- Verwendung des Oszilloskops zur Strommessung
- 1. Verwenden eines Shunt-Widerstands
- 2. Verwenden einer Stromsonde
- 3. Eine schnelle und schmutzige Methode
- Fazit
Das Messen des Stroms ist eine einfache Aufgabe. Sie müssen lediglich ein Multimeter an den Stromkreis anschließen, den Sie messen möchten, und das Messgerät gibt Ihnen einen sauberen Wert für die Verwendung. Manchmal kann man den Stromkreis nicht wirklich öffnen, um ein Multimeter in Reihe mit dem zu schalten, was man messen möchte. Dies ist auch ganz einfach zu lösen - Sie müssen nur die Spannung über einem bekannten Widerstand in der Schaltung messen - der Strom ist dann einfach die Spannung geteilt durch den Widerstand (nach dem Ohmschen Gesetz).
Die Dinge werden etwas kompliziert, wenn Sie sich ändernde Signale messen möchten. Dies hängt von der Bildwiederholfrequenz (Anzahl der Abtastungen pro Sekunde) des Multimeters ab, und der durchschnittliche Mensch kann nur so viele Änderungen an einer Anzeige pro Sekunde nachvollziehen. Das Messen von Wechselstrom wird etwas einfacher, wenn Ihr Multimeter über eine RMS-Spannungsmessung verfügt (RMS-Spannung ist die Spannung eines Wechselstromsignals, das dieselbe Energiemenge überträgt, die eine Gleichstromversorgung dieser Spannung erzeugen würde). Dies ist streng auf periodische Signale beschränkt (Rechteckwellen und dergleichen kommen nicht in Frage, es sei denn, das RMS-Maß ist "wahr", auch dann gibt es keine Garantie für die Genauigkeit der Messung). Die meisten Multimeter sind auch tiefpassgefiltert, wodurch eine Wechselstrommessung über einigen hundert Hertz verhindert wird.
Verwendung des Oszilloskops zur Strommessung
Das Oszilloskop füllt die Lücke zwischen der menschlichen Wahrnehmung und den konstanten Werten eines Multimeters - es zeigt eine Art Spannungs-Zeit-Diagramm eines Signals an, das eine bessere Visualisierung sich ändernder Signale im Vergleich zu einer Reihe sich ändernder Zahlen auf einem Multimeter ermöglicht.
Mit der richtigen Ausrüstung können auch Signale mit Frequenzen bis zu mehreren Gigahertz gemessen werden. Das Oszilloskop ist jedoch ein hochohmiges Spannungsmessgerät - es kann keine Ströme als solche messen. Die Verwendung eines Oszilloskops zum Messen von Strömen erfordert die Umwandlung eines Stroms in eine Spannung. Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen.
1. Verwenden eines Shunt-Widerstands
Dies ist möglicherweise die einfachste Methode zur Strommessung und wird hier ausführlich erläutert.
Der Strom-Spannungs-Wandler ist hier der bescheidene Widerstand.
Grundkenntnisse besagen, dass die Spannung an einem Widerstand proportional zum durch ihn fließenden Strom ist. Dies kann durch das Ohmsche Gesetz zusammengefasst werden:
V = IR
Dabei ist V die Spannung am Widerstand, I der Strom durch den Widerstand und R der Widerstand des Widerstands, alle in ihren jeweiligen Einheiten.
Der Trick hierbei besteht darin, einen Widerstandswert zu verwenden, der die gemessene Gesamtschaltung nicht beeinflusst, da der Spannungsabfall über dem Nebenschlusswiderstand dazu führt, dass weniger Spannung über die Schaltung abfällt, in der er platziert ist. Eine allgemeine Faustregel wäre die Verwendung Ein Widerstand, der viel kleiner ist als der Widerstand / die Impedanz der gemessenen Schaltung (zehnmal weniger bei einem guten Startpunkt), um zu verhindern, dass der gemessene Strom in der Schaltung durch den Shunt beeinflusst wird.
Zum Beispiel könnten der Transformator und der MOSFET in einem DC-DC-Wandler einen Gesamtwiderstand (DC) von mehreren zehn Milliohm haben. Wenn ein großer (z. B.) 1Ω-Widerstand platziert wird, fällt der größte Teil der Spannung über den Shunt (denken Sie daran, dass für Widerstände in Reihe, das Verhältnis der an den Widerständen abfallenden Spannung ist das Verhältnis ihrer Widerstände) und damit ein größerer Leistungsverlust. Der Widerstand wandelt den Strom nur zur Messung in eine Spannung um, sodass die Leistung keine nützliche Arbeit leistet. Gleichzeitig würde ein kleiner Widerstand (1 mΩ) nur eine kleine (aber messbare) Spannung über ihn abfallen lassen, so dass der Rest der Spannung nützliche Arbeit leisten kann.
Nachdem Sie einen Widerstandswert ausgewählt haben, können Sie die Sondenmasse mit der Schaltungsmasse und die Sondenspitze mit dem Nebenschlusswiderstand verbinden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Es gibt ein paar nette Tricks, die Sie hier anwenden können.
Angenommen, Ihr Shunt hat einen Widerstand von 100 mΩ, dann würde ein Strom von 1 A zu einem Spannungsabfall von 100 mV führen, was eine Empfindlichkeit von 100 mV pro Ampere ergibt. Dies sollte keine Probleme verursachen, wenn Sie vorsichtig sind, aber oft werden die 100 mV wörtlich genommen - mit anderen Worten, verwechselt mit 100 mA.
Dieses Problem kann behoben werden, indem Sie Ihre Eingangseinstellung auf 100-fach einstellen. Die Sonde ist bereits 10-fach gedämpft. Wenn Sie dem Signal also weitere 10-fach hinzufügen, wird es wieder auf 1 V pro Ampere zurückgesetzt, dh der Eingang wird mit 10 multipliziert. Die meisten Oszilloskope werden mit geliefert diese Funktion, um die Eingangsdämpfung auswählen zu können. Es kann jedoch Bereiche geben, die nur 1X und 10X unterstützen.
Eine weitere nützliche kleine Funktion ist die Möglichkeit, die vertikalen Einheiten einzustellen, die auf dem Bildschirm angezeigt werden. Das V kann unter anderem in A, W und U geändert werden.
Die Dinge werden kompliziert, wenn Sie die niedrige Seite des Shunts nicht platzieren können. Die Zielfernrohrmasse ist direkt mit der Erdung des Oszilloskops verbunden. Wenn also Ihr Netzteil ebenfalls geerdet ist, wird dieser Punkt durch Erden des Erdungsclips der Sonde mit einem beliebigen Punkt im Stromkreis kurzgeschlossen.
Dies kann verhindert werden, indem eine sogenannte Differenzmessung durchgeführt wird.
Die meisten Oszilloskope verfügen über eine mathematische Funktion, mit der mathematische Operationen an den angezeigten Wellenformen ausgeführt werden können. Beachten Sie, dass dies das tatsächliche Signal in keiner Weise verändert!
Die Funktion, die wir hier verwenden, ist die Subtraktionsfunktion, die die Differenz zweier ausgewählter Wellenformen anzeigt.
Da die Spannung einfach die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten ist, können wir eine Sonde an jeden Punkt anschließen und die Erdungsklemmen mit der Schaltungsmasse verbinden, wie in der Abbildung gezeigt.
Durch Anzeigen der Differenz zwischen den beiden Signalen können wir den Strom bestimmen.
Der gleiche oben verwendete Trick zur Dämpfung gilt auch hier. Denken Sie daran, beide Kanäle zu wechseln.
Nachteile der Verwendung eines Shunt-Widerstands:
Die Verwendung von Shunt-Widerständen hat einige Nachteile. Die erste ist die Toleranz, die bis zu 5% betragen kann. Dies ist etwas, das mit einigen Schwierigkeiten erklärt werden muss.
Der zweite ist der Temperaturkoeffizient. Der Widerstand der Widerstände nimmt mit der Temperatur zu, was zu einem größeren Spannungsabfall für einen bestimmten Strom führt. Dies ist besonders schlecht bei Hochstrom-Shunt-Widerständen.
2. Verwenden einer Stromsonde
Vorgefertigte Stromsonden (sogenannte "Stromklemmen"; sie werden an Drähten festgeklemmt, ohne die Stromkreise zu unterbrechen) sind auf dem Markt erhältlich, aber Sie sehen nicht viele Hobbyisten, die sie aufgrund ihrer unerschwinglichen Kosten verwenden.
Diese Sonden verwenden eine von zwei Methoden.
Das erste Verfahren ist die Verwendung einer Spule, die um einen halbkreisförmigen Ferritkern gewickelt ist. Der Strom im Draht, um den die Sonde geklemmt wurde, erzeugt ein Magnetfeld im Ferrit. Dies induziert wiederum eine Spannung in der Spule. Die Spannung ist proportional zur Änderungsrate des Stroms. Ein Integrator "integriert" die Wellenform und erzeugt einen Ausgang, der proportional zum Strom ist. Die Ausgangsskala liegt typischerweise zwischen 1 mV und 1 V pro Ampere.
Die zweite Methode verwendet einen Hallsensor, der zwischen zwei Ferrithalbkreisen angeordnet ist. Der Hallsensor erzeugt eine Spannung, die proportional zum Strom ist.
3. Eine schnelle und schmutzige Methode
Diese Methode erfordert keine zusätzlichen Komponenten außer einem Oszilloskop und einer Sonde.
Diese Methode ähnelt der Verwendung einer Stromsonde. Führen Sie das Erdungskabel der Sonde um das Kabel, das den zu messenden Strom führt, und verbinden Sie dann den Erdungsclip mit der Sondenspitze.
Die erzeugte Spannung ist wiederum proportional zur Änderungsrate des Stroms, und Sie müssen einige Berechnungen für die Wellenform durchführen (nämlich Integration; die meisten Bereiche haben dies im Menü "Mathematik"), um sie als Strom zu interpretieren.
Elektrisch gesehen bildet die kurzgeschlossene Sonde im Wesentlichen eine Drahtschleife, die wie ein Stromwandler wirkt, wie in der Abbildung gezeigt.
Fazit
Es gibt verschiedene Methoden, um sich ändernde Stromwellenformen mit einem Oszilloskop zu messen. Am einfachsten ist es, einen Stromshunt zu verwenden und die Spannung darüber zu messen.