Stromsensoren sind kritische Komponenten in verschiedenen elektrischen und elektronischen Systemen und gewährleisten den sicheren und effizienten Betrieb von Geräten und Anlagen. In diesem Artikel behandeln wir Stromsensoren, einschließlich ihrer Typen, der bei der Auswahl eines Stromsensors zu berücksichtigenden Variablen, Leistungsvergleiche und Anwendungen.
Stromsensoren lassen sich anhand der grundlegenden physikalischen Konzepte klassifizieren, auf denen sie beruhen. Diese Konzepte umfassen das Ohmsche Gesetz, das Faradaysche Induktionsgesetz, Magnetfelder und optische Erfassung. Auf dieser Grundlage stellen wir nun mehrere gängige Typen von Stromsensoren vor.
Das Faradaysche Induktionsgesetz besagt, dass die in einem geschlossenen Stromkreis erzeugte gesamte elektromotorische Kraft (EMK) proportional zur zeitlichen Änderungsrate des gesamten magnetischen Flusses durch den Stromkreis ist. Dieses Prinzip wird in Strommessgeräten weit verbreitet eingesetzt. Zwei gängige Messgeräte, die auf dem Faradayschen Gesetz beruhen, sind Stromwandler (CTs) und Rogowski-Spulen. Wenn aus Sicherheitsgründen eine elektrische Isolation erforderlich ist, stellen diese Sensoren automatisch die notwendige Trennung zwischen dem gemessenen Strom und dem Ausgangssignal bereit. Dadurch sind sie für bestehende Erfassungsgeräte besonders wertvoll.
Ein CT besteht aus einer Primärwicklung (typischerweise einer einzelnen Schleife), einem Kern und einer Sekundärwicklung. Er dient als effektiver Sensor zur Messung hoher Wechselströme. Dadurch können große Primärströme in kleinere Sekundärströme umgewandelt werden. Dieses Gerät benötigt keine zusätzliche Treiberschaltung, da es von Natur aus passiv ist. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist seine Fähigkeit, extrem hohe Ströme bei minimalem Leistungsverbrauch zu überwachen. Das im Kern verwendete Ferritmaterial kann jedoch bei extrem hohen Primärströmen oder Strömen mit erheblichen Gleichstromanteilen in Sättigung geraten, was zu Signalverzerrungen führt. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Kern nach der Magnetisierung eine Hysterese aufweist, die die Genauigkeit verschlechtert, sofern er nicht erneut entmagnetisiert wird. Da ihr Grundprinzip außerdem auf der Erfassung von Änderungen des magnetischen Flusses beruht, der proportional zu Stromänderungen ist, können sie Gleichströme auf standardmäßige Weise nicht erfassen.
Abbildung 1: Grundstruktur eines CT
Abbildung 1 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines CT. Auf Grundlage des Windungsverhältnisses werden Änderungen des Primärstroms Ip auf der Sekundärseite als Is abgebildet und können zur Erfassung genutzt werden. Zur Überwachung des Ausgangsstroms kann ein Shunt-Widerstand eingesetzt werden, der eine zum Primärstrom proportionale Ausgangsspannung erzeugt. Dies bietet Isolation, minimale Verluste, ein einfaches Funktionsprinzip und einen für Stromsensoren geeigneten Spannungsausgang, ohne zusätzliche Verstärkung zu erfordern. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) kann die Ausgangsspannung möglicherweise direkt abtasten.
Das Reduktionsverhältnis des Primärstroms wird durch das CT-Verhältnis ausgedrückt. Die Genauigkeit eines Stromwandlers wird anhand seiner CT-Genauigkeitsklasse gemessen (manchmal auch CT-Nennwert oder CT-Klasse genannt). Basierend auf ihrer Genauigkeitsklasse fallen CTs in zwei Kategorien: Messgenauigkeits-CTs und Schutzgenauigkeits-CTs. Messgenauigkeits-CTs sind so ausgelegt, dass sie bei allen Stromnennwerten, selbst bei sehr niedrigen Strömen, eine hohe Genauigkeit bieten. Sie werden für bestimmte gängige Lasten bewertet. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit verwenden Versorgungsunternehmen diese CTs typischerweise zur Bewertung des Verbrauchs für Abrechnungszwecke. CTs mit Schutzgenauigkeit haben eine geringere Genauigkeit als Messgenauigkeits-CTs. Sie sind dafür ausgelegt, mit dem für den Geräteschutz erforderlichen Mindestmaß an Genauigkeit zu arbeiten.
Stromwandler werden aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihrer Fähigkeit, direkt mit Analog-Digital-Wandlern kompatible Ausgangssignale zu erzeugen, häufig in Anwendungen der Leistungsumwandlung eingesetzt. Außerdem spielen sie eine wichtige Rolle in Stromverteilungsnetzen, die mit Netzfrequenzen von 50/60 Hz arbeiten.
Diese hohlen Spulen sind flexibel und werden um Leiter gelegt. Änderungen des durch den im Leiter fließenden Strom Ip induzierten Magnetfelds erzeugen eine Spannung, die proportional zur Änderungsrate des Stroms ist. Rogowski-Spulen werden hauptsächlich zur Messung von Wechselstrom eingesetzt, insbesondere in Hochfrequenzanwendungen.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Prinzips der Rogowski-Spule
Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips der Rogowski-Spule. Die Ableitung des Primärstroms bestimmt die erzeugte Spannung. Um die gewünschte Strommessung zu erreichen, ist am Ausgang ein Integrator erforderlich.
Die Empfindlichkeit einer Rogowski-Spule ist reduziert, weil keine Kerne mit hoher magnetischer Permeabilität verwendet werden können. Der entscheidende Vorteil einer Rogowski-Spule ist ihre inhärente Linearität und das Fehlen von Sättigung. Rogowski-Spulen können zur Erfassung von Strömen in Stromverteilungssystemen, Kurzschlussprüfsystemen, elektromagnetischen Emittern, Schleifring-Induktionsmotoren und Blitzprüfanlagen eingesetzt werden. Die Preise sind mit denen von Stromwandlern vergleichbar.
Strom, der statische Magnetfelder erzeugt, ist mit dem Faradayschen Induktionsgesetz schwer zu erfassen. Magnetfeldsensoren können dagegen sowohl statische als auch sich bewegende Magnetfelder erkennen. Sie stellen eine ideale Alternative für die Strommessung dar.
Diese Sensoren arbeiten nach dem Hall-Effekt-Prinzip, das besagt, dass sich über einem Leiter eine Potenzialdifferenz bildet, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu seinem Querschnitt angelegt wird. Die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK), die sowohl zum Strom als auch zum Magnetfeld senkrecht steht, kann mithilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmt werden. Die Größe dieser EMK und der relative Winkel zwischen Strom und Magnetfeld bestimmen die resultierende Vektorspannung, die proportional zur Hall-Konstante ist. Das Magnetfeld wird durch den zu messenden Strom erzeugt und liefert eine auswertbare Spannung.
Eine Signalaufbereitung ist erforderlich, um den Ausgang in den meisten Anwendungen nutzbar zu machen. Die Signalaufbereitungselektronik benötigt typischerweise Verstärkerstufen und Temperaturkompensation. Differenzverstärker mit diesen Eigenschaften lassen sich mithilfe standardmäßiger Bipolartransistortechnologie einfach mit Hall-Elementen kombinieren. Auch eine Temperaturkompensation ist problemlos realisierbar. Abbildung 3 zeigt einen typischen Aufbau für einen Hall-Effekt-Stromsensor.
Abbildung 3: Typische Anwendungen von Open-Loop-Hall-Stromsensoren
Hall-Effekt-Sensoren werden in zahlreichen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, darunter Leistungsumwandlungssysteme, Schweißgeräte, Motorantriebe, Radargeräte und die Elektrolyseindustrie.
Diese magnetfeldbasierten Stromsensoren werden umfassend sowohl in Closed-Loop- als auch in Open-Loop-Anwendungen eingesetzt.
Abbildung 4: Typische Anwendung eines Closed-Loop-Hall-Stromsensors
Der durch den Primärstrom IP erzeugte magnetische Fluss wird durch einen komplementären magnetischen Fluss ausgeglichen, der vom Treiberstrom in der Sekundärwicklung erzeugt wird. Das Hall-Element und die zugehörige elektronische Schaltung erzeugen einen sekundären (kompensierenden) Strom, der dem Primärstrom exakt entspricht.
Ein grundlegender Fluxgate-Sensor nutzt die nichtlineare Beziehung zwischen dem Magnetfeld H und der magnetischen Flussdichte B in magnetischen Materialien, wodurch sich die magnetische Permeabilität des Materials ändert.
Abbildung 5: Grundlegende schematische Darstellung eines Fluxgate-Stromsensors
Abbildung 5 zeigt einen einfachen Aufbau eines Fluxgate-Sensors zur Erfassung des Stroms Ip. Auf dem magnetischen Kern sind zwei Wicklungen angebracht: eine Erregerwicklung und eine Aufnahmewicklung. Die Erregerwicklung ist mit einer sinusförmigen Stromquelle gekoppelt, die das Erregermagnetfeld erzeugt. Infolgedessen wird in der Aufnahmewicklung eine Spannung induziert, die anschließend zur Erfassung genutzt werden kann. Da das externe Magnetfeld im Vergleich zum Erregerfeld klein ist, ist der Spitzenwert der Ausgangsspannung proportional zum externen Feld und kann zu dessen Quantifizierung verwendet werden.
Aufgrund ihrer hohen Kosten und des begrenzten Einsatzbereichs haben isolierte Fluxgate-Sensoren vor allem in Hochpräzisionsanwendungen kommerziellen Wert. Wegen ihrer hohen Genauigkeit werden Fluxgate-Sensoren in Kalibriersystemen, Diagnosesystemen, Laborgeräten und medizinischen Systemen eingesetzt.
Bei der Auswahl eines Stromsensors für eine bestimmte Anwendung oder ein Projekt müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, um optimale Leistung und Kompatibilität sicherzustellen. Zu den wichtigsten zu bewertenden Variablen gehören:
Tabelle 1 zeigt wichtige Leistungskennzahlen für verschiedene Sensoren.
| Typ | Bandbreite | DC-fähig | Genauigkeit | Thermische Drift [ppm/K] | Isoliert | Bereich | Leistungsverlust | Relative Kosten |
| Stromwandler | kHz-MHz | Nein | 0,1 %-1 % | <100 | Ja | A-kA | mW | Niedrig |
| Rogowski-Spule | kHz-MHz | Nein | 0,2 %-5 % | 50-300 | Ja | A-MA | mW | Mittel |
| Hall-Effekt Open-Loop | kHz | Ja | 0,5 %-5 % | 50-1000 | Ja | A-kA | mW | Mittel |
| Hall-Effekt Closed-Loop | kHz | Ja | 0,2 %-1 % | 50-500 | Ja | A-kA | mW | Mittel |
| Fluxgate | kHz | Ja | 0,001 %-0,5 % | <50 | Ja | mA-kA | mW-W | Hoch |
Die wichtigsten Anwendungsbereiche von Stromsensoren
Dies sind nur einige Anwendungen von Stromsensoren. Aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit und Bedeutung bei der Steuerung von Strom sind sie Schlüsselkomponenten in verschiedensten Anwendungen in vielen Branchen.
Stromsensoren spielen in verschiedenen elektrischen und elektronischen Systemen eine entscheidende Rolle und sind daher ein wichtiger Bestandteil zahlreicher Anwendungen in vielen Branchen. Diese Seite stellt die nützlichen und wichtigen Aspekte von Stromsensoren vor, darunter Typen, Auswahlkriterien, Leistungsvergleiche und typische Anwendungen.
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