1. Leistungsgrößen
1. Leistungsgrößen
1. Leistungsgrößen
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
<strong>1.</strong> <strong>Leistungsgrößen</strong><br />
Ausgehend von Gleichgrößen konnte die umgesetzte Leistung P0 immer über das Joulsche Gesetz durch<br />
Multiplikation der Strom- I0 und Spannungswerte U0 bestimmt werden.<br />
Joulsches Gesetz: P = U I<br />
Wird auf Wechselgrößen (somit zeitvariable Größen) übergegangen, so sind die Zusammenhänge nicht mehr<br />
so trivial, da auf Grund von Reaktanzen 1 im Kreis die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung nicht<br />
mehr gleich sind. Ist der betrachtete Kreis nicht mehr rein ohmsch, so kommt es zwischen dem Strom i(t)<br />
und der Spannung u(t) zu einer zeitlichen Verschiebung – der Phasenverschiebung φ. Die tatsächlich in der<br />
Last umgesetzte Leistung kann jetzt nicht mehr ausschließlich aus dem Produkt der Effektivwerte UEFF und<br />
IEFF berechnet werden, sondern es muß deren zeitliche Lage zueinander ebenfalls berücksichtigt werden.<br />
Die im folgenden besprochenen <strong>Leistungsgrößen</strong> sind ausschließlich auf elektrische Größen anzuwenden<br />
und haben nicht mehr den allgemeinen Charakter der im letzten Kapitel vorgestellten Signalkenngrößen.<br />
Diese waren hinsichtlich der Anwendbarkeit auf physikalische Gesetzmäßigkeiten keinerlei<br />
Einschränkungen unterworfen. Für folgende Betrachtungen werden die Größen des elektrischen Stromes i(t)<br />
und der Spannung u(t) als sinusförmig vorausgesetzt 2 und folgendermaßen definiert:<br />
u( t)<br />
= Uˆ<br />
⋅ sin( ω t + ϕ )<br />
und i( t)<br />
= Iˆ<br />
⋅sin(<br />
ω t + ϕ )<br />
U<br />
I .<br />
Der Momentanwert (instantaneous power) P(t) der elektrischen Leistung kann entsprechend obiger<br />
Definition somit aus dem Produkt der beiden Momentanwerte i(t) und u(t) errechnet werden, und ergibt sich<br />
dementsprechend zu<br />
P( t)<br />
= u(<br />
t)<br />
⋅ i(<br />
t)<br />
= Uˆ<br />
⋅ sin( ω t + ϕ ) ˆ<br />
U ⋅ I ⋅ sin( ωt<br />
+ ϕ I )<br />
Unter Anwendung des Produktsatzes für trigonometrische Funktionen 3 ergibt sich für den Momentanwert<br />
P(t) der Leistung folgender Ausdruck:<br />
[ Uˆ<br />
Iˆ<br />
⋅cos(<br />
ϕ −ϕ<br />
) −Uˆ<br />
Iˆ<br />
⋅cos(<br />
2ωt<br />
+ ϕ + ) ]<br />
1<br />
P( t)<br />
= ⋅<br />
U I<br />
U ϕI<br />
2<br />
1<br />
Die Impedanz teilt sich in die beiden Anteil Resistanz (Widerstand – reell) und Reaktanz (Induktivtät und Kapazität -<br />
imaginär).<br />
Z = R + jX<br />
mit R Resistanz und X Reaktanz<br />
2 Die Voraussetzung von sinusförmigen Signalformen stellt keine Einschränkung dar, da alle nicht sinusförmigen<br />
Größen mit Hilfe der Fourieranalyse wieder in Ihre sinusförmigen Spektralanteile zerlegt werden können. Somit<br />
können oben besprochene Gesetzmäßigkeiten wieder angewandt werden und erhalten somit einen allgemeinen<br />
Charakter.<br />
3 Vereinfachung der Beziehung durch Anwendung des Produktsatzes<br />
1<br />
sinα ⋅<br />
sin β = ⋅<br />
+ β<br />
2<br />
[ cos( α − β ) − cos( α ) ]<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 1/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Dies bedeutet, das sich die Momentanleistung aus zwei Anteilen zusammensetzt. Der erste Anteil ist zeitlich<br />
konstant und berechnet sich zum Joulschen Gesetz. Im Unterschied zu Gleichgrößen wird dieser Anteil aber<br />
noch mit cos(ϕ) gewichtet 4 . Der zweite Anteil weist die doppelte Frequenz der ursprünglichen Schwingung<br />
auf und zeigt wieder sinusförmigen Verlauf.<br />
Abb. <strong>1.</strong> Verlauf von Spannung U(t), Strom I(t) und der Momentanleistung P(t)<br />
Die tatsächlich in der Last umgesetzte Leistung ergibt sich aus der zeitlichen Mittelung der<br />
Momentanleistung P(t) über die Zeit. Durch die Mittelung der Momentanwert P(t) der Leistung über die<br />
Periode T errechnet sich somit die Wirkleistung (true power) 5 PW. Eine andere Art der Definition für die<br />
Wirkleistung läßt sich aus der komplexen Wechselstromrechnung ableiten. Die Wirkleistung PW ist jener<br />
Anteil an der elektrischen Leistung, die in einer Impedanz Z in eine andere (nicht elektrische) Energieform<br />
umgewandelt wird (z.B. Wärme, oder mechanische Arbeit bei Motoren).<br />
T<br />
T<br />
PW I<br />
0<br />
0<br />
1<br />
1<br />
= P(<br />
t)<br />
= ⋅ u(<br />
t)<br />
⋅i(<br />
t)<br />
dt = ( Uˆ<br />
⋅ Iˆ)<br />
⋅ sin( ω t + ϕU<br />
) ⋅sin(<br />
ωt<br />
+ ϕ ) dt<br />
T ∫<br />
T ∫<br />
T<br />
1 1<br />
1<br />
= ⋅Uˆ<br />
Iˆ<br />
⋅ cos( − ) − cos( 2 + + ) = ⋅ ˆˆ<br />
⋅cos<br />
⋅ −........<br />
2 ∫ ϕ U ϕ I ωt<br />
ϕU<br />
ϕ I dt UI<br />
ϕ<br />
2 ∫ dt<br />
T<br />
T<br />
0<br />
Die Integration über die Periode T ergibt bei Sinus und Cosinusfunktionen stets Null. Somit ist der zweite<br />
Term Null und es ergibt sich für die Wirkleistung PW:<br />
4 Entspricht dem Phasenwinkel zwischen dem Strom i(t) und der Spannung u(t) an der Last. Kann auch als Differenz<br />
der Phasenwinkeln von Strom ϕI und Spannung ϕU dargestellt werden.<br />
5 Ähnlich der Gleichstromtechnik ist die Wirkleistung über die Wärmeentwicklung definiert. Die sich in einer Last<br />
entwickelnde Wärme ist in fundamentaler Weise mit der Wirkleistung PW verknüpft. In der HF Technik wird die<br />
Wirkleistung PW oft nur über die Wärmeentwicklung gemessen.<br />
Ein exzellenter Artikel über RF Leistungsmessung, Normung und eine kurze Einführung stellt die AN-64-1B von<br />
Agilent Technology dar und findet sich unter:<br />
http://literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-6630E.pdf<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 2/21<br />
T<br />
0
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
1<br />
P ˆ ˆ<br />
W = U ⋅ I ⋅cosϕ<br />
= U EFF ⋅ I EFF<br />
⋅ cosϕ<br />
mit ϕ = ϕU<br />
−ϕ<br />
I<br />
2<br />
Die Wirkleistung ist somit von der Zeit unabhängig 6 und nur von den Effektivwerten von Strom i(t) und<br />
Spannung u(t) und deren Phasenlage φ zueinander abhängig. Die Wirkleistung wird in Watt (W)<br />
angegeben. Betrachtet man den zeitlichen Verlauf der Momentanleistung P(t), so läßt sich dieser durch<br />
einen konstanten und einen zeitabhängigen Anteil darstellen (siehe Abbildung 4).<br />
Wird von der zeitliche Integration über die Periodendauer abgegangen so ergibt sich folgender<br />
Zusammenhang:<br />
ˆ ⋅ ˆ ˆ ⋅ ˆ<br />
= ˆ + ⋅ ˆ<br />
U I U I<br />
P( t)<br />
U sin( ω t ϕU<br />
) I sin( ωt<br />
+ ϕ I ) = cosϕ<br />
− cos( 2ωt<br />
+ ϕU<br />
+ ϕ I ) =<br />
2 2<br />
= PW − PS<br />
⋅cos(<br />
2ω<br />
t + ϕU<br />
+ ϕ I )<br />
Hieraus ist die Größe der Scheinleistung PS ableitbar. Die Scheinleistung PS errechnet sich aus dem Produkt<br />
der Effektivwerte von Strom i(t) und Spannung u(t). Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß die<br />
Momentanleistung P(t) mit der doppelten Kreisfrequenz 2ω variiert und die Amplitude PS aufweist. Der<br />
arithmetische Mittelwert der Momentanleistung P(t) ist durch die Wirkleistung PW gegeben.<br />
Ist PW kleiner als PS (ist bei komplexen Lasten auf Grund der Phasenverschiebung φ zwischen Strom i(t) und<br />
Spannung u(t) immer der Fall), so treten Zeitpunkte mit negativer Momentanleistung P(t) auf. Diese<br />
negativen Leistungsanteile sind als Energiefluß vom Verbraucher zum Erzeuger zu interpretieren. Kapazitive<br />
und induktive Verbraucher zeigen die Fähigkeit der Energiespeicherung und liefern deshalb wieder Energie<br />
an den Erzeuger zurück. Die in der Induktivität und der Kapazität gespeicherte Energie läßt sich<br />
folgendermaßen berechnen:<br />
1<br />
EIND ⋅ LI<br />
2<br />
2<br />
= und<br />
1<br />
ECAP = ⋅CU<br />
2<br />
Im Falle der Induktivität wird die Energie somit im magnetischen Feld gespeichert und ist proportional zum<br />
Stromquadrat I 2 . Für die Kapazität wird die Energie im elektrischen Feld gespeichert und ist proportional<br />
zum Spannungsquadrat U 2 .<br />
Dieser zwischen Verbraucher und Erzeuger pendelnde Anteil der Momentanleistung P(t) wird demzufolge<br />
auch als Pendel- oder Blindleistung PB bezeichnet (Angabe in VAr – Volt-Ampere-Reaktiv).<br />
Die in einem nicht rein ohmschen Kreis auftretende Blindleistung PB ist also stets die Folge der<br />
Energiespeicherung in induktiven oder kapazitiven Bauelementen. Hat eine Baugruppe keinen ohmschen<br />
Verbraucher, so wird in dieser Baugruppe auch keine Leistung umgesetzt. Die in induktiven oder kapazitiven<br />
Bauelementen gespeicherte Energie wird stets wieder zur Gänze an den Erzeuger zurückgeliefert. Der<br />
augenblickliche Leistungsfluß zwischen Verbraucher und Quelle wird immer durch P(t) beschrieben. Der<br />
Spitzenwert von P(t) wird durch PS beschrieben, und die Größe der Scheinleistung PS wird in der Einheit<br />
Volt-Ampere VA angegeben.<br />
Für die <strong>Leistungsgrößen</strong> gilt folgender Zusammenhang:<br />
6 Die Wirkleistung ist keine in jeder beliebig kurzen Zeitspanne in der Last meßbare Leistungskomponente sondern sie<br />
ist definitionsgemäß ein arithmetischer Mittelwert über ein bestimmtes Zeitintervall. Bei periodischen Signalformen<br />
wird sinnvollerweise die Periodendauer als Mittelungsintervall herangezogen.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 3/21<br />
2
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
P P ⋅ cosϕ<br />
und P P ⋅sinϕ<br />
W<br />
= S<br />
und somit<br />
2<br />
S<br />
2<br />
W<br />
P = P + P<br />
2<br />
B<br />
B = S<br />
Die Blindleistung PB ist stets mittelwertfrei und beschreibt die oszillierenden, zwischen Quelle und Senke<br />
(oder auch Last) pendelnden Leistungsanteile. Nachfolgenden sind noch einige Beispiel für den Verlauf der<br />
Momentanleistung P(t) bei verschiedenen Verbrauchern dargestellt.<br />
Abb. 2. Kapazitiv – Verlauf von Spannung U(t), Strom IR(t), IC(t) und der Momentanleistung PR(t), PC(t)<br />
Wird die Leistung am Kondensator PC(t) betrachtet so ist deutlich zu erkennen, daß deren Mittelwert NULL<br />
beträgt. Dies bedeute aber nicht das keine Energie transportiert wird, diese wird im idealen Kondensator<br />
verlustlos gespeichert und zu nachfolgenden Zeitpunkten wieder an die Quelle zurückgeliefert.<br />
Abb. 3. Induktiv – Verlauf von Spannung U(t), Strom IR(t), IL(t) und der Momentanleistung PR(t), PL(t) und P(t)<br />
Analog zum Kondensator ist die Leistung an der idealen Spule L1 ebenfalls mittelwertfrei. Dies bedeutet,<br />
daß in idealen Spulen keine Leistung umgesetzt wird, diese wird gespeichert und anschließend wieder an die<br />
Quelle zurückgeliefert. Auf Grund des ohmschen Verbrauchers ist der zeitliche Mittelwert von P(t) nicht<br />
Null, es wird also in der Last Wirkleistung PW umgesetzt.<br />
Folgende Abbildung verdeutlicht die Zusammenhänge der drei <strong>Leistungsgrößen</strong> PS, PW und PB. Die Größe<br />
des Stromes i(t) und der Spannung u(t) sind für alle drei Fälle unverändert, der einzige Unterschied besteht<br />
in der Variation des Phasenwinkels φ zwischen i(t) und u(t).<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 4/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Abb. 4. Verlauf der <strong>Leistungsgrößen</strong> bei unterschiedlichen Phasenlagen φ<br />
Für den Fall φ = 90° sind die positiven und negativen Flächen unter P(t) gleich, es wird also netto keine<br />
Leistung zum Verbraucher transportiert und es gilt somit PW = 0. Die innerhalb eines Teils der<br />
Periodendauer an die Last übertragene Energie wird in dieser gespeichert und anschließend wieder zur<br />
Gänze an die Quelle zurückgeliefert. Es sei darauf hingewiesen, daß weder die gemessenen Werte für den<br />
Strom i(t) noch die für die Spannung u(t) Null sind, sondern auch durchaus große Werte annehmen können.<br />
Trotzdem ist aber die von der Last aufgenommene Leistung Null. Die Wirkleistung PW kann somit nicht aus<br />
zwei Einzelmessungen für Strom i(t) und Spannung u(t) bestimmt werden, da hierbei die Phasenbeziehung φ<br />
der beiden Größen zueinander verloren geht.<br />
Der Quotient aus Wirkleistung PW und Scheinleistung PS wird auch als Leistungsfaktor 7 cosϕ bezeichnet<br />
und charakterisiert die an einem Erzeuger angeschlossene Last. Für cosϕ gilt stets ≤ <strong>1.</strong>00. Für rein ohmsche<br />
Lasten ist cosϕ = <strong>1.</strong>00. Für rein reaktive Lasten, induktiv φ = 90° (Spannung ist voreilend) und kapazitiv φ =<br />
– 90° (Strom ist voreilend) ist der Leistungsfaktor exakt Null.<br />
cos ϕ =<br />
P<br />
P<br />
W<br />
S<br />
Die Erfassung der Wirkleistung PW kann wie in Kapitel 2 beschrieben, in elementarer Weise durch ein<br />
elektrodynamisches Meßwerk erfolgen. Für die Leistungsmessung müssen also stets multiplizierende<br />
Meßwerke eingesetzt werden. Bei den einfachen elektromechanischen Meßwerken wird die Integration über<br />
die Periodendauer durch die mechanische Trägheit des Instruments erreicht.<br />
Ein als Wirkleistungsmesser arbeitendes elektrodynamisches Meßwerk wird als Wattmeter bezeichnet. Die<br />
zu messende Wirkleistung kann nicht direkt angezeigt werden, sondern muß aus der sogenannten<br />
Wattmeterkonstanten cW berechnet werden. Die Wattmeterkonstante cW berechnet sich aus den verwendeten<br />
Meßbereichen und Anzahl N der Skalenteile und gibt somit die Leistung pro Skalenteil an.<br />
U MAX ⋅ I MAX ⋅cosϕ<br />
MAX<br />
CW<br />
=<br />
N<br />
für eine Anzeige von n Skalenteilen ergibt sich die Leistung somit zu PW = cW n.<br />
7 Im englischen auch power factor.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 5/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Für folgendes Wattmeter ist die Wattmeterkonstante cW zu berechnen:<br />
Umax = 240V, Imax = 5A, cosϕmax = 1 und 150 Teilstrichen ergibt sich Cw = 8,00 W/Skt.<br />
Abb. 5. Messung der Wirkleistung mit elektrodynamischem Meßwerk (Strompfad fett, Spannungspfad dünn)<br />
Für die Bestimmung der Blindleistung muß entweder der Strom oder der Spannungspfad des MW in der<br />
Phase um 90° gedreht werden. Eine sinnvolle Realisierung ist aber nur über eine Phasenverschiebung des<br />
Stromes im Spannungspfad möglich.<br />
Abb. 6. Messung der Blindleistung über 90° Phasenschiebernetzwerk<br />
Für die Erfassung der Blindleistung ist es notwendig, zwischen dem Strom des Spannungspfades und dem<br />
Eingangsstrom IQ eine 90° Phasenverschiebung zu erreichen. Die notwendige Phasendrehung von 90° kann<br />
durch passive Kunstschaltungen erreicht werden (Hummel Schaltungen). Die Phasendrehung von exakt 90°<br />
gilt aber nur für die Frequenz, für die der Phasenschieber berechnet wurde.<br />
In modernen Meßgeräten wird die Leistungsmessung über intergrierte Multiplizierer (logarithmische<br />
Verstärker) durchgeführt 8 .<br />
8<br />
Ein Artikel über den Aufbau eines einfachen digitalen Leistungsmeßgerätes, das über oben erwähntes Prinzip arbeitet,<br />
findet sich unter:<br />
http://www.ednmag.com/ednmag/reg/1998/091198/19di.htm#make<br />
Multiplizier und logarithmische Verstärker siehe auch: Analog Devices – AD834<br />
http://products.analog.com/products/info.asp?product=AD834<br />
Oder Burr Brown – MPY 634<br />
http://focus.ti.com/docs/prod/productfolder.jhtml?genericPartNumber=MPY634<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 6/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Die Spannungsgröße u(t) kann hierbei direkt erfaßt werden, und der Strom i(t) wird im allgemeinen über<br />
einen in den Kreis eingefügten Shunt Widerstand RS gemessen.<br />
Abb. 7. Verlustleistungsmessung an einem Transistor über multiplizierenden Verstärker EL4452 [Elantec]<br />
Aus der Multiplikation des Stromes i(t) und der Spannung u(t) ergibt sich die Momentanleistung P(t), und<br />
über die zeitliche Intergration erhält man die Wirkleistung PW.<br />
Obige Schaltungsvariante zeigt die Möglichkeit der Messung der Verlustleistung PV an einem Transistor.<br />
Über die Widerstände RC1 und RC2 wird die Kollektor-Emitter Spannung UCE am Transistor erfaßt. Der<br />
Strom durch den Transistor wird über den Spannungsabfall am Emitterwiderstand RE gemessen. Über die<br />
Multiplikation und anschließende Mittelung wird die Wirkleistung PW, also die effektive Verlustleistung PV<br />
am Transistor für beliebige Phasenverschiebungen φ bestimmt. Siehe auch application note AN-7:<br />
http://www.elantec.com/pages/apppdf/d4095<strong>1.</strong>pdf<br />
<strong>1.</strong><strong>1.</strong> Energiemessung<br />
Wird die, dem Verbraucher entnommene, Wirkleistung über die Zeit integriert läßt sich die elektrische<br />
Arbeit oder Energie bestimmen. Die Einheit für die elektrische Arbeit ergibt sich direkt aus der<br />
Bestimmungsgleichung zu Ws (Watt x Sekunde).<br />
Für die Messung der elektrischen Arbeit dienen Elektrizitätszähler. Bei den klassischen mechanischen<br />
Geräten wird die Integration über ein mechanisches Zählwerk realisiert. In Zusammenhang mit der<br />
Elektrizitätsmengenmessung im industriellen Bereich ist die Einheit Ws natürlich viel zu klein und es wird<br />
im allgemeinen durch kWh oder MWh ersetzt.<br />
t 0+<br />
T<br />
E = ∫ PW<br />
dt = UI ⋅ cosϕ<br />
⋅T<br />
t 0<br />
Als klassisches MW für die Messung der elektrischen Arbeit in Haushalt und Industrie (Elektrizitätszähler)<br />
gilt das Induktionsmeßwerk oder Ferraris-Zähler (Wanderfeld Zähler). Im folgenden soll das<br />
Funktionsprinzip kurz dargestellt werden.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 7/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Abb. 8. Funktionsprinzip des Ferraris Zählers<br />
Der Strom des Leistungskreises erzeugt über Spule 2 in der elektrisch leitfähigen (Aluminium ) Scheibe 3<br />
Wirbelströme. Die Spannung des Leistungskreises erzeugt über Spule 1 ein Magnetfeld das in Kombination<br />
mit den Wirbelströme eine Kraft FA zur Folge hat, die die Scheibe 3 in Rotation versetzt. Das durch die Kraft<br />
FA erzeugte Antriebsmoment ist mit dem, vom Bremsmagneten 4 erzeugten Gegenmoment stets im<br />
Gleichgewicht. Die Rotationsgeschwindigkeit ist somit ein Maß für die Momentanleistung. Die Integration<br />
der Momentanleistung erfolgt über das Zählwerk 5, dessen Anzeige somit proportional zur transportierten<br />
Energie ist.<br />
Obiger Ferraris Zähler ist das klassische MW zur Verbrauchsbestimmung (billing meter) bei privaten oder<br />
kleinindustriellen Stromabnehmern. Auf Grund seines mechanischen Aufbaus ist dieser Zähler sehr teuer in<br />
der Produktion und wird heute weitgehend durch elektronische Zähler 9 ersetzt. Moderne<br />
Elektrizitätsmengenzähler auf Halbleiterbasis gehen über die klassische Aufgabe der kWh / MWh Messung<br />
weit hinaus und bieten auch die Möglichkeit der Bestimmung von Effektivwerten für Strom IEFF und<br />
Spannung UEFF als auch die Bestimmung der Momentanleistung P(t).<br />
Abb. 6 zeigt eine mögliche Variante zur Bestimmung der verbrauchten Energie auf der Basis eines<br />
intergierten Elektrizitätsmengen Zählers von Analog Devices dem AD7750. Über den externen<br />
Spannungsteiler RA, RB wird die Spannung gemessen. Die Strommessung erfolgt über einen 400µΩ Shunt<br />
(aus Kostengründen oft in der Form eines Leiterbahnstückes am PCB realisiert).<br />
9 Auf Grund der weiten Verbreitung von Elektrizitätsmengenzähler bieten mehrere Halbleiterhersteller Ein-Chip<br />
Lösung für derren Realisierung an. Es sind sowohl Ausführungen zur Ansteuerung von mechanischen als auch<br />
elektrischen Anzeigeeinrichtungen am Markt, z.B. CS5460 von Cirrus Logic.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 8/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Abb. 9. Messung des Leistungsverbrauchs über AD7750 von Analog Devices<br />
Die einzige aktive externe Komponente für die Funktion des MW ist die Spannungsversorgung von 5VDC.<br />
Die notwendige Zeitbasis für die Zeitmessung wird über den Quarz XTAL abgeleitet. Als Ausgangsgröße<br />
stehen zwei Impulsausgänge F1 und F2 mit 100 oder 3200 Impulsen pro kWh zur Verfügung.<br />
Für weiter Information siehe:<br />
http://products.analog.com/products/info.asp?product=AD7750<br />
http://207.87.22.21/design/products/overview/index.cfm?ProductID=142<br />
Eine empfehlenswerte Einführung in obige Thematik siehe auch:<br />
http://www.analog.com/techsupt/application_notes/AN545.pdf<br />
2. Meßwandler<br />
Die primäre Aufgabe der Meßwandler 10 besteht darin, die interessierende Größe (den zu messenden Strom<br />
oder die zu messende Spannung) auf einfach zu erfassende Werte zu transformieren. Des weiteren wird der<br />
Meßkreis vom Lastkreis galvanisch getrennt. Dies ist des öfteren aus sicherheitstechnischen Gründen<br />
gefordert (z.B. Hochspannungstechnik, Messung von Spannungen bis 100kV und darüber). Ein weiterer<br />
Vorteil des Einsatzes von Meßwandlern besteht in der Vermeidung von Erdschleifen und die Möglichkeit<br />
Spannungen, die auf verschiedene Bezugspotentiale referenziert sind, gemeinsam zu verarbeiten.<br />
10 Im folgenden soll ausschließlich die Wandlung elektrische Größen betrachtet werden. Wird die Umwandlung<br />
physikalische Größen in Betracht gezogen so spricht man von Sensoren oder Sensorik im allgemeinen.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 9/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Ausgangspunkt für die Überlegungen an den Meßwandlern 11 soll die Gegenüberstellung von elektrischem<br />
und magnetischem Kreis bilden.<br />
Abb. <strong>1.</strong> Vergleich elektrischer und magnetischer Kreis mit treibender Kraft EMF (U) und MMF (I)<br />
Wird für den Fall des elektrischen Kreises der Schalter S geschlossen so bildet sich auf Grund der<br />
Potentialdifferenz U (EMF – ElectroMotive Force) ein Stromfluß I aus. Für den Fall des magnetischen<br />
Kreises ist die treibende Kraft (MMF – Magneto Motive Force) der Strom I. Umschlingt die Wicklung den<br />
Kern mehrmals so gilt:<br />
MMF = I ⋅ N in [A] oder „Ampere Windungen“<br />
Auf Grund der MMF bildet sich im Inneren des Kern ein Feldgradient aus – die magnetische Feldstärke H.<br />
Mit der magnetischen Feldstärke H ist der magnetische Fluß Φ verknüpft.<br />
Φ = µ H ⋅ A<br />
µ 0 R<br />
in [Wb / Weber] mit<br />
MMF<br />
H =<br />
lKernDurchmesser<br />
mit µ0 als magnetische Permeabilität 12 des Vakuums. µ 0 = 4π ·10 –7 [Vs/Am]<br />
mit µR als Permeabilität 13 des Werkstoffes (materialabhängige Größe).<br />
mit A als Querschnitt des Magnetkerns.<br />
Wird über den Kern noch eine zweite Wicklung gelegt, so werden diese als primär N1 und sekundär<br />
Wicklung N2 bezeichnet, wobei beide Wicklungen mit dem Fluß Φ verknüpft sind. Der Aufbau aus<br />
Magnetkern mit primär und sekundär Wicklung wird als Transformator oder Übertrager 14 bezeichnet. Je<br />
nach Anwendungsbereich unterscheiden sich die Wandler in ihrem Kernmaterial (z.B.: HF Technik<br />
Ferritkerne) und der Ausführung der Wicklungen.<br />
11 In diesem Zusammenhang wird auch oft von Übertragern gesprochen, diese ist aber vor allem im Bereich der<br />
Audiotechnik üblich. Hier werden die Übertrager für die galvanische Trennung von einzelnen Komponenten in der<br />
Signalkette verwendet um Brummschleifen zu vermeiden.<br />
12 Wird ein magnetisierbarer Werkstoff in ein Magnetfeld H eingebracht, so ist festzustellen, daß sich die magnetischen<br />
Feldlinien in diesem Werkstoff konzentrieren. Der magnetisierbare Werkstoff stellt in Analogie zum elektrischen<br />
Widerstand eines Leiters einen besseren magnetischen Leiter als das umgebende Medium (i.a. Luft) dar. Somit läßt sich<br />
die magnetische Permeabilität µ auch als magnetische Leit- oder Durchdringungsfähigkeit darstellen.<br />
13 Die Permeabilität µR des Werkstoffes ist für jeden Werkstoff spezifisch und keine Konstante. Sie ist von der<br />
magnetischen Feldstärke, der Temperatur und überdies stark von der Frequenz abhängig.<br />
14 Der Ausdruck Übertrager bezieht sich auf Bereiche, in denen der magnetische Wandler nicht für die<br />
Leistungsübertragung eingesetzt wird z.B.: Audiobereich zur galvanischen Trennung zweier Systeme, Meßwandler<br />
oder auch Zündübertrager in Steuerungsaufgaben.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 10/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Meßwandler unterscheiden sich in Ihrem prinzipiellen Aufbau nicht von normalen Übertragern oder<br />
Transformatoren. Sie zeichnen sich jedoch durch ein exakt definiertes Übersetzungsverhältnis ü für die zu<br />
übertragende Größe aus. Primärwicklung N1 und Sekundärwicklung N2 sitzen auf einem gemeinsamen<br />
Eisen- oder Ferritkern, der für den idealen Fall vom gleichen magnetischen Fluß Φ durchflossen ist. Für den<br />
Fluß Φ des idealen Übertragers folgt aus dem Induktionsgesetz :<br />
dΦ<br />
U<br />
− =<br />
dt N<br />
1<br />
1<br />
U<br />
=<br />
N<br />
2<br />
2<br />
Abb. 2. Aufbau eines Transformators. Primär- N1 und Sekundärwicklung N2<br />
Die Magneto Motorischen Kräfte (MMF) zufolge der beiden stromdurchflossenen Wicklungen N1 und N2<br />
bringen im Kern die Durchflutung Θ auf. Aus dem Durchflutungssatz folgt:<br />
Θ = N1 ⋅ I1<br />
+ N2<br />
⋅ I2<br />
= 0 = ∑ N ⋅<br />
K<br />
K I K<br />
Aus dem Durchflutungssatz und Induktionsgesetz und lassen sich somit für den idealen (verlustlosen) Fall<br />
die Beziehungen für primär- und sekundärseitigen Strom- und Spannungsverhältnisse herleiten. Wird der<br />
reale Fall betrachtet so müssen noch die Verlustgrößen betrachtet werden. Diese stellen sich durch den<br />
elektrischen Widerstand und die Streuinduktivität der primär und sekundärseitigen Wicklung dar. Die durch<br />
das Ummagnetisieren des Kerns bedingten Kernverluste führen zu einer Erwärmung des Kernmaterials, die<br />
aber für den Fall des Übertrages im allgemeinen vernachlässigt werden kann.<br />
Die sekundärseitig an den Übertrager angeschlossene Lastimpedanz Z1 (für den Bereich der Meßtechnik im<br />
allgemeinen das Meßwerk MW oder eine Meßwertverarbeitungseinheit, z.B.: ADC) wird Bürde genannt.<br />
Im folgenden Ersatzschaltbild des Meßwandler stellen R1, R2 die ohmschen Wicklungsverluste dar. Xσ1, Xσ2<br />
stellen primäre und sekundäre Streuinduktivitäten dar.<br />
Abb. 3. Ersatzschaltung eines Transformators. Der Übertrager mit ü:1 ist ideal<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 11/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
RE stellt die durch das Ummagnetisieren des Kerns bedingten Eisenverluste und die Wirbelstrom-verluste<br />
dar. Die Induktivität XH stellt die Primärinduktivität dar und wird vom Magnetisierungsstrom durchflossen.<br />
Dies ist jener Strom, den der leerlaufender Transformator aufnimmt, um die sekundärseitige<br />
Klemmenspannung aufzubauen. Strom und Spannung werden mit dem Faktor ü – dem<br />
Übersetzungsverhältnis von der sekundär auf die primär Seite umgerechnet. Hieraus folgt, daß alle<br />
Impedanzen mit ü 2 umgerechnet werden müssen, d.h. die Lastimpedanz oder Bürde rechnet sich mit ü 2 auf<br />
die Primärseite um.<br />
Für das Übersetzungsverhältnis ü gilt stets:<br />
2.<strong>1.</strong> Spannungswandler<br />
N<br />
ü =<br />
N<br />
Beim Spannungswandler liegt die zu messende Spannung an der Primärwicklung N1 des Wandlers. Die<br />
Sekundärwicklung N2 wird durch das Spannungsmeßwerk idealerweise nicht belastet. Für den<br />
Spannungswandler gilt 15 :<br />
U1EFF<br />
U<br />
N1<br />
= = ü<br />
N<br />
2 EFF<br />
2<br />
Der Spannungswandler ist also stets hochohmig abzuschließen und darf nie im Kurzschluß betrieben werden<br />
(Gefahr der thermischen Überlastung). Beim idealen Wandler sind Primär- und Sekundärspannung exakt in<br />
Phase und deren Quotient entspricht ü. Dies ist praktisch nicht realisierbar und im allgemeinen werden die<br />
Fehlergrößen eines Meßwandlers durch seinen Betragsfehler FB und Phasenfehler Fϕ beschrieben. Für die<br />
Berechnung der Fehler soll angenommen werden, daß der Übertrager mit einem elektronischen Meßgerät<br />
abgeschlossen ist, und es gilt annähernd RB → ∞ und I2’ → 0 16 .<br />
F<br />
ϕ<br />
F B<br />
=<br />
U<br />
R1<br />
1 1<br />
arctan = arctan = arctan<br />
U L I ωL<br />
H<br />
1 H<br />
'<br />
2<br />
1<br />
'<br />
2<br />
U − U1<br />
U<br />
= =<br />
U U<br />
1<br />
−1<br />
I<br />
R<br />
R1<br />
ωL<br />
mit I2’ → 0 gilt aber auch U2’ = ULH, da an R2 kein Spannungsabfall auftritt. U2’ kann deshalb aus der<br />
Beziehung für den unbelasteten Spannungsteiler abgeleitete werden:<br />
F<br />
B<br />
U<br />
=<br />
1<br />
jωLH<br />
⋅<br />
R1<br />
+ jωL<br />
U<br />
1<br />
H<br />
−1<br />
=<br />
ωL<br />
( ωL<br />
)<br />
H<br />
H<br />
2<br />
+ R<br />
2<br />
1<br />
15 Für den Spannungswandler gilt im allgemeinen ü >> <strong>1.</strong> Dies bedeutet, daß sich der hohe Innenwiderstand RM der<br />
Bürde von der Primärseite gesehen noch wesentlich vergrößert. Ähnlich dem Stromwandler werden die Eigenschaften<br />
des Spannungsmeßgerätes also durch den Übertrager noch verbessert.<br />
16 Dies stellt eine grobe Vereinfachung dar, bei der I2 exakt 0 angenommen wurde. Für endlichen Sekundärstrom I2 ist<br />
das Dreieck ULH – UR1 – U1 kein rechtwinkeliges mehr, und die Vereinfachung verliert Ihre Gültigkeit.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 12/21<br />
H<br />
−1<br />
1<br />
2
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Für endliche Belastung ergibt sich folgendes Ersatzschaltbild für den Spannungswandler. Für die<br />
Berechnung der Fehlergrößen ist noch zusätzlich die Spannungsteilung R2’ und RB’ zu berücksichtigen.<br />
Abb. 6. Spannungswandler vereinfachtes Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm<br />
Praktisch wird der Spannungswandler so in den Meßkreis geschalten, daß dieser zu der zu messenden<br />
Spannung UP parallel liegt.<br />
Abb. 7. Spannungswandler mit standardmäßiger Bezeichnung der Klemmen<br />
Durch den Einsatz des Spannungswandlers wird der im allgemeinen hohe Innenwiderstand RMU des MW<br />
zusätzlich um den Faktor ü 2 erhöht. Weiters ist es möglich die Meßgröße auf ein Bezugspotential zu<br />
referenzieren, z.B.: Masse oder Erde.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 13/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
2.2. Stromwandler<br />
Beim Stromwandler fließt der zu messende Strom durch die Primärwicklung N1 des Wandlers. Die<br />
Sekundärwicklung N2 ist durch das Strommeßwerk idealerweise kurzgeschlossen. Für den Stromwandler<br />
gilt 17 I1<br />
N<br />
EFF 2 1<br />
: = =<br />
I N ü<br />
2EFF<br />
1<br />
Der Stromwandler ist stets niederohmig abzuschließen (idealerweise Kurzschluß) und darf nie im Leerlauf<br />
betrieben werden (Gefahr des Überschlages). Die Primärwicklung besteht im allgemeinen aus wenigen<br />
Windungen. Für Primärströme > 500A kann diese auch aus nur einer einzigen Windung bestehen.<br />
Abb. 4. Stromwandler vereinfachtes Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm<br />
Stromwandler werden bis in den Bereich < 100kA verwendet und ähnlich dem Spannungswandler kann auch<br />
der Stromwandler durch seinen Betragsfehler FB - Fehler des Stromübertragungsverhältnisses und<br />
Phasenfehler Fϕ 18 - Phasendifferenz zwischen Primär- und Sekundärstrom charakterisiert werden.<br />
F<br />
ϕ<br />
F B<br />
I<br />
= arctan<br />
I<br />
=<br />
I<br />
'<br />
2<br />
− I<br />
I<br />
1<br />
1<br />
I<br />
⋅<br />
2<br />
ü ( R2<br />
+ RB<br />
)<br />
( R + R ) + j<br />
1 2<br />
ü<br />
B ωL<br />
0 2<br />
H<br />
= arctan<br />
= arctan<br />
'<br />
ωL<br />
2<br />
H<br />
I1<br />
⋅ 2<br />
ü ( R2<br />
+ RB<br />
) + jωLH<br />
=<br />
I<br />
'<br />
2<br />
I<br />
1<br />
−1<br />
Nach Anwendung der Stromteilerbeziehung für I1 und I2’ ergibt sich für FB:<br />
( R + R )<br />
17 Für den Stromwandler gilt im allgemeinen ü
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
F<br />
B<br />
=<br />
I<br />
1<br />
⋅<br />
R<br />
'<br />
2<br />
+ R<br />
I<br />
ωL<br />
H<br />
'<br />
B +<br />
1<br />
jωL<br />
H<br />
−1<br />
=<br />
' ' ( R + R )<br />
2<br />
ωL<br />
B<br />
+ ( ωL<br />
Die Berechnung dieser Fehlergrößen kann aus dem vereinfachten Ersatzschaltbild und dem entsprechenden<br />
Zeigerdiagramm abgeleitet werden. Der Betragsfehler FB kann hierbei aus der Stromteilung von I1 auf I0 und<br />
I2’ berechnet werden. Der Phasenfehler Fϕ kann direkt aus dem Dreieck I1 - I0 - I2’ abgeleitet werden.<br />
Praktisch wird der Stromwandler nach folgender Abbildung in den Meßkreis gesetzt. Es ist stets darauf zu<br />
achten, daß die Bürde möglichst niederohmig ist. Im allgemeinen wird der Stromwandler sekundärseitig<br />
geerdet, um im Falle eines Überschlages einen Schutz des Bedieners zu erreichen.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 15/21<br />
2<br />
H<br />
H<br />
)<br />
2<br />
−1<br />
Abb. 5. Stromwandler mit standardmäßiger Bezeichnung der Klemmen<br />
Analog zum Spannungswandlers wird der im allgemeinen niedrige Innenwiderstand RMI des MW um den<br />
Faktor ü 2 transformiert. Das Übersetzungsverhältnis ü beim Stromwandler ist aber wesentlich kleiner als<br />
<strong>1.</strong>00 und ergibt somit eine extreme Verminderung von RMI auf der Primärseite. Als Schutzmaßnahme gegen<br />
sekündärseitigen Leerlauf werden Stromwandler oft mit Überspannungsschutzelementen versehen, z.B.<br />
VDR Widerstände mit kleiner Durchbruchs-spannung oder Schutzdioden.<br />
Wird der Eisenkreis konstruktiv so aufgebaut, daß dieser jederzeit geöffnet, um Leiterschleifen gelegt und<br />
wieder geschlossen werden kann, so spricht man von Zangenwandler. Der Strom kann in diesen<br />
Leiterschleifen somit ohne deren Auftrennung gemessen werden, und es erfolgt auch keine - oder nur<br />
verschwindende - Beeinflussung der Meßkreises.<br />
Abb. 8. Klassische Stromwandlerzange für Wechselgrößen (AEG)<br />
Meßwandler auf Übertragerbasís eignen sich ausschließlich für Wechselgrößen, da die Spannung im<br />
Sekundärkreis proportional zu dΦ/dt ist. Sollen auch Gleichgrößen erfaßt werden, so müssen Meßwandler,<br />
die nach dem Hall Prinzip arbeiten, eingesetzt werden.
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Zur Erfassung des elektrischen Stromes sind in erster Linie drei verschieden Verfahren gebräuchlich. Das am<br />
häufigsten verwendetste Verfahren, die resistive Strommessung ist sehr einfach und im allgemeinen sehr<br />
genau. Es beruht auf dem Einfügen eines Shuntwiderstandes RS in den Meßkreis. Damit ist der Meßkreis<br />
aber immer mit dem Lastkreis galvanisch verbunden und es wird im Shunt RS stets die Verlustleistung RSIL 2<br />
umgesetzt. Die beiden anderen Verfahren bringen vom Funktionsprinzip her eine galvanische Trennung der<br />
beiden Kreise mit sich. Es sind dies das oben beschrieben Prinzip der transformatorischen Meßwandler<br />
(nur Wechselanteil des Signals, arbeiten aber ohne Hilfsenergie) und das im folgenden vorgestellte Prinzip<br />
der Hallwandler. Beide Verfahren zeigen keine oder nur minimale Verluste im Lastkreis.<br />
Andere Verfahren (z.B.: magnetoresistive) werden nur vereinzelt, oder im Labor eingesetzt und sind<br />
speziellen Anwendungen vorbehalten.<br />
2.3. Hallsonden<br />
Hallsonden werden prinzipiell für die Vermessung von Magnetfelder benutzt. Damit können aber auch<br />
Größen erfaßt werden, die Magnetfelder erzeugen oder in magnetische Felder umgewandelt werden können.<br />
Somit ist der Halleffekt auch direkt für die Strommessung anwendbar 19 . Diese ist ohne Eingriff in den<br />
Lastkreis möglich und es besteht immer eine galvanische Trennung zwischen Meß- und Lastkreis. Der<br />
Halleffekt wurde 1879 von Edwin H. Hall entdeckt, erste Anwendungen wurden aber erst durch die<br />
Entwicklungen auf dem Gebiet der Halbleiter 20 ab den 60er Jahren ermöglicht.<br />
Der zu messende Strom erzeugt in einem Magnetkreis die Induktion B 21 , die über die Hallsonde bestimmt<br />
werden kann. Bei konstantem Steuerstrom der Hallsonde ist die Hallspannung ein direktes Maß für den zu<br />
messenden Strom. Über das Hallprinzip sind sowohl Wechsel- als auch Gleichströme galvanisch isoliert<br />
meßbar.<br />
Funktionsprinzip von Hallsonden:<br />
Werden elektrische Ladungsträger mit der Ladung Q in einem magnetischen Feld B mit der Geschwindigkeit<br />
v bewegt, so werden diese Ladungsträger durch die Lorentz Kraft FL von Ihrer geradlinigen Flugbahn<br />
abgelenkt.<br />
r<br />
F L<br />
= Q ⋅<br />
r<br />
r ( v × B)<br />
19<br />
Jeder, vom Strom I durchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld H. Wird der Leiter als unendlich lange und<br />
geradlinig angenommen, so bildet sich um diesen ein zylindersymmetrisches Feld aus das einfachst aus dem<br />
Durchflutungssatz abgeleitet werden kann und sich folgendermasen berechnen läßt:<br />
I<br />
H =<br />
2πr<br />
Für r > RLEITER. Die Gleichung beschreibt somit das Feld außerhalb des Leiters.<br />
20 Moderne Halleffekt Sensoren für die Strommessung haben eine monolithisch integrierte Verstärkerstufe am Chip um<br />
den niedrigen Nutzsignalpegel direkt anzuheben und damit den Rauschabstand zu verbessern.<br />
21 Als Magnetkreis wird kann hier, z.B. ein Ferritring verstanden werden, in dem durch eine Wicklung der magnetische<br />
Fluß Φ aufgebaut wird. Im Extremfall eines Zangenstromwandlers kann diese Wicklung auch nur in Form, des durch<br />
den Ferritkern geführten Leiters bestehen. Der Kern besitzt einen Luftspalt für die Aufnahme des Hallplättchen. Durch<br />
diese Anordnung ist sichergestellt, das über die gesamte Fläche A des Hallplättchen eine konstante Induktion B<br />
herrscht.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 16/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Für Elektronen als Ladungsträger gilt Q = - e0.<br />
Abb. 9. Prinzipieller Aufbau einer Hallsonde und I/B Kennlinie<br />
Dies gilt natürlich auch im Inneren von Festkörpern 22 . Die Bewegung der Ladungsträger wird durch den<br />
Steuerstrom IS erzwungen. Für die Bestimmung der Kraftwirkung FL ist die Ladungsträgerart entscheidend.<br />
Werden Elektronen e - als Ladungsträger angenommen so ist deren Bewegungsrichtung entgegengesetzt zur<br />
technischen Stromrichtung. Durch das externe Magnetfeld B werden die Ladungsträger zufolge der Lorentz<br />
Kraft auf eine Seite des Plättchens abgelenkt, und es entsteht somit, durch die unterschiedliche<br />
Ladungsträgerdichte, eine von außen meßbare Spannungsdifferenz UH.<br />
Zufolge der Hallspannung UH entsteht im Inneren des Festkörpers ein elektrische Feld 23 E = U/b, dessen<br />
Kraftwirkung der Lorentz Kraft FL entgegen wirkt und einen Gleichgewichtzustand hervorruft. Die Hall<br />
Spannung UH ist somit nur vom Steuerstrom IS und Magnetfeld B abhängig.<br />
IS<br />
⋅ B<br />
U H = RH<br />
⋅<br />
d<br />
Die Hallkonstante RH ist materialspezifisch. Für Hallplättchen werden in erster Linie Halbleitermaterialien,<br />
z.B.: InAs oder InSb eingesetzt, da bei diesen die Beweglichkeit µ bedeutend größer ist als bei Leitern.<br />
Typische Werte für die Hallkonstante liegen bei 100 ... 200 cm 3 /As.<br />
Ein wichtiger Punkt bei der Strommessung über ratiometrische 24 Halleffekt Sensoren stellt die Linearität und<br />
die Empfindlichkeit des Chips dar.<br />
22<br />
Der Hall Effekt tritt natürlich auch im Inneren von Metallen auf. Der Effekt ist aber auf Grund der extrem kleinen<br />
Größe der Hallkonstante sehr schwach ausgeprägt.<br />
23<br />
Je nach betrachteter Ladungsträgerart – Löcherleitung oder Elektronenleitung – bildet sich die Hallspannung in<br />
verschiedener Polarität aus.<br />
24 Ratiometrische Sensoren zeigen immer einen streng linearen Zusammenhang zwischen Eingangs- und<br />
Ausgangsgröße. Dies vereinfacht die weitere Meßwertverarbeitung wesentlich und wird im allgemeinen stets bei der<br />
Konstruktion von Sensoren angestrebt.<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 17/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Abb. 10. Ausgangskennlinie für integrierten Hallchip und Innenschaltung<br />
Moderne Sensoren zeigen weitgehende Linearität bei Feldstärken bis +/– 800 G 25 und Empfindlichkeiten<br />
von ~5 mV/G. Die hohe Empfindlichkeit der Sensoren wird durch einen monolithisch integrieren<br />
Meßverstärker direkt am Hallchip erreicht. Durch den Meßverstärker erfolgt ebenfalls eine<br />
Impedanzanpassung und somit eine Entkopplung des Hallplättchens von der nachfolgenden<br />
Anwenderschaltung. Die Innenschaltung für den oben vorgestellten Hallchip A3515EUA von Allegro<br />
Microsystems zeigt die Einprägung des Steuerstromes über den 4-fach Diodenzweig. Die vier in Serie<br />
geschaltenen Dioden dienen zur Erzeugung der Betriebsspannung für den Differenzverstärker<br />
(Prinzipschaltbild). Der nachfolgende Differenzverstärker für die Verstärkung der Hallspannung<br />
(Konstantstromquelle im Emitterzweig für höhere Gleichtaktunterdrückung – CMRR) dient zur Aufbreitung<br />
des sehr schwachen Ausgangssignales des Hallchips.<br />
Mögliche praktische Realisierungen des Magnetkreises – typischerweise Ringkern - für eine Strommessung<br />
über den Halleffekt zeigt Abb. 1<strong>1.</strong><br />
Abb. 1<strong>1.</strong> Zwei Möglichkeiten der Einbringung des Hallchips in den Magnetkreis<br />
Liegt der zu messende Strom im Bereich > 25A, so kann der Leiter einfach durch den Ringkern geführt<br />
werden. Für kleine Ströme ist es empfehlenswert, den Leiter mehrmals um den Magnetkern zu legen, um das<br />
25 Das Gauss (G) ist eine veraltete Einheit und nicht SI konform, ist aber im englischen Sprachraum sehr stark<br />
verbreitet. Als SI Einheit der magnetischen Flußdichte oder Induktion gilt das Tesla [T] wobei gilt 1G = 10 -4 T<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 18/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
vom Strom erzeugt Magnetfeld uns somit die Empfindlichkeit des Wandlers zu erhöhen. Für weitere<br />
Informationen und Anwendungen zur Strommessung über integrierte linearen Hallchips siehe auch:<br />
http://www.allegromicro.com/<br />
http://www.allegromicro.com/datafile/3515.pdf<br />
Zur Kompensation von Alterungseffekten und des Temperaturdrifts werden die Hallsensoren oft in einer<br />
Brückenanordnung eingesetzt (siehe auch Wheatstone Brücke Kap.5). Hierbei befindet sich einer der beiden<br />
Sensoren in einem feldfreien Raum – Kapselung - und dient als Nullreferenz. Mit dieser Anordnung ist eine<br />
wesentlich bessere Langzeitstabilität erreichbar als mit Einzelsensoren.<br />
Leistungsmessung über Hallsonden:<br />
Werden bei der Beziehung für die Hallspannung die konstanten Terme zusammengefaßt so ergibt sich<br />
folgende Gleichung<br />
= C ⋅ I ⋅ B<br />
U H HALL S<br />
Wie aus obiger Gleichung ersichtlich, ist der Streuerstrom IS und die magnetische Induktion B multiplikativ<br />
verknüpft, dies ermöglicht die einfache Realisierung eines Multiplizierers. Wird der Steuerstrom IS des<br />
Hallplättchens entsprechend einer Meßgröße F1 variiert und das Magnetfeld entsprechend F2, so sind über<br />
den Halleffekt direkt multiplizierende Meßwerke realisierbar. Diese können für die Bestimmung des<br />
Effektivwertes oder die Leistungsmessung verwendet werden.<br />
Nachfolgende Prinzipschaltung zeigt die Möglichkeit der Leistungsmessung über ein Hallelement. Der Shunt<br />
RB ist in Form einer Wicklung ausgeführt die, die Induktion B im Magnetkreis aufbaut. Der Steuerstrom IS<br />
für des Hallelement wird über die Spannung U an der Last bestimmt.<br />
Abb. 12. Hall-Mulipizierer für die Leistungsmessung<br />
Neben dem Einsatz der Hallelemente als Meßwandler können diese auch für Aufgaben der Sensorik, z.B.<br />
für die Positionsmessung oder Drehzahl und Drehrichtungserfassung verwendet werden. Für diese<br />
Anwendungen sind speziell miniaturisierte, voll integrierte Hallsensoren entwickelt worden (z. B.<br />
A3516EUA von Allegro Microsystems).<br />
Für andere Hersteller von Halleffekt Sensoren siehe z. B.:<br />
http://www.honeywell.at/sensorik/welcome.htm<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 19/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
Abb. 13. Miniaturisierter Hallchip in SMD Bauform und Prinzip Drehzahlmessung<br />
Ein großes Anwendungsgebiet der Hallsensoren sind magnetisch gesteuerte, berührungslose Schalter zur<br />
Minimierung des mechanischen Verschleißes. Weiterführende Anwendungen siehe auch unter:<br />
http://www.allegromicro.com/techpub2/an/an2770<strong>1.</strong>pdf<br />
http://www.allegromicro.com/techpub2/an/an27705.pdf<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 20/21
Leistungsmessung und Meßwandler Kapitel 4/8<br />
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm<br />
3. Weiterführende Literatur<br />
/1/ C. Bateman, Electronics World October 2000 – Measuring true power, p814-p817, Reed business<br />
information, London 2000<br />
/2/ G. Heyne, Elektronische Meßtechnik – Eine Einführung für angehende Wissenschaftler, Verlag R.<br />
Oldenbourg, München Wien 1999<br />
/3/ W. Schmusch, Elektronische Meßtechnik – Prinzipien, Verfahren, Schaltungen, Vogel Fachbuch,<br />
Würzburg 1998<br />
/4/ M. Stöckl, K. H. Winterling, Elektrische Meßtechnik, B. G. Teubner, Stuttgart Wien 1978<br />
/5/ R. P. Patzelt, H. Schweinzer, Elektrische Meßtechnik, Zweite Auflage, Verlag Springer, Wien New<br />
York1996<br />
/6/ R. Lerch, Elektrische Meßtechnik - analog und digitale Verfahren, Verlag Springer, Wien New<br />
York1996<br />
/7/ John C. Morris, Analogue Electronics – Second edition, Arnold Publications, London Sydney<br />
Auckland 1999<br />
/8/ I. Hickman, Electronics World June 2001 – Understanding transformers, p458-p461, Reed business<br />
information, London 2001<br />
/9/ H. Zenker, A.Gerfer, Trilogie der Induktivitäten, Swiridoff Verlag, Künzelsau 1999, ISBN 3-<br />
934350-50-5<br />
/10/ R. Parthier, Messtechnik – Grundlagen für technische Fachrichtungen, Vieweg Verlag, Wiesbaden<br />
2001, ISBN 3-528-03941-8<br />
C.Brunner - Elektrische Messtechnik Seite 21/21