Was ist ein Schaltnetzteil (SMPS)?

Im Vergleich zu herkömmlichen linearen Netzteilen bieten Schaltnetzteile (SMPS) einen höheren Wirkungsgrad und benötigen weniger Platz. Allerdings muss darauf geachtet werden, das Rauschen am Ausgang gering zu halten.

Überblick über Schaltnetzteile

Schaltnetzteile sind aufgrund ihrer Vorteile bei Größe, Gewicht, Kosten, Wirkungsgrad und Gesamtleistung weit verbreitet.

Dank dieser Eigenschaften kommen Schaltnetzteile in den meisten Arten elektronischer Systeme zum Einsatz und stellen dort effizient elektrische Energie bereit. Eine Ausnahme bilden besonders anspruchsvolle Anwendungen.

Schaltnetzteile sind inzwischen ein etablierter Bestandteil der Elektronik. Sie werden auch als Schaltwandler oder einfach als „Switcher“ bezeichnet.

Begriffe rund um Schaltnetzteile

Für die Technik der Schaltnetzteile (SMPS) werden mehrere eng verwandte Begriffe verwendet. Sie beziehen sich zwar auf dieselbe grundlegende Technik, bezeichnen aber unterschiedliche Teile des Gesamtsystems.

• Schaltnetzteil (SMPS): Dieser Begriff bezeichnet üblicherweise ein vollständiges Gerät, das an das Stromnetz oder eine andere externe Energiequelle angeschlossen wird und einen geregelten Ausgang bereitstellt. Es handelt sich also um ein komplettes Netzteil.
• Schaltregler: Damit ist üblicherweise nur die elektronische Schaltung gemeint, die die Spannung regelt. Ein Schaltregler ist ein Teil eines vollständigen Schaltnetzteils.
• Schaltregler-Controller: Viele integrierte Schaltregler enthalten das in Reihe geschaltete Schaltelement nicht. Das gilt besonders für Anwendungen mit höheren Strömen oder Spannungen, bei denen ein externes Schaltelement Strom, Spannung und die entstehende Verlustleistung besser aufnehmen kann.

Grundlagen von Schaltnetzteilen

Das Grundprinzip eines Schaltnetzteils (SMPS) besteht darin, die Ausgangsspannung mit einem Schaltregler zu regeln. Dazu wird ein in Reihe geschaltetes Schaltelement verwendet, das den Stromfluss zu einem Glättungskondensator periodisch ein- und ausschaltet.

Die Einschaltzeit des Schaltelements wird durch die Spannung am Kondensator bestimmt. Steigt die Spannung über den erforderlichen Wert, schaltet das in Reihe geschaltete Schaltelement ab; fällt sie darunter, schaltet es ein. Auf diese Weise wird die Spannung am Glättungs- beziehungsweise Energiespeicherkondensator auf dem erforderlichen Niveau gehalten.

Funktionsprinzip eines Schaltreglers

Diese Schaltung in EveryCircuit öffnen

Vor- und Nachteile von Schaltnetzteilen

Bei jeder Technik sollten Vor- und Nachteile sorgfältig abgewogen werden. Schaltnetzteile bieten mehrere klare Vorteile, haben aber auch Einschränkungen.

Vorteile von Schaltnetzteilen

• Hoher Wirkungsgrad: Aufgrund der schaltenden Arbeitsweise ist das in Reihe geschaltete Regelelement entweder ein- oder ausgeschaltet. Dadurch wird nur wenig Energie als Wärme abgegeben, was einen sehr hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
• Kompakte Bauweise: Der hohe Wirkungsgrad und die geringe Wärmeentwicklung ermöglichen eine kompakte Bauform von Schaltnetzteilen.
• Kosten: Die Kosten gehören zu den besonders attraktiven Eigenschaften von Schaltnetzteilen. Dank ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer schaltenden Bauweise geben sie weniger Wärme ab als lineare Netzteile, was die Kosten senken kann. Zudem ermöglicht der Schaltbetrieb, viele Funktionen mit kostengünstigeren Bauteilen umzusetzen.
• Technische Flexibilität: Schaltnetzteile können sowohl für Aufwärts- als auch für Abwärtswandler eingesetzt werden und ermöglichen so eine effiziente Spannungsumwandlung.

Nachteile von Schaltnetzteilen

• Störungen: Die beim Schalten entstehenden Spannungsspitzen sind einer der größten Nachteile von Schaltnetzteilen. Werden sie nicht ausreichend gefiltert, können sie sich in andere Teile der vom Schaltnetzteil versorgten Schaltung ausbreiten. Die Spannungsspitzen und kurzzeitigen Störungen können außerdem elektromagnetische oder hochfrequente Störungen verursachen, die elektronische Geräte in der Nähe beeinträchtigen, insbesondere Funkempfänger.
• Externe Bauteile: Auch wenn sich ein Schaltregler um einen einzigen integrierten Schaltkreis herum aufbauen lässt, werden meist zusätzliche externe Bauteile benötigt. Besonders wichtig ist der Energiespeicherkondensator; außerdem sind Filterbauteile erforderlich. Bei manchen Ausführungen lässt sich das in Reihe geschaltete Schaltelement in den Chip integrieren. Muss jedoch ein bestimmter Strom bereitgestellt werden, ist dieses Schaltelement meist extern ausgeführt. Die Bauteile beanspruchen Platz und erhöhen die Kosten.
• Fachkenntnisse bei der Entwicklung erforderlich: Ein funktionsfähiges Schaltnetzteil zu bauen, ist meist nicht schwierig. Anspruchsvoller ist es, die vorgegebenen Leistungswerte einzuhalten. Besonders die Begrenzung von Restwelligkeit und Störungen auf die geforderten Werte kann aufwendig sein.
• Filterung: Die Filterung eines Schaltnetzteils muss sorgfältig ausgelegt werden. Eine unzureichende Filterauslegung kann zu starkem Rauschen und hohen Spannungsspitzen am Ausgang führen.

Wie schließt man einen Stromschalter an ein Relais, eine SPS, einen NPN- oder PNP-Eingang an?

Ein Stromschalter wird häufig in der industriellen Automatisierung, der Anlagenüberwachung und der Erkennung des Lastzustands eingesetzt. Er erkennt, ob Strom durch einen Leiter fließt, und gibt ein Schaltsignal an ein Relais, eine SPS oder ein Steuerungssystem aus.

Was ist ein Stromschalter?

Ein Stromschalter ist ein Sensor, der den Strom in einem Leiter erkennt und ein Schaltsignal ausgibt.

Er dient normalerweise nicht zur Messung genauer Stromwerte, sondern zur Feststellung, ob der Strom einen voreingestellten Schwellenwert überschreitet. Beispielsweise kann ein Stromschalter mit festem 2-A-Schwellenwert ein Signal ausgeben, wenn der gemessene Strom etwa 2 A erreicht, und damit bestätigen, dass die Last angelaufen ist.

Vergleich der Produkttypen

Überblick über den Stromschalter JWY-297

Der JWY-297 ist ein Wechselstromschalter, der keine zusätzliche Stromversorgung benötigt und erkennt, ob Strom durch einen Leiter fließt.

Wenn der Strom im überwachten Leiter den Schaltpunkt von etwa 2 A überschreitet, schaltet der interne Transistor durch. So lässt sich der „Betriebszustand des Geräts“ digital erfassen.

Sein Ausgang ist ein NPN-Ausgang mit offenem Kollektor. Daher sind je nach Steuerungssystem unterschiedliche Anschlussarten erforderlich.

1. Anschluss an eine Relaislast

Der STWA1S kann kleine Gleichstromrelais direkt ansteuern, sofern der Strom der Relaisspule innerhalb der Ausgangsbelastbarkeit liegt, beispielsweise bei höchstens 40 V DC / 40 mA. Wenn Strom erkannt wird, schaltet der Ausgangstransistor durch und zieht ein Ende der Relaisspule auf Masse. Dadurch zieht das Relais an.

Geeignete Einsatzbereiche

• Einfache Betriebsanzeige für Geräte
• Eigenständige Steuerungssysteme ohne SPS
• Ein/Aus-Überwachung kleiner Pumpen, Lüfter und Heizgeräte

2. Anschluss an einen stromliefernden SPS-Eingang – Pull-down-Schaltung

Stromliefernde Eingangsmodule stellen eine interne Pull-up-Spannung bereit, üblicherweise +24 V. Da der Ausgang des STWA1S die Signalleitung nur auf einen niedrigen Pegel ziehen kann, kann er den SPS-Eingang direkt auf 0 V ziehen und so das Signal auslösen.

Merkmale

• Keine externen Widerstände erforderlich
• Sehr einfache Verdrahtung
• Kompatibel mit den meisten modernen SPS-Systemen, etwa gängigen Digitaleingangsmodulen von Siemens, Omron und Mitsubishi

Anwendungen

• Überwachung des Betriebszustands von Automatisierungssystemen
• Erkennung, ob Lüfter, Pumpen oder Heizgeräte laufen
• Mehrkanalige Stromerkennung mit paralleler ODER-Verknüpfung

3. Anschluss an einen stromaufnehmenden SPS-Eingang – Pull-up-Schaltung

Stromaufnehmende Eingangsmodule verfügen über eine interne Pull-down-Schaltung und benötigen eine externe Pull-up-Spannung. In diesem Fall muss am Ausgang des STWA1S ein Pull-up-Widerstand ergänzt werden, damit am SPS-Eingang ein hoher Pegel anliegt.

Merkmale

• Erfordert einen externen Pull-up-Widerstand, üblicherweise 2,2 kΩ–10 kΩ
• Geeignet für ältere SPS-Systeme oder spezielle Steuerplatinen

Geeignete Einsatzbereiche

• Digitaleingänge auf industriellen Steuerplatinen
• Ältere SPS-Modelle, etwa einige S5-Modelle und frühe inländische SPS-Systeme

4. Anschluss an integrierte Digitalmodule wie Siemens S5

Module wie das Siemens 6ES5 431 8MA11 stellen bereits eine interne Pull-up-Spannung bereit. Daher kann die übliche Anschlussart für den STWA1S direkt verwendet werden.

Geeignete Einsatzbereiche

• Nachrüstung älterer Anlagen
• Überwachung des Betriebszustands von S5-Systemen
• Modernisierung bestehender Anlagen in Serverräumen, Gebäuden und Fabriken

Zusammenfassung

Ein Stromschalter bietet eine einfache und zuverlässige Möglichkeit, zu erkennen, ob eine Last läuft oder stillsteht. Im Vergleich zu Stromwandlern und Strommessumformern dient er der Erkennung des Schaltzustands statt der genauen Strommessung.

Zur Relaissteuerung kann er kleine Gleichstromrelaisspulen innerhalb seiner zulässigen Ausgangsbelastbarkeit direkt ansteuern. Bei SPS-Systemen hängt die Verdrahtung davon ab, ob das Eingangsmodul stromliefernd oder stromaufnehmend ist. Bei integrierten Digitalmodulen wie Siemens S5 lässt sich der Stromschalter oft direkt anschließen, wenn das Modul bereits eine interne Pull-up-Spannung bereitstellt.

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Unterschiede und Anwendungen von Strommessumformern mit RMS- und TRMS-Ausgang

In der industriellen Automatisierung, im Energiemanagement und bei der Zustandsüberwachung von Anlagen werden Strommessumformer häufig eingesetzt, um primärseitigen Wechselstrom in standardisierte Gleichsignale wie 0–1 V, 0–5 V, 0–10 V oder 4–20 mA umzuwandeln. Diese können von SPS, Messgeräten oder Datenerfassungssystemen einfach verarbeitet werden.

Je nachdem, wie der Effektivwert verarbeitet wird, werden diese Messumformer üblicherweise in Ausführungen mit RMS-Ausgang und TRMS-Ausgang eingeteilt. Beide können den Effektivwert des primärseitigen Stroms als Gleichsignal darstellen, unterscheiden sich jedoch erheblich darin, welche Eingangswellenformen sie verarbeiten können.

I. Bedeutung des Strom-Effektivwerts (RMS)

Der Effektivwert (RMS) eines Wechselstroms beschreibt dessen Wärmewirkung an einer ohmschen Last und entspricht hinsichtlich dieser Wirkung einem Gleichstrom bestimmter Stärke.

Er ist wie folgt definiert:

Bei einer idealen Sinuswelle gilt für das Verhältnis zwischen dem Effektivwert und dem Spitzenwert des Stroms:

Strommessumformer wandeln den gemessenen Effektivwert in ein analoges Gleichsignal um. Bei einem Messumformer mit einem Messbereich von 0–100 A und einem Ausgang von 4–20 mA beträgt das theoretische Ausgangssignal bei einem primärseitigen Strom von 50 A beispielsweise etwa 12 mA.

II. Strommessumformer mit RMS-Ausgang

In der Praxis übliche Messumformer mit RMS-Ausgang arbeiten meist durch Gleichrichtung, Filterung und Mittelwertbildung des Eingangssignals. Der Messumformer ermittelt zunächst den Mittelwert der gleichgerichteten Wechselstromwellenform und rechnet ihn anschließend anhand eines festen, auf einer idealen Sinuswelle beruhenden Faktors in den Effektivwert um.

Dieses Verfahren benötigt eine vergleichsweise einfache Schaltung und bietet Vorteile wie geringe Kosten, gute Stabilität und ein gleichmäßiges Ansprechverhalten. Bei sinusförmigen Strömen mit Netzfrequenz oder Wechselströmen mit geringer Verzerrung liefert es gute Messergebnisse.

Geeignete Anwendungen für Strommessumformer mit RMS-Ausgang

• Stromverteilungskreise mit Netzfrequenz
• Herkömmliche ohmsche Heizgeräte
• Motoren, Lüfter und Pumpen mit Netzfrequenz
• Beleuchtungsstromkreise
• Wechselstromlasten mit geringer Wellenformverzerrung
• Projekte, bei denen vor allem der Betriebszustand und die Lastentwicklung überwacht werden

Typische Anwendungen von Produkten mit RMS-Ausgang

Der YHDC SCT016T-D beispielsweise hat eine selbstversorgte, teilbare Bauform nach dem Stromwandlerprinzip. Nach Gleichrichtung und Filterung des Sekundärsignals liefert er 0–1 V DC oder 0–5 V DC. Er benötigt keine externe Stromversorgung und eignet sich für die Nachrüstung von Verteilerschränken, die Überwachung des Energieverbrauchs von Gebäuden und die Erfassung der Betriebsströme allgemeiner Geräte.

Für die Übertragung über größere Entfernungen kann der teilbare Zweidraht-Messumformer TST016T die Messergebnisse in ein 4–20-mA-Signal umwandeln. Die Zweidrahtschnittstelle ermöglicht eine einfache Verdrahtung und ist wenig störanfällig. Damit eignet sie sich für den Anschluss an SPS und industrielle Steuerungssysteme.

Für die zentrale Installation in Schaltschränken bietet der YHDC TCAH eine geschlossene Bauform und die Montage auf einer Hutschiene. Als Ausgänge stehen 4–20 mA oder 0–10 V zur Verfügung. Er eignet sich für neue Stromverteilerschränke, Komplettanlagen und die Überwachung üblicher Lasten mit Netzfrequenz.

Für Sammelschienen mit hohen Strömen, dicke Kabel oder Anwendungen mit wenig Einbauraum kann eine Rogowski-Spule eingesetzt werden. Die YHDC TRV02-Serie von Integratoren für Rogowski-Spulen liefert 4–20 mA oder 0–1 V. Sie eignet sich für die Messung an Sammelschienen mit Netzfrequenz, leistungsstarken Heizgeräten und Wechselstromsignalen mit hohen Strömen und annähernd sinusförmiger Wellenform.

III. Strommessumformer mit TRMS-Ausgang

TRMS steht für True Root Mean Square, also den echten Effektivwert. TRMS-Messumformer verarbeiten den Eingangsstrom durch Quadrieren, Mittelwertbildung und anschließendes Ziehen der Quadratwurzel entsprechend der Definition des Effektivwerts. Daher können sie neben idealen Sinuswellen auch verschiedene nicht sinusförmige Wellenformen messen.

Solange Amplitude, Frequenz und Scheitelfaktor des Eingangsstroms innerhalb der für das Produkt angegebenen Grenzen liegen, können TRMS-Messumformer die tatsächliche Wärmewirkung verzerrter Ströme genauer abbilden.

Geeignete Anwendungen für Messumformer mit TRMS-Ausgang

• Ein- und Ausgangsklemmen von Frequenzumrichtern
• Systeme mit unterbrechungsfreier Stromversorgung und Wechselrichter
• Gleichrichter und Schaltnetzteile
• Thyristorgesteuerte Leistungsregler
• Schweiß- und Induktionserwärmungsanlagen
• Nichtlineare Lasten mit vielen Oberschwingungen
• Begrenzte, gepulste oder nur zeitweise fließende Ströme

Typische Anwendungen von Produkten mit TRMS-Ausgang

Der YHDC THT2032 beispielsweise verfügt über eine geschlossene Bauform und liefert 4–20 mA oder 0–10 V. Er eignet sich für den Einbau in neue Schaltschränke oder Komplettanlagen. Im Vergleich zu herkömmlichen RMS-Messumformern eignet er sich besser für Frequenzumrichter, Sanftanlasser, Systeme mit unterbrechungsfreier Stromversorgung, Gleichrichternetzteile und Thyristorlasten.

Für Anwendungen mit hohen Strömen oder solche, bei denen herkömmliche Messumformer mit geschlossenem Kern unpraktisch sind, können die Hall-Stromintegratoren der Serie YHDC TRS02 eingesetzt werden. Diese Serie liefert Ausgangssignale von 4–20 mA oder 0–1 V und kann verzerrte, gepulste und oberschwingungsreiche Wechselströme genauer messen. Sie eignet sich damit für Frequenzumrichter, Wechselrichter, Schweißgeräte und Sammelschienen mit hohen Strömen.

IV. Wesentliche Unterschiede zwischen RMS- und TRMS-Ausgängen

Der wesentliche Unterschied liegt nicht in der Ausgangsschnittstelle. Sowohl RMS- als auch TRMS-Produkte können Gleichspannungs- oder 4–20-mA-Signale ausgeben. Entscheidend ist, wie der Messumformer den Effektivwert des Eingangsstroms intern berechnet.

V. Typische Anwendungsszenarien

Herkömmliche Stromverteilungssysteme mit Netzfrequenz

Bei Anwendungen mit stabiler Netzfrequenz, deren Lasten überwiegend aus ohmschen und induktiven Verbrauchern sowie herkömmlichen Motoren mit Netzfrequenz bestehen, ist die Stromwellenform meist annähernd sinusförmig. Ein Messumformer mit RMS-Ausgang reicht dann für die Überwachung aus.

Für die Nachrüstung bestehender Stromverteilungskreise können die teilbaren Modelle SCT016T-D oder TST016T verwendet werden. Für die zentrale Installation in Schaltschränken eignet sich der geschlossene, auf einer Hutschiene montierte TCAH. Für Sammelschienen mit hohen Strömen kann der TRV02 zusammen mit einer Rogowski-Spule eingesetzt werden.

Frequenzumrichtersysteme

Am Ausgang von Frequenzumrichtern liegt üblicherweise eine PWM-modulierte Wellenform an. Der Strom kann erhebliche hochfrequente Anteile und Oberschwingungen enthalten. Herkömmliche RMS-Messumformer bilden den tatsächlichen Effektivwert möglicherweise nicht genau ab. Deshalb sollten TRMS-Produkte bevorzugt werden.

Für neue Anlagen mit kleinen bis mittleren Strömen kann der geschlossene THT2032 verwendet werden. Für Sammelschienen mit hohen Strömen, dicke Kabel oder beengte Einbauverhältnisse eignen sich die Integratoren für Rogowski-Spulen der Serie TRS02.

Thyristorgesteuerte Leistungsregler

Thyristoren regeln die Ausgangsleistung, indem sie den Leitwinkel in jeder Periode verändern. Obwohl die Grundfrequenz des Stroms weiterhin 50 Hz oder 60 Hz beträgt, ist die Wellenform nicht mehr rein sinusförmig.

In solchen Fällen können herkömmliche RMS-Messumformer erhebliche Messfehler verursachen. Deshalb sollten Messumformer mit TRMS-Ausgang wie die Serien THT2032 oder TRS02 eingesetzt werden.

Überwachung des Energieverbrauchs und Beurteilung des Anlagenzustands

Wenn das Stromsignal vor allem dazu dient, festzustellen, ob eine Anlage läuft oder stillsteht, oder Lastverläufe zu analysieren, und die gemessene Wellenform relativ stabil ist, sind RMS-Produkte in der Regel wirtschaftlicher.

Wenn die Messergebnisse zur Beurteilung der Leitererwärmung, des Lastfaktors, von Überlastzuständen oder des Betriebs frequenzgeregelter Geräte verwendet werden, liefern TRMS-Produkte zuverlässigere Effektivwertdaten.

VI. Zusammenfassung

Sowohl RMS- als auch TRMS-Strommessumformer können primärseitigen Wechselstrom in ein standardisiertes Gleichsignal umwandeln. Sie unterscheiden sich jedoch darin, welche Eingangswellenformen sie verarbeiten können.

Für Lasten mit annähernd sinusförmigem Stromverlauf, etwa in herkömmlichen Stromverteilungssystemen mit Netzfrequenz, bei ohmschen Heizungen, Beleuchtung und Motoren mit Netzfrequenz, können Produkte mit RMS-Ausgang wie SCT016T-D, TST016T, TRV02 oder TCAH gewählt werden, um Messanforderungen und Betriebskosten in Einklang zu bringen.

Bei Frequenzumrichtern, Systemen mit unterbrechungsfreier Stromversorgung, Wechselrichtern, Gleichrichtern, thyristorgesteuerten Leistungsreglern, Schweißgeräten und anderen nichtlinearen Lasten sollten Produkte mit TRMS-Ausgang wie THT2032 oder TRS02 bevorzugt werden. Ihr gemessener Strom-Effektivwert bildet die tatsächliche Wärmewirkung besser ab.

Wie wandelt man Signale einer 4–20-mA-Stromschleife in Spannungssignale um?

Die 4–20-mA-Stromschleife ist ein häufig verwendetes Verfahren zur Übertragung analoger Signale in der industriellen Automatisierung. Dieser Artikel erklärt die Grundlagen der 4–20-mA-Stromschleife, die Umwandlung von Strom in Spannung und die Auswahl eines geeigneten Messwiderstands.

I. Grundlagen der 4–20-mA-Stromschleife

Die 4–20-mA-Stromschleife ist ein häufig verwendetes Verfahren zur Übertragung analoger Signale in der industriellen Automatisierung. YHDC stellt verschiedene Strommessumformer und Spannungsmessumformer in unterschiedlichen Bauformen und mit unterschiedlichen Kenndaten her.

Bei diesem Signal entsprechen 4 mA dem unteren Messbereichsende, also 0 %, und 20 mA dem oberen Messbereichsende, also 100 %.

II. Umwandlung von Strom in Spannung

Die einfachste Möglichkeit, ein 4–20-mA-Stromsignal in ein Spannungssignal umzuwandeln, besteht darin, einen Präzisionswiderstand in Reihe in den Stromkreis einzuschalten. Dieser Widerstand wird üblicherweise als Messwiderstand oder Lastwiderstand bezeichnet.

Nach dem ohmschen Gesetz gilt:

Dabei gilt:

• V bezeichnet die Spannung am Widerstand.
• I bezeichnet den Strom durch den Widerstand.
• R bezeichnet den Widerstandswert des Messwiderstands.

Wenn der Strom durch den Messwiderstand fließt, fällt an ihm eine entsprechende Spannung ab. Je größer der Strom, desto höher die Spannung.

III. Auswahl gängiger Widerstandswerte

Die Genauigkeit des Messwiderstands wirkt sich direkt auf die Messgenauigkeit aus. Empfohlen wird ein Präzisionswiderstand mit 0,1 % Genauigkeit.

In der Praxis wird häufig ein 250-Ω-Präzisionswiderstand verwendet, um ein 4–20-mA-Stromsignal in ein 1–5-V-Spannungssignal umzuwandeln.

Wenn das 4–20-mA-Stromsignal durch einen 250-Ω-Widerstand fließt, entsteht somit ein 1–5-V-Spannungssignal.

IV. Auswahl der Widerstandsbelastbarkeit

Auch die Belastbarkeit des Widerstands ist sehr wichtig. Damit ein Temperaturanstieg im Widerstand dessen Widerstandswert nicht verändert, wird empfohlen, eine Belastbarkeit zu wählen, die mindestens zehnmal so hoch ist wie die berechnete Verlustleistung.

Die Formel zur Berechnung der Leistung lautet:

Beispiel für einen 250-Ω-Widerstand bei 20 mA:

Faktoren, die die Genauigkeit von Rogowski-Spulen beeinflussen

Obwohl Rogowski-Spulen viele Vorteile bieten, können mehrere Faktoren ihre Genauigkeit beeinflussen:

Positionierung und Ausrichtung: Ein solcher Faktor ist die relative Position der Rogowski-Spule zum Leiter. Die korrekte Ausrichtung muss sichergestellt werden, beispielsweise indem die Spule flach und senkrecht zur Stromrichtung angeordnet wird. Andernfalls kann die Messgenauigkeit nicht gewährleistet werden. Diese Empfindlichkeit gegenüber der Positionierung kann Fehler von bis zu 3 % verursachen. Dadurch kann sich der Gesamtfehler bei Messungen mit Stromwandlern (CT) schnell mehr als verdoppeln.

Leitergröße und Abstand: Die Abmessungen des zu messenden Leiters in der Ebene der Rogowski-Spule beeinflussen die Messgenauigkeit. Ist die Spule zu klein, um alle magnetischen Feldlinien zu erfassen, fallen die Messwerte zu niedrig aus.

Äußere Störeinflüsse:

Benachbarte Geräte, die elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen, können die Messergebnisse des Sensors beeinflussen. Bewährte Verfahren für Abschirmung und Installation müssen genau eingehalten werden.

Temperaturänderungen:

Temperaturänderungen beeinflussen die elektrischen Eigenschaften sowohl der Rogowski-Spule als auch des Leiters und können dadurch zu Messungenauigkeiten führen.

Anforderungen an den Integrator:

Das Ausgangssignal der Rogowski-Spule muss durch eine Integratorschaltung verarbeitet werden, um eine nutzbare Stromwellenform zu erhalten.

Sind Stromwandler mit teilbarem Kern für Wohngebäude geeignet?

Ja, Stromwandler mit teilbarem Kern (CTs) eignen sich für Anwendungen in Wohngebäuden und sind zudem Industriestandard für die Energieüberwachung zu Hause und Nachrüstprojekte.

Warum sie sich ideal für Wohngebäude eignen

Die wichtigsten Gründe für ihren Einsatz in Wohngebäuden sind **einfache Handhabung und Sicherheit**. Im Hausverteiler steht die Hauptleitung stets unter Spannung, sofern der Energieversorger den Zähler nicht abklemmt. Stromwandler mit teilbarem Kern lassen sich am Leiter befestigen, ohne den Stromkreis zu unterbrechen.

1. Installation ohne Eingriff in den Stromkreis

Um einen Stromwandler mit geschlossenem Kern zu installieren, müssen Sie die Hauptleitung abklemmen, den Leiter durch einen “Ring” führen und ihn anschließend wieder anschließen. Das ist gefährlich und erfordert in der Regel eine vollständige Stromabschaltung. Einen Stromwandler mit teilbarem Kern klemmen Sie dagegen einfach um den isolierten Leiter.

2. Sicherheit (Niederspannungsausgang)

Die meisten Stromwandler mit teilbarem Kern für Wohngebäude sind darauf ausgelegt, eine sehr niedrige Spannung auszugeben (typischerweise **0,333 V**) statt eines Stromsignals. Das erhöht die Sicherheit erheblich: Wird ein herkömmlicher Stromwandler mit Stromausgang bei stromführendem Leiter abgeklemmt, kann ein Hochspannungslichtbogen entstehen. Stromwandler mit teilbarem Kern und Spannungsausgang sind für Heimwerker und Hausautomationssysteme besser geeignet.

3. Kompakte Bauform für Verteilerkästen

Moderne Stromwandler mit teilbarem Kern sind schlank gebaut. Selbst in vollen Verteilerkästen bieten die Hauptleitung oder einzelne Abzweigleitungen meist genügend Spielraum für die Installation kleiner Sensoren.

Warum sind Strommessumformer für Kältemaschinen, Luftkompressoren und Generatoren so wichtig?

In industriellen Anlagen scheinen Kältemaschinen, Luftkompressoren und Generatoren unterschiedlichen Bereichen anzugehören. Sie haben jedoch eine Gemeinsamkeit: Zu ihren zentralen Komponenten gehören Elektromotoren. Deshalb spielen hochwertige Strommessumformer bei der Überwachung dieser Anlagen eine wichtige Rolle und ermöglichen eine genaue, zuverlässige Strommessung.

Der direkteste und genaueste Indikator für den Betriebszustand eines Motors ist der Strom.

Um dieses Signal wirksam zu erfassen, werden Strommessumformer (auch als Strommessumformer oder Stromüberwachungs-Messumformer bezeichnet) häufig in Industrieanlagen eingesetzt.

Warum „Strom“ das aussagekräftigste industrielle Signal ist

Industrieanlagen können zahlreiche Größen messen: Spannung, Temperatur, Druck, Durchfluss, Schwingungen und mehr.

Bei Anlagen, deren zentrale Komponente ein Elektromotor ist, gibt der Strom jedoch den tatsächlichen Betriebszustand am besten wieder. Daher sind Strommessumformer für Motoren für eine genaue Diagnose unverzichtbar.

Durch die Überwachung des Stroms mit industriellen Strommessumformern lässt sich schnell feststellen:

– Ob die Anlage läuft

– Ob sie überlastet ist

– Ob sie unterlastet ist oder im Leerlauf läuft

– Ob der Wirkungsgrad gesunken ist

– Ob Anzeichen für einen möglichen Ausfall vorliegen

Beispiel: Kältemaschine

Beispiel: Bei wassergekühlten Anlagen kann ein übermäßig hoher Anlaufstrom auf eine mechanische Blockierung oder einen elektrischen Fehler hinweisen. Ein ungewöhnlich niedriger Strom kann auf zu wenig Kältemittel oder einen unbelastet laufenden Kompressor hindeuten.

Diese Zustände lassen sich mit Strommessumformern für Kältemaschinen leicht erkennen. Sie liefern Stromverläufe in Echtzeit für die Fehleranalyse.

Beispiel: Luftkompressor

Bei Luftkompressoren können starke Stromschwankungen auf ein instabiles System im Leerlauf oder auf Leckagen im Leitungsnetz hinweisen. Ein übermäßig hoher Leerlaufstrom kann auf inneren Verschleiß oder einen ungewöhnlich hohen Widerstand hindeuten.

Strommessumformer für Luftkompressoren helfen Wartungsteams, diese Probleme frühzeitig zu erkennen und die Zuverlässigkeit der Anlage zu verbessern.

Auch wenn dies oben nicht ausdrücklich erläutert wurde, werden Strommessumformer bei Generatoren zur Überwachung von Laständerungen, zur Erkennung ungewöhnlicher Stromaufnahme und zur Sicherstellung eines stabilen Betriebs eingesetzt.

Warum dürfen Stromwandler nicht überlastet werden?

Der Betrieb von Stromwandlern (CT) unter Überlast ist unzulässig, da er die Messgenauigkeit, die Unversehrtheit der Geräte und die Sicherheit erheblich beeinträchtigt. Kurzzeitige Überlastungen bis zum Zehnfachen des Nennstroms können zwar zulässig sein, eine dauerhafte Überlastung kann jedoch zu verschiedenen schwerwiegenden Ausfällen führen.

1. Messfehler und Kernsättigung

Ein zu hoher Primärstrom erhöht die magnetische Flussdichte und führt zur Sättigung des Kerns. Sobald der Kern gesättigt ist, wird das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärstrom nichtlinear. Das verursacht eine Verzerrung der Wellenform und Messfehler. Eine Überlastung kann zudem eine Restmagnetisierung im Kern hervorrufen, die Strom und Phasenwinkel des Stromwandlers beeinflusst und die Genauigkeit nachfolgender Messungen verringert.

 2. Geräteschäden und Leistungsabfall

Eine Überlastung erhöht die Temperatur der Wicklungen. Die in den Wicklungen entstehende Wärme ist proportional zum Quadrat des Stroms (I²R-Verlust); ein um 10 % erhöhter Strom steigert die Wärmeentwicklung beispielsweise um etwa 21 %. Hohe Temperaturen beschleunigen die chemische Zersetzung von Isolierstoffen. Mit jeder Temperaturerhöhung um 6–8 °C halbiert sich die Lebensdauer der Isolierung. Bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen kann die Isolierung schmelzen, was zu internen Kurzschlüssen und schließlich zum vollständigen Durchbrennen des Stromwandlers führen kann.

3. Erhebliche Sicherheitsrisiken

Die Spannungsfestigkeit des Isoliermediums nimmt durch Alterung oder Schäden infolge hoher Temperaturen ab. Starke Überhitzung oder interne Lichtbogenfehler können dazu führen, dass der Stromwandler explodiert oder umliegende Materialien entzündet. Im Extremfall kann eine Überlastung den Sekundärkreis unterbrechen. Dadurch entfällt die entmagnetisierende Wirkung, und der Primärstrom wird vollständig zum Erregerstrom. An den Sekundäranschlüssen kann dann eine Spitzenspannung von mehreren tausend Volt entstehen, die ein Stromschlagrisiko darstellt.

Betrieb und Wartung von Stromwandlern

Stromwandler sind wichtige Komponenten in Stromversorgungssystemen. Sie wandeln hohe Ströme auf der Hochspannungsseite proportional in kleinere Ströme auf der Niederspannungsseite um. Damit liefern sie genaue und zuverlässige Signale für Messung, Abrechnung und Schutzsysteme. Aufgrund ihrer zentralen Rolle im Netz wirken sich ordnungsgemäßer Betrieb und sorgfältige Wartung unmittelbar auf die Sicherheit und Stabilität des gesamten Stromversorgungssystems aus. Dieser Beitrag erläutert die wichtigsten Grundsätze für Betrieb und Wartung von Stromwandlern.

1. Auswirkungen eines Überlastbetriebs bei Stromwandlern

Stromwandler sind zwar für einen kurzzeitigen oder längerfristigen Betrieb mit dem 1,2-Fachen des Nennstroms ausgelegt. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Risiken einer anhaltenden Überlast vernachlässigt werden dürfen. Ein dauerhafter Überlastbetrieb löst eine Reihe von Problemen aus, die Leistung und Lebensdauer des Geräts erheblich beeinträchtigen.

Verringerte Messgenauigkeit: Eine Überlast kann den linearen Arbeitsbereich von Stromwandlern überschreiten. Steigt der Strom über die normalen Grenzwerte, nehmen Übersetzungsfehler und Phasenwinkelfehler deutlich zu. Dies führt zu ungenauen Messwerten und Abweichungen bei der Energiemessung, sodass die tatsächliche Belastung des Systems nicht mehr zuverlässig erfasst wird.
Kernsättigung und Überhitzung: Bei längerem Überlastbetrieb hält ein zu hoher Primärstrom die magnetische Flussdichte im Kern dauerhaft auf einem hohen Niveau und kann ihn in die Sättigung treiben. Dann steigt der Sekundärstrom nicht mehr proportional an; in schweren Fällen sprechen Schutzeinrichtungen möglicherweise nicht an. Gleichzeitig ist die Wärmeentwicklung nach dem Jouleschen Gesetz (Q=I²Rt) proportional zum Quadrat des Stroms. Bei Überlast steigen die Temperaturen in Primär- und Sekundärwicklung sowie im Kern rasch an.
Beschleunigte Alterung der Isolierung und verkürzte Lebensdauer: Dauerhaft hohe Temperaturen setzen Isolierstoffen stark zu. Die bei Überlast entstehende Wärme beschleunigt Alterung und Versprödung der Wicklungsisolierung und verringert deren elektrische Spannungsfestigkeit. Mit der Zeit verschlechtert sich die Isolierung erheblich. Das kann zu Windungsschlüssen oder einem Isolationsdurchschlag führen, den Stromwandler vollständig zerstören und seine Nutzungsdauer drastisch verkürzen.

2. Schwerwiegende Folgen eines offenen Sekundärkreises

Der Sekundärkreis eines Stromwandlers muss stets geschlossen bleiben. Diese grundlegende Sicherheitsregel ist bei Arbeiten an elektrischen Anlagen strikt einzuhalten. Fließt auf der Primärseite Strom und wird der Sekundärkreis unerwartet unterbrochen, entsteht unmittelbar eine äußerst gefährliche Situation.

Entstehung gefährlicher Hochspannung: Im Normalbetrieb hebt die vom Sekundärstrom erzeugte magnetische Durchflutung die des Primärstroms weitgehend auf. Wird der Sekundärkreis geöffnet, entfällt diese Wirkung. Der stark erhöhte magnetische Fluss im Kern kann an der Sekundärwicklung gefährliche Spannungen von mehreren Tausend Volt induzieren. Dies kann die Isolierung des Stromwandlers durchschlagen und für Personen in der Nähe des Sekundärkreises oder bei Berührung lebensgefährlich sein.
Starke Kernerwärmung kann Wicklungen zerstören: Die hohe magnetische Flussdichte erhöht die Hysterese- und Wirbelstromverluste im Kern stark. Dadurch entsteht rasch große Hitze. Der Kern kann so heiß werden, dass die Sekundärwicklung schmilzt oder verbrennt und das Gerät dauerhaft beschädigt wird.
Restmagnetismus beeinträchtigt die Genauigkeit: Selbst wenn der offene Sekundärkreis umgehend behoben wird, kann die starke magnetische Sättigung eine bleibende Remanenz im Kern hinterlassen. Die dadurch veränderten magnetischen Eigenschaften vergrößern bei späterem Betrieb Übersetzungs- und Phasenwinkelfehler und beeinträchtigen die Genauigkeit von Messung und Schutzfunktionen dauerhaft.

Vorgehen im Störfall: Der Sekundärkreis darf während des Betriebs unter keinen Umständen getrennt werden. Bei Anzeichen eines offenen Sekundärkreises, etwa ungewöhnlichen Messwerten, Geräuschen oder Brandgeruch, ist der Laststrom auf der Primärseite unverzüglich zu verringern. Anschließend ist die Unterbrechungsstelle mit geeigneten isolierten Werkzeugen zuverlässig kurzzuschließen.

3. Vorsichtsmaßnahmen bei Arbeiten am Sekundärkreis während des Betriebs

Bei allen Arbeiten an Sekundärkreisen sind die Sicherheitsverfahren strikt einzuhalten. Der Grundsatz lautet: „Erst kurzschließen, dann arbeiten.“

Unterbrechen des Stromkreises ist strikt verboten: Beim Austausch von Messgeräten oder bei der Prüfung der Verdrahtung darf ein unter Strom stehender Sekundärkreis keinesfalls ohne vorherige Kurzschlussmaßnahme getrennt werden.
Fachgerechtes Kurzschließen: **Spezielle Kurzschlussbrücken oder Kurzschlussleitungen** müssen verwendet werden, um den Sekundärkreis über die geplante Trennstelle hinweg zuverlässig kurzzuschließen und einen durchgehenden Strompfad sicherzustellen. Die Kurzschlussstelle sollte möglichst nahe am Stromwandler liegen.
Arbeitsbereich festlegen: Am Leitungsabschnitt zwischen Stromwandler und Kurzschlussstelle dürfen keine Arbeiten durchgeführt werden. So wird ein versehentlicher Kontakt mit spannungsführenden Teilen vermieden.
Sicherheitsmaßnahmen umsetzen: Während der Arbeiten muss eine Aufsichtsperson anwesend sein. Das Personal muss geeignete isolierte Werkzeuge verwenden und auf Isoliermatten stehen.
Dauerhafte Erdungspunkte beachten: Bei Arbeiten wie der Reinigung von Klemmenleisten ist geeignete Schutzausrüstung zu tragen. Besondere Vorsicht ist geboten, damit dauerhaft installierte Schutzerdungen nicht versehentlich getrennt werden.

4. Anforderungen beim Austausch von Stromwandlern oder Sekundärkreisen

Der Austausch von Stromwandlern oder ihren Sekundärleitungen erfordert Sorgfalt. Die Kenndaten des neuen Geräts müssen zum bisherigen Gerät passen, und die Anschlüsse müssen korrekt ausgeführt werden.

Anforderungen beim Austausch von Stromwandlern:
* Übereinstimmung des Modells: Übersetzungsverhältnis, Genauigkeitsklasse, Bemessungsleistung und weitere Kenndaten des neuen Stromwandlers müssen vollständig den ursprünglichen Auslegungsvorgaben entsprechen.
* Richtige Polarität: Bei der Verdrahtung muss die Zuordnung der ursprünglichen Anschlüsse P1 und P2 zu S1 und S2 eingehalten werden. Vertauschte Anschlüsse können Fehlfunktionen der Schutztechnik oder Messfehler verursachen.
* Ähnliche Spannungs-Strom-Kennlinien: Bei Schutzstromwandlern sollten die Spannungs-Strom-Kennlinien denen der anderen Stromwandler derselben Gruppe ähneln, damit die Schutzfunktion genau arbeitet.
* Anschließende Kalibrierung: Nach dem Austausch müssen alle relevanten Schutzeinstellungen und Umrechnungsfaktoren der Messgeräte erneut geprüft und kalibriert werden.
* Austausch von Sekundärleitungen: Beim Austausch von Sekundärleitungen muss der Querschnitt der neuen Leitung die Anforderungen an Strombelastbarkeit und Spannungsabfall erfüllen. Nach dem Austausch ist der Isolationswiderstand zu messen.
* Abschließende Prüfung der Polarität: Nach Abschluss aller Austauscharbeiten und vor der regulären Inbetriebnahme muss die Polarität des gesamten Sekundärkreises erneut geprüft werden. Dies ist die letzte Kontrolle für einen ordnungsgemäßen Systembetrieb.

5. Prüfung vor der Inbetriebnahme

Vor der Inbetriebnahme neuer Stromwandler oder nach Wartungsarbeiten sind Zustand und Verdrahtung umfassend zu prüfen, bevor die Spannung wieder eingeschaltet wird.
* Äußerer Zustand: Das Gehäuse des Stromwandlers muss sauber und frei von Staub und Ölflecken sein. Öl gefüllte Stromwandler sind auf Undichtigkeiten zu prüfen; bei Niederspannungs-Stromwandlern mit teilbarem Kern sind die Kontaktflächen auf Staub und Rost zu prüfen.
* Isolierteile: Porzellandurchführungen auf Risse, Schäden und Spuren elektrischer Entladungen prüfen.
* Fester Sitz der Anschlüsse: Alle Schrauben an den primär- und sekundärseitigen Anschlussklemmen auf festen Sitz, guten Kontakt und Rostfreiheit prüfen. So wird ein Lösen durch Vibrationen oder thermische Ausdehnung und Schrumpfung vermieden.
* Zuverlässige Erdung: Prüfen, ob das Gehäuse des Stromwandlers zuverlässig geerdet ist. Die Sekundärkreise von Schutzstromwandlern erfordern üblicherweise zusätzlich eine zuverlässige Erdung an genau einem Punkt, etwa an der Klemmenleiste, um gefährliche induzierte Spannungen zu vermeiden. Besonders zu beachten: Die Sekundärkreise von Stromwandlern für Abrechnungsmessungen dürfen gewöhnlich nicht geerdet werden, damit kein Strom abgeleitet und die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird.

6. Wichtige Punkte für die Wartung während des Betriebs

Tägliche Sichtprüfungen und regelmäßige Wartung sind entscheidend für einen langfristig stabilen Betrieb von Stromwandlern.
 *Vorbeugende Prüfung: Gemäß den geltenden Verfahren sollte alle 1–2 Jahre eine umfassende vorbeugende Prüfung der Stromwandler stattfinden. Dazu gehören unter anderem Messungen des Isolationswiderstands, des Übersetzungsverhältnisses, der Polarität und der Spannungs-Strom-Kennlinie, um mögliche Mängel frühzeitig zu erkennen.
 *Unversehrtheit des Stromkreises: Bei täglichen Prüfungen ist besonders auf die Unversehrtheit des Sekundärkreises und mögliche Anzeichen einer Unterbrechung zu achten.
 *Prüfung von Anschlüssen und Zustand:

 Alle Anschlussklemmen, insbesondere bei Geräten im Außenbereich, regelmäßig auf lockere Verbindungen und Rost prüfen.
Bei der Prüfung aufmerksam auf ungewöhnliche Geräusche achten, etwa auf Anzeichen elektrischer Entladungen im Stromwandler.
Durch Sicht- und Geruchskontrolle sicherstellen, dass keine Anzeichen von Überhitzung oder Brandgeruch am Gerät vorliegen.

Warum leuchtet eine LED am Wechselspannungsausgang eines Transformators?

Transformatoren geben stets Wechselstrom (AC) und keinen Gleichstrom (DC) ab. Sie erhöhen oder verringern die Spannung, während die Wechselstromeigenschaften erhalten bleiben: Die Stromrichtung wechselt bei 50 oder 60 Hz regelmäßig. Warum leuchten dann LEDs, und warum funktionieren manche „Gleichstromgeräte“ auch bei direktem Anschluss an den Transformatorausgang? Der Grund ist einfach.
Eine LED ist im Wesentlichen eine Diode. Sie lässt Strom in Durchlassrichtung fließen und sperrt ihn in der Gegenrichtung. Deshalb leuchtet sie in jeder zweiten Halbwelle. Ihre Helligkeit beträgt dabei ungefähr die Hälfte, und theoretisch flackert sie mit der Netzfrequenz (50/60 Hz). Das menschliche Auge nimmt dieses Flackern jedoch meist nicht wahr.

Die zulässige Sperrspannung vieler LEDs beträgt nur 5–10 V. Die Spitzensperrspannung bei einem 12-V-Wechselspannungstransformator liegt bei etwa 17 V. Bei längerem Betrieb können die LEDs dadurch beschädigt werden.
Eine geeignete Schaltung sollte einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung sowie eine zusätzliche Diode zum Schutz vor Sperrspannung oder einen Gleichrichter enthalten.

Was ist der Unterschied zwischen einem Stromsensor und einem Strommessumformer？

Stromsensoren dienen als „Sinnesorgane“ und erfassen Stromsignale. Strommessumformer gehen einen Schritt weiter: Sie erfassen die Signale und „übersetzen“ sie in eine allgemeine, standardisierte „Sprache“, die andere Geräte verstehen und nutzen können.

Zusammenfassung

Zusammenhang: Ein Strommessumformer kann als weiterentwickelte oder integrierte Ausführung eines Stromsensors betrachtet werden. Er enthält ein eingebautes Strommesselement sowie Schaltungen zur Signalaufbereitung und für einen standardisierten Ausgang.

Wichtigster Unterschied: Entscheidend ist die Art des Ausgangssignals. Ein Sensor gibt das Rohmaterial aus – ein ursprüngliches, unverarbeitetes Signal. Ein Strommessumformer gibt ein standardisiertes, direkt nutzbares Signal aus.

Auswahlhilfe:

• Wenn Ihre Schaltung auf einer Leiterplatte sitzt und eine präzise Strommessung und -regelung benötigt – etwa in einem Netzteil oder einer Motorsteuerung –, wählen Sie einen Stromsensorchip oder ein Stromsensormodul.
• Wenn Sie in einer industriellen Umgebung den Betriebsstrom einer mehrere Dutzend Meter entfernten großen Wasserpumpe überwachen und die Daten zur Anzeige und Aufzeichnung an einen zentralen Leitstand senden müssen, benötigen Sie einen Strommessumformer.

Kann eine Rogowski-Spule Gleichstrom messen?

Die Rogowski-Spule ist eine hohle, ringförmige Spule, die um einen Leiter angeordnet wird. Ihr Funktionsprinzip beruht auf Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion: Das durch den Strom erzeugte veränderliche Magnetfeld induziert in der Spule eine Spannung, die proportional zur Änderungsrate des Stroms (di/dt) ist.
Daher können herkömmliche Rogowski-Spulen keinen konstanten Gleichstrom messen.
Sie können jedoch den sich schnell ändernden Anteil gepulster Gleichstromsignale, deutliche Gleichstromoffsets oder die Wechselstromanteile von Gleichstromsignalen erfassen.

Was passiert, wenn einer Rogowski-Spule ein Integrator fehlt?

Ohne Integrator erhält man ein di/dt-Signal statt des Stroms selbst.

Das bedeutet:

1. 1. Messungen im Zeitbereich (Wellenformen, Effektivwert (RMS), Energie) werden vollständig verfälscht
2. 2. Das Signal kann nur für Analysen im Frequenzbereich verwendet werden (z. B. für Oberschwingungen und hochfrequente Transienten)
3. 3. Es kann nicht für herkömmliche Anwendungen wie Energiemessung, Schutz oder Überwachung verwendet werden

Mit anderen Worten: Ohne einen Integrator kann eine Rogowski-Spule nicht als herkömmlicher Stromsensor funktionieren.

Ein Integrator ist zwar fast immer erforderlich, es gibt jedoch Ausnahmen:

1. 1. Geräte mit integriertem Integrator

Viele moderne Leistungsmesschips (ADE7953, ATM90E32AS), Energiezähler (iEM3555, MD-P1-3-RC-16), Leistungsanalysatoren (ABB M4M, PW3390) und DSP-Prozessoren mit integrierten digitalen Integratoren (ADS131E08, TMS320F280049, MCP3910, STM32G4).

2. 2. Spezialanwendungen

Bestimmte Anwendungen zur Erkennung von Motorfehlern oder zur Prüfung von Stromimpulsen konzentrieren sich ausschließlich auf hochfrequentes di/dt und können das Rohsignal direkt nutzen.

3. 3. Fälle von „Selbstintegration“

Wenn die Impulsbreite deutlich kürzer als die Zeitkonstante der Spule ist, weist die Spule selbst näherungsweise integrierende Eigenschaften auf. Dies ist jedoch ein sehr spezieller Anwendungsfall.

Was ist der Unterschied zwischen Niederspannungs- und Hochspannungs-Stromwandlern?

Ein Stromwandler, abgekürzt CT, ist ein Gerät zur Messung von Wechselstrom. Er wandelt einen hohen Strom nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in einen niedrigeren Strom um und erleichtert so Messung, Schutz und Steuerung. Niederspannungs-Stromwandler und Hochspannungs-Stromwandler unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Betriebsspannung. Niederspannungs-Stromwandler werden üblicherweise in elektrischen Energiesystemen mit einer Wechselspannung von höchstens 1000 V (1 kV) eingesetzt. Hochspannungs-Stromwandler werden in Netzen mit Spannungen von 1 kV bis 100 kV eingesetzt.

Vergleich der wichtigsten Unterschiede

Was ist das Übersetzungsverhältnis eines Stromwandlers？

Das Übersetzungsverhältnis eines Stromwandlers beschreibt das Verhältnis von Primär- zu Sekundärstrom, beispielsweise 500/5, 250/5 oder 100/5. Ein Verhältnis von 500/5 bedeutet, dass bei einem Primärstrom von 500 A der Sekundärstrom 5 A beträgt.

Zu den üblichen Nennströmen auf der Primärseite gehören 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150 und 2×a/C; die Nennströme auf der Sekundärseite betragen typischerweise 1 A oder 5 A. Die Schreibweise 2×a/C bezeichnet einen Stromwandler mit zwei Übersetzungsverhältnissen, die sich durch Reihen- (a/c) oder Parallelschaltung (2×a/C) interner Komponenten erzielen lassen. Bei Messanwendungen sollte der primäre Nennstrom (I1n) mindestens so groß sein wie der berechnete Laststrom (IC). Bei einem Laststrom von 350 A wäre beispielsweise ein 400/5-Stromwandler erforderlich. Für Schutzanwendungen kann ein größeres Übersetzungsverhältnis gewählt werden, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

Warum muss eine Rogowski-Spule zusammen mit einem Integrator verwendet werden?

Rogowski-Spulen, auch Luftspulen oder flexible Stromwandler genannt, werden dank ihrer Vorteile wie fehlender magnetischer Sättigung, großem Messbereich und einfacher Installation häufig in der Leistungsüberwachung, bei der Messung hochfrequenter Stromimpulse und beim Schutz vor hohen Strömen eingesetzt. In der Praxis können Rogowski-Spulen jedoch üblicherweise nicht direkt an Messgeräte angeschlossen werden, sondern müssen zusammen mit einem Integrator verwendet werden.

1. Das physikalische Prinzip der Rogowski-Spule: ein di/dt-Sensor

Das Funktionsprinzip der Rogowski-Spule beruht auf dem Faradayschen Induktionsgesetz. Fließt der zu messende Strom i(t) durch die Mitte der Spule, entsteht in ihr eine induzierte elektromotorische Kraft e(t). Sie lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:

Dabei bezeichnet M den Gegeninduktivitätskoeffizienten zwischen der Spule und dem Primärleiter.

Aus der Formel geht hervor, dass die Ausgangsspannung der Rogowski-Spule nicht unmittelbar der Stromstärke entspricht. Sie ist vielmehr proportional zur Änderungsrate (Ableitung) des Stroms. Das bedeutet:

• Bei konstantem Gleichstrom ist das Ausgangssignal der Rogowski-Spule null.
• Bei sinusförmigem Strom eilt die Ausgangsspannung dem Strom um 90° voraus; ihre Amplitude steigt linear mit der Frequenz.

Um den tatsächlichen Stromverlauf i(t) zu rekonstruieren, muss das Ausgangssignal der Spule daher mathematisch integriert werden.

2. Hauptaufgaben des Integrators

Der Integrator ist ein wesentlicher Bestandteil des Messsystems mit Rogowski-Spule. Er erfüllt hauptsächlich drei Aufgaben:

1 Rekonstruktion des Signalverlaufs (Integration): Eine elektronische Integratorschaltung, üblicherweise ein aktiver Integrator mit Operationsverstärkern, wandelt das di/dt-Signal in ein zu i(t) proportionales Spannungssignal um.
2 Phasenkorrektur: Sie gleicht die von der Rogowski-Spule verursachte Phasenvoreilung um 90° aus, damit das Ausgangssignal mit dem ursprünglichen Stromsignal phasengleich ist. Das ist für Leistungsmessungen, etwa zur Berechnung des Leistungsfaktors, entscheidend.
3 Signalaufbereitung und Verstärkung: Die unmittelbar induzierte Spannung der Stromschleife ist üblicherweise sehr gering und liegt im Millivoltbereich. Der Integrator verstärkt sie auf gebräuchliche Signalpegel und erhöht die Treiberfähigkeit für längere Übertragungswege oder angeschlossene Lasten.

3. Vergleich gängiger Ausgangsarten von Integratoren

Je nach Anforderungen der nachgeschalteten Geräte, etwa Stromzähler, SPS, Oszilloskope oder Schutzrelais, sind Integratoren mit verschiedenen Ausgangsarten erhältlich. Die folgende Tabelle vergleicht diese gängigen Ausgangsarten im Detail:

3.1 Momentaner Spannungsausgang (333mV / 1V AC)

Dies ist derzeit die verbreitetste Ausgangsart für Rogowski-Spulen. 333 mV entsprechen einer in Nordamerika und international weit verbreiteten Spezifikation für Niederspannungswandler. Der wichtigste Vorteil dieser Ausgangsart ist die Sicherheit: Selbst bei unterbrochenem Sekundärkreis entstehen keine lebensgefährlichen Hochspannungen wie bei herkömmlichen Stromwandlern. Informationen über Stromoberschwingungen bleiben vollständig erhalten, was diese Ausgangsart für hochgenaue Analysen der Netzqualität geeignet macht.

3.2 Momentaner Stromausgang (1A / 5A AC)

Um mit Messgeräten kompatibel zu bleiben, die ursprünglich für herkömmliche Stromwandler mit Magnetkern ausgelegt wurden, können Integratoren Ausgangsströme von 1 A oder 5 A liefern. Ein solcher Integrator arbeitet im Grunde als Leistungsverstärker, der Spannung in Strom umsetzt. So kann eine Rogowski-Spule auch hochohmige Lasten versorgen, die sie allein nicht direkt treiben könnte. Wegen der höheren Ausgangsströme steigen jedoch Leistungsaufnahme und Baugröße des Integrators deutlich.

3.3 Ausgang mit Standardsignal (4-20mA / 0-1V DC)

In der industriellen Automatisierung wird häufig nur der Effektivwert (RMS) des Stroms benötigt, ohne dass der Signalverlauf betrachtet werden muss. Diese Integratoren enthalten interne Schaltungen zur Umwandlung des Effektivwerts in ein Gleichstromsignal. Sie wandeln komplexe Wechselstromsignale in stabile Gleichstromsignale um. Der 4-20-mA-Stromschleifenausgang ist besonders störfest und eignet sich daher gut für die Übertragung über größere Entfernungen an SPS- oder Prozessleitsysteme.

3.4 Ausgang ohne Integrator (di/dt)

Bei speziellen wissenschaftlichen Anwendungen, etwa der Messung von Blitzströmen oder Experimenten der Hochenergiephysik, kann das unverarbeitete di/dt-Signal der Rogowski-Spule direkt erfasst werden. So lassen sich Bandbreitenbegrenzungen und niederfrequente Drift vermeiden, die bei Integratoren auftreten. Das Signal kann anschließend mithilfe von Algorithmen digital integriert werden, um sehr hohe Messbandbreiten von mehreren MHz oder mehr zu erreichen.

4. Zusammenfassung

Der Integrator übernimmt die Rekonstruktion des Signalverlaufs, die Phasenkorrektur und die Signalverstärkung.
Welche Ausgangsart geeignet ist, hängt von Ihren nachgeschalteten Geräten ab:

•Für Genauigkeit und Sicherheit wählen Sie 333mV/1V AC;
•Für Kompatibilität mit älteren Systemen wählen Sie 1A/5A AC;
• Für die industrielle Überwachung wählen Sie 4-20mA DC;
•Bei Messgeräten, die Rogowski-Spulen unterstützen, oder für die Hochfrequenzforschung kommt der direkte di/dt-Ausgang infrage.

Wenn Rogowski-Spule und Integrator richtig aufeinander abgestimmt sind, lassen sich die Vorteile des großen Messbereichs und der fehlenden Sättigung voll nutzen, um auch in komplexen Stromumgebungen präzise zu messen und zu regeln.

Phasenwinkelfehler von Stromwandlern: Der unsichtbare Einflussfaktor bei der Energiemessung

In elektrischen Versorgungssystemen ist eine präzise Energiemessung die Grundlage für eine faire Abrechnung, Energieeinsparungen und einen stabilen Systembetrieb.
Als wichtige Bestandteile von Energieüberwachungssystemen bestimmen Stromwandler (CTs) mit ihrer Genauigkeit unmittelbar die Präzision der Messwerte.
Neben dem bekannten “Übersetzungsfehler” (Amplitudenfehler) kann jedoch ein häufig übersehener, aber entscheidender Parameter die Genauigkeit der Energiemessung unter bestimmten Bedingungen stark beeinflussen: der Phasenwinkelfehler.

1. Was ist der Phasenwinkelfehler eines Stromwandlers?

Um den Phasenwinkelfehler zu verstehen, müssen wir zunächst den Unterschied zwischen dem theoretischen Idealfall und der Praxis betrachten.

• Idealfall: Ein idealer Stromwandler sollte ein Sekundärstromsignal liefern, das zum Primärstromsignal des Hauptstromkreises genau gegenphasig ist, also einen Phasenunterschied von exakt 180° aufweist.
• In der Praxis: Bei realen Stromwandlern ist der Sekundärstrom gegenüber dem Primärstrom nicht exakt um 180° phasenverschoben, sondern weist eine kleine Winkelabweichung auf. Der Winkel zwischen dem tatsächlichen Sekundärstromzeiger und dem idealen, zum Primärstrom entgegengesetzten Zeiger wird als Phasenwinkelfehler bezeichnet.

Gemäß internationalen Normen ist der Phasenwinkelfehler positiv (+), wenn der Sekundärstromzeiger der idealen Lage in der Phase voreilt. Eilt er ihr nach, ist der Phasenwinkelfehler negativ (-).
Dieser scheinbar unbedeutende Winkel ist für die hochpräzise Energiemessung entscheidend.

2. Warum weisen Stromwandler eine Phasenverschiebung auf?

Die Ursache des Phasenwinkelfehlers liegt in den Eigenschaften des physikalischen Aufbaus und des elektromagnetischen Funktionsprinzips des Stromwandlers, insbesondere im Erregerstrom.

Stromwandler funktionieren ähnlich wie andere Transformatoren: Der durch den Kern fließende Primärstrom erzeugt ein Magnetfeld, das wiederum einen Sekundärstrom induziert.
Um das erforderliche Magnetfeld im Kern aufzubauen, nimmt der Stromwandler selbst einen Teil der Energie auf. Der dieser Energieaufnahme entsprechende Strom ist der Erregerstrom.

• Magnetisierungsanteil: Er dient zum Aufbau des Magnetfelds im Kern. Seine Phase eilt der induzierten elektromotorischen Kraft um 90° nach.
• Eisenverlustanteil: Er gleicht die durch Hysterese und Wirbelströme bei wechselnden Magnetfeldern entstehenden Energieverluste im Kern aus. Er ist mit der induzierten elektromotorischen Kraft in Phase.

Da der Primärstrom I₁ gleich der Vektorsumme aus dem auf die Primärseite umgerechneten Sekundärstrom I₂ und dem Erregerstrom I₀ ist (I₁ = I₂ + I₀),
führt der phasenverschobene Erregerstrom I₀ zwangsläufig zu einem Phasenunterschied zwischen I₁ und I₂.
Dieser Phasenunterschied zeigt sich schließlich als Winkelabweichung im Stromwandler.

Vereinfacht gesagt ist die Winkelabweichung eine durch den Erregerstrom verursachte “Störung” der Phasenbeziehung zwischen den Strömen.
Alle Faktoren, die Betrag und Phase des Erregerstroms beeinflussen – etwa die magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials, die an die Sekundärseite angeschlossene Bürde und die Höhe des Primärstroms –, wirken sich unmittelbar auf die Winkelabweichung aus.

3. Wie beeinflusst die Winkelabweichung die Genauigkeit der Überwachung elektrischer Energie?

Die Formel zur Berechnung der elektrischen Leistung (Wirkleistung) lautet:

P = U × I × cos(φ), wobei φ der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom und cos(φ) der Leistungsfaktor ist.

Der Phasenwinkelfehler des Stromwandlers verändert unmittelbar den vom Energiezähler erfassten Phasenwinkel φ und führt dadurch zu Fehlern bei der Leistungsberechnung.

Zusammenhang der Fehlerfortpflanzung: Der Gesamtfehler der Energiemessung entspricht näherungsweise der Summe aus Spannungsübersetzungsfehler, Stromübersetzungsfehler und Phasenwinkelfehler.
Eine vereinfachte Formel lautet:

Fehler der Leistungsmessung ≈ Spannungsübersetzungsfehler + Stromübersetzungsfehler + tan(φ) × Δφ

Dabei bezeichnet Δφ den von den Messwandlern verursachten Phasenwinkelfehler.

Wichtigster Einflussfaktor: Leistungsfaktor

• Hoher Leistungsfaktor (cos(φ) ≈ 1, φ ≈ 0°): tan(φ) ist sehr klein, sodass der Winkelfehler Δφ nur wenig zum Gesamtfehler beiträgt. Der Messfehler wird hauptsächlich durch den “Übersetzungsfehler” (Amplitudenfehler) bestimmt.
• Niedriger Leistungsfaktor (cos(φ) → 0, φ → ±90°): tan(φ) wird sehr groß. Selbst ein kleiner Phasenwinkelfehler Δφ kann, durch tan(φ) verstärkt, erhebliche Fehler bei der Leistungsmessung verursachen.

Ein Beispiel: In einem Stromkreis mit extrem niedrigem Leistungsfaktor kann der berechnete Energiewert erheblich vom tatsächlichen Wert abweichen, selbst wenn der Übersetzungsfehler (Amplitudenfehler) des Messwandlers sehr klein ist,
sofern ein Phasenwinkelfehler vorliegt.

4. Auswirkungen des Phasenwinkelfehlers

• Induktive Lasten (z. B. Motoren und Transformatoren mit nacheilendem Leistungsfaktor): Ein positiver Phasenwinkelfehler führt typischerweise dazu, dass der Zähler einen höheren als den tatsächlich verbrauchten Energiewert anzeigt. Dadurch entstehen dem Nutzer unnötige Stromkosten.
• Kapazitive Lasten (z. B. Kondensatorbänke und übermäßig lange Kabel mit voreilendem Leistungsfaktor): Ein positiver Phasenwinkelfehler führt dazu, dass der Zähler einen niedrigeren als den tatsächlich verbrauchten Energiewert anzeigt. Dadurch entstehen dem Energieversorger Verluste.

In modernen Industrie- und Gewerbeanlagen ist der Leistungsfaktor durch den weitverbreiteten Einsatz von Frequenzumrichtern, Motoren, LED-Beleuchtung und Schaltnetzteilen zunehmend komplex und häufig ungünstig.
Vor diesem Hintergrund ist die Phasenwinkelabweichung von Stromwandlern von einer untergeordneten Kenngröße zu einem entscheidenden Faktor dafür geworden, ob ein Energieüberwachungssystem “genau und fair” arbeitet.

Gleichtaktdrosseln und Gegentaktinduktivitäten: Unterschiede, Anwendungen und Auswahlkriterien

 
Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung moderner elektronischer Geräte. Elektromagnetische Störungen (EMI) beeinträchtigen den normalen Gerätebetrieb und können dazu führen, dass gesetzliche Anforderungen nicht eingehalten werden. Um solche Störungen wirksam zu unterdrücken, setzen Entwickler zahlreiche Filterbauteile ein. Induktivitäten spielen dabei eine zentrale Rolle. Gleichtaktdrosseln und Gegentaktinduktivitäten gehören zu den am häufigsten verwendeten Typen und erfüllen sehr unterschiedliche Aufgaben.

Obwohl beide zur EMI-Filterung eingesetzt werden, unterscheiden sie sich deutlich hinsichtlich der Störungen, gegen die sie wirken, ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise. Dieser Artikel erläutert die wesentlichen Unterschiede zwischen Gleichtaktdrosseln und Gegentaktinduktivitäten, ihre Anwendungsbereiche und praktische Auswahlkriterien, die Entwicklern bei der Wahl geeigneter Bauteile helfen.

1. Gleichtaktdrossel

1.1 Definition und Funktionsweise

Eine Gleichtaktinduktivität, auch Gleichtaktdrossel genannt, ist ein Filterbauteil, das hauptsächlich Gleichtaktstörungen unterdrückt.

Eine Gleichtaktstörung (CMN) ist ein Störsignal, das auf zwei Signalleitungen (z. B. den Netzleitungen L und N oder den Datenleitungen D+ und D-) gegenüber Masse oder einer Bezugsebene in gleicher Richtung und Stärke auftritt. Diese Störung entsteht meist durch die Einkopplung äußerer elektromagnetischer Felder oder durch unsymmetrische Schaltungen im Gerät. Sie wird über das Kabel nach außen abgestrahlt oder gelangt über das Kabel in das Gerät.

Typischerweise besteht eine Gleichtaktinduktivität aus zwei oder mehr Wicklungen, die mit gleicher Windungszahl und Ausrichtung auf denselben hochpermeablen Ferritkern gewickelt sind.

Ihre Funktionsweise beruht auf der Aufhebung magnetischer Felder und der Wirkung einer hohen Impedanz:

Bei Gegentaktsignalen (Nutzsignalen): Fließen normale Gegentaktströme (also Ströme gleicher Stärke in entgegengesetzter Richtung auf zwei Leitungen) durch die beiden Wicklungen, entstehen im Kern entgegengesetzte Magnetflüsse, die sich gegenseitig aufheben. Daher ist die Impedanz einer Gleichtaktinduktivität für ein Gegentaktsignal äußerst gering und beeinflusst die Übertragung des Nutzsignals kaum.

Bei Gleichtaktsignalen (Störungen): Fließen Gleichtaktströme (in gleicher Richtung) durch die beiden Wicklungen, erzeugen sie gleichgerichtete Magnetflüsse im Kern, die sich überlagern. Dadurch weist die Drossel eine hohe Induktivität und damit eine sehr hohe Impedanz für Gleichtaktstörungen auf. So werden diese Störungen unterdrückt und abgeschwächt.

1.2 Aufbau

Gleichtaktdrosseln haben üblicherweise vier Anschlussstifte (zwei Eingänge und zwei Ausgänge) und bestehen aus zwei Wicklungen, deren gleichnamige Anschlüsse sich auf derselben Seite des Magnetrings befinden.

2. Gegentaktinduktivität

2.1 Definition und Funktionsweise

Eine Gegentaktinduktivität ist ein herkömmliches induktives Bauteil, das hauptsächlich zur Unterdrückung von Gegentaktstörungen eingesetzt wird.

Eine Gegentaktstörung (DMN) ist ein Störsignal, das zwischen zwei Signalleitungen in entgegengesetzter Richtung und unterschiedlicher Stärke auftritt. Solche Störungen überlagern das Nutzsignal direkt und entstehen meist durch interne Ursachen wie Schaltvorgänge im Schaltnetzteil, Laständerungen oder eine Fehlanpassung der Signalleitungsimpedanz.

Eine Gegentaktinduktivität ist ähnlich wie eine gewöhnliche Induktivität aufgebaut und besitzt üblicherweise nur eine Wicklung auf einem Magnetkern.

Ihre Funktionsweise beruht auf der Selbstinduktion der Spule:

Bei Gegentaktsignalen (Nutzsignalen und Störungen): Eine Gegentaktinduktivität wirkt Änderungen des Stroms entgegen, der durch sie fließt. Ob es sich um ein normales Gegentaktsignal oder eine Gegentaktstörung handelt: Jeder Strom durch die Induktivität wird von ihrer Induktivität beeinflusst.

Filterwirkung: Aufgrund ihrer hohen Impedanz bei hohen Frequenzen dämpft eine Gegentaktinduktivität hochfrequente Gegentaktstörungen. Für niederfrequente Nutzsignale (etwa den Gleichstrom einer Stromversorgung oder niederfrequente Wechselstromanteile) bleibt ihre Impedanz gering. So entsteht die Filterwirkung.

2.2 Aufbau

Gegentaktinduktivitäten besitzen üblicherweise nur zwei Anschlussstifte und eine Wicklung. In EMI-Filterschaltungen werden sie meist in Reihe in die Stromversorgungs- oder Signalleitung geschaltet.

3. Vergleich der wesentlichen Unterschiede

Gleichtaktdrosseln und Gegentaktdrosseln unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Störungsarten, gegen die sie wirken, ihres Aufbaus und ihres Einflusses auf Nutzsignale. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zusammen:

4. Anwendungsbereiche

4.1 Anwendungsbereiche für Gleichtaktdrosseln

Da Gleichtaktdrosseln Gleichtaktstörungen wirksam unterdrücken, ohne die Übertragung von Gegentaktsignalen zu beeinträchtigen, werden sie häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:

• • Schaltnetzteile (SMPS): In der Eingangsstufe von AC/DC- oder DC/DC-Wandlern unterdrücken sie die durch Schaltvorgänge erzeugten Gleichtaktstörungen und verhindern deren Weiterleitung und Abstrahlung über Stromversorgungsleitungen.
  • Datenkommunikationsschnittstellen: Bei schnellen differenziellen Signalleitungen wie USB, HDMI und Ethernet (RJ45-Steckverbinder) filtern Gleichtaktdrosseln von außen eingekoppelte Gleichtaktstörungen, während die Integrität der Gegentaktsignale erhalten bleibt.
  • Fahrzeugelektronik: Sie werden in Fahrzeugnetzwerken (z. B. CAN und LIN) und Stromversorgungsleitungen eingesetzt, um den komplexen elektromagnetischen Bedingungen standzuhalten.

   

  4.2 Anwendungen von Gegentaktdrosseln

  Gegentaktdrosseln unterdrücken hauptsächlich Gegentaktstörungen auf Stromversorgungsleitungen. Häufig werden sie zusammen mit Kondensatoren als π- oder L-Filter eingesetzt:

   

  • • Filterung von Stromversorgungsleitungen: An Versorgungseingängen bilden sie zusammen mit X-Kondensatoren Gegentaktfilter, die intern erzeugte leitungsgebundene Gegentaktstörungen dämpfen.
    • Niederfrequente Anwendungen: Sie eignen sich für die Filterung niederfrequenter Stromversorgungen oder für Signalverarbeitungsschaltungen, in denen die Dämpfung hochfrequenter Signale unkritisch ist.
    • Ausgänge von DC/DC-Wandlern: Sie glätten den Ausgangsstrom und unterdrücken den Gegentaktanteil der Schaltwelligkeit.

    5. Auswahlkriterien

    Die richtige Auswahl ist entscheidend für eine wirksame EMI-Filterung. Bei der Wahl von Gleichtakt- und Gegentaktinduktivitäten sind folgende wesentliche Kenngrößen zu berücksichtigen:

     

    5.1 Auswahlkriterien für Gleichtaktdrosseln

     Nennstrom (I_rated): Die Drossel muss dem maximalen Dauerbetriebsstrom der Schaltung standhalten.

    Gleichtaktimpedanz (Z_CM): Dies ist die wichtigste Kenngröße. Wählen Sie Drosseln, deren Impedanz bei der zu unterdrückenden Störfrequenz (typischerweise einige zehn bis einige hundert MHz) möglichst hoch ist. Eine höhere Impedanz bewirkt eine bessere Unterdrückung.

    Gegentaktimpedanz (Z_DM): Wählen Sie Induktivitäten mit geringer Gegentaktimpedanz, um die Dämpfung von Nutzsignalen zu minimieren.

    Gleichstromwiderstand (DCR): Ein niedriger DCR ist vorzuziehen, um Leistungsverluste und Temperaturanstieg zu verringern.

    Betriebsfrequenzbereich: Wählen Sie Kernmaterial und Wicklungsaufbau entsprechend der Betriebsfrequenz der Schaltung und der Störfrequenz.

     

    5.2 Wichtige Kriterien bei der Auswahl von Gegentaktinduktivitäten

    Induktivität (L): Bestimmen Sie den Induktivitätswert anhand der erforderlichen Grenzfrequenz und Filtereigenschaften. Eine höhere Induktivität dämpft niederfrequente Störungen besser.

    Nennstrom (I_rated): Wie bei Gleichtaktinduktivitäten muss der Nennstrom mindestens dem maximalen Betriebsstrom der Schaltung entsprechen.

    Sättigungsstrom (I_sat): Überschreitet der Strom einen bestimmten Schwellenwert, sättigt der Kern und die Induktivität fällt stark ab. Damit die Filterwirkung erhalten bleibt, muss der Sättigungsstrom bei der Auswahl über dem Spitzenstrom der Schaltung liegen.

    Gleichstromwiderstand (DCR): Auch hier sollte der DCR möglichst niedrig sein.

    Fazit

    Gleichtaktdrosseln und Gegentaktinduktivitäten sind zwei unverzichtbare Bauteile in EMI-Filterschaltungen. Gleichtaktinduktivitäten unterdrücken dank ihrer besonderen Bauweise mit zwei Wicklungen Gleichtaktstörungen wirksam und erhalten zugleich die Integrität der Nutzsignale. Sie sind eine bevorzugte Wahl, um die Abstrahlung über schnelle Signalleitungen und Stromversorgungsleitungen zu verringern. Gegentaktinduktivitäten dämpfen durch Selbstinduktion Gegentaktstörungen direkt und bilden eine Grundlage für die Filterung leitungsgebundener Störungen auf Stromversorgungsleitungen.

     

    Das Verständnis ihrer grundlegenden Unterschiede bei den unterdrückten Störungen, im Aufbau und in der Funktionsweise ist die Grundlage für eine geeignete Schaltungsentwicklung und Bauteilauswahl. Erst wenn Störungsart und Schaltungsanforderungen angemessen berücksichtigt werden, lässt sich ein elektronisches System entwickeln, das strenge EMV-Normen erfüllt.

Warum beträgt der Nennsekundärstrom von Stromwandlern für Stromzähler fast immer 5 A oder 1 A?

In Stromversorgungssystemen müssen Messgeräte wie Stromzähler in der Regel über Stromwandler an Stromkreise mit hoher Spannung oder hohem Strom angeschlossen werden. Üblicherweise sind die Schnittstellenparameter der Stromzähler und der Nennsekundärstrom der zugehörigen Stromwandler auf 5 A oder 1 A ausgelegt. Dieser Artikel erläutert die Gründe für diesen Standard und erklärt anhand gängiger Kennzeichnungen auf Stromzählern, wie Sie den passenden Stromwandler auswählen.

1. Erläuterung der Parameter von Stromwandlern

Die vom Zähler unterstützten Stromwandlerparameter sind üblicherweise auf dem Gerät angegeben, beispielsweise 0.25-5(6)A, 0.015-1.5(6)A, 0.25-5(80)A oder 0.25-5(100)A. Diese Angaben kennzeichnen den Betriebsbereich und die technischen Anforderungen beim Anschluss eines externen Stromwandlers. Sie beschreiben den Betriebsbereich und die technischen Anforderungen des Zählers bei Anschluss eines externen Stromwandlers:
Am Beispiel von 0.015-1.5(6)A:
* Anlaufstrom (0.015): der Mindeststrom von 15 mA, den der Zähler genau messen kann.
* Basisstrom Ib(1.5): Der Nennstrom des Stromzählers beträgt 1,5 A. Bei diesem Strom kann die Genauigkeitsklasse des Zählers eingehalten werden.
* Höchststrom Imax(6): der maximale Strom von 6 A, den der Zähler dauerhaft und sicher ohne Beschädigung führen kann. Dies ist in der Norm IEC/EN 62053 für Stromzähler geregelt.

2. So wählen Sie anhand der Parameter den passenden Stromwandler aus

Bei der Auswahl eines passenden Stromwandlers sind zwei Grundsätze zu beachten: Der Sekundärstrom muss zum Zähler passen, und der Primärstrom muss richtig bemessen sein.

Abstimmung des Nennsekundärstroms (entscheidend)

Der Nennsekundärstrom des Stromwandlers muss zum Basisstrom Ib des Stromzählers passen.
– Für Zähler mit den Angaben 0.25-5(6)A, 0.25-5(80)A oder 0.25-5(100)A benötigen Sie einen Stromwandler mit 5 A Nennsekundärstrom.
– Für Stromzähler mit der Angabe 0.015-1.5(6)A benötigen Sie einen Stromwandler mit 1,5 A Nennsekundärstrom. Solche Geräte kommen nur in bestimmten Anwendungen vor, da ihr Basisstrom vom üblichen Standard von 5 A oder 1 A abweicht.

Auswahl von Nennprimärstrom und Übersetzungsverhältnis

Der Nennprimärstrom des Stromwandlers, aus dem sich das Übersetzungsverhältnis ergibt (z. B. 100/5A, 500/5A oder 100/1A), sollte entsprechend dem Laststrom im tatsächlichen Primärkreis gewählt werden. Im Normalbetrieb sollte der tatsächliche Laststrom möglichst nahe am Nennprimärstrom des Stromwandlers liegen. Nach IEC/EN 61869 wird die angegebene Genauigkeit auch beim 1,2-Fachen des Nennprimärstroms eingehalten. So lässt sich eine hohe Messgenauigkeit sicherstellen.
Für Stromzähler mit der Angabe 0.015-1.5(6)A ist daher ein Stromwandler mit einem Nennausgangsstrom von 1 A die beste Wahl.
Wenn Sie kleine Ströme messen möchten und keine hohen Anforderungen an Messgenauigkeit und Messbereich stellen, können Sie auch einen Stromwandler mit einem Nennausgangsstrom von 100 mA wählen.

3. Warum haben sich 5 A oder 1 A als Branchenstandard etabliert?

Zurück zur Ausgangsfrage: Warum verwendet die Branche bei Stromwandlern überwiegend 5 A oder 1 A als Standard für den Sekundärstrom? Die Gründe liegen im Zusammenspiel von Leistungsanforderungen, Standardisierung und Sicherheit:
Leistungsanforderungen und historische Gründe
Frühe elektromechanische Stromzähler und Schutzrelais benötigten eine gewisse elektrische Leistung, um ihre mechanischen Bauteile zu betätigen. Ein Strom von 5 A lieferte ein ausreichend starkes Signal und genügend Leistung für einen zuverlässigen und genauen Betrieb. Stromsignale im Milliamperebereich sind dafür zu schwach, störanfällig und können ältere Geräte nicht antreiben.
Standardisierung und weltweite Austauschbarkeit
5 A haben sich weltweit als Standard in der Energietechnik etabliert. Dadurch lassen sich Geräte verschiedener Hersteller und Länder leichter miteinander kombinieren und austauschen, was Planung, Fertigung und Wartung von Anlagen erheblich vereinfacht.
Abwägung zwischen Sicherheit und Wirtschaftlichkeit
Eine zentrale Sicherheitsaufgabe des Stromwandlers besteht darin, Stromkreise mit hoher Spannung und hohem Strom von Niederspannungs-Messkreisen zu trennen. Der vergleichsweise geringe Sekundärstrom von 5 A verringert das Betriebsrisiko. Zugleich bieten 5 A einen guten Kompromiss zwischen Verkabelungskosten, erforderlichem Leiterquerschnitt und Leistungsverlusten. Bei langen Leitungswegen wird der 1-A-Standard verwendet, um die Leitungsverluste weiter zu senken: Bei gleichem Leitungswiderstand betragen sie mit 1 A nur 4 % der Verluste bei 5 A.
Zusammenfassend ist die Wahl von 5 A oder 1 A als Standard-Sekundärstrom für Stromwandler das Ergebnis technischer Praxis, die Leistung, Kosten, Kompatibilität mit älteren Geräten und Betriebssicherheit berücksichtigt.

Vergleich: Rogowski-Spulen und Stromwandler

 
Die Rogowski-Spulen (RC) und Stromwandler (CTs) sind zwei grundlegende Technologien zur Messung von Wechselstrom. Beide beruhen auf elektromagnetischer Induktion. Sie unterscheiden sich jedoch grundlegend im Aufbau: Das Vorhandensein oder Fehlen eines Magnetkerns wirkt sich erheblich auf Leistung, Einsatzgebiete und Sicherheit aus. Stromwandler besitzen einen Kern und eignen sich besonders für hochpräzise Messungen bei niedrigen Frequenzen und im stationären Betrieb. Rogowski-Spulen haben keinen Kern. Sie bieten größere Flexibilität, einen breiteren Dynamikbereich und sind unempfindlich gegen Kernsättigung. Dadurch eignen sie sich besonders für hohe Ströme, hohe Frequenzen und transiente Vorgänge.

I. Grundlegende Unterschiede: Funktionsprinzip und Aufbau

Der Kernaufbau ist das wichtigste Unterscheidungsmerkmal der beiden Technologien.

II. Vergleich von Leistung und Sicherheit

Der kernlose Aufbau der Rogowski-Spule bietet deutliche Vorteile beim Dynamikbereich und bei der Sicherheit. Der Eisenkern des Stromwandlers ermöglicht dagegen einen einfachen Aufbau und eine hohe Genauigkeit unter Nennbedingungen.

III. Einsatzgebiete

Die Wahl zwischen einer Rogowski-Spule und einem Stromwandler hängt stark von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.

Fazit

Rogowski-Spulen und Stromwandler ergänzen einander. Der Stromwandler bleibt die bewährte Lösung für die herkömmliche, hochpräzise Überwachung und den Schutz bei Netzfrequenzen und stationären Betriebsbedingungen. Die kernlose Rogowski-Spule bietet eine moderne, flexible und sicherere Lösung für anspruchsvolle Anwendungen mit hohen Strömen, großen Dynamikbereichen und hochfrequenten Transienten, insbesondere bei der Analyse der Netzqualität und bei Prüfungen in der Leistungselektronik.

Warum 4-20-mA-Stromsignale verwenden

In industriellen Mess- und Regelsystemen wandeln Strommessumformer und Spannungsmessumformer analoge Signale in standardisierte elektrische Signale um. Diese werden über große Entfernungen an Leitwarten übertragen, wo sie überwacht, aufgezeichnet und zur Regelung genutzt werden. Einheitliche Standardsignale sind entscheidend für die Zusammenarbeit verschiedener Geräte und die Stabilität des Systems. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) hat 4-20 mA Gleichstrom und 1-5 V Gleichspannung (durch Umwandlung mittels Widerstand) als Standards für analoge Signale in Prozessleitsystemen festgelegt.

1. Vorteile von Stromsignalen

Bei der Übertragung über große Entfernungen bieten Stromsignale erhebliche Vorteile gegenüber Spannungssignalen. In industriellen Umgebungen treten häufig starke elektromagnetische Störungen auf, die Spannungssignale leicht verfälschen. Zudem verursacht der Leitungswiderstand bei längeren Übertragungsstrecken Spannungsabfälle. Dadurch werden Spannungssignale abgeschwächt und Messfehler entstehen.

Die Vorteile von Stromsignalen zeigen sich vor allem in folgenden Punkten:

• Hohe Störfestigkeit: Störspannungen in industriellen Umgebungen können mehrere Volt erreichen. Ihre Störleistung ist jedoch gering, sodass sie typischerweise Störströme unterhalb des nA-Bereichs erzeugen. Stromsignale werden vom Leitungswiderstand weniger beeinflusst, sind weniger anfällig für Abschwächung und ermöglichen eine zuverlässige Datenübertragung auch bei starken elektrischen Störungen.
• Große Übertragungsentfernung: Stromquellen haben einen unendlich hohen Innenwiderstand. Daher beeinträchtigt der in Reihe liegende Leitungswiderstand im Stromkreis die Genauigkeit nicht. Solange der Übertragungsstromkreis unverzweigt bleibt, ist der Strom unabhängig von der Leitungslänge überall gleich. So ist eine präzise Übertragung über Hunderte von Metern oder mehr mit herkömmlichen verdrillten Leitungen möglich.
• Weniger Verkabelung: Bei der Übertragung eines Zweileiter-4-20-mA-Signals dienen dieselben Leitungen sowohl der Stromversorgung als auch der Signalübertragung. Das verringert den Kabelbedarf und damit Kosten und Aufwand für die Verdrahtung.

2. Warum ein 4-20-mA-Gleichstromsignal?

Das 4-20-mA-Gleichstromsignal ist das am weitesten verbreitete analoge Standardsignal in industriellen Anwendungen. Die Wahl dieses Signalbereichs beruht auf verschiedenen technischen und sicherheitsbezogenen Überlegungen.

2.1 Warum 4 mA als Anfangswert gewählt wurden („lebender Nullpunkt“)

Dass das 4-20-mA-Signal bei 4 mA statt bei 0 mA beginnt, ist eines seiner wichtigsten Merkmale. Dies wird als „lebender Nullpunkt“ bezeichnet.
• Fehlerdiagnose: Zeigt das Signal 0 mA an, weist dies eindeutig auf eine Leitungsunterbrechung (einen offenen Stromkreis) oder einen Geräteausfall hin und nicht auf einen Messwert von null. So lassen sich Fehler einfach erkennen, ohne einen Nullwert mit einer unterbrochenen Leitung zu verwechseln.
• Stromversorgung des Sensors: Bei Zweileiter-Messumformern liefern die 4 mA den Mindeststrom, den die Sensoren für ihren Betrieb benötigen. Zusätzliche Versorgungsleitungen sind dadurch nicht erforderlich, was die Verdrahtung vereinfacht.

2.2 Warum 20 mA als Endwert gewählt wurden

Die Wahl von 20 mA als Signalwert bei Vollausschlag beruht ebenfalls auf Sicherheits- und Praxiserwägungen.

• Sicherheit: Die bei einem Stromfluss von 20 mA entstehende Funkenenergie reicht nicht aus, um Gas zu entzünden. Damit werden die Anforderungen an die Eigensicherheit beim Explosionsschutz erfüllt – ein entscheidender Aspekt in industriellen Umgebungen mit Brand- und Explosionsgefahr.
• Stromverbrauch und Kosten: 20 mA sind ein vergleichsweise niedriger Stromwert, der bei ausreichender Signalqualität und Ansprechgeschwindigkeit dazu beiträgt, den Stromverbrauch und die Gerätekosten zu senken.

Fazit

Zusammenfassend hat sich das 4-20-mA-Gleichstromsignal aufgrund seiner hohen Störfestigkeit, seiner Eignung für große Übertragungsentfernungen, der Fehlererkennung durch den „lebenden Nullpunkt“ und seiner Eigensicherheit als der am weitesten verbreitete Standard in der industriellen Automatisierung und Prozessregelung etabliert. Es überträgt Messdaten zuverlässig, senkt zugleich die Verdrahtungskosten und erhöht die Zuverlässigkeit des Systems.

Wie verwendet man einen bidirektionalen Stromsensor zur Messung?

1. Ausgangssignal interpretieren

Die Stromsensoren der HAS-Serie zeigen Stärke und Richtung des gemessenen Stroms über ihre Ausgangsspannung an. Ihr wesentliches Merkmal ist ein Mittelpunkt des Ausgangssignals bei 2,5 V. Je nach Richtung und Stärke des Stroms weicht die Spannung von diesem Wert ab. So kann der Sensor Strom in beide Richtungen messen.

2. Bedeutung des Ausgangssignals von 2,5 V ± 0,625 V

Beim Stromsensor HAS14Z liegt die Ausgangsspannung bei 2,5 V ± 0,625 V. Das bedeutet:

• Nullstrom (0 A): Fließt kein Strom durch den Sensor, beträgt die Ausgangsspannung 2,5 V.
• Strom in Vorwärtsrichtung: Die Ausgangsspannung steigt von 2,5 V auf maximal 2,5 V + 0,625 V = 3,125 V.
• Strom in Rückwärtsrichtung: Die Ausgangsspannung sinkt von 2,5 V auf mindestens 2,5 V – 0,625 V = 1,875 V.

Der Bereich von 2,5 V ± 0,625 V entspricht üblicherweise dem Nennmessstrombereich des Sensors. Der Nennstrom beträgt beispielsweise beim HAS2009 ±20 A und beim HAS4009 ±100 A.

3. Stromberechnung

Anhand der Nennempfindlichkeit (SN) des Sensors lässt sich das erfasste Spannungssignal in den tatsächlichen Stromwert umrechnen. Die Formel lautet:
IP = (Vout – 2,5 V)/SN

Dabei gilt:

• IP ist der gemessene Strom (Einheit: A)
• Vout ist die vom Sensor ausgegebene Spannung (Einheit: V)
• 2,5 V ist die Referenzspannung bei Nullstrom
• SN ist die Nennempfindlichkeit des Sensors (Einheit: V/A oder mV/A).

Beispiel:

Angenommen, es wird der Stromsensor HAS14Z verwendet (SN = 104,2 mV/A oder 0,1042 V/A).

• Wenn für Vout 2,8 V gemessen werden: IP = (2,8 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ 2,88 A (Strom in Vorwärtsrichtung)
• Wenn für Vout 2,2 V gemessen werden: IP = (2,2 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ -2,88 A (Strom in Rückwärtsrichtung)

4. Sensoranschlüsse und Verdrahtung

Die Stromsensoren der HAS-Serie haben üblicherweise folgende Anschlüsse:

• VCC (+5 V): Positiver Anschluss der Sensorversorgung; mit einer stabilen 5-V-Gleichspannungsversorgung verbinden.
• GND: Die Versorgungs- und Signalmasse des Sensors müssen mit der Masse des Steuerungssystems verbunden sein.
• OUT (Vout): Spannungsausgang des Sensors zur Erfassung des Stromsignals.

Typical wiring diagram (taking microcontrollers as an example) :

Hinweise zur Verdrahtung

1). Spannungsversorgung: Versorgen Sie den Sensor mit stabilen 5 V. Die Qualität der Spannungsversorgung wirkt sich unmittelbar auf die Messgenauigkeit aus.
2). Gemeinsame Masse: Sensor und Mikrocontroller müssen dieselbe Masse verwenden, um Messfehler durch Unterschiede im Massepotenzial zu vermeiden.
3). Verdrahtung: Führen Sie die zu messende Leitung korrekt durch die Messöffnung des Sensors und positionieren Sie sie möglichst mittig, um die beste Messqualität zu erzielen.

5. Schritte zur Signalerfassung

Das Ausgangssignal des Stromsensors von 2,5 V ± 0,625 V wird hauptsächlich mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) erfasst. Die einzelnen Schritte sind:
1). ADC konfigurieren:

• ADC-Anschluss auswählen: Verbinden Sie den OUT-Anschluss des Sensors mit einem ADC-Eingang des Mikrocontrollers.
• Referenzspannung einstellen: Stellen Sie die ADC-Referenzspannung auf 5 V ein (wenn der Ausgangsbereich des Sensors 0,25 V bis 4,75 V beträgt), oder wählen Sie eine für den tatsächlichen Aufbau geeignete Referenzspannung. Der ADC muss den gesamten Ausgangsbereich des Sensors erfassen können.
• Auflösung und Abtastrate einstellen: Wählen Sie ADC-Auflösung (z. B. 10 oder 12 Bit) und Abtastrate entsprechend den Anforderungen der Anwendung. Eine höhere Auflösung ermöglicht genauere Messungen; eine höhere Abtastrate eignet sich für schnell veränderliche Ströme.

2). ADC-Wert auslesen:

• Lesen Sie die Digitalwerte des ADC-Eingangs regelmäßig per Mikrocontroller-Programm aus.

3). ADC-Wert in Spannung umrechnen:

• Rechnen Sie den ausgelesenen Digitalwert in die tatsächliche Spannung Vout um. Bei einem 10-Bit-ADC (0–1023) mit 5 V Referenzspannung lautet die Formel beispielsweise: Vout = (ADC_Value / 1024.0) * 5.0 (Einheit: V)

4). Tatsächlichen Strom berechnen

• Rechnen Sie die Spannung Vout mit folgender Formel in den tatsächlichen Strom IP um: IP = (Vout – 2,5 V)/SN. Dabei ist SN die Nennempfindlichkeit des Sensors (Einheit: V/A). Beim HAS14Z beträgt SN beispielsweise 0,1042 V/A.

Beispielrechnung
Angenommen, es wird der Stromsensor HAS14Z verwendet (SN = 0,1042 V/A).

• Wenn der ADC für Vout eine Ausgangsspannung von 2,8 V misst: IP = (2,8 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ 2,88 A (Strom in Vorwärtsrichtung)
• Wenn der ADC für Vout eine Ausgangsspannung von 2,2 V misst: IP = (2,2 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ -2,88 A (Strom in Rückwärtsrichtung)

Mit diesen Schritten können Sie Stärke und Richtung des gemessenen Stroms genau erfassen und berechnen.

6. Anwendungsbereiche

Die Stromsensoren der HAS-Serie mit geschlossenem Regelkreis werden dank ihrer bidirektionalen Strommessung und ihres Spannungsausgangs in vielen Bereichen eingesetzt:

• Motorsteuerung: Ermöglicht eine präzise Drehzahl- und Drehmomentregelung bei Elektrofahrzeugen, Industrierobotern und anderen Geräten.
• Batteriemanagementsystem (BMS): Überwacht den Lade- und Entladezustand der Batterie, um ihre Lebensdauer und Effizienz zu optimieren.
• Leistungsmanagement: Regelt den Leistungsfluss präzise, etwa in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (UPS), Schaltnetzteilen (SMPS) und Solarwechselrichtern.
Erneuerbare-Energien-Systeme: Überwachen den Strom an den Verbindungspunkten zwischen Energiespeichern und Stromnetz, um die Energieumwandlung zu optimieren.
• Industrieautomatisierung: Liefert Stromdaten in Echtzeit für Prozesssteuerung, Fehlerdiagnose und Schutzfunktionen.

Was ist der Unterschied zwischen Stromwandlern, Spannungswandlern und Steuer-/Sicherheitstransformatoren?

 
Stromwandler (CT), Spannungswandler (VT, auch als Potenzialtransformatoren (PT) bezeichnet) und Leistungstransformatoren arbeiten alle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Sie unterscheiden sich jedoch deutlich in Aufbau, Zweck und Betriebsverhalten. Vereinfacht gesagt sind Strom- und Spannungswandler Messwandler, die vor allem zur Messung von Strom beziehungsweise Spannung und zum Schutz in elektrischen Energiesystemen dienen. Leistungstransformatoren werden dagegen vor allem zur Spannungsumwandlung bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie eingesetzt. Im Folgenden vergleiche ich sie unter verschiedenen Gesichtspunkten.

1. Grundlegende Definition und Funktionsprinzip

• Stromwandler (CT): Wandelt hohe Ströme in niedrige Ströme (üblicherweise 1 A oder 5 A) für Messgeräte oder Schutzrelais um. Die Primärwicklung ist in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet; die Sekundärwicklung liefert ein zum Primärstrom proportionales Signal.
• Spannungswandler (VT): Wandelt hohe Spannungen in niedrige Spannungen (üblicherweise 100 V oder 110 V) für Spannungsmessung und Schutz um. Die Primärwicklung ist parallel zum Stromkreis geschaltet; der Sekundärausgang ist proportional zur Primärspannung.
• Steuer-/Sicherheitstransformator: Dient zur Änderung des Spannungsniveaus, beispielsweise durch Hoch- oder Heruntertransformieren, um elektrische Energie bereitzustellen. Er wird nicht zur Messung eingesetzt, sondern versorgt die Last direkt mit Strom.

2. Vergleich der wichtigsten Unterschiede

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen den drei Transformatorarten zusammen:

Anschluss eines Stromwandlers an den Atmel-M90E32AS-Chip

Einführung

In modernen Energiezählsystemen ist eine genaue Strommessung entscheidend. Der Atmel M90E32AS ist ein leistungsfähiger Mehrphasen-Energiezähler-IC mit großem Dynamikbereich, der in verschiedenen Energiezählern und Geräten zur Leistungsüberwachung eingesetzt wird. Stromwandler (CTs) spielen eine unverzichtbare Rolle dabei, Signale aus Stromkreisen mit hoher Spannung und hohen Strömen sicher und präzise zur Verarbeitung an den M90E32AS zu übertragen. Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise von Stromwandlern und ihren korrekten Anschluss an den M90E32AS für eine zuverlässige Strommessung.

Überblick über den Atmel-M90E32AS-Chip

Der Atmel M90E32AS ist ein leistungsfähiger integrierter Schaltkreis für die mehrphasige Energiemessung. Er enthält sechs unabhängige Sigma-Delta-AD-Wandler zweiter Ordnung, die dreiphasige Spannungs- und Stromsignale gleichzeitig verarbeiten können. Der interne digitale Signalprozessor (DSP) des Chips führt komplexe Berechnungen mit den von den AD-Wandlern erfassten Daten durch und ermittelt wichtige Energieparameter wie Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung, Leistungsfaktor, Frequenz sowie die Effektivwerte (RMS) von Spannung und Strom. Der M90E32AS unterstützt die Stromerfassung über einen Stromwandler (CT) oder eine Rogowski-Spule und die Spannungserfassung über ein Widerstandsteilernetzwerk.

Stromeingangskanal

Der M90E32AS-Chip besitzt drei Paare differenzieller Stromeingangsanschlüsse: I1P/I1N, I2P/I2N und I3P/I3N. Sie dienen der Messung des dreiphasigen Stroms. Diese Anschlüsse sind die Eingänge der analogen AD-Wandlerkanäle. Durch die flexible Zuordnung der Kanäle lassen sie sich an unterschiedliche Konfigurationen dreiphasiger Systeme anpassen, etwa an Drei- und Vierleitersysteme.

Interner AD-Wandler und Abtastung

Der AD-Wandler im Chip wandelt das analoge Stromsignal in ein digitales Signal um. Der M90E32AS bietet einen großen Dynamikbereich und eine hohe Genauigkeit, sodass über einen breiten Strombereich präzise Messungen möglich sind. Laut Datenblatt erfolgt die Stromerfassung über einen Stromwandler (CT) oder eine Rogowski-Spule (di/dt-Spule) [1]. Der externe Sensor wandelt das Stromsignal somit in ein für den M90E32AS geeignetes Spannungssignal um.

Signalverarbeitung und Kalibrierung

Der DSP des M90E32AS berechnet nicht nur Energieparameter, sondern unterstützt auch eine Verstärkungs- und Phasenwinkelkompensation, um Fehler durch externe Sensoren und Schaltungen zu korrigieren. Dies ist entscheidend für die Genauigkeit des gesamten Messsystems. Der Chip bietet außerdem programmierbare Schwellwerte für den Anlauf und die Leerlaufleistung sowie die Überwachung transienter Strom- und Spannungssignale. Dank dieser Funktionen kann der M90E32AS auch unter komplexen Netzbedingungen stabil und zuverlässig arbeiten.

Funktionsprinzip des Stromwandlers (CT)

Ein Stromwandler (CT) ist ein spezieller Transformator, der hohe Ströme für Mess-, Schutz- und Steuerungszwecke proportional in kleinere Ströme umwandelt. Seine Hauptfunktionen sind die galvanische Trennung und die Skalierung des Stroms. Das Funktionsprinzip eines Stromwandlers beruht auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion: Fließt Strom durch die Primärwicklung (gewöhnlich der Leiter, der durch die Mitte des Stromwandlers verläuft), erzeugt er einen magnetischen Fluss im Kern. Dieser Fluss induziert in der Sekundärwicklung eine elektromotorische Kraft, wodurch ein Sekundärstrom entsteht.

Wichtige Merkmale

Übersetzungsverhältnis:

Das Übersetzungsverhältnis eines Stromwandlers ist das Verhältnis seines primärseitigen Nennstroms zum sekundärseitigen Nennstrom, beispielsweise 100 A/5 A oder 100 A/0,1 A. Das bedeutet: Fließen primärseitig 100 A, beträgt der sekundärseitige Ausgangsstrom 5 A beziehungsweise 0,1 A. Für Energiezähler werden typischerweise Stromwandler mit einem Sekundärstrom im Milliamperebereich oder darunter gewählt, damit ein direkter Anschluss an den Stromeingang des Messchips möglich ist.

Genauigkeitsklasse:

Die Genauigkeitsklasse eines Stromwandlers gibt seinen Messfehler innerhalb des Nennstrombereichs an. Beispielsweise bedeutet ein Stromwandler der Klasse 0,2S innerhalb eines bestimmten Strombereichs einen Fehler von höchstens ±0,2 %. Dies ist für die hochpräzise Energiemessung entscheidend.

Bürde:

Die Bürde eines Stromwandlers bezeichnet die Impedanz des Messinstruments oder Geräts, das an seine Sekundärseite angeschlossen ist. Der Sekundärkreis eines Stromwandlers muss stets geschlossen sein. Andernfalls kann bei offenem Stromkreis an der Sekundärseite eine hohe Spannung entstehen, die den Stromwandler beschädigen oder Personen gefährden kann. Isolation: Stromwandler sorgen für eine galvanische Trennung zwischen dem primärseitigen Hochspannungsstromkreis und dem sekundärseitigen Niederspannungsmesskreis und erhöhen so die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems.

Anwendungen in der Energiemessung

Bei der Energiemessung werden Stromwandler häufig verwendet, um hohe Ströme im Hauptstromkreis zu messen. Sie wandeln das Signal des hohen Stroms im Hauptstromkreis in ein schwächeres Strom- oder Spannungssignal um, das der Messchip verarbeiten kann. Das schützt den Messchip vor der direkten Einwirkung hoher Spannungen und Ströme und macht die Auslegung des Messsystems flexibler und sicherer.

Anschluss von Stromwandlern an den M90E32AS-Chip

Beim Anschluss von Stromwandlern an den Atmel-M90E32AS-Chip muss die Signalaufbereitung sorgfältig ausgelegt werden, um Messgenauigkeit und Schutz des Chips zu gewährleisten. Die Stromeingangsanschlüsse des M90E32AS-Chips (I1P/I1N, I2P/I2N und I3P/I3N) sind differenzielle Eingänge. Sie messen die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen. Daher muss der Ausgangsstrom des Stromwandlers üblicherweise über einen Messwiderstand in ein Spannungssignal umgewandelt werden, bevor es an die differenziellen Eingänge des Chips gelangt.

Typische Anschlussschaltung

Sehen wir uns den Anschluss eines Stromwandlers (CT) an. Üblicherweise wird seine Sekundärseite an einen niederohmigen Shunt-Widerstand angeschlossen. Wenn Strom durch den Shunt-Widerstand fließt, entsteht an ihm ein zum Strom proportionaler Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall dient als Eingangssignal für den AD-Wandler des M90E32AS-Chips.

Bei einer einphasigen Strommessung wird der Sekundärausgang des Stromwandlers an den Shunt-Widerstand angeschlossen, der wiederum mit den Anschlüssen I_P und I_N des M90E32AS-Chips verbunden ist. Um die Messgenauigkeit zu verbessern und Gleichtaktstörungen zu unterdrücken, wird üblicherweise ein Kondensator parallel zum Shunt-Widerstand geschaltet, sodass ein RC-Filternetzwerk entsteht. Darüber hinaus kann ein Spannungsteilernetzwerk oder eine Vorspannungsschaltung erforderlich sein, um eine geeignete Vorspannung bereitzustellen und sicherzustellen, dass der AD-Wandlereingang innerhalb des Betriebsbereichs des M90E32AS liegt.

Warum vakuumvergossene Leiterplattentransformatoren wichtig sind

Risiken beim Vergießen:

Es können Hohlräume entstehen, die zu Teilentladungen, lokalen Überhitzungen und Rissen durch Temperaturwechsel führen
Die Lebensdauer kann sich um 40–60 % verkürzen

Vorteile des Vakuumvergusses:

Entfernt Luft bei ≤5 mbar
Bringt Epoxidharz gemäß UL94V-0 ein und härtet es in einer feuchtigkeitsfreien Umgebung aus
Verbessert die Isolationsleistung und Temperaturstabilität erheblich

Ergebnisse und Prüfdaten

Ein vakuumvergossener Transformator für ein Medizinprodukt bestand einen beschleunigten Alterungstest über 50.000 Stunden.
Ein nicht vakuumvergossenes Gerät fiel nach 18.000 Stunden aus.

Eignung für extreme Umgebungsbedingungen

Empfehlungen zur Überprüfung der Vergussqualität

–Verlassen Sie sich nicht allein auf das Datenblatt, sondern fordern Sie Folgendes an:
–Röntgenaufnahme, die die Verteilung der Hohlräume zeigt
–Querschliffbericht mit Messung der Blasengröße
–Temperaturschockprüfung (-55°C bis +150°C, 500 Zyklen)
–Teilentladungsprüfung <5 pC (bei der doppelten Betriebsspannung)

Die Leiterplattentransformatoren von YHDC werden im Vakuum vergossen. Dies sorgt für eine besonders hohe Spannungsfestigkeit, eine verbesserte Beständigkeit gegen mechanische Stöße und stabile mechanische Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen. Sie eignen sich für Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen, etwa in der Medizintechnik, im Militärbereich, in der industriellen Steuerungstechnik und in der Automobilelektronik.

Ein Stromwandler mit teilbarem Kern erleichtert die Strommessung, ohne dass Leitungen durchtrennt werden müssen.
Der Kern eines solchen Stromwandlers lässt sich öffnen. So kann die Leitung durch die Mitte geführt und anschließend im geschlossenen Kern fixiert werden. Der Stromwandler eignet sich für Anwendungen, bei denen die Leitung nicht durchtrennt werden kann. Das Video zeigt, wie ein Stromwandler angeschlossen und geprüft wird, wie Ausgangsstrom und Ausgangsspannung überwacht werden und wie sich Wechselstrom mit einem Gleichrichter in Gleichstrom umwandeln lässt.
Stromwandler mit teilbarem Kern bieten eine gute galvanische Trennung und lassen sich einfach zur Leistungsmessung einsetzen.

Was ist der Unterschied zwischen einem Spartransformator und einem Trenntransformator?

Spartransformator:

Ein Spartransformator ist ein Transformator, bei dem Primär- und Sekundärseite dieselbe Wicklung nutzen. Je nach Bauart gibt es Ausführungen mit einstellbarer oder fester Spannung. Bei einem Spartransformator besteht sowohl eine magnetische als auch eine elektrische Kopplung. Herkömmliche Transformatoren übertragen Energie durch die elektromagnetische Kopplung ihrer Primär- und Sekundärspulen. Zwischen Primär- und Sekundärseite besteht dabei keine direkte elektrische Verbindung. Bei Spartransformatoren sind Primär- und Sekundärseite hingegen direkt elektrisch verbunden; die Niederspannungswicklung ist Teil der Hochspannungswicklung. Spartransformatoren und weitere Schutzeinrichtungen werden auch zum Schutz von Kommunikationsleitungen eingesetzt.

Ein Spartransformator ist ein Transformator mit gemeinsamer Wicklung. Sein Aufbau ist vergleichsweise einfach und kostengünstig; Ein- und Ausgang sowie der Neutralleiter sind gemeinsam geführt. Die Sekundärseite ist Teil der Primärseite. Beide Seiten teilen sich eine Wicklung, aus der Anschlüsse an verschiedenen Punkten herausgeführt werden. Laut Ausgangstext wird die Spannung durch die unterschiedlichen Ströme und das Magnetfeld umgewandelt. Er werde im Allgemeinen zur Erhöhung einer Gleichspannung verwendet. Zwischen Ein- und Ausgang besteht eine direkte elektrische Verbindung, wodurch die Sicherheit geringer ist.

Trenntransformator:

Ein Trenntransformator ist ein Transformator mit elektrischer Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangswicklung. Er wird eingesetzt, um die Gefahr bei unbeabsichtigter Berührung spannungsführender Teile zu verringern. Die Trennung des Transformators besteht in der galvanischen Trennung von Primär- und Sekundärwicklung. Früher wurde er in europäischen Ländern in der Energiewirtschaft eingesetzt. Heute wird er häufig zur Versorgung von Steuerstromkreisen in der Elektronikindustrie, in Industrie- und Bergbaubetrieben sowie bei Werkzeugmaschinen und mechanischen Anlagen verwendet, ebenso zur Versorgung von Sicherheitsbeleuchtung und Anzeigeleuchten.

Die Hauptfunktion eines Trenntransformators besteht darin, elektrische Geräte vom Stromnetz galvanisch zu trennen. Er wird eingesetzt, wenn Sicherheitsanforderungen oder Anforderungen an die Störfestigkeit bestehen. Zwischen Gerät und Stromversorgung gibt es keine direkte elektrische Verbindung. Die Trennkonstruktion benötigt mehr Material und ist daher teurer. Neben der Spannungsanpassung trennt sie Eingangs- und Ausgangswicklung elektrisch voneinander sowie Ein- und Ausgang vom Neutralleiter. Dadurch soll die Gefahr verringert werden, gleichzeitig ein spannungsführendes Teil (oder ein durch einen Isolationsschaden spannungsführend gewordenes Metallteil) und Erde zu berühren. Außerdem kann der Trenntransformator bestimmte Störungen unterdrücken und eine Filterwirkung haben; er bietet ein hohes Maß an Sicherheit.

Der Unterschied zwischen Spartransformator und Trenntransformator:

1. Unterschied im Aufbau

Der Trenntransformator ist eine verbreitete Transformatorbauart. Seine Niederspannungs- und Hochspannungswicklungen bestehen aus getrennten Spulen ohne elektrische Verbindung. Zwischen Primär- und Sekundärseite besteht keine direkte elektrische Verbindung; die Sekundärwicklung ist nicht mit Erde verbunden.

Primär- und Sekundärseite des Spartransformators sind direkt elektrisch verbunden. Seine Niederspannungswicklung ist Teil der Hochspannungswicklung; es gibt also nur eine Wicklung mit einem gemeinsamen Strompfad. Eine Anzapfung innerhalb der Wicklung dient als gemeinsamer Punkt für Hochspannungs- und Niederspannungsseite.

2. Unterschied bei der Sicherheit

Bei der üblicherweise verwendeten Wechselstromversorgung ist laut Ausgangstext ein Leiter geerdet, während der andere gegenüber Erde eine Spannung von 220 V oder 380 V aufweist. Bei Berührung dieses Leiters kann eine Person einen Stromschlag erleiden. Die Hoch- und Niederspannungswicklungen des Trenntransformators sind elektrisch voneinander isoliert und nicht geerdet. Laut Ausgangstext besteht zwischen keinem seiner Leiter und Erde eine Potenzialdifferenz, sodass die Berührung eines einzelnen Leiters keinen Stromschlag verursacht. Solange eine Person nicht gleichzeitig beide Ausgangspunkte mit einer Spannungsdifferenz berührt, entstehe ihr daher kein Schaden, unabhängig davon, ob die Sekundärspannung den sicheren Spannungswert überschreitet. Dies wird als größter Vorteil des Trenntransformators beschrieben. Allerdings ist er groß und teuer.

Da sich Hoch- und Niederspannungswicklung des Spartransformators überlagern, wird Wicklungsmaterial eingespart. Dadurch ist er kleiner und kostengünstiger. Die beiden Seiten sind jedoch miteinander verbunden. Selbst wenn die Ausgangsspannung auf der Niederspannungsseite gering ist, kann aufgrund der gemeinsamen Wicklung die hohe Primärspannung auf der Sekundärseite anliegen und Personen gefährden.

3. Unterschiede bei der Verwendung

Dreiphasige Trenntransformatoren werden vor allem zur Versorgung elektrischer Lasten in Energieversorgungssystemen sowie in Industrie- und Bergbaubetrieben eingesetzt, wenn eine Trennung vom Stromnetz erforderlich ist. Sie dienen auch als Stromversorgung für präzise Mess- und Prüfanwendungen, bei denen Störungen unterdrückt werden sollen. Trenntransformatoren sind Stromversorgungen für sicherheitsrelevante Anwendungen und werden unter anderem bei der Wartung von Maschinen sowie für Schutz- und Filterzwecke verwendet.

Primär- und Sekundärseite des Spartransformators sind direkt elektrisch verbunden. Bei einer beschädigten Leitung oder einem Isolationsfehler können Personen daher leicht gefährdet werden. Er wird im Allgemeinen dort eingesetzt, wo die Sicherheitsanforderungen gering sind und lediglich die Spannung an die Anforderungen des Geräts angepasst werden muss. Laut Ausgangstext kann das Gerät jedoch nicht mit einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ausgestattet und der Neutralleiter nicht geerdet werden.

Unterschied zwischen Schaltnetzteil und linearem Netzteil: umfassende Analyse und Vergleich

 
In elektronischen Geräten ist das Netzteil entscheidend für einen stabilen Betrieb. Schaltnetzteile und lineare Netzteile sind zwei verbreitete Netzteilarten, die sich in vielerlei Hinsicht deutlich unterscheiden. Diese Unterschiede bestimmen unmittelbar, für welche Anwendungen sie sich eignen. Sie zu kennen, ist sowohl für Elektronikingenieure bei der Schaltungsentwicklung als auch für Elektronikbegeisterte bei der Wartung und Nutzung von Geräten wichtig.

Ⅰ. Funktionsprinzip: unterschiedliche Arten der Energieumwandlung

1. Schaltnetzteil: hochfrequentes Schalten

Das Grundprinzip eines Schaltnetzteils besteht darin, einen Schalttransistor mit hoher Frequenz ein- und auszuschalten. Betrachten wir als Beispiel eine gängige Buck-Abwärtswandlerschaltung:

Leitphase: Wenn der Schalttransistor eingeschaltet ist, liegt die Eingangsspannung an der Spule an. Die Spule beginnt, Energie zu speichern; zugleich versorgt der Strom die Last und lädt den Ausgangskondensator. Der Spulenstrom steigt allmählich an.
Sperrphase: Wenn der Schalttransistor ausgeschaltet ist, kann sich der Strom in der Spule nicht schlagartig ändern. Er fließt daher über die Freilaufdiode weiter und versorgt die Last. Der Spulenstrom nimmt allmählich ab.
Regelung: Die Ausgangsspannung wird präzise geregelt, indem der Anteil der Einschaltzeit des Schalttransistors am gesamten Schaltzyklus (das Tastverhältnis) angepasst wird.

So lässt sich beispielsweise eine Eingangsspannung von 12 V durch Anpassung des Tastverhältnisses in eine Ausgangsspannung von 5 V umwandeln. Die Betriebsfrequenz eines Schaltnetzteils liegt üblicherweise zwischen einigen zehn kHz und mehreren MHz. Durch den hochfrequenten Betrieb können kleinere Spulen, Kondensatoren und andere Energiespeicherbauteile eingesetzt werden, was die Leistungsdichte erhöht.

2. Lineares Netzteil: kontinuierliche Spannungsregelung mit linearen Bauteilen

Lineare Netzteile nutzen die linearen Verstärkungseigenschaften von Regelelementen (beispielsweise Lineartransformatoren), um die Ausgangsspannung zu stabilisieren:

Grundablauf: Die Wechselspannung am Eingang wird zunächst durch einen Transformator herabgesetzt und anschließend durch einen Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt. Nach einer ersten Glättung durch den Filterkondensator passt der lineare Regeltransistor seinen Innenwiderstand anhand des Rückkopplungssignals kontinuierlich an, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren.

Betriebszustand: Der lineare Regeltransistor arbeitet stets im linearen Verstärkungsbereich. Der Strom fließt kontinuierlich, sodass die Spannungsregelung gleichmäßig erfolgt.

Diese kontinuierliche Regelung sorgt für eine stabilere Ausgangsspannung und eignet sich für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Spannungsgenauigkeit.

Ⅱ. Wirkungsgrad: deutliche Unterschiede

1. Schaltnetzteil: hoher Wirkungsgrad und geringer Energieverbrauch

Der Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen liegt üblicherweise zwischen 70 % und 95 %. Dafür sind vor allem folgende Eigenschaften verantwortlich:

Im eingeschalteten Zustand: Der Innenwiderstand des Schalttransistors ist sehr gering, sodass beim Stromfluss wenig Wärme entsteht.

Im ausgeschalteten Zustand: Es fließt nahezu kein Strom, sodass die Verlustleistung vernachlässigbar ist.

Während des Schaltvorgangs: Durch die gleichzeitige Präsenz von Spannung und Strom entstehen gewisse Verluste, deren Anteil insgesamt jedoch gering ist.

Bei Anwendungen mit hoher Leistung, etwa Servernetzteilen und Industrieanlagen, kann der hohe Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen den Energieverbrauch und die Betriebskosten erheblich senken.

2. Lineares Netzteil: vergleichsweise geringer Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad linearer Netzteile liegt im Allgemeinen zwischen 30 % und 60 %. Die Hauptgründe sind:

Der lineare Regeltransistor muss bei der Regelung der Ausgangsspannung kontinuierlich Leistung umsetzen.

Ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß, entsteht am Regeltransistor eine erhebliche Verlustleistung. Ein großer Teil der elektrischen Energie wird dann als Wärme abgegeben.

Bei einer Eingangsspannung von 12 V und einer Ausgangsspannung von 5 V muss der Regeltransistor beispielsweise einen Spannungsabfall von 7 V aufnehmen. Die dabei umgesetzte Energie wird in Wärme umgewandelt. Daher werden lineare Netzteile vor allem bei Anwendungen mit geringer Leistung eingesetzt, bei denen der niedrige Wirkungsgrad hinnehmbar ist.

III. Restwelligkeit am Ausgang: deutliche Größenunterschiede

1. Schaltnetzteil: vergleichsweise hohe Restwelligkeit

Durch die gepulste Arbeitsweise ist die Restwelligkeit am Ausgang eines Schaltnetzteils relativ hoch. Zwar lässt sie sich durch zusätzliche Filterschaltungen reduzieren (beispielsweise einen parallel geschalteten Elektrolyt- und Keramikkondensator), sie bleibt jedoch höher als bei einem linearen Netzteil.

Geeignete Anwendungen: Geräte mit geringen Anforderungen an die Restwelligkeit, etwa gewöhnliche Netzteile für Motorantriebe.

Weniger geeignete Anwendungen: Schaltungen mit hohen Anforderungen an eine störungsarme Versorgung, etwa die präzise Verarbeitung analoger Signale oder hochwertige Audiogeräte.

2. Lineares Netzteil: geringe Restwelligkeit

Dank linearer Regelung und sorgfältiger Glättung weisen lineare Netzteile eine sehr geringe Restwelligkeit am Ausgang auf und eignen sich für:

Hochpräzise Messgeräte (etwa Oszilloskope und medizinische Diagnosegeräte)
Systeme mit besonders hohen Anforderungen an die Spannungsstabilität (etwa wissenschaftliche Instrumente und Präzisionsverstärkerschaltungen)

IV. Größe und Gewicht: deutliche Unterschiede

1. Schaltnetzteil: klein und leicht

Schaltnetzteile arbeiten mit hoher Frequenz, können kleine Spulen und Kondensatoren verwenden und benötigen keine großen Netzfrequenztransformatoren. Daraus ergeben sich:

Geringe Größe und geringes Gewicht

Hohe Leistungsdichte: Bei gleichem Volumen kann mehr Leistung bereitgestellt werden.

Sie werden häufig in tragbaren Geräten (etwa Ladegeräten für Mobiltelefone und Netzteilen für Tablets) sowie in Systemen mit wenig verfügbarem Platz eingesetzt.

2. Lineares Netzteil: groß und schwer

Lineare Netzteile arbeiten mit niedriger Frequenz und benötigen große Netztransformatoren sowie Filterkondensatoren mit hoher Kapazität. Das führt zu:

Großer Bauform und hohem Gewicht

Geringer Eignung für Geräte mit begrenztem Platzangebot

Bei tragbaren medizinischen Geräten und kleinen Drohnen kann die Größe den Einsatz linearer Netzteile einschränken.

Ⅴ. Ansprechgeschwindigkeit: unterschiedliche Reaktionszeiten

1. Schaltnetzteil: vergleichsweise langsames Ansprechen

Aufgrund der Energiespeicherbauteile wie Spulen und Kondensatoren braucht die Anpassung der Ausgangsspannung bei einer plötzlichen Laständerung eine gewisse Zeit. Eine optimierte Regelschaltung kann die Reaktion beschleunigen; die Eigenschaften der Energiespeicherbauteile begrenzen jedoch die erreichbare Ansprechgeschwindigkeit.

Geeignete Anwendungen: Geräte mit seltenen Laständerungen

2. Lineares Netzteil: schnelles Ansprechen

Der Regeltransistor eines linearen Netzteils kann seinen Innenwiderstand schnell anpassen und auf Laständerungen reagieren. Das Netzteil eignet sich daher für:

Audioverstärker (die dem Audiosignal schnell folgen müssen)

Schnelle Datenerfassungssysteme

Präzise Bewegungssteuerungssysteme

Ⅵ. Elektromagnetische Störungen: unterschiedliche Stärke

1. Schaltnetzteil: starke elektromagnetische Störungen

Beim hochfrequenten Ein- und Ausschalten erzeugt ein Schaltnetzteil hochfrequente Oberschwingungen und damit starke elektromagnetische Störungen (EMI):

Leitungsgebundene Störungen: Sie breiten sich über die Versorgungsleitung aus.

Abgestrahlte Störungen: Sie breiten sich durch den Raum aus.

Um die Störungen zu verringern, sind Filterung, Abschirmung und ein optimiertes Leiterplattenlayout erforderlich. Das erhöht den Entwicklungsaufwand und die Kosten.

2. Lineares Netzteil: geringe elektromagnetische Störungen

Lineare Netzteile arbeiten mit niedriger Frequenz. Die wichtigsten Quellen elektromagnetischer Störungen sind Streufelder des Transformators und Störungen des Gleichrichters. Frequenz und Stärke der Störungen sind gering, sodass kaum zusätzliche Entstörmaßnahmen erforderlich sind.

Geeignete Anwendungen: Umgebungen, die empfindlich auf elektromagnetische Störungen reagieren, beispielsweise in der Nähe von Funkgeräten.

Berührungsloser Sensor: YHDC SCT013 Stromwandler mit Arduino

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.

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Warum eine Rogowski-Spule verwenden?

Überblick

Rogowski-Spulen sind Spezialgeräte zur Messung von Wechselstrom oder schnellen Stromimpulsen. Sie bieten besondere Vorteile für verschiedene Anwendungen und sind besonders nützlich, wenn Flexibilität, Genauigkeit und Sicherheit wichtig sind.

Flexibilität und einfache Handhabung

Rogowski-Spulen sind flexibel und können um stromführende Leiter gelegt werden, ohne diese zu trennen. Dadurch eignen sie sich besonders für beengte Räume und dicht bestückte Schaltschränke. Diese Installation ohne Eingriff in den Leiter reduziert Stillstandszeiten und vereinfacht die Montage, insbesondere in industriellen oder gewerblichen Umgebungen.

Messung hoher Ströme und hoher Frequenzen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Stromwandlern besitzen Rogowski-Spulen einen Luftkern, der keine magnetische Sättigung aufweist. Dadurch können sie sehr hohe Ströme, wie sie etwa bei der Energieübertragung oder beim Schweißen auftreten, genau messen. Sie erfassen auch schnelle Änderungen wie Transienten oder Impulse und eignen sich daher für Hochfrequenzanwendungen.

Sicherheit und Wirtschaftlichkeit

Sie sind sicherer, da bei offenem Stromkreis keine hohen Spannungen entstehen und somit das Risiko eines Stromschlags sinkt. Zudem senken ihr geringes Gewicht und ihr einfacher Aufbau die Herstellungs- und Installationskosten. Damit bieten sie eine wirtschaftliche Lösung für die Strommessung.

Was ist eine Rogowski-Spule?

Eine Rogowski-Spule ist eine spezielle elektrische Vorrichtung zur Messung von Wechselstrom (AC). Sie besteht aus einem schraubenförmig gewickelten Draht, der gleichmäßig um einen nichtmagnetischen, luftgefüllten Kern geführt wird und gewöhnlich eine toroidale (ringförmige) Gestalt hat. Die Spule wird um einen stromführenden Leiter gelegt. Fließt Wechselstrom durch den Leiter, erzeugt er ein veränderliches Magnetfeld. Dieses induziert in der Rogowski-Spule eine Spannung, die proportional zur Änderungsrate des Stroms (der zeitlichen Ableitung di/dt) ist.

Um den Strom direkt zu messen, wird die induzierte Spannung üblicherweise durch eine Integratorschaltung verarbeitet. Diese wandelt das Spannungssignal in ein Signal um, das zum Strom selbst proportional ist. Dadurch eignet sich die Rogowski-Spule besonders für Anwendungen, bei denen hohe Ströme oder schnelle Stromtransienten gemessen werden müssen, etwa in Energieversorgungssystemen, Industrieanlagen oder der Forschung.

Wichtige Eigenschaften und Vorteile

Luftkern: Im Gegensatz zu herkömmlichen Stromwandlern mit Eisenkern verhindert der Luftkern der Rogowski-Spule eine magnetische Sättigung. So lassen sich sehr hohe Ströme ohne dadurch verursachte Verzerrungen messen.
Flexibilität: Viele Rogowski-Spulen sind flexibel und lassen sich öffnen, um sie ohne Unterbrechung des Leiters um diesen zu legen. Das erleichtert die Installation und ermöglicht eine Messung ohne Eingriff in den Stromkreis.
Große Bandbreite: Die Spule kann Ströme mit hochfrequenten Anteilen oder schnellen Änderungen genau messen, etwa bei Blitzeinschlägen oder Schalttransienten.

Anwendungen

Überwachung und Schutz von Energieversorgungssystemen.
Messung hoher Ströme beim Schweißen oder in industriellen Prozessen.
Forschungsanwendungen, etwa die Analyse transienter Vorgänge.

Stromwandler und ihre Anwendungen verstehen

Stromwandler (CTs) sind wichtige Bestandteile moderner elektrischer Systeme. Sie ermöglichen die sichere Messung, Überwachung und Regelung hoher Ströme, indem sie ein proportional verkleinertes Abbild des in einem Leiter fließenden Stroms erzeugen. Dieser Artikel erläutert ihre Funktionsweise, die verschiedenen Bauarten und ihre vielfältigen Anwendungen.

Was sind Stromwandler?

Stromwandler sind Geräte zur Messung hoher elektrischer Ströme. Dazu erzeugen sie einen kleineren, proportionalen Strom, der sich mit üblichen Messgeräten einfach und sicher messen lässt. Sie bilden die Schnittstelle zwischen Stromkreisen mit hoher Leistung und empfindlichen elektronischen Geräten. So können Überwachungs- und Steuerungssysteme arbeiten, ohne gefährlich hohen Strömen ausgesetzt zu sein.

Wie funktionieren Stromwandler?

Stromwandler arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Fließt Strom durch den Primärleiter, bei dem es sich auch einfach um einen einzelnen Draht durch den Kern des Stromwandlers handeln kann, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld induziert einen Strom in der Sekundärwicklung des Stromwandlers. Das Verhältnis der Windungszahlen von Primärwicklung (oft nur der Leiter selbst) und Sekundärwicklung bestimmt den Umrechnungsfaktor und damit die Höhe des Ausgangsstroms im Verhältnis zum Primärstrom.

Ein Stromwandler mit einem Sekundärausgang von 1 A kann beispielsweise ein Verhältnis von 3000:1 aufweisen: Fließen im Primärkreis 3000 A, liefert der Stromwandler am Ausgang 1 A. Häufig ist der Sekundärausgang standardisiert, etwa auf 1 A, 5 A oder sogar auf einen Spannungsausgang von 0,333 V. Das vereinfacht die Auslegung von Messgeräten und Schutzsystemen.

Bauarten von Stromwandlern

Es gibt verschiedene Bauarten von Stromwandlern für unterschiedliche Anwendungen:

• Stromwandler mit geschlossenem Kern (oder gewickeltem Kern):
  Sie besitzen einen festen, geschlossenen Magnetkern. Typischerweise werden sie in neuen Anlagen eingesetzt, in denen der Stromwandler als fester Bestandteil des Systems ausgelegt und gefertigt werden kann.
• Stromwandler mit teilbarem Kern (oder offenem Kern):
  Diese Stromwandler verfügen über ein Scharnier oder einen teilbaren Mechanismus. Sie können um einen vorhandenen Leiter gelegt werden, ohne ihn abzuklemmen. Das macht sie ideal für die Nachrüstung bestehender Anlagen und für Anwendungen, bei denen Sicherheit und einfache Installation besonders wichtig sind.
• Stromwandler mit Stabprimärleiter:
  Bei diesen Ausführungen ist der Stromwandler direkt in Sammelschienen oder Leiter integriert und bietet robuste Leistung bei hohen Strömen.
• Rogowski-Spulen:
  Obwohl sie technisch gesehen keine Transformatoren im herkömmlichen Sinn sind, werden Rogowski-Spulen zur Messung von Wechselströmen eingesetzt. Sie sind flexibel und lassen sich ohne Eingriff in den Leiter anbringen, benötigen jedoch Integratorschaltungen, um eine zum Strom proportionale Ausgangsspannung zu erzeugen.

Wichtige Anwendungen von Stromwandlern

Stromwandler werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt:

1. Energiemessung

Stromwandler sind für die Stromverbrauchsmessung wesentlich: Sie ermöglichen Energieversorgern und Verbrauchern eine genaue Erfassung des Energieverbrauchs. Indem sie die hohen Ströme in Stromverteilungsnetzen auf messbare Werte herabsetzen, ermöglichen sie eine präzise Abrechnung und Energieüberwachung.

2. Schutzsysteme

Für Schutzrelais und die Steuerung von Leistungsschaltern liefern Stromwandler wichtige Informationen über den Stromfluss in einem Stromkreis. Anhand dieser Daten lassen sich ungewöhnliche Zustände wie Überlastungen oder Kurzschlüsse erkennen und Schutzmaßnahmen zur Trennung und zum Schutz von Betriebsmitteln auslösen.

3. Steuerung und Überwachung

In der industriellen Automatisierung und Steuerung werden Stromwandler eingesetzt, um Ströme in Motoren, Transformatoren und anderen Geräten zu überwachen. Die Überwachung hilft, Leistung und Effizienz des Systems zu steuern und sicherzustellen, dass die Komponenten innerhalb sicherer Betriebsgrenzen arbeiten.

4. Erneuerbare Energiesysteme

In Anlagen für erneuerbare Energien, etwa Wind- und Solarparks, überwachen Stromwandler den Stromfluss von der Erzeugung bis zur Netzeinspeisung. Sie tragen zu einem effizienten und sicheren Betrieb bei und liefern Daten zur Optimierung der Anlagenleistung.

5. Sicherheit und Messtechnik

Stromwandler tragen zur Sicherheit des Personals bei, indem sie den Einsatz galvanisch getrennter Messgeräte ermöglichen. Ihr niedriger Sekundärstrom erlaubt den sicheren Betrieb von Messgeräten und Sensoren, die bei einem direkten Anschluss an Stromkreise mit hohen Strömen gefährdet wären.

Die Sprungantwortzeit beschreibt das dynamische Verhalten eines Strommessumformers. Sie ist die Zeitspanne zwischen dem Erreichen von 90 % des Endwerts durch den Primärstrom und dem Erreichen von 90 % der endgültigen Amplitude durch das Ausgangssignal des Messumformers. Der Primärstrom muss einen Stromsprung mit einer vorgegebenen di/dt-Flanke (üblicherweise 100A/µs) und einer Amplitude nahe dem Nennstrom I_PN  aufweisen.

Der verbleibende magnetische Fluss (Remanenz) im Kern hängt vom Sensortyp und vom magnetischen Material ab. Er verursacht eine zusätzliche Messabweichung, den sogenannten “magnetischen Offset”. Dessen Höhe hängt von der vorherigen Magnetisierung des Kerns ab und erreicht nach der Sättigung des Magnetkreises ihren Maximalwert.

In folgenden Situationen kann eine Magnetisierung auftreten:

1. Hoher Überlaststrom

2. Unterbrechung der Stromversorgung (Stromausfall)

Der durch Magnetisierung verursachte Offset verschwindet unter folgenden Bedingungen:

1. Der durch Magnetisierung verursachte Offset verschwindet mit der Zeit von selbst (der Kern erholt sich langsam; wie schnell dies geschieht, hängt vom magnetischen Material ab).

2. Er wird durch Entmagnetisieren des Sensors beseitigt, beispielsweise durch geeignetes Umkehren des Primärstroms oder durch einen speziellen Entmagnetisierungszyklus. Nach dem Entmagnetisieren kann der Sensor seine ursprüngliche Leistung wieder erreichen.

Ablauf der Entmagnetisierung:

Zur Entmagnetisierung des Magnetkerns eines Messumformers werden üblicherweise die folgenden Schritte angewendet:

1. Wechselstromanregung: Eine niederfrequente Wechselstromquelle durchläuft mit dem Magnetkern dessen gesamte B-H-Hystereseschleife (die Kurve von Magnetfeldstärke und Magnetisierung). Dazu wird Wechselstrom angelegt, sodass die Magnetisierung des Kerns zwischen positiver und negativer Sättigung wechselt.

2. Allmähliche Verringerung der Anregung: Nachdem der Kern die B-H-Schleife mindestens 5 vollständige Zyklen bei maximaler Amplitude durchlaufen hat, wird die Amplitude der Wechselstromanregung schrittweise verringert. Die Verringerung sollte höchstens 4 % pro Zyklus betragen, damit die Magnetisierung des Kerns gleichmäßig auf null zurückgeht (den Ursprung der B-H-Kurve).

3. Zeitbedarf: Ein Entmagnetisierungsdurchlauf erfordert üblicherweise etwa 30 Zyklen bei einer niedrigen Frequenz, beispielsweise 500 Millisekunden bei 60 Hz.

Besondere Hinweise für Geräte mit geschlossenem Regelkreis:

Bei Messumformern mit geschlossenem Regelkreis (Geräten mit einer Kompensationsspule) ist besondere Sorgfalt erforderlich, da die Kompensationsspule der Entmagnetisierung entgegenwirken kann. Dadurch erreicht der Kern möglicherweise seinen neutralen Zustand nicht. Zusätzliche Schritte können daher nötig sein, um eine ordnungsgemäße Entmagnetisierung sicherzustellen.

Teilweise Entmagnetisierung:

Alternativ lässt sich eine teilweise Entmagnetisierung erreichen, indem ein bestimmtes Signal mit entgegengesetzter Polarität zur Magnetisierung des Kerns angelegt wird. Diese Methode ist jedoch aufwendiger, da Amplitude und Dauer des Signals präzise bestimmt werden müssen, um die Magnetisierung wirksam zu verringern, ohne über das Ziel hinauszuschießen oder zu wenig zu kompensieren.

Wenn eine bestimmte Anwendung gut verstanden ist, lässt sich das erforderliche Korrektursignal in der Praxis empirisch bestimmen und bei Bedarf zur Entmagnetisierung anlegen.

Die Entmagnetisierung ist wichtig, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen eines Messumformers zu erhalten, insbesondere nach starken magnetischen Einflüssen oder längerem Gebrauch.

Auswirkungen verschiedener Vref-Anschlüsse auf den Ausgang

Nehmen wir als Beispiel ein Produkt mit einer Versorgungsspannung von +5 V und einem Ausgang von 2,5 V ± 0,625 V bei einer Genauigkeit von 1 %.
Unser Vref-Anschluss hat zwei Funktionen: Zum einen dient er als Bezugspunkt für den Ausgang, wie er üblicherweise bei Geräten mit differenziellem Eingang verwendet wird. Zum anderen dient er bei Geräten mit massebezogenem Eingang dazu, den Sensorausgang zu steuern und den statischen Ausgangswert (2,5 V) genauer einzustellen. Er beeinflusst nur den statischen Ausgangswert (2,5 V bei vorhandener Hilfsversorgung und ohne Eingangssignal), nicht aber die Verstärkung (0,625 V).
Aufgrund von Streuungen der Produktparameter können Sensoren nicht vollkommen identisch und ideal sein; eine gewisse Abweichung bleibt immer bestehen. Bei den meisten unserer Produkte liegt die Abweichung des statischen Bezugspunkts innerhalb von ±15 mV. Das bedeutet, dass der statische Ausgangswert von 2,5 V (bezogen auf 0 V bzw. GND) zwischen 2,485 V und 2,515 V liegt, was als zulässiger Bereich gilt.
Betrachten wir beispielsweise ein Produkt mit einer Versorgungsspannung von +5 V und einem Ausgang von 2,5 V ± 0,625 V bei einer Genauigkeit von 1 %:

Wenn der Ausgang auf 0 V (GND) bezogen ist, kalibrieren wir ihn wie folgt:
Zuerst prüfen wir, ob die Vref-Spannung die Anforderungen erfüllt (Sollwert: 2,5 V ± 1 %, in der Regel beträgt die Abweichung höchstens 0,5 %).
Im zweiten Schritt stellen wir den statischen Ausgangswert auf einen Wert zwischen 2,485 V und 2,515 V ein (also 2,5 V ± 15 mV).
Im dritten Schritt legen wir ein Eingangssignal in Höhe des Nenneingangswerts an und stellen den Ausgang auf einen Wert innerhalb von 2,5 V + (0,625 V ± 1 %) ein.
Abschließend prüfen wir, ob der Ausgang bei 10 % des Nenneingangswerts korrekt ist. Bei einer erheblichen Abweichung korrigieren wir diese durch Anpassung der Nullpunktkomponente. Danach prüfen wir, ob Nullpunkt und Endwert die Anforderungen erfüllen. Ist alles korrekt, geht das Produkt zum nächsten Prozessschritt über.

Wenn der Ausgang auf Vref bezogen ist, stellen wir ihn wie folgt ein:

Zuerst prüfen wir, ob die Vref-Spannung die Anforderungen erfüllt (Sollwert: 2,5 V ± 1 %, in der Regel beträgt die Abweichung höchstens 0,5 %).
Im zweiten Schritt stellen wir den statischen Ausgangswert auf einen Wert zwischen 2,485 V und 2,515 V ein (also 2,5 V ± 15 mV).
Im dritten Schritt verbinden wir die schwarze Messspitze des Multimeters mit dem Vref-Punkt, legen ein Eingangssignal in Höhe des Nenneingangswerts an und stellen den Ausgang auf 0,625 V ± 1 % ein.
Abschließend prüfen wir, ob der Ausgang bei 10 % des Nenneingangswerts korrekt ist. Bei einer erheblichen Abweichung korrigieren wir diese durch Anpassung der Nullpunktkomponente. Danach prüfen wir, ob Nullpunkt und Endwert die Anforderungen erfüllen. Ist alles korrekt, geht das Produkt zum nächsten Prozessschritt über.

Wird ein nach der ersten Methode eingestelltes Produkt an einem Gerät mit differenziellem Eingang verwendet, ist das erfasste Signal ungenau; es können sogar negative Ausgangsabweichungen auftreten.
Wird ein nach der zweiten Methode eingestelltes Produkt an einem Gerät mit massebezogenem Eingang verwendet, ist das erfasste Signal ebenfalls falsch; es können Überlauffehler auftreten.

Standardmäßig kalibrieren wir unsere Produkte nach der ersten Methode (bezogen auf 0 V/GND), da die meisten Kunden dies wünschen.

Example 1: A product calibrated using the first method, with Vref = 2.510V and Vout = 2.505V in the static state. This product is qualified, and the precision is acceptable. However, when used in a differential input acquisition device, since Vout is lower than Vref, the static output will be negative, which is incorrect.

Example 2: A product calibrated using the second method, with Vref = 2.510V and Vout = 2.520V in the static state. This product is also qualified, as the zero-point error does not exceed 15mV. However, when used in a single-ended input acquisition device, the output of 2.520V exceeds the calibrated 15mV error, and the full-scale value will also be higher, which could reach up to 2% in extreme cases, affecting the customer’s use.
Now that some customers have reported this type of error, we are asking them to provide calibration requirements to correct the issue. Sales representatives are also being asked to label products based on different calibration methods to ensure correct production for customers.

Bei einem Stromwandler (CT) bezeichnet die Bürde die gesamte Impedanz (Widerstand und Reaktanz), mit der angeschlossene Messgeräte wie Amperemeter, Relais oder Zähler die Sekundärwicklung des Stromwandlers belasten. Sie wird gewöhnlich bei einem bestimmten Sekundärstrom (typischerweise 1 A oder 5 A) in Voltampere (VA) angegeben und kann die Impedanz der Anschlussleitungen und Instrumente einschließen.

Wichtige Punkte:

1. Bestandteile der Bürde: Die Bürde umfasst die Impedanz der angeschlossenen Geräte (etwa Zähler und Schutzrelais) sowie der Leitungen, die die Sekundärwicklung des Stromwandlers belasten.
2. Nennbürde:
   • Stromwandler sind für eine maximale Bürde in VA ausgelegt. Bei einem Stromwandler mit einer Nennbürde von 10 VA sollte die angeschlossene Last beispielsweise 10 VA nicht überschreiten.
   • Überschreitet die Bürde den Nennwert des Stromwandlers, kann dies zu Fehlern bei der Strommessung oder zu Fehlfunktionen des Schutzes führen, da der Stromwandler seine Genauigkeit oder die korrekte Stromumwandlung möglicherweise nicht aufrechterhalten kann.
3. Bedeutung der richtigen Bürde:
   • Die Bürde beeinflusst die Genauigkeit des Stromwandlers. Ist sie zu hoch (d. h. die Impedanz der angeschlossenen Geräte ist zu groß), wandelt der Stromwandler den Strom nicht mehr genau um. Dies führt zu fehlerhaften Messungen oder Fehlfunktionen von Schutzrelais.
   • Ist die Bürde dagegen zu niedrig, kann der Stromwandler laut Ausgangstext näher an der Sättigung betrieben werden, was ebenfalls zu Ungenauigkeiten führt.
4. Praktischer Hinweis:
   • Bei der Installation eines Stromwandlers ist es wichtig, die Bürde aller angeschlossenen Geräte zu berechnen und sicherzustellen, dass sie innerhalb seiner Nennbürde liegt.

Zusammenfassend ist die Bürde die Last an der Sekundärwicklung des Stromwandlers. Für eine genaue Strommessung und einen sicheren Betrieb muss sie innerhalb der Nennbürde des Stromwandlers liegen.

1. Einphasiger Stromkreis:

• Connection Mode: A single current transformer is connected in series with the live wire or neutral wire of the circuit.
• Application: This is used for measuring single-phase current, power, and providing protection against single-phase faults, such as ground faults or short circuits.
• Diagram:
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2. Unvollständige Sternschaltung (V-Schaltung) mit zwei Stromwandlern (dreiphasiger Stromkreis):

• Connection Mode: Two current transformers are connected in a “V” configuration (incomplete star), where the primary windings are connected to two of the three-phase conductors. The secondary windings are then connected together to form a measuring point.
• Application: This connection is used to measure three-phase current, power, and to protect the system from phase-to-phase short-circuit faults. Although only two transformers are used, it provides sufficient information about the three-phase system for protection and measurement in a balanced system.
• Diagram:
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3. Stromdifferenz zwischen zwei Phasen mit zwei Stromwandlern (Schutz bei Phasendifferenzen):

• Connection Mode: Two current transformers are placed in two different phases (e.g., Phase A and Phase B), and their secondary windings are connected to each other to detect any current difference between these phases.
• Application: This configuration is used for measuring one-phase current and for protecting against phase-to-phase short-circuit faults. It is based on detecting differences in the phase currents, which indicates a fault between phases.
• Diagram:
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4. Sternschaltung mit drei Stromwandlern (dreiphasiges Vierleitersystem):

• Connection Mode: Three current transformers are connected in a star (wye) configuration. Each CT is placed on one phase of a three-phase system, and the secondary windings are connected to a common point (neutral).
• Application: This setup is suitable for measuring three-phase current, power, and protecting the system in a three-phase four-wire system. It can detect any form of fault, including ground faults, phase-to-phase faults, and phase-to-neutral faults.
• Diagram:
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Ein Differenzstromsensor (RCS) ist eine elektrische Sicherheitskomponente zur Erkennung von Differenzstrom (auch Fehlerstrom genannt) in einem Stromkreis. Differenzstrom entsteht, wenn zwischen dem in ein System fließenden Strom (über den Außenleiter) und dem aus dem System zurückfließenden Strom (über den Neutralleiter) ein Ungleichgewicht besteht. Dieses Ungleichgewicht zeigt an, dass ein Teil des Stroms gegen Erde abfließt, häufig aufgrund eines Isolationsfehlers, einer fehlerhaften Verdrahtung oder des Kontakts einer Person mit der elektrischen Anlage.

Wie funktioniert ein Differenzstromsensor?

1. Erkennung eines Stromungleichgewichts: Der RCS misst die Differenz zwischen dem Strom im Außenleiter und dem Neutralleiter. Unter normalen Betriebsbedingungen sollten die Ströme in diesen beiden Leitern gleich groß sein. Besteht eine Abweichung, fließt an einer Stelle Strom ab.
2. Erkennungsschwelle: Überschreitet die Differenz zwischen dem Strom im Außenleiter und im Neutralleiter einen bestimmten Schwellenwert (je nach Anwendung üblicherweise wenige Milliampere, beispielsweise 10 mA oder 30 mA), erkennt der Sensor sie als Differenzstrom.
3. Auslösung einer Schutzfunktion: Wird ein Differenzstrom erkannt, sendet der Sensor normalerweise ein Signal an eine Schutzeinrichtung, etwa einen Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD) oder einen Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI). Diese Einrichtungen unterbrechen die Stromversorgung schnell, um Gefahren wie Stromschläge oder Brände zu verhindern.

Wichtige Eigenschaften eines Differenzstromsensors:

• Hohe Empfindlichkeit: RCS-Geräte können sehr kleine Stromdifferenzen erkennen, häufig im Milliamperebereich (mA).
• Berührungslose Messung: Der Sensor kann den Stromfluss überwachen, ohne den Stromkreis zu unterbrechen.
• Schnelle Reaktion: Er löst bei erkanntem Fehlerstrom sofort Schutzfunktionen aus und verringert so die Risiken.
• Genauigkeit: Moderne RCS-Geräte erkennen und überwachen Differenzströme präzise, um Fehlauslösungen zu vermeiden.

Anwendungen:

1. Elektrische Sicherheit im Haushalt: RCS werden häufig in häuslichen RCDs und GFCIs eingesetzt, um Nutzer vor Stromschlägen zu schützen, insbesondere in Feuchträumen wie Küchen und Badezimmern.
2. Industrieanlagen: In industriellen Umgebungen überwachen RCS-Geräte Anlagen, um Isolationsfehler oder mögliche Fehlerzustände zu erkennen, die zu elektrischen Gefahren führen könnten.
3. Erneuerbare Energien: RCS werden auch in Anlagen für erneuerbare Energien, etwa Solaranlagen, eingesetzt, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und Fehlerströme gegen Erde zu erkennen.

Vorteile:

• Schutz vor Stromschlag: RCS können erkennen, wenn Strom durch eine Person oder eine fehlerhafte Verdrahtung gegen Erde fließt, und so helfen, schwere Verletzungen zu verhindern.
• Brandschutz: Durch die Erkennung von Fehlerströmen infolge von Isolationsfehlern kann ein RCS helfen, elektrische Brände zu verhindern.
• Einhaltung von Sicherheitsstandards: Differenzstromsensoren sind wichtig, um Anforderungen an die elektrische Sicherheit in Wohngebäuden, Büros und Industrieanlagen zu erfüllen.

Zusammenfassend ist ein Differenzstromsensor eine wichtige Sicherheitskomponente, die Stromkreise kontinuierlich auf Fehlerströme überwacht. Indem er Ungleichgewichte im Stromfluss erkennt und Schutzfunktionen auslöst, hilft er, Menschen und Sachwerte vor elektrischen Gefahren zu schützen.

Die Rogowski-Spule, auch Differenzstromsensor genannt, ist eine “hohle” ringförmige Spule, die um einen Leiter angeordnet wird. Das vom Strom erzeugte wechselnde Magnetfeld induziert eine Spannung in der Spule. Die Spule ist im Prinzip ein mit dem zu prüfenden Leiter gekoppelter Transformator. Die direkt von der Spule ausgegebene Spannung ist proportional zur Änderungsrate des Stroms, z. B. bei 50 Hz/1 kA: Ausgangsspannung = 85 mV und bei 60 Hz/1 kA: Ausgangsspannung = 85 × 60/50 = 102 mV. Um den Stromverlauf oder einen frequenzunabhängigen Stromwert zu erhalten, ist zusätzlich eine Integratorschaltung erforderlich, die eine Phasenverschiebung um 90° kompensiert und den Frequenzgang ausgleicht.

Die RF-Serie umfasst flexible Stromsensoren nach dem Rogowski-Spulen-Prinzip. Sie sind klein, leicht und einfach zu installieren und in verschiedenen Größen erhältlich; auf Sonderbestellung sind auch kundenspezifische Ausführungen möglich. Da keine magnetische Sättigung auftritt und eine Abschirmung den Einfluss äußerer Magnetfelder mindert, sind stabile Messungen von niedrigen Strömen bis zu mehreren Hundert kA möglich. Die flexible Rogowski-Spule ist eine besonders praktische Lösung für die Strommessung,
insbesondere für die Stromüberwachung und die Nachrüstung elektrischer Anlagen. Sie lässt sich in vielen Fällen einsetzen, in denen ein herkömmlicher Stromwandler (CT) nicht verfügbar ist, oder kann diesen ersetzen. Besonders vorteilhaft sind Systeme mit ADC-Chips (ADS131M04) oder Leistungsmess-ICs (ADE7753), die das Rogowski-Spulen-Prinzip unterstützen.

1. Art des zu messenden Stroms bestimmen:
   • Stellen Sie fest, ob es sich bei dem zu messenden Strom um Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) handelt. Die meisten Stromwandler sind für Wechselstrom ausgelegt. Wenn Sie Gleichstrom messen müssen, benötigen Sie daher einen geeigneten Gleichstromwandler.
2. Nennstrom bestimmen:
   • Ermitteln Sie den maximal zu messenden Strom. Stromwandler sind für bestimmte Strombereiche ausgelegt. Die Wahl des passenden Bereichs ist daher für genaue Messungen entscheidend.
3. Erforderliche Genauigkeit bestimmen:
   • Je nach Anwendung gelten unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen. Bei der Stromerzeugung und -übertragung ist beispielsweise meist eine höhere Genauigkeit erforderlich als bei manchen industriellen Anwendungen. Bestimmen Sie die für Ihre Anwendung nötige Genauigkeit und wählen Sie einen Stromwandler, der diese Anforderung erfüllt.
4. Erforderliche Bürde bestimmen:
   • Die Bürde ist die maximale Last, die der Stromwandler versorgen kann. Sie wird üblicherweise in VA (Voltampere) angegeben. Wählen Sie einen Stromwandler mit einer für Ihre Anwendung ausreichenden zulässigen Bürde.
5. Benötigte Ausgangsart berücksichtigen:
   • Bestimmen Sie, ob ein Spannungs- oder Stromausgang benötigt wird, und wählen Sie einen Stromwandler mit dem entsprechenden Ausgang.
6. Baugröße und Montageanforderungen berücksichtigen:
   • Wählen Sie einen Stromwandler, dessen Baugröße und Montageart für Ihre Anwendung geeignet sind.
7. Kompatibilität prüfen:
   • Stellen Sie sicher, dass der Stromwandler mit Ihren Messgeräten kompatibel ist und die einschlägigen Sicherheitsnormen erfüllt.

• Stromwandler (CTs): Sie messen Strom und setzen ihn für Mess-, Überwachungs- und Schutzsysteme herab. Sie werden in Reihe zum Stromkreis angeschlossen und liefern für eine sichere, genaue Messung einen kleineren Strom, der zum hohen Strom im System proportional ist.
• Spannungswandler (VTs): Sie messen Spannung und setzen sie für ähnliche Zwecke herab. Sie werden parallel zum Stromkreis angeschlossen und liefern für eine sichere Auswertung und Steuerung eine geringere Spannung, die zur hohen Spannung proportional ist.

Kurz gesagt: Stromwandler dienen der Strommessung, Spannungswandler der Spannungsmessung. Beide sind für Schutz, Steuerung und Überwachung in elektrischen Energieversorgungssystemen wichtig.

Die Sekundärseite eines Stromwandlers muss aus mehreren Gründen für Sicherheit und ordnungsgemäßen Betrieb stets kurzgeschlossen oder an eine niederohmige Last wie einen Zähler oder ein Relais angeschlossen sein:

1. Spannungsanstieg bei offener Sekundärseite:

• Gefährliche Spannung: Bleibt die Sekundärwicklung eines Stromwandlers offen, während Strom durch die Primärwicklung fließt, verhält er sich wie ein Aufwärtstransformator. Da die Primärwicklung einen hohen Strom führt und die Sekundärwicklung viele Windungen hat, kann die Spannung an der offenen Sekundärseite gefährlich hoch ansteigen.
• Isolationsdurchschlag und Sicherheitsgefahr: Die hohe induzierte Spannung kann die Spannungsfestigkeit der Isolierung überschreiten. Dies kann zu einem Isolationsdurchschlag und damit zu Stromschlaggefahr für Personen oder Schäden an Geräten führen.

2. Kernsättigung:

• Magnetische Sättigung des Kerns: Im Normalbetrieb erzeugt der Sekundärstrom ein Magnetfeld, das dem vom Primärstrom erzeugten magnetischen Fluss entgegenwirkt und den größten Teil davon aufhebt. Ist die Sekundärseite offen, fließt dort kein Strom, und der magnetische Fluss im Kern steigt stark an.
• Überhitzung des Kerns: Der übermäßige magnetische Fluss kann den Kern des Stromwandlers sättigen und zu Überhitzung sowie möglichen Schäden am Wandler führen. Dabei kann der Stromwandler dauerhaft beschädigt werden, wodurch Genauigkeit und Zuverlässigkeit sinken.

3. Genaue Messung:

• Proportionalität der Ströme: Stromwandler messen Strom anhand eines Sekundärstroms, der entsprechend dem Windungsverhältnis proportional zum Primärstrom ist. Bei offener Sekundärseite besteht diese Beziehung nicht mehr, sodass keine genaue Strommessung möglich ist.
• Ausfall des Schutzsystems: Stromwandler werden häufig mit Schutzrelais eingesetzt, um Überströme oder Fehlerzustände zu überwachen. Eine offene Sekundärseite kann die ordnungsgemäße Funktion der Schutzeinrichtungen verhindern und dadurch Anlagenausfälle oder ungeschützte Fehler verursachen.

4. Geringe Bürde an der Sekundärseite:

• Geringhalten der Bürde: Ein Stromwandler ist für den Betrieb mit einer sehr geringen Bürde (Last) an seiner Sekundärseite ausgelegt, damit die Messgenauigkeit erhalten bleibt. Ein Kurzschluss der Sekundärseite oder der Anschluss einer niederohmigen Last stellt sicher, dass der Stromwandler innerhalb seiner Auslegungswerte arbeitet und genaue Strommessungen liefert, ohne den Kern oder die Sekundärwicklungen zu überlasten.

Wie liest man einen Stromwandler (CT) mit Arduino aus?

Um einen Stromwandlersensor an einen Arduino anzuschließen, muss dessen Ausgangssignal so aufbereitet werden, dass es die Anforderungen der Arduino-Analogeingänge erfüllt: Es muss eine positive Spannung zwischen 0 V und der Referenzspannung des Analog-Digital-Wandlers (ADC) anliegen.

Als Beispiele dienen ein Arduino-Board mit 5 V Betriebsspannung und ein EmonTx mit 3,3 V. Achten Sie darauf, bei Ihren Berechnungen die für Ihren Aufbau passenden Werte für Versorgungsspannung und Vorspannung zu verwenden.

Die Schaltung besteht aus zwei Hauptteilen: Sie wandeln den Strom des Stromwandlers in eine Spannung mit der richtigen Amplitude um und verschieben diese Spannung in die Mitte des ADC-Eingangsbereichs.

Die angegebenen Spannungen und Ströme gelten für einen 5-V-Arduino mit einem Analogeingangsbereich von 0 bis 5 V. Bei einer Sinuswelle entspricht dies etwa 1,6 V Effektivwert (RMS). Beim emonTx V2 und V3 sowie beim emonPi beträgt der Analogeingangsbereich 0 bis 3,3 V. Die Mittenspannung liegt daher bei 1,65 V, und die analoge Eingangsspannung schwankt zwischen 0 und 3,3 V (etwa 1 V Effektivwert (RMS) bei einer Sinuswelle). Beim emonTx4 und emonPi2 beträgt der Analogeingangsbereich 0 bis 1 V. Er ist für Stromwandler mit 0,333 V Effektivwert (RMS) am Ausgang vorgesehen, die keinen Bürdenwiderstand benötigen. Daher entfällt dieser Widerstand.

Ausführliche Anleitung

Die Sekundärseite eines Stromwandlers darf niemals offen bleiben, während Strom durch die Primärseite fließt. Andernfalls können gefährlich hohe Spannungen entstehen. Hier sind die Gründe:

1. Induzierte Hochspannung:

• Ein Stromwandler arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Der Strom in der Primärwicklung induziert einen Strom in der Sekundärwicklung. Bleibt die Sekundärseite offen, fließt dort kein Strom. Deshalb entsteht kein Magnetfeld, das dem vom Primärstrom erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt.
• Infolgedessen steigt der magnetische Fluss im Kern stark an, wodurch in der Sekundärwicklung eine sehr hohe Spannung induziert wird. Diese Spannung kann die Isolierung des Stromwandlers beschädigen und eine erhebliche Gefahr für Personen in der Nähe darstellen.

2. Sättigung und Beschädigung des Kerns:

• Ohne Last, also bei offener Sekundärseite, kann der Kern des Stromwandlers durch den hohen magnetischen Fluss in Sättigung geraten. Hält dieser Zustand länger an, können sich die magnetischen Eigenschaften des Kerns dauerhaft verändern. Dadurch nehmen Genauigkeit und Leistungsfähigkeit des Stromwandlers mit der Zeit ab.

3. Sicherheitsrisiken:

• Die hohe Spannung an der offenen Sekundärseite kann lebensgefährlich sein und angeschlossene Geräte beschädigen. Unter Umständen kann sie sogar Lichtbögen auslösen, die eine erhebliche Brand- oder Stromschlaggefahr darstellen.

4. Ungenaue Messungen:

• Bei offener Sekundärseite kann der Stromwandler seine Hauptaufgabe, die genaue Strommessung, nicht erfüllen. Solange der Sekundärkreis offen ist, lässt sich der Strom im Primärkreis nicht zuverlässig messen. Das kann zu falschen Messwerten und Fehlfunktionen von Relais in Schutzsystemen führen.

Nehmen wir das Modell HSTS016L als Beispiel: Es kann Stromwerte von 10 A bis 200 A messen. Bei diesem Stromsensor mit teilbarem Kern lässt sich der Kern öffnen und schließen, ohne das bestehende System zu verändern. Das Messkabel wird einfach in den Kern eingelegt und dieser zugeklappt. Die Ausgangsspannung des Sensors beträgt 2,5 V ± 0,625 V. Sein Ausgangsspannungsbereich von 1,875 V bis 3,125 V eignet sich auch für 3,3-V-Analogeingänge, insbesondere bei den Mikrocontrollern Arduino Nano und NodeMCU.

Der Sensor hat vier Anschlüsse: ROT (5-V-Eingang), SCHWARZ (0 V, Masse), GELB (Analogausgang) und WEISS (Analogsignal zur Kalibrierung). Da die Versorgungsspannung möglicherweise nicht genau 5 V beträgt, benötigen wir einen zusätzlichen Analogeingang, um den tatsächlichen Mittelpunkt am weißen Anschluss zu messen. Der Arduino UNO hat sechs Analogeingänge (A0–A5). Einen davon können wir zur Messung des Wechselstroms und einen weiteren zur Kalibrierung verwenden. Die Analogeingänge bilden Eingangsspannungen zwischen 0 und 5 V mit einer Auflösung von 4,9 mV pro Einheit (5,00 V / 1023 Einheiten) auf ganzzahlige Werte zwischen 0 und 1023 ab.

Wir verbinden ROT mit dem 5-V-Eingang, SCHWARZ mit Masse, GELB mit dem Analogeingang A1 und WEISS mit dem Analogeingang A2. Es wird dringend empfohlen, den Arduino Uno und den Sensor über ein 12-V-Netzteil zu versorgen. Bei einer 5-V-Versorgung über USB entsteht ein anfänglicher Offsetwert, den Sie beim Hochladen des Codes möglicherweise manuell ergänzen müssen.

Ein Transformator funktioniert nicht mit Gleichstrom (DC), da seine Arbeitsweise auf veränderlichen Magnetfeldern beruht, die Gleichstrom nicht erzeugt. Im Folgenden wird genauer erklärt, warum Transformatoren mit Gleichstrom nicht wirksam arbeiten:

1. Funktionsprinzip:

• Transformatoren funktionieren nach dem Faradayschen Induktionsgesetz. Demnach induziert ein sich änderndes Magnetfeld im Kern eine elektromotorische Kraft (EMK) beziehungsweise Spannung in der Sekundärwicklung.
• Dieses veränderliche Magnetfeld wird durch Wechselstrom (AC) erzeugt. Er ändert fortlaufend seine Stärke und Richtung, sodass sich auch der magnetische Fluss im Transformatorkern ändert.

2. Kein veränderliches Magnetfeld bei Gleichstrom:

• Gleichstrom liefert einen konstanten Strom, dessen Richtung und Stärke sich im Zeitverlauf nicht ändern.
• Da der Strom nicht schwankt, bleibt der magnetische Fluss im Transformatorkern konstant. Nach dem Faradayschen Gesetz ist ein zeitlich veränderlicher Fluss erforderlich, um in der Sekundärwicklung eine Spannung zu induzieren. Bei angelegtem Gleichstrom entsteht daher im stationären Zustand keine Spannung.

3. Kernsättigung:

• Wird Gleichstrom an die Primärwicklung angelegt, erzeugt er im Transformatorkern einen konstanten magnetischen Fluss. Dies kann schnell zu einer Kernsättigung führen.
• Bei Kernsättigung ist das magnetische Kernmaterial vollständig magnetisiert und kann kaum zusätzlichen magnetischen Fluss aufnehmen. Dadurch kann der Primärstrom stark ansteigen, was Überhitzung, Isolationsfehler und Schäden am Transformator verursachen kann.

4. Starke Wärmeentwicklung:

• Da der Widerstand der Transformatorwicklungen relativ gering ist, kann ein anhaltender Gleichstrom erhebliche Leistung in Wärme umsetzen. Dadurch können Wicklungen und Isolierung des Transformators schnell überhitzen und beschädigt werden.

5. Keine induzierte Spannung:

• Bei Wechselstrom induziert die fortlaufende Stromänderung durch gegenseitige Induktion eine Spannung in der Sekundärwicklung. Da Gleichstrom keine solche fortlaufende Änderung bewirkt, wird in der Sekundärwicklung keine dauerhafte Spannung induziert. Der Transformator kann eine angelegte Gleichspannung daher weder herauf- noch herabsetzen.

Fazit:

• Transformatoren sind für den Betrieb mit Wechselstrom (AC) ausgelegt, da dessen Änderungen das für die Spannungsinduktion erforderliche veränderliche Magnetfeld erzeugen. Bei angelegtem Gleichstrom verhindert das fehlende veränderliche Magnetfeld die dauerhafte Funktion des Transformators. Ein längerer Betrieb mit Gleichstrom kann zu Überhitzung und Ausfall führen.

Ein Stromwandler (CT) ist ein wichtiges elektrisches Gerät, das in Hochleistungssystemen zur genauen Messung von Wechselstrom (AC) eingesetzt wird. Er arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und reduziert hohe Stromstärken für Mess- oder Schutzzwecke sicher auf einen handhabbaren Wert. Im Folgenden werden sein Aufbau und seine Funktionsweise ausführlich erläutert:

1. Aufbau:

Ein Stromwandler besteht aus zwei Hauptwicklungen: der Primärwicklung und der Sekundärwicklung.

• Die Primärwicklung ist üblicherweise in Reihe mit dem stromführenden Leiter geschaltet, dessen Strom gemessen werden soll.
• Die Sekundärwicklung ist mit Messgeräten wie Amperemetern, Schutzrelais oder Zählern verbunden. Die Primärwicklung besteht häufig nur aus einer Windung, während die Sekundärwicklung eine wesentlich höhere Windungszahl aufweist.

2. Windungsverhältnis:

Das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung ist ein entscheidender Parameter und meist sehr hoch, häufig im Bereich von 100:1 bis 5000:1. Das bedeutet, dass die Sekundärwicklung deutlich mehr Windungen als die Primärwicklung hat. Dieses Verhältnis bestimmt das Ausmaß der Stromumwandlung und hilft, den hohen Strom auf einen für gängige Messgeräte geeigneten Wert zu reduzieren.

3. Elektromagnetische Induktion:

Wenn Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, erzeugt er ein entsprechendes wechselndes Magnetfeld um den Leiter. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert dieser sich ändernde magnetische Fluss eine proportionale Spannung in der Sekundärwicklung. Die Höhe der induzierten Spannung und des daraus resultierenden Sekundärstroms hängt vom Windungsverhältnis ab.

4. Stromreduzierung:

Der Stromwandler reduziert den hohen Strom auf der Primärseite auf einen wesentlich niedrigeren Strom auf der Sekundärseite. Das Windungsverhältnis bestimmt dabei die Reduzierung, sodass der Sekundärstrom dem Primärstrom proportional ist. Beispielsweise fließt bei einem Stromwandler mit einem Windungsverhältnis von 1000:1 im Sekundärkreis 1 Ampere, wenn im Primärleiter 1000 Ampere fließen. So können gängige Messgeräte, die für niedrige Strombereiche ausgelegt sind, den Strom genau überwachen.

5. Bürde:

Die Bürde bezeichnet die an die Sekundärwicklung des Stromwandlers angeschlossene Last, beispielsweise ein Amperemeter, ein Schutzrelais oder ein anderes Messgerät. Ihre Impedanz hat erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit und Leistung des Stromwandlers. Für genaue Messungen muss die Bürdenimpedanz innerhalb des für den Stromwandler angegebenen Bereichs liegen. Ist die Bürde zu hoch, kann die Genauigkeit beeinträchtigt werden; im Extremfall kann der Stromwandler sogar beschädigt werden.

6. Stromverhältnis:

Das Stromverhältnis eines Stromwandlers ist das Verhältnis von Primärstrom zu Sekundärstrom und wird durch das Windungsverhältnis bestimmt. Bei einem bestimmten Stromwandler ist es ein fester Wert. Beispielsweise erzeugen bei einem Stromwandler mit einem Windungsverhältnis von 1000:1 1000 Ampere im Primärkreis einen Strom von 1 Ampere im Sekundärkreis. Dieses konstante Stromverhältnis ermöglicht es, hohe Primärströme für eine sichere Überwachung und Schutzfunktion in niedrigere Sekundärströme umzuwandeln.

7. Genauigkeitsklasse:

Stromwandler werden anhand ihrer Präzision unter festgelegten Bedingungen in verschiedene Genauigkeitsklassen eingeteilt. Die Genauigkeitsklasse legt den maximal zulässigen Messfehler fest. Übliche Genauigkeitsklassen sind 0,1, 0,2, 0,5, 1 und 3, wobei Klasse 0,1 die höchste Genauigkeit bietet. Stromwandler mit höherer Genauigkeit werden üblicherweise für Messanwendungen eingesetzt, während für Schutzzwecke eine geringere Genauigkeit ausreichen kann.

Ein Stromwandler reduziert hohe Wechselströme in einem elektrischen System nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und mithilfe eines hohen Windungsverhältnisses auf einen sichereren, handhabbaren Wert. Sein Sekundärstrom ist proportional zum Primärstrom. Dadurch ermöglicht er die genaue Messung und den Schutz elektrischer Systeme. Eine passende Bürde und die Einhaltung der Genauigkeitsklasse gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb in verschiedenen Anwendungen.

Komponenten:

1. Hall-Sensor: Erfasst das Magnetfeld, das durch den Strom in einem Leiter entsteht, und gibt eine zur Magnetfeldstärke proportionale Spannung aus.
2. Stromversorgung: Versorgt den Sensor mit Leistung und liefert eine Referenzspannung für die Berechnungen.
3. Last: Schließt den Stromkreis, sodass Strom durch den Leiter fließen kann.
4. Multimeter: Misst die Ausgangsspannung des Hall-Sensors.

Schritte zur Messung von Gleichstrom:

1. Komponenten verbinden: Schließen Sie den Hall-Sensor, die Stromversorgung und die Last gemäß den Anweisungen des Herstellers an.
2. Sensor in der Nähe des Leiters platzieren: Richten Sie den Sensor so aus, dass das Magnetfeld des Leiters senkrecht auf seine Messfläche trifft.
3. Stromversorgung einschalten: Schalten Sie die Stromversorgung ein, um den Stromkreis und den Hall-Sensor mit Spannung zu versorgen.
4. Ausgangsspannung messen: Stellen Sie das Multimeter auf Spannungsmessung ein und verbinden Sie es mit dem Ausgang des Hall-Sensors.
5. Ausgangsspannung notieren: Die gemessene Spannung hängt unmittelbar von der Stärke des Magnetfelds ab, das durch den Strom im Leiter entsteht.
6. Strom berechnen: Berechnen Sie den Strom anhand der Empfindlichkeit des Sensors (üblicherweise in mV/Gauss oder V/Tesla angegeben), der Referenzspannung der Stromversorgung und des proportionalen Zusammenhangs zwischen Magnetfeld und Strom.

Wichtige Hinweise:

• Kalibrierung: Hall-Sensoren müssen möglicherweise kalibriert werden, um Temperaturschwankungen und andere Einflüsse auszugleichen und eine genaue Strommessung zu ermöglichen.
• Lineares Verhalten: Stellen Sie sicher, dass der Hall-Sensor für optimale Ergebnisse innerhalb seines linearen Bereichs betrieben wird.

Wenn Sie diese Schritte befolgen, können Sie mithilfe eines Hall-Sensors Gleichstrom genau messen.

Komponenten:

1. Hall-Sensor: Erfasst das Magnetfeld, das durch den Wechselstrom im Leiter entsteht, und gibt eine zum Magnetfeld proportionale Spannung aus.
2. Last: Eine Last (z. B. ein Widerstand) schließt den Stromkreis, sodass Strom fließen kann.
3. Oszilloskop: Misst die Ausgangsspannung des Hall-Sensors und macht die Wechselstromkurve sichtbar.

Schritte zur Messung von Wechselstrom:

1. Komponenten verbinden:
   • Schließen Sie den Hall-Sensor und die Last gemäß den Anweisungen des Herstellers an. Der Sensor muss korrekt mit der Versorgungsspannung verbunden und passend in der Nähe des stromführenden Leiters positioniert sein.
2. Sensor positionieren:
   • Platzieren Sie den Hall-Sensor in der Nähe des wechselstromführenden Leiters. Achten Sie darauf, dass der Sensor senkrecht zu dem Magnetfeld ausgerichtet ist, das durch den Strom im Leiter entsteht.
3. Oszilloskop anschließen:
   • Verbinden Sie die Messspitzen des Oszilloskops mit dem Ausgang des Hall-Sensors. Stellen Sie das Oszilloskop auf die Messung von Wechselspannung ein. So können Sie die Spannungskurve beobachten, die durch das sich ändernde Magnetfeld entsteht.
4. Stromversorgung einschalten:
   • Schalten Sie die Wechselstromversorgung ein, damit Strom durch den Leiter fließt und um ihn herum ein Magnetfeld erzeugt. Der Hall-Sensor erfasst dieses Feld.
5. Ausgangssignal beobachten:
   • Auf dem Oszilloskop sehen Sie eine Wechselspannungskurve. Ihre Amplitude entspricht der Stärke des Magnetfelds, die proportional zum Wechselstrom im Leiter ist.
6. Wechselstrom berechnen:
   • Verwenden Sie die Empfindlichkeit des Hall-Sensors (häufig in Einheiten wie mV/Gauss oder V/Tesla angegeben), um die gemessene Spannung in einen entsprechenden Stromwert umzurechnen. Die Formel hängt von der angegebenen Empfindlichkeit des Sensors und der Amplitude der Wechselspannungskurve ab.

Wichtige Hinweise:

• Kalibrierung: Bei Hall-Sensoren können Temperatur und Magnetfeldstärke zu Abweichungen führen. Eine Kalibrierung ist daher wichtig, um den Strom genau zu messen.
• Analyse der Kurvenform: Da Sie Wechselstrom messen, zeigt die Kurve auf dem Oszilloskop sowohl die Amplitude als auch die Frequenz des Wechselstroms. Stellen Sie sicher, dass die Einstellungen des Oszilloskops (Zeit- und Spannungsskala) zur erwarteten Kurvenform passen.
• Sicherheit: Arbeiten an Wechselstromkreisen können gefährlich sein. Befolgen Sie daher stets geeignete Sicherheitsmaßnahmen, um Stromschläge und Schäden an Geräten zu vermeiden.

Wenn Sie diese Schritte befolgen und für eine geeignete Kalibrierung sorgen, können Sie Wechselstrom mit einem Hall-Sensor genau messen.

Um einen Stromsensor mit einem NodeMCU zu verbinden, sind einige Schritte erforderlich. Hier ist ein allgemeiner Überblick:

1.  Stromsensor auswählen: Es gibt viele Arten von Stromsensoren, etwa Hall-Sensoren oder Shunt-Widerstände. Wählen Sie einen Sensor passend zu Ihren Anforderungen und den verfügbaren Ressourcen aus.
2. Sensoranschlüsse identifizieren: Sehen Sie sich die Anschlussbelegung oder das Datenblatt des ausgewählten Stromsensors an und ermitteln Sie die Anschlüsse für Versorgungsspannung, Masse und Signalausgang.
3. Versorgungsspannung und Masse anschließen: Verbinden Sie den Versorgungsanschluss des Sensors mit dem 3,3-V-Anschluss des NodeMCU und den Masseanschluss des Sensors mit dem GND-Anschluss des NodeMCU.
4. Signalausgang anschließen: Verbinden Sie den Signalausgang des Sensors mit einem verfügbaren Analogeingang des NodeMCU, beispielsweise A0.
5. NodeMCU programmieren: Schreiben Sie Code, der das analoge Eingangssignal des Stromsensors einliest und die Daten verarbeitet. Beispielsweise können Sie mit der Funktion analogRead() die Spannung am Analogeingang einlesen und sie anhand der Empfindlichkeit des Sensors in einen Stromwert umrechnen. Anschließend können Sie die WLAN-Funktionen des NodeMCU nutzen, um die Daten an einen Clouddienst oder einen lokalen Server zu senden.

Das folgende Codebeispiel liest die Spannung an A0 ein und rechnet sie mithilfe eines Hall-Sensors mit einer Empfindlichkeit von 100 mV/A in einen Stromwert um:

Ein Stromwandler (CT) arbeitet wie ein herkömmlicher Transformator nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Seine Hauptaufgabe besteht darin, hohe Ströme aus einem elektrischen Energiesystem auf einen niedrigeren, handhabbaren Wert für Mess-, Schutz- und Steuergeräte umzuwandeln. Im Folgenden wird das Funktionsprinzip eines Stromwandlers erläutert:

1. Grundlegender Aufbau:

• Ein Stromwandler besteht typischerweise aus:
  • Primärwicklung: Der Leiter, durch den der hohe Strom fließt. Er kann eine einzelne Windung bilden oder einfach durch den Kern des Stromwandlers geführt werden.
  • Kern: Er besteht aus ferromagnetischem Material und bündelt das Magnetfeld, das durch den Strom in der Primärwicklung entsteht.
  • Sekundärwicklung: Sie ist um den Kern gewickelt und hat wesentlich mehr Windungen als die Primärwicklung. Sie wird mit Messgeräten, Relais oder anderen Mess- und Schutzeinrichtungen verbunden.

  2. Funktionsprinzip: elektromagnetische Induktion:

  Der Stromwandler arbeitet nach dem Faraday’schen Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Danach induziert ein sich änderndes Magnetfeld eine Spannung in einem benachbarten Leiter.

  • Primärstrom:
    • Wenn ein hoher Strom durch die Primärwicklung oder den Primärleiter fließt, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld.
    • Der Kern des Stromwandlers bündelt dieses Magnetfeld und koppelt es an die Sekundärwicklung.
    • Das vom Primärstrom erzeugte, sich ändernde Magnetfeld induziert in der Sekundärwicklung eine elektromotorische Kraft (EMK), durch die ein Strom fließt.
    • Der Sekundärstrom ist proportional zum Primärstrom, wird jedoch entsprechend dem Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung reduziert.
    • Das Verhältnis zwischen der Windungszahl der Sekundärwicklung und der Windungszahl der Primärwicklung bestimmt, wie stark der Strom reduziert wird.
    • Besteht die Primärseite beispielsweise aus einer Windung, also einem durch den Kern geführten Leiter, und die Sekundärseite aus 1000 Windungen, ergibt ein Primärstrom von 1000 A einen Sekundärstrom von 1 A (Verhältnis 1000:1).

    3. Betrieb mit geschlossenem Sekundärkreis:

    • Wenn Primärstrom fließt, muss der Sekundärkreis stets geschlossen sein: Die Sekundärwicklung muss entweder mit einer Last verbunden oder kurzgeschlossen sein. So kann das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld einen proportionalen Sekundärstrom induzieren.
    • Die Sekundärwicklung wird üblicherweise mit niederohmigen Messgeräten wie Amperemetern sowie mit Relais oder Schutzsystemen verbunden.

    4. Zweck und Anwendungen:

    • Strommessung: Stromwandler reduzieren den hohen Strom im Primärkreis auf einen niedrigeren, genormten Wert, beispielsweise 1 A oder 5 A, der mit Messgeräten sicher erfasst werden kann.
    • Schutz: Stromwandler liefern Stromsignale an Schutzrelais, die bei Überstrom oder Fehlern Leistungsschalter auslösen.
    • Trennung: Stromwandler trennen den Hochspannungs-Primärkreis aus Sicherheitsgründen elektrisch von den Niederspannungsgeräten für Messung und Schutz.

    5. Genauigkeitsklassen:

    Stromwandler sind auf hohe Genauigkeit ausgelegt, sodass der Sekundärstrom innerhalb einer festgelegten Genauigkeitsklasse direkt proportional zum Primärstrom ist, beispielsweise bei einem Fehler von 1 % oder 0,5 %. Genauigkeit ist sowohl bei Mess- als auch bei Schutzanwendungen entscheidend.

    Zusammenfassung der Funktionsweise:

    • Der Primärstrom erzeugt ein Magnetfeld im Kern des Stromwandlers.
    • Dieses sich ändernde Magnetfeld induziert einen Strom in der Sekundärwicklung.
    • Der Sekundärstrom ist entsprechend dem Windungsverhältnis eine verkleinerte Abbildung des Primärstroms.
    • Der Sekundärstrom kann anschließend gemessen oder für Steuerungs- und Schutzzwecke genutzt werden.

    So lassen sich hohe Ströme in elektrischen Energiesystemen sicher und genau messen, während Personal und Geräte geschützt werden.

Was ist ein Schaltnetzteil (SMPS)?

Im Vergleich zu herkömmlichen linearen Netzteilen bieten Schaltnetzteile (SMPS) einen höheren Wirkungsgrad und benötigen weniger Platz. Allerdings muss darauf geachtet werden, das Rauschen am Ausgang gering zu halten.

Überblick über Schaltnetzteile

Schaltnetzteile sind aufgrund ihrer Vorteile bei Größe, Gewicht, Kosten, Wirkungsgrad und Gesamtleistung weit verbreitet.

Dank dieser Eigenschaften kommen Schaltnetzteile in den meisten Arten elektronischer Systeme zum Einsatz und stellen dort effizient elektrische Energie bereit. Eine Ausnahme bilden besonders anspruchsvolle Anwendungen.

Schaltnetzteile sind inzwischen ein etablierter Bestandteil der Elektronik. Sie werden auch als Schaltwandler oder einfach als „Switcher“ bezeichnet.

Begriffe rund um Schaltnetzteile

Für die Technik der Schaltnetzteile (SMPS) werden mehrere eng verwandte Begriffe verwendet. Sie beziehen sich zwar auf dieselbe grundlegende Technik, bezeichnen aber unterschiedliche Teile des Gesamtsystems.

• Schaltnetzteil (SMPS): Dieser Begriff bezeichnet üblicherweise ein vollständiges Gerät, das an das Stromnetz oder eine andere externe Energiequelle angeschlossen wird und einen geregelten Ausgang bereitstellt. Es handelt sich also um ein komplettes Netzteil.
• Schaltregler: Damit ist üblicherweise nur die elektronische Schaltung gemeint, die die Spannung regelt. Ein Schaltregler ist ein Teil eines vollständigen Schaltnetzteils.
• Schaltregler-Controller: Viele integrierte Schaltregler enthalten das in Reihe geschaltete Schaltelement nicht. Das gilt besonders für Anwendungen mit höheren Strömen oder Spannungen, bei denen ein externes Schaltelement Strom, Spannung und die entstehende Verlustleistung besser aufnehmen kann.

Grundlagen von Schaltnetzteilen

Das Grundprinzip eines Schaltnetzteils (SMPS) besteht darin, die Ausgangsspannung mit einem Schaltregler zu regeln. Dazu wird ein in Reihe geschaltetes Schaltelement verwendet, das den Stromfluss zu einem Glättungskondensator periodisch ein- und ausschaltet.

Die Einschaltzeit des Schaltelements wird durch die Spannung am Kondensator bestimmt. Steigt die Spannung über den erforderlichen Wert, schaltet das in Reihe geschaltete Schaltelement ab; fällt sie darunter, schaltet es ein. Auf diese Weise wird die Spannung am Glättungs- beziehungsweise Energiespeicherkondensator auf dem erforderlichen Niveau gehalten.

Funktionsprinzip eines Schaltreglers

Diese Schaltung in EveryCircuit öffnen

Vor- und Nachteile von Schaltnetzteilen

Bei jeder Technik sollten Vor- und Nachteile sorgfältig abgewogen werden. Schaltnetzteile bieten mehrere klare Vorteile, haben aber auch Einschränkungen.

Vorteile von Schaltnetzteilen

• Hoher Wirkungsgrad: Aufgrund der schaltenden Arbeitsweise ist das in Reihe geschaltete Regelelement entweder ein- oder ausgeschaltet. Dadurch wird nur wenig Energie als Wärme abgegeben, was einen sehr hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
• Kompakte Bauweise: Der hohe Wirkungsgrad und die geringe Wärmeentwicklung ermöglichen eine kompakte Bauform von Schaltnetzteilen.
• Kosten: Die Kosten gehören zu den besonders attraktiven Eigenschaften von Schaltnetzteilen. Dank ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer schaltenden Bauweise geben sie weniger Wärme ab als lineare Netzteile, was die Kosten senken kann. Zudem ermöglicht der Schaltbetrieb, viele Funktionen mit kostengünstigeren Bauteilen umzusetzen.
• Technische Flexibilität: Schaltnetzteile können sowohl für Aufwärts- als auch für Abwärtswandler eingesetzt werden und ermöglichen so eine effiziente Spannungsumwandlung.

Nachteile von Schaltnetzteilen

• Störungen: Die beim Schalten entstehenden Spannungsspitzen sind einer der größten Nachteile von Schaltnetzteilen. Werden sie nicht ausreichend gefiltert, können sie sich in andere Teile der vom Schaltnetzteil versorgten Schaltung ausbreiten. Die Spannungsspitzen und kurzzeitigen Störungen können außerdem elektromagnetische oder hochfrequente Störungen verursachen, die elektronische Geräte in der Nähe beeinträchtigen, insbesondere Funkempfänger.
• Externe Bauteile: Auch wenn sich ein Schaltregler um einen einzigen integrierten Schaltkreis herum aufbauen lässt, werden meist zusätzliche externe Bauteile benötigt. Besonders wichtig ist der Energiespeicherkondensator; außerdem sind Filterbauteile erforderlich. Bei manchen Ausführungen lässt sich das in Reihe geschaltete Schaltelement in den Chip integrieren. Muss jedoch ein bestimmter Strom bereitgestellt werden, ist dieses Schaltelement meist extern ausgeführt. Die Bauteile beanspruchen Platz und erhöhen die Kosten.
• Fachkenntnisse bei der Entwicklung erforderlich: Ein funktionsfähiges Schaltnetzteil zu bauen, ist meist nicht schwierig. Anspruchsvoller ist es, die vorgegebenen Leistungswerte einzuhalten. Besonders die Begrenzung von Restwelligkeit und Störungen auf die geforderten Werte kann aufwendig sein.
• Filterung: Die Filterung eines Schaltnetzteils muss sorgfältig ausgelegt werden. Eine unzureichende Filterauslegung kann zu starkem Rauschen und hohen Spannungsspitzen am Ausgang führen.