Breitband-Strommonitore

Beginnen Sie mit Spitzenstrom, Strom-Zeit-Produkt, Anstiegszeit und Abfall; die Empfindlichkeit sollte erst berücksichtigt werden, wenn diese Grenzwerte erfüllt sind. Bei einem Rechteckpuls multiplizieren Sie den Spitzenstrom mit der Pulsdauer und wählen ein Modell, dessen I·t-Nennwert über dem Ergebnis liegt und gleichzeitig unter seinem Spitzenstrom-Nennwert bleibt; über die Baureihe hinweg reichen diese Grenzwerte von 0,0004 bis 1.200 A·s und von 100 A bis 500 kA. Den Fehler des Pulsplateaus schätzen Sie ab, indem Sie die Pulsdauer mit der Abfallrate multiplizieren und dabei konsistente Zeiteinheiten verwenden. Die Anstiegszeit des Pulses von 10–90 % sollte länger sein als die nutzbare Anstiegszeit des Monitors, die je nach Modell von 1,5 ns bis 2 µs reicht. Sind diese Bedingungen erfüllt, wählen Sie die Empfindlichkeit und Öffnung, die eine praxisgerechte Ausgangsspannung liefern und zum isolierten Leiter passen.

Bei kontinuierlichem Sinusstrom richtet sich die Auswahl nach Effektivstrom, Frequenzband und I/f und nicht allein nach dem Spitzenwert. Teilen Sie den Spitzenstrom durch die niedrigste Betriebsfrequenz und halten Sie das Ergebnis unter dem I/f-Grenzwert des ausgewählten Modells; dieser liegt je nach Baureihe zwischen 0,0025 und 7.500 Spitzen-A/Hz. Der zu erwartende Effektivstrom muss außerdem unter dem Nennwert des Modells von 2,5 bis 2.500 A bleiben. Der Betrieb sollte zwischen dem unteren und oberen 3-dB-Punkt dieses Modells liegen; der gesamte Bereich erstreckt sich von 0,07 Hz bis 250 MHz, aber kein einzelnes Modell deckt die gesamte Spanne ab. Prüfen Sie abschließend, ob die gewählte Empfindlichkeit genügend Spannung für das Messgerät liefert, ohne dessen Eingang zu überlasten.

Verwenden Sie einen hochohmigen Eingang, wenn die nominelle V/A-Empfindlichkeit erhalten bleiben soll. Die meisten Modelle verhalten sich näherungsweise wie Spannungsquellen mit 50 Ω Serienwiderstand, sodass ein zusätzlicher 50-Ω-Abschluss die gemessene Spannung und die effektive Empfindlichkeit auf die Hälfte reduziert; Modell 2093 ist mit einem Ausgangswiderstand von 1 Ω eine Ausnahme. Ein angepasster Abschluss kann die Wiedergabetreue der Pulsflanke dennoch verbessern, wenn das Koaxialkabel im Verhältnis zum schnellsten Signal elektrisch lang ist, typischerweise ab etwa einem Zehntel seiner Wellenlänge. Bei der Stromberechnung müssen daher sowohl das Abschlussverhältnis als auch die angegebene Empfindlichkeit berücksichtigt werden. Kabeltyp, Steck­verbinderfamilie und Eingangsmodus des Oszilloskops sollten festgelegt sein, bevor die Skalierung in das Erfassungs­system eingetragen wird.

Die Monitore geben keinen stationären Gleichstrom wieder, da ihr Ausgang von einem sich ändernden magnetischen Fluss abhängt. Eine sich wiederholende unipolare Pulsfolge enthält eine mittlere Gleichstromkomponente, sodass die angezeigte Wellenform eine negative Grundlinie aufweisen kann, selbst wenn der Primärstrom nie negativ wird. Diese Mittelwertkomponente kann zusammen mit dem Puls-I·t den Kern in Richtung Sättigung treiben, wodurch Abfall und die untere Grenzfrequenz zunehmen, bevor die Wellenform zusammenbricht. Bei geeigneten Modellen kann eine Kernrücksetz-Vorspannung verwendet werden, um die Mittelwertkomponente zu kompensieren oder mehr nutzbare Flussaussteuerung zurückzugewinnen. Daher sollte die Auslegung anhand von Tastgrad, Mittelstrom und I·t überprüft werden, nicht nur anhand des Spitzenwerts jedes Pulses.

Für den Einsatz in Hoch­spannungsanwendungen muss der Primärleiter für die volle Potenzialdifferenz isoliert sein, da das Gehäuse des Monitors leitfähig ist und seine Lackierung kein elektrisches Isolationssystem darstellt. Größere Öffnungen, darunter Varianten mit 3,5 und 10,75 Zoll, schaffen Platz für die Isolierung und helfen dabei, elektrische Feldgradienten zu kontrollieren, wenn der Leiter zentriert ist. Ausgewählte Modelle sind doppelt abgeschirmt, sodass das Außengehäuse über die Montagehardware geerdet werden kann, während sich die innere Abschirmung und der Steck­verbinder auf das Instrument oder einen anderen geeigneten Punkt beziehen lassen. Die versiegelte Konstruktion ermöglicht den Einbau in Transformatoröl oder unter Vakuum, doch Kriechstrecke, Sauberkeit und Isoliermaterialien bleiben Teil der Systemauslegung. Installation oder Ausbau sollten niemals an einem spannungsführenden Leiter vorgenommen werden.

Die nutzbare Anstiegszeit ist der schnellste Stromübergang von 10–90 %, den der Monitor reproduzieren kann, während Überschwingen und Nachschwingen innerhalb von 10 % der Sprungamplitude bleiben. Der ausgewählte Monitor sollte daher eine spezifizierte Anstiegszeit haben, die kürzer ist als der zu messende Puls; ein langsamerer Monitor kann die Flanke abrunden oder Nachschwingen verursachen, das das Schaltverhalten verdeckt. Verfügbare Werte reichen von 1,5 ns bei schnellen Varianten bis 2 µs bei Modellen für hohe Ströme mit geringerer Bandbreite. Auch Oszilloskop, Kabel, Adapter und ein eventueller Abschluss müssen über ausreichende Bandbreite verfügen, andernfalls ist die Systemanstiegszeit größer als die des Monitors allein. Bei zeitkritischen Messungen sollte die gesamte Signalkette bewertet werden und nicht nur anhand des oberen 3-dB-Punkts ausgewählt werden.

Die Beeinflussung des Primärkreises ist in der Regel gering, aber nicht exakt null. Standardmodelle bringen weniger als 20 mΩ äquivalenten Serienwiderstand ein, und die magnetische Kopplung kann die Schleifeninduktivität leicht verringern, weil die Amperewindungen der Sekundärseite einem Teil des Primärflusses entgegenwirken. In schnellen, niederinduktiven Schaltungen muss diese Änderung gegebenenfalls in die Bewertung des Messaufbaus einbezogen werden. Kapazitiv eingekoppelte Gleichtaktstörungen können sich außerdem über die Abschirmung des Koaxialkabels ausbreiten und am Instrumenteneingang erscheinen. Eine korrekte Erdung, ein doppelt abgeschirmtes Modell, wo sinnvoll, sowie ein oder mehrere Ferritkerne um Windungen des Koaxialkabels können diesen Fehler reduzieren.

Eine Vorspannung ist relevant, wenn bei einem Modell angegeben ist, dass sie für den vollen Strom-Zeit-Nennwert erforderlich ist, oder wenn sich durch einen sich wiederholenden unidirektionalen Strom eine Mittelwertkomponente bildet, die den Kern in Richtung Sättigung verschiebt. Eine geeignete Vorspannung setzt den magnetischen Arbeitspunkt zurück, ermöglicht eine größere nutzbare Flussaussteuerung und hilft dem Monitor, sein spezifiziertes Abfall- und I·t-Verhalten einzuhalten. Sie kann über einen zusätzlichen Primärleiter angelegt oder über einen T-Adapter in den Sekundärkreis eingespeist werden, sofern die Vorspannungsquelle den Signalausgang nicht belastet. Bei einem 50-Ω-Ausgang entspricht ein Widerstand der Vorspannungsquelle von 5 kΩ etwa einer Empfindlichkeitsverschiebung von 1 %, die im Unsicherheitsbudget berücksichtigt werden sollte. Bei einem reinen AC-Signal erhöht die Vorspannung die I/f-Fähigkeit nicht, da positive und negative Flussauslenkung bereits ausgeglichen sind.