Einleitung zum Projekt:

Den elektrischen Strom kann man auf unterschiedliche Art und Weise messen. In der Regel geschieht das mit einem Messwiderstand, über dem die abfallende Spannung gemessen wird. Bei den meisten Oszilloskopen ist jedoch der Massekontakt des Signaleingangs mit dem Schutzleiter des 230V Stromnetz verbunden. Eine Strommessung mit einem Messwiderstand ist in vielen Fällen somit nicht möglich. Stromzangenmessgeräte können den Strom zwar potentialfrei messen, sind jedoch für schnelle Messungen völlig ungeeignet, zumal sie in der Regel gar keinen Anschluss für ein Oszilloskop besitzen. Des Weiteren ist der Messbereich von Stromzangenmessgeräten oft extrem groß. Für die Messung von einigen mA bis ein paar A ist ein Messbereich von 0A bis 1000A eher ungeeignet. Wer nun mit seinem Oszilloskop potentialfrei elektrische Ströme messen möchte, kommt um eine Stromzange für Oszilloskope nicht herum. Das Problem für die meisten Hobbyelektroniker ist jedoch der hohe Preis für eine Stromzange, der schon mal den Preis eines einfachen digitalen Speicheroszilloskops übersteigen kann. Angesichts solch hoher Preise überrascht es schon, dass es scheinbar keine Hobbyprojekte in dieser Richtung gibt. Gerade im Bereich der immer stärker wachsenden Leistungselektronik ist das Messen von Strömen mit hoher Frequenz am Oszilloskop häufig unabdingbar.

Die hier vorgestellte Schaltung soll aufzeigen, dass mit relativ wenigen aber hochwertigen Bauteilen eine potentialfreie Strommessung realisiert werden kann. Stromwandler auf der Basis von Hall-Effekt Sensoren sind prinzipiell nichts Neues, doch erst durch diese kleine Zusatzschaltung werden die gemessenen Gleichströme optimal an das Oszilloskop angepasst. Mittelpunkt der Schaltung ist der Stromwandler LTS 25-NP von der Firma LEM. Dieser Stromwandler misst den Strom indirekt über ein Hallsensor und ermöglicht so eine potentialfreie Strommessung. Über die Verschaltung der Anschlüsse des LTS 25-NP ist es möglich aus drei Messbereichen ±8A, ±12A und ±25A einen für sich passenden auszuwählen. Für dieses Projekt wurde jeweils eine Schaltung in der 8A Version und eine in der 25A Version aufgebaut. Die Bandbreite des Stromwandlers reicht von DC bis 200kHz bei -0,5dB ... 1dB. Die Genauigkeit gibt der Hersteller mit ±0,7% an. Die Ausgangsspannung des Stromwandlers beträgt bei 0A genau 2,5V. Ein Strom von 1A ergibt eine Zunahme der Ausgangsspannung von 25mV auf 2,525V. Für die Darstellung kleiner Gleichströme auf dem Oszilloskop, ist eine Ausgangsspannung von 2,5V bei 0A eher ungeeignet. Besser wäre eine Darstellung bei dem die Ausgangsspannung vom Nullpunkt her beginnt. Für diese Verschiebung sorgt diese Schaltung, so dass ein Strom von 0A bis 25A (20A) eine Ausgangsspannung von 0V bis 2,5V (5,0V) bewirkt. In der 8A Version erzeugt ein Strom von 0A bis 10A (5A) eine Ausgangsspannung von 0V bis 5V. Somit können die zu messenden Ströme in den optimalen Messbereichen des Oszilloskops dargestellt werden.

Merkmale der Signalausgänge:

Folgende Signale werden auf den Platinen zur Verfügung gestellt.

(25A Variante)

1. Abgang „Direct_Out“ Ausgangssignal direkt vom LTS 25-NP. Messung von AC/DC Strömen ±25A (±25mV/±A). Nennausgangsspannungsbereich 1,875V bis 3,125V. 0A=2,5V

2. Abgang „Direct_Out_AC“ Ausgangssignal direkt vom LTS 25-NP. Messung von AC Strömen ±25A (±25mV/±A). Nennausgangsspannungsbereich -0,625V bis 0,625V. 0A=0V

3. Abgang „Out_Gain“ Messung von DC Strömen bis 25A bei einer Skalierung von 100mV/A und Messung von Strömen bis 20A bei einer Skalierung von 250mV/A.

4. Abgang „Out_Gain_&_Filter“ verhält sich wie der 3. Abgang, zusätzlich enthält dieser Ausgang noch ein Tiefpassfilter 1.Ordnung 24Hz (-3dB).

(8A-Variante)

1. Abgang „Direct_Out“ Ausgangssignal direkt vom LTS 25-NP. Messung von AC/DC Strömen ±8A (±75mV/±A). Nennausgangsspannungsbereich 1,9V bis 3,1V. 0A=2,5V

2. Abgang „Direct_Out_AC“ Ausgangssignal direkt vom LTS 25-NP. Messung von AC Strömen ±8A (±75mV/±A). Nennausgangsspannungsbereich -0,6V bis 0,6V. 0A=0V

3. Abgang „Out_Gain“ Messung von DC Strömen bis 10A bei einer Skalierung von 500mV/A und Messung von Strömen bis 5A bei einer Skalierung von 1V/A.

4. Abgang „Out_Gain_&_Filter“ verhält sich wie der 3. Abgang, zusätzlich enthält dieser Ausgang noch ein Tiefpassfilter 1.Ordnung 24Hz (-3dB).

Beschreibung des Schaltplans:

Die Baugruppe kann mit Gleich- oder Wechselspannung versorgt werden. Optimal wäre ein Bereich von 9V bis 20V. Somit sollte in jedem Hobbykeller ein passendes Steckernetzteil zu finden sein. Der Anschluss an eine Spannungsquelle erfolgt über Lötnägel oder Federkraftklemmen. Da es sich um eine Schaltung zum Messen handelt, habe ich versucht möglichst hochwertige Bauteile zu verwenden.

Alle Widerstände die im Signalkreis liegen sind 0,1% Typen. Die Stabilisierung der 5V Versorgungsspannung übernimmt die Präzisionsspannungsreferenz LT1021-5. Eine geringe Drift und niedriges Rauschen sind somit gewährleistet. Für einen höheren Ausgangsstrom des LT1021-5 sorgt der parallel geschaltete Transistor T1. Über den Widerstand R1, R2 und der roten LED LD1 wird ein Überstromschutz realisiert. Fließt ein zu hoher Strom, fällt über R2 eine entsprechend höhere Spannung ab. Wenn die Basis-Emitter-Spannung von T1 zuzüglich der Spannung von R2 die minimale Durchlassspannung von LD1 erreicht, fängt diese an zu leuchten und die Strombegrenzung setzt ein. In meinem Beispiel beginnt die Strombegrenzung bei ca. 80mA. Im Kurzschlussfall verheizt T1 die überschüssige Spannung. Aus diesem Grund sollte die Eingangsspannung nicht über 20V liegen. Ansonsten ist der Überstromschutz nicht mehr gewährleistet. Mittelpunkt der Schaltung bildet der Stromwandler LTS 25-NP von der Firma LEM. Dieser Stromwandler misst den Strom indirekt über ein Hallsensor und ermöglicht so eine potentialfreie Strommessung. Über die Verschaltung der Anschlüsse des LTS 25-NP ist es möglich aus drei Messbereichen ±8A, ±12A und ±25A einen für sich passenden auszuwählen. Die Ausgangsspannung des Stromwandlers beträgt bei 0A genau 2,5V. Ein Strom von 1A ergibt eine Zunahme der Ausgangsspannung von 25mV auf 2,525V bei der 25A-Variante, und 75mV auf 2,575V bei der 8A-Variante. Die Ausgangsspannung vom LTS 25-NP wird zu einem auf den Abgang „Direct_Out“ geführt. An diesem können AC-Ströme und DC-Ströme gemessen werden. Der Nennmessbereich beträgt ±25A oder ±8A und entspricht einer Ausgangsspannung von 1,875V bis 3,125V bei der 25A Variante und 1,9V bis 3,1V bei der 8A Variante. Weiterführende Angaben können aus dem Hersteller Datenblatt entnommen werden. Für die Auskopplung von DC-Strömen als AC-Signal ist der Abgang „Direct_Out_AC“ vorgesehen. Da in der Regel alle Oszilloskope eine AC-Kopplung für das Eingangssignal besitzen, ist dieser Abgang nur der Vollständigkeit wegen vorhanden.

Für die Darstellung kleiner Gleichströme auf dem Oszilloskop, ist eine Ausgangsspannung vom LTS 25-NP von 2,5V bei 0A eher ungeeignet. Besser wäre eine Darstellung, bei dem die Ausgangsspannung vom Nullpunkt her beginnt. Die Ausgangsspannung vom LTS 25-NP wird so verschoben, dass ein Strom von 0A bis 25A eine resultierende Spannung von 0V bis 2,5V bewirkt. Die Ausgangsspannung gelangt vom LTS 25-NP auf den Impedanzwandler IC3A und weiter auf den Subtrahierer IC4A. Über den Spannungsteiler R3, R4 und R5 wird eine Spannung von 2,5V am Ausgang vom Impedanzwandler IC3B bereitgestellt. Diese gelangt dann weiter auf den invertierenden Eingang von IC4A und bewirkt eine Verschiebung des Ausgangssignals von IC4A auf theoretische 0,0V. Durch die Subtraktion der beiden Eingangsspannungen wird die Ausgangsspannung vom LTS 25-NP jetzt so verschoben, dass ein gemessener Strom von 1A einer Spannung von 25mV entspricht. Bei der 8A-Variante erzeugt ein Strom von 1A eine Spannung von 75mV. Um kleine Ströme am Oszilloskop besser sichtbar zu machen wird das Ausgangssignal von IC4A durch IC5 weiter verstärkt. Das Ausgangssignal von IC4A gelangt auf IC5A und IC5B. IC5B arbeitet als nichtinvertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 4 oder 10. Die Verstärkung wird über den Schalter S2 eingestellt. Mit dem Schalter hat man die Möglichkeit zwischen zwei Verstärkungen zu wählen. Bei einer Verstärkung von 4 entspricht ein gemessener Strom von 1A einer Spannung von 100mV (4 x 25mV). Bei einem Nennstrom von 25A ergibt sich somit eine Ausgangsspannung von 2,5V. Wird die Verstärkung auf 10 eingestellt so erzeugt ein gemessener Strom von 1A eine Spannung von 250mV (10 x 25mV). Da der Aussteuerungsbereich des OPV bei 5V liegt, können bei einer Verstärkung von 10 nur Ströme bis 20A gemessen werden (10 x 25mV x 20 = 5V). Bei der 8A-Variante ist die Verstärkung auf 6,66 und auf 13,33 eingestellt. Ein gemessener Strom von 1A erzeugt eine Spannung von 500mV (6,66 x 75mV) beziehungsweise 1,0V (75mV x 13,33). IC5A besitzt dieselbe Verstärkung wie IC5B, jedoch ist hier noch ein Tiefpassfilter 1.Ordnung 24Hz (-3dB) vorhanden. Die Eckfrequenz des Tiefpassfilters wird über R10 und C6 eingestellt. Am Ausgang von IC5A und IC5B befinden sich die Widerstände R22 und R23 mit jeweils 0Ω. Diese können bei Bedarf z.B. kapazitive Last angepasst werden.

Die OPVs IC3 und IC4 (AD8552) sind präzise, Zero-Drift, Rail-to-Rail Typen. Durch den extrem geringen Offset der OPVs wird das gemessene Signal nicht verfälscht. IC5 (AD8616) ist ebenfalls ein präziser Rail-to-Rail Typ mit niedrigem Offset. Aufgrund der niedrigen Bandbreite vom AD8552 kann dieser nicht für IC5 eingesetzt werden. Obwohl als OPVs Rail-to-Rail Typen eingesetzt werden, können diese OPVs ihre Ausgänge nicht ganz bis auf 0mV herunter regeln. Laut Datenblatt ist diese Spannung lastabhängig und beträgt einige mV. Bei kleinen Strömen verursachen diese Fehlspannungen einen nicht akzeptablen Fehler. Um diesen Fehler zu beseitigen, wurde die Diode D1 eingesetzt. Die Masse wird um die Höhe der Durchflussspannung von D1 verschoben. Der Bezugspunkt GND2 ist somit um ca. 0,17V höher als die Masse (0V) der Schaltung. Durch die so angepasste Schaltung wird bei einem Strom von 0A auch 0mV am Ausgang gemessen. Durch die Spannungsreserve von ca. 0,17V können auch entsprechend negative Ströme an der Klemme „Gain_Out“ und „Gain_Out_Filter“ gemessen werden. Masse (0V) und GND2 dürfen nicht miteinander verbunden werden.

Mit R5 wird die Ausgangsspannung an der Klemme „Gain_Out“ und „Gain_Out_Filter“ auf 0,0V abgeglichen.

Da der LTS 25-NP auf äußere magnetische Felder reagiert hat dieser eine Kappe aus Weißblech bekommen. Das Weißblech schirmt magnetische Felder ab. Durch diese Maßnahme wird die Präzision nochmals verbessert. Bei einer Verstärkung von 13,33 des gemessenen Signals ist der Einfluss vom Erdmagnetfeld bereits zu beobachten.

Für den einfachen und schnellen Anschluss der zu messenden Leitung stehen 4mm Buchsen und Federkraftklemmen zur Verfügung. Wird die Kappe nicht verwendet, kann durch das Loch im LTS 25-NP eine Leitung zur Strommessung durchgezogen werden.

Praxiserfahrungen:

Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung kann ein Wegdriften der Ausgangsspannung um einige mV je nach gewählter Verstärkung beobachtet werden. Nach ca. 30 Minuten ändert sich die Ausgangsspannung dann aber nicht mehr. Die Ausgangsspannung wird mit R5 auf 0,0V abgeglichen. Mit dieser justierten Schaltung können Ströme am Oszilloskop oder Multimeter relativ genau gemessen werden. Wird die Versorgungsspannung entfernt und wieder zugeschaltet haben die Ausgänge nicht mehr genau 0,0V, sondern liegen je nach eingestellter Verstärkung wieder ein paar mV daneben. Wer es ganz genau haben möchte, muss den Ausgang über R5 wieder auf 0,0V abgleichen. Das Driften der Ausgangsspannung ist nach jedem erneutem Einschalten um einige mV zu beobachten. Bei einer gewählten Einstellung von 1,0V/A entsprechen 10mV gerade einmal 1% des Messwertes.

Aufgenommene Messreihen:

Das Netzgerät Tektronix PWS2326 stellt den zu messenden Konstantstrom zur Verfügung. Zur Spannungsmessung wird ein Multimeter vom Typ „Metra Hit One Plus“ verwendet.

                         Stromwandler 8A Variante          Stromwandler 25A Variante
                                           1,0V/A                                           100mV/A

Strom                                  gemessene Ausgangsspannung

-1,001A                                                                                     -100,1mV
-0,500A                                                                                     -49,7mV
-0,251A                                                                                     -24,5mV
0,000A                               ±2mV                                              ±1mV
0,1A                                   0,101V
0,25A                                 0,251V
0,501A                               0,502V                    
1,001A                               1,003V                                          101,5mV
1,501A                               1,504V
2,001A                               2,006V                                          202,6mV
2,500A                               2,505V    
3,001A                               3,004V                                          303,4mV
3,500V                               3,50V    
4,000V                               4,01V                                            404mV
4,500A                               4,51V

Stromwandler in der Praxis: (siehe Oszilloskopbilder 1 bis 3)

zu Bild1.

Stromverlauf an einem 24V DC-Motor der sich in einer H-Brücke befindet. Die PWM Frequenz beträgt 7,8kHz. Die Ton/Toff Zeit einer Periode liegt bei ca. 78µs/49,6µs.

zu Bild2.

Auf 500µs/Div heraus gezoomt. Die wellige Kurvenform (1.) entsteht, wenn die Schleifkontakte vom Kommutator an den Kohlebürsten entlang drehen. Durch die PWM entsteht der abgebildete Stromverlauf (2.) an der Motorinduktivität.

zu Bild3.

Auf 20ms/Div heraus gezoomt. Die kleinen Signalwellen (2.) entstehen wenn die Schleifkontakte vom Kommutator an den Kohlebürsten entlang drehen. Die große Welle (1.) entspricht genau einer Umdrehung des Rotors. Diese Kurvenform entsteht, da der Motor unrund läuft und die Belastung während einer Umdrehung nicht gleichmäßig ist.