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Wie misst man den Spulenstrom in Spannungsversorgungen?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal* / Richard Oed

Grundlagen Power-Design: Wie misst man den Spulenstrom am besten?
Grundlagen Power-Design: Wie misst man den Spulenstrom am besten? (Bild: VCG)

Getaktete Spannungsversorgungen verwenden üblicherweise Induktivitäten zum Zwischenspeichern von Energie. Beim Evaluieren dieser Spannungsversorgungen ist es häufig sinnvoll, den Spulenstrom zu messen, um ein umfassendes Bild der Spannungswandlerschaltung zu erhalten. Aber wie werden diese Spulenströme am besten gemessen?

Bild 1 zeigt den 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 derjenigen Seite der Spule zu messen, an der 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 hergeschaltet wird, die andere Seite aber relativ ruhig bleibt.

Beim Abwärtswandler wie in Bild 1, wechselt die Spannung am Schaltknoten, also auf der linken 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 eine kapazitive Kopplung (E-Feld-Kopplung) zu reduzieren, sollte die Strommessschleife also, wie in Bild 1 dargestellt, auf der ruhigen Seite der Induktivität angebracht werden.

Bild 2 zeigt den 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 über den Hilfsdraht wieder mit der Platine verbunden. Dieser Umbau lässt sich recht einfach bewerkstelligen. Zum Lösen der Spule hat sich ein Auslöten mit Heißluft bewährt.

Strommesszangen werden von den Oszilloskop-Herstellern angeboten, leider zu einem recht hohen Preis. Es stellt sich daher oft die Frage, ob der Spulenstrom nicht auch über einen Messwiderstand gemessen werden kann. Dies ist prinzipiell möglich. Diese Messung hat jedoch den Nachteil, dass sich die in einer getakteten Spannungsversorgung erzeugten Schaltstörungen leicht über den Strommesswiderstand in die Spannungsmessung einkoppeln. Somit zeigt das Messergebnis, besonders an den interessanten Punkten, eingefangene Störungen und nicht das echte Verhalten des Spulenstroms.

Bild 3 zeigt in Blau den Verlauf des Spulenstroms einer getakteten Spannungsversorgung, der mit einer mit dem verwendeten Oszilloskop kompatiblen Strommesszange gemessen wurde. Zusätzlich wurde in Braun noch 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 im Fehlerfall in die Sättigung geht.

Eine Messung mit einem Strommesswiderstand würde gerade bei den Spitzenströmen starke eingekoppelte Störungen zeigen, so dass die Erkennung einer sättigenden Spule schwierig wäre.

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.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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