Hallo Zusammen, ich habe ein Phänomen beim Bau eines Stromsensors mit Ringkern (Material Manifer 193, wohl ähnlich zu N30) und dem Hallsensor DRV5055Z4 (12,5mV/mT Empfindlichkeit) von TI, das ich nicht verstehe: Zum Aufbau: Der Ringkern ist geschlitzt(~1,4mm) und darin der Hallsensor eingeklebt. Nun wird eine Spule mit 100 Windungen mit der Strombegrenzung vom Labornetzteil bestromt und die Spannung am Hallsensor per Multimeter gemessen. Nun ergibt sich der Plot im Anhang. Die X-Achse entspricht dem resultierenden Gesamtstrom der sich durch die 100 Windungen der Spule ergibt. Y-Achse ist das Sensorsignal in mV/V. Blau ist die Kurve bei ansteigendem Strom, Orange der Verlauf von hohem Strom zu geringem Strom. Rechnet man das Sensorsignal in mT um, erhält man bei der Knickstelle etwa 250mV/V*5V*12,5mV/V = 100mT. Der Sensor sollte bei 5V Versorgung eigentlich einen Messbereich bis 169mT haben. -> Sollte den Knick nicht verursachen. Dann wäre da ja noch die Sache mit der Sättigung... Hier habe ich noch kein exaktes Datenblatt für das Material, die meisten ähnlichen anderen Kernmaterialien, z.B. N30, sind hier bei einer Sättigungsflussdichte von > 200mT. Hier bin ich ja auch noch Faktor 2 entfernt. Jemand noch eine Idee was den Knick verursachen könnte? Besten Dank!
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Welcher Ringkern (Maße)? Mal gegenrechnen, ob die Flußdichte stimmt.
Elliot schrieb: > Welcher Ringkern (Maße)? Bitte auch Induktivität bzw. AL-Wert angeben, sonst müsste man den Luftspalt in die resultierende Permeabilität einrechnen.
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Stromsensorbauer schrieb: > Dann wäre da ja noch die Sache mit der Sättigung Genau. Die beginnt langsam. Wie bei dir. Zu Messzwecken muss man von ihr weit entfernt bleiben.
gib bei der Skalierung der y-Achse doch bitte direkt die Spannung an, die du gemessen hast. du trägst stattdessen eine berechnete Größe auf. eventuell versteckt sich der Fehler ja genau in deiner Berechnung dieser Werte
Der Stromsensor wird in seinem Teil der Luftspaltquerschnittsfläche eine größere Permeabilität als Luft haben und dort die Feldlinien konzentrieren, was zu erhöhter Flußdichte führt. Laut Datenblatt gibt es den genannten Kern nicht in MF193.
@ Achim S. Die Berechnung stimmt, habe sich gerade nochmals geprüft. Es handelt sich lediglich um eine Division des Sensorsignals durch 4,998V Versorgungsspannung. @ Elliot Ja, das is da leider etwas Wirr mit den Materialien. Laut Beschriftung der Tüte handelt es sich aber wohl um MF193. Im Shop kann man auch nur MF193 auswählen. @MaWin Dass die Sättigung nicht schlagartig kommt, ist mir klar. Trotzdem wundert es mich, dass erst eine Art Knick entsteht, und dann die wieder eher geradenförmig mit geringerer Steigung weitergeht. Ich hätte eher eine asymptotische Annäherung an einen Maximalwert erwartet.
Stromsensorbauer schrieb: > Die Berechnung stimmt, habe sich gerade nochmals geprüft. Es handelt > sich lediglich um eine Division des Sensorsignals durch 4,998V > Versorgungsspannung. Ehrlich? Dein Sensor sollte bei 0mT nicht 0V ausgeben sondern Vcc/2 = 2,5V. Das passt nicht zu deiner Messung, wenn du wirklich nur durch 4,998V dividiert hast.
@ Achim S. Doch, die Berechnung in Excel ist tatsächlich nur die Division, trotzdem hast du gut aufgepasst;-) Der Sensor ist aber in einer Brückenschaltung mit Signal+ und Signal-. Der Sensorausgang alleine liegt, wie du richtig erkannt hast bei ~2,5V. D.h. ohne Feld ist die Brücke unverstimmt und liefert ~0mV. Sollte aber hier keine weitere Relevanz haben.
Stromsensorbauer schrieb: > Der Sensor ist aber in einer Brückenschaltung mit Signal+ und Signal-. > Der Sensorausgang alleine liegt, wie du richtig erkannt hast bei ~2,5V. > D.h. ohne Feld ist die Brücke unverstimmt und liefert ~0mV. > Sollte aber hier keine weitere Relevanz haben. Und der Ausgang der Brücke geht direkt auf einen ADC? Oder hast du den Ausgang der Brücke mit einem hochohmigen Multimeter nachgemessen, ohne ihn ansonsten zu belasten? Oder hast du evtl. noch irgendeinen Verstärker nachgeschaltet? Der Grund meiner Frage: - wenn du einen Differenzvestärker nachgeschaltet hast könnte es sein, dass dessen Eingangswiderstand ab einer bestimmten Signalstärke den Ausgang des Sensorchips überlastet (der kann nur 1mA liefern) - wenn du einen Instrumentenverstärker nachgeschaltet hast, dann kann es schnell passieren, dass du dessen erlaubten Gleichtaktbereich verlässt - dann ergeben sich genau solche Knicke in der Kennlinie wie bei dir zu sehen. Evtl. versteckt sich der Grund für den Knick an einer ganz anderen Stelle, als du vermutest. Deswegen wäre ein vollständiges Bild deines Aufbaus zur Fehlersuche sinnvoll.
Die Messungen sind alle mit Labornetzteil und Tischmultimeter durchgeführt. Keine weiteren Bauteile wie ADC, Verstärker und dergleichen. Der Ausgang des Sensors geht direkt ans Multimeter, Signal- wird über einen Spannungsteiler mit zwei 2k2 Widerständen zwischen Vcc und GND erzeugt. Der Multimetereingang für das "Sensorsignal/Brückensignal" hängt somit zwischen Signal- und dem Ausgangspin vom Hallsensor. Die Versorgungsspannung wird zwischen Vcc und GND des Sensors ebenfalls mit Multimeter bestimmt. Die Spule hängt direkt am Labornetzteil (HMP4040) und wird bestromt. Hier verlass ich mich für den Funktionstest mal auf die Stromanzeige am Display. Das Netzteil liefert aber bis 10A, daher sollte hier noch kein weiteres Problem entstehen. Meine Vermutung ist auch eher, dass das Phänomen mit der Sättigung zu tun hat, kann es aber weder mathematisch noch physikalisch genauer begründen. Evtl. kann jemand ja noch einen Zusammenhang beitragen der die gemessenen 100mT vom Sensor mit der Geometrie/Material vom Ringkern zusammenbringt und damit die Sättigung erklärt.
Stromsensorbauer schrieb: > Der Multimetereingang für das "Sensorsignal/Brückensignal" > hängt somit zwischen Signal- und dem Ausgangspin vom Hallsensor. Also nur 5V-Versorgung, Digitalmultimeter und Spannungsteiler für das Referenzsignal? Dann gibt es wirklich nicht all zu viele mögliche Fehlerquellen in der Auswertung. Trotzdem würde ich an deiner Stelle einfach mal den Sensorausgang per Multimeter gegen GND messen und direkt auftragen. Stromsensorbauer schrieb: > Das Netzteil liefert aber bis 10A, daher sollte hier noch kein > weiteres Problem entstehen. Wie verhält sich das zu den einigen hundert A deiner Messung? Wie viele Windungen hat deine Mess-Spule durch den Kern? Stromsensorbauer schrieb: > Meine Vermutung ist auch eher, dass das Phänomen mit der Sättigung zu > tun hat, kann es aber weder mathematisch noch physikalisch genauer > begründen. Dann miss es halt nach. Hast du irgendeine Möglichkeit, Induktivitäten direkt zu messen? Ein LCR-Meter? Oder einen Funktionsgenerator und Oszi? Steck noch einen zusätzlichen Leiter durch den Ringkern. Miss dessen Induktivität (mit einem kleinen Signal). Und schau, ob die Induktivität um eien Faktor zwei in den Keller geht, wenn du mit dem DC-Strom jenseits des Knicks bist.
Kann morgen mal ne Messung Sensorausgang gegen Masse machen. Ich habe zwei Testspulen. Eine mit 100 Windungen und eine mit 33 Windungen. Die vielen Windungen brauche ich um die hohen Ströme zu simulieren, da das Netzteil nur 10A schafft. Ja, ich habe ein LCR und auch Oszi und Frequenzgenerator. Nur wie/was messen? Meinst du die Spule bestromen und dann die Induktivität des zusätzlichen Leiters bestimmen. Was meinst du mit kleinem Signal? Sorry in dem Bereich bin ich nicht besonders bewandert...
Mit DC koenntest Du den Strom in positver und negativer Richtung messen um zu pruefen ob der Knick symmetrisch auftritt.
Hatte ich schon gemacht, ist symmetrisch.
Stromsensorbauer schrieb: > Ja, ich habe ein LCR und auch Oszi und Frequenzgenerator. Nur wie/was > messen? Bitte mal die Induktivität der Spulen messen.
Stromsensorbauer schrieb: > Nur wie/was messen? > Meinst du die Spule bestromen und dann die Induktivität des zusätzlichen > Leiters bestimmen. genau. Stromsensorbauer schrieb: > Was meinst du mit kleinem Signal? das Feld des Messsignals vom LCR-Meter sollte vernachlässigbar sein im Vergleich zum DC-Feld. ist bei deinen Bedingungen aber leicht zu erreichen.
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Im Anhang mal die Messung. Ein Einzelleiter hatte für das LCR-Meter nicht genügend Induktivität, deswegen sind es 10 Windungen geworden (orangene Kurve). Und wie man sieht, spiegelt sich die Problematik im Verlauf von L wieder. Das Sensorsignal ist diesmal direkt gegen Masse gemessen, also keine Brückenschaltung mehr Bei einem reinen Sättigungseffekt hätte ich erwartet, dass die Induktivität kontinuierlich abnimmt, und sich nicht wieder mehr oder weniger auf ein neues Level einpendelt. Hat hierzu jemand Ideen?
Stromsensorbauer schrieb: > Bei einem reinen Sättigungseffekt hätte ich erwartet, dass die > Induktivität kontinuierlich abnimmt, und sich nicht wieder mehr oder > weniger auf ein neues Level einpendelt. ich hätte in einer idealen Welt erwartet: wenn ein die Steigung der blauen Kurve um ca.veinen Faktor 2 ändert, dann sinkt die Induktivität der anderen Spule um ca. Faktor 2. bei dir sinkt L weniger, aber es gibt offensichtlich einen Effekt im Kern, den du mir der zweiten Spule nachmessen kannst. Stromsensorbauer schrieb: > Hat hierzu jemand Ideen? jetzt würde ich glaube ich Mal nach mögliche Dreckeffekte suchen. ist dein Spalt im Kern sauber, mit planen Flächen senkrecht zum Kern? liefert dein Netzteil wirklich einen sauberen DC Strom oder kann da eine Wechselkomponente drüber liegen?
Stromsensorbauer schrieb: > Bei einem reinen Sättigungseffekt hätte ich erwartet, dass die > Induktivität kontinuierlich abnimmt, und sich nicht wieder mehr oder > weniger auf ein neues Level einpendelt. > > Hat hierzu jemand Ideen? Weist der Luftspalt über seine gesamte Querschnittsfläche die gleiche Länge auf, also sind die beiden Seiten des Ferritkerns, die den Luftspaltbegrenzen planparallel? Hast Du das schon mal mit einer Fühlblattlehre geprüft? Ich hönnte mir vorstellen, dass Bereiche des Kerns, die in der Nähe der kürzesten Luftspaltweite liegen, als erste sättigen. Zeig' doch bitte mal ein Foto des Kerns mit dem Luftspalt. Grüßle Volker
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Mechanisch sollte das sauber gelöst sein. Getrennt wurde mit passender Halterung und Diamantscheibe. Hier mal zwei Bilder des Aufbaus mit Klappmechanismus. Ich habe aber das selbe Phänomen, wenn ich einen Kern nur schlitze und die Spule dann durch den Schlitz fummel. Die Kerne sind mit Epoxi eingeklebt, der Hall-Sensor aktuell mit Heißkleb um da etwas reversibles zu haben;-P Eine andere Beobachtung habe ich noch gemacht. Wird ein (isolierter) Leiter exakt mittig im Kern positioniert, erhalte ich die geringsten Sensorwerte, liegt der Leiter schräg darin oder berührt den Kern irgendwo ergeben sich höhere Werte. Bei einer klassischen, gekauften Strommesszange lässt sich das nicht beobachten. Bei der gekauften Zange kommt man aufgrund des Plastikgehäuses allerdings auch nicht so nah an den Kern ran, wie es bei meinen unbeschichteten Kernen der Fall ist.
Wenn deine Spule bei 10Wdg eine Induktivität von 7,5µH hat, dann hat der Kern einen AL=75. Mit 18,8mm² Fläche ergibt das bei 100Wdg einen Sättigungsstrom (mit B=0,3T) von 750mA, bzw. 75A für eine Windung nach deiner Skalierung. Real ist die Sättigung zwar etwas höher als 0,3T, das zeigen auch die letzten Kurven, aber mit diesem Kern kannst du auf keinen Fall Ströme bis 350A messen.
Stromsensorbauer schrieb: > (...) Hier mal zwei Bilder des Aufbaus mit > Klappmechanismus. Oh, dann hast Du ja sogar drei Luftspalte: Einen mit dem Sensor und zwei an den Trennstellen. > Ich habe aber das selbe Phänomen, wenn ich einen Kern > nur schlitze und die Spule dann durch den Schlitz fummel. Hast Du mal eine Vergleichsmessung der stromabhängigen Induktivität an einem ungeschlitzten Kern gemacht? > Eine andere Beobachtung habe ich noch gemacht. Wird ein (isolierter) > Leiter exakt mittig im Kern positioniert, erhalte ich die geringsten > Sensorwerte, liegt der Leiter schräg darin oder berührt den Kern > irgendwo ergeben sich höhere Werte. Bei einer klassischen, gekauften > Strommesszange lässt sich das nicht beobachten. Ich bin mir nicht sicher, ob diese Stromzangen auch aus Ferritkernen aufgebaut sind. Geeignete Blechsorten sollten eine um mehrere Größenordungen höhere (relative) Permeabilität aufweisen. Auch messen sie häufig nach dem Kompensationsverfahren, regeln also die resultierende Flussdichte im Kern auf Null und kennen somit keine Sättigungseffekte im Kern (es sättigt dann nur irgendwann der Regelkreis, der die Kompensationswicklung speist). Grüßle Volker
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Volker B. schrieb: > Ich bin mir nicht sicher, ob diese Stromzangen auch aus Ferritkernen > aufgebaut sind. die üblichen Stromzangen eher aus Trafoblechen. Aber es gibt auch welche für hohe Frequenzen (Strommess-Probes für Oszis), die dann mit Ferrit arbeiten. Stromsensorbauer schrieb: > Mechanisch sollte das sauber gelöst sein. Getrennt wurde mit passender > Halterung und Diamantscheibe. Ich kenne das mit planparallel geschliffenen Flächen. Ich will nicht sagen, dass der Spalt per Trennscheibe der Grund für das beobachtete Verhalten sein muss. Aber ein Kandidat dafür wäre es schon. Überprüfen könntest du es, wenn du noch einen zweiten Kern vergleichst. Stromsensorbauer schrieb: > Ich habe aber das selbe Phänomen, wenn ich einen Kern > nur schlitze und die Spule dann durch den Schlitz fummel. Heißt "dasselbe Phänomen", dass du wieder denselben Knick bei genau demselben Stromwert hast? Oder heißt es, dass du wieder einen Knick hast, der aber bei einem etwas verschobenen Stromwert kommt und im Detail nicht ganz identisch ausschaut. Falls das Verhalten prinzipiell gleich, aber im Detail dann doch etwas unterschiedlich ist, würde es zu einem Dreckeffekt der unpräzisen "Mechanik" passen, die ja bei jedem einzelnen handgemachten Kern etwas anders ausfällt.
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Im Anhang mal noch eine Messung mit dem Ringkern der nur einen Luftspalt hat. Prinzipiell gleich, nur höhere Induktivität, da ja die zwei dünnen Luftspalte nicht existieren. @ Elliot Was wäre denn ein besser geeigneter Kern? Die Sättigungsflussdichte ist doch bei den meisten Ferriten in einem ähnlichen Bereich. Oder benötigt man hier eher welche aus Ferritpulver in Kunststoff (MPP). Oder nach welchen genauen Eigenschaften sollte man hier schauen? Ursprünglich hatte ich welche aus anderem Material, da gab es aber eine sehr gorße Hysterese. Diese habe ich damals auch nicht bei so hohen Strömen verwendet, kann daher nicht sagen, ob die den selben Knick gehabt hätten.
Stromsensorbauer schrieb: > Was wäre denn ein besser geeigneter Kern? Du brauchst entweder einen Kern mit größerem magnetischen Querschnitt oder größerem Luftspalt, oder beides.
Ja genau. Fläche mindestens x 4, unter Beibehaltung der Luftspaltlänge - oder sogar diesen etwas erweitern (wobei aber noch einmal dazu ca. quadratisch die Fläche erhöht werden müßte) - um gesichert in den linearen Bereich zu kommen. Wenn Du bei diesem Material bleiben willst. Welche Signalform/-frequenz hat denn der zu messende Strom?
Die Messungen des TO sind hoechstwahrscheinlich richtig. Es gibt sogar Ferritkerne mit zwei oder drei Knicken. Das wird erreicht indem Ferritkoernchen unterschiedlichet Groesse und Legierung In speziellen Mengenverhaeltnissen vermischt werden. Das verbessert die Eigenschaften fuer alle Anwendungen der Ferrite, bis auf einen einzigen Fall. Voll auf das Riff aufgelaufen, wuerde der Seemann sagen.
@ws Beim Material bin ich völlig offen. Schön wäre es, wenn die Hysterese ähnlich klein oder kleiner ist als beim MF193. Anfangs hatte ich Ringkerne aus K1 (Epcos https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/528860/ec9323ccb94c129f0da1c855d7963b2d/pdf-k1.pdf) da war die Hysterese schlimm. Hätte auch kein Problem mit Eisenpulver-Ringen oder Ringen aus Trafoblechen. Grundsätzlich geht es um die Messung von DC-Strömen. Je mehr Frequenz geht, desto schöner natürlich. Aber es handelt sich nicht um "HF"-Messungen... Beim größeren Luftspalt ist die Frage, ob man sich da nicht auch wieder Effekte einsammelt. Beispielsweise wenn der Leiter dann direkt an dem Luftspalt liegt, bzw. gegenüberliegend. @ Dieter D. Is ja lustig, sowas hatte ich auch schon überlegt, dann aber wieder abgetan. Gibt es hier Kennzahlen an denen man sieht, wieviele "Knicke" ein Material erzeugt? @Achim S. Die Closed-Loop Technik hatte ich auch schon gefunden, ist aber in diesem Fall zu aufwändig. Interessant und praktisch ist die Technik aber in jedem Fall.
Stromsensorbauer schrieb: > Grundsätzlich geht es um die Messung von DC-Strömen. > Je mehr Frequenz geht, desto schöner natürlich. Aber es > handelt sich nicht um "HF"-Messungen... Sehr verwaschen. Auch die einer DC überlagerte Frequenz kann niedrig-, mittel- oder höherfrequent sein - aus Deiner Antwort geht höchstens sicher hervor, daß es sich um keine AC - HF - Messung handeln soll (und nicht mal das ganz sicher, weil Du kein Wort über die genaue Signalform verlierst). ;) Um das optimale Material ermitteln zu können, muß man Grenzen definieren (nicht "je mehr geht, desto schöner"). Es sei denn, der Größe des Ringkernes sind genausowenig Grenzen gesetzt... was ich aber bis jetzt bezweifle. Kernmaterialien gibt es zahllose, mit ganz eigenen Parametern. Die sich je nach Fall als besonders Vor- oder Nachteil-haft für Dich herausstellen könnten - bei "Trial and Error". Das scheinst Du nicht zu wollen - machst aber keine Aussagen, die wirklich was aussagen, äh... hm? Bitte definiere am allerbesten gleich beides: Die maximale Größe (und damit Fläche) des Ringkerns, wie viel Platz ist da? Und/oder Signalform/Frequenz (bzw./aka Slewrate) Daten. Alternativ: Beschreibe exakt, wovon Du jetzt (und auch, was Du "noch gerne in Zukunft" alles) messen möchtest. (+Platz.) Noch kann man Dir so nicht wirklich helfen, die bisherigen Tipps vermögen Dir höchstens eine Art Richtung zu zeigen.
ws meinte im Beitrag #6681842: > wovon Du jetzt den DC Strom (der wie gesagt auch mit AC überlagert bzw. vollst. unterbrochen = gepulst sein kann, etc. pp - alles unklar) > messen möchtest.
Stromsensorbauer schrieb: > Is ja lustig, sowas hatte ich auch schon überlegt, dann aber wieder > abgetan. Genau so etwas steht nicht in den Datenblättern. Da hilft nur messen. Der DC wird auch noch eine HF kleiner Amplitude überlagert und über einen sehr weiten Frequenzbereich gewobbelt. Gemacht wird das für HF-Dämpfungsferrite und Kerne für Schaltwandler, damit diese sehr weich in die Sättigung übergehen, falls es dazu kommt, und über einen größeren Bereich nichtlückend betrieben werden können.
Eisenpulver-Ringkerne haben doch eine vglw. "weiche" Sättigungscharakteristik, was bei Ferriten jedoch in vergleichbarer Form nur durch gewisse Tricks erreicht werden kann, dann aber sogar "noch besser". (Bis auf den "fringing flux", den man nicht möchte.) Z.B. ein EE Kern mit ein oder gar zwei "Dachschrägen" beim Luftspalt, deren Winkel und der "Spitzenabstand" sind bestimmend. Was für den Schaltwandler (als Drossel/Speichertrafo) von großem Vorteil sein kann, will man hier aber doch nicht. Man würde ein Material wählen, das eben - zumindest bei geringer Aussteuerung - keinen solchen Knick aufweist, und auch keine weiche Sättigungscharakteristik hat, die ja "einen Bogen (bzw. "unendlich viele Knicke") machte" (bzw. auch nur mit geringer Aussteuerung arbeiten) für so eine Strommessung. Obwohl man digital korrigieren könnte (oder analog die Skala anpassen) ist doch die gerade Linie das Ideal - oder nicht?
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