetkern größer ausgelegtwerden, um die entsprechende Durchflutung zu gewährleis-ten. Er ist ferner so dimensioniert, dass er weit unter dermagnetischen Sättigung bleibt; denn nur so kann weiterhineine gute Linearität über den gesamten Messbereich ge-währleistet werden (vergleichbar mit den direktabbildendenWandlern). Ferner weist der Wandler in diesem Bereich auchdie gleichen Einschränkungen wie ein direktabbildenderWandler wie Temperaturdrift von Offset und Verstärkung auf.Um diese Kennwerte gegenüber dem direktabbildendenWandler zu verbessern, entwickelte LEM ein maßgeschnei-dertes ASIC, der eine erhöhte Genauigkeit ermöglicht, wennder Wandler bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzenarbeitet. Durch dieses ASIC werden die vorgenanntenEinschränkungen viel einfacher kompensiert.

Da der Wandler an einer unipolaren Spannungsversorgungbetrieben wird und dennoch bipolare Signale verarbeitet,verwendet das ASIC eine Referenz, die entweder derWandler intern selbst stabil bereitstellt, oder die extern vomAnwender (innerhalb gewisser Grenzen) vorgegeben werdenkann, was für gewisse Anwendungen einen nicht unschätz-baren Vorteil darstellt.

3.3.3 Nennströme und Überlastverhalten

Die Baureihe der LEM Eta-Wandler ist für Nennströme IPN von25 A und 150 A ausgelegt. Mit ihrem geringen Leistungs-verbrauch sind die Wandler optimal für diese Nennströmeangepasst. Dies bedeutet allerdings keine technisch bedingteEinschränkung. Für kleinere Nennströme und unipolarerSpannungsversorgung können beispielsweise dieKompensationswandler der LEM Baureihe LTS eingesetztwerden; für größere Nennströme werden im AllgemeinenStromwandler mit einer bipolaren Spannungsversorgung mithöheren Pegeln (z.B. ±15 V) eingesetzt.

Der Messbereich ist so bemessen, dass er maximal dasdreifache des Nennstrombereichs beträgt. Dies kann einwesentlicher Vorteil für den Anwender sein (gegenüber demca. 1,5-2-fachen bei herkömmlichen Wandlern).

Auf Grund des Funktionsprinzips ist bei einem Eta-Wandlerder maximal zu messende Strom abhängig von seiner Fre-quenz. Denn bei niedrigen Frequenzen arbeitet der Wandlerals direktabbildender Wandler und unterliegt dessen Ein-schränkungen (s. § 3.1.3), dagegen funktioniert er bei hohenFrequenzen wie ein Kompensationswandler und unterliegtdaher dessen Eigenschaften (s. § 3.2.3).

Nach einer Überlastsituation erwartet den Anwender einähnliches Verhalten bezüglich eines magnetisch bedingtenOffsets am Ausgang (Remanenzverhalten des Magnetkerns).Je nach Frequenz und Dauer des einwirkenden Stroms verhältsich der Wandler bei niedrigen Frequenzen wie ein direktab-bildender Wandler (§ 3.1.6) und bei hohen Frequenzen wieein Kompensationswandler (§ 3.2.6). Daher treffen die dortgemachten Aussagen auch hier zu.

3.3.4 Ausgangssignal

Die Eta-Stromwandler besitzen auf Grund ihres Funktions-prinzips einen Spannungsausgang (mehr Informationen siehe§ 2.7). Da die Eta-Wandler mit einer unipolaren Spannungs-versorgung von +5 V;0 V betrieben werden, liegt auch dasAusgangssignal in diesem Bereich (mit Einschränkung).

3.3.5 Messgenauigkeit

Die Eta-Wandler arbeiten – wie schon mehrfach hier dargelegt– auf Grund ihres Funktionsprinzips je nach dem zu messen-den Signal entweder nach dem direktabbildenden (für Gleich-ströme und Wechselströme mit niedrigen Frequenzen) oderdem Kompensations-Prinzip (für Wechselströme mit höherenFrequenzen).

Daher muss die Genauigkeit als Funktion der Frequenz des zumessenden Signals unterschieden werden:

• Bei niedrigen Frequenzen (< 2-10 kHz) liegt die Gesamt-genauigkeit im Bereich der Open-Loop Wandler und beträgttypischerweise sehr wenige Prozent bezogen auf denNennwert

• Hingegen bei höheren Frequenzen liegt die Gesamt-abweichung ähnlich wie bei den Closed-Loop Wandlernund demzufolge unter einem Prozent bezogen auf dieNenngröße

23

Halleffekt Technologien

Mehr Informationen über Faktoren, die die Messgenauigkeitbeeinflussen sowie Berechnungsbeispiele hierzu könnenden entsprechenden Abschnitten über die direktabbildendenWandler (§ 3.1.5 und § 3.1.10) und die Kompensations-wandler (§ 3.2.5 und 3.2.10) entnommen werden.

3.3.6 Dynamisches Verhalten

Hinsichtlich ihres Frequenzbereichs, der Ansprechzeit undder Stromsteilheit (di/dt) sind die Eta-Wandler den Strom-wandlern mit Halleffekt-Kompensationstechnik (§ 3.2.7 und§ 3.2.8) sehr ähnlich, obwohl der bzgl. des direktabbildendenVerhaltens beim Eta-Prinzip optimierte Magnetkreis (Materialund Konstruktion; § 3.4.2) bei höheren Frequenzen zuleichten Performanceeinbußen führen kann. Dennochbescheinigen Messungen den Eta-Wandlern einen ausge-zeichneten Frequenzgang; die obere Grenzfrequenz liegt beimindestens 100 kHz.

Eine kurze Ansprechzeit des Wandlers auf eine schnelleprimärseitige Stromänderung garantiert die korrekte Abbil-dung einer zu messenden Stromsteilheit (di/dt). Sie wirddurch verschiedene Parameter wie Reaktionszeit undAnstiegszeit bestimmt (siehe § 3.2.8). Die Eta-Wandlerzeichnen sich durch eine schnelle Reaktionszeit kleiner als1 µs aus, ähnlich wie Closed-Loop Stromwandler.

Eine einwandfreie Abbildung der Stromsteilheit (di/dt) ist zumeinen abhängig von der spezifischen Bauweise des Wand-lers selbst, als auch von der Einbausituation des Wandlers imMesskreis, die vom Anwender maßgeblich mit beeinflusstwerden kann (§ 3.1.8 und § 3.2.8).

Je nach Modell und Einbausituation können mit den ETA-Wandlern Stromsteilheiten (di/dt) von ca. 50 A/µs bis zueinigen hundert A/µs gemessen werden. Sie eignen sichdaher auch für den Kurzschlussschutz von Leistungs-halbleitern.

3.3.7 Typische Anwendungen

Die Eta-Wandler erschließen alle industrielle Anwendungenin elektronischen Systemen zur Regelung und Überwachungentsprechender Größen (z.B. Strom, Drehmoment, Kraft,Geschwindigkeit, Positionierung, Anzeige, usw.). Beispielehierzu s. auch § 3.1.9 und 3.2.9.

3.4 Halleffekt Kompensations-Spannungswandler

Die prinzipielle Funktionsweise von Spannungswandlern,welche auf dem Closed-Loop-Halleffekt beruhen, wird in § 2erläutert. Das Messprinzip des dafür verwendeten empfindli-chen Stromwandlers wird in § 3.2.1 beschrieben. Der wesent-liche Unterschied zu einem normalen Stromwandler ist einePrimärwicklung mit einer hohen Anzahl von Windungen.Dadurch ist es möglich, die zur Erzeugung der Primär-induktion erforderliche Durchflutung bei einem sehr geringenMessstrom Imes zu erreichen (s. § 2). Damit wird der Messkreisnur minimal belastet.

Dazu wird, wie bereits erwähnt, ein Vorwiderstand R1 in Reihemit der Primärwicklung geschaltet. Dieser kann extern vomAnwender entsprechend seinen Erfordernissen vorgeschaltetwerden, oder er befindet sich bereits standardmäßig beieinigen LEM-Spannungswandlern integriert im Gehäuse zumdirekten Anschluss an ausgewählte Spannungen.

3.4.1 Aufbau und Wirkungsweise

Halleffekt-Closed-Loop-Spannungswandler erfassen einenzum zur messenden Spannung direkt proportionalen kleinenStrom. Die zu ermittelnde Spannung wird durch einen großenWiderstand R1 geteilt, wodurch ein kleiner Strom Imes entsteht,der von einem „optimierten“ Wandler (Bild 21) gemessenwerden kann, bei dem eine kontrollierte Einfügungsimpedanzfür die erforderliche Genauigkeit und Messbandbreite sorgt.Der Widerstand R1 wird in Reihe zur Primärspule des Wand-lers geschaltet, um den für die Nennspannung optimalenStromwert Imes zu erzielen. Oft werden dabei zur Verbesserungder Gleichtaktunterdrückung zwei Widerstände auf beidenSeiten der Primärspule verwendet.

Beim Spannungswandler-Angebot von LEM gibt es zweiSituationen:

• Der Serienwiderstand R1 ist in den LEM Spannungs-wandler eingebaut und liefert optimale Leistungsdatenbeim Einsatz mit oder nahe den Produkt-Nennwerten, sowie beim LEM LV 100-100

• Der Serienwiderstand R1 ist extern und erlaubt es demKunden, den Arbeitsspannungsbereich und/oder dieAnsprechzeit des Wandlers optimal einzustellen, so wiebeim LEM LV 100 und LV 200

Das Ersatzschaltbild des Primärteils eines Spannungs-wandlers ist in Bild 22 dargestellt, das den SerienwiderstandR1, den Primärspulenwiderstand RP und die Primärspulen-induktivität LP enthält. Die Letztere erzeugt in der Regel einevernachlässigbare Einfügungsreaktanz (ω LP), die in denmeisten Fällen vernachlässigt wird.

3.4.2 Spannungswandler mit eingebautem Widerstand R1

Bei den Spannungswandlern der Baureihe LV 100-Span-nung ist der primäre Vorwiderstand R1 in den Wandlereingebaut und kann vom Anwender nicht gewechseltwerden. Dieser wurde für eine Bemessungsleistung von10 W bei Nennspannung ausgelegt.

Empfind-licherStrom-

wandler

Empfind-licherStrom-

wandler

oder

V+

V-

V+

V-

R1

Imes

R1 / 2Imes

R1 / 2

Bild 21: Grundprinzipien zur Spannungsmessung

24

Halleffekt Technologien

Der eingebaute primäre Vorwiderstand ermöglicht eineWerkskalibrierung der Wandler bei der angegebenen Nenn-spannung. Dies hat eine bessere Genauigkeit zur Folge, diefür alle Wandler der Baureihe LV 100-Spannung gleich ist.

Die Dynamik ihres Messbereichs ist auf das 1,5-fache desNennwerts begrenzt. Es gelten jedoch die gleichen Grundsät-ze wie bei den Wandlern mit externem primären Vorwider-stand R1. Man kann kurzzeitige Spannungsimpulse von mehrals dem 1,5fachen der Nennspannung messen, sofern mandie primärseitige spezifizierte Dauerleistung von 10 W undbeim Sekundärkreis die empfohlenen Berechnungsbedin-gungen für RM max beachtet.

R1

RP

LPVP

IP

Bild 22: Ersatzschaltbild zur Berechnung des primären Vor-widerstands R1

3.4.3 Spannungswandler ohne eingebautenVorwiderstand R1

Beispiel 1: LV 100 Spannungswandler mit externemVorwiderstand R1 (siehe Datenblatt)

In diesem Beispiel wird zunächst der externe VorwiderstandR1 bestimmt, der erforderlich ist, um bei einer Nennspannungvon VPN = 230 V auch eine Spitzenspannung von 500 V zumessen. Danach wird die Berechnung der Messgenauigkeitbesprochen.

a) Auslegung des Primärwiderstands R1 für die Messungder Nennspannung:

Bei der Berechnung des externen Primärvorwiderstands R1muss auf alle Fälle der Wicklungswiderstand (auf Grund derhohen Windungszahl) der Primärspule berücksichtigt wer-den!

Das LV100-Datenblatt liefert folgende Informationen:

Nennstrom IPN = 10 mAMessbereich IP = 20 mAInterner Primärspulenwiderstand RP = 1900 Ω (bei +70 °C)

Man erhält:R1 = VPN / IPN - RP = (230 V/ 0,01 A) - 1900 Ω = 21,1 kΩ

Die Verlustleistung im Primärwiderstand R1 beträgt:

PN = IPN2 • R1 0.012 • 21000 = 2.1 W

Um übermäßige Wertveränderungen von R1 durch Tempe-raturdrift zu vermeiden und der Zuverlässigkeit zuliebe,verwendet man hier üblicherweise einen Widerstand mit der3-4fachen Bemessungsleistung. In diesem Fall sollte derAnwender einen Widerstand R1 von 21 kΩ / 8 W wählen.

b) Kann hiermit die maximale Spannung von 500 Vgemessen werden?

Die Messung einer Spannung, die größer als der Nennwertist, ist im Kurzzeitbetrieb möglich; allerdings vorbehaltlich derbeiden folgenden Regeln:

• Der Effektivwert des Primärstroms (der für die thermischenVerluste verantwortlich ist) muss unter dem Nennstromwertdes Wandlers (10 mA beim LV 100) gehalten werden. Indem genannten Beispiel ist, wenn diese Bedingung bei500 V mit dem gewählten 21 kΩ Widerstand nicht erfülltwird, ein höherer Widerstandswert für R1 ins Auge zufassen, um den Dauerstrom unter den im Datenblattgenannten Wert zu senken.

• Der Primärstrom für die zu messende Spitzenspannung(500 V) muss im Normalfall niedriger sein als der für denWandler im Datenblatt vorgegebene Messbereich (20 mAfür den LV 100). In dem genannten Beispiel erhält man:ÎP = VP / RP tot = 500 V / 22900 Ω = 21,8 mA oder 2,18 • IPN.Damit liegt man oberhalb des spezifizierten Messbereichs,weshalb eine Überprüfung auf der Sekundärseite desWandlers erforderlich ist, um festzustellen, ob diese kurzzei-tige Messung dennoch möglich ist.

Tatsächlich ist es beim zuletzt genannten Punkt in manchenFällen, und wie in § 3.2.10 (zweites Beispiel) gezeigt, mög-lich, einen Strom zu messen, der den auf dem Wandlerdaten-blatt spezifizierten übersteigt; genauer gesagt dann, wenn derMesswiderstand einen maximalen Wert RM max nicht über-schreitet. Hier ergibt sich folgendes:

• Aus dem Übersetzungsverhältnis des Wandlers von 10000/2000 erhält man einen Sekundärstrom von ÎS = 5 • 21,8 mA= 109 mA.

• Die am Verstärkerausgang verfügbare Spannung (Bild 12)beträgt den Datenblattangaben zufolge:VA = (RS + RM max) • ÎS = (60 + 150) Ω • 50 mA = 10,5 V.

• Der Wert des maximalen Messwiderstands RM max errechnetsich in diesem Beispiel zu:RM max = (VA / ÎS) - RS = (10,5 V / 109 mA) – 60 Ω = 36,3 Ω

Infolgedessen ist die Messung einer Spitzenspannung von500 V kurzzeitig möglich, wenn ein Messwiderstand kleinerals 36,1 Ω verwendet wird.

VPN

R1 + RP= ( ) • R1 =

2

25

Halleffekt Technologien

c) Messgenauigkeit I: Auswirkungen durch temperatur-bedingte Änderungen des PrimärwicklungswiderstandsRP und des primären Vorwiderstands R1 auf die Genau-igkeit der Spannungsmessung

Das besprochene Spannungsmessprinzip (§ 3.4.2) bestehtaus dem Erfassen und Messen eines kleinen Stroms Imes(Bild 21), der proportional zur zu messenden Spannung ist(Shunt-Prinzip). Zwei Hauptfaktoren beeinflussen dieMessgenauigkeit:

• die Genauigkeit der Messung des erfassten Stroms selbstund

• Änderungen in der proportionalen Beziehung zwischenerfasstem Strom und zu messender Spannung. Infolgedes-sen beeinflusst jegliche Änderung des Wertes des einge-setzten primären Vorwiderstands R1 oder des Widerstandsder Primärwicklung RP die Messgenauigkeit, weil sie denerfassten Stromwert dadurch beeinflusst.

ReferenzfallDer Referenzwert des zu messenden Stroms Imes ist alsder Wert definiert, den man bei +70 °C erhält, wenn beideWiderstände R1 und RP ihren Nennwert haben. DieseWerte sind R1 = 21,0 kΩ (wie im Punkt a berechnet, bei+70 °C) und RP = 1,9 kΩ (Datenblatt, gemessener Wert).

Der aufgenommene Strom Imes entspricht dann 230 V /(21 + 1,9) kΩ = 10 mA

Maximaler FehlerDer Wert der Widerstände ist bei +20 °C kleiner als bei+70 °C. Der ungünstigste Fall muss zusätzlich die Toleranzder Widerstandswerte berücksichtigen, wenn diese ihrMinimum haben.

Für den Widerstand R1 betragen die typischen Werte fürdie Temperaturdrift und die Toleranz jeweils 50 ppm/K und±0,5 %.

Für den Minimalwert ergibt sich:R1 = 21’000 • (1 - 50 • 50 • 10-6) • (1 – 0,005) = 20’942Ω

Der Widerstandswert der Primärwicklung (aus Kupfer) inAbhängigkeit von der Temperatur ergibt sich aus:RPt = RP20°C • (1 + α • ∆t), mitRPt: Widerstandswert bei EndtemperaturRP20°C: Widerstandswert bei +20 °Cα: Temperaturkoeffizient des Kupfers = 0,004 K-1

∆t: Differenz von Endtemperatur zu +20 °C

Beachten Sie, dass die Temperatur von RP Kupfer wahr-scheinlich höher als die maximale Umgebungstemperaturist, wegen der inneren Erwärmung des Wandlers.

In unserem Fall:RP20 = 1’900 / (1 + 0,004 • 50) = 1’538Ω

Der aufgenommene Strom ergibt sich zu Imes = 230 V /(20’942 +1’538) = 10,21 mA, was einem Fehler von +2,1 %im Vergleich zur Referenzspannung entspricht.

Die Messgenauigkeit des Stroms Imes muss noch zu diesemFehler von 2,1 % addiert werden.

d) Messgenauigkeit II: Auswirkung der Strommessgenauig-keit des Wandlers auf die Genauigkeit der Spannungs-messung

Jetzt wird der Fehler betrachtet, der durch die Messung deserfassten Messstroms Imes nur durch den Wandler selbsteingebracht wird, d.h. unter Ausschluss der in Punkt c)besprochenen temperaturbedingten Wirkung auf den gesam-ten Primärwiderstand. Hier wird davon ausgegangen, dassder primäre Vorwiderstand R1 so bemessen wurde, dass derPrimärstrom IPN genau 10 mA beträgt.

Das LV 100-Datenblatt gibt für eine Umgebungstemperaturvon +25 °C eine Abweichung von ±0,7 % von IPN an. DieTemperaturdrift des Offsetstroms beträgt maximal ±0,3 mA. Beieinem Übersetzungsverhältnis von 10000:2000 erzeugt einEingangsstrom auf der Primärseite einen sekundärseitigenAusgangsstrom von 50 mA.

Die einzelnen Abweichungen sind:

Genauigkeit bei +25 °C: ±0,7 % von IPN ±0,7 %Temperaturdrift des Offsets: ±0,3 mA/50 mA ±0,6 %

Wandlergenauigkeit (ohne R1) ±1,3 %

Damit beträgt der maximale Fehler der Strommessung (unddamit auch der Spannungsmessung) allein durch den Wand-ler bedingt ±1,3 %

e) Wie groß ist der gesamte Messfehler?

Die oben in c) und d) aufgeführten Fehler ergeben dengesamten Messfehler des Ausgangsstroms des Wandlers.Typische Anwendungen enthalten einen MesswiderstandRM, um diesen Ausgangsstrom in eine Spannung für dieMessung umzuwandeln.

Wenn wir von typischen Parametern für RM ausgehen, sohaben wir eine Anfangstoleranz von ±0,5 % und eineTemperaturdrift von 50 ppm/K, was eine Abweichung von0,225 % für einen Temperaturbereich von 20 °C bis 70 °Cergibt. Der Gesamtfehler von RM beträgt 0,5 + 0,225 =0,725 %.

Beim Wandler LV 100 entspricht der gesamte Messfehlerbei 230 V Nennspannung und Berücksichtigung einesTemperaturbereichs von 20 bis 70 °C der Kombination derEffekte in c) und d) und RM oben:

Gesamter Messfehler =2,1 % + 1,30 % + 0,725 % = 4,125 %

Beispiel 2: LV 100 Spannungswandler mit externem Vor-widerstand R1 (Gleichspannung 1000 V)

Welchen Wert muss der externe Primärwiderstand R1 für dieMessung einer Gleichspannung VPN = 1000 V haben?

26

Welche Genauigkeit wird erreicht?

a) Dimensionierung des primären Vorwiderstands R1

Das LV 100-Datenblatt gibt an:

Nennstrom: IPN = 10 mAMessbereich: IP = 20 mA = 2 • IPNPrimärwicklungswiderstand: RP = 1900 Ω (bei + 70 °C)

Damit ergibt sich rechnerisch für den primären VorwiderstandR1:R1 = (VPN / IPN) - RP = (1000 V/ 0,01 A) - 1900 Ω = 98,1 kΩ

Die Verlustleistung des Primärwiderstand R1 ist:PR1N = IPN

2 • R1 = (0,01 A)2 • 98,1 Ω = 9,8 W

Aus oben bereits genannten Gründen wird in diesem Fallvorgeschlagen, für den Einbau einen Widerstand mit 40 WBemessungsleistung zu verwenden.

Der Gesamtwiderstand RP tot des Primärkreises beträgt:RP tot = RP + R1 = (1900 + 98100) Ω = 100 kΩ

b) Messgenauigkeit I: Auswirkungen durch temperatur-bedingte Änderungen des PrimärwicklungswiderstandsRP und des primären Vorwiderstands R1 auf die Genau-igkeit der Spannungsmessung

Die in Beispiel 1 beschriebene Methodik wird hier wiederherangezogen. Man geht von einem Betrieb bei einerUmgebungstemperatur von +70 °C aus; ebenso wird vonderselben Temperaturdrift und Toleranz hinsichtlich desprimären Vorwiderstands R1 ausgegangen. Man erhält:

Damit erhält man im ungünstigsten Fall für den Maximalwertdes Vorwiderstands R1:R1 max = 98100 Ω • 1,005 • 1,00225 = 98812 Ω

Der Widerstand der Primärwicklung ist bei +70 °C am höchs-ten und beträgt laut Datenblatt 1900 Ω (RP max). Infolgedessenist der Maximalwert des gesamten Primärwiderstands RP tot max= R1 max + RP max = (98812 + 1900) Ω = 100712 Ω.

Der durch diese Änderung des Widerstands bei der Stromer-fassung einfließende Fehler (auf Grund der Temperatur-erhöhung von +25 °C auf +70 °C) auf die Spannungs-messung beträgt:Fehler = (100712 - 100000) Ω / 100000 Ω = 0,71 %

Die Genauigkeit der Strommessung muss noch hinzuaddiertwerden, um den gesamten Messfehler der Spannungs-messung zu erhalten.

c) Messgenauigkeit II: Auswirkung der Strommessgenauig-keit des Wandlers auf die Genauigkeit der Spannungs-messung

Sie stimmt mit der zuvor in Beispiel 1 berechneten Genauig-keit überein und beträgt 1,3 %.

d) Messgenauigkeit III: Die gesamte Messabweichung derSpannungsmessung

Für die gesamte Messabweichung sind die unter b) und c)ermittelten Fehler zu addieren. Damit beträgt für den hierbetrachteten Fall am Beispiel des LV 100 der Gesamtfehler

Halleffekt Technologien

bei einer Bemessungsspannung von 1000 V und einermaximalen Betriebstemperatur von +70 °C:Gesamtfehler = 0,71 % + 1,3 % = 2,01 %

Hinweis als Quintessenz dieser beiden BeispieleDie oben angeführten Ergebnisse bei einer Verwendung desLV 100-Wandlers zur Messung einer Bemessungsspannungvon 230 V bzw. 1000 V zeigen, dass die gesamte Messge-nauigkeit im ungünstigsten Fall (d.h. bei Ausnutzung desmaximalen Betriebstemperaturbereichs) 3,25 % respektive2,01 % beträgt. Die Messgenauigkeit ist erheblich besser fürdie höhere Spannung, weil die temperaturbedingte Änderungdes primären Wicklungswiderstandes bezogen auf denprimären Gesamtwiderstand (= R1 + RP) geringer ist. Dasheißt, die Genauigkeit hängt stark von der betriebs-temperaturbedingten Änderung des Wicklungswiderstandsab.

Um bei der Messung kleiner Spannungen eine höhereGenauigkeit zu erzielen, empfehlen wir, Wandler mit einergeringeren Primärwindungszahl zu wählen. Dabei kann sichallerdings die Verlustleistung im Primärkreis erhöhen und dieBelastung der zu messenden Spannung kann dabei zuneh-men. Allerdings bieten diese Wandler auf Grund der niedrige-ren Eingangsimpedanz eine besseren Frequenzgang (§ 2),was für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein könnte.

Schließlich kann im Bedarfsfall bei Spannungswandlern ohneeingebauten primären Vorwiderstand die Kalibrierung desAusgangssignals entweder durch Anpassen des externenprimärseitigen Vorwiderstands R1 oder, wie beim Strom-wandler, durch entsprechende Dimensionierung des sekun-därseitigen Messwiderstands RM vorgenommen werden.

3.4.4 Wandlerausgang

Der Ausgang eines Closed-Loop-Spannungswandlersentspricht dem eines Closed-Loop-Stromwandlers. Daher giltdie vorher in § 3.2.4 und § 2.7 beschriebene Methodik für dieAuswahl von Messwiderstand und Ausgangsspannung desWandlers auch für Spannungswandler.

3.4.5 Typische Anwendungen

Closed-Loop Halleffekt-Spannungswandler werden in vielenIndustrieanwendungen eingesetzt, um Spannungen zuerfassen, zu überwachen und zu regeln. Eine typischeAnwendung ist die Überwachung von Eingang, Ausgang undZwischenkreis-Spannungen von Frequenzumrichtern, woGenauigkeit und Isolation eine sehr wichtige Rolle spielen.

3.5 Weitere Halleffekt-Spannungswandler

Tatsächlich lassen sich die meisten Stromwandler-Technologien zu einem Spannungswandler abändern, indemman sicherstellt, dass der kleine Messstrom (proportional zurPrimärspannung) einer großen Anzahl von Primärwindungenzugeführt wird, um die für die Messung erforderlichenAmpèrewindungen zu erzeugen. Dies wird üblicherweise beiFluxgate-Technologien (§4.4.4) durchgeführt, ist aber weni-ger typisch für Open-Loop- und auf Halleffekt basierende Eta-Wandler.

27

4 Fluxgate-Technologien

Die in diesem Abschnitt erläuterte „Fluxgate“-Technologiebeinhaltet verschiedene Arten galvanisch getrennter Strom-oder Spannungswandler, die auf dem folgenden Messprinzipaufbauen: das von einem Primärstrom erzeugte und zumessende magnetische Feld wird von einem Sensorelementerfasst, das aus einem sättigbarem Magnetkopf (Feldsensor)besteht und von einer entsprechenden Elektronik unterstütztund verarbeitet wird. Die Entwickler haben eine grosseAnzahl unterschiedlicher Wandler auf diesem Prinzip basie-rend entworfen, wobei jeder Typ spezifischen Anforderungenentspricht.

In diesem Kapitel wird das Fluxgate-Prinzip erläutert. Dabeiwird zunächst ein Modell betrachtet (eine Bauweise mitFeldsensor), das in seinem Aufbau einem Hall-Elementähnelt. Im weiteren Verlauf des Abschnitts werden dann diegängigsten Bauweisen und ihre spezifischen Leistungs-merkmale aufgeführt.

4.1 Grundprinzip der Fluxgate-Technologien

4.1.1 „Standard“- Fluxgate – Grundprinzip

Ein galvanisch getrennter Fluxgate-Wandler (Bild 23) kannmit dem Halleffekt-Closed-Loop-Wandler (§ 3.2.1) verglichenwerden, da er den gleichen Aufbau hinsichtlich des magneti-schen Feldes, des Luftspalts und der Sekundärwicklungaufweist. Im Luftspalt wird ein empfindliches Messelementangeordnet. Das dort erzeugte Signal bestimmt den durch dieSekundärwicklung fliessenden Strom. Dieser wiederumerzeugt einen dem Primärfluss gegenläufigen Magnetfluss.

Der Hauptunterschied zwischen der Fluxgate- und derHalleffekt-Closed-Loop-Technologie ist die Methodik, mit derdas Feld im Luftspalt erfasst wird. In diesem Fall wird ein„sättigbarer Feldsensor“ anstelle eines Hall-Elements verwen-det. Die Wandler-Elektronik, um das Messelement zu versor-gen und das Ausgangssignal zu verarbeiten, erfordert einekomplett andere Gestaltung.

Der „sättigbare Feldsensor“ (Bild 24) besteht aus einemschmalen, dünnen Magnetkern mit einer Wicklung. Verwen-det werden üblicherweise diskrete Materialien (Kern &Kupferdrähte), aber es können auch andere Bauweiseneingesetzt werden. Dazu zählen auch fortschrittliche Konzep-te, die auf der MEMS-Technologie beruhen (zu diesemZeitpunkt eine eher kostenintensive Variante).

Der Induktivitätswert des „sättigbaren Feldsensors“ ist abhän-gig von den Magneteigenschaften des Kerns (Permeabilität).Bei hoher Flussdichte ist der Kern gesättigt und seine Perme-abilität und der Induktivitätswert gering. Geringe Flussdichteführt dagegen zu einem hohen Induktivitätswert.

In unserem speziellem Fluxgate-Fall ist der Feldsensor sokonzipiert, dass alle Änderungen des externen Felds (Bext –Bild 24) Auswirkungen auf den Sättigungsgrad zur Folgehaben, wodurch sich auch die Kern-Permeabilität und somit

Fluxgate-Technologien

die Induktivitätswerte ändern. Kurzgesagt ändert ein externesMagnetfeld den Induktivitätswert des Messelements. DieseÄnderung kann sehr ausgeprägt sein, falls der Fremderregerentsprechend angeordnet ist. Der zweite Faktor, der diesenInduktivitätswert beeinflusst, ist der in die Kernwicklung (Isi –Bild 24) eingespeiste Strom. Dieser führt zu einen im Magnet-kern gebündelten Fluss, wodurch ein zusätzliches magneti-sches Feld (Bsi ) erzeugt wird. Das sättigbare Sensorelementist derart gestaltet, dass Bsi und Bext von ungefähr gleicherGröße sind.

Beim Standard-Konzept des Fluxgate-Wandlers (Bild 25 alsBeispiel) erzeugt der Primärstrom ein Feld im Luftspalt (Φ1 →Bext), das sich zu dem durch den Strom im Messkopfes produ-ziertem Feld hinzufügt (Isi → Φsi). Beide Felder zusammenresultieren in einer Übersättigung des sättigbaren Feld-sensors, wodurch sein Induktivitätswert reduziert wird. EineÄnderung der Polarität des Isi -Stroms führt zu einer subtrak-tiven Fluss-Situation, wobei bei gleich großen Flüssen einNullfluss des sättigbaren Feldsensors auftritt, oder einGesamtfluss mit umgekehrter Richtung, wenn der Iis -Stromeinen Φis –Fluss größer als von Φ1 erzeugt.

Abschließend sei zu den Standard-Fluxgate-Wandlernerläutert, dass Änderungen der magnetischen Sättigung desMesskopfes zu Änderungen der Induktivität führen, die von derAuswerte-Elektronik (Bild 26) des Messkopfes verarbeitetwerden. Gemäß dem Closed-Loop-Prinzip bei Nullfluss, wirdein Strom in die Sekundärwicklung (I2) des Wandlers einge-speist, wodurch das Feld im Luftspalt wieder auf Null kompen-siert wird. Bedingt durch das Übersetzungsverhältnis derPrimär- und Sekundärwindungszahl ist dann das Verhältniszwischen Primär- und Sekundärstrom ausgeglichen (§ 3.2.1).

Bild 24: Fluxgate-Messkopf („sättigbarer Feldsensor“)

IsiMagnetkern

BsiBext Spule

L = f(Bext; Isi (t))

0,5 mm

Bild 23: Aufbau des „Standard“-Fluxgate

U(t)

Fluxgate Sensing head

U(t)

Fluxgate Sensing headIP

Fluxgate Messkopf

28

Fluxgate-Technologien

4.1.2 Messkopf – das Stromverhalten bei einemSpannungssprung

Das Fluxgate-Betriebsprinzip basiert auf der Erfassung einerÄnderung der Induktivität. Zur Analyse dieser Erfassungs-methodik (§ 4.1.3) braucht es ein gutes Verständnis deselektrischen Verhaltens des sättigbaren Feldsensors. In einemeinfachen Beispiel wird im Folgenden die Stromantwort desFeldsensors auf einen plötzlich auftretenden Spannungs-sprung erläutert .

In Bild 27 wird das Ersatzschaltbild eines sättigbaren Feldsensorsgezeigt: der Widerstand stellt den Kupferwiderstand der Wicklung dar(konstant bei einer bestimmten Temperatur). Die Induktivität istvariabel und ändert sich beim Anlegen eines externen Felds (Bext)und/oder wenn ein Strom in den Messkopf eingespeist wird (Isi).

Bei einer konstanten Induktivität des Messkopfes würde sichdas Stromverhalten bei einem Spannungssprung wie in Bild28 verhalten. Hier werden drei verschiedene Induktivitäts-Werte aufgezeigt – klein, mittel und groß. Der asymptotischeStromwert ist immer konstant (U/R), während kleinereInduktivitätswerte zu schnelleren Stromantworten führen.

Auch in Bild 29 wird die Stromantwort bei einem Spannungs-sprung aufgezeigt. In diesem Fall aber mit einem sättigbarenFeldsensor, bei dem ein Stromanstieg entweder zu einer Zu-oder Abnahme des Indutivitäts-Wertes führt. Dies ist abhängigdavon, ob die externen Felder (Bext) und (Bsi), erzeugt durchden Strom des sättigbaren Feldsensors (Isi), sich addierendoder subtrahierend verhalten. Beim Additionsfall führt zumBeispiel eine Zunahme des Stroms zu einer Zunahme des

Bild 25: Standard-Fluxgate – Verteilung des Flusses im Luftspalt-–zusätzlicher Fluss

I P P

Φ

Φ Φ si

Isi (positiv)

L (I 1 I2= I 1 / N 2I2= I 1 / N 2I2= I 1 / N 2

I1

Adjust I2

l = L (I1 = 0)? l2 = I1 /N2

No

Yes

I2ΦI1

Bild 26: Prinzip des Standard-Fluxgate

Sättigungsgrads. Dies bedingt die Abnahme der Induktivitätund damit eine schnellere Stromschwankung. Bei einemsubtrahierendem Verhältnis der Felder gilt das Gegenteil.

In der Praxis sind die Fluxgate-Messköpfe so konzipiert, dassdie Stromantwort bei einem Spannungssprung wesentlichausgeprägter ausfällt, wie in Bild 30 (Bext = 0) aufgeführt. DasStromverhalten wird in drei Stufen betrachtet :

(1) bei geringen Strömen fällt die Stromschwankung langsamaus, da das Konzept des Messkopfes einen hohenInduktivitätswert beinhaltet

(2) wenn der Strom einen bestimmten „Umbruchwert“ über-schreitet, fällt die Stromschwankung aufgrund einesplötzlichen Abfalls des Induktivitätswertes sehr schnellaus

(3) der Strom erreicht, abhängig von der Versorgungs-spannung, ein asymptotisches Niveau. Die Notwendigkeiteines solchen ausgeprägten Profils wird später erklärt.

Dieses spezielle Verhalten stellt den Ursprung des Namen„Fluxgate“ dar. Der sättigbare Feldsensor funktioniert hier als„open or closed gate“ (offener oder geschlossener Durch-gang). Je nach Sättigungsgrad wird dem Fluss der Durchgang„ermöglicht“ oder „verweigert“.

Als abschließendes Beispiel dient Bild 31:die Stromantwortwird durch ein externes Feld Bext ungleich Null verursacht. DerStrom reagiert in den vier folgenden Stufen:

(1) bei kleinen Strömen (z.B. Null) sättigt das externe Feldden Messkopf, dabei tritt eine geringe Induktivität undeine schnelle Stromantwort auf;

(2) wenn der Strom Isi eine Größe erreicht, wo die Stärke desFelds (Bsi) gleich, aber mit umgekehrtem Vorzeichen zumexternen Feld ist (Bsi = - Bext), befindet sich der Magnet-kern des sättigbaren Feldsensors im Nullfluss-Zustandund die Induktivität ist sehr hoch. Die Stromantwort istdemzufolge langsam;

(3) wenn der Strom groß genug für ein dominantes Bsi -Feldist und dadurch der Magnetkern an den oben erwähntenmagnetischen „Umbruchwert“ geführt wird, fällt dieInduktivität plötzlich ab und die Stromschwankung wirdschnell;

(4) der Strom erreicht, abhängig von der Versorgungs-spannung und des Wicklungswiderstandes, dasasymptotische Niveau.

Bild 27: Ersatzschaltbild des Messkopfes

29

Fluxgate-Technologien

Bild 31: alternierende Spannung und Stromantwort – I1 = 0Bild 28: Stromantwort bei einem Spannungssprung – KonstanteInduktivität

Bild 29: Stromantwort bei einem Spannungssprung – SättigbareInduktivität

Bild 30: Stromantwort bei einem Spannungssprung – Fluxgate-Messkopf (Bext = 0)

Bild 30a: Stromantwort bei einem Spannungssprung –Fluxgate-Messkopf (Bext ungleich Null)

Bild 32: alternierende Spannung und Stromantwort – I1 ungleich Null

4.1.3 Erfassung der Änderung der Induktivität desMesskopfes

Wie in (Bild 26) aufgeführt, beruht das Fluxgate-Prinzip aufder Erfassung der Änderungen des Induktivitätswertes. DieseÄnderungen können auf verschiedene Weise erfasst werden.Die gängigsten Methoden werden im Folgenden erläutert.

An die Enden der Wicklung des Messkopfs wird eine Recht-eckspannung (U(t)) angelegt. Diese führt zum Storm i(t), wiein Bild 31 oder in Bild 32 abgebildet; je nachdem, ob derPrimärstrom Null oder nicht Null beträgt. Die Stromform in Bild31 folgt dem in Bild 30 beschriebenem Verhalten. Bei Bild 30,im Zusammenhang mit Bild 30a, wird davon ausgegangen,dass der Closed-Loop nicht aktiv ist und die Sekundärwick-lung des Wandlers nicht stromführend ist.

Die an der Wicklung des Messkopfes angelegte Rechteck-spannung kann mit fester Frequenz arbeiten, oder kann durchdie Änderung der Polarität durch verschiedene Parameterausgelöst werden (z.B. wenn der Strom vordefinierte positiveoder negative Triggerpegel erreicht).

Mit verschiedenen Techniken können dann die Änderung desInduktivitätswerts erfasst werden. Die gängisten funktionierenwie folgt:(1) Messung der Gleichstrom-Komponenten wie in Bild 32;(2) Spektralanalyse des Stroms wie in Bild 32 und die

Messung der Amplitude einer bestimmten Oberwelle (z.B.die zweite Oberwelle), die sehr empfindlich auf Änderun-gen der Stromform reagiert.

(3) Messung des zyklischen Verhältnis der Spannung wie inBild 32 (positive/negative Impulsdauer – asymmetrisch).

Nach Erfassung der Änderung der Induktivität wird dasClosed-Loop-Prinzip wie in Bild 26 berücksichtigt.

30

Fluxgate-Technologien

Bild 33: Die Hauptarten der Fluxgate-Wandler – Feldsensor-Element in dunkler Farbe

(1) (2) (3) (4)

4.1.4 Transformatorischer Effekt

Wie bei den Halleffekt-Closed-Loop-Wandlern (§ 3.2.1)kann die Sekundärwicklung wie in Bild 26 auch als Strom-transformator eingesetzt werden, um hochfrequente Strömezu messen. Allerdings ist dies aus verschiedenen Gründen,und auch in Abhängigkeit von der jeweiligen Fluxgate-Art,nicht immer möglich. In diesen Fällen wird die Bandbreite/Ansprechzeit stark eingeschränkt.

4.2 Die existierenden Arten der Fluxgate-Wandler

Die grundlegenden Arten der Fluxgate-Wandler werden inBild 33 zusammengefasst und anbei kurz beschrieben:

(1) der „Standard“-Fluxgate, wie bereits erläutert;(2) der Fluxgate „C-Typ“, bei dem sich die

Messeigenschaften erheblich verbessern (s. § 4.4 fürweitere Details)

• Verwendung eines Messkopfes mit einem Haupt-magnetkern ohne Luftspalt,

• Verwendung eines weiteren Kerns für den Transforma-tor-Effekt, wiederum ohne Luftspalt, um dieMesseigenschaften bei hohen Frequenzen zu verbes-sern;

(3) der Fluxgate „IT-Typ“ mit weiter verbesserten Leistungs-eigenschaften durch (Mehr Details finden Sie unter §4.5)

• die Verwendung von zwei Messköpfen; beide Magnet-kerne sind mit einer eigener Erregerwicklung ausgestat-tet

• Verbesserung des Transformatoreffekts sowie derAuswerte-Elektronik;

(4) der „Niederfrequenz-“Fluxgate, bei dem nur der nieder-frequente Teil des Fluxgate-Wandlers vom „C-Typ“verwendet und der transformatorische Effekt nichtberücksichtigt wird. Dahinter steht die Idee, einenkosten-günstigen und effizienten Wandler für niedrigeFrequenzen anzubieten.

4.3 Allgemeine Merkmale der Fluxgate-Technologie

Vorteile• Geringer Offset & kleine Offsetdrift: dies wird bedingt durch

das Messprinzip mit einem sättigbaren Feldsensor, dasdurch den eingeprägten Wechselstrom die magnetischeHysterese durchläuft. Der magnetische Offset im Bereichdes Messkopfs wird gänzlich unterdrückt, aber der elektri-sche Offset oder die Offsetdrift im Bereich der elektroni-

schen Signalverarbeitung wird nicht unterbunden. Dies giltauch für den magnetischen Offset des Hauptmagnetkernsbeim „Standard“-Fluxgate.

• Genauigkeit: der quasi vernachlässigbare Offset ermöglichteine hohe Genauigkeit. Im Vergleich zu Hall-Technologienkommt dieser Vorteil am deutlichsten beim Messen kleinerStröme zur Geltung, bei denen der Offset einen relativgroßen Einfluss nimmt.

• Hohe Auflösung: Der geringe Offset ermöglicht die Mes-sung sehr kleiner Ströme. Weitere Anmerkungen unter„Störungen“.

• Erweiterter Arbeitstemperaturbereich: durch die geringeOffsetdrift ist die Fluxgate-Technologie für den Einsatz ineinem erweitertem Arbeitstemperaturbereich geeignet.Derzeit wird der Temperaturbereich durch die verfügbarenMaterialien und Komponenten begrenzt.

• Hohe Stromdynamik: das Maximum-/Minimum-Verhältnisdes messbaren Strombereiches erweitert sich erheblich

• Große Frequenzbandbreite: bei Bedarf kann die großeBandbreite durch den transformatorischen Effekt (C- undIT-Typen) mit Kernen ohne Luftspalt erneut erweitertwerden. Dies führt ebenfalls zu schneller Anstiegszeiten.

Einschränkungen• Eingeschränkte Frequenzbandbreite bei den einfachen

Bauweisen.• Strom- / Spannungs-Störeinkopplung in den Primärleiter

(für die große Mehrheit der Anwendungen vollkommenakzeptabel). Dies birgt die Möglichkeit einer zusätzlichenMessabweichungen bei geringer Impedanz des Primärkrei-ses.

• Relativ hohe Stromaufnahme (vergleichbar mit denHalleffekt-Closed-Loop-Wandler.)

• Komplexer Aufbau der hochwertigen Typen und daher inder Produktion kostenintensiver.

• Anpassungen für kundenspezifische Zwecke manchmalnur schwer implementierbar.

In den nächsten Abschnitten finden Sie mehr Details über diespezifischen Fluxgate-Konzepte.

4.4 C-Typen-Fluxgate-Kompensationswandler

Die patentierten C-Typen sind ein wichtiger Bestandteil derKompensations-Strom- und Spannungswandler-Produkt-palette von LEM. Die Technologie dieser Wandler wurde inZusammenarbeit mit Professor Dan Otto von der UniversitätAuckland in Neuseeland entwickelt. Sie zeichnet sich durcheine hohe Genauigkeit und eine sehr geringe Temperaturdriftaus und arbeitet in einem breiten Frequenzbereich. Diesebesonderen Leistungsmerkmale basieren auf einer speziel-len Bauweise, bei der die magnetische Durchflutung mit Hilfeeines elektronisch geregelten Oszillators kompensiert wird.

31

Fluxgate-Technologien

IP

NP

T1 T2

B

VM

NS

IS

NS

IS +IµIµ

A

C①

Generator

④I/V

Wandler

Filter

Control Loop

Trigger

Bild 34: Blockschaltbild des Fluxgate-Wandler C-Typ

4.4.1 Aufbau und Wirkungsweise

Das grundlegende Funktionssprinzip und die Leistungs-merkmale der Fluxgate-Wandler wurden bereits in denKapiteln 4.1 bis 4.3 erläutert. In diesem Kapitel soll deshalbvor allem auf den Aufbau der C-Typen eingegangen werden.

Die C-Typen-Wandler (Bild 34) enthalten zwei weich-magnetische Ringkerne (T1 und T2) mit jeweils eigenenSekundärwicklungen mit gleicher Windungsanzahl NS. DiePrimärspule ist eine den beiden Ringkernen gemeinsameWicklung mit NP Windungen. Die zwei Sekundärwicklungensind über einen Mittelpunkt, der mit der Elektronik verbundenist, in Reihe geschaltet.

Im Zusammenhang mit den Erläuterungen in Abschnitt 4.1 bis4.3 nutzt der Kern T1 das Fluxgate-Prinzip zur Messung vonStrömen niedriger Frequenz (T1 ist der sogenannte Fluxgate-Messkopf). Dagegen funktioniert der Kern T2 als Strom-transformator für die höheren Frequenzbereiche. Die Sekun-därwicklung des T2 funktioniert gleichzeitig als Nullfluss-Kompensations-Wicklung und gewährleistet so, dass der mitdem Fluxgate-Messkopf detektierte magnetische Flusskompensiert wird.

Das Besondere dieser Wandler-Bauart ist, dass eine einzelneWicklung, die Sekundärwicklung T1, sowohl mit dem StromIm für den „Fluxgate“-Messkopf (Bild 32 und Im in Bild 34)als auch mit dem Sekundärstrom IS für die Nullfluss-Kompen-sation (in Bild 34) versorgt wird. Der Filter (siehe 2 in Bild 34)der Wandlerelektronik sorgt dafür, dass der Magnetisierungs-strom Im aus dem Strom, der die Sekundärwicklung T1durchfließt, herausgefiltert wird, so dass Im nicht als Stör-signal an den Wandlerausgang weitergeleitet wird. Weiterhinist die elektrische Schaltung so konzipiert, dass in einemweiten Betriebstemperaturbereich der elektrische Offset desVerstärkers und Spannungsabfälle automatisch kompensiertwerden und somit zusätzliche externe Einstellungen entfal-len.

Die Wandler vom „C-Typ“ haben üblicherweise einenSpannungsausgang.

4.4.2 CT-Stromwandler

Die „CT“-Stromwandler von LEM können Ströme bis maximal150 A messen. Sie arbeiten im Frequenzbereich von 0 bis500 kHz und bieten eine typische Messgenauigkeit von 0,1 %.Wichtiger Hinweis: „CT“ ist eine LEM-Produktbezeichnungund nicht als Industrie-Standard-Abkürzung für Strom-transformatoren (current transformers) zu verstehen.

Die Hauptvorteile

• Hervorragende Genauigkeit über den gesamten Betriebs-temperaturbereich.

• Große Frequenzbandbreite.

• Extrem kurze Ansprechzeit.

• Sehr hohe Störfestigkeit gegenüber umgebenden Magnet-feldern.

• Sehr gute Überstromfestigkeit (so widersteht z.B. derWandler CT 1-S, ausgelegt für einen Nennstrom von 1 A,eine Überlast von 150 kA über eine Dauer von 150 ms).

• Der Wandlerausgang ist kurzschlussgeschützt.

• Durch einen speziellen Aufbau des Wandlers ist es möglich,eine sehr hohe Isolationsspannung und eine hervorragen-de Teilentladungsfestigkeit zu erzielen (der WandlerCT 5-T/SP3 hat beispielsweise eine Spannungsfestigkeitvon 50 kV eff und eine Teilentladungs-Aussetzspannung von14 kV bei < 10 pC).

Einschränkungen

Die CT-Wandler induzieren im Primärkreis während desMessens eine rechteckige Brummspannung, die vom Primär-/Sekundär-Windungsverhältnis abhängig ist. Die Frequenzliegt üblicherweise im Bereich von 500 Hz. Diese primäreBrummspannung ruft im Primärkreis einen Störstrom hervor,dessen Amplitude von der Impedanz des Primärkreisesabhängt. Je kleiner die Impedanz um so größer ist der Störst-rom (Berechnungsbeispiel im Abschnitt 4.4.6b). Dieser Stromstört den Wandler-Nutzer normalerweise nicht, wird aber vomWandler gemessen und kann als zusätzliche Abweichungbetrachtet werden.

4.4.3 CD-Differenzstromwandler

Durch ihre hohe Messgenauigkeit und kurze Ansprechzeitsind die „CD“-Wandler von LEM besonders gut für die Mes-sung von Differenzströmen geeignet, die sich aus der Summezweier Leiterströme ergeben, die in entgegengesetzterRichtung durch den Wandler geführt werden. Der Wert desDifferenzstroms kann 0,1% des Leiterstromes betragen. Sokann zum Beispiel ein Differenzstrom von 0,1 A für einenHauptstrom von 100 A, oder ein Differenzstrom von 1 A füreinen Hauptstrom von 1000 A gemessen werden. Die Genau-igkeit der Differenzstrommessung über den spezifiziertenBetriebstemperaturbereich liegt bei ungefähr 5 bis 10%.

32

Fluxgate-Technologien

Die Hauptvorteile sind

Hervorragende Auflösung der Stromdifferenz: Fähigkeit,geringe Differenzströme im Vergleich zu den hohenHauptströmen zu messen.

Möglichkeit der externen Einstellung des zu messendenDifferenzstrombereichs (mit Hilfe von Widerständen, diean den externen Ausgangsanschlüssen angeschlossenwerden).

Die spezielle Bauweise ermöglicht die Einstellung derZeitkonstante des zu messenden Differenzstromsignals.Dies ist vor allem praktisch, wenn das Ausgangssignaldes Wandlers als Trigger innerhalb eines Sicherheits-systems verwendet werden soll.

Möglichkeit der Festlegung verschiedener Pegel für die zumessenden Differenzströme (beim Wandler ist dann fürjeden Pegel ein bestimmter, separater Ausgang zugewie-sen).

Die Wandler sind gegen primärseitige Überströmegeschützt.

Die Haupteinschränkungen des CD-Wandlers sind

Eingeschränkter Frequenzbereich (üblicherweise unter 2kHz)

Theoretisch sollte es möglich sein, einen beliebig hohenHauptstromwert bei den CD-Wandlern einzustellen. Durchden speziellen Aufbau der Wandler (Größe des Magnet-kreises, Abschirmung und bestimmte Abmessungen)muss jedoch der Hauptstrom auf einen Höchstwertbegrenzt werden, um so einer lokalen magnetischenSättigung in den Ringkernen vorzubeugen. Dieses würdedie Messgenauigkeit negativ beeinflussen.

4.4.4 CV-Spannungswandler

Die „CV“-Wandler können Spannungen bis 7 kV messen. Dienormale Genauigkeit liegt bei 0,2 % und die Bandbreite gehtvon Gleichstrom bis 700 kHz. Bei den CV-Spannungs-wandlern ist der Primärwiderstand zur Umwandlung derPrimärspannung in einen kleinen Primärstrom bereits imWandler integriert. Die Anzahl der Primär-Amperewindungenist geringer als bei den Halleffekt-Kompensations-Wandlern(Beispiel: CV3 - .... steht für 3 Amperewindungen). Diesbedeutet eine geringere Primärinduktivität und damit einbesseres dynamisches Ansprechverhalten des Wandlersund eine größere Bandbreite.

Die Hauptvorteile sind

Hervorragende Genauigkeit über dem gesamten Betriebs-temperaturbereich

Geringer Stromverbrauch im Primärkreis

Große Frequenzbandbreite und schnelle Ansprechzeit

Ausgezeichnete Abbildung von Spannungssprüngen dv/dt

Hohe Störfestigkeit gegen umgebende Magnetfelder

Sehr gute Gleichtaktunterdrückung (Common-Mode-Verhalten)

Die Haupteinschränkung der meisten CV-Wandler ist diebegrenzte Isolationsspannung von 6 kVeff mit einer Teil-entladungs-Aussetzspannung von 2 kV bei < 10 pC.Allerdings wurde als Alternative der CV4-Wandler mit besse-ren Isolationswerten entwickelt.

4.4.5 Typische Anwendungen der C-Typen-Wandler

Die C-Typen-Wandler wurden vorwiegend für industrielleAnwendungen, bei denen eine sehr große Messgenauigkeitgefordert ist, entwickelt. Dazu zählen unter anderemKalibrierungssysteme, Diagnosegeräte, Prüffeld- und Labor-Anwendungen. Der Wandler ist außerdem aber auch sehr gutfür Traktionsanwendungen geeignet, die hohe Robustheitgegen Temperaturschwankungen und mechanische Belas-tungen erfordern.

CT-Stromwandler

Strommessungen in Sendern.

Für Hochleistungstransformatoren: Messung desMagnetisierungsstroms oder einer möglichen Gleichstrom-komponente zur Vermeidung unerwarteter magnetischerSättigungszustände (Industrieanlagen und elektrischeFahrantriebe).

Strommessung in Induktionsheizsystemen.

Lade- und Entladestrommessungen in Batterie-Prüf-geräten.

Kalibrier-Prüfstände für Hochleistungs-Stromrichter undMotoren.

Strommessung in elektrische Energieverteilungs-Simulato-ren und Unterstationen.

Strommessung in Solaranlagen (präzise Erfassung desLeistungsmaximums).

Laborinstrumente: Galvanisch getrennte Strommessung(an Oszilloskop oder Digital-Multimeter anschließbar) ;Leistungsmessung an Frequenzumrichtern – als Schnitt-stelle zu einem Leistungsanalysator;

Messung des Kathoden-Heizstroms einer KLYSTRON-Anlage (CERN).

CD-Differenz-Stromwandler

Messung und Erfassung von Erdschlussströmen.

Ersatz von herkömmlichen Differenzstromrelais, mithöherer Genauigkeit und Erfassung von wesentlichkleineren Strömen.

Messung von Differenzströmen als Sicherheitsfunktion inelektrischen Traktionsanlagen.

CV-Spannungswandler

Messung von Wechselspannungen in industriellen Hoch-leistungs-Umrichtern.

Spannungsmessung in elektrischen Traktions-Umrichtern(Gleich- und Wechselspannung).

33

Fluxgate-Technologien

Spannungsmessung zwischen den Phasen von Leistungs-Zyklo-Konvertern.

Kalibrier-Prüfstände für Hochleistungs-Stromrichter undMotoren.

Spannungsmessung in Solarzellen-Anlagen (genaueMessung des Leistungsmaximums).

Labormessgeräte: Galvanisch getrennte Spannungs-messung (an Oszilloskop oder Digital-Multimeter an-schließbar); Leistungsmessung an Frequenzumrichtern –als Schnittstelle zu einem Leistungsanalysator.

4.4.6 Berechnung der Messgenauigkeit undStörunterdrückung bei den C-Typen-Wandlern

CT-Stromwandler

a) Genauigkeit des Stromwandlers CT 100-S

Mit dem CT 100-S soll ein Gleichstrom von 100 A gemessenwerden, wobei die Ausgangsspannung gemäß dem Wandler-Datenblatt 5 V beträgt. Die angegebene Genauigkeit beträgt±0,15 %. Im Temperaturbereich von -25 °C bis +70 °C beträgtdie Temperaturdrift der Offset-Spannung maximal ±0,6 mV.

Die einzelnen Abweichungen haben dann folgende Werte:

Genauigkeit ± 0,150 %Temperaturdrift der Offsetspannung(± 0,6 mV/5 V) ± 0,012 %

——————Maximale Messabweichung ± 0,162 %

Dies ist die größt mögliche Messabweichung in Prozent vomNennwert (100 A bei CT 100-S).

b) Brummspannungs-Einstreuung beim StromwandlerCT 5-T

Dieses Beispiel zeigt die Brummspannungs-Einstreuung imPrimärkreis des CT 5-T.

Der im Stromwandler eingebaute Rechteckgenerator (Bild34, Ref. 1) liefert eine Spannung von ±6,8 V.Anzahl der Primärwindungen: NP = 10Anzahl der Sekundärwindungen: NS = 1000Widerstand des I/V-Wandlers(Bild 14, Ref. 4): RC = 100 ΩInduzierte Spannung im Primärkreis: V = 6,8 • NP/NS = 68 mV

Wenn die Primärkreisimpedanz ZP = 100 Ω (abhängig vonder Anwendung des Kunden) beträgt, ist der induziertePrimärstrom IPind = 68 mV / 100 Ω = 0,68 mA. Die induzierteSekundärspannung dieses parasitären Stroms ist dann: VSind= IPind • RC • NP / NS = 0,68 mA • 100 • 10 / 1000 = 0,68 mV.Bei einem Primärstrom mit einem Ausgangssignal von 5 Vbeträgt die entsprechende Abweichmessung: 0,68 mV / 5 V =0,014 %: Ein vernachlässigbarer Wert.

Wenn allerdings die Primärimpedanz gering ist, zum BeispielZP = 1 Ω, gewinnt die Messabweichung, verursacht durchden Rechteckgenerator, an Bedeutung. In diesem Fall beträgtsie 1,4 %.

CV-Spannungswandler – Genauigkeitsberechnung

TA TA max+25 °C +70 °C

Typische Genauigkeit desPrimärwiderstandes, 0,05 % 0,05 %Temperatur-Nennschwankung(typischer Koeffizient 20 ppm/°C) 0,10 %

Typische Genauigkeit desWandlerwiderstandes, 0,05 % 0,05 %Temperatur-Nennschwankung(typischer Koeffizient 20 ppm/°C) 0,10 %

Sekundäre OffsetspannungNennwert: 5 mV 0,10 % 0,10 %TemperaturabhängigerMaximalwert: 10 mV 0,10 %

Maximale Messabweichung 0,20 % 0,50 %

4.5 Fluxgate-Wandler des IT-Typs

Die Kompensationswandler nach dem Fluxgate-Prinzip der IT-Baureihe ermöglichen Strommessungen von Gleich- undWechselströmen sowie deren komplexen Mischformen mitextrem hoher Genauigkeit, sehr guter Linearität und Stabilität.Die Standardmodelle der IT-Baureihe ermöglichen Strom-messungen bis zu 600 A, obwohl prinzipiell mit dieser Tech-nologie auch wesentlich größere Ströme (z.B. 20 kA) erfasstwerden können.

4.5.1 Aufbau und Funktionsweise

Ein IT-Wandler besteht aus einem von einem Elektronikmodulgesteuerten Strommesskopf. Die Öffnung in der Mitte desWandlerkopfs nimmt den stromführenden Leiter mit dem zumessenden Strom (IP) auf. Im Allgemeinen werden je nachAnwendung eine bis vier Primärwindungen verwendet; damitkann der Anwender auch mit nur einem Modell niedrigereStröme mit der gleichen Genauigkeit messen.

Im Wandlermesskopf befinden sich drei Magneteisenkerne(Bild 35 (3), vgl. c1, c2, und c3 in Bild 36), die zum einen diePrimärwicklung (wP1), die gemeinsamen Sekundärwicklungen(wS1 und wS2) sowie zwei weitere sekundärseitige Hilfs-wicklungen (wS3 und wS4) umfassen. Damit in den Magnetker-nen ein Null-Fluss-Zustand herrscht, wird durch einen Verstär-ker ein entsprechender Sekundärstrom (IC) in eine der ge-meinsamen Sekundärspulen (wS2) eingespeist. Diese ist amWandlerausgang mit einem derart vom Anwender zu wählen-den Messwiderstand (oder einer Bürde) in Reihe geschaltet,so dass sich üblicherweise eine Ausgangsspannung von 1 Vbei einem sekundärseitigen Nennstrom IC von 200 mA (IT 150-S) bzw. 400 mA (IT 600-S) einstellt.

34

Fluxgate-Technologien

1. Im Falle einer möglichen Störspannungsrückwirkung(Rauschunterdrückung) auf den Primär- und Sekundär-kreis: eine mögliche Störung ist minimal durch die Tatsa-che, dass die beiden Störsignale mit entgegengesetztemVorzeichen systematisch erzeugt werden; das Rest-rauschen ist nahezu Null.

2. Der Gesamtfluss ist in den Eisenkernen c2 und c3 jeweilsunterschiedlich, da sich Ö1 und Öì im Kern c2 addieren undim Kern c3 subtrahieren (Bild 36). Der Sättigungsgrad inden beiden Kernen ist also verschieden, was unterschied-liche Stromabweichungen für Iì+ und Iì- zur Folge hat (§4.1.2).

Und außerdem, ist die Frequenz der Magnetisierungsströme Iìdeutlich höher als die Frequenz des zu messenden Primär-stroms, haben Iì+ und Iì- zwar die gleiche Wellenform, sindjedoch um eine halbe Periode der Signalform des Rechteck-generators phasenverschoben (180°).

Zusammenfassend kann das Verhalten der zweiMagnetisierungsströme Iì wie folgt beschrieben werden:

• Wenn kein Primärstrom anliegt, ist das System magnetischabsolut symmetrisch. Die Magnetisierungsströme Iì sindjederzeit identisch und haben eine Wellenform, die der inBild 32 gezeigten ähnelt.

• Ein Anstieg des Primärstroms wirkt sich wie folgt auf dieMagnetisierungsströme Iì aus:

1. Auftreten eines Gleichanteils,

2. Entstehung einer Unsymmetrie beim jeweiligenMagnetisierungsstrom Iì (positive Stromspitzen besitzeneine andere Amplitude als negative), und

3. die einzelnen Magnetisierungsströme Iì+ und Iì- habenzwar die gleiche Wellenform, sind jedoch um 180°phasenverschoben. Ein entsprechendes Beispiel dafürist in Bild 31 und Bild 32 dargestellt. Beide Kurven be-ziehen sich auf den gleichen Magnetisierungsstrom Iì.

Im letzteren Fall misst der IT-Wandler nur die Änderung derWellenform und deren Phasenverschiebung, indem er übereinen „Detektor für die zweite Harmonische“ (Bild 36) dieVeränderung einer dieser Oberwellen der Magnetisierungs-ströme Iì erfasst. Die zweite Harmonische bietet sich an, weilsie besonders empfindlich auf Änderungen imMagnetisierungsstrom Iì reagiert.

Zentrales Bauelement dieses Detektors ist ein Transformatormit Mittenanzapfung, in den primärseitig die beiden Magne-tisierungsströme Iì eingespeist werden, die die jeweiligenMagnetflüsse entgegengesetzter Polarität in den beidenHilfswicklungen des Wandlermesskopfes erzeugen.

1. Sind die beiden Magnetisierungsströme Iì identisch (IP = 0),liegt an der Sekundärwicklung des Transformators keinSignal an.

2. Sind die beiden Magnetisierungsströme Iì unterschiedlich(IP ungleich Null), wird das entsprechende Differenzsignaldem Transformator zugeführt. Wenn im konkreten Fall dieStröme Iì+ und Iì- die gleiche Wellenform haben, aber um

An den beiden Eingängen des Verstärkers liegt jeweils einSignal an, das proportional zum Gleichstrom- bzw. Wechsel-stromanteils des zu messenden Primärstroms ist. Im niedrigenbis hohen Frequenzbereich wird dieser Anteil rein trans-formatorisch durch die Sekundärspule (wS1) zur Verfügunggestellt. Bei Gleichstrom bis zu diesen niedrigen Frequenzenliefert ein „Null-Fluss-Detektor“ dem Verstärker seinen Anteilunter Anwendung des in § 4.1 näher beschriebenen Fluxgate-Prinzips.

Das heißt, für den niedrigen bis hohen Frequenzanteil im zumessenden Strom basiert der IT-Stromwandler auf zwei umden gleichen Magneteisenkern (c1) gewickelten Sekundär-spulen (wS1 und wS2), die beide an einen Verstärker ange-schlossen sind. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserungdes Betriebsverhaltens des Wandlers. Eine der Spulen (wS2)wirkt dabei als klassischer Stromtransformator und liefertaußerdem den Null-Fluss-Kompensationsstrom (gleichzeitigauch das Wandlerausgangssignal), während die andere (wS1)ein Korrektursignal zur Kompensation der z.B. durch Streu-induktivität verursachten Stromwandlerlasten bereitstellt.

Der sog. „Null-Fluss-Detektor“ (oder auch Symmetrie-Detektor)für den Gleichanteil bzw. niedrigen Frequenzanteil im zumessenden Strom setzt sich aus zwei magnetisch vollkommensymmetrischen Bauteilen (zwei „sättigbare Elemente“) zusam-men. Diese bestehen aus jeweils zwei Magnetkreisen (c1 undc2 sowie c1 und c3), einer gemeinsamen Primärwicklung (wP1)und der sekundärseitigen Kompensationswicklung (wS2) sowiejeweiligen sekundärseitigen Hilfswicklungen (wS3 bzw. wS4) umdie beiden Magnetkerne (c2 bzw. c3). Diese Hilfswicklungensind an einen Rechteckgenerator angeschlossen, der dieMagnetisierungsströme Iì liefert, die die beiden Eisenkerne (c2bzw. c3) in unterschiedliche Richtungen in die magnetischeSättigung treiben (Bild 35). Bei einem Primärstrom gleich Nullverlaufen die Magnetisierungsströme wie in Bild 36 gezeigtund sind symmetrisch zueinander.

Bei funktionierender Arbeitsweise des Kompensations-wandlers ist der Fluss im Hauptkern c1 gleich Null, und dieprimär- (wP1) und sekundärseitigen (wS2) Flüsse heben sichgegenseitig auf. Für die nun folgende Betrachtung der Arbeits-weise des „Null-Fluss-Detektors“ bei niedrigen Frequenzenund Gleichströmen sei nun angenommen, dass die Sekundär-wicklung (wS2) nicht aktiv ist. Die Durchflutung des Primär-stroms erzeugt einen Magnetfluss (Ö1 in Bild 36) in denKernen c2 und c3; dieser ist in beiden Kernen identisch undbesitzt die gleiche Richtung.

Wie oben bereits beschrieben werden die beiden „sättigbaren“Magnetkreise von einem Rechteckgenerator jeweils in dieSättigung getrieben. Der durch den Primärstrom in den beidenKernen resultierende Fluss führt dazu, dass diese Magnetker-ne nun nicht mehr gleich in die Sättigung getrieben werden,wodurch sich in den zwei Wicklungen MagnetisierungsströmeIì mit ähnlichen Wellenformen ergeben. Aufgrund der Ausle-gung der Hilfswicklungen wS3 und wS4 erzeugen dieMagnetisierungsströme Iì jeweils Magnetflüsse mitentgegensetzter Polarität (±Öì in Bild 36). Die Auswirkungensind wie folgt:

35

Bild 36: Blockschaltbild des symmetrischen Null-Fluss-Sensors

Fluxgate-Technologien

180° phasenverschoben sind, bedeutet dies, dass nurgeradzahlige Oberschwingungen ein Signal an derSekundärwicklung des Transformators erzeugen. Vonbesonderer Bedeutung ist dabei die zweite Harmonische,die von der Detektorelektronik (Bild 36) erfasst wird. Ein mitdoppelter Frequenz des Rechteckgenerators angesteuerterAnalogschalter sorgt dabei für eine zweifache Synchron-gleichrichtung.

Das Ausgangssignal durchläuft noch einen Tiefpassfilter undwird anschließend dem Kompensationsverstärker zugeführt,dessen Ausgang mit der Kompensationsspule wS2 (Bild 35)verbunden ist. Damit berücksichtigt dieser Kompensations-verstärker sowohl die Stromtransformatoreffekte bei hohenFrequenzen als auch das Fluxgate-Prinzip für niedrige Fre-quenzen.

Bild 35: Blockschaltbild des IT-Wandlers

4.5.2 Vorteile und Einschränkungen der IT-Baureihe

Die wesentlichen Vorteile dieser Baureihe sind:

- Extrem hohe Genauigkeit im ppm-Bereich sowie Stabilität

- Null-Offset und Temperaturdrift sind nahezu vernachlässig-bar

- Hervorragende Linearität (besser als 1 ppm)

- Sehr gute Temperaturstabilität (< 0,3 ppm/K)

- Großer Frequenzbereich (0 bis 100 kHz)

- Sehr niedrige Nulldurchgangs-Verzerrungen für hoch-präzise Wechselstrommessungen

- Sehr niedriges Rauschen im Ausgangssignal

Als Einschränkungen sind zu nennen, dass zum einen dieTemperatur, bei denen der Wandler betrieben werden kann,momentan noch auf Laborbedingungen bzw. auf unproblema-tische Umgebungsbedingungen (im Wesentlichen +10 °C bis+50 °C) begrenzt ist, sowie der hohe Stromverbrauch, derentsprechend leistungsfähige Spannungsversorgungenbedingt.

Der im Datenblatt angegebene maximale Messbereich stelltsowohl einen dauerhaft fließenden Gleichstrom dar; errepräsentiert aber auch den Messbereichsendwert im Fallevon Wechselströmen mit den entsprechenden Spitzenströmen.

Eine 10-prozentige Überlast ist dem Datenblatt zufolgedauerhaft zulässig. Bei dieser Überlast sind dennoch dieBasisfunktionen des Stromwandlers gewährleistet.

Ein kurzzeitiger Überstrom (max. 100 ms) mit bis zum fünf-fachen des Messbereichs sind zulässig, ohne dass derWandler zerstört wird.

Als Beispiel mit dem Wandler IT 600-S gibt das Datenblatt an:Messbereich bei Normalbetrieb: 0...600 AÜberlastfähigkeit:- Dauerstrom, 110 % 660 A- Überstrom max. 0,1 s, 500 % 3000 A

4.5.3 Typische Anwendungen für Wandler der IT-Reihe

Die IT-Wandler können in besonderen Anwendungen alswichtiges Element in hochpräzisen Regelungen bzw. zurKalibrierung sowie zur hochpräzisen Strommessung einge-setzt werden. Im einzelnen können angeführt werden:

- Rückführglied in Netzteilen mit hochgenauer Stromregelung

- Hochgenaue Stromregelung in Gradientenverstärkern fürsehr gute Abbildungsleistungen in medizinischen, bild-gebenden Geräten (MRTs)

- Galvanisch getrennte Schnittstelle für Leistungs-analysatoren

- Stromkalibrierung in Prüfständen

- Batterieladegeräte, die eine hochauflösende Strommessungbenötigen

- und allgemein hochgenaue Strommessungen in Labors undin der Messtechnik, sowie sonstige industrielle Sonderan-wendungen

IP

Masse

Masse2f

Iµ-

Iµ+

+Φ1

c2

c1

-Φ µ

+Φµ

Transducerhead

Square wavegenerator

Second harmonicdetector

Nullflu -wandler

B rden-widerstand

ICIP

wS4

wS3

wS2

wS1

Transducerhead

Burdenresistor

ZeroFlux

Detector

36

Fluxgate-Technologien

5 Galvanisch getrennte Stromwandler mit Luftkern

Strom- und Spannungswandler werden in ihrerMesseigenschaft oft durch Störungen beeinträchtigt, die aufdas magnetische Kernmaterial zurückzuführen sind (z.B.Remanenz, Hysterese, Nichtlinearität, Verluste). Wandler mitLuftkern bzw. eisenlose Wandler stellen daher eine interes-sante Alternative dar.

Dabei sind folgende Punkte zu beachten:

• Zur galvanisch getrennten Stormmessung wird häufig einMagnetfeldsensor verwendet. Bei Unterbrechung desBereichs des gebündelten Magnetfeldes (z.B. im Luft-spalt), muss auf ein hochempfindliches Element zurückge-griffen werden (z.B. GMR, Spule).

• Wird ein Magnetkreis verwendet, dient dieser u.a. auchzum Schutz gegen externe Störfelder (Erdmagnetfeld,benachbarte Stromleiter, ...). Bei Stromwandlern ohneMagnetkreis, muss dieser Fremdfeldschutz auf andereWeise erreicht werden, z.B. durch Verwendung einerGMR-Brücke anstatt eines einzelnen GMR-Elements oderbei Verwendung von Rogowski-Spulen, durch einebesondere Anordnung des Rückleiters. Dieser Schutz isteiner der kniffligsten Punkte bei Stromwandlern ohneMagnetkreis.

In diesem Kapitel werden zwei wirkungsvolle Technologienohne Magnetkern beschrieben. Beide Prinzipien eignensich zur Messung von Wechselströmen: LEM~flex undPRiMETM 1.

5.1 Grundprinzip und Empfindlichkeit

Die Wandlertechnologien LEM~flex und PRiME beruhen aufdem gleichen Grundprinzip: Eine Luftspule detektiert dasvom zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld. Die in derSpule induzierte Spannung ist proportional zur Magnetfluss-änderung und somit zur Änderung des zu messendenStroms. Beide Technologien dienen somit ausschließlichder Messung von Wechselströmen oder pulsförmigen(Gleich-)Strömen.

Die in der Spule induzierte Spannung wird wie folgt berech-net:

Eout (t) = L12 • di(t)/dt [V]

Dabei ist i(t) der zu messende Strom in Ampere und L12 dieGegeninduktivität von Primärstrom und Luftspule [Vs/A].

Für einen sinusförmigen Wechselstrom gilt:

i(t) = IPEAK • sin(2 • π • f • t)

Also:

Eout (t) = 2 • π • f • L12 • IPEAK • cos(2 π f t)= EPEAK • cos(2 π f t) [V]

4.5.4 Berechnung der Messgenauigkeit

Für einen IT 600-S Stromwandler soll die Messgenauigkeitbei Gleichströmen von 60 A bzw. 600 A und einer Umge-bungstemperatur von +50 °C ermittelt werden. Um bis zumEndwert von 600 A messen zu können, muss die Ausgangs-spannung auf max. 1 V festgelegt werden (s. Strombelast-barkeitskurve im Datenblatt). Bei einem Windungsverhältnisvon 1:1500 beträgt der Sekundärstrom 400 mA. Daher ist einMesswiderstand von 2,5 Ω anzusetzen.

a) Genauigkeit bei 60 A

Bei TA = 25 °C 10-3 % vomMesswert

DC Offsetstrom bei IP = 0 < 4 µA 10Nichtlinearität: < 1 ppmvom Endwert < 0,4 µA 1Stabilität des Messverhältnisses:<2 ppm vom Messwert < 0,08 µA 0,2

Messabweichung bei +25 °C < 4,48 µµµµµA 11,2

Temperaturdrift (von +25 °C bis +50 °C):

DC Offset-Drift: 0,1 µA /K 2,5 µA 6,25Stabilität des Messverhältnisses:< 0,3 ppm vom Messwert/K 0,3 µA 0,75

Max. Messabweichung bei +50 °C < 7,28 µµµµµA < 18,2

b) Genauigkeit bei 600 A

Bei TA = 25 °C 10-3 % vomMesswert

DC Offsetstrom bei IP = 0 < 4 µA 1Nichtlinearität: < 1 ppmvom Endwert < 0,4 µA 0,1Stabilität des Messverhältnisses:< 2 ppm vom Messwert < 0,8 ìA 0,2

Messabweichung bei +25 °C < 5,2 µµµµµA 1,3

Temperaturdrift (von +25 °C bis +50 °C):

DC Offset-Drift: 0,1 µA /K 2,5 µA 0,625Stabilität des Messverhältnisses:< 0,3 ppm vom Messwert/K 3 µA 0,75

Max. Messabweichung bei +50 °C < 10,7 µµµµµA < 2,7

Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass man auch diesenWandler möglichst weit ausnutzen sollte, um eine möglichstgeringe Messabweichung zu erhalten. Bei kleineren zumessenden Strömen lässt sich das dadurch erreichen, dassman, um die primäre Durchflutung zu erhöhen, entsprechendviele Windungen durch den Wandler legt.

Galvanisch getrennte Stromwandler mit Luftkern

1 : Lizenz von SMF Technologies.

37

Bild 38: Wechselstrommessung mit Rogowski-Spule

Galvanisch getrennte Stromwandler mit Luftkern

Um die tatsächliche Stromform wiederzugeben, muss gene-rell die im Messkopf induzierte Spannung integriert werden.Wie im Beispiel aufgeführt, ergibt die kosinus-förmige Span-nung eine Sinusgröße. Die Integration des Signals wird in derAuswerte-Elektronik der Stromwandler durchgeführt.

In den Datenblättern der LEM~flex- und PRiME-Wandler istein Wert für die Messempfindlichkeit (S12) angegeben, mit derdie Amplitude eines sinusförmigen Stroms in die Amplitudeder Wandlerausgangsspannung umgeformt wird, wobei dieFrequenz als einstellbarer Parameter angeführt ist. Mit demgleichen Empfindlichkeitswert kann auch das Verhältniszwischen den Effektivwerten eines sinusförmigen Primär-stroms und der entsprechenden sinusförmigen Ausgangs-spannung ausgedrückt werden:

EPEAK = S12 • f • IPEAKERMS = S12 • f • IRMS

Die Empfindlichkeit bewegt sich typischerweise in folgendenGrößenordnungen:

LEM~flex Messkopf (RS2): S12 = 1,934E-06 [Vs/A]PRiME: S12 = 2 bis 6E-05 [Vs/A]

5.2 LEM~flex - der flexible Wechselstromwandler

IP

5.2.1 Aufbau und Wirkungsweise

Kernstück des LEM~flex-Wandlers ist der Messkopf (Bild 39)mit Rogowski-Spule. Dabei handelt es sich im Wesentlichenum eine gleichmäßig, um einen isolierenden Kunststoff-zylinder, gewickelte Spule. Um die Unempfindlichkeit gegen-über externen Magnetfeldern zu gewährleisten, wird aneinem Ende der Spule das Signal am Windungsausgangabgenommen und mittig durch die Spulenwindungen zumAnfang der Wicklung zurückgeführt.

Zur Durchführung von Messungen muss der LEM~flex-Wandler weder kreisförmig geformt sein, noch muss derPrimärleiter in der Mitte des Kreises verlaufen. In der Praxis

Bild 39: LEM~flex-Wandler

wird die biegsame Spule um den stromführenden Leitergelegt, und die beiden Enden werden durch den Verschlussmechanisch miteinander verbunden (Bild 40).

Die Empfindlichkeit (§ 5.1) eines LEM~flex-Wandlers kannwie folgt ausgedrückt werden:

S12 = 8 π2 10-7 • N • A

Dabei istN = die Anzahl der internen Windungen um den bieg-

samen Kunststoffzylinder [Windungszahl pro Meter]A = der Querschnitt der Wicklung, d.h., des biegsamen

Zylinders [m].

Eine Rogowski-Spule mit hoher Empfindlichkeit mussentweder eine hohe Anzahl von Windungen pro Meter odereinen großen Spulenquerschnitt haben. Die Länge derLEM~flex-Spule hat keinerlei Auswirkungen auf dieMessempfindlichkeit.

5.2.2 Kenndaten und Eigenschaften

Die Wandler der LEM~flex-Serie wurden zur bequemenMessung ein- und dreiphasiger Wechselströme und gepulsterGleichströme entwickelt. Die Standardmessbereiche sind 30/300/3000 Aeff, 60/600/6000 Aeff. Ausführungen für andereStrombereiche sind jedoch problemlos möglich. Theoretischkönnen unbegrenzt große Messköpfe und Messbereicherealisiert werden.

Der Standard-LEM~flex-Stromwandler hat eine Empfindlich-keit von bis zu 100 mV/A. Die galvanisch vom zu messendenLeiterstrom getrennte Ausgangsspannung beträgt 0 bis 3 Veffektiv und 4,2 V Spitze.

Die biegsamen Messköpfe können problemlos um einen odermehrere unregelmäßig geformte oder schwer zugänglicheLeiter oder Stromschienen gelegt werden. Der Ein- undAusbau des Wandlers ist sehr einfach. Für den Einbau und

38

Galvanisch getrennte Stromwandler mit Luftkern

Fig. 40 Typische LEM~flex-Anordnung mit Umwicklung derStromleiter

Bild 41: Integratorschaltkreis und Frequenzgang

1,30

1,25

1,20

1,15

1,10

1,05

1,00

0,95

4

2

-6

-4

-8

-10

-12

-14

0

-2

8 10 40 100 400 1k 4k 10k 40k 100k

Frequenz (Hz)

Pha

senv

ersc

hieb

ung

() °

Phasenverschiebung

AusgangRel

ativ

eA

mpl

itude

die Durchführung der Messungen ist es nicht erforderlich,den Stromleiter mechanisch oder elektrisch zu unterbrechen.Eine vollständige galvanische Trennung ist dennoch gewähr-leistet. LEM~flex-Wandler sind besonders leicht.

Das Frequenzverhalten des LEM~flex-Wandlers ähnelt demeines Bandpassfilterkreises mit unterer und oberer Grenz-frequenz. Bei niedrigen Frequenzen ist der Verstärkungs-faktor des Integrators sehr hoch, so dass niederfrequentenStörungen mit geeigneten Abschirm- und Schaltungsmaß-nahmen begegnet werden muss. Die obere Grenzfrequenzwird durch die Induktivität und die Wicklungskapazität derSpule bestimmt. Zu beachten ist auch, dass der Integratorspezielle Kompensationsschaltkreise zur Begrenzung desTemperaturdrifts enthält. Im Normalfall sind LEM~flex-Wandler für einen Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHzausgelegt, mit der Möglichkeit diesen auf bis zu 1 MHz zuerweitern.

Da es sich beim LEM~flex-Messkopf um eine Luftspulehandelt, treten keine Hysterese- und Sättigungseffekte undNichtlinearitäten wie bei Magnetkernen auf. Vielmehr beein-flussen folgende Hauptfaktoren die Messgenauigkeit:

(1) Die Herstellungstoleranzen der Spule: in Verbindung mitder Änderung der Dichte der Windungen (bedingt durchhäufiges Öffnen und Schließen), hat die Lage des Primär-leiters im Messkopf einen geringen Einfluss auf dieMessung. Die typische Messgenauigkeit hierdurch liegtbei ca. 1% vom Messbereich.

(2) Fehler durch die Auswerte-Elektronik, z.B. Phasenfehlerund relative Amplitude des Integratorschaltkreises, wie inBild gezeigt.

(3) Externe Ströme in unmittelbarer Nähe des LEM~flex-Wandlers: Sind diese grösser als der zu messende Strom,wirkt sich dies im Allgemeinen mit weniger als 1 % auf dieMessgenauigkeit aus.

5.2.3 Typische Anwendungen

Einige Beispiele

• Strommessung an Stromschienen, insbesondere inInduktions-Heizanlagen

• Frequenzumrichter, drehzahlgeregelte Antriebe undGeneratoren

• Überwachung von Leistungshalbleitern

• Stromverteilungsanalyse in Netzen

• Oberwellenanalyse, Leistungsmessungen, Erfassung derSpitzenlast in Stromnetzen und unterbrechungsfreienStromversorgungen (USV)

• Schaltnetzteile

• Nieder- und Mittelspannungs-Schaltanlagen

• Leistungselektronische Anlagen

• Signalgeber für Leistungsmesser und Netzwerk-Analysato-ren von Energieversorgungsunternehmen

• Elektrische Wartung, Reparatur, sowie Installation undInbetriebnahme von Maschinen

• Anschluss an die gängigen Messinstrumente wie Multime-ter, Oszilloskope, Schreiber, Datenlogger, usw.

5.2.4 Berechnung der Messgenauigkeit

Anbei ein Beispiel für die Berechnung der Messgenauigkeitanhand der LEM~flex RR3020. Diese verfügt über drei durchden Anwender umschaltbare Messbereiche, 30/300/3000 A.

Welche Toleranz muss bei der Messung im 300 A-Messbereich berücksichtigt werden, bei einem Wechselstromvon 280 Aeff bei 50 °C?

Basierend auf den Angaben im Datenblatt, können dieeinzelnen Ungenauigkeiten berechnet werden:

39

Galvanisch getrennte Stromwandler mit Luftkern

- Genauigkeit bei 25°C (± 1 % vom Messbereich± 1 % x 300 A) ± 3 A

- temperaturabhängiger Verstärkungsfehler(± 0,08 %/K vom Messwert

± 0,08 %/K x (50-25) K x 280 A) ± 5,6 A- Maximaler Fehler aufgrund der Lage des Primärleiters

(± 2 % vom Messwert± 2 % x 280 A) ± 5,6 A

- Nichlinearität ( ± 0,2 % vom Messwert) ± 0,56 A

Maximaler Gesamtfehler = ± 14,76 A± 5,3 % vom Messwert

5.3 „PRiME“-Wandler (Planar Rogowski I-currentMEasurement)

Die Wandler der PRiME-Serie wurden zur Messung ein- unddreiphasiger Wechselströme und gepulster Gleichströmeentwickelt. Dank einer neuartigen Kompensationstechnik istder Einfluss externer Störgrößen minimal. PRiME ist eineLuftspulentechnologie, die auf planaren Magnetsensorenohne Ferromagnetikum basiert.

5.3.1 Aufbau und Wirkungsweise

Der Messkopf setzt sich aus zwei Elementen zusammen (Bild42), einer Anzahl von Sensor-Leiterplatten und einer Basis-Leiterplatte. Die Sensor-Leiterplatte besteht aus zwei getrenn-ten, auf einer Mehrlagenleiterplatte angeordneten, Luftspulen(Bild 43). Auf der Basisplatte sind mehrere Sensoren recht-winklig angebracht, die in Reihe geschaltet sind und so zweikonzentrische Schleifen bilden (innere und äußere Schleife –Bild 44). Die Anzahl der Sensor-Leiterplatten hängt davon ab,welche Anforderungen an die Messgenauigkeit, welcheEmpfindlichkeit gegenüber der Lage des Stromleiters und andie Unterdrückung externer Magnetfelder gestellt werden.

Zur Durchführung von Messungen muss der stromführendeLeiter durch die Öffnung des Wandlerkopfes geführt werden(Bild 42). Das Magnetfeld induziert eine zur Stromänderung(di/dt) proportionale Spannung (Bild 44 - Vinner & Vouter). Einkonstanter Gleichstrom induziert keine Spannung und kannsomit nicht gemessen werden, während der Wandler aufgepulste Gleichströme reagiert.

Das für die Strommessung verwendete Signal Vtotal (Bild 45)setzt sich wie folgt zusammen:

)1

vv (1 v v v v x

inner

outerxinner

outerinnertotal

λλ−=−=

Die Besonderheit der Technologie liegt darin, dass beiexternen Störströmen das Verhältnis der in den einzelnenSensor-Schleifen induzierten Spannungen (vouter / vinner)zueinander unabhängig von Stromstärke und Position derexternen Quelle fast konstant ist. Daher können die externenFeldeffekte neutralisiert werden, wenn der richtige Anteil derin der äußeren Schleife (Vouter) induzierten Spannung von

derjenigen in der inneren Schleife, Vinner abgezogen wird, z.B.durch Wahl von l = Vouter/Vinner, d.h. Vtotal = 0. Das typischeVerhältnis von Vouter / Vinner liegt bei ‘l / 2’.

Bei der Messung des Stroms des durch den Wandlerkopfgeführten Leiters führt eine optimierte Wandlerauslegung zueinem typischen Vouter:Vinner-Verhältnis von ‘l / 2’, wobei auchhier die Lage des stromführenden Leiters keine Rolle spielt.Daher entspricht das für die Messung nutzbare Signalannähernd Vtotal = Vinner / 2, d.h., ungefähr die Hälfte des voneiner konzentrischen Sensorschleife aufgenommenenSignals wird für die Messung verwendet.

Dieses neuartige WandIerkonzept ist also gegenüber Stör-einflüssen externer Stromquellen unempfindlich und nutzt50% des potentiell verfügbaren Signals für die Messung.

Da sich die induzierte Spannung proportional zur Strom-änderung im Leiter verhält, muss die im Wandlerkopf indu-zierte Spannung integriert werden. Somit wird die Amplitudeals auch die Phase des gemessenen Stroms korrekt wieder-gegeben. Der Integratorschaltkreis, Bild 45, wird, zwecks derReduzierung von Fehlern durch parasitäre Induktivitäten,möglichst nah am Wandlerkopf angeordnet.

Die weiter oben (§ 5.1) aufgeführten Anmerkungen, zu denvon Luftspulen erfassten Istwerten der Spannung, geltenauch in diesem Fall.

5.3.2 Kenndaten und Eigenschaften

Da in PRiME-Wandlern Luftspulen als Sensorelemente ein-gesetzt werden, treten keine Hysterese- und Sättigungs-effekte und Nichtlinearitäten, wie z.B. bei Stromwandlern mitMagnetkernen, auf.

Der Messbereich ist theoretisch nach oben hin unbegrenzt.Der typische Dynamikbereich beträgt jedoch 1000:1, entspre-chend dem Verhältnis zwischen dem höchsten und demniedrigsten mit dem Wandler zu messenden Strom. DieGenauigkeit wird in Prozent des angezeigten Wertes angege-ben. Dies gilt i.d.R. ab 10 % des Nennmessstroms, so dassdie Genauigkeit oberhalb dieser 10 % sehr präzise ist. ImAllgemeinen liegt sie bei unter ± 0,8 % des angezeigtenWertes, und auch der temperaturabhängige Verstärkungs-fehler ist mit durchschnittlich 0,01 %/°C sehr niedrig.

Die Ausgangsspannung ist direkt proportional zum gemesse-nen Strom und enthält auch Phaseninformationen. DieEmpfindlichkeit hängt dabei vom jeweiligen Messbereich undder verwendeten Versorgungsspannung ab.

Die Öffnungen der angebotenen Wandlerköpfe haben einenDurchmesser zwischen 20 und 160 mm, sowohl für geschlos-sene als auch für aufklappbare Versionen. Theoretisch kanndie Öffnung beliebig groß sein. Bei den aktuell verfügbarenModellen ist die Montage und die Strommessungen ohnemechanische oder elektrische Unterbrechung des strom-führenden Leiters möglich. Eine vollständige galvanischeTrennung wird dennoch gewährleistet.

40

3

2

1

0

-1

-2

30

20

10

0

-10

-20

Attenuation (dB)

Vinner

VouterVtotal

Cf

R1

R1λ

-

+

Galvanisch getrennte Stromwandler mit Luftkern

PRiME-Wandler haben eine obere und eine untere Grenz-frequenz. Nach oben hin wird der Einsatzbereich durch dieEigenfrequenz der Sensoren begrenzt, während die untereGrenzfrequenz von der Auslegung des Integrators abhängt.Die Wandler sind jeweils für einen bestimmten Frequenzbe-reich konstruiert, im Allgemeinen 5 Hz bis 100 kHz. Derzeitwird an Spezialausführungen gearbeitet, um eine Bandbreitevon mehreren MHz erreichen zu können.

Base PCB

Conductor to be measured

Sensor PCB

Base PCB

Conductor to be measured

Sensor PCB

Bild 46: PRiME – Typischer Frequenzgang bis 100 kHz

5.3.3 Vorteile und Einschränkungen der PRiME-Technologie

Vorteile

• Messung von Wechselströmen und gepulsten Gleich-strömen

• Weiter Strommessbereich und hohe Überstrom-belastbarkeit

• Genauigkeit in Prozent vom Messwert: über den gesamtenMessbereich kann mit hoher Genauigkeit gemessenwerden

• Große Frequenzbandbreite

• Geringes Gewicht verglichen mit rein transformatorischenWandlern („CT’s)

• Benutzerspezifische Elektronik kann einfach im Wandlerauf einer gemeinsamen Platine untergebracht werden.

• Potentialfreies Ausgangssignal (z.B. 4-20 mA) kann ohneweitere Aufbereitung z.B. von einer SPS verwendetwerden.

Einschränkungen

• Versorgungsspannung erforderlich, aber mit geringerStromaufnahme

PRiME-Wandler sind daher besonders für den mobilenEinsatz und die Spannungsüberwachung geeignet, wennGewicht und Batterielebensdauer eine Rolle spielen.

Bild 45: PRiME – Aufbereitung des Spulensignals

Bild 42: PRiME-Stromwandler

Bild 43: PRiME Sensor-Leiterplatte

Bild 44: PRiME – zwei konzentrische Spulenschleifen

41

Zusätzliche Typen von Spannungswandlern

Bild 47: OptiLEM-Arbeitsweise

Bild 48: OptiLEM-Spannungswandler

6 Zusätzliche Typen von Spannungswandlern

LEM hat zwei weitere Spannungsmesstechnologien entwi-ckelt, um Messungen zu realisieren, die sich von Halleffekt-(§ 3.4) oder Fluxgate-(§ 4.4.4) basierten Spannungswandler-technologien unterscheiden.

Die erst genannte „OptiLEM“ bezeichnete Technologie nutztLichtwellenleiter zur Übertragung der Spannungsmessdatenund ermöglicht damit eine ausgezeichnete dielektrischeIsolierung.

Die zweite „AV-Spannungswandler“ bezeichnete Technolo-gie basiert auf der elektronischen Trennschaltung, die für diegalvanische Trennung keine elektromagnetischen Teile mehrbenötigt. Das ermöglicht eine kompakte Bauweise. Diebeiden Technologien werden im nachfolgenden Kapitelnäher beschrieben.

6.1 OptiLEM-Spannungswandler

Der OptiLEM-Spannungswandler stellt ein neues, innovativesKonzept dar, das als optimierte Lösung für die Messunghöherer Spannung bei gleichzeitiger galvanischer Trennungentwickelt wurde.

Die wesentlichen Leistungsmerkmale dieses Spannungs-wandlermodells lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Potentialfreie Spannungsmessung bis zu einer Prüf-spannung von 12 kVeff

• Messbereich 100 bis 6000 Volt

• Hohe Genauigkeit (weniger als ±1,5 %Gesamtmessabweichung)

• Bandbreite von DC bis 12 kHz

• Geringe Streukapazität zwischen Primär- und Sekundär-seite (weniger als 10 pF)

• Niedriger Glimmaussetzspannung (weniger als 10pC bei5kV)

Die Arbeitsweise der OptiLEM-Spannungswandler ist in Bild47 dargestellt.

Die Primärspannung (VPN) wird direkt an die Primäran-schlüsse des Wandlers (± U) gelegt. Die Primärspannungwird über ein internes Widerstandsnetzwerk und einigeweitere Komponenten heruntergeteilt, so dass ein für dieElektronik verwertbares Signal entsteht.

Das Signal wird einem Differenzverstärker zugeführt,dessen Ausgangssignal digitalisiert und dann überLichtwellenleiter auf die Sekundärseite übertragen wird. Diedazu erforderlichen Synchronisationssignale werdenebenfalls durch einen Lichtwellenleiter übertragen.

Auf der Sekundärseite wird digitale Signal in ein analogesSignal zurückverwandelt. Der OptiLEM Spannungswandlerstellt am Ausgang ein analoges Stromsignal zur Verfügungwelches weniger empfindlich auf EMV-Störungen reagiertund zur einfachen Skalierung dient.

Eine sehr wichtige und kritische Funktion des Wandlers istdie Bereitstellung der Versorgungsspannung für die Kompo-nenten der Primärseite. Dazu ist ein effizienter Übertragererforderlich, der trotz kompakter Abmessungen für diehohen Isolierspannungen zwischen Primär- und Sekundär-seite geeignet ist.

Schwingkreis

A

D

D

A

U

I

M

PRIMARY SIDEPRIMÄRSEITE

12 bits A/DKonverter

PRIMÄRVERSORGUNG

Gleichricher / Filter

DifferentialVerstärker

U+

U-

0 -

Optische Leitung

Optische Leitung

Serielle Daten

SYNCHRONISATON

SinusSchwingkreis

SECONDARY SIDESEKUNDÄRSEITE

+VVersorgung

-VSPANNUNGSREGLER

+

-

+ HOCHSPANNUNGS

TRANSFORMATOR

Diff.Verst.

Versorgung

42

Bild 49: Blockschaltbild des AV-Spannungswandlers

VPN

Primär-

Nenn-spannung

Operations-verstärker

Trenn-verstärker

U / ISekundärer

Strom-ausgang

Spannungs-versorgung +VC

Gleichrichter Transformer Oszillator

+HT

-HT

Primär Sekundär

IS

-VC

Zusätzliche Typen von Spannungswandlern

6.2 AV-Baureihe Spannungswandler

6.2.1 Aufbau und Wirkungsweise

Die Arbeitsweise der AV-Spannungswandler wird im Bild 49dokumentiert.

Die Primärspannung (VPN) wird über ein internesWiderstandsnetzwerk und weitere Komponenten direkt andie Primäranschlüsse des Wandlers (±HT) gelegt, wobeidas Signal einem Trennverstärker zugeführt wird.

Dieser ermöglicht eine präzise und potentialfreie Übertra-gung der Messdaten von der Primärseite auf die Sekundär-seite des Wandlers.

Eine weitere zusätzlich wichtige Funktion des Wandlers istdie Bereitstellung der Versorgungsspannung zur Versor-gung der Komponenten auf der Primärseite.

Dazu wurde ein speziell konstruierter Spannungswandlerentwickelt, der die erforderliche Isolierspannungen zwi-schen Primär- und Sekundärseite gewährleistet. Dabeiwurde für diesen AV-Wandler nur auf bewährte Elektronik-komponenten, einschließlich des Operationsverstärkerszurückgegriffen.

Das auf diese Weise gewonnene isolierte Ausgangssignalist ein Strom, der ein exaktes Abbild der Primärspannungdarstellt.

6.2.2 Eigenschaften und Kenndaten

Die Wandler des AV-Typs sind Spannungswandler mit Trenn-verstärker-Technologie, die für Messungen im Spannungs-bereich von 50 V bis 1500 Veff. entwickelt wurden.

Der Spannungsmessbereich entspricht dem 1,5-fachen derNennspannung. Jede Art von Gleich-, Wechsel-, Impuls- undkomplexe Mischspannungen können gemessen werden. DerAusgangsstrom ist in jedem Fall ein genaues Abbild derPrimärspannung.

Die Frequenzbandbreite reicht von 0 bis 13 kHz. DieAnsprechzeit (bei 10 % und 90 % von VPmax ) liegt zwischen13 µs bzw. 33 µs. Der Frequenzbereich ist in diesem FallModel unabhängig, im Gegensatz zu den Spannungs-wandlern mit Halleffekt Technologie.

Die Linearitätsabweichung bewegt sich im Bereich von± 0,1 %, die globale Gesamtgenauigkeit beträgt ±1,7 %bei VPN bei einem Temperaturbereich von -40°C bis +85°C.

Der Hauptvorteil der AV-Technologie liegt in den kompaktenAbmessungen. Alle Modelle zwischen 50 und 1500 VeffNennspannung können in der gleichen Größe realisiertwerden. Im Unterschied zu Halleffekt-Spannungswandlernwird kein großer Kühlkörper für die erzeugte Verlustleistungbenötigt.

43

Bild 51: Anschlussschema - negative unipolare Spannungs-versorgung

+ HT

- HT

+

-

M

+ HT

- HT

0 V

- Vc

Bild 50: Anschlussschema – positive unipolare

+ HT

- HT

+

-

M

+ HT

- HT

+ Vc

0 V

Das hat einen deutlich geringeren Platzbedarf zur Folge. DieAV 100-Serie ist nur halb so groß wie die LV 100-Serie(insgesamt ca. 300 cm3). Die Nachteile sind im Vergleich zuCV-Spannungswandlern eine geringere Messgenauigkeit,sowie ein gegenüber CV-Wandlern und einigen Halleffekt-Wandlern eingeschränktes Isolationsverhalten.

Die AV 100-Serie liefert einen Ausgangsstrom von 50 mA beiVPN.

6.2.3 Typische Anwendungen

Spannungswandler des AV-Typs werden hauptsächlich inFahrstrom-Wechselrichtern verwendet, sind jedoch auch fürandere Einsatzzwecke geeignet, z.B für:

• Haupt- und Hilfsbetriebeumrichterrichter- Eingangsspannung- Gleichspannugs-Zwischenkreis- Ausgangsphasen-Motorspannungen

• Chopper• Batterieladegeräte• Unterwerke

6.2.4 Berechnungen und Eigenschaften

Berechnung des Messwiderstands RM

Am Ausgang der AV 100-Serie fließt ein eingeprägter Strom,der mit Hilfe eines Messwiderstands RM in eine Spannungumgewandelt werden kann.

Dabei darf der zulässige Maximalwert RMmax nicht überschrit-ten werden. Die maximale Ausgangsspannung hängt von derdurch die Spannungsversorgung zur Verfügung gestelltenSpannung und dem Spannungsfall der durch die Elektronik-schaltung verursacht wird ab.

Für die AV 100-Serie wird RMmax mit der folgenden Formelberechnet:

RMmax = [(VCmin – 5,1) / ISmax – 31) • 0,9

Dabei ist:

• VCmin [V] = Mindestwert der Versorgungsspannung

• 5,1 [V] = Interner Spannungsabfall verursacht durch Diodenund Transistoren

• ISmax[A] = Maximaler sekundärer Messstrom = (VPmax/VPN) •ISN.

• VPmax [V] = Maximal zu messende Primärspannung

• 31 (Ohm) = Sekundärer Innenwiderstand

• 0,9 = Sicherheitskoeffizient

Die im Datenblatt angegebenen Werte für RMmax beziehen sichauf VPmax.

Zusätzliche Typen von Spannungswandlern

Unipolare SpannungsversorgungFür unipolare Spannungsmessungen, kann die AV 100-Serieauch mit einer unipolaren Versorgungsspannung betriebenwerden. Diese Spannung muss ausreichend groß sein um dieElektronik zu Versorgen – Werte auf Anfrage. Bei einerpositiven Versorgungsspannung misst der Wandler nurpositive Spannungen, bei einer negativen die negativeSpannung

a) Positive unipolare SpannungsversorgungIn dieser Konfiguration muss eine Zener-Diode mit einerZener-Spannung (Vz) > 2 Volt dazwischengeschaltet werden,wie in Bild 2 gezeigt. Der maximale Messwiderstand lässt sichwie folgt berechnen:

RMmax = [(+VCmin – 5,1 - Vz) / ISmax – 31) • 0,9

b) Negative unipolare Spannungsversorgung

In dieser Konfiguration muss eine Zener-Diode mit einerZener-Spannung (Vz) > 5,1 Volt dazwischengeschaltetwerden, wie in Bild 3 gezeigt. Der maximale Messwider-stand lässt sich wie folgt berechnen:

RMmax = [(I-VCminI – 2 - Vz) / ISmax – 31) • 0,9

44

Verschiedenes

7 Verschiedenes

7.1 Verpolung der Spannungsversorgung

Wird ein Wandler nicht korrekt angeschlossen, kann er unteranderem durch eine verpolte Versorgungsspannung beschä-digt werden. LEM empfiehlt daher, je eine Diode in diepositive und negative Speiseleitung mit einzufügen.In verschiedenen LEM-Wandlern sind diese Dioden schon abWerk vorinstalliert.

7.2 Kapazitive Einstreuungen (du/dt)

Bei allen elektrischen Komponenten mit galvanischer Tren-nung der Primär- und Sekundärkreise besteht die Möglichkeiteiner kapazitiven Kopplung zwischen den beiden getrenntenPotentialen.

Bei hohen Schaltfrequenzen und entsprechend hoherSpannungssteilheit (schnelle Spannungssprünge auf derPrimärseite) kann dies zu elektromagnetischen Störungenführen

Ein Spannungssprung von 10 kV/µs in Kombination mit einerKoppelkapazität von 10 pF kann einen Störstrom von 100 mAerzeugen. Das entspricht bei vielen LEM-Wandlern demzweifachen Nennstrom!

Das Problem tritt besonders bei Stromrichtern auf, in denenHalbleiterkomponenten wie z.B. IGBTs (Insulated GateBipolar Transistor) die Eingangsspannung mit Frequenzen imBereich 10 bis 100 kHz schalten, und damit Spannungs-sprünge von teilweise über 20 kV/µs verursachen.

Bild 52 zeigt ein Beispiel für eine durch Spannungsände-rungen dV/dt verursachte Störungen: (CH1) Primärspannungmit konstanten 6 kV und Stoßspannungen von 6 kV/µs (CH2).Signal auf der Sekundärseite eines LAS 50-TP - 16 A/div(CH3).Signal auf der Sekundärseite eines LAH 50-P - 4 A/div.Zeitmaßstab ist 100 ns/div. Diese beiden Wandler haben eineErholungszeit von ca. 400 ns. Der Spitzenstörwert entsprichtbeim LAS50-TP 50 % des Nennstroms und beim LAH 50-P7 % des Nennstroms.

Das Problem der kapazitiven Einstreuungen muss auf zweiverschiedenen Ebenen gelöst werden:

• Die Wandlerauslegung ist so zu optimieren, dass sowohldie kapazitive Kopplung zwischen Primär- und Sekundär-kreis minimiert als auch eine möglichst kurze Wandler-erholungszeit nach einem du/dt-Spannungssprung erreichtwird.

• Der Wandler muss ordnungsgemäß verwendet und optimalin das jeweilige System integriert werden,um dabei diegültigen EMV-Regeln einzuhalten.

Bild 52 : du/dt-Spannungssprung und Wandlersignal

Zusätzlich sollten dabei folgende Regeln berücksichtigtwerden:

• Bei Verwendung langer Kabel an der Sekundärseite desWandlers empfiehlt es sich, geschirmte Kabel einzusetzenund die Abschirmung an beiden Enden auf Erdpotential zulegen

• Die Messungen sollten soweit möglich, zeitlich auf diekapazitiven Einstreuungen abgestimmt werden. Währendeines du/dt-Spannungssprungs sollten keine Strom/Spannungsmessungen durchgeführt werden. Bei einemStromrichter liegt der Schaltzeitpunkt eines IGBTs und dienachfolgende Stabilisierungsphase des Wandlers bei400 ns.

• Bei extrem kurzzeitigen Störungen können dieEinstreuungen mit Hilfe eines kapazitiven Filters kompen-siert werden. Diese Maßnahme geht zu Lasten der Wandler-frequenzbandbreite, zeigt in vielen Fällen jedoch einepraxisnahe Lösung. In Umgebungen mit hohen Störanteilen(z.B. durch digitale PWM-Stromregelung) ist eine wirksameFilterung notwendig.

• Leiterbahnen: Eine kapazitive Kopplung zwischen denLeiterbahnen von Platinen kann auftreten, wenn sich zweiSchleifen sehr nahe kommen, oder über eine zu langeStrecke nebeneinander verlaufen. Bei LEM-Wandlern kanndieses Problem auf Grund des Verhältnisses vonSekundärkreis und Primärkreis auftreten. Generell bestehtdie Möglichkeit, eine Abschirmung einzubauen und unterBerücksichtigung der erforderlichen Isolationsstrecken miteinem festen Potential zu verbinden. Beispielsweise wennsich zwei Leiterbahnen auf unterschiedlichen Lagen dergleichen Leiterplatte befinden, aber parallel zueinanderverlaufen.

45

Verschiedenes

7.3 Magnetische Einstreuungen

Die Messung kann auch durch externe Magnetfeldernegativ beeinflußt werden.

Bei der Strommessung an den Phasen von Frequenzum-richter-Ausgängen liegen die Leiter sehr nahe beieinander.

Die Genauigkeit der Spannungs- oder Strommessungenwird durch die Magnetfelder dieser Leiter beeinträchtigt Diemagnetischen Einstreuungen sind stärker, je geringer dieAbstände zwischen den Leitern sind und je höher der Stromund die Frequenz des Fremdstromes sind.

Die relative Position des einstreuenden Leiters zum Sensor-element (z.B. Hall- oder Fluxgate-Zelle) des Wandlers isthierbei von besonderer Bedeutung.

Die Störungen können auf folgende Weise kompensiertwerden:

(1) Möglichst großer Abstand zwischen Wandler undexternem Stromleiter.

(2) Änderung der Position des Leiters unter Berücksichti-gung der Empfindlichkeit des Wandlers auf Fremdfelder.

(3) Verdrillung der Hin- und Rückleitungen zur Kompensati-on des Magnetfeldes.

(4) Gleichmäßige Aufteilung der Stromleiter und symmetri-sche Verlegung auf beiden Seiten des Wandlers, sodass sich die elektromagnetischen Felder aufheben.

(5) Magnetische Abschirmung des Wandlers.

LEM führte verschiedene Testreihen zur Überprüfung desEinflusses externer Magnetfelder durch. Die dabei entstan-denen Testergebnisse und weitere Hinweise sind aufAnfrage erhältlich.

7.4 Typische fehlerhafte eingestellte Parameter

Die Leistungsfähigkeit eines Wandlers kann durch fehlerhaf-te eingestellte Parameter erheblich beeinträchtigt werden.Hier sind einige klassische Beispiele aufgeführt.

MesswiderstandR < Rmin Gefahr von ÜberhitzungR > Rmax Einschränkung des Messbereichs

StromIn > Ipmax Geringeres Ausgangssignals durch

Sättigung des Kerns und bleibenderpermanenter Offset

In < Ipn Beeinträchtigung der Messgenauigkeit

SekundärspannungUalim < Ualimmin Beeinträchtigung der Messgenauigkeit,

falsches AusgangssignalUalim > Ualim Max Gefahr der Überhitzung

7.5 LEM Wandler in ASIC Technologie

Eine der Lösungen von LEM auf die Kundenforderung nachimmer kleineren und genaueren Wandlern ist die Verwen-dung von ASICs („Application Specific Integrated Circuits“),in denen alle aktiven elektronischen Wandlerkomponentenzusammengefasst worden sind.

Diese Technologie ermöglicht nicht nur deutlich geringereGehäuseabmessungen, sondern bei richtiger Anwendung,eine Verbesserung der Messgenauigkeit durch Minimierungdes Offset und anderer Störeinflüsse.

Durch eine konsequente Mitberücksichtigung der Wandler-umgebung und des di/dt- und du/dt-Verhaltens konnte dieEMV-Festigkeit verbessert werden.

LEM bietet inzwischen eine breite Palette ASIC-basierterWandler an, zu denen auch die Halleffekt-Wandler in Open-Loop-, Closed-Loop- und ETA-Ausführung zählen.

46

Glossar A-Z

Ansprechzeit trLEM definiert die Ansprechzeit als Zeit zwischen dem Zeitpunkt, zudem der Primärstrom 90% seines Nennwertes erreicht, und demZeitpunkt, zu dem das Ausgangssignal 90% seiner endgültigenAmplitude erreicht.

AnstiegszeitAntwort auf einen Sprung des Messstroms von 0 auf Nennstrom.Dabei wird die Anstiegszeit des Ausgangssignals von 10 % auf 90% des Endwertes gemessen.

C-Typen-Kompensationswandler (§ 4.4)LEM-patentierte, hochgenaue Kompensations-Wandler mit sehrgutem Frequenzverhalten, die nach dem Fluxgate-Prinzip arbeiten.Die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen wurde aufein Mindestmaß reduziert. Die Palette der C-Typen-Wandlerumfasst die CT- (Stromwandler § 4.4.2), die CD- (Differenzstrom-wandler § 4.4.3) und die CV-Wandler (Spannungswandler § 4.4.4).

Direktabbildende StromwandlerBei den direktabbildenden Stromwandlern liefert das Ausgangs-signal am Messausgang des Wandlers ein genaues Abbild des zumessenden Primärstromes. Der Messstrom erzeugt im Luftspaltdes Magnetkreises ein Magnetfeld, das von einem Hallgenerator ineine Hallspannung umgesetzt und anschließend verstärkt wird.

Durchflutung (Ampèrewindungen)Magnetische Größe im Inneren einer Spule, die dem Produkt ausSpulenstromstärke und Windungszahl entspricht.

ETADie ETA-Halleffekt-Technologie ist eine Kombination aus direktab-bildender und Kompensations-Halleffekt-Technologie. Im Allgemei-nen weisen ETA-Wandler bei niedrigen Frequenzen ein „direktab-bildendes“ Verhalten und bei hohen Frequenzen ein Kompensati-ons-Verhalten auf (§ 3.3).

FluxgateDas Fluxgate-Prinzip ist neben dem Hall-Prinzip eine weitereMöglichkeit, das durch den Primärstrom erzeugte Magnetfeld zumessen und so eine galvanisch getrennte Strommessung zuerhalten. Unsere Entwickler haben eine große Vielfalt von Fluxgate-Varianten realisiert, die unterschiedliche Leistungseigenschaften mitvariabler Komplexität aufweisen („Standard-“, C-Typ-, IT-Typ- und„Niederfrequenz-“Fluxgate § 4).

Frequenzbereich, FrequenzbandbreiteStromwandler von LEM weisen eine obere Grenzfrequenz auf, abder die Messempfindlichkeit um mehr als 3 dB (1 dB) abfällt. Bei denWechselstromwandlern (LEM-Flex & PRiME) kommt zusätzlicheine untere Grenzfrequenz von einigen Hertz zum Tragen. DerFrequenzbereich wird durch diese untere (meist 0 Hz) und obereGrenzfrequenz gebildet.

FrequenzgangGibt an, wie der Wandlerausgang einer bestimmten Primärsignal-änderung folgt (z.B. di/dt für die Strommessung). Der Frequenz-gang wird als „Zeitverzögerung“ zwischen dem Primärsignal unddem Messausgang gemessen. Diese Verzögerung wird inVerzögerungszeit, Reaktionszeit und Ansprechzeit unterteilt.

HalleffektDieser Effekt wurde 1879 von dem amerikanischen Physiker EdwinHerbert Hall an der John-Hopkins-Universität in Baltimore entdeckt.Er entsteht durch die Lorentz-Kraft, die auf die bewegten elektri-schen Ladungsträger im Leiter einwirkt, wenn diese einem senk-recht zur Stromrichtung verlaufendem Magnetfeld ausgesetzt sind.An den Rändern des Leiters (Plättchens) entsteht eine der Magnet-

flussdichte proportionale Hallspannung VH. Zu den Wandlern, diedas Hall-Prinzip verwenden, gehören die Open-Loop, die Closed-Loop und die ETA-Wandler.

HallempfindlichkeitSie drückt das Verhältnis Hallspannung/Flussdichte aus und wirddurch die Hallkonstante K des Werkstoffs, den Steuerstrom I C undden Kehrwert der Plättchendicke d bestimmt: S H = K • I C / d.

HallgeneratorMit einem Konstantstrom durchflossenes Plättchen aus Metall oderHalbleitermaterial, das eine Hallspannung VH erzeugt, die zursenkrecht eintreffenden magnetischen Flussdichte B proportionalist.

HallkonstanteDie Hallkonstante K ist vom Werkstoff des Plättchens abhängig.

HallspannungDie Hallspannung VH entsteht an den Rändern des strom-durchflossenen Plättchens und ist proportional zur senkrechteinwirkenden magnetischen Flussdichte.

Hysterese, magnetischeDie magnetische Hysterese ist durch die Werkstoffeigenschaftendes Magnetkreises bestimmt und gibt den Verlauf der magneti-schen Flussdichte in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstär-ke an.

HysteresezyklusMagnetische Werkstoffe weisen einen sogenannten Hysterese-zyklus (B-H-Kurve – Bild 4) auf. Unter Hysteresezyklus verstehtman einen vollständigen Magnetisierungs- und Ummagnetisierungs-vorgang, der bei I P = 0 beginnt und auch endet. Der Hysterese-zyklus wirkt sich für gewöhnlich auf die Wandlergenauigkeit(magnetischer Offset), die Verstärkung (mögliche Sättigungseffektebei direktabbildenden Wandlern), das Verhalten nach einer Strom-überlastsituation (möglicher Bedarf an Entmagnetisierung), dieErwärmung bei hohen Frequenzen (Hystereseverluste), denEinfluss externer Magnetfelder (lokale Sättigung) und Induktivitäts-änderungen in einem Fluxgate-Sensorkopf aus.

IT-Typen-KompensationswandlerWandlertechnologie mit der höchsten Genauigkeit. Die IT-Typenbauen auf einem Kompensations-Fluxgate-Prinzip auf (§ 4.5).

Kompensations-StromwandlerStromwandler, bei dem das vom zu messenden Primärstromerzeugte Magnetfeld durch ein vom Sekundärstrom erzeugtesMagnetfeld mit entgegengesetzter Richtung kompensiert wird. DerSekundärstrom ist dann ein genaues Abbild des Primärstromes.Das Übersetzungsverhältnis bestimmt die Größe des Sekundär-stromes. Kompensations-Stromwandler bauen entweder auf demHall- (§ 3.2) oder auf dem Fluxgate-Prinzip (§ 4) auf.

Magnetische RemanenzDie magnetische Remanenz ist die bleibende Flussdichte bei nichtvorhandener Feldstärke nach der Magnetisierung.

Magnetischer OffsetDer magnetische Offset hängt mit dem Remanenzmagnetismuszusammen und kennzeichnet die bei Rückkehr auf I P = 0 herr-schende magnetische Restflussdichte (Nullpunkt-Verschiebung),die entsprechend der letzten Stromrichtung positiv oder negativsein kann. Durch die besondere Konstruktion wird er in LEM-Wandlern auf ein Minimum reduziert und wird in den meisten Fällendurch eine Primärstromüberlast verursacht.

47

Glossar A-Z

Maximaler MessfehlerDer maximale Fehler stellt den ungünstigsten Fall („worst case“)dar und ist gleich der Summe der maximalen Einzelfehler (Linearität,Offset und Temperaturdrift). Der tatsächliche Messfehler ist meistdeutlich geringer.

Messwiderstand / MessspannungBei Wandlern, die einen Stromausgang besitzen, kann ein Messwi-derstand am Wandlerausgang angeschlossen werden, um denAusgangsstrom in eine Messspannung umzuwandeln. DieserMesswiderstand wird mitunter auch als Lastwiderstand bezeichnet.

„Niederfrequenz“-FluxgateTeil der Fluxgate-Wandler-Palette. Preisgünstige Technik mitbegrenzter Bandbreite (§ 4).

Offset-DriftTemperaturbedingte Nullpunktverschiebung des Ausgangssignals.Die Offset-Drift wird in mV/K angegeben.

Offset-Fehler / -SpannungVon Null abweichendes Wandler-Ausgangssignal bei einemPrimärstrom IP = 0. Die Ursache ist meist elektrischer Natur, kannaber zudem auch magnetisch bedingt sein.

Primär-Der Begriff „Primär-“ bezieht sich im Allgemeinen auf alle Parame-ter, die mit dem zu messenden Signal (Strom oder Spannung)verknüpft sind. Beispielsweise ist die Primärwicklung jene Wicklung,die vom gemessenen Primärstrom durchströmt wird.

PrimärnennstromDer effektive Primärnennstrom (dauerhaft zu messender Strom),für den der Wandler thermisch dimensioniert ist.

ReaktionszeitDie Reaktionszeit ist die Antwort auf einen plötzlichen Strom- oderSpannungsanstieg und ist definiert als die Zeit in der das Ausgangs-signal von 0 auf 10 % seines Endwertes ansteigt.

Sättigbarer FeldsensorDas Magnetfeldänderungen gegenüber empfindliche Element beimFluxgate-Prinzip (Bild 25). Der Induktivitätswert des „sättigbarenFeldsensors“ ist abhängig von den Magneteigenschaften des Kerns(Permeabilität). Bei hoher Flussdichte ist der Kern gesättigt undseine Permeabilität und der Induktivitätswert gering. GeringeFlussdichte führt dagegen zu einem hohen Induktivitätswert.

Sekundär-„Sekundär-“ bezieht sich auf alle Parameter, die mit dem Wandler-ausgang verknüpft sind. Die Sekundärseite ist jener Teil, der mit derSekundärstrom- oder –spannungsversorgung, im Allgemeinen vomBenutzer des Wandlers bereitzustellen, verknüpft ist. Die Sekun-därwicklung (welche von der Sekundärstromversorgung versorgtwird) ist jene Wicklung, welche bei Kompensations-Wandlern(geschlossener Regelkreis) für die Nullflusskompensation verwen-det wird.

StromtransformatorenBei mittleren bis hohen Frequenzen wirken Kompensations-Wandlerdurch Verwendung ihrer Sekundärwicklung wie Strom-transformatoren.

ÜbersetzungsverhältnisBei den Kompensations-Wandlern entspricht das Übersetzungs-verhältnis dem Verhältnis aus Primärwindungszahl zu Sekundär-windungszahl. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:1000 wirdz.B. aus einem Primärstrom von 1 A ein Sekundärstrom von 1 mA.

VerzögerungszeitDie Verzögerungszeit wird bei 10 % der Gesamtänderung gemes-sen.

BAC/D, 05.06

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