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Fluxgate-Stromwandler Zündende Ideen für mehr Leistung

06.06.2017

Stromwandler mit Fluxgate werden in vielen Prüfständen als Messgeräte eingesetzt. Sie sind allerdings anfällig für Temperatureinflüsse und Störungen. Mit einigen cleveren Anpassungen lässt sich die Empfindlichkeit der Wandler deutlich reduzieren und dadurch ihre Genauigkeit und ihr Störabstand verbessern.

Die Validierung von Geräten und Systemen erfolgt meist durch zertifizierte Labore mit leistungsstarken Prüfständen. Sie verfügen über Präzisionsmessgeräte mit extrem genauen Stromwandlern. Diese müssen ihre Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich der zu testenden Geräte beibehalten. Um die Leistungsfähigkeit auf Fluxgates basierenden Stromwandlern weiter zu verbessern, sind neue Ideen gefragt.

Fluxgate-Stromwandler sind Messgeräte mit einem geschlossenen Regelkreis. In ihnen wird durch den gemessenen Strom oder Primärstrom IP in einem Magnetkreis ein Magnetfeld erzeugt. Ein Sekundär- oder Kompensationsstrom Icomp, der in einer Spule mit Ncomp Windungen um den gleichen Magnetkreis geführt wird, hebt dieses Magnetfeld exakt auf. Wenn der Primärstrom NP Windungen aufweist, ergibt sich der Primärstrom zu
IP = Icomp × Ncomp / NP. Heben sich Primär- und Kompensationsdurchflutung auf (Nullfeldzustand), wird dies durch ein Fluxgate erkannt. Das Fluxgate besteht aus einer Spule, die um einen ferromagnetischen, auf ein bestimmtes Sättigungsverhalten optimierten Kern gewickelt ist. Ist der Kern gesättigt, verringert sich die Induktivität der Spule. Steuert eine symmetrische Rechteckspannung das Fluxgate an, erhöht sich die Änderungsrate des Stroms, sobald dieses gesättigt ist. Ist der Nullfeldzustand erreicht, wird das Stromsignal symmetrisch. Andernfalls ist die Signalform asymmetrisch.

Beim Fluxgate-Stromwandler wird die Rechteckspannung einer Vollbrücke an das Fluxgate angelegt. Ein Widerstand (R) wandelt seinen Strom in eine Spannung um. Die Symmetrie der Spannung wird in einer Signalverarbeitungseinheit gemessen, beispielsweise durch Erfassung der zweiten Harmonischen des Signals. Eine Steuerung des Kompensationsstroms mit einem Klasse-AB-Verstärker komplettiert den Regelkreis. Die Steuerung zielt darauf ab, dass diese zweite Harmonische Null wird. Ein weiterer Widerstand (Rm) wandelt den Kompensationsstrom Icomp in eine Spannung um. Grundsätzlich ist zu beachten, dass das Fluxgate-System den Gleichstrom- und Niederfrequenzbereich des Primärstroms abdeckt. Bei höheren Frequenzen wird der Stromwandlereffekt direkt genutzt.

Vor- und Nachteile des Fluxgate

Das Fluxgate ist ein passives Element, das symmetrisch angesteuert wird. Zusammen mit der zweiten Harmonischen zur Erkennung von Nullfeldern ergibt sich somit ein System, dessen Offset, und noch wichtiger dessen Offset-Drift, niedrig ist. Eingeschränkt werden beide hauptsächlich durch die Elektronik des Rückkopplungssystems. Das Windungsverhältnis Ncomp/NP ist exakt bekannt, so dass der Wandler präzise und stabil arbeitet. Ist die Schleifenverstärkung ausreichend hoch, arbeitet der Wandler mit einem Null-Magnetfeld im Hauptkern. Dadurch entsteht ein System mit ausgezeichneter Linearität. Der Transformatoreffekt sorgt für eine gute Reaktion bei hohen Frequenzen. Im Gegensatz zu einem Wandler, der auf dem Hall-Effekt basiert, gibt es beim Fluxgate-Wandler kein Sensorelement mit hohem Widerstand. Aus diesem Grund ist das weiße Rauschen gering.

Allerdings gibt es einige wichtige Einschränkungen. Das Spannungssignal, welches das Fluxgate anregt, kann in den Sekundärstrom einkoppeln und bei der Erregerfrequenz ein unerwünschtes Signal (Welligkeit) hinzufügen. Verhindert werden kann das durch Ansteuerung eines Dummy-Fluxgates in Gegenphase zum Fluxgate im Messkreis. Aufgrund der notwendigen Fluxgate-Anpassung – beide müssen sich identisch verhalten – ist die Wirksamkeit dieser Anpassung jedoch begrenzt.

Im Allgemeinen funktioniert der Fluxgate-Kreis nicht bis zu der Frequenz, ab der der Transformatoreffekt wirkt. Diese Frequenzlücke muss zum Beispiel mit Hilfe einer zusätzlichen Induktionswicklung, deren Ausgangsspannung proportio-
nal zur Änderungsrate des Fehlerstroms ist, gefüllt werden. Nach der Integration wird dieses Signal zum Ausgang des des Detektors für die zweite Oberschwingung addiert und zur Steuerung des Kompensationsstroms verwendet.

In bestimmten Situationen, beispielsweise wenn IP den Messbereich überschreitet, kann das Fluxgate fortwährend gesättigt bleiben. Das führt zu einer zweiten Harmonischen „mit falschem Nullzustand“. In diesem Fall verschwindet die von Icomp erzeugte Verstärkung der Regelschleife, weil die Änderung von Icomp keine Änderung der zweiten Harmonischen bewirkt. Diese Bedingung muss erkannt und korrigiert werden.

Zu beachten ist außerdem, dass die Elektronik im Regelkreis sehr komplex ist. Bei einer analogen Implementierung werden viele Bauelemente benötigt, die möglicherweise Offsetspannungen einfügen oder Störsignale der Stromversorgung einkoppeln. Bei einigen Wandlern, zum Beispiel dem ITZ 2000 des Herstellers LEM, ist die Elektronik getrennt von den magnetischen Komponenten in einem externen Gehäuse untergebracht.

DSP für mehr Leistung

Diese Einschränkungen sind allerdings kein Grund Fluxgate-Stromwandler nicht zu verwenden. Für die meisten dieser Probleme sind mittlerweile Lösungen bekannt. Das zeigen zum Beispiel die Stromwandler IN 2000 von LEM. Verbesserungen am Design sorgen für eine höhere Integration, schnellere Signalverarbeitung im digitalen Bereich und eine optimierte Welligkeitsunterdrückung bei der Fluxgate-Erregerfrequenz.

Ein wesentlicher Bestandteil des Wandlers IN 2000 ist sein hochleistungsfähiger digitaler Signalprozessor (DSP) im Rückkopplungskreis. Die dadurch ermöglichte Signalverarbeitung im Digitalbereich führt dazu, dass das Gerät nach dem A/D-Wandler völlig immun gegenüber Temperatureinflüssen, Störungen und Abweichungen der Versorgungsspannung ist. Insbesondere verbessern sich der Offset und die Offset-Drift. Im DSP befindet sich ein Flash-Speicher zur Sicherung einiger Kalibrierparameter. Trotz dieser Extrafunktionen benötigt die Elektronik keinen zusätzlichen Platz.

Der DSP reduziert auf zwei Arten die Störung oder Welligkeit seitens des Fluxgate-Erregersignals bei einer festen Frequenz von 16 kHz. Anstatt einfach die Fluxgate-Spannung zwischen positiven und negativen Werten hin- und herzuschalten, legt er das Steuerungssignal so aus, dass die Oberschwingungen bei höherer Frequenz reduziert werden. Die verbleibende Störung beseitigt er, indem er eine Wicklung zur Welligkeitskompensation ansteuert, deren Amplitude und Phase während der Kalibrierung des Wandlers angepasst werden. Die erforderliche Welligkeitskompensation wird über alle Betriebszustände hinweg mit einem lokalen Regelkreis konstant gehalten. Der Regelkreis zwingt die Ursache für die Welligkeit, die Fluxgate-Ansteuerung, konstant zu bleiben. Dadurch ist das Kompensationssignal immer wirksam.

Einige Wandler aus früheren Generationen nutzen eine variable Fluxgate-Erregerfrequenz, um die Stromamplitude in den Fluxgates konstant zu halten. Eine variable Frequenz kann jedoch unvorhersehbare Effekte in einem System hervorrufen. Dieses Problem ergibt sich durch die feste Frequenz bei dem IN 2000 nicht.

Dank der Verbesserungen erweist sich der IN 2000 als ein Wandler mit sehr hoher Genauigkeit und geringen Störungen im Ausgangssignal. Dies gilt über einen weiten Temperaturbereich. Nach der Kalibrierung beträgt der Spitze-zu-Spitze-Wert der verbleibenden Restwelligkeit weniger als 50 ppm bezogen auf den maximalen Ausgangsstrom und über den gesamten Betriebstemperaturbereich von
-40 bis 85 °C hinweg. Für die Welligkeit bei der Fluxgate-Ansteuerungsfrequenz am Wandlerausgang zeigt sich, dass beim
IN 2000 im Vergleich etwa zu einem Wandler der Vorgängergeneration mit 2000 A die Welligkeit im thermischen Rauschen verborgen ist.

Das Gehäuse des IN 2000 ist metallisch, um eine optimale Abschirmung vor externen Störquellen zu gewährleisten. Die elektromagnetische Immunität wird zusätzlich verbessert, indem das Fluxgate innerhalb des Hauptmagnetkerns angeordnet ist. Da LEM in dem weiten Betriebstemperaturbereich ein wesentliches Qualitätsmerkmal des IN 2000 sieht, wurden zusätzlich thermische Simulationen durchgeführt, die sicherstellen, dass keine unerwarteten Hotspots im Wandler auftreten.

Schutz vor Überlastungen

Auch für das Problem einer fortwährenden Fluxgate-Sättigung haben die Entwickler eine Lösung gefunden. Der
IN 2000 erkennt eine mögliche Sättigung des Fluxgates daran, dass dessen Strom einen bestimmten Wert überschreitet. Zwei Bedingungen können dazu führen, dass das Fluxgate dauerhaft gesättigt ist:

  • ein vorhandener Primärstrom beim Einschalten des Wandlers

  • ein Primärstrom, der den Messbereich des Wandlers um mehr als
    10 Prozent übersteigt

Entdeckt der IN 2000 diese Überlastungssituation, läuft Icomp kontinuierlich zwischen den Extremwerten seines Messbereichs hin und her. Sobald Ip wieder seinen zulässigen Bereich erreicht, wird das Fluxgate sicher entsättigt und der normale Betrieb der Regelschleife beim Erreichen eines Null-Magnetfeldes wiederher-
gestellt.

Neben der eben beschriebenen Reaktion auf eine mögliche Überlastung schützt sich der IN 2000 zusätzlich durch eine Softwareroutine selbst. Diese überprüft sowohl externe und als auch interne Versorgungsspannungen. Wird ein Fehler erkannt, gibt der IN 2000 eine Statusmeldung an einem speziellen Ausgang aus. Daran erkennt der Benutzer, dass eine Aktion erforderlich ist, um zu Bedingungen zurückzukehren, bei denen die gewünschte Messgenauigkeit wieder gewährleis-
tet ist.

Durch die vorgenommen Verbesserungen besitzt der IN 2000 die Leistungsfähigkeit, die von modernen Fluxgate-Wandlern erwartet wird. Durch seine hohe Genauigkeit, sein geringes Rauschen über einen großen Temperaturbereich und seine kompakte Baugröße eignet er sich für viele unterschiedliche Anwendungen. Neben dem klassischen Einsatz, zum Beispiel in Automobilprüfständen, ist der Stromwandler deshalb auch interessant für viele andere Industrien, wie beispielsweise die Medizintechnik, die Automation oder auch die Energieerzeugung. Gerade da in diesen Bereichen von den Messgeräten eine immer höhere Genauigkeit verlangt wird.

Bildergalerie

  • (a) Das angelegte Fluxgate-Erregersignal ist ein rechteckförmiges Spannungssignal, das nur ungerade Oberschwingungen der Grundfrequenz aufweist. (b) Ist das externe Magnetfeld Null, ergibt sich ein symmetrisches Stromsignal. Es weist ebenfalls nur ungerade Harmonische auf. (c) Andernfalls ergibt sich eine asymmetrische Signalform, die auch Oberschwingungen und eine Gleichstromkomponente enthält.

    Bild: LEM

  • Das grundsätzliche Funktionsprinzip eines Fluxgate-Stromwandlers besteht darin, die Symmetrie des fließenden Stroms zu überprüfen und den Kompensationsstrom entsprechend zu regulieren.

    Bild: LEM

  • Die Welligkeit vor der Kalibrierung des Kompensationsschaltkreises (rote Kurve) ist vergleichbar mit der eines Wandlers der vorherigen Generation (blaue Kurve). Nach der Kalibrierung verbirgt sich die Welligkeit im Rauschen des Ausgangssignals (grüne Kurve).

    Bild: LEM

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