Die Grundlagen der Stromsensoren

Stromsensoren sind entweder offen oder geschlossen. Open-Loop-Stromsensoren messen Wechsel- und Gleichströme und sorgen für eine galvanische Trennung zwischen dem zu messenden Stromkreis und dem Ausgang des Sensors (der Primärstrom wird ohne elektrischen Kontakt mit dem Primärkreis gemessen und sorgt für eine galvanische Trennung). Stromsensoren mit offenem Regelkreis sind kostengünstiger als ihre Cousins mit geschlossenem Regelkreis und werden in batteriebetriebenen Schaltkreisen aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs und ihres geringen Platzbedarfs bevorzugt.

Sensoren mit geschlossenem Regelkreis messen Wechsel- und Gleichströme und sorgen für eine galvanische Trennung. Sie bieten schnelles Ansprechen, hohe Linearität und geringe Temperaturdrift. Der Stromausgang des geregelten Sensors ist relativ unempfindlich gegen elektrisches Rauschen. Der Closed-Loop-Sensor wird manchmal auch als "Zero-Flux" -Sensor bezeichnet, da sein Hall-Effekt-Sensor einen Gegenstrom in eine Sekundärspule zurückspeist, die auf den Magnetkern gewickelt ist, um den vom Primärstrom im Magnetkern erzeugten Fluss auf Null zu setzen. Sensoren mit geschlossenem Regelkreis sind häufig die Sensoren der Wahl, wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist.

Schauen wir uns nun beide Typen genauer an und beginnen mit Sensoren mit offenem Regelkreis.

Offene Stromsensoren bestehen aus einem Hallsensor, der im Luftspalt eines Magnetkerns montiert ist (Abb. 1). Ein Leiter erzeugt ein dem Strom vergleichbares Magnetfeld. Das Magnetfeld wird vom Kern konzentriert und vom Hallsensor gemessen. Das Signal vom Hall-Generator ist niedrig und wird daher verstärkt. Dieses verstärkte Signal wird zum Ausgangssignal des Sensors. Open-Loop-Sensoren verfügen normalerweise über eine Schaltung, die eine Temperaturkompensation und einen kalibrierten Hochspannungsausgang bietet. Sie haben zwar einen deutlichen Preisvorteil gegenüber Pendants mit geschlossenem Regelkreis, haben jedoch den Nachteil, dass sie zu Sättigung und Temperaturdrift neigen können. Die Drift kann jedoch bis zu einem gewissen Grad minimiert werden, indem ein positiver Koeffizient in den Steuerstrom eingespeist wird, um die Empfindlichkeitsdrift über der Temperatur zu verringern.

Abbildung 1: Darstellung des Grundprinzips und des Aufbaus des Hall-Effekt-Stromsensors. (Mit freundlicher Genehmigung von Honeywell).

Betrachtet man Fig. 1, so kann, wenn der Ansteuerstrom in einem offenen Regelkreis unter Verwendung einer Konstantstromquelle gesteuert und die Differenz-Hall-Spannung verstärkt wird, eine dem Primärstrom proportionale Ausgangsspannung nur von der Elektronikschaltung erhalten werden.

Ein Beispiel ist der offene Hall-Effekt-Aufputz-Stromwandler der HMS-Serie von LEM (Abb. 2). Der Sensor verfügt über eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis. 4300 V Isolationsprüfspannung; Energieeffizient; ein 12 mm extrem flaches Profil; eine einzige Stromversorgung +5 V; und fester Versatz und Verstärkung.

Abbildung 2: Hall-Effekt-Wandler mit offenem Regelkreis der HMS-Serie. (Mit freundlicher Genehmigung von LEM).

Wird hauptsächlich in Industrieanwendungen für Frequenzumrichter, Stromrichter für Gleichstrommotoren, batteriebetriebene Anwendungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Schaltnetzteile sowie Stromversorgungen für Schweißanwendungen verwendet.

Ein weiteres Beispiel sind die verkabelten Miniatur-Stromsensoren der CSLW-Serie von Honeywell (Abbildung 3). Die Serie umfasst eine SS490-Serie von ratiometrischen linearen Miniatur-Hall-Effekt-Sensoren, und das Sensorelement ist in einem PCB-montierbaren Kunststoffgehäuse eingekapselt. Die Stromsensorbaugruppe besteht aus Sensor, Flusskollektor, Gehäuse und Drahtspule.

Abbildung 3: Drahtloser Miniatur-Stromsensor der CSLW-Serie von Honeywell. (Mit freundlicher Genehmigung von Honeywell).

In diesem Fall verfügt das verkabelte Open-Loop-Design über mehrere Windungen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Weitere bemerkenswerte Merkmale sind Wechselstrom- oder Gleichstrommessung, linearer ratiometrischer Ausgang, Stromsenken- oder Stromquellenausgang für flexible Schnittstellen, geringe Einfügungsdämpfung, schnelle Reaktionszeit, kompakte Größe und genaue, kostengünstige Messung. Anwendungen umfassen Robotik, Frequenzumrichter, industrielle Prozesssteuerung, Motorsteuerung in Geräten, HLK, Überstromschutz und Stromüberwachung von elektronischen Schaltkreisen.

Schnelle Reaktion und hohe Genauigkeit

Im Vergleich zu Sensoren mit offenem Regelkreis messen sie Wechsel- und Gleichströme und sorgen für eine galvanische Trennung, ein schnelles Ansprechen, eine hohe Linearität und eine geringe Temperaturdrift. Ihre Stromabgabe ist beeindruckend unempfindlich gegen elektrisches Rauschen. Sie sind für ihre hohe Genauigkeit bekannt und bestehen aus einem Hall-Generator, der im Luftspalt eines Magnetkerns montiert ist, einer Spule um den Kern und einem Stromverstärker. Der durch die Öffnung des Sensors gelegte stromführende Leiter erzeugt ein dem Strom proportionales Magnetfeld. Dieses Feld wird vom Kern konzentriert und vom Hall-Generator erfasst. Der Hallgenerator ist mit dem Eingang des Stromverstärkers verbunden, der die Spule ansteuert. Der Strom durch die Spule erzeugt ein Gegenfeld, das vom Strom durch die Öffnung geliefert wird.

Die Ausgabe dieses Sensors ist sowohl proportional zum Öffnungsstrom als auch zur Anzahl der Windungen der Spule. Wenn der Netto-Primärstrom durch die Stromwandleröffnung I ist, die Anzahl der Windungen in der Kompensationswicklung N ist und der Strom in der Kompensationswicklung i ist, dann ist bei der Nullflussbedingung I = Ni.

Der Ausgangsstrom eines geregelten Sensors wird in eine Spannungszahl umgewandelt, indem ein Widerstand an den Ausgang des Sensors und an Masse angeschlossen wird. Die Auswahl des Widerstandswerts kann zu einer Skalierung des Ausgangs führen.

Ein Beispiel für einen Stromwandler mit ausgezeichneter Genauigkeit, guter Linearität und sehr geringer Temperaturdrift ist der LTS 25-NP von LEM (Abb. 4). Das Gerät ist ein Mehrbereichs-Stromwandler mit geschlossener Schleife (kompensiert), der den Hall-Effekt nutzt. Hauptmerkmale sind:

· Unipolare Spannungsversorgung

· Isoliertes Kunststoffgehäuse gemäß UL 94-V0

· Kompaktes Design für die Leiterplattenmontage

· Eingebauter Messwiderstand

· Erweiterter Messbereich.

Abbildung 4: Der LEM LTS 25-NP-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis. (Mit freundlicher Genehmigung von LEM).

Die Anwendungen für das Gerät liegen hauptsächlich im industriellen Bereich und umfassen Frequenzumrichter und Servomotorantriebe, Stromrichter für Gleichstrommotorantriebe, batteriebetriebene Anwendungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Schaltnetzteile und Stromversorgungen für Schweißanwendungen.

Zusammenfassung

Während beide Sensortypen abhängig von den Anwendungsanforderungen wirtschaftlich sein können, bieten Sensoren mit offenem Regelkreis den besten Kostenvorteil im Hochstrombereich (über 100 A). Sie sind auch die kleinste Größe und das geringste Gewicht. Sie halten den Stromverbrauch unabhängig vom gemessenen Strom konstant. Der Preisvorteil offener Sensoren kann nur für Anwendungen genutzt werden, bei denen Temperaturschwankungen begrenzt werden können.

Geregelte Stromsensoren sind dagegen eher für gewerbliche und industrielle Anwendungen geeignet, in denen sie häufig vorkommen. Diese Sensoren haben die höchste Genauigkeit bei Umgebungs- und hohen Temperaturen. Sie sind ideal für laute Umgebungen und ihre Ausgabe lässt sich leicht in Spannung umwandeln.

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