Strommessung
Stromsensor erfasst vier Ströme auf einem Chip
Zur galvanisch getrennten Messung von Strömen haben sich Hall-Sensoren gut bewährt. Gab es bisher nur Stromsensoren für Einzelleiter, so kommen jetzt auch Mehrfachversionen, die bis zu vier Ströme mit einem monolithischen Chip erfassen. Sie eignen sich vor allem für Fehlerstrom-Schutzschalter in Drehstromsystemen.
Die Forderung, elektronische Geräte und Anlagen mit immer höheren Wirkungsgraden zu realisieren, führt zwangsläufig auch zu höherer Komplexität. An die Stelle simpler Steuerungen treten aufwendige Regelungen. Dabei sind an vielen Stellen Ströme zu messen; aus ihren Werten errechnet ein Mikroprozessor dann wiederum geeignete Steuersignale. Die zu überwachenden Leitungen liegen meist auf hohem Potenzial gegen Erde - auf Netzspannung oder höher, häufig überlagert von hohen Spikes. Die Uralt-Methode, die Spannung über einen in die Leitung eingefügten Widerstand zu messen, ist unwirtschaftlich, weil dafür ein aufwendiger Trennverstärker nötig ist. Besser eignen sich Stromsensoren, die schon von vornherein mit galvanischer Trennung arbeiten. Sie werten das den Leiter umgebende Magnetfeld aus.
Verbreitet sind Stromwandler - nichts anderes als Transformatoren mit einer Primär- und vielen Sekundärwindungen, allerdings nur für Wechselstrom verwendbar. Es sollen aber auch Gleichströme gemessen werden und zwar mit möglichst hoher Messbandbreite, um auch extrem kurze Spikes korrekt zu erfassen. So kamen als Alternative Ausführungen mit Magnetfeldsensoren auf. In Konkurrenz stehen dabei Hall-Elemente und magnetoresistive Sensoren (MR), jeweils mit eigenen Vor- und Nachteilen. Bei beiden ist es erforderlich, den Einfluss von externen Gleich- und Wechselfeldern herauszukompensieren. Dazu dienen zwei Sensorelemente je Strompfad, so angeordnet, dass die Störfelder in beiden gegenphasige Signale erzeugen, die sich beim Zusammenschalten gegenseitig kompensieren, während sich die Nutzsignale addieren. Zweckmäßig ist ein planarer Aufbau, wobei auf jeder Seite des oft sehr dicken Stromleiters ein Sensorelement sitzt.
Nun sind aber häufig nicht nur einzelne Ströme zu überwachen, sondern auch mehrphasige wie z.B. im Drehstromnetz. Nur eine der drei Phasen zu messen und die Ströme in den beiden anderen als gleich zu vermuten, ist zu unsicher, weil Unsymmetrien auftreten können. Auch alle drei Phasen zu überwachen reicht nicht. Es können parasitäre Ströme in Richtung Erde abfließen, deshalb muss der Nullleiter mit einbezogen werden. Die Messung im Nullleiter ist z.B. Voraussetzung bei Fehlerstrom-Schutzschaltern.
Werden solche Stromsensoren um dicht nebeneinander angeordnete Leiter platziert, dann überlappen sich ihre Empfindlichkeitsbereiche. Die Magnetfelder um die Leiter durchqueren nicht nur die „eigenen“ Sensorelemente, sondern auch die der benachbarten Leiter. Forschern der Arbeitsgruppe von Dr. Hans-Peter Hohe am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen ist es gelungen, vier Stromsensoren unmittelbar nebeneinander auf ein einziges kompaktes Substrat zu setzen (Bild 1).
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