© Analog Devices Inc.
Application Notes | 23 Juli 2021
Wie misst man eigentlich den Spulenstrom?
Getaktete Spannungsversorgungen verwenden üblicherweise Induktivitäten zum Zwischenspeichern von Energie.
Beim Evaluieren dieser Spannungsversorgungen ist es häufig sinnvoll den Spulenstrom zu messen um dadurch ein umfassendes Bild der Spannungswandlerschaltung zu erhalten. Aber wie werden eigentlich die Spulenströme am besten gemessen?
Bild 1. Prinzip Skizze einer Messung des Spulenstromes eines Schaltreglers
Bild 1 zeigt einen sinnvollen Aufbau einer solchen Messung anhand eines üblichen Abwärtswandlers (Buck Topologie). In Reihe mit der Induktivität wird ein kleines Hilfskabel eingefügt. Dieses dient dazu eine Strommesszange anzubringen und damit den Spulenstrom mit einem Oszilloskop darzustellen. Es empfiehlt sich an der Seite der Spule zu messen, wo die Spannung ruhig ist. Die meisten Schaltreglertopologien nutzen die Spule auf eine Art, bei welcher die Spannung an der einen Seite zwischen zwei extremen Werten hin und her geschaltet wir, die andere Seite aber relativ ruhig bleibt.
Beim Abwärtswandler wie in Bild 1 gezeigt, wechselt die Spannung am Schaltknoten, also linke Seite der Spule L, zwischen der Eingangsspannung und der Massespannung mit der Geschwindigkeit der Schaltflanken hin und her. Auf der rechten Seite der Spule liegt die Ausgangsspannung an, welche in aller Regel relativ ruhig ist. Um Störungen durch kapazitive Kopplung (E-Feld Kopplung) zu reduzieren, sollte die Strommessschleife also auf der ruhigen Seite der Induktivität, wie in Bild 1 dargestellt, angebracht werden.
Bild 2. Praktischer Aufbau einer Spulenstrommessung
Bild 2 zeigt den praktischen Aufbau dieser Messung. Die Spule wird angehoben und schräg, mit einem der beiden Anschlüsse, wieder auf die Platine gelötet. Der in die Luft stehende Anschluss wird mit dem Hilfsdraht mit der Platine verbunden. Dieser Umbau lässt sich recht einfach bewerkstelligen. Zum lösen der Spule hat sich ein Auslöten mit heißer Luft bewährt. Viele SMD Reworkstationen bieten in der Temperatur einstellbare heiße Luft.
Strommesszangen werden von den Herstellern von Oszilloskopen angeboten. Leider haben diese üblicherweise einen recht hohen Preis. Es stellt sich also immer wieder die Frage, ob der Spulenstrom auch über einen Messwiederstand gemessen werden könnte. Dies ist prinzipiell möglich. Diese Messung hat jedoch den Nachteil, dass sich die in einer getakteten Spannungsversorgung erzeugten Schaltstörungen leicht in eine Spannungsmessung über einen Strommesswiderstand einkoppeln. Somit zeigt das Messergebnis, besonders an den interessanten Punkten, eingefangene Störungen und nicht das echte Verhalten des Spulenstromes.
Bild 3. Spulenstrommessung in blau, in braun eingezeichnetes Verhalten einer sättigenden Spule
Bild 3 zeigt die Messung des Spulenstromes (in blau) einer getakteten Spannungsversorgung erstellt mit einer Strommesszange welche mit dem verwendeten Oszilloskop kompatibel ist. Zusätzlich zur blauen Messung wurde auch noch in braun das Verhalten eingezeichnet, welches sich bei einer sättigenden Spule zeigen würde. Nahe an den Spitzenstromwerten, würde sich bei einer für die Anwendung nicht ausreichend dimensionierten Spule, ein sättigungsverhalten einstellen. Einer der Hauptgründe einer Spulenstrommessung in einer getakteten Spannungsversorgung ist es zu erkennen, ob die Spule sinnvoll ausgewählt wurde, oder ob sie im Betrieb oder während eines Fehlerfalles, in die Sättigung geht.
Eine Messung ohne Strommesszange, sondern mit einem Strommesswiderstand, würde gerade an den Spitzenströmen starke eingekoppelte Störungen zeigen, sodass es schwierig ist damit eine sättigende Spule zu erkennen.
Das Messen des Spulenstromes ist bei der Evaluierung einer Spannungsversorgung durchaus sinnvoll und kann mit der passenden Ausrüstung auf einfache Art und Weise realisiert werden.
Autor: Fredrik Dostal / © Analog Devices Inc.
Bild 1. Prinzip Skizze einer Messung des Spulenstromes eines Schaltreglers
Bild 1 zeigt einen sinnvollen Aufbau einer solchen Messung anhand eines üblichen Abwärtswandlers (Buck Topologie). In Reihe mit der Induktivität wird ein kleines Hilfskabel eingefügt. Dieses dient dazu eine Strommesszange anzubringen und damit den Spulenstrom mit einem Oszilloskop darzustellen. Es empfiehlt sich an der Seite der Spule zu messen, wo die Spannung ruhig ist. Die meisten Schaltreglertopologien nutzen die Spule auf eine Art, bei welcher die Spannung an der einen Seite zwischen zwei extremen Werten hin und her geschaltet wir, die andere Seite aber relativ ruhig bleibt.
Beim Abwärtswandler wie in Bild 1 gezeigt, wechselt die Spannung am Schaltknoten, also linke Seite der Spule L, zwischen der Eingangsspannung und der Massespannung mit der Geschwindigkeit der Schaltflanken hin und her. Auf der rechten Seite der Spule liegt die Ausgangsspannung an, welche in aller Regel relativ ruhig ist. Um Störungen durch kapazitive Kopplung (E-Feld Kopplung) zu reduzieren, sollte die Strommessschleife also auf der ruhigen Seite der Induktivität, wie in Bild 1 dargestellt, angebracht werden.
Bild 2. Praktischer Aufbau einer Spulenstrommessung
Bild 2 zeigt den praktischen Aufbau dieser Messung. Die Spule wird angehoben und schräg, mit einem der beiden Anschlüsse, wieder auf die Platine gelötet. Der in die Luft stehende Anschluss wird mit dem Hilfsdraht mit der Platine verbunden. Dieser Umbau lässt sich recht einfach bewerkstelligen. Zum lösen der Spule hat sich ein Auslöten mit heißer Luft bewährt. Viele SMD Reworkstationen bieten in der Temperatur einstellbare heiße Luft.
Strommesszangen werden von den Herstellern von Oszilloskopen angeboten. Leider haben diese üblicherweise einen recht hohen Preis. Es stellt sich also immer wieder die Frage, ob der Spulenstrom auch über einen Messwiederstand gemessen werden könnte. Dies ist prinzipiell möglich. Diese Messung hat jedoch den Nachteil, dass sich die in einer getakteten Spannungsversorgung erzeugten Schaltstörungen leicht in eine Spannungsmessung über einen Strommesswiderstand einkoppeln. Somit zeigt das Messergebnis, besonders an den interessanten Punkten, eingefangene Störungen und nicht das echte Verhalten des Spulenstromes.
Bild 3. Spulenstrommessung in blau, in braun eingezeichnetes Verhalten einer sättigenden Spule
Bild 3 zeigt die Messung des Spulenstromes (in blau) einer getakteten Spannungsversorgung erstellt mit einer Strommesszange welche mit dem verwendeten Oszilloskop kompatibel ist. Zusätzlich zur blauen Messung wurde auch noch in braun das Verhalten eingezeichnet, welches sich bei einer sättigenden Spule zeigen würde. Nahe an den Spitzenstromwerten, würde sich bei einer für die Anwendung nicht ausreichend dimensionierten Spule, ein sättigungsverhalten einstellen. Einer der Hauptgründe einer Spulenstrommessung in einer getakteten Spannungsversorgung ist es zu erkennen, ob die Spule sinnvoll ausgewählt wurde, oder ob sie im Betrieb oder während eines Fehlerfalles, in die Sättigung geht.
Eine Messung ohne Strommesszange, sondern mit einem Strommesswiderstand, würde gerade an den Spitzenströmen starke eingekoppelte Störungen zeigen, sodass es schwierig ist damit eine sättigende Spule zu erkennen.
Das Messen des Spulenstromes ist bei der Evaluierung einer Spannungsversorgung durchaus sinnvoll und kann mit der passenden Ausrüstung auf einfache Art und Weise realisiert werden.Autor: Fredrik Dostal / © Analog Devices Inc.
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