Stromsensor

Stromsensor für die Messung von Gleichstrom in der Raumfahrt

Stromsensoren sind elektrische Bauelemente, mit denen die Stromstärke in Kabeln und Stromschienen in der Regel galvanisch getrennt (berührungslos) anhand der durch elektrische Ströme ausgelösten magnetischen Flussdichte gemessen werden können.

Es wird zwischen Sensoren, die nur Wechselstrom erfassen können, und solchen, die Gleich- und Wechselströme erfassen können, unterschieden.

Wechselstromsensoren

Wechselstromsensoren werden als Stromwandler im engeren Sinne bezeichnet. Sie bestehen meist aus einem Ringkern und sind wie ein Transformator ausgeführt. Das magnetische Wechselfeld eines vom zu erfassenden Wechselstrom durchflossenen Leiters induziert in der Messspule einen Wechselstrom, der über das reziproke Windungszahlverhältnis proportional zum Messstrom ist. Stromwandler stellen Stromquellen dar und sind mit einer maximal zulässigen sogenannten Bürde (Abschlusswiderstand) abzuschließen. Dies dient zur Vermeidung von unzulässig hohen Ausgangsspannungen die bis zur Selbstzerstörung gehen kann oder Kernerwärmung durch erreichen der Kernsättigung. Ebenso bestimmt der Abschlusswiderstand die untere Grenzfrequenz des Stromtransformators und das Phasenverhalten. Um niedrige Frequenzen verarbeiten zu können, muss die Induktivität sehr hoch sein und der Gesamtwiderstand möglichst klein. Letzteres kann man mit einem Messverstärker mit einer passenden negativen Eingangsimpedanz erreichen. Der Kern ist möglichst permeabel. Moderne Varianten bestehen zum Beispiel aus amorphem Eisen um dies zu erreichen. Dadurch erreichen Wandler mit nur 1000 Windungen Werte im Bereich von 100 H Induktivität. Ungenutzte Wandler werden kurzgeschlossen.

Für kleine Ströme haben Stromwandler eine eigene Wicklung für den zu messenden Wechselstrom. Für große Ströme – die Bereiche gehen je nach Typ bis in den Bereich einiger Kiloampere – wird der Stromwandler über den massiven Leiter (z. B. eine Stromschiene) geschoben, sodass sich nur eine einzige „Windung“ durch den Wandler hindurch ergibt.

Weitere Ausführungen:

• für Wechselströme ausgelegte Stromzangen mit großer Öffnung, die über den zu messenden Stromleiter „geklappt“ werden können.
• Ferrit-Ringkern-Stromwandler in Schaltnetzteilen, Umrichtern oder anderen höherfrequenten Anwendungen
• Rogowski-Spule: Spule ohne Kern um den zu messenden Leiter (dies ist kein Stromwandler im oben beschriebenen Sinn).

Durch Wahl des Windungszahlverhältnisses der beteiligten Spulen kann ein großer Messbereich abgedeckt werden, ohne den primären Stromkreis nennenswert zu beeinflussen. Stromwandler nach diesem Prinzip benötigen keine externe Energie zum Betrieb.

Gleichstromsensoren

50 A Kompensationswandler für Gleichstrom

Gleichstromsensoren können prinzipbedingt auch Wechselströme und transiente Vorgänge erfassen. Sie benötigen eine Hilfsenergiequelle (Speisespannung).

Wandler mit Hallsonde

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

Direkt abbildende Stromsensoren

Geschlitzter Ringkern

Diese Sensoren arbeiten mit einem Hallsensor. Dabei wird ein geschlitzter Ringkern 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 Hallsensor selbst ist im Schlitz (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. Bei sehr kleinen Strömen ist die Abbildung nicht exakt linear, eventuell kann sich sogar das Erdmagnetfeld störend bemerkbar machen.

Nach diesem Prinzip arbeiten meist auch Stromzangen, die Gleich- und Wechselströme erfassen können. Diese Stromzangen bestehen aus einem aufklappbaren Ringkern.

Kompensationsstromwandler mit Hallsonde

Diese Sensoren 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 direkt abbildende Hall-Stromsensoren, unter anderem kann damit bei genauen Messungen und kleinen Strömen der Einfluss des Erdmagnetfeldes minimiert werden. Sie haben geringere Offset- und Linearitätsfehler. Sie sind aber auch teurer und benötigen mehr Hilfsenergie.

Kompensationsstromwandler mit weichmagnetischer Sonde

Diese Sensoren 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, sodass der Magnetfluss null wird. Diese Stromsensoren haben sehr viel kleinere Offset-, Hysterese- und Temperaturfehler als Hall-Stromsensoren.

Weitere Stromsensoren

Sensor mit Reed-Schalter

Hier wird ein Reed-Schalter axial ins Innere einer Spule gebracht, die das Glasröhrchen (engl. „reed“) eng umschließt. Durch die Wahl der Windungszahl der Spule lässt sich bestimmen, bei welchem Strom der Reedkontakt schließt. Dieser Schaltstrom kann z. B. von einer LED angezeigt werden, die vom Reedkontakt eingeschaltet wird.

Thermische Sensoren

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, Leitungsschutzschaltern und Thermorelais werden Bimetall-Streifen verwendet, die entweder selbst vom Strom durchflossen werden oder eine dicke Heizwicklung tragen. Solche Stromsensoren haben eine dem Effektivstrom folgende Auslenkung und eine gewisse thermische Trägheit und sind daher besonders für Überstromschutzeinrichtungen geeignet. Sie werden auch im Sekundärkreis von Stromwandlern eingesetzt, um im Überstromfall Leistungsschalter des Hauptkreises abzuschalten.

Faraday-Effekt

Hier ist der Leiter, in dem der Strom gemessen werden soll, mit einem transparenten optischen Medium umgeben, beispielsweise mit einer Glasfaser. Die Polarisationsrichtung eines durch das Medium tretenden linear polarisierten Lichtstrahls wird durch das den Leiter umgebende Magnetfeld aufgrund des Faraday-Effektes gedreht. Durch Messung dieser Drehung der optischen Ebene kann der elektrische Strom im Leiter ermittelt werden. Solche faseroptischen Stromsensoren, abgekürzt FOCS von englisch fiber optical current sensor, oder MOCT von englisch magneto optical current transformer, arbeiten ganz ohne magnetische Beeinflussung des Leiters und bieten überdies eine Potentialtrennung auch bei sehr hohen elektrischen Spannungen. Dementsprechend werden sie u. a. in der elektrischen Energietechnik im Bereich von Hochspannungsanlagen als Alternative zu Stromwandlern eingesetzt. Eine weitere Anwendung sind Messungen sehr hoher Ströme in der Galvanotechnik.

Der Messbereich von FOCS geht bis zu 500 kA (Impulsströme) und können eine Genauigkeit von 0,1 % erreichen.

Magnetoresistiver Effekt ohne Ringkern

Stromsensor-IC über stromführender Leiterbahn

Neben den Hall-Sonden gibt es weitere kompakte Stromsensoren, die einen magnetoresistiven Effekt nutzen, dabei aber ohne externen Ringkern zur Magnetfeldformung auskommen.

Der Sensor befindet sich in einem integrierten Schaltkreis. Der Strom wird durch das Bauteil geleitet oder dieses wird über der zu messenden Leiterbahn auf der Leiterplatte platziert, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Der Messbereich liegt bei einigen 100 mA bis zu einigen Ampere.

Bauformen von Stromsensoren

Automatisierungstechnik

In der Automatisierungstechnik sind Signale mit 0–10  V und 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 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.

Fahrzeugindustrie

Stromsensoren, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um z. B. Batteriespannung und Bordnetz zu überwachen, verfügen oft über CAN- und LIN-Busanschlüsse, die mit Mikroprozessoren realisiert werden. Andere Typen stellen einen PWM-Ausgang zur Verfügung.

Energietechnik

Stromwandler und -sensoren für hohe Spannungen haben oft die Bauform eines Stützisolators. Bei Niederspannung (<1000 V) stecken sie auf der Stromschiene. Da sie den Kurzschlussstrom und in vielen Fällen auch Blitzeinschläge aushalten müssen, sind sie mechanisch stabil, um den Magnetkräften standhalten zu können. Sie sind oft mit Kunstharz vergossen bzw. ummantelt. Zur Anzeige des Stromes werden oft Dreheisenmesswerke verwendet, deren Skala auf das Übersetzungsverhältnis angepasst ist. Der Sekundärstrom ist typischerweise 5 Ampere. Dreheisenmesswerke zeigen den Effektivwert an.

Leistungselektronik

Stromsensoren für die Lötmontage auf Leiterplatten sind hier typisch, wobei die Messstromwindung Bestandteil ist oder auch nicht. Es gibt sowohl solche als fertiges Bauelement als auch anwenderspezifische Konstruktionen aus Ferrit-Ringkernen zur Anwendung in Schaltnetzteilen oder Invertern.

Montage

Vollautomatisierte Montage durch Drohnen

Stromsenoren werden beispielsweise an Freileitungen zur Stromlastoptimierung durch künstliche Intelligenz zunehmend durch Drohnen vollautomatisiert montiert. Die Drohne fliegt hierbei den Sensor an die Leitung, wo er sich an der Leitung zusammenzieht. Zielsetzung ist die Minimierung von Montagekosten und des Sicherheitsrisikos. Das Patent hierzu wurde von der Firma Heimdall AS im Jahr 2020 angemeldet.