Komponenten und Verfahren
Ströme messen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Magnetisch
Indirekte Verfahren nutzen das magnetische Feld, das vom Strom erzeugt wird.
Stromwandler
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Ein Stromwandler (Bild 1) bietet drei entscheidende Vorteile: Er ermöglicht die Isolierung von Netzspannungen, eine verlustlose Strommessung und eine große Signalspannung, die Rauschimmunität liefern kann. Dieses indirekte Strommessverfahren erfordert einen veränderlichen Strom (zum Beispiel Wechselstrom, transienten Strom oder geschalteten Gleichstrom), der ein veränderliches Magnetfeld bereitstellt, das magnetisch in die Sekundärwicklungen gekoppelt ist. Die sekundäre Messspannung kann gemäß dem Windungsverhältnis zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen skaliert werden. Dieses Messverfahren wird als verlustfrei angesehen, da der Schaltungsstrom mit sehr geringen Widerstandsverlusten durch die Kupferwicklungen fließt. Wie in Bild 2 gezeigt, geht jedoch eine geringe Menge Energie verloren aufgrund von Wandlerverlusten am Lastwiderstand, Kernverlusten sowie primärem und sekundärem Gleichstromwiderstand.
Rogowski-Spule
Die Rogowski-Spule (Bild 3) ähnelt einem Stromwandler, da eine Spannung in einer Sekundärspule induziert wird, die proportional zum Stromfluss durch einen isolierten Leiter ist. Der Unterschied besteht darin, dass die Rogowski-Spule ein Luftkern-Design aufweist, während der Stromwandler auf einem hochpermeablen Kern (beispielsweise aus laminiertem Stahl) basiert, um magnetisch mit der Sekundärwicklung zu koppeln. Das Luftkern-Design bietet eine niedrigere Induktivität, eine schnellere Signalantwort und eine äußerst lineare Signalspannung. Aufgrund dieser Konstruktion wird sie oft als temporäres Strommessverfahren bei bestehenden Verdrahtungen wie beispielsweise einem Handmessgerät verwendet. Dies könnte als kostengünstigere Alternative zum Stromwandler betrachtet werden.
Hall-Effekt
Wenn ein stromführender Leiter in einem Magnetfeld (Bild 4) angeordnet wird, tritt eine Potenzialdifferenz auf, die senkrecht zum Magnetfeld und der Richtung des Stromflusses verläuft. Dieses Potenzial ist proportional zur Größe des Stromflusses. Liegt kein Magnetfeld vor und ist der Stromfluss vorhanden, gibt es keine Potenzialdifferenz. Wenn jedoch, wie in Bild 4b gezeigt, ein Magnetfeld und Stromfluss vorhanden sind, interagieren die Ladungen mit dem Magnetfeld und bewirken eine Änderung der Stromverteilung, wodurch die Hall-Spannung erzeugt wird.
Der Vorteil der Hall-Effekt-Einheiten besteht darin, dass sie große Ströme mit geringer Verlustleistung messen können. Allerdings gibt es zahlreiche Nachteile, die ihre Verwendung einschränken können, wie zum Beispiel nichtlineare Temperaturveränderungen, die eine Kompensation erfordern, und die begrenzte Bandbreite. Außerdem erfordern Messungen von niedrigen Strömen eine große Offset-Spannung, was zu Fehlern führen kann. Genauso sind Messungen über den Hall-Effekt anfällig gegenüber externen Magnetfeldern, haben eine hohe ESD-Empfindlichkeit und verursachen hohe Kosten.
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