Stromerfassungstechniken unter Verwendung verschiedener Stromsensoren

Strom ist ein sehr kritischer Faktor in der Elektronik oder Elektrotechnik. In der Elektronik kann Strom eine Bandbreite von wenigen Nanoampere bis zu Hunderten von Ampere haben. Dieser Bereich kann im elektrischen Bereich typischerweise bis zu mehreren tausend Ampere viel breiter sein, insbesondere in Stromnetzen. Es gibt verschiedene Methoden zum Erfassen und Messen von Strom innerhalb eines Stromkreises oder eines Leiters. In diesem Artikel werden wir diskutieren, wie Strom unter Verwendung verschiedener Stromerfassungstechniken mit ihren Vor- und Nachteilen und Anwendungen gemessen werden kann .

Hall-Effekt-Sensor Stromerfassungsmethode

Der Hall-Effekt wurde vom amerikanischen Physiker Edwin Herbert Hall entdeckt und kann zur Erfassung des Stroms verwendet werden. Es wird im Allgemeinen zur Erkennung von Magnetfeldern verwendet und kann in vielen Anwendungen wie Tachometer, Türalarm, DIY BLDC nützlich sein.

Der Hall-Effekt-Sensor erzeugt abhängig vom Magnetfeld eine Ausgangsspannung. Das Verhältnis der Ausgangsspannung ist proportional zum Magnetfeld. Während des Stromerfassungsprozesses wird der Strom durch Messen des Magnetfelds gemessen. Die Ausgangsspannung ist sehr niedrig und muss mit einem Verstärker mit hoher Verstärkung und sehr geringem Rauschen auf einen nützlichen Wert verstärkt werden. Neben der Verstärkerschaltung benötigt der Hall-Effekt-Sensor zusätzliche Schaltungen, da es sich um einen linearen Wandler handelt.

Vorteile:

1. Kann in höheren Frequenzen verwendet werden.
2. Kann sowohl in AC als auch in DC genau verwendet werden.
3. Kontaktlose Methode.
4. Kann in einer rauen Umgebung verwendet werden.
5. Es ist zuverlässig.

Nachteile:

1. Der Sensor driftet und muss kompensiert werden.
2. Zusätzliche Schaltung erfordert nützliche Ausgabe.
3. Kostspieliger als Shunt-basierte Technik.

Hall-Effekt-Sensoren werden in Zangenmessgeräten sowie in vielen Stromerfassungsanwendungen für Industrie und Automobil eingesetzt. Viele Arten von linearen Hall-Effekt-Sensoren können Strom von mehreren Milliampere bis zu Tausenden von Ampere erfassen. Aus diesem Grund verwendet die Smart Grid Monitoring-Anwendung auch einen anderen Hall-Effekt-Sensortyp zur Überwachung des Leiterstroms.

Stromerfassungsmethode des Fluss-Gate-Sensors

Ein sättigbarer Induktor ist die Hauptkomponente für die Fluxgate-Sensortechnik. Aus diesem Grund wird der Fluxgate-Sensor als sättigbarer Induktorstromsensor bezeichnet. Der Induktorkern, der für den Fluxgate-Sensor verwendet wird, arbeitet im Sättigungsbereich. Der Sättigungsgrad dieses Induktors ist hochempfindlich und jede interne oder externe Flussdichte ändert den Sättigungspegel des Induktors. Die Permeabilität des Kerns ist direkt proportional zum Sättigungsgrad, daher ändert sich auch die Induktivität. Diese Änderung des Induktivitätswerts wird vom Flux-Gate-Sensor analysiert, um den Strom zu erfassen. Wenn der Strom hoch ist, wird die Induktivität niedriger, wenn der Strom niedrig ist, wird die Induktivität hoch.

Der Hall-Effekt-Sensor funktioniert ähnlich wie der Fluxgate-Sensor, es gibt jedoch einen Unterschied zwischen ihnen. Der Unterschied liegt im Kernmaterial. Der Flux Gate-Sensor verwendet einen sättigbaren Induktor, der Hall-Effekt-Sensor verwendet jedoch einen Luftkern.

In der obigen Abbildung ist der grundlegende Aufbau eines Flux-Gate-Sensors dargestellt. Es gibt zwei Primär- und Sekundärspulen, die um einen sättigbaren Induktorkern gewickelt sind. Die Änderungen des Stromflusses können die Kernpermeabilität ändern, was zu einer Änderung der Induktivität gegenüber der anderen Spule führt.

Vorteile:

1. Kann in einem weiten Frequenzbereich messen.
2. Hat große Genauigkeit.
3. Geringer Versatz und Abweichungen.

Nachteile:

1. Hoher Sekundärstromverbrauch
2. Ein Risikofaktor für Spannungs- oder Stromstörungen im Primärleiter steigt an.
3. Nur für Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom geeignet.

Fluxgate-Sensoren werden in Solarwechselrichtern verwendet, um den Strom zu erfassen. Darüber hinaus kann die Messung von Wechsel- und Gleichstrom im geschlossenen Regelkreis mithilfe von Flux-Gate-Sensoren problemlos durchgeführt werden. Das Flux-Gate-Stromerfassungsverfahren kann auch bei der Leckstrommessung, Überstromerkennung usw. verwendet werden.

Rogowski-Spulenstrommessmethode

Die Rogowski-Spule ist nach dem deutschen Physiker Walter Rogowski benannt. Die Rogowski-Spule wird unter Verwendung einer spiralförmigen Luftkernspule hergestellt und zur Strommessung um den Zielleiter gewickelt.

In der obigen Abbildung ist die Rogowski-Spule mit zusätzlichen Schaltkreisen dargestellt. Die zusätzliche Schaltung ist eine Integratorschaltung. Die Rogowski-Spule liefert die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Stromänderungsrate im Leiter. Eine zusätzliche Integratorschaltung ist erforderlich, um eine Ausgangsspannung herzustellen, die proportional zum Strom ist.

Vorteile:

1. Es ist eine gute Methode, um schnelle hochfrequente Stromänderungen zu erkennen.
2. Sicherer Betrieb in Bezug auf die Handhabung der Sekundärwicklung.
3. Kostengünstige Lösung.
4. Flexibilität im Handling durch Open-Loop-Konstruktion.
5. Die Temperaturkompensation ist nicht komplex.

Nachteile:

1. Nur für Wechselstrom geeignet
2. Hat eine geringere Empfindlichkeit als der Stromwandler.

Die Rogowski-Spule hat ein breites Anwendungsspektrum. Zum Beispiel die Messung des Stroms in großen Leistungsmodulen, insbesondere über die MOSFETs oder Hochleistungstransistoren oder über den IGBT. Die Rogowski-Spule bietet eine flexible Messoption. Da die Reaktion der Rogowski-Spule über Transienten oder hochfrequente Sinuswellen sehr schnell ist, ist es eine gute Wahl, hochfrequente Stromtransienten in den Stromleitungen zu messen. In der Stromverteilung oder im Smart Grid bietet die Rogowski-Spule eine hervorragende Flexibilität für Strommessungen.

Stromwandler-Stromerfassungsmethode

Der Stromwandler oder Stromwandler wird verwendet, um den Strom anhand der Sekundärspannung zu erfassen, die proportional zum Strom in der Sekundärspule ist. Es ist ein industrieller Transformator, der den großen Wert von Spannung oder Strom in einen viel kleineren Wert in seiner Sekundärspule umwandelt. Die Messung erfolgt über den Sekundärausgang.

Im obigen Bild ist der Aufbau dargestellt. Es ist ein idealer CT-Transformator mit einem Primär- und Sekundärverhältnis von 1: N. Das N hängt von den Spezifikationen des Transformators ab. Erfahren Sie hier mehr über Transformatoren.

Vorteile:

1. Große Stromhandhabungskapazität, mehr als die anderen in diesem Artikel gezeigten Methoden.
2. Benötigen Sie keine zusätzlichen Schaltkreise.

Nachteile:

1. Erfordert Wartung.
2. Hysterese tritt aufgrund von Magnetisierung auf.
3. Ein hoher Primärstrom sättigt die Ferritkernmaterialien.

Die Hauptanwendung der auf CT-Transformatoren basierenden Stromerfassungstechnik liegt im Stromnetz aufgrund der sehr hohen Strommesskapazität. Nur wenige Zangenmessgeräte verwenden auch einen Stromwandler zur Messung von Wechselstrom.

Shunt-Widerstandsstrom-Erfassungsverfahren

Dies ist die am häufigsten verwendete Methode in aktuellen Sensortechniken. Diese Technik basiert auf dem Ohmschen Gesetz.

Ein niederwertiger Widerstand in Reihe wird verwendet, um den Strom zu erfassen. Wenn der Strom durch einen niederwertigen Widerstand fließt, erzeugt er eine Spannungsdifferenz über dem Widerstand.

Nehmen wir ein Beispiel.

Angenommen, 1A Strom fließt durch einen 1-Ohm-Widerstand. Nach dem Ohmschen Gesetz entspricht die Spannung dem Strom x Widerstand. Wenn daher 1 A Strom durch einen 1-Ohm-Widerstand fließt, erzeugt er 1 V über dem Widerstand. Die Leistung des Widerstands ist ein kritischer Faktor, der berücksichtigt werden muss. Es gibt jedoch auch Widerstände mit sehr geringem Wert auf dem Markt, bei denen der Widerstand im Mili-Ohm-Bereich liegt. In einem solchen Fall ist auch die Spannungsdifferenz über dem Widerstand sehr gering. Ein Verstärker mit hoher Verstärkung ist erforderlich, um die Amplitude der Spannung zu erhöhen, und schließlich wird der Strom unter Verwendung der umgekehrten Berechnungsbasis gemessen.

Ein alternativer Ansatz für diese Art der Stromerfassungstechnik besteht darin , die Leiterplattenspur als Nebenschlusswiderstand zu verwenden. Da die Kupferspur einer Leiterplatte einen sehr kleinen Widerstand bietet, kann man die Spur verwenden, um den Strom zu messen. Bei einem solchen alternativen Ansatz sind jedoch auch mehrere Abhängigkeiten ein großes Problem, um ein genaues Ergebnis zu erzielen. Der wichtigste Faktor, der das Spiel verändert, ist die Temperaturdrift. Abhängig von der Temperatur ändert sich der Spurwiderstand, was zu einem Fehler führt. Diesen Fehler muss in der Anwendung ausgeglichen werden.

Vorteile:

1. Sehr kostengünstige Lösung
2. Kann in AC und DC arbeiten.
3. Zusätzliche Ausrüstung nicht erforderlich.

Nachteile:

1. Aufgrund der Wärmeableitung nicht für den Betrieb mit höherem Strom geeignet.
2. Die Shunt-Messung führt aufgrund der Energieverschwendung über dem Widerstand zu einer unnötigen Verringerung der Systemeffizienz.
3. Die thermische Drift führt zu einem Fehlerergebnis bei einer Hochtemperaturanwendung.

Die Anwendung des Shunt-Widerstands umfasst ein digitales Amperemeter. Dies ist eine genaue und kostengünstigere Methode als der Hall-Effekt-Sensor. Der Nebenschlusswiderstand kann auch einen niederohmigen Pfad bereitstellen und ermöglicht, dass ein elektrischer Strom einen Punkt zum anderen Punkt in einer Schaltung fließt.

Wie wähle ich die richtige Stromerfassungsmethode aus?

Die Auswahl der richtigen Methode zur Stromerfassung ist keine schwierige Sache. Bei der Auswahl der richtigen Methode müssen nur wenige Faktoren berücksichtigt werden:

1. Wie viel Genauigkeit wird benötigt?
2. DC- oder AC-Messung oder beides?
3. Wie viel Strom wird benötigt?
4. Was ist der aktuelle Bereich und die Bandbreite, die gemessen werden sollen?
5. Kalkulation.

Abgesehen von diesen müssen auch eine akzeptable Empfindlichkeit und Interferenzunterdrückung berücksichtigt werden. Da nicht jeder Faktor erfüllt werden kann, werden einige Kompromisse eingegangen, um abhängig von der Priorität der Anwendungsanforderungen eine Funktion mit der anderen zu kompromittieren.