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Für Messungen an HF-Schaltern und Gleichrichtern mit Schaltzeiten unter 10 ns ist man manchmal gezwungen eigene Tastköpfe und Stromzangen selbst zu bauen. Die vorgestellten Zangenkonstruktionen sind Standard-Designs und können ein Ausgangspunkt für die Konstruktion einer eigenen neuen Sonde sein.

Um die „echten“ Signale zu betrachten, müssen Entwickler tatsächlich ihre eigenen Strom- und Spannungstastköpfe entwerfen. Die in diesem Artikel vorgestellten Zangenkonstruktionen sind Standard-Designs und ein guter Ausgangspunkt für die Konstruktion einer neuen Sonde.

Die Hochfrequenz-Stromzange

Die Betrachtung der Hochfrequenz-Stromwellenform ist wichtig für die Abschätzung der Schaltverluste in Hochfrequenz-Halbleiterschaltern. Daher kann eine Stromzange mit höherer Bandbreite wünschenswert sein. Die Stromzange ist im Wesentlichen ein 1:n-Vorwärtswandler mit einer Primärwicklung aus einer Viertelwindung für hohe Ableitströme. Da die Primärwicklung keine ideale 1-Windungs-Wicklung darstellt, wird deren endgültige Genauigkeit während der abschließenden Kalibrierung behandelt. Die Sekundärwicklungen werden gleichförmig um den Ringkern platziert.

Bild 1: Eine Hochfrequenz-Stromzange.

Bild 1: Eine Hochfrequenz-Stromzange. D3 Semiconductor

Die bevorzugte Konstruktion ist in Bild 1 zu sehen. Es ist wichtig, den Abschlusswiderstand unmittelbar neben den umwickelten Ringkern zu platzieren. Dies stellt sicher, dass die Laufzeiteffekte des Koaxialkabels einen signifikanten Anteil des Oszilloskop-Eingangssignals ausmachen, indem verhindert wird, dass hohe Signalströme in das Kabel eindringen können. Der Abschlusswiderstand des Oszilloskops sollte 1 MΩ betragen. Die Impedanz des Schaltungszweiges, durch den der Strom gemessen wird, muss sehr gering sein. Die reflektierte Impedanz (Einfügungsimpedanz) der Stromzange ist so gering wie möglich zu halten (geringer Rt), um dennoch die gewünschte Amplitude für den Oszilloskopeingang liefern können.

Der in die Sekundärwicklung induzierte Strom ist:

ISEC = IPRI(n1/n2)

Stromzangen

Bild 2: Kalibrierung und Bestimmung der Zeitkonstante der Stromzange. D3 Semiconductor

Um diesen Strom in eine Spannung umzuwandeln, die sich auf dem Oszilloskop anzeigen lässt, wird ein Widerstand in die Sekundärwicklung eingefügt. Dieser Widerstand kann einen beliebigen Wert haben, je höher allerdings der Widerstand, desto größer die an der Zielschaltung anliegende Gegen-EMK, die sich als zusätzlicher Spannungsabfall in Reihe mit dem Strompfad der Zielschaltung manifestiert. Dies beeinflusst den Stromfluss durch die Primärwicklung und dessen Genauigkeit. Der Betrag dieses Fehlers ist proportional zum Wert des in den Sekundärkreis eingefügten Widerstands.

Der typischerweise von Stromzangen gemessene Strombereich kann sich von einigen hundert Ampere (1-kW-Netzteile) bis hinunter zu einigen Milliampere (Gate-Drive-Schaltungen) erstrecken. Eine einzige Stromzange allein kann diesen Bereich nicht gleichzeitig abdecken und dabei in den dynamischen Eingangsbereich des Oszilloskops fallen. Daher sind für die zahlreichen Strompegel innerhalb eines Hochfrequenz-Netzteils verschiedene Stromzangen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen erforderlich. Die Übersetzungsverhältnisse sind nicht in Stein gemeißelt, üblich sind:

25:1 (10 bis 20 A), 50:1 (1 bis 10 A) und 100:1 (0,5 bis 1 A).

Stromzangen

Bild 3: Strom-Anzeigefehler, verursacht durch Zeitkonstante des Stromwandlers. D3 Semiconductor

Da der Sekundärstrom klein ist, genügt als Leiterquerschnitt 32 AWG (0,0320 mm2). Der Abschlusswiderstand lässt sich folgendermaßen abschätzen:

RCS ≈ (n2 x VOUT(max))/(n1 x IPRI(max))

Die in  Bild 1 gezeigte Stromzange verwendet einen SMD-Widerstand, was eine kleine Leiterplatte zur Befestigung des Widerstands und des Endes des Koaxialkabels erforderlich machte. Es ist wichtig, die gesamte Stromwandler-Baugruppe mit einer Schutzbeschichtung zu versehen, da die Windungen äußerst bruchanfällig sind und das Koaxkabel eine beträchtliche mechanische Beanspruchung auf die Stromzange ausübt.

Probleme und Kalibrierung von Stromzangen

Wie bei allen AC-gekoppelten Übertragern werden die Wechselstromsignale an den Sekundärkreis weitergegeben, während der Gleichstromanteil des Ausgangssignals zu Null wird. Der DC-Nullmittelwert befindet sich an einem Punkt in der Ausgangs-Wellenform, an dem der positive Mittelwert dem Mittelwert des negativen Pegels entspricht. Der kurzzeitige Nullmittelwert variiert innerhalb einer jeden Signalperiode. Bild 2 zeigt dieses zeitabhängige Phänomen. Jede Stromzange hat ihre eigene Zeitkonstante. Diese lässt sich messen und beschreiben, indem ein niederfrequent gepulster Strom durch die Primärwicklung geschickt wird. Wie in Bild 3 zu sehen ist, verursacht die Zeitkonstante eine Verzerrung der Strom-Wellenform. Die Zeitkonstante beträgt ungefähr:

Ƭc  ≈ LSEC/RTERM

Stromzangen

Bild 4: Beispiel für die Verzerrung der Stromzange, wenn die Signalperiode in etwa der Zeitkonstante der Zange entspricht (im Beispiel LLC Grün – Vdrain, Rot – Idrain). D3 Semiconductor

Dieser Wert ist nur ein ungefährer, weil die Sekundärwicklung keine freistehende Spule ist, sondern eine gekoppelte Last von der Primärwicklung trägt. Bei der Kalibrierung der Stromzange mit einem Digitaloszilloskop ist auf die Abtastrate zu achten. Wenn ein niederfrequentes Rechteck-Stromsignal an die Primärwicklung des Stromwandlers angelegt wird, fallen die Abtastwerte des Oszilloskops nicht immer mit den Spitzenwerten der Ausgangsspannung zusammen. Daher ist die Eingabe vieler Eingangsstrompulse erforderlich, um den höchsten Spitzenwert der Ausgangsspannung zu finden.

Welche Daten von einer Stromzange sind denn nun verlässlich? Die brauchbaren Daten (das heißt die vertrauenswürdigsten Messungen, bei denen der verzerrungsbedingte Fehler äußerst klein ist) sind:

  • Sämtliche Messgrößen bei Hochgeschwindigkeits-Übergängen.
  • Signalwellenformen mit einer Periode, die weitaus kleiner als die Zeitkonstante der Stromzange ist.
  • Perioden- beziehungsweise Zeitmessungen zwischen Übergängen.
  • Anstiegs- und Abfallzeiten, die weitaus geringer als die Zeitkonstante der Stromzange sind (tr ≤ 0,05 ƬC).

Wellenformen mit Perioden im Bereich der Zeitkonstante werden durch diese verzerrt. Die Zeitkonstante wird zum tatsächlichen Signal hinzuaddiert. Ein Beispiel für dieses Verzerrungsphänomen, bei dem die Signalperiode mehr als die Hälfte der Zeitkonstante beträgt, ist in Bild 4 zu sehen.

Stromzangen

Bild 5: Komponenten des Stromzangen-Signals. D3 Semiconductor

Bild 5 zeigt, wie das tatsächliche Signal aussehen würde, wenn es über einen Strommesswiderstand an der gleichen Position innerhalb der Zielschaltung betrachtet würde. Die Zeitkonstante im Kopf mit hinreichender Genauigkeit vom angezeigten Signal zu subtrahieren, ist mathematisch unpraktikabel. Daher die Aussage zur Vertrauenswürdigkeit der Anzeigewerte außerhalb der Stromübergänge. Selbstverständlich kann man viel Geld für eine handelsübliche magnetische DC-Stromzange ausgeben, die das Rechnen abnimmt; allerdings wäre die Bandbreite zu gering.

Bild 4 zeigt VDS und ID des unteren MOSFETs eines 110-kHz-Offline-LLC-Wandlers. Die Spannungs-Wellenform (oben) stammt von einem 50-Ω-Spannungsfühler und ist unverzerrt. Die untere Kurve ist der Drainstrom. Dieser weist eine beträchtliche Verzerrung auf. Die Stromsonde hat 25 Windungen, einen Abschlusswiderstand von 50 Ω und eine Zeitkonstante von 14 µs.

Designbeispiel: 10-A-Hochfrequenz-Stromzange

Dieses Beispiel bietet einen Überblick über den Entwurfsprozess für eine Stromzange für 1 bis 10 A, die für Schaltnetzteile >10 kHz vorgesehen ist. Die erste Wahl ist ein Hochfrequenz-Kernmaterial mit geringer Permeabilität (µ). Die Permeabilität ist der Anteil des Stroms innerhalb einer Wicklung, der eine gegebene Änderung der Flussdichte (Anzahl der Feldlinien) im Kern erzeugt. Bei hohen Flussdichten geht der Kern in die Sättigung (die Permeabilität nimmt ab und ist nicht mehr linear). Die ist eine Situation, die man vermeiden möchte!

Um das von der Wicklung abgestrahlte Magnetfeld (zum Strom proportional) innerhalb des Kerns zu halten, ist eine einzelne geschlossene, magnetische Schleife erforderlich. Es können ein Ringkern oder ein U-I-Ferritkern mit Spalt verwendet werden. Der Ferritkern bringt allerdings eine Unmenge zusätzlicher Faktoren (Randfeldeffekte, Wirbelströme aufgrund von Kanten und so weiter) mit sich, auf die man möglichst verzichten will. Der ideale Kern ist ein Mopermalloy-Ringkern. Dieses Material ist eine Mischung aus Molybdän (einem nichtmagnetischen Spaltmaterial) und Ferrit. Je höher der Molybdänanteil, desto geringer die magnetische Permeabilität. Eine größere Bandbreite lässt sich zudem durch ein geringes μ erreichen. Für moderate Leiterquerschnitte, wie sie in Schaltnetzteilen kleiner bis mittlerer Größe zu finden sind, ist ein 13,5-mm-Ringkern  (0,5″;  Magnetics Teilenummer 55051A2) eine gute Wahl. Größere Kerne können für größere Leiterquerschnitte verwendet werden.

Übliche Windungszahlen sind 25, 50 und 100. Abweichende Windungszahlen sind durchaus zulässig. Je höher die Windungszahl, umso größer die Spannung, die über den Reihenwiderstand über den Wicklungsenden abfallen kann.

Schritt 1: Für meinen Drainstrom wähle ich 25 Windungen, was für die 0,5 bis 10 A, die in den Drainanschluss fließen, eine gute Wahl ist. Zudem möchte ich ein Ausgangssignal von 1 V pro A. Der Abschlusswiderstand sollte folgender sein: RT  ≈ (n2 x VOUT(max))/(n1 x IPRI(max)) = (25 T x 1 V)/(1 T x 1 A) = 25 Ω, 1 % Toleranz. Als Draht wird Kupferlackdraht mit Querschnitt 32 AWG verwendet.

Schritt 2: Wickeln Sie den Draht gleichförmig um den Ringkern. Dies sorgt dafür, dass der in der Sekundärwicklung erzeugte Fluss innerhalb des Kerns gehalten wird.

Schritt 3: Schließen Sie die Wicklungsenden auf einer kleinen Platine oder Perf-Platte an den Abschlusswiderstand an. Die Platine dient zudem zur Verankerung des Koaxkabels und des Abschlusswiderstands, da das Koaxkabel eine beträchtliche mechanische Beanspruchung auf die Baugruppe aus Spule und Platine ausübt (Bild 1).

Schritt 4: Testen Sie die Zange mit einem gepulsten Strom von 1 A, um zu überprüfen, ob der Spitzenwert der transienten Überspannung 1 V beträgt. Wenn dies nicht der Fall ist, probieren Sie mithilfe von Widerständen im Bereich von 25 Ω eine Spitzenüberspannung von 1 V zu erzeugen.

Schritt 5: Versehen Sie die gesamte Baugruppe aus Ringkern und Platine mit einer Schutzbeschichtung. Epoxidharzlack ist für diesen Zweck sehr gut geeignet. Stellen Sie sicher, dass sich eine saubere, aber beschichtete Öffnung in der Mitte des Ringkerns befindet.

Schritt 6: Kalibrieren Sie die Stromzange, indem Sie Schritt 4 durchführen und anschließend die Zeitkonstante der Stromzange messen (Bild 2).

Dasselbe Verfahren kann für Stromzangen mit anderen Strommessbereichen verwendet werden.