Elektronica Meettechniek

Meten van stroom

Laatste wijzigingen: 29 oktober 2013
controle amperemeter van een regelbare voeding
Fig. 1: Controle stroommeter van een regelbare voeding.

De stroommeting wordt veel verricht om schakelingen te analyseren. Het vertelt veel over fouten in schakelingen en hoe deze presteren. Ook vormt het een belangrijk onderdeel, samen met de spanningsmeting, van een vermogensmeting.

Of de gemiddelde of effectieve waarde moet worden gemeten is afhankelijk van het doel van de meting. Dit wordt nader verklaard in het artikel Theorie en definities.

Nauwkeurigheid en fouten

Meer informatie over de onzekerheden van de gemeten waarden is te vinden het artikel Meetnauwkeurigheid. Het artikel Meetfouten beschrijft algemeen voorkomende meetfouten.


Elementaire stroommeting

Per definitie zou de stroom ťťn van de meest nauwkeurige metingen kunnen zijn. De stroom is namelijk gedefinieerd als 6,2415077∑1018 elektronen per seconden. In principe zou alleen het aantal elektronen geteld moeten worden die een bepaald punt passeren per tijdseenheid. De stroom zou dan alleen afhankelijk zijn van de nauwkeurigheid van de gebruikte tijdstandaard.
Helaas is men er nog niet in geslaagd om elektronen te tellen en moet men zich beroepen op indirecte fysische verschijnselen als gevolg van de elektronenstroom. Zo is de kracht op een stroomvoerende draad binnen een magnetisch veld evenredig met de stroom. Of men kan de spanning meten die over een impedantie valt als gevolg van de stroom.

Stroommeting & impedantie

principe stroommeting
Fig. 2: De stroomketen wordt altijd onderbroken en een extra impedantie wordt geÔntroduceerd.

Om een stroommeting mogelijk te maken moet de keten, al dan niet fysiek, onderbroken worden. De onderbreking wordt overbrugt door het meettoestel waarmee de stroom I geregistreerd wordt. Zo'n meettoestel introduceert een extra impedantie Zm in de stroomkring waarover een spanning Um valt:
spanningsval door stroommeting[equ. 1]
Deze spanning wordt ook wel de burden voltage genoemd. Men moet er rekening mee houden dat deze impedantie in meer of mindere mate frequentie afhankelijk is en er ook een faseverschuiving tussen de stroom en de spanningsval over het meettoestel kan ontstaan.
Een stroommeting beÔnvloed dus altijd het testobject en het is dus zaak deze invloed zo klein mogelijk te houden.


Meethulpmiddelen

Bij het meten van stromen wordt vaak gebruik gemaakt van apparatuur die stroom niet rechtstreeks kan meten, zoals een oscilloscoop. Ook kan het voorkomen dat de te meten stroom te groot is om rechtstreeks te meten. In deze gevallen zullen meethulpmiddelen zoals een externe shuntweerstand of stroomtrafo worden ingezet om de meting mogelijk te maken.

Shuntweerstand

stroommeting met een shuntweerstand
Fig. 3: Meetopstelling waarbij de stroom indirect gemeten wordt met behulp van een meetshunt.

De meest goedkope en eenvoudige manier om stromen indirect te meten is door gebruik te maken van een shuntweerstand. De spanningsval over de meetshunt is hierbij evenredig met de te meten stroom. Met een shuntweerstand kan zowel gelijk- als wisselstroom gemeten worden waarbij een groot frequentiebereik haalbaar is.

Om de invloed van de meetshunt zo klein mogelijk te houden dient de weerstand daarvan zo laag mogelijk te zijn. Wel dient de spanning over de shunt groot genoeg te zijn om deze storingsvrij en zonder al te grote fouten te kunnen meten.

Meer informatie over het gebruik en berekenen van meetshunts in het artikel Shuntweerstanden.

Stroomtransformator

stroommeting met een stroomtrafo
Fig. 4: Meetopstelling waarbij de stroom indirect gemeten wordt met behulp van een stroomtransformator en shuntweerstand.

Een tweede veel gebruikt hulpmiddel om stromen te meten is de stroomtransformator. Het grote voordeel van het gebruik van zo'n stroomtrafo is dat de meetapparatuur galvanisch gescheiden is van het circuit waarin de stroom gemeten wordt. Als gebruik wordt gemaakt van een stroomtransformator kunnen hiermee alleen wisselstromen gemeten worden. Bevat de te meten stroom ook nog een gelijkspanningscomponent dan kan de stroomtrafo in verzadiging raken wat grote meetfouten tot gevolg kan hebben. Het frequentiebereik is in vergelijking met het meten met een shuntweerstand een stuk kleiner.

In het artikel Stroomtransformatoren wordt uitgebreider ingegaan op de stroomtransformator.


Multimeter

dynatek 112
Fig. 5: Digitale multimeter in het stroombereik.

Een veel gebruikt toestel om stroom te meten is de multimeter. De stroommeting is gebaseerd op het meten van de spanningsval over een shuntweerstand. De meeste universeelmeters gebruiken meerdere shuntweerstanden voor de diverse stroombereiken. Men moet er dus rekening mee houden dat de weerstand van de shunt afhankelijk is van het bereik dat ingesteld is.

Maximum stroom

De gebruikshandleiding van een multimeter zal een maximum stroom opgeven. Niet elke multimeter kan deze maximum stroom continu verdragen omdat het gevaar bestaat dat deze oververhit raakt. In dat geval staat vermeld hoe lang deze maximum stroom gevoerd mag worden.

Eigenschappen

Het meten van stromen in het DC-bereik zal normaliter geen problemen opleveren: In dit bereik wordt altijd de gemiddelde waarde gemeten ongeacht merk en type multimeter. Het AC-bereik daarentegen kan veel onduidelijkheid en meetfouten veroorzaken. De aflezing is hier zeer afhankelijk van hoe de gebruikte multimeter de te meten stroom verwerkt. Het artikel Multimeters: Meetafwijking gaat nader in op deze meetafwijkingen.


Stromen optellen

Gemeten stromen mogen altijd bij elkaar worden opgeteld als gemiddelde stromen betreft. Immers, bij een gemiddelde meting worden als het ware de elektronen, rekening houdend met het teken (= richting), geteld. Omdat elektronen fysieke deeltjes zijn is de optelling van het voorbijkomende aantal altijd geldig. Een universeelmeter in het DC-bereik meet de gemiddelde stroom.

Bij wisselstroom toepassingen wordt meestal niet de gemiddelde, maar de (quasi) RMS stroom gemeten. De gemiddelde waarde van een AC-stroom is nul. Hoewel de gemiddelde waarde juist is, is met deze methode niet of niet duidelijk aan te tonen dat er een stroom vloeit.
De quasi of true RMS stroom is een wiskundige bewerking van de werkelijke stroom. Daarom zal het optellen van deze waarden een niet geldige uitkomst opleveren. Slechts onder strikte condities is het mogelijk om toch deze stromen geldig op te tellen: De gemeten stromen moeten exact dezelfde vorm en exact dezelfde faseverschuiving hebben.

Sinusvormige stromen

Zolang gemeten stromen zuiver sinusvormig zijn mogen deze vectoriŽel bij elkaar worden opgeteld. Men moet dus rekening houden met de fase. In de praktijk gaat dit dus alleen op voor eenvoudige belastingen zoals ohmse, capacitieve en inductieve belastingen.

vectoren schakeling
Fig. 7: VectoriŽel optellen van stromen.
eenvoudig stroom optellen
Fig. 6: Bij eenvoudige belastingen kunnen stromen vectoriŽel worden opgeteld.

In figuur 6 is een belastingsvoorbeeld waarbij de stromen, rekening houdend met de fase, opgeteld mogen worden.
Op een sinusvormige wisselspanning V zijn de volgende belastingen aangesloten: Een serieschakeling van een condensator en weerstand Ra, C, een weerstand Rb en een spoel L.

Figuur 7 laat de vectoren zien behorend bij de schakeling. De kleuren corresponderen met de onderdelen in de schakeling. De vector van de totaalstroom Itot is via een tussenstap getekend. Als eerste wordt de vector IRL getekend uit IR en IL. Dit tussenresultaat wordt gebruikt om samen met de vector IRC de totaalstroom te tekenen.

vector berekening
Fig. 8: VectoriŽel optellen van de stromen.

De totaalstroom kan ook berekend worden door van de drie stromen zowel de cosinus als de sinus aandelen op te tellen. En vervolgens uit deze resultaten de totaalstroom vector te berekenen.
De berekeningen gaan uit van een fasehoek opgegeven in graden. In een licht grijze kleur staat de berekening van de bijbehorende cos-φ.

Niet lineaire belastingen

stroom optellen
Fig. 9: Gemeten stromen kunnen niet eenvoudig worden opgeteld.

Hiernaast een voorbeeldschakeling die laat zien dat stromen, ook al zijn deze met een True-RMS meter gemeten, niet eenvoudig opgeteld kunnen worden. In dit voorbeeld zijn de volgende belastingen op een wisselspanningsvoeding aangesloten:

stromen in de schakeling
Fig. 10: De stromenvormen die in bovenstaande schakeling voorkomen.
stromen in de schakeling
Fig. 11: Optellen van stromen met complexe vormen.

Elk van de toestellen aangesloten op de wisselspanningsbron UAC trekken verschillend gevormde stromen. De totaalstroom Itot(t) van de drie toestellen is ook weergegeven.

Van elke drie stromen die de toestellen trekken is de RMS-stroom berekend: dimmer Idrms, motor Imrms en de elektronische voeding Ierms. Als de drie stromen opgeteld worden Ioptel blijkt dit niet overeen te komen met de RMS stroom die in de gemeenschappelijke leiding vloeit Itrms.

Hieruit blijkt dat bij een samenstel van verschillende complexe belastingen de gemeenschappelijke stroom niet te berekenen is. De totale stroom kan alleen door een meting achterhaald worden.

Op 01 aug 2014, 11:33:12 schreef Max
Sprong naar schakeling van fig. 6 met vectorvoorstelling van fig. 7 is nogal groot. Mij lijkt het fysisch gedrag van de stroom t.o.v. spanning bij basiscomponenten zoals spoelen (stroom ijlt 90į na op spanning bij ideale spoel gezien deze zich verzet tegen een spanningsopbouw) en condensatoren (stroom ijlt 90į voor op spanning bij ideale condensator gezien deze zich oplaadt) eerst te worden uitgelegd alvorens te komen tot de (meer complexe) schakeling van fig. 6. De waarden van de stromen van fig. 8 komen ook nogal uit de lucht gevallen. Mij lijkt het beter in fig. 6 een schakeling te tekenen met componenten (R, L en C) met reŽle waarden (Ohm, Henry, Farad) en een reŽle spanning U wat dan resulteert in een bijhorend vectordiagramma zoals in fig. 7 en de een berekening zoals in fig. 8. Naast berekeningen met vectoren kan men de berekening ook (eenvoudiger) maken met complexe getallen en het gebruik van admittanties i.p.v. impedanties voor parallelschakelingen. Itot = U x Ytot met Ytot = Yrc+Yr+YL
Op 02 aug 2014, 02:19:56 schreef Freddy
Dit artikel beperkt zich tot het meten van stromen. Het gedrag van reactieve componenten wordt hier als bekend verondersteld. Uitleggen hoe spoelen en condensatoren zich gedragen zou te afleidend zijn en het artikel onpraktisch lang maken. Daarnaast staan op deze site al reeds artikelen over het meten van spoelen en condensatoren.

De waarden van de spanningen, stromen en faseverschuivingen zijn zodanig gekozen dat een duidelijk vectordiagram getekend kon worden. Er is hier gekozen voor een vectoriŽle optelling omdat dit visueel laat zien dat meerdere stromen niet zomaar opgeteld kunnen worden als er onderlinge faseverschuivingen aanwezig zijn.

Het gaat er in dit artikel niet om hoe spanningen en stromen berekend kunnen worden aan de hand van de componentwaarden. Maar, zoals de titel van het artikel al aangeeft: hoe stromen gemeten en opgeteld moeten worden. De componentwaarden zijn van ondergeschikt belang.
Schakel Javascript in als je wilt reageren.

Reageer op dit bericht

Naam:
Email:
Land:
Bericht:
Email melding :
X

Inloggen

Naam:
Wachtwoord: