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Hall-Effekt Stromwandler

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Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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24.Nov.15 14:18
 
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Das logarithmische Amperemeter mit Analoganzeige enthält einen Ausgang zur Anzeige der Zeitfunktion des Netz-Stromes mit Hilfe eines Oszilloskops. Der Strom wird dabei mit Hilfe eines Strom-Wandlers transformatorisch in eine Spannung gewandelt. Das ist für die meisten praktischen Probleme auch völlig ausreichend.

Liegt im Stromzweig aber ein Gleichrichter, entsteht zusätzlich zum Wechselanteil noch ein Gleichanteil des Stromes. Dieser Gleichanteil kann jedoch nicht transformatorisch erfaßt werden, so daß dann nur der Wechselanteil oszilloskopiert werden kann.

Bei Allstrom-Geräten, die den Anodenstrom direkt durch Gleichrichtung aus der Netzspannung gewinnen, tritt im Eingangs-Strom eine Gleichkomponente auf. Auch bei bei Trafos, die aufgrund von Einweggleichrichtung (einseitig) in die Sättigung kommen können, wird der Eingangs-Strom unsymmetrisch.

Gleichkomponenten im Netzstrom können mit Hilfe von Hall-Effekt Stromwandlern gemessen werden.

Diesen Stromwandler findet man z.Z. bei Pollin zu einem günstigen Preis. Der 50A Typ, der zuvor angeboten wurde, hat folgendes Ersatzschaltbild. Im Unterschied dazu hat der 25A Typ insgesamt 5 einzelne Primär-Wicklungen, so daß er für 5A maximalen Primärstrom geschaltet werden kann, was für die Untersuchung von elektronischen Schaltungen der günstigere Strombereich ist.

Der magnetische Kreis (magenta) hat einen Luftspalt, in dem sich der Hall-Wandler befindet. Die Stromverteilung im Hall-Wandler wird durch das Magnetfeld B in seiner Symmetrie gestört, so daß dadurch eine Spannung UH entsteht, die auf den Eingang eines Operations-Verstärkers gegeben werden kann.

Im Ausgang des Operations-Verstärkers liegt eine Wicklung, die dafür sorgt, daß das durch die primären Spulen erzeugte Magnetfeld exakt kompensiert wird, so daß der Hall-Wandler wieder symmetrisch arbeitet und (praktisch) keine Differenz-Eingangs-Spannung am Operations-Verstärker entsteht. [Für einen OV ist das der "normale" Betrieb.] Der Ausgangs-Strom des OV erzeugt zusätzlich eine Spannung in einem Abschluß-Widerstand, die dann zur Anzeige mit einem Oszilloskop verwendet werden kann.

Enthält der Primär-Strom eine Gleichkomponente, muß auch der Sekundär-Strom (Augangs-Strom des OV) eine Gleichkomponente enthalten, damit der Hall-Wandler praktisch magnetfrei wird. Damit wird also de facto eine Gleichkomponente im Primär-Strom in eine entsprechende Gleich-Komponente im Sekundär-Strom "übersetzt" und kann als entsprechende Gleichspannung gemessen werden.

Die Spannungsversorgung von +15V / -15V für den Hall-Wandler gewinnt man aus einem kleinen Netzteil über Festspannungs-Stabilisatoren. Hier wurden die Typen LM317 & LM337 verwendet.

Die gesamte Schaltung paßt in ein "Zwischenstecker" Gehäuse und ist hier auf einer Lochrasterplatine mit zu je 3 Löchern unterteilten Kupferbahnen aufgebaut.

Ein Beispiel für den Strom einer 6W LED-Lampe (50mA / Skalenteil)

Weiteres Beispiel für eine LED-Zeile mit separatem Schalt-Netzteil. (100mA / Skt)

Aufgrund des gedrängten Aufbaus in dem Zwischenstecker-Gehäuse gibt es leider magnetische Einstreuungen vom Netztrafo in den Hall-Wandler, so daß ein Nullpunkts-Fehler von ca. 1/2 Promille entsteht.  Man sieht in diesem Zeitverlauf den Strom im Gleichrichter vom Netzteil.

Bei der "normalen" Messung von Netz-Strömen fällt diese Störung nicht auf. Abhilfe brächte ein größeres Gehäuse, wo der Netztrafo wenigstens 3cm vom Hall-Wandler entfernt montiert werden könnte.

MfG DR

 

This article was edited 24.Nov.15 17:18 by Dietmar Rudolph .

Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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26.Nov.15 12:23

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Ein Berliner Radiosammler hat freundlicherweise ein Allstromgerät (Mende370GW) für eine Messung des Netz-Stromes zur Verfügung gestellt.

Die Strom-Messung wurde sowohl mit dem Hall-Effekt Stromwandler, als auch mit dem beim logarithmischen Amperemeter vorhandenen Meßausgang durchgeführt.

Wie theoretisch zu erwarten war, zeigt der transformatorisch beim log. Amperemeter gewonnene Zeitverlauf die Gleichkomponente nicht.

Dies ist daran zu erkennen, daß die Flächen unter der gemessenen Stromkurve oberhalb und unterhalb der Nullinie gleich groß sind. Deutlich ist aber die Einweg-Gleichrichtung daran zu erkennen, daß nur in der positiven Halbwelle eine Stromspitze erscheint.

Der Hall-Effekt Stromwandler, der auch die Gleichstrom-Komponente mißt, zeigt fast das gleiche Oszillogramm. [Die Maßstabs-Faktoren der beiden Meßgeräte sind unterschiedlich, weshalb sich die Amplituden-Werte unterscheiden.]

Bei genauer Betrachtung des Oszillogramms erkennt man, daß der Kurvenverlauf bezüglich der Nulllinie um den Gleichanteil in die positive Richtung (nach oben) verschoben ist. Die Flächen oberhalb und unterhalb der Nulllinie sind nicht mehr gleich groß. Der Stromkreis für diesen Gleichanteil wird über den Trafo der Netz-Unterstation geschlossen.  
[Deshalb ist es nicht möglich, z.B. einen "All American Five" z.B. mit Hilfe eines Kondensators in der Netzleitung (als "Vorwiderstand") an 230V zu betreiben.]

Der Vergleich zeigt, daß zur Messung der Netz-Ströme von Allstrom-Geräten die rein transformatorische Methode ausreichend ist.

Größere Abweichungen zwischen den beiden Meßverfahren treten bei kleineren Stromflußwinkeln zu Tage.

Als Vorteil des Hall-Effekt Stromwandlers kann gelten, daß er eine Bandbreite von DC bis mindestens 150kHz hat. (nach Datenblatt)

MfG DR

This article was edited 26.Nov.15 12:39 by Dietmar Rudolph .

Adalbert Gebhart
 
 
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28.Nov.15 23:24

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Universelle Stromzangen wie die Tektronix A622 funktionieren auch nach diesem Prinzip.

 

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Heinrich Stummer
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29.Nov.15 09:01

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Die Tektronix A622 spielt leider aber in einer anderen Preisliga,  Über 800.- Euro sind nichts mehr für das Hobbybudget. Die Zange ist bei den Distributoren gelistet.

Adalbert Gebhart
 
 
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29.Nov.15 09:19

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Ja die Tektronix-Preise !

Da lohnt es sich, ab und zu im ebay zu schauen.

Mitunter findet man sie da sehr deutlich günstiger.

Ist ein praktisches Hilfsmittel.

Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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29.Nov.15 12:27

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Stromwandler haben viele Anwendungen, die sich nicht auf die Radio-Technik bzw. die Nachrichtentechnik beschränken. Die häufigsten Anwendungen betreffen die Energieversorgung, wie einem Katalog der Firma LEM entnommen werden kann. Dort findet man auch weitere Informationen zu den angewendeten Wandler-Prinzipien.

MfG DR

Dietmar Rudolph
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03.Dec.15 17:20

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Der Netz-Strom der Philetta BD283U (entsprechend zu DB283Z) wurde mit einem Tektronix Digital-Oszilloskop gemessen.
[Dieses Digital-Oszilloskop zeigt im Kurvenverlauf Treppenstufen, die aufgrund der digitalen Verarbeitung entstehen. Durch zeitliche Mittelung können diese (etwas) gegelättet werden.]

Hier zunächst die Kurvenform des Netz-Stroms. Die Null-Linie wird durch den Pfeil links markiert.

Damit die Unsymmetrie dieser Kurve infolge des (Anoden-)Gleichstromes deutlicher hervortritt, wird nun der Strom-Kurve (orange) eine Spannungs-Kurve der Netz-Spannung (blau) in passendem Maßstab überlagert. Damit sind nun die durch die Einweg-Gleichrichtung entstehenden Strom-Impulse sehr deutlich zu erkennen.

Eine Bemerkung zur Messung:

In Abhängigkeit davon, wie herum der Netz-Stecker (in den Stromwandler) eingesteckt ist, gehen die Strom-Impulse entweder nach oben oder nach unten. Das ist unmittelbar verständlich, wenn man sich klar macht, in welcher Richtung dann jeweils der Strom durch den Stromwandler fließt.
MfG DR

Adalbert Gebhart
 
 
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03.Dec.15 19:40

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Interessante Messung, Herr Rudolph.

Überrascht hat mich die Grösse des Ladestroms. 
Ich habe diese Messung bei meiner Philetta BD263U daher auch mal gemacht.

Der Strompeak lag bei 708mA!
Wenn ich den unterlagerten Wechselstrom (i.W. Heizung und Beleuchtung) von208mA (Peak) abziehe, bleiben immer noch 500mA Peak-Ladestrom.

Angesichts der Tatsache, dass der eingebaute Einweggleichrichter UY85 laut Datenblatt für einen Dauergleichstrom von 110mA ausgelegt ist und der Anodenstrom in der Spitze 660mA nicht überschreiten soll, finde ich es überraschend, dass man so nah an die Grenzen gegangen ist.

Ich habe übrigens gerade letzte Woche zwei LEM 15A Hall-Stromsensoren im ebay für nur ca 7 Euro das Stück ersteigert. Einer kommt in meinen Trenntrafo für eine vernünftige Stromanzeige. Das derzeit eingebaute und weitgehend nutzlose Dreheisenintrument ärgert mich auch schon lange. Daher fand ich diesen thread insgesamt auch sehr interessant.  Allerdings werde ich die Anzeige linear mit umschaltbarem Messbereich machen. Ich mag logarithmische Skalen nicht besonders.

Grüsse

Adalbert Gebhart

Steffen Thies
 
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19.Dec.15 20:01

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...Herr Rudolph, für den Tip!

Momentan gibt es bei Pollin einen 15 A-Typ für nicht einmal 5 Euronen. Besser geht's nicht. Er ist mittels 3 Leitern ebenfalls auf 5 A umschaltbar. Der Linearitätsbereich geht bis 51 A, Spitzen werden also richtig erfaßt. Stromversorgung 5 V einfach.

Dietmar Rudolph
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20.Dec.15 10:30

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Entweder war das Angebot, des 15A Typs nur in sehr beschränkter Anzahl lieferbar, oder aber es haben viele Interessenten bereits bestellt, so daß bei Pollin heute früh nichts mehr auf der Internetseite zu finden ist.

Es zeigt jedenfalls, daß der Stromwandler bei den Radiosammlern auf großes Interesse stößt.

MfG DR

Michael Schlör
Michael Schlör
 
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20.Dec.15 12:43

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ist dieser 15A Stromsensor bei Pollin. Habe gerade bestellt. Im Suchfeld eingeben:

T60404-N4646-X66282

oder einfach

"Stromsensor", dann erscheint er auch als Vorschlag.

73,

Michael Schlör

DJ8IJ

Georg Richter
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22.Dec.15 01:39

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Ein Aufbau ohne Brummstörung ist hier beschrieben.

Bei den Wandlern sind solche mit bipolarer Versorgungsspannung zu bevorzugen.

Bei Wandlern  mit unipolarer Versorgung hat die Ausgangsspannung einen DC-Offset (üblicherweise halbe Versorgungsspannung). Dadurch scheidet LEM inzwischen leider aus.

Beste Grüsse,

GR

Wolfgang Siegmund
Wolfgang Siegmund
 
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23.Dec.15 00:25

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Ich habe den Stromsensor geöffnet.

Hier sind einige Bilder:

Vorderansicht

Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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23.Dec.15 11:35

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Der Stromsensor von VAC enthält keinen Hall-Effekt Stromsensor, sondern ist i.w. ein (kleiner) Trafo, der sekundärseitig im Kurzschluß (mit "Bürde") auf einen Operationsverstärker arbeitet. Aus dem Schaltbild, das im Datenblatt gezeigt ist, geht das sofort hervor.

Mit diesem Stromsensor läßt sich folglich nur der Wechselanteil des Stromes messen.

Aber man könnte damit einen verbesserten Stell-Trenn-Trafo mit Oszillographenanschluß bauen, weil sich hierdurch die Meßgenauigkeit und der Frequenzbereich (für die gemessenen Störungen) erhöht.

MfG DR

Wolfgang Siegmund
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23.Dec.15 12:10

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Interessant ist ja die Angabe im Datenblatt:

DC, AC, Impuls...,

Beste Grüße,

Wolfgang Siegmund

Giovanni Cucuzzella
 
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23.Dec.15 21:24

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Wie von Prof. Rudolph richtig bemerkt enthält das Modul keinen Hall-Effekt-Stromsensor. Statt dessen wird ein magnetischer Sensor verwendet. Dass die Funktion komplexer als in Post 14 beschrieben ist, zeigt sich in diesem Vortrag und in den Dokumenten die ich hier auf Grund der Dateigröße nicht anhängen kann:

White Paper Closed-loop current sensing systems with magnetic field probe

Datenblatt Texas Instrument DRV401 Sensor Signal Conditioning IC for
Closed-Loop Magnetic Current Sensor

Anwendungshinweise DRV401

Anmerkung zu den Links:

Zu finden sind diese und andere relevante Dokumente mit den Suchbegriffen:

vac Current Sensor for 5V- Supply Voltage

 

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This article was edited 23.Dec.15 21:42 by Giovanni Cucuzzella .

Dietmar Rudolph
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25.Dec.15 14:48

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Die Informationen einerseits aus der Beschreibung und andererseits gemäß dem (sehr vereinfachten) Schaltbild im Datenblatt sind widerspüchlich.

Es war daher schon zu vermuten, daß das Meßprinzip ähnlich demjenigen sein könnte, das bei der HP428A/B Stromzange (aus dem Jahre 1970) angewendet wird, die zwar auch keinen Hall-Effekt Wandler hat, aber in der Lage ist, auch Gleichströme zu messen.

Auch hier hat der magnetische Kreis an einer Stelle zwei Schenkel, die mit Hilfe eines Rechteck-Generators abwechselnd in die Sättigung gefahren werden.

Die vom "Innenleben" des VAC Stromsensors in Post #13 gezeigten Bilder lassen leider den gesplitteten Schenkel des magnetischen Kreises nicht erkennen. Und aufgrund dieser Bilder alleine auf das Meßprinzip zu schließen, erschien zu spekulativ.

Nachdem Herr Cucuzzella dankenswerter Weise weitere Informationen gefunden hat, liegt die Bestätigung nun vor. 

MfG DR


P.S.: mein PC hatte am 23. nachmittags einen Crash und konnte erst jetzt wieder zum Laufen gebracht werden.

  
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