Stromsensor
Nachfolgend finden Sie relevante Informationen zu Stromsensoren - die Links führen Sie zu unserem Danisense Stromsensorensortiment.
Eine Einführung in Stromsensoren
Ein Stromsensor ermöglicht die Messung. Sobald ein Konstrukteur über eine Messung verfügt, kann diese zur Überwachung, Steuerung und zum Schutz von Systemen verwendet werden. Stromsensoren werden immer häufiger in der Drehzahlregelung von Motoren, beim Überlastschutz, bei der Fehlererkennung, in Batterieladegeräten, Netzteilen und programmierbaren Stromquellen eingesetzt. Dieser Artikel befasst sich mit den gängigen Arten von Stromsensoren und ihren Vorteilen. Bei Danisense bezeichnen wir unser Produkt meist als Stromsensor oder Stromwandler.
Was ist ein Stromsensor?
Ein Stromsensor ist ein Gerät, das misst, wie viel Strom durch einen Leiter fließt. Die Implementierungen reichen von nicht-isolierten direkten Messverfahren bis hin zur Erfassung der Magnetfelder.
Aktuelle Sensorarchitekturen
Shunt-Widerstand Stromsensor
Dieser einfache Stromsensor arbeitet mit direkter Abtastung. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes (V=IR) ist der Wert des Shunts bekannt, die Spannung an ihm wird mit einem Verstärker gemessen, und so wird der Strom bestimmt. Dies funktioniert sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom, ist aber eine nicht isolierte Lösung.
Ein Stromsensor mit Shunt-Widerstand eignet sich nicht für Anwendungen mit hoher Spannung oder hoher Leistung, da im Shunt Wärme und Leistung verloren gehen. Normalerweise werden sie mit weniger als 20 A und 48 V verwendet. Der Shunt-Widerstand sollte eine hohe Toleranz, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten und einen geringen Widerstand aufweisen, um die Genauigkeit zu verbessern und Verluste zu reduzieren. Bei der physischen Implementierung werden oft mehrere Widerstände parallel geschaltet, um die Verluste zu reduzieren, was zu einer hohen Anzahl von Bauteilen führt. Stromsensoren mit Shunt-Widerstand benötigen mehr Platz auf der Platine, sind aber flache Lösungen.
Hall-Effekt Stromsensoren
Der Hall-Effekt besagt, dass, wenn ein stromdurchflossener Leiter (z.B. eine Metallplatte) in ein Magnetfeld gebracht wird, eine Spannung senkrecht zum Stromfluss erzeugt wird. Ohne das Magnetfeld fließt der Strom in einer geraden Linie, aber wenn ein Magnetfeld angelegt wird, verschiebt sich der Strompfad zu einer Seite, wodurch eine Spannungsdifferenz entsteht. Die Spannung ist direkt proportional zum Strom und kann daher berechnet werden.
Ein Hall-Effekt Stromsensor verwendet ein Hall-Element. Wenn das Hall-Element mit Strom versorgt wird und sich in einem Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche befindet, erzeugt es eine Spannung, die proportional zur Stärke des Magnetfelds ist.
Das Ampere’sche Gesetz besagt, dass, wenn ein Strom in einem Leiter fließt, ein Magnetfeld erzeugt wird. Der Stromsensor hat einen Magnetkern, der dazu dient, das vom Strom erzeugte Magnetfeld in einem Luftspalt zu konzentrieren. Das Hall-Element wird in den Luftspalt eingesetzt, und die resultierende Ausgangsspannung ist direkt proportional zum ursprünglichen Strom. Hall-Effekt Stromsensoren bieten eine gute Genauigkeit, kompakte Größe, schnelle Reaktionszeit, geringe Einfügungsdämpfung, niedrige Kosten und arbeiten sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom.
Open Loop versus Closed Loop Stromsensoren
Das Hauptproblem des Stromsensors mit offenem Regelkreis ist die Linearität und der Temperatur-Offset-Drift, die beide durch die Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis behoben werden.
Bei einem Stromsensor mit geschlossener Schleife speist ein zweiter Halleffekt-Stromsensor den Strom in eine zweite Magnetspule zurück, die in der entgegengesetzten Richtung angeordnet ist. Dies kompensiert Nichtlinearitäten und Temperaturdrift, bietet eine schnellere Reaktion und ist relativ immun gegen elektrisches Rauschen.
Sowohl Hall-Effekt-Stromsensoren mit offenem als auch mit geschlossenem Regelkreis haben einen Luftspalt, der empfindlich auf äußere Magnetfelder reagiert, was sie für Anwendungen mit großen EMF, wie z.B. Kernspintomographen, oder große Stromversorgungen ungeeignet macht.
Magento Widerstand
Ein Magneto-Widerstand ist ein Bauteil, dessen Widerstand sich proportional zum Magnetfeld ändert. Wenn ein Magneto-Widerstand im Luftspalt platziert wird, erzeugt der Primärstrom ein Magnetfeld, das den Widerstand des Materials verändert und zu einer Strommessung führt. Dieser Ansatz hat eine niedrigere Offset-Temperatur und ist in der Regel genauer als ein Hall-Effekt-Stromsensor, aber der Luftspalt bedeutet, dass er immer noch empfindlich gegenüber EMV ist.
Fluxgate Stromsensor
Ein Fluxgate ist ein Gerät mit einem hochpermeablen Kern, dessen Strom schnell in die Sättigung geht. Wenn ein Fluxgate mit einer Rechteckwelle betrieben wird, wird das Stromprofil zu einer Reihe von positiven und negativen Sättigungs- und Entsättigungszyklen. Die Platzierung des Fluxgates im Luftspalt eines Kerns, wo das Magnetfeld konzentriert ist, führt zu einer Verschiebung des Nulldurchgangspunkts dieser Zyklen. Durch Signalverarbeitung wird die Verschiebung in eine Strommessung umgewandelt. Fluxgate-Stromsensoren haben gute Offset- und Drifteigenschaften. Es gibt mehrere Varianten, die die Leistung steigern sollen.
Geschlossene Schleife
Ähnlich wie beim Hall-Effekt Stromsensor kann eine geschlossene Schleifenarchitektur erstellt werden. Der ausgegebene Strom wird in ein sekundäres Element zurückgeführt, das ein Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung erzeugt. Bei dieser Methode ist das Magnetfeld, das das Fluxgate erfährt, immer Null, wodurch Offset- und Linearitätsprobleme vermieden werden.
Einzelkern und Doppelkern
Der einadrige Stromsensor verwendet eine Spule ohne Luftspalt als Fluxgate-Element. Durch den Wegfall des Luftspalts vermeidet das Design die Empfindlichkeit gegenüber EMF, wodurch sich die nützlichen Anwendungen auf Stromversorgungen und MRTs ausweiten. Es hat eine hohe Auflösung, aber da die Sättigung sehr schnell eintritt, ist die Bandbreite auf wenige Hertz begrenzt. Ein Doppelkern-Stromsensor erhöht die Bandbreite durch Hinzufügen eines Wickelkerns, was auch den Preis erhöht.
Ausgewogener Kern
Ein symmetrischer Kernstromsensor verwendet zwei aufeinander abgestimmte Fluxgate-Elemente, die sich gegenüberstehen. Dies macht das Design immun gegen externe Faktoren wie Temperatur und EMV, da es einen inhärenten Ausgleich zwischen den beiden Elementen gibt. Mit diesem Ansatz wird eine sehr hohe Genauigkeit erreicht, selbst in schwierigen Umgebungen.
Fluxgate-Stromsensoren sind teurer als Hall-Effekt-Stromsensoren. Außerdem benötigen die Kerne eine gewisse Höhe, was eine Designeinschränkung darstellen kann, aber sie bieten die höchste Genauigkeit der diskutierten Designs. Diese drei letztgenannten Modelle haben den Vorteil, dass sie keinen Luftspalt haben und daher für hohe EMF geeignet sind.
Nur AC Stromsensoren
Rogowski-Spule
Eine Rogowski-Spule ist eine einlagige Wicklung auf einem nichtmagnetischen Kern, der oft auch als Luftkern bezeichnet wird. Die Spule wird um den Draht gelegt, der den zu messenden Strom führt. Wenn sich die Polarität des Wechselstroms ändert, dehnt sich das erzeugte Magnetfeld aus und bricht zusammen. Das sich ändernde Magnetfeld induziert in den Wicklungen der Rogowski-Spule einen Strom, der proportional zum Primärstrom ist und zu einem Messwert verarbeitet wird.
Ein großer Vorteil eines Luftkerns ist die fehlende magnetische Sättigung, die selbst bei hohen Strömen eine sehr lineare Leistung erzeugt. Die Rogowski-Spule wird meist für hohe Ströme und Signale mit hochfrequenten Oberwellen verwendet, da ihre Bandbreite bis in den MHz-Bereich reicht. Der Kern kann auch flexibel sein und leicht um das Testkabel gewickelt werden, wodurch sie sich für schwierige Nachrüstungen oder stromführende Leitungen eignen.
Stromwandler Sensor
Ein Stromwandlersensor ist eine Rogowski-Spule mit einem Magnetkern, der den magnetischen Fluss im Inneren der Spule konzentriert. Dadurch entsteht eine direkte Beziehung zwischen dem Spulenstrom und dem Primärstrom. Sie benötigen keine Stromversorgung, haben eine sehr geringe Verlustleistung und können daher auch bei höheren Signalpegeln eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Größe und Kosten werden sie meist in Systemen mit hoher Leistung eingesetzt.
Überlegungen bei der Auswahl eines Stromsensors
Jede Stromsensor-Topologie hat ihre eigenen Vorteile. Ein Designer muss die Einschränkungen in der Anwendung berücksichtigen und wissen, welche Aspekte am wichtigsten sind.
- AC und DC, oder nur AC
- Hohe Spannung, Strom oder Leistung
- Platz auf der Platine, Höhe, Anzahl der Komponenten, Kosten
- Reaktionszeit, Genauigkeit, Bandbreite, Geschwindigkeit
- Umweltfaktoren wie Lärm oder EMF