Stromsensor

Kleiner, direkt abbildender Stromsensor 100A DC für Anwendungen in der Raumfahrt

Stromsensoren sind elektrische Bauelemente, mit denen die Stromstärke in Kabeln und Stromschienen in der Regel galvanisch getrennt (berührungslos) anhand deren Magnetfeldern gemessen werden kann.

Dabei sind reine Wechselstromsensoren und Gleichstromsensoren, die zudem auch Wechselströme messen können, zu unterscheiden.

Wechselstromsensoren (Stromwandler)

Wechselstromsensoren (Stromwandler im engeren Sinne) sind meist mit einem Ringkern wie ein Transformator konstruierte Bauteile, bei denen das magnetische Wechselfeld eines vom Wechselstrom durchflossenen Leiters einen Wechselstrom in einer Spule induziert. Dieser Wechselstrom ist dem Messstrom über das reziproke Windungszahlverhältnis proportional und stellt entweder direkt das Messsignal dar oder wird mittels eines Widerstandes (Shunt) in eine stromproportionale Spannung gewandelt.

Für kleine Ströme haben diese Stromwandler eine Wicklung für den zu messenden Wechselstrom, für große Ströme wird der Stromwandler über einen Leiter oder eine Stromschiene geschoben, so dass sich eine einzige „Windung“ ergibt.

Durch Wahl des Windungszahlverhältnisses der beteiligten Spulen kann ein großer Messbereich abgedeckt werden, ohne den primären Stromkreis nennenswert zu beeinflussen. An den Klemmen der Messwicklung darf nur eine maximale Spannung anliegen, um Messfehler zu vermeiden. Die Größe dieser Spannung wird durch die sogenannte Bürde bestimmt, d.h. durch die angeschlossenen Geräte (Shunt, Stromzähler, Dreheisenmesswerk).

Diese Stromwandler müssen im Betrieb davor geschützt werden, dass die Messanschlüsse offen bzw. unbeschaltet sind, da ansonsten sehr hohe Spannungen und eine hohe Verlustleistung auftreten.

Es gibt auch ausschließlich für Wechselströme ausgelegte Stromzangen mit großer Öffnung, die über den Stromleiter „geklappt“ werden können.

Stromwandler nach diesem Prinzip benötigen keine eigene Energie zum Betrieb.

Gleichstrom- bzw. Allstromsensoren

50A DC Kompensationswandler

Auch bei diesen Sensortypen kommt es kaum zu einem Spannungsabfall im Messstromkreis, sie sind daher insbesondere bei großen Strömen eine Alternative zu einem Shuntwiderstand. Auch bei kleinen Strömen können diese Stromsensoren wirtschaftlich sein, da sie eine Potenzialtrennung bieten.

Prinzipiell sind Stromsensoren, die mit Hall-Sensoren ausgerüstet sind, temperaturempfindlich und müssen gegebenenfalls temperaturkompensiert werden. Sehr hohe Ströme (auch nur kurzzeitige Einschaltströme) können das eingesetzte Kernmaterial dauerhaft magnetisieren, was zu Messfehlern bzw. Nullpunktabweichungen (Offsetfehler) durch Remanenz führt.

Solche Sensoren sind meist ungenauer als auf Shunts basierende, da eine Reihe von mechanischen und elektrischen Komponenten dazukommen, die fertigungsbedingten Streuungen unterworfen sind. Sehr hohe Ströme können durch starke Erwärmung (Dauerüberlastung) jedoch auch die Eigenschaften von Shunt-Widerständen irreversibel verändern, so dass es zu einem bleibenden Messfehler kommt.

Zur Gleichstrommessung (sowie begleitender Wechselströme) werden konkurrierende Methoden und Sensoren angewendet, die im Gegensatz zu Stromwandlern und Shunts alle eine Hilfsenergie benötigen:

• Direkt abbildende Stromsensoren arbeiten mit einem Hallsensor. Dabei wird ein geschlitzter Ringkern (Ringkern mit Luftspalt) aus einem möglichst linearen, weichmagnetischen ferromagnetischen Material benutzt, der entweder den stromführenden Leiter umschließt oder auf den eine Primärwicklung mit einigen wenigen Windungen aufgebracht wird. Der Sensor selbst ist im Luftspalt untergebracht. Der Luftspalt begrenzt zugleich die magnetische Flussdichte, linearisiert den Zusammenhang zwischen Magnetfeld und Strom und ermöglicht so Messungen über einen großen Bereich. Das Messsignal des Hallsensors ist proportional zum Magnetfeld und somit zum Strom. Im Bereich um 0 Ampere, bzw. bei sehr kleinen Strömen ist die Abbildung nicht exakt linear. Bei sehr kleinen Strömen kann sich das statische Erdmagnetfeld störend bemerkbar machen. Nach diesem Prinzip arbeiten auch Stromzangen, diese bestehen aus einem aufklappbaren Ringkern.

• Kompensationsstromwandler mit Hallsonde sind ähnlich wie direktabbildende Sensoren aufgebaut. Auf dem den Leiter umschließenden Kern ist jedoch zusätzlich eine Wicklung aufgebracht, die von einem Kompensationsstrom durchflossen wird, der von einer elektronischen Schaltung derart erzeugt wird, dass sich am Sensor die Magnetfelder des Messstromes und des Kompensationsstromes (Gegenfeld) aufheben. Ein in die Kompensationswicklung über die Anschlussklemmen extern eingeschleifter Messwiderstand erzeugt eine dem Strom proportionale Spannung, die das Ausgangssignal bildet. Kompensationswandler sind präziser als Hall-Stromwandler, aber auch teurer. Sie verbrauchen mehr Strom für den Betrieb, haben jedoch geringere Offset- und Linearitätsfehler.

• Kompensationsstromwandler mit weichmagnetischer Sonde besitzen ebenfalls einen Kern aus ferromagnetischen Materialien, dieser hat jedoch keinen Luftspalt, sondern einen integrierten weichmagnetischen Sensor. Dieser steuert ebenso wie bei den Kompensationsstromwandlern mit Hall-Sensor über eine Elektronik den Strom durch eine Kompensationswicklung, so dass der Magnetfluss null wird. Diese Stromsensoren haben sehr viel kleinere Offset-, Hysterese- und Temperaturfehler als Hall-Stromsensoren.

Stromsensoren für die Automatisierungstechnik

In der Automatisierungstechnik sind Signale mit 0…10 V oder 4…20 mA üblich, um verschiedene physikalische Größen analog zu übertragen. Für diese Signalpegel sind obige Stromsensoren und Stromwandler meist nicht geeignet, da sie keine genügend hohen Bürden bieten bzw. nicht den Offsetwert von 4 mA aufweisen. Für die Automatisierungstechnik werden daher Stromsensoren mit 0…10-V- oder 4…20-mA-Ausgang angeboten. Sie besitzen dazu eine integrierte Signalaufbereitung samt Skalierung, die bei einem Wechselstrom oft dessen Effektivwert und bei Gleichstrom oft den Mittelwert ausgibt.

Stromsensoren für die Fahrzeugindustrie

Stromsensoren, die in KFZ eingesetzt werden, um z.B. Batteriespannungen und das Boardnetz zu überwachen, verfügen oft über CAN- und LIN-Busanschlüsse, welche mit Mikroprozessoren realisiert werden. Andere Typen stellen einen PWM-Ausgang zur Verfügung.

Weitere Stromsensoren

Auswertung der Jouleschen Wärme

Für hochfrequente Ströme wird manchmal ein Draht verwendet, der sich durch den zu messenden Strom erwärmt. Diese Erwärmung wird mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung gemessen, z.B. mit einem Hitzdrahtmesswerk oder - bei entsprechendem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des Drahtes - einer Widerstandsmessung.

In Motorschutzschaltern und Leitungsschutzschaltern werden Bimetall-Streifen verwendet, die entweder selbst vom Strom durchflossen werden oder eine dicke Heizwicklung tragen.
Solche Stromsensoren haben eine dem Effektivstrom proportionale Auslenkung und eine gewisse thermische Trägheit und sind daher besonders für Überstromschutzeinrichtungen geeignet. Sie werden auch im Sekundärkreis von Stromwandlern eingesetzt.

Nutzung des Faraday-Effektes

geschlitzter Ringkern

Hier ist der Leiter, in dem der Strom gemessen werden soll, mit einem transparenten optischen Medium umgeben (z. B. mit einer Glasfaser umschlungen). Die Polarisationsrichtung eines durch das Medium tretenden linear polarisierten Lichtstrahls wird durch das den Leiter umgebende Magnetfeld aufgrund des Faraday-Effektes gedreht. Solche faseroptischen Stromsensoren (kurz FOCS von fiber-optical current sensor oder MOCT von magneto-optical current transformer) arbeiten ganz ohne magnetische Beeinflussung des Leiters und bieten überdies eine Potentialtrennung auch bei hohen Spannungen. Dementsprechend werden sie u. a. in der Energietechnik (Hochspannungsnetz) als Alternative zu Stromwandlern eingesetzt. Eine weitere Anwendung sind Messungen sehr hoher Ströme in der Elektrolysetechnik. ^{[1] [2]} FOCS messen bis zu 500kA und können eine Genauigkeit von bis zu 0,1% erreichen.^[3]

Magnetoresistiver Effekt ohne Ringkern

Stromsensor-IC über stromführender Leiterbahn

Besonders kompakt fallen Stromsensoren aus, die den Magnetoresistiven Effekt benutzen und dabei ohne externen Ringkern (Magnetfeldformung) auskommen.^[4] Der Sensor befindet sich hier in einem IC. Der Strom wird durch das Bauteil geleitet oder dieses über der zu messenden Leiterbahn platziert. Der Messbereich liegt bei einigen hundert Milliampere bis etwa hundert Ampere.

Hersteller

• BFi OPTiLAS GmbH, Deutschland http://www.bfioptilas.de/
• LEM, Schweiz http://www.lem.com/
• Honeywell, USA http://www.honeywell.com
• Pewatron, Schweiz http://www.pewatron.com/GB/default.htm
• Sensitec, Deutschland http://www.sensitec.de
• Tiemann, Hamburg
• Vacuumschmelze, Deutschland http://www.vacuumschmelze.com
• Wang Enterprises, China
• ABB Schweiz AG, FOCS http://www.abb.com/product/seitp322/87658a38b941842dc1256f480034c11c.aspx
• Allegro Microsystems, USA http://www.allegromicro.com/en/Products/Categories/Sensors/currentsensor.asp

Quellen/Referenzen

1. ↑ http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot232.nsf/VerityDisplay/77A45B68C2E86707C1256FF6004DA0A5/$File/3BHS206318D01_Rev-_ABB%20Review%20D.pdf
2. ↑ http://www.hta-bu.bfh.ch/e/enl/enl-faradayd.htm
3. ↑ http://www.abb.de/cawp/seitp202/c8448d801f0635dbc1257169002d8156.aspx
4. ↑ Produktvorstellung bei elektroniknet.de