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Stromsensoren sind Schlüsselkomponenten in einer Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme, die den sicheren und effizienten Betrieb von Geräten gewährleisten. Lassen Sie uns einen Blick auf Stromsensoren werfen, einschließlich ihrer Typen, Variablen, die bei der Auswahl eines Stromsensors zu berücksichtigen sind, Leistungsvergleiche und Anwendungen.
Stromsensor - was ist das und wie funktioniert er?
Der Stromsensor erfasst und misst den elektrischen Strom, der durch einen Leiter fließt. Er wandelt den Strom in ein messbares Ausgangssignal zur Überwachung, Steuerung oder zum Schutz um. Die Arten von Stromsensoren und ihre Vor- und Nachteile unterteilen Stromsensoren in Funktions- und Gebrauchskategorien auf der Grundlage des zugrunde liegenden physikalischen Konzepts, das ihrer Konstruktion zugrunde liegt. Zu diesen Stromsensor-Konzepten gehören das Ohmsche Gesetz, das Faradaysche Induktionsgesetz oder das Magnetfeld. Anhand dieser Klassifizierung lassen sich viele gängige Stromsensoren unterscheiden. Das ohmsche Gesetz besagt, dass die Spannung proportional zum Strom ist, der dem Widerstandselement zugeführt wird. Ein weiterer Typ sind optische, berührungslose Stromsensoren – unabhängig von ihrer Art werden sie zur Erkennung von Anomalien, zur Abschaltung, zur Überwachung und zur Kontrolle eingesetzt. Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)
Strommessung auf der Basis von Shunt-Widerständen
Dies sind Präzisions Widerstände mit geringem Widerstand, die mit einem stromführenden Draht in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsabfall über dem Widerstand ist proportional zum Strom, der durch ihn fließt, und diese Spannung kann gemessen werden, um herauszufinden, wie viel Strom durch ihn fließt.
Shunt-Widerstände können sowohl AC (Wechselstrom) als auch DC (Gleichstrom) messen. Da sich der Shunt-Widerstand im stromführenden Pfad befindet, kann er einen erheblichen Leistungsverlust verursachen, der mit dem Quadrat des Stroms zunimmt. Das sollten Sie bedenken, denn bei Anwendungen mit hohen Strömen kann dieser Leistungsverlust ihre Nützlichkeit einschränken.
Shunt-Widerstände werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die schnell ansteigende Transientenströme und große Amplituden erfordern. Aufgrund ihrer geringen Größe und niedrigen Kosten werden diese preiswerten SMD-Bauteile für die Oberflächenmontage jedoch von hochintegrierten elektronischen Geräten bevorzugt.
Strommessung auf Basis von Kupferleitungen
Es ist auch möglich, den Innenwiderstand eines leitenden Elements in der Schaltung anstelle eines speziellen Shunt-Widerstands zu verwenden. Da die Kupferleitung jedoch einen geringen Widerstand und damit einen geringen Spannungsabfall aufweist, ist ein Verstärker mit hoher Verstärkung erforderlich, um ein brauchbares Signal zu erzeugen.
Die erzeugte Spannung kann verstärkt werden, um den gesamten Messbereich des Senders zu nutzen, bevor sie zur Verarbeitung an den digitalen Controller weitergeleitet wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser Art von Stromsensoren ist die inhärente elektrische Verbindung zwischen dem gemessenen Strom und dem Messkreis. Eine galvanische Trennung kann durch die Verwendung eines Trennverstärkers erreicht werden, obwohl dies normalerweise den Preis des Sensors erhöht. Dies kann auch die Bandbreite und Genauigkeit der Messungen verringern.
Strommessung auf der Basis von Stromwandlern
Wir lassen Ohm hinter uns und gehen zu Faraday. Ein Stromwandler besteht aus einer Primärwicklung (in der Regel einschleifig), einem Kern und einer Sekundärwicklung. Er ist ein effektiver Sensor zur Messung hoher Wechselströme. Dadurch kann ein großer Hauptstrom in einen kleineren Sekundärstrom umgewandelt werden. Er benötigt keine zusätzlichen Regelkreise, da er passiv ist.
Eine weitere wichtige Eigenschaft ist, dass er sehr hohe Ströme überwachen kann und dabei sehr wenig Strom verbraucht. Allerdings kann das im Kern verwendete Ferritmaterial durch einen sehr hohen Primärstrom oder eine signifikante Gleichstromkomponente des Stroms gesättigt werden, was zu einem verzerrten Signal führt. Da die Grundidee auf der Erkennung einer Änderung des Flusses basiert, die proportional zur Änderung des Stroms ist, können sie keine Gleichströme in der Standardform erkennen.
Aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer Fähigkeit, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das sofort mit einem Analog-Digital-Wandler kompatibel ist, werden Stromwandler häufig in Stromwandlungsanwendungen eingesetzt. Auch in Stromverteilungsnetzen spielen sie eine wichtige Rolle.
Hall-Sensoren
Es ist schwierig, Ströme, die statische Magnetfelder erzeugen, mit Hilfe des Faradayschen Induktionsgesetzes zu erkennen. Andererseits können Magnetfeldsensoren sowohl statische als auch bewegte Magnetfelder erkennen. Sie sind eine wünschenswerte Alternative zu Stromsensoren.
Die Amplitude und der relative Winkel des Stroms und des Magnetfelds bestimmen die resultierende Vektorspannung, die proportional zur Hall-Konstante ist. Das Magnetfeld wird durch den erfassten Strom erzeugt, der ein Magnetfeld erzeugt, das eine Spannung liefert, die analysiert werden kann.
Die Elektronik, die das Signal liefert, benötigt oft eine Verstärkerstufe sowie eine Temperaturkorrektur. Ein Differenzverstärker mit diesen Eigenschaften kann einfach mit einem Hall-Element in Standard-Bipolartransistortechnologie kombiniert werden.
Magnetoresistive Sensoren (MR)
Ein Magnetowiderstand oder Magnetosensor ist ein Gerät, dessen Widerstand sich in Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld ändert. Die Wirkung des Magnetfelds auf den Widerstand des Materials wird als MR-Effekt bezeichnet. Änderungen des erfassten Stroms verursachen Änderungen des Magnetfelds, die sich in der Spannung widerspiegeln, die dann analysiert werden kann. Diese Widerstände werden oft in Brücken verwendet, um die thermische Drift zu kompensieren.
Stromsensoren - Auswahl und Kriterien
Prüfen Sie, ob Sie AC, DC oder beide Arten der Strommessung benötigen. Einige Sensoren, wie z.B. Stromwandler, sind nur für die Messung von Wechselstrom ausgelegt, aber andere, wie z.B. Hall-Sensoren und Shunt-Widerstände, können sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom messen. Erwägen Sie die Messung von minimalen und maximalen Stromstärken.
Die Sicherstellung genauer Messwerte über den gesamten Bereich ist entscheidend. Der nächste Punkt ist die Genauigkeit. Die Genauigkeit der verschiedenen Sensoren ist einfach unterschiedlich. Präzisions-Shunt-Widerstände oder optische Stromsensoren bieten eine hervorragende Präzision, während Hallsensoren beispielsweise in bestimmten Fällen eine geringere Genauigkeit aufweisen. Berücksichtigen Sie auch die kleinste Änderung des Stroms, die Sie bemerken müssen.
Einige Sensoren haben eine höhere Empfindlichkeit und können kleine Schwankungen erkennen. Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, den Strom über den gesamten Frequenzbereich oder bei einigen bestimmten Frequenzen zu messen. Weitere Aspekte sind Umweltfaktoren (z.B. Temperaturbereich), Größe und die verwendete Isolierung.
