Konzept 1: mit Strommess-Widerstand (Shunt)
Das Messprinzip mit Strommess-Widerstand leitet sich direkt aus dem Ohmschen Gesetz ab: Fließt Strom durch einen Widerstand, dann fällt eine Spannung über dem Widerstand ab, die proportional zum Strom ist. Dieser lineare Zusammenhang macht die Aufbereitung des analogen Signals zu einem Messergebnis besonders einfach. Ein Current Sense Amplifier bereitet die Messspannung so auf, dass der Eingangsspannungsbereich des Analog/Digital-Konverters (ADC) im Mikrocontroller gut ausgenutzt wird.
Entsprechende Shunt-Widerstände sind z.B. von Vishay, ROHM, KOA und Panasonic erhältlich. Ihre Baugrößen reichen von Chipwiderständen bis zu massiven Metallbügeln mit Schraubanschluss und Verlustleistungen bis in den zig-Watt-Bereich.
Hält man sich in Sachen Layout und Signalabgriff an die Verarbeitungsvorschriften des Herstellers, dann ergibt sich die Messungenauigkeit aus den Toleranzen der verwendeten Bauelemente in der Signalkette. Die Angaben in den Datenblättern machen es relativ einfach, die Genauigkeit des Gesamtsystems zu bewerten.
Vorteile beim Einsatz von Shunts zur Strommessung sind:
- hohe Bandbreite
- geringe Querempfindlichkeit
- große Angebotsvielfalt
- Integration in Busbar (Stromschiene) möglich
Nachteile:
- Messprinzip mit Verlustleistung proportional R und I²
- keine galvanische Isolation zwischen Messstrom und Messsignal
- Kompetenz in analoger Signalverarbeitung notwendig
Eine gute Übersicht über geeignete Shunt-Widerstände bietet rutronik24.com. Der Klick auf folgenden Link führt direkt dorthin:https://www.rutronik24.de/category/precision-chip-resistor/ https://www.rutronik24.com/pg/precision-chip-resistor/wpr/
Konzept 2: mit Magnetfeldsensor
Bei diesem Verfahren wird der Magnetfeldsensor auf den stromführenden elektrischen Leiter platziert. Um einen stromdurchflossenen geraden Leiter herum bildet sich ein zylindrisches Magnetfeld. Nach dem Durchflutungsgesetz ist die Stärke des Magnetfelds abhängig vom Strom und von der Entfernung vom Leiter. Ein Anwender, der einen Stromsensor nach diesem Prinzip baut, muss also die mechanischen Fertigungstoleranzen und die mechanische Stabilität der Gesamtkonstruktion beherrschen.
Die Vorteile beim Einsatz von Magnetfeldsensoren sind:
- galvanische Trennung von Messstrom und Messsignal
- praktisch verlustleistungsfreie Messung
- Digitalisierung bereits im Magnetfeldsensor
- geeignet zur Messung großer Ströme
Nachteile:
- mögliche Empfindlichkeit auf Streufelder
- mechanische Kompetenz auf Anwenderseite erforderlich, Geometrie und Fertigungstoleranzen gehen in Übertragungsfunktion ein
- geringe Bandbreite
Magnetfeldsensoren sind z.B. von Infineon, TDK-Micronas und Melexis auf dem Markt. Die Modelle mit ihren Eigenschaften finden sich über den folgenden Link: https://www.rutronik24.de/category/current-sensors/
Konzept 3: betriebsbereite Stromsensor-ICs oder Stromsensor-Module
Die Nutzung von fertigen Stromsensor-Modulen oder -ICs ist erheblich einfacher als der Einsatz von Magnetfeldsensoren, denn der Hersteller hat die mechanische Konstruktion bereits gelöst. Die Übertragungskennlinie ist bekannt und im Datenblatt beschrieben. Verbreitet sind Stromsensor-ICs für Printmontage, bei denen der stromführende Leiter durch das IC-Gehäuse geführt ist. Für höhere Ströme gibt es Module mit Gehäusedurchbruch bzw. -bohrung, durch die der stromführende Leiter ein- oder mehrmals geschleift wird. Durch die Variation in der Windungsanzahl lässt sich die Empfindlichkeit des Messsystems einfach ändern.
Die Vorteile beim Einsatz von fertigen Modulen und ICs sind:
- einfache Anwendung mit Charakterisierung wie im Datenblatt angegeben
- galvanische Trennung von Messstrom und Messsignal
- praktisch verlustleistungsfreie Messung
- Digitalisierung bereits im Sensormodul
Nachteile:
- wenige Anbieter
Zu den Herstellern von Stromsensor-ICs oder Modulen zählen z.B. Infineon und BYD. Die Produkte sind erhältlich unter: https://www.rutronik24.de/category/current-sensors/
Fazit
Durch die Verbreitung von netzunabhängigen Geräten und durch die zunehmende Elektrifizierung müssen immer häufiger Gleichströme gemessen werden. Je nach Stromhöhe und Frequenzbereich eines überlagerten Wechselanteils bieten sich hierfür verschiedene Sensoren an: Shunt-Widerstände, Stromsensor-Module oder -ICs oder Eigenentwicklungen mit Magnetfeldsensoren.
Shunt-Widerstände bieten sich aufgrund der fehlenden galvanischen Trennung besonders an für niedrige Spannungen und für niedrige Ströme wegen der unvermeidlichen Verlustleistung, die proportional zum Quadrat des Stromes steigt.
Trotzdem werden sie auch in einigen Elektrofahrzeugen mit Strömen im Bereich einiger hundert Ampère und einer Spannung von 400V genutzt, um die Batterieströme zu erfassen.
Da Shunt-Widerstände eine geringe Eigeninduktivität haben, ist der Frequenzbereich groß und wird maßgeblich von der nachgeschalteten analogen Signalaufbereitung bestimmt.
Stromsensoren auf Magnetfeldbasis eignen sich besonders für große Ströme, da hier praktisch keine Verlustleistung entsteht, und hohe Spannungen, da hier eine galvanische Trennung vorliegt. Meistens limitiert bereits der Sensor die Bandbreite, weniger die nachgeschaltete Elektronik.
Stromsensor-Module und -ICs sind ideal für Projekte mit kurzer Time-to-Market.
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