Meten van stroom
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 één 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
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:
[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 beïnvloed 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
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
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
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 vectoriëel 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.
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.
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
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:
- Een dimmer op basis van faseaansnijding (Id),
- Een licht belaste motor, hier voorgesteld als een LR serieschakeling (Im),
- Een gelijkrichtschakeling van een elektronische voeding (Ie).
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.