Die SCT013-Serie umfasst berührungslose Stromwandler, die den Strom in einem Leiter messen, ohne dass der Leiter selbst durchtrennt oder verändert werden muss. Wir können diese Sensoren mit einem Mikrocontroller wie Arduino verwenden, um den Strom oder die Leistungsaufnahme eines Verbrauchers zu messen.
Die SCT013-Sensoren sind Stromwandler: Messgeräte, die ein zum Strom in einem Stromkreis proportionales Messsignal liefern. Die Messung erfolgt durch elektromagnetische Induktion.
SCT013-Sensoren haben einen teilbaren Kern (wie eine Stromzange), sodass sie um einen Leiter gelegt werden können, ohne ihn durchtrennen zu müssen.
In der SCT013-Serie gibt es Modelle, die den Messwert als Strom- oder Spannungssignal ausgeben. Ein Spannungsausgang ist vorzuziehen, weil der Anschluss einfacher ist.

Die Messgenauigkeit des Sensors kann um lediglich 1–2 % abweichen. Für eine möglichst hohe Genauigkeit muss der Kern vollständig geschlossen sein. Schon ein kleiner Luftspalt kann eine Abweichung von 10 % verursachen.
Ein Nachteil ist, dass der SCT013 als induktive Last eine Phasenverschiebung verursacht. Deren Wert hängt von der angeschlossenen Last ab und kann bis zu 3º erreichen.
Stromwandler sind in der Industrie und in der Stromverteilung weit verbreitet. Sie ermöglichen die Überwachung von Verbrauchsstellen, an denen andere Messverfahren nicht praktikabel sind. Sie werden auch in Messgeräten eingesetzt, darunter tragbare Stromzangen und Netzanalysatoren.
In Elektronik- und Hausautomationsprojekten können wir SCT013-Stromsensoren beispielsweise verwenden, um den Stromverbrauch eines Geräts zu messen, den Zustand einer Elektroinstallation zu prüfen und den Stromverbrauch mit einem Energiemonitor für zu Hause aufzuzeichnen. Die Messwerte einer Anlage lassen sich auch in Echtzeit über das Internet abrufen.

PREIS
Die SCT013-Serie umfasst verschiedene Modelle mit unterschiedlichen Messbereichen und Ausgangssignalen. Äußerlich sind sie gleich; unterscheiden lassen sie sich anhand der Beschriftung auf dem Gehäuse.
| Modell | SCT013-000 | SCT013-005 | SCT013-010 | SCT013-015 | SCT013-020 |
| Eingangsstrom | 0-100A | 0-5A | 0-10A | 0-15A | 0-20A |
| Ausgangssignal | 0-50mA | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V |
| Modell | SCT013-025 | SCT013-030 | SCT013-050 | SCT013-060 | SCT013-100 |
| Eingangsstrom | 0-25A | 0-30A | 0-50A | 0-60A | 0-100A |
| Ausgangssignal | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V |
Die Preise aller Modelle sind ähnlich. Erhältlich sind sie unter anderem bei internationalen Anbietern auf eBay, Amazon oder AliExpress.

Das gängigste Modell ist der SCT013-000 mit einem maximalen Eingangsstrom von 100 A und einem Ausgangsstrom von 50 mA (100 A:50 mA). Beim SCT-013-030 beträgt der maximale Eingangsstrom 30 A (30 A/1 V); seine Ausgangsspannung beträgt 1 V.
Ein großer Messbereich kann nützlich sein. Dabei ist jedoch zu beachten, dass ein Modell für höhere Ströme eine geringere Messgenauigkeit bietet. Ein Strom von 30 A bei 230 V entspricht einer Last von 6.900 W, was für die meisten Haushalte ausreicht.
Wie funktioniert der SCT013?
Die SCT013-Sensoren sind kleine Stromwandler. Stromwandler sind weit verbreitete Messgeräte.
Ein Stromwandler ähnelt einem Spannungswandler und beruht auf denselben Funktionsprinzipien. Beide erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben und unterscheiden sich daher in Auslegung und Aufbau.

Ein Stromwandler soll auf der Sekundärseite einen Strom erzeugen, der proportional zum Strom auf der Primärseite ist. Dazu sollte die Primärwicklung möglichst wenige Windungen haben.
Mit einem Stromwandler lassen sich berührungslose Stromsensoren bauen. Bei einem solchen Sensor ist der ferromagnetische Kern teilbar, damit er um den Leiter gelegt werden kann.
Der Transformator besteht dabei aus folgenden Teilen:
- Das Kabel, durch das der zu messende Strom fließt, bildet die Primärwicklung.
- Die “Zange” bildet den Magnetkern.
- Die Sekundärwicklung ist in die Messsonde integriert.
Fließt Wechselstrom durch den Leiter, entsteht im ferromagnetischen Kern ein magnetischer Fluss, der wiederum einen elektrischen Strom in der Sekundärwicklung erzeugt.
Das Stromübersetzungsverhältnis hängt vom Windungsverhältnis ab:

Die Primärwicklung besteht üblicherweise aus einer einzigen Windung des zu messenden Leiters. Der Leiter kann jedoch auch mehrfach durch die “Zange” geführt werden. Die Zahl der in die Messsonde integrierten Sekundärwindungen liegt je nach SCT013-Modell zwischen 1000 und 2000.
Anders als bei Spannungswandlern darf der Sekundärkreis eines Stromwandlers niemals geöffnet werden, da induzierte Spannungen das Bauteil beschädigen können. Deshalb verfügen SCT013-Sensoren über Schutzvorrichtungen: einen Bürdenwiderstand bei Modellen mit Spannungsausgang oder Schutzdioden bei Modellen mit Stromausgang.
Anschlusspläne
Um den Anschluss des SCT013-Sensors zu verstehen, müssen wir drei Punkte klären:
Sensorausgang als Stromsignal
Anpassung des Spannungsbereichs
Positive und negative Spannungen
SENSORAUSGANG ALS STROMSIGNAL
Die SCT013-Sensoren sind Stromwandler. Ihr Messsignal ist daher ein Strom, der proportional zum Strom im Kabel ist. Mikrocontroller können jedoch nur Spannungen messen.
Dieses Problem lässt sich leicht lösen. Um das Stromsignal am Ausgang in eine Spannung umzuwandeln, benötigen wir lediglich einen Widerstand (Bürdenwiderstand).
Mit Ausnahme des SCT013-000 haben alle SCT013-Modelle einen internen Bürdenwiderstand. Ihr Ausgang liefert daher ein Spannungssignal von 1 V. Ein zusätzlicher Widerstand ist bei diesen Modellen nicht erforderlich.
Nur der SCT013-000 besitzt keinen internen Bürdenwiderstand. Sein Ausgang liefert deshalb ein Signal von ± 50 mA. Ein parallel zum Sensor geschalteter Widerstand von 33 Ω genügt.
Positive und negative Spannungen
Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, dass wir Wechselstrom messen: Der in der Sekundärwicklung induzierte Strom ist ebenfalls ein Wechselstrom. Nach dem internen oder externen Bürdenwiderstand liegt am Ausgang daher eine Wechselspannung an.
Die Analogeingänge der meisten Mikrocontroller, auch die des Arduino, können jedoch nur positive Spannungen messen.
Um die Spannung am Transformatorausgang zu messen, haben wir mehrere Möglichkeiten. Sie sind hier von der am wenigsten bis zur am stärksten empfohlenen Lösung aufgeführt:
- Das Signal mit einer Diodenbrücke gleichrichten und die Welle als positive Werte messen. Dies ist nicht empfehlenswert: Die Information über die positive oder negative Halbwelle geht verloren. Hinzu kommen der Spannungsabfall an den Dioden und eine Verzerrung des Signals um den Nulldurchgang, weil die Dioden erst ab einer bestimmten Spannung leiten.
- Mit zwei Widerständen und einem Kondensator einen Gleichspannungs-Offset erzeugen, der einen Mittelpunkt zwischen GND und Vcc bereitstellt. Noch besser ist es, zusätzlich einen Operationsverstärker als Spannungsfolger einzusetzen.
- Einen ADC mit Differenzeingang verwenden, der positive und negative Spannungen messen kann, beispielsweise den ADS1115. Diese Möglichkeit verwenden wir im Folgenden.
Anpassung des Spannungsbereichs
Schließlich müssen wir den Spannungsbereich am Sensorausgang anpassen. Arduino kann nur Spannungen zwischen 0 und Vcc messen. Ein zu kleiner genutzter Messbereich verringert zudem die Genauigkeit.
Bei Wechselspannung werden üblicherweise Effektivwerte (RMS) angegeben. Sehen wir uns kurz die Gleichungen für Scheitelspannung und Spitze-Spitze-Spannung an:

Bei einem Sensor mit einem Ausgangssignal von ±1 V Effektivwert (RMS) beträgt die Scheitelspannung daher ±1,414 V und die
Beim SCT013-000 beträgt der Ausgangsstrom ±50 mA. Mit einem externen Bürdenwiderstand von 33 Ω ergibt sich eine Ausgangsspannung von ±1,65 V Effektivwert (RMS). Die Scheitelspannung beträgt somit ±2,33 V und die Spitze-Spitze-Spannung 4,66 V.
Elektrischer Anschluss
Damit haben wir alle Komponenten, um den Strom im Netz mit einem SCT-013-Sensor zu messen. Wir verwenden einen Sensor mit einem Spannungsausgang von ± 1 V Effektivwert (RMS) und internem Bürdenwiderstand sowie einen ADC wie den ADS1115 im Differenzmodus.
Wird der Messbereich des ADS1115 auf ±2,048 V eingestellt, liegt das Signal von ±1,414 V innerhalb dieses Bereichs. Bei einem 30-A-Sensor beträgt die Auflösung 1,87 mA, bei einem 100-A-Sensor 6,25 mA.
Bei Verwendung eines SCT013-000 mit einem Ausgangsstrom von ± 50 mA müssen wir einen externen Bürdenwiderstand von 33 Ω hinzufügen und den Messbereich des ADS1115 auf ±4,096 V einstellen, damit er das Signal von ± 2,33

Für den Anschluss an Arduino muss lediglich das ADS1115-Modul mit Spannung versorgt und wie im Beitrag zum ADS1115 verbunden werden.

Für die Messung darf nur ein einzelner Leiter durch die „Zange” geführt werden. Werden mehrere Leiter durchgeführt (zwei bei einer einphasigen und drei bei einer dreiphasigen Installation), heben sich ihre Magnetfelder auf. Dadurch zeigt die Messung null an.
Der SCT013-Sensor hat einen 3,5-mm-Klinkenstecker, der im Audiobereich weit verbreitet ist. Für Elektronikprojekte benötigen wir zum Anschluss eine passende Buchse oder müssen das Kabel durchtrennen und die Leitungen direkt anschließen. Passende Buchsen sind leicht erhältlich.

Wenn Sie keinen externen ADC verwenden möchten, können Sie auch eine herkömmliche Schaltung einsetzen, die einen Offset auf halber Versorgungsspannung erzeugt.

Im Folgenden gehen wir von einem Arduino mit 5 V Vcc aus. Wenn Sie einen anderen Mikrocontroller oder ein Arduino-Modell mit einer anderen Vcc verwenden (beispielsweise 3,3 V), müssen Sie die Schaltung entsprechend anpassen.
Mit einem Gleichspannungs-Offset von 2,5 V ergibt sich bei einer Arduino-Versorgungsspannung von 5 V ein Signalbereich von 1,08 V bis 3,92 V am Analogeingang.

Codebeispiel.
Aufbau mit ADS1115
Wenn Sie einen SCT013 mit einem Ausgangssignal von ±1 V Effektivwert (RMS) und einen ADS1115 verwenden, ähnelt der erforderliche Code dem Beispiel im Beitrag zum ADS1115. Ziehen Sie dazu die Adafruit-Bibliothek für den ADS1115 heran.
Um mit dem ADS1115 schneller abzutasten, müssen wir die Datei ‘Adafruit_ADS1015.h’ ändern.
Durch diese Änderung lässt sich die Abtastzeit von etwa 8–9 Millisekunden (etwa 100 Hertz) auf etwa 1,8 Millisekunden (etwa 500 Hertz) verkürzen. Mit der höheren Abtastfrequenz verbessert sich das Messverhalten.


Eine andere Version verwendet die gemessenen Maximal- und Minimalwerte und berechnet daraus den Messwert anhand des Scheitelwerts. Das Ergebnis sollte dem des Beispiels mit der Summe der Quadrate ähneln. Dazu können Sie diese Funktion durch die folgenden Funktionen ersetzen:

Wir können die Ergebnisse im seriellen Monitor ansehen, mit einem seriellen Plotter darstellen, in einem größeren Projekt auf einer Webseite anzeigen oder auf einer SD-Karte speichern.

AUFBAU MIT WIDERSTÄNDEN UND MITTELPUNKT
In diesem Fall ist das Beispiel sehr einfach: Wir müssen lediglich über den Analogeingang messen.
