Ratgeber
Wandler und Sensoren für elektrischen Strom sind immer dann nötig, wenn Ströme möglichst exakt gemessen werden müssen. Das ist bei herkömmlichen Messgeräten nicht immer der Fall. Zur Spannungsmessung beispielsweise muss der Innenwiderstand des Geräts sehr hoch sein, bei der Strommessung sehr niedrig.
Mit speziellen Stromwandlern und Stromsensoren lassen sich die Fehlerquoten allerdings deutlich minimieren. In unserem Ratgeber machen wir Sie mit beiden Messgeräten vertraut und erklären deren Funktionen und Bauformen.
Ein Stromwandler – auch als Stromtransformator oder Messwandler bekannt – wandelt Wechselstrom von einem höheren Niveau auf ein niedrigeres Niveau um. Typische Anwendungen sind das Messen und Überwachung von hohen Stromstärken in elektrischen Anlagen, der Schutz von Transformatoren und anderen elektrischen Geräten durch Sicherungseinrichtungen sowie als Quelle für Energiezähler zur Erfassung des Stromverbrauchs.
Ein Stromsensor verwandelt dagegen die durch einen Leiter fließende elektrischen Energie in ein für Mess- oder Steuerzwecke geeignetes Signal. Sie können sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom messen. Zu den allgemeinen Einsatzbereichen gehören die Überwachung und Steuerung von elektrischen Geräten und Anlagen. Sie dienen außerdem als Schutzsysteme für elektrische Schaltungen und Geräte. In der Automobilindustrie übernehmen sie die Überwachung von Batterie- und Ladesystemen, in Solar- und Windkraftanlagen die Messung von Stromstärken.
Die Unterschiede zwischen bilden Systemen beziehen sich auf die Funktion. Während Stromwandler speziell auf die Umwandlung und sichere Messung hoher AC-Ströme ausgelegt sind, können Stromsensoren eine breite Palette an Stromarten und Stromstärken messen. Deshalb finden sich Stromwandler überwiegend in großen Energieverteilungssystemen und Stromsensoren eher in der Elektronik oder in der industriellen Automatisierung.
Ein Stromwandler funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Er transformiert einen hohen Wechselstrom auf einen niedrigeren, leichter messbaren Strom. Er besteht wie ein herkömmlicher Trafo aus der Primärwicklung, der Sekundärwicklung und dem Kern.
Der hohe Wechselstrom, der gemessen werden soll, fließt durch die Primärwicklung. Dabei erzeugt er ein magnetisches Feld im ferromagnetischen Kern. Das sich ändernde Magnetfeld induziert einen Wechselstrom auf der Sekundärseite, und zwar proportional zum Strom in der Primärwicklung.
Das Verhältnis wird durch die Anzahl der jeweiligen Wicklungen bestimmt: Beträgt das Wicklungsverhältnis 1000:1, dann erzeugt ein Primärstrom von 1000 Ampere einen Sekundärstrom von 1 Ampere.
Der niedrigere Sekundärstrom lässt sich nun von Messgeräten erfassen und überwachen. Damit ist die Messung hoher Ströme ohne direkte Einwirkung auf die Messgeräte möglich.
Allerdings: Die sekundäre Wicklung muss immer belastet sein, zum Beispiel durch ein Messgerät oder einen Widerstand. Ist sie offen, kann eine potenziell gefährliche hohe Spannung induziert werden. Die Genauigkeit eines Stromwandlers hängt prinzipiell von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Linearität des magnetischen Kerns, des Wicklungsverhältnisses und der Belastung des Sekundärkreises.
So funktionieren Stromsensoren
Sie messen den durch einen Leiter fließenden elektrischen Strom und wandeln ihn in ein für Mess- oder Steuerzwecke verwendbares Signal um. Im Handel verfügbar sind verschiedene Arten, die unterschiedliche physikalische Prinzipien nutzen. Hier Beschreibungen gängiger Typen und deren Funktionen:
Halleffekt-Sensoren
Sie nutzen den Hall-Effekt, benannt nach dem US-amerikanischen Physiker Edwin Hall, der ihn 1879 entdeckte. Er beschreibt das Entstehen einer Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter aufgrund eines äußeren Magnetfeldes. Der Hall-Sensor detektiert diese Hall-Spannung als ein Maß für den Strom. Mit dem Hall-Effekt lassen sich sowohl Gleich- als auch Wechselstrom messen.
Shunt-Widerstände
Ein Shunt-Widerstand ist ein präziser, kleiner Widerstand, durch den der zu messende Strom fließt. Die Spannung, die über dem Widerstand abfällt, ist laut dem Ohmschen Gesetz direkt proportional zum durchfließenden Strom.
Magnetoresistive Sensoren
Der Stromfluss durch einen Leiter erzeugt ein Magnetfeld, das den Widerstand eines magnetoresistiven Sensors verändert. Die Veränderung lässt sich über ebenfalls über das Ohmsche Gesetz als Stromstärke messen.
Optische Stromsensoren
Optische Typen nutzen Licht und optische Effekte zum Messen des Stroms. Ein verbreitetes Prinzip ist die Faraday-Rotation, bei der die Polarisationsebene von Licht durch ein elektromagnetisches Feld gedreht wird.
Ringkern-Stromwandler
Sie bestehen aus einem ringförmigen, geschlossenen Kern mit einer Primär- und Sekundärwicklung. Die Primärwicklung ist oft nur ein durch den Kern geführter Leiter.
Kombinierte Strom- und Spannungswandler
Eine Kombination aus Stromwandler und Spannungswandler in einem Gerät.
Mit ihnen ist die gleichzeitige Messung von Strom und Spannung möglich.
Gießharz-Stromwandler
Bei Ihnen sind die Wicklungen und der Kern in Gießharz eingebettet.
Sie gewährleisten damit hohe mechanische Stabilität und Schutz gegen Umwelteinflüsse.
Split-Core-Wandler
Der Kern des Wandlers lässt sich öffnen und um den Primärleiter legen. Die dadurch erreichte Flexibilität und einfache Handhabung sind ideal für Nachrüstungen und Installationen in bestehenden Anlagen.
Fenster-Stromwandler
Diese Stromwandler ähneln den Ringkern-Typen.
Sie sind jedoch oft für größere Leitungsdurchmesser ausgelegt und besitzen eine Öffnung, durch die der Primärleiter geführt wird.
Inline-Sensoren
Der Strom fließt direkt durch das Bauelement. Diese Bauform findet sich oft auch bei Shunt-Widerstand-Sensoren. Vorteile sind die hohe Präzision und direkte Messung, nachteilig wirkt sich ein potenzieller Spannungsabfall aus. Außerdem ist die Integration in den Stromkreis notwendig.
PCB-montierte Sensoren
Bei ihnen handelt es sich um integrierte Detektoren zum direkten Auflöten auf eine Leiterplatte. Ihre kompakte Bauweise ist zwar ideal für eingebettete Systeme, sie bieten aber nur eine begrenzte Stromkapazität und sind schwer wieder von der Leiterplatte zu entfernen.
Zangenstromsensoren
Der Sensor wird um das zu messende Kabel geklemmt, ohne den Stromkreis zu unterbrechen.
Allerdings sind sie oft weniger präzise als Inline-Sensoren.
Split-Core-Sensoren
Bei ihnen lässt sich ebenfalls der Kern öffnen und um den Leiter legen, ähnlich wie bei Zangenstromsensoren.
Sie sind einfach nachrüstbar, auch bei fließendem Strom.
Closed-Loop-Halleffekt-Sensoren
Ein Hall-Sensor mit einer Rückkopplungsschleife, die das Magnetfeld kompensiert und eine genaue Messung ermöglicht. Geeignet auch für hohe Ströme.
Open-Loop-Halleffekt-Sensoren
Ein einfacher Hall-Sensor ohne Rückkopplung.
Zwar kostengünstiger als ein Closed-Loop-Sensor, aber weniger präzise und anfällig für Temperatureinflüsse.