Was ist ein Stromsensor?
Ein Stromsensor ist ein Gerät, das den in einem Stromkreis fließenden Strom misst.
Stromsensoren werden in Stromkreise eingebaut, was gefährlich sein kann und die Unterbrechung des Stromkreises erfordert. Es gibt aber auch Typen, die den Strom messen können, indem sie einfach einige Drahtabschnitte des Stromkreises von außen abklemmen.
Anwendungen von Stromsensoren
Stromsensoren werden in Situationen eingesetzt, in denen man den Wert des in einem bestimmten Stromkreis fließenden Stroms kennen möchte. Stromsensore, die direkt in einen Stromkreis integriert sind, werden häufig verwendet, wenn der Wert des Stroms, der in einem Stromkreis fließt, regelmäßig gemessen und aufgezeichnet werden soll. In diesem Fall werden die Informationen für die Selbstwartung der in Betrieb befindlichen Geräte verwendet.
Andererseits sind Stromsensoren, die den Stromkreis von außen abklemmen, in nicht-routinemäßigen Situationen nützlich, z. B. bei der Vor- und Nachkontrolle der Stromzufuhr bei Elektroinstallationsarbeiten oder bei der Überprüfung des unter Spannung stehenden Teils eines Stromkreises, um die Ursache eines Fehlers zu ermitteln.
Funktionsweisen der Stromsensoren
Stromsensoren, die direkt an den Stromkreis angeschlossen werden, wirken wie ein Widerstand und messen den tatsächlichen Stromwert, der durch die an den Stromkreis angelegte Spannung fließt. Stromsensoren mit Zangen sind nicht direkt mit dem Stromkreis verbunden und können daher nicht den tatsächlichen Strom messen, der im Stromkreis fließt. Daher wird das Magnetfeld, das durch den in den Drähten des Stromkreises fließenden Strom erzeugt wird, gemessen und als Stromäquivalentwert ausgegeben.
Konkret befindet sich im Klemmbereich ein Magnetkern, in dem das Magnetfeld erfasst und in einen Stromwert umgewandelt wird, aber da die Polarität des Magnetfelds zwischen Wechsel- und Gleichstrom unterschiedlich ist, ist auch das Prinzip der Erfassung unterschiedlich. Unter den vielen verschiedenen Messmethoden ist die Hall-Element-Methode diejenige, die sowohl Gleich- als auch Wechselstrom erfassen kann.
Bei dieser Methode wird ein Hall-Element in den Magnetkern eingebaut, um das im zu prüfenden Kreis erzeugte Magnetfeld als Spannung zu messen, die über einen eingebauten Verstärker in einen Stromwert umgewandelt wird.
Wie man einen Stromsensor auswählt
Stromsensoren gibt es für Gleich- und Wechselstromkreise. Es ist wichtig, den geeigneten current-sensor je nach der Stromkomponente des zu messenden Stromkreises und der gewünschten Messgenauigkeit auszuwählen.
Im Allgemeinen sollte, wenn keine große Genauigkeit erforderlich ist, ein Hall-Element-Typ gewählt werden, der sowohl für Gleichstrom- als auch für Wechselstromkreise geeignet ist, wobei jedoch davon ausgegangen wird, dass es in manchen Fällen, z. B. bei der Einbaulage des Stromkreises, nicht möglich ist, ihn richtig zu klemmen.
Für Wechselstrom ist ein Stromsensor des Typs Rogowski ohne Kern zu wählen, der die Messung unter Biegung des Klemmteils ermöglicht.
Weitere Informationen zu Stromsensoren
1. Erfassungsmethoden von Stromsensoren
Stromsensoren werden je nach den Merkmalen der Erfassungsmethode unterschiedlich eingesetzt. Die Stromerkennungsmethoden lassen sich grob in zwei Typen einteilen: die Widerstandserkennung und die Magnetfelderkennung.
Widerstandsdetektion
Bei der Widerstandsdetektion wird der Strom durch einen Widerstand, den so genannten Shunt-Widerstand, an der Stelle erfasst, an der der zu messende Strom fließt. Nach dem Ohm’schen Gesetz kommt es zu einem Spannungsabfall, wenn ein Strom durch den Widerstand fließt.
Indem man diesen Spannungswert misst und durch den Widerstandswert dividiert, kann man den Strom messen. Je nach Schaltungsaufbau ist es üblich, einen kleinen Widerstandswert für den Shunt-Widerstand zu wählen, damit er die Funktion der Schaltung nicht beeinträchtigt.
Bei der Messung großer Ströme können jedoch die Wärmeentwicklung und die Spannungsfestigkeit des Widerstandswertes ein Problem darstellen. Wenn der Spannungsabfall gering ist, muss die zu erfassende Spannung mit einem Strommessverstärker verstärkt werden.
Typ der Magnetfelderfassung
Der Magnetfelderkennungstyp misst das durch den fließenden Strom erzeugte Magnetfeld. Nach dem Ampere’schen Gesetz wird bei Stromfluss ein Magnetfeld in der Richtung erzeugt, in die sich der rechte Faden dreht, wenn die Stromrichtung die Bewegungsrichtung des rechten Fadens ist.
Dieses Magnetfeld wird mit Hilfe eines Hall-Elements erfasst. Hall-Elemente sind Elemente, die den Hall-Effekt nutzen, ein Phänomen, bei dem eine elektromotorische Kraft in einer Richtung auftritt, die orthogonal sowohl zum Strom als auch zum Magnetfeld ist, und die zur Erfassung von Magnetfeldern verwendet werden.
2. Stromsensorschaltung
Widerstandsdetektoren mit Shunt-Widerständen werden zur Erkennung von Überströmen in Stromversorgungen wie DCDC-Wandlern, stromgesteuerten LED-Treibern, zur Stromkontrolle in Motorantriebsschaltungen und zum Schutz von Stromkreisen eingesetzt. Bei der Magnetfelderfassung mit Hall-Elementen muss kein Element auf dem Stromkreis platziert werden, in dem der Strom gemessen werden soll, so dass sie auch in Stromzangenamperemetern, die die Verdrahtung abklemmen und den Strom messen, und bei der Erfassung der Motorposition verwendet wird.
Die Stromerfassung mit Widerstandsdetektoren mit Shunt-Widerständen und Magnetfelddetektoren mit Hall-Elementen haben oft einen kleinen Ausgang, so dass es beim Aufbau einer Schaltung mit diskreten Komponenten üblich ist, einen Strommessverstärker und einen Operationsverstärker in der Schaltung zu kombinieren. Die Hersteller bieten auch spezielle ICs mit eingebauten Verstärkern anstelle von diskreten Bauteilen an, die je nach Anwendung und Eigenschaften ausgewählt werden können.