Fünf Fallstricke bei der Schaltungsentwicklung für Stromwandler
Ein umfassender Leitfaden vom „Es funktioniert“ zum „Es funktioniert hervorragend“
2026-07-14
Im Gespräch mit zahlreichen Kunden zu Stromwandleranwendungen wurde festgestellt, dass viele Ingenieure bei der Entwicklung von Strommessschaltungen eher auf „funktionale“ Lösungen setzen. Solange die Schaltung funktioniert und die Daten im Großen und Ganzen übereinstimmen, wird das Projekt freigegeben. „Funktional“ bedeutet jedoch nicht „gut funktionierend“ – oft fehlen nur wenige entscheidende Details, die aber qualitative Unterschiede in Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Dynamikbereich des Systems verursachen können. Dieser Artikel behandelt häufige Missverständnisse bei der Auswahl von Stromwandlern und der Schaltungsentwicklung, beschreibt fünf leicht zu übersehende Konstruktionsfallen und bietet entsprechende Lösungsansätze.
Die erste Fehlerquelle: falsche Platzierung des Abtastwiderstands. Der Stromwandler liefert Wechselstrom (AC). Wird ein Gleichspannungssignal (DC) benötigt, sind Gleichrichtung und Strom-Spannungs-Wandlung (I/V-Wandlung) erforderlich. Viele Ingenieure verwenden üblicherweise einen Widerstand, um den Wechselstrom in eine Wechselspannung umzuwandeln und diese anschließend gleichzurichten und zu filtern, um eine Gleichspannung zu erhalten. Diese Schaltung erzeugt zwar ein Signal, die Genauigkeit ist jedoch gering. Die Ursache liegt in der Verzerrung der Strom-Spannungs-Kennlinie aufgrund der Dioden-Nichtlinearität. Die korrekte Vorgehensweise erfordert nur geringfügige Änderungen: Der Abtastwiderstand wird nach der Gleichrichterschaltung platziert, die Konstantstromcharakteristik des Stromwandlers genutzt und die Dioden-Nichtlinearität automatisch kompensiert. Dadurch wird die Messgenauigkeit deutlich verbessert. Diese Methode stellt jedoch gewisse Anforderungen an die Ansteuerleistung des Wandlers. Ist das Ausgangssignal des Wandlers schwach, sind alternative Lösungen wie eine Präzisionsgleichrichtung erforderlich.
Die zweite Fehlerquelle: falsche Lastwiderstandsanpassung. Die Lastimpedanz eines Stromwandlers beeinflusst dessen Genauigkeit direkt. Überschreitet die Lastimpedanz den Toleranzbereich des Wandlers, steigt der Erregerstrom sprunghaft an, und der Magnetkern neigt zur Sättigung, was zu einer deutlichen Erhöhung des Messfehlers führt. Manche Ingenieure erhöhen willkürlich den Wert des Abtastwiderstands, um eine höhere Eingangsspannung des Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu erzielen. Dadurch werden die Genauigkeitsspezifikationen des Wandlers jedoch vollständig beeinträchtigt. Korrekterweise sollte man vor der Auslegung der Abtastschaltung das Datenblatt des Stromwandlers konsultieren oder sich an den Hersteller wenden, den Nennlastbereich bestätigen und sicherstellen, dass der Wert des Abtastwiderstands diesen Grenzwert nicht überschreitet. Nur so kann die vom Hersteller angegebene Genauigkeit des Wandlers erreicht werden.
Die dritte Fehlerquelle: die direkte Einspeisung des Wechselstromsignals in einen unipolaren AD-Wandler. Das vom Stromwandler ausgegebene Wechselstromsignal ist bipolar und um 0 V zentriert, während die meisten Mikrocontroller-AD-Wandler nur positive unipolare Signale verarbeiten können. Wird das Wechselstromsignal direkt in den AD-Wandler eingespeist, wird die negative Halbwelle nicht erkannt, was zu erheblichen Fehlern in den Messdaten führt . Es gibt drei gängige Lösungsansätze: Erstens kann die positive Halbwelle per Software umgewandelt und verarbeitet werden. Dies eignet sich für Anwendungen, bei denen Genauigkeit nicht entscheidend ist. Zweitens kann eine Gleichrichterschaltung verwendet werden, um das bipolare Signal in ein unipolares Signal umzuwandeln. Drittens kann dem Wechselstromsignal eine Gleichspannung überlagert werden, um das gesamte Signal in den Eingangsspannungsbereich des AD-Wandlers zu bringen. Anschließend kann der ursprüngliche Wechselstromwert per Software wiederhergestellt werden . Die dritte Lösung ist die gebräuchlichste, jedoch muss auf die Genauigkeit und die Temperaturdrift der Vorspannungsschaltung geachtet werden . Diese können durch Differenzabtastung oder Softwarekalibrierung kompensiert werden.
Die vierte Falle: Die alleinige Fokussierung auf das Übersetzungsverhältnis unter Vernachlässigung der Genauigkeitsklasse und des Sättigungsverhaltens. Viele Ingenieure achten bei der Auswahl von Stromwandlern (CTs) ausschließlich auf das Übersetzungsverhältnis und übersehen dabei die Unterschiede in Genauigkeitsklasse und Sättigungsverhalten. Mess-CTs weisen innerhalb des Nennstrombereichs eine hohe Genauigkeit auf, sättigen jedoch bei hohen Fehlerströmen schnell, um nachgeschaltete Geräte zu schützen. Schutz-CTs hingegen müssen auch bei Strömen, die ein Vielfaches des Nennstroms betragen, ein lineares Übersetzungsverhältnis beibehalten, um den korrekten Betrieb der Schutzeinrichtung zu gewährleisten . Wird ein Mess-CT in einer Schutzanwendung eingesetzt, kann die schnelle Sättigung des Magnetkerns zu Fehlfunktionen der Schutzeinrichtung führen; wird ein Schutz-CT in einer Messanwendung verwendet , erfüllt seine Genauigkeit unter normalen Lasten möglicherweise nicht die Anforderungen. Bei der Auswahl eines CTs ist es daher unerlässlich, das spezifische Anwendungsszenario zu berücksichtigen, die Genauigkeitsklasse , die Nennlast und das Sättigungsverhalten umfassend zu bewerten und das geeignete Produkt auszuwählen.
Die fünfte Falle: Unterbrechung auf der Sekundärseite des Stromwandlers. Dies ist die gefährlichste Sicherheitsgefahr. Im Normalbetrieb des Stromwandlers entmagnetisiert der Sekundärstrom den Primärstrom, was zu einer sehr niedrigen Spannung am Sekundäranschluss führt . Bei einer Unterbrechung auf der Sekundärseite verschwindet die Entmagnetisierung, und der Primärstrom fließt ausschließlich als Erregerstrom. Der Magnetkern sättigt sich schnell stark, und aufgrund der hohen Windungszahl der Sekundärwicklung kann eine Hochspannung von mehreren tausend Volt induziert werden, die ausreicht, um die Isolierung zu zerstören und Menschenleben zu gefährden. Daher ist es absolut verboten, eine Sicherung im Sekundärkreis des Stromwandlers zu installieren oder den Stromkreis während des Betriebs willkürlich zu schalten. Sollte ein Schalten dennoch erforderlich sein, müssen im Vorfeld zuverlässige Maßnahmen zur Vermeidung von Unterbrechungen getroffen werden.
Bei genauerer Betrachtung der fünf genannten Punkte wird deutlich, dass sie eine Gemeinsamkeit aufweisen: Die Schaltung funktioniert zwar, doch dem Entwickler fehlt ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaften des Stromwandlers als Stromquelle. Zudem werden wichtige Aspekte wie Lastanpassung, Signalaufbereitung, Auswahl und Anpassung sowie Sicherheitsstandards nicht ausreichend berücksichtigt . Die Diskrepanz zwischen Funktionalität und optimaler Leistung liegt genau in der Vernachlässigung dieser Details.
Shenzhen Deheng Technology Co., Ltd. ist seit vielen Jahren im Bereich der Präzisionsstromsensoren tätig. Das Produktportfolio umfasst Hall-Effekt-Stromsensoren, Fluxgate-Stromsensoren, Präzisionsstromwandler, Strommessumformer und kombinierte Strom- und Spannungswandler mit Genauigkeiten bis zu 0,01 % . Das Unternehmen bietet nicht nur hochwertige Präzisionsstromwandler, sondern auch umfassende Anwendungslösungen für Kunden aus zahlreichen Branchen, darunter Elektrofahrzeuge, Ladesäulen, Stromverteilungsanlagen, Stromversorgungen für die Kommunikation, IoT, Messtechnik, Smart Homes, Energiesysteme, Photovoltaik, Energiespeicher und Schienenverkehr. Von der Produktauswahl und Lastanpassung über die Schaltungsentwicklung bis hin zur Signalverarbeitung unterstützt Deheng Anwender dabei, Geräte effektiv zu nutzen. Bei Problemen wie mangelnder Genauigkeit, unzureichender Linearität, zu geringem Messbereich oder Auswahlschwierigkeiten bei der Entwicklung von Strommessschaltungen bietet Ihnen das technische Support-Team von Deheng Technology gezielte Anwendungslösungen und Empfehlungen.
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