Ratgeber
Spannungen und Ströme lassen sich relativ leicht messen, zum Beispiel mit einem Volt- beziehungsweise Amperemeter. Allerdings besitzen diese Messgeräte einen inneren Widerstand, der die Messung verfälscht. Nicht umsonst heißt es bei erfahrenen Elektrotechnikern „Wer misst, misst Mist!“. Spezielle Stromsensoren und Stromwandler umgehen diese Hürde.
Wie solche Messwandler funktionieren, das erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Ein Stromsensor ist ein Messwandler, der den Stromfluss mit hoher Messgenauigkeit erfasst und in eine leicht messbare Ausgangsspannung umwandelt. Die Spannung verläuft proportional zum Stromfluss durch den Messpfad. Es gibt eine Vielzahl von Sensoren, und jeder Sensor ist für einen bestimmten Messbereich und eine bestimmte Umgebungsbedingung ausgelegt. Die vom Stromsensor verwendete Technologie ist wichtig, da verschiedene Stromsensoren unterschiedliche Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen besitzen können.
Über den Hall-Effekt
Sehr viele Stromsensoren nutzen zum Messen den sogenannten Hall-Effekt mit offenem oder geschlossenem Regelkreis. Der Effekt beruht auf der Bewegung von Ladungsträgern durch einen Leiter in Richtung einer magnetischen Anziehung. Das Phänomen ist nach Edwin Hall benannt, der den Effekt 1879 entdeckte.
Elektronen bewegen sich normalerweise in einer geraden Linie. Der Hall-Effekt entsteht durch die Erzeugung einer Querkraft auf die Ladungsträger, die sich durch einen Leiter bewegen, so dass sie in Gegenwart eines senkrechten Magnetfelds aktiv Strom leiten. Der Nordpol des Magneten zieht die negativen Ladungsträger auf die dem Magneten zugewandte Seite des Leiters. Da sich alle Elektronen des fließenden Stroms auf einer Seite des Leiters befinden, ist diese Seite negativ und die andere Seite positiv aufgeladen.
Ein Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis besitzt eine Spule, die aktiv ein Magnetfeld erzeugt, das dem vom gemessenen Stromfluss erzeugten Feld entgegengesetzt ist. Der Hall-Sensor wird als Null-Detektor verwendet. Das Ausgangssignal entspricht somit proportional dem Stromfluss, der in die Spule geleitet wird, ohne dass sich die Messung auf den zu messenden Stromkreis auswirkt.
Bei einem Stromsensor mit offenem Regelkreis wird der durch den Primärstrom erzeugte magnetische Fluss in einem Magnetkreis konzentriert und dann mit dem Hall-Sensor gemessen. Das Ausgangssignal des Stromsensors ist so aufbereitet ist, dass es eine genaue Darstellung des Primärstroms liefert.
In Stromwandler ist prinzipiell ein kompakter Transformator, der den Strom eines anderen Stromkreises durch reine Induktion misst und keinen speziellen Stromsensor benötigt. Er ist für die Messung in der Regel mit einem Amperemeter in seinem eigenen Stromkreis gekoppelt. Die direkte Messung von Hochspannungsstrom würde das Einfügen von Messinstrumenten in den zu messenden Stromkreis erfordern – eine unnötige Installation, die genau den Stromfluss, der gemessen werden soll, verändern würde. Außerdem könnte die durch den hohen Strom erzeugte Wärme im Messgerät zu falschen Messwerten führen. Die indirekte Strommessung mit einem Stromwandler ist daher viel praktischer und sicherer.
Die Funktion eines Stromwandlers lässt sich besser verstehen, wenn man ihn mit dem einem Spannungswandler vergleicht. In einem Spannungswandler erzeugt ein Wechselstrom in einem Stromkreis ein magnetisches Wechselfeld in einer Spule im anderen Stromkreis. Beide Spulen sind elektrisch voneinander getrennt, also galvanisch entkoppelt. Die Energieübertragung erfolgt ausschließlich über die Induktion. Die Primärspule ist um einen Eisenkern gewickelt, der das Magnetfeld nahezu unvermindert an die Sekundärspule in einem anderen Stromkreis weiterleitet. Bei einem Stromwandler verfügt der Primärstromkreis dagegen nur über eine Windung oder ist sogar stabförmig.
Die zentrale Funktion eines Stromwandlers ist die Bestimmung des Stroms in einem anderen, galvanisch entkoppelten Stromkreis. Dies ist besonders nützlich für die Überwachung von Hochspannungsleitungen. Eine weitere typische Anwendung sind Haushaltsstromzähler. Ein Stromwandler ist hier mit einem Zähler gekoppelt, der den Stromverbrauch des Kunden misst.
Stromwandlern dienen auch dem Schutz empfindlicher Messgeräte. Durch Erhöhung der Anzahl der sekundären Wicklungen lässt sich der Strom im Vergleich zu den Wicklungen im Primärkreis erheblich verringern. Dies kann sehr wichtig sein, weil ein hoher Strom Wärme erzeugt, die empfindlichen Messgeräten wie Amperemetern zusetzt. Außerdem wird verhindert, dass die Wärme die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt.
Stromwandler in einem Überstromrelais schützen auch die Hauptleitungen des Stromnetzes. Ein solches Schutzrelais löst einen Leistungsschalter aus, wenn ein Hochspannungsstrom einen bestimmten voreingestellten Wert überschreitet. Ein Stromwandler ist nötig, da der Strom einer Hochspannungsleitung nicht direkt gemessen werden kann.
Warum muss die Sekundärwicklung eines Stromwandlers immer kurzgeschlossen beziehungsweise mit einer Last verbunden sein?
Durch die Induktion des Primärkreises können auch im Sekundärkreis hohe Spannungen oder Ströme entstehen. Ist der Kreis nicht geschlossen oder beispielsweise mit einem hochohmigen Amperemeter versehen, besteht an den Ausgangsanschlüssen die Gefahr hoher Spannungsspitzen. Offene Sekundäranschlüsse können auch zur Zerstörung des Wandlers führen.
Was bedeutet das Stromverhältnis in einem Stromwandler?
Spezifiziert werden Stromwandler durch ihr Stromverhältnis zwischen dem primären Bemessungsstrom zum sekundären Bemessungsstrom. Der sekundäre Nennstrom ist normalerweise auf 1 oder 5 Ampere genormt. So liefert beispielsweise eine Sekundärwicklung eines Stromwandlers von 4000:5 einen Ausgangsstrom von 5 Ampere, wenn der Strom der Primärwicklung 4000 Ampere beträgt.
Dieses Verhältnis lässt sich auch verwenden, um die Impedanz oder Spannung auf einer Seite des Transformators zu ermitteln, wenn der entsprechende Wert auf der anderen Seite bekannt ist. Der Bezug der Impedanz erfolgt einfach durch Multiplikation des Anfangswertes der Sekundärimpedanz mit dem Stromverhältnis. Die Sekundärwicklung eines Stromwandlers ist häufig mit Anzapfungen versehen, um eine Reihe von Übersetzungsverhältnissen zu erreichen, wobei fünf Anzapfungen üblich sind.
Was sind die typischen Messbereiche für Stromsensoren und Stromwandler?
Die meisten Wandler arbeiten bei primären Nennströmen im drei- oder sogar vierstelligen Amperebereich. So liefert zum Beispiel ein 100-Ampere-Wandler für Wechselstrom im Sekundärkreis lediglich eine Stromstärke von wenigen Milliampere Gleichstrom, die sich sehr leicht und ohne großen Aufwand messen lassen.