Stromsensoren

Bild 1: Die Stromsensoren von Melexis basieren auf dem Prinzip des Hall-Effekts. Melexis

Die Messung des elektrischen Stroms ist eine wichtige Aufgabe. Ein Ziel ist dabei die Messung des Energieverbrauchs. Dabei geht es nicht nur um die Ermittlung der Energiekosten. Werden zum Beispiel in einem Haus gleichzeitig zu viele Geräte mit hohem Stromverbrauch betrieben, wird das Stromnetz überlastet und die Sicherung schaltet den Strom ab. Das kann passieren, wenn in dem Haus zum Beispiel gleichzeitig mehrere Waschmaschinen, Backöfen und leistungsstarke Ladegeräte für Elektroautos betrieben werden. Bei Wohnhäusern werden heute immer mehr Solaranlagen zur Stromversorgung eingesetzt. Die Sonne scheint nur tagsüber. Deshalb muss Energie auch gespeichert werden. Der Stromverbrauch sollte zu dieser Zeit nicht zu hoch sein. Bei all diesen Fällen kann das intelligente Haus helfen. Die Technik ermittelt den Verbrauch über Stromsensoren und warnt rechtzeitig davor, weitere Geräte einzuschalten.

Die Automobilbranche soll heute immer mehr auf Elektroautos umgestellt werden. Um ein optimales Fahrverhalten zu ermöglichen, ist der Fahrer über den Stromverbrauch zu informieren. Stromsensoren sind ebenso für effiziente Motorsteuerungsalgorithmen und aus Sicherheitsgründen erforderlich. Das Batterie-Steuermodul des Fahrzeugs muss die Ladung kennen, die in die Batterie auf- und absteigt. So wird ein ordnungsgemäßer Ladezustand garantiert und der Fahrer rechtzeitig zur erneuten Aufladung informiert.

ECK-DATEN

Der Hersteller Melexis (Vertrieb: Dacom West) bietet eine Reihe von Stromsensoren an, die in verschiedenen Bereichen der Fahrzeugtechnik, Industrie und in Haushalten einsetzbar sind. Vorteilhaft sind die großen Messbereiche. Ebenso sind diese Sensoren für höhere Frequenzen geeignet, wodurch auch kurze Stromimpulse messbar sind.

Gleichzeitig dient die Strommessung beim Bremsen. Bei der Abfahrt von Bergen ist ebenso eine Rückgewinnung der Energie möglich. Hierfür ist eine exakte Messung einschließlich der Stromflussrichtung notwendig. Nur so können die Prozesse des Lade- und Entladevorgangs der Lithium-Akkumulatoren fehlerfrei gesteuert werden. Alterungen der Akkus können so frühzeitig erkannt werden. Ebenso wird das gesamte Bordnetz überwacht.

Größere Solaranlagen nach dem Photovoltaikprinzip müssen ebenfalls ständig überwacht werden. Die einzelnen Solarzellen werden zu sogenannten Strings durch eine Reihenschaltung verbunden. Somit addiert sich die gelieferte Spannung. Die Reihenschaltungen werden anschließend miteinander verbunden, wodurch sich der Strom aus den einzelnen Reihen addiert. Der maximale Strom einer Reihenschaltung wird durch die Solarzelle bestimmt, die den niedrigsten Stromwert liefert. Beim Defekt oder zu starker Verschmutzung nur einer einzigen Zelle sinkt somit der insgesamt gelieferte Strom. Deshalb sind eine getrennte Messung und der Vergleich des gelieferten Stroms aller Reihenschaltungen sinnvoll. Solaranlagen arbeiten so mit hoher Effizienz und Fehler werden frühzeitig erkannt.

Stromsensoren

Bild 2: Beim Hall-Effekt werden die Elektronen in einer Metallplatte durch das Magnetfeld verschoben. Melexis

Ein anderes Einsatzgebiet der Stromsensoren ist der Einsatz bei Frequenzumrichtern für die Ansteuerung von Motoren. Dies erfolgt nicht nur bei der elektrischen Bahn. Frequenzumrichter werden auch in der Industrie bei Hebeeinrichtungen, Pumpen, Fließbändern und anderen Maschinen eingesetzt. Über den Stromverbrauch wird die aktuelle Belastung ermittelt und der Prozess entsprechend gesteuert. Werden kurze Stromimpulse festgestellt, kann die Ursache in einer Überlastung des mechanischen Antriebs liegen. Der Fehler wird so rechtzeitig erkannt.

Ein anderes Anwendungsgebiet finden wir auch im Hobbybereich. Dort werden Stromsensoren zum Beispiel in Robotern und Quadrokoptern verwendet. Ein Quadrokopter treibt über Motoren die vier Flügel an. Durch die Messung des Stromverbrauchs wird das exakte Flugverhalten gesteuert.

Sensorverfahren

Zur Messung der Stromstärke gibt es verschiedene Prinzipien, die eine Weiterverarbeitung der Messwerte ermöglichen. Beim einfachsten Verfahren wird ein Widerstand in den Stromkreis eingebaut und der Spannungsabfall gemessen. Aus Widerstandswert und Spannung kann der Strom berechnet werden. Dieses Verfahren ist auch bei sehr hohen Strömen einsetzbar. Die fehlende galvanische Trennung ist jedoch nachteilig, wodurch der Einsatz bei höheren Betriebsspannungen nicht möglich ist. Ein anderes Verfahren basiert auf der Temperaturmessung des in die Schaltung eingebauten Widerstands. Beim Einsatz von Optokopplern zur galvanischen Trennung sind Vorwiderstände erforderlich. Bei beiden Varianten ist die galvanische Trennung garantiert, jedoch führen die ohmschen Widerstände zu einem Energieverlust. Ströme mit höheren Frequenzen und damit Stromimpulse oder Phasenverschiebungen sind nicht korrekt messbar. Weitaus bessere Eigenschaften bietet der Hall-Sensor. Über das Magnetfeld der Stromleitung kann der Strom gemessen werden.

Stromsensoren

Bild 3: Um den Hall-Effekt in Lehrgängen gut zu verstehen, kann im Experiment ein Sensor aus einer Kupferfolie mit vier Anschlüssen aufgebaut werden. Klaus Sander

Um die Anwendung entsprechend dem zu messenden Strombereich zu optimieren, sollte man das Hall-Prinzip verstehen. Bild 2 verdeutlicht den Halleffekt. Ein für den Sensor erforderlicher stabiler Versorgungsstrom wird durch eine dünne Metallplatte geleitet. Die Elektronen bewegen sich in der Richtung von A nach B. Das Magnetfeld durchdringt die Metallplatte senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen. Entsprechend der Lorentzkraft werden die Elektronen verschoben und fließen vor allem auf einer Seite. Die Zahl der Elektronen nimmt somit an Punkt C zu. An Punkt D nimmt die Zahl hingegen ab. Auf diese Weise entsteht dort eine positive Ladung. Die Differenz führt so zu einer Spannung zwischen den Punkten C und D. Die Spannungshöhe ist von der Stärke des Magnetfelds abhängig. Die Richtung des Magnetfelds bestimmt die Seite in der Metallplatte, wo mehr oder weniger Elektronen fließen. Auf diese Weise kann ein Hall-Sensor nicht nur die Stromstärke sondern auch die Stromrichtung messen. Das Verfahren hat noch einige Vorteile. Sensor und Stromleiter sind somit galvanisch getrennt. Die Stärke des Magnetfelds wird zum Sensor intrinsisch übertragen. Der Strom in Hochspannungsleitungen kann deshalb problemlos und ohne Gefahren gemessen werden. Das aus der Stromleitung kommende Magnetfeld kann durch spezielle Körper aus Weicheisen gebündelt werden. Damit sind auch geringe Stromstärken messbar. Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass die Elektronen in der Metallplatte mit hoher Geschwindigkeit durch das Magnetfeld verschoben werden. Dadurch ist nicht nur Gleichstrom messbar. Hochfrequente Ströme und Stromimpulse sind ebenfalls exakt messbar.

Stromsensoren

Bild 4: Das Magnetfeld wird über einen speziellen Ringkern aus der Stromquelle erzeugt. Melexis

Schüler und Studenten können physikalische Effekte durch Experimente leichter verstehen. Für den Hall-Effekt ist in Bild 3 ein einfaches Experiment vorgestellt. An gegenüberliegenden Punkten der Kupferfolie einer Leiterplatte sind vier Drähte angelötet. Über zwei Drähte wird der Strom eingespeist. Zur Strombegrenzung ist ein zusätzlicher Widerstand in Reihe zur Spannungsquelle zu schalten. An die anderen beiden Anschlüsse erfolgt die Messung der Hall-Spannung. Die liegt im Mikrovoltbereich. Auf einen zusätzlichen Verstärker kann beim Einsatz eines Oszilloskops verzichtet werden. Durch einen starken Magnet, der der Metallfläche angenähert wird, ist der Hall-Effekt nachweisbar.

Bei Hall-Sensoren sind keine dicken Metallplatten notwendig. Sie eignen sich somit zur Miniaturisierung. Dazu werden zum Beispiel kleine Keramikplatten mit Metall oder speziellen Metalloxiden beschichtet. Der Sensor ist so aus Hall-Elementen, Signalaufbereitung und Ausgangstreiber als Schaltkreis herstellbar.

Stromsensoren

Über den Distributor Dacom West können die Stromsensoren des Herstellers Melexis bezogen werden. Die hohe Qualität garantiert den Einsatz für Anwendungen im Industriebereich, Haushalten und der Autoindustrie. Entsprechend der Anwendung kann der optimal geeignete Sensor ausgewählt werden.

Stromsensoren

Bild 5: Die IMC-Sensoren können über dem Stromleiter auf einer Leiterplatte oder unter dem Kabel angeordnet werden. Melexis

MLX91207 und der MLX91209. Der MLX90207 wird in der SMD-Bauform SO-8 hergestellt, ist speziell für automotive Anwendungen vorgesehen und besitzt spezielle Schutzfunktionen. Der MLX91209 hat eine bedrahtete Bauform und wird zum Einlöten in die Leiterplatte gesteckt. Besondere Vorteile sind der Einsatz bei höheren Temperaturen, die Stabilität und Lebensdauer. Bei beiden Sensoren muss das Magnetfeld aus der externen Stromleitung erzeugt werden. Deshalb ist hier die Empfindlichkeit als Ausgangsspannung bezogen auf die Magnetflussdichte angegeben, also in Millivolt pro Millitesla. Zur Erzeugung des Magnetfelds aus dem Stromleiter sind spezielle Ringkerne erforderlich. Bild 4 demonstriert das Prinzip. Ein besonderer Vorteil liegt in der Messung sehr hoher Ströme und der Immunität gegen externe magnetische Störfelder. Alternativ kann das Stromkabel über der Sensor geführt werden. Bei anderen Anwendungen kann der Sensor über einem Leiterzug auf der Leiterplatte angeordnet werden (Bild 5). Dies ist jedoch wegen der begrenzten Leiterzugbreite nicht bei sehr hohen Strömen einsetzbar. Ebenso darf die Spannung nicht zu hoch sein.

Bei einem solchen Aufbau wird die Flussdichte des Magnetfelds nicht nur über die Stromstärke bestimmt. Der mechanische Aufbau, Bauform und Abstand beeinflussen ebenfalls die Flussdichte. Nach dem Aufbau des Sensorsystems können die Hall-Sensoren entsprechend programmiert werden. Für diesen Zweck produziert Melexis ein entsprechendes Programmiermodul. Somit ist die Kalibrierung unabhängig vom Systemaufbau möglich. Für einfache Anwendungen kann die Kalibrierung auch über den externen Controller erfolgen, welcher die Messdaten ausliest und weiter verarbeitet.

Stromsensoren

Bild 6: Die Schaltung zeigt den einfachen Aufbau einer Sensorschaltung auf Basis des MLX91208. Melexis

CSA-1VG, MLX91205, MLX91206, MLX91208 sind IMC-Hall-Sensoren. Diese Sensoren sind nach dem Prinzip des integrieren magnetischen Konzentrators (IMC, integrated magnetic concentrator) aufgebaut. Je nach Typ und entsprechender Programmierung können die Messwerte auch als Analogsignal oder pulsbreitenmoduliertes Signal ausgegeben werden. Dies reduziert den Aufwand bei der Anwendung in vielen Geräten. Die Sensoren dieser Kategorie garantieren ebenfalls die Messung im Bereich von Gleichstrom bis zu 100 kHz. Der MLX91208 erreicht bei Wechselspannungen sogar den Bereich bis zu 200 kHz. Die Bereiche für die Messwerte sind abhängig vom jeweiligen Typ, wobei hierbei wiederum die Magnetflussdichte angegeben ist. Der Aufbau des Messsystems führt ebenfalls wiederum zu einer Beeinflussung der Magnetflussdichte. Die genaue Betrachtung der Datenblätter und die Information über physikalische Grundlagen des Magnetfelds sind deshalb wichtig.

Beim MLX91210 ist der Stromleiter bereits integriert. Das Magnetfeld muss deshalb nicht extern erzeugt werden. Der zu messende Strom erzeugt damit intern das zu messende Magnetfeld. Durch ein spezielles Verfahren wird der Einfluss externer Magnetfelder reduziert. Er steht in jeweils zwei Varianten mit den Bauformen SOIC-8 und SOIC-16 zur Verfügung. Der Sensor ist bereits vom Hersteller kalibriert. Der Stromleiter hat bei den SOIC-8-Typen einen Widerstand von 0,8 Ohm. Bei den Typen in der Bauform SOIC-16 liegt der Wert bei 0,7 Ohm. Beide Bauformen sind zusätzlich in den Versionen CAS-101 und CAS-102 verfügbar.

Der maximal messbare Strom ist von der Bauform und der Kühlung abhängig. In der Bauform SOIC-8 liegt der Maximalwert bei 25 A. Bei der Bauform SOIC-16 sind maximal 30 A messbar. Der maximal zulässige Strom wird durch die Wärmeableitung der Leiterkarte bestimmt. Zusätzliche Luftkühler ermöglichen höhere Ströme. Bei beiden Typen sind kurze Impulsströme bis zu ±100 A messbar. Alle MLX91210-Typen sind für Messungen von Gleichstrom und Wechselstrom bis zu 100 kHz geeignet.

Der MLX91210 liefert ein analoges Ausgangssignal. Bei den Versionen CAS-101 liegt die Empfindlichkeit bei 80 mV/A. Bei der Version CAS-102 ist die Empfindlichkeit auf 40 mV/A begrenzt. Vorteilhaft ist die Messungenauigkeit von nur 0,5 Prozent.

Der Einsatz der MLX91210-Typen ist sowohl für den industriellen Bereich als auch für Anwendungen herkömmlicher Verbraucherprodukte vorgesehen. Durch die integrierte Stromleitung ist der Einbau in beliebigen Geräten möglich. So kann der Einbau zum Beispiel auch in Computern erfolgen. Durch die Messung des Stroms kann so der Stromverbrauch je nach Funktion überwacht werden. Beim Einsatz zum Beispiel in einer Waschmaschine kann durch den Stromverbrauch rechtzeitig erkannt werden, ob sie überfüllt ist. Der Anwender wird aufgefordert, beim nächsten Mal weniger Wäsche einzulegen. Damit wird nicht nur der Stromverbrauch reduziert. Die Lebensdauer der Waschmaschine verlängert sich. Ähnliche Anwendungen sind im Industriebereich möglich, wo der Stromverbrauch von Maschinenmotoren kontrolliert wird.

Stromsensoren

Bild 7: Bei diesem Experiment ist über dem dickeren Stromleiter der MLX91208 angeordnet. Klaus Sander

Anwendungsbeispiel

Bild 6 zeigt ein einfaches Anwendungsbeispiel für Stromsensoren. In dieser Schaltung wird der MLX91208 eingesetzt. Hier ist der Stromsensor über einem dickeren Stromleiter angeordnet (Bild 7). Für erste Versuche reicht die Messung über ein Voltmeter. Das Auslesen der Daten kann auch über einen Arduino erfolgen. Die so ermittelten Messwerte werden vom Arduino zum PC über das USB-Interface weitergeleitet. So lassen sich die Stromimpulse besser beobachten. Zur Erzeugung hoher Stromimpulse werden hier Kondensatoren des Typs Supercap als Stromquelle eingesetzt. Diese werden zuerst aufgeladen und nach dem Druck auf die Taste schnell entladen.