Ratgeber
Wissenswertes zu Stromwandlern
Stromsensoren sind in der Lage, in Echtzeit genaue Messwerte von Ein- und Ausgangsströmen auszugeben. Sie werden unter anderem genutzt, um leistungselektronische Systeme präzise zu regeln. Stromwandler kommen dagegen immer dann zum Einsatz, wenn grosse Stromstärken in kleinere, direkt messbare Werte verwandelt werden sollen. Wie Stromsensoren und Stromwandler funktionieren und welche Einsatzgebiete es gibt, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Ein Stromsensor ist eine elektromechanische Komponente, mit der an stromführenden Leitungen und Schienen die Stromstärke gemessen werden kann. Das Besondere dabei ist, dass die Messung kontaktlos, also galvanisch getrennt, durchgeführt wird. Das hat den Vorteil, dass das Messsignal gegenüber der zu messenden Grösse potentialfrei ist. Stromsensoren werden zum Beispiel in Fahrzeugen eingebaut, um die Spannung der eingebauten Batterie zu überwachen. Auch in den Bereichen Energie- und Automatisierungstechnik finden entsprechende Sensoren häufig Verwendung. Es gibt Sensoren, die lediglich Wechselstrom messen können, und Modelle, die sowohl Wechsel- als auch Gleichströme verarbeiten. Unterschieden wird dabei zwischen Kompensationsstromsensoren (Closed Loop) und direkt abbildenden Sensoren (Open Loop). Ein Grossteil der Stromsensoren arbeitet nach dem Prinzip des sogenannten Hall-Effekts. Dabei handelt es sich um eine elektrische Spannung, welche in einem stromführenden Leiter auftritt, der sich in einem stationären Magnetfeld befindet. Entsprechende Sensoren werden der Einfachheit halber auch Hall-Effekt-Sensoren genannt.
Die Basis eines direkten Stromsensors ist ein Ringkern, in dessen Luftspalt sich ein Hall-Element befindet, der aus einem weichmagnetischen Material besteht. Der stromführende Leiter wird nun durch den Ringkern geführt, welcher das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld bündelt. Das im Ringkern befindliche Hall-Element erzeugt nun eine ansteigende Spannung, die proportional zum Magnetfeld steht und so ein Abbild des Primärstroms als Ausgangssignal bereitstellt. Als vorteilhaft erweist sich der einfache Aufbau entsprechender Sensoren, während die Messgenauigkeit dagegen durch die Temperaturempfindlichkeit des Hall-Sensors negativ beeinflusst werden kann. Direkte Stromsensoren kommen zum Beispiel auch bei Stromzangen zum Einsatz. Damit die Messzange um eine stromführende Leitung gelegt werden kann, verfügt das Gerät über einen Ringkern der sich aufklappen lässt.
Der Aufbau eines Kompensationsstromsensors ähnelt im Prinzip dem eines direkten Sensors. Die erzeugte Hall-Spannung wird bei einem Kompensationsstromsensor nicht direkt als Messsignal genutzt. Stattdessen wird die Hall-Spannung für die Regelung eines Sekundärstroms genutzt, der durch eine Spule fliesst und im Ringkern ein magnetisches Kompensationsfeld erzeugt. Sensoren dieser Bauart arbeiten im Vergleich zu direkten Stromsensoren genauer, sind allerdings auch teurer in der Anschaffung.
Ein Stromwandler wird immer dann genutzt, wenn ein sehr hoher Primärstrom für Messzwecke in ein einfach zu verarbeitendes Signal umgewandelt werden soll. Ein typisches Szenario für einen Stromwandler befindet sich in jedem Haus, hier sitzt ein solcher Wandler direkt vor dem Stromzähler. Ein Stromwandler ist ein Transformator, der einen standardisierten Primärstrom in einen standardisierten Sekundärstrom umwandelt, welcher sich proportional zum Primärstrom verhält. In seinem Inneren befindet sich ein Ringkern der über eine Primär- und eine Sekundärwicklung verfügt. Das Hauptstromnetz wird dabei immer mit der Primärwicklung und die Verbraucher mit der Sekundärwicklung verbunden. Dabei verringert sich der am Verbraucher anliegende Strom umgekehrt proportional zum Verhältnis von Primärwicklung und Sekundärwicklung. Achten Sie bei der Installation zudem unbedingt darauf, dass Sie die sekundären Anschlüsse S1 und S2 korrekt anschliessen. Falls Sie diese vertauschen, kann es zu Messfehlern kommen.
Wichtiges beim Kauf von Stromwandlern und Stromsensoren
Um den für Ihre Zwecke richtigen Stromwandler zu kaufen, ist entscheidend, ob Sie Wechselstrom (AC) zu Gleichstrom (DC) oder einen reinen Gleichstrom (DC / DC) Wandler benötigen. Wichtig ist zudem, dass Sie vorher wissen, wie genau die ausgegebenen Messwerte denn sein sollen. Wählen Sie daher einen Wandler mit der Norm-Genauigkeitsklasse aus, die zu dem angedachten Verwendungszweck passt. Auch bei Stromsensoren ist es wichtig, dass vor dem Kauf bekannt ist, ob Sie einen Sensor benötigen der lediglich Gleichstrom misst oder ob es ein Modell sein muss, welches mit Gleich- und Wechselstrom arbeiten kann. Geht es um anspruchsvolle Messaufgaben? Falls ja, sollten Sie zu einem Closed-Loop-Kompensationssensor greifen. Für weniger anspruchsvolle Aufgaben ist dagegen meist auch ein Open-Loop-Sensor (direkter Stromsensor) ausreichend.
Unser Praxistipp: Sekundärkreis bei Stromwandler niemals offen betreiben
Aus Sicherheitsgründen muss an die Sekundärwicklung eines Stromwandlers immer kurzgeschlossen sein oder ein Verbraucher angeschlossen werden, wenn im Primärkreis Strom fliesst. Wird dies nicht berücksichtigt, kann es zu gefährlichen Spannungsspitzen sowie einer Zerstörung des Wandlers kommen.
Was versteht man unter Norm-Genauigkeitsklassen?
Es gibt Stromwandler in unterschiedlichen Genauigkeitsklassen. Dabei werden die maximal zulässigen Fehler in Prozent vom Messwert angegeben. Eine Unterteilung erfolgt dabei in die sogenannten Norm-Genauigkeitsklassen 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 0,1 S; 0,2 S und 0,5 S.
Was versteht man unter galvanischer Trennung?
Eine von Stromsensoren durchgeführte Messung erfolgt gewöhnlich kontaktlos, man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer galvanischen Trennung der Stromkreise. Das bedeutet in der Praxis, dass Ladungsträger nicht von einem Stromkreis in einen anderen wechseln können. Eine galvanische Trennung wird zur Vermeidung von Potentialverschiebungen, als Schutzmassnahme (Berührungsschutz) oder auch zur Verhinderung von Masseschleifen eingesetzt.
Was ist bei einem Stromwandler der primäre und sekundäre Bemessungsstrom?
Bei einem Stromwandler gibt der primäre Bemessungsstrom immer den Wert des primären Stromes an, für den der Wandler bemessen ist. Beim sekundären Bemessungsstrom handelt es sich dagegen um den Wert des sekundären Stroms, für den der Wandler bemessen ist.