Kriterien für die Auswahl des optimalen Stromsensors

Anbieter zum Thema

OKW Odenwälder Kunststoffwerke Gehäusesysteme GmbH

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Will man Dauerströme über 200 A messen, kann man den Sensor von dem Stromleiter trennen. In diesem Fall wird in der Regel ein Feldkonzentrator verwendet wie er in Bild 2 zu sehen ist. Das ist im Prinzip ein weichmagnetisches Material, das die stromführende Leitung umschließt. Der Sensor befindet sich dann in einem Spalt in diesem Konzentrator.

Das hat zum einen den Vorteil, dass das Magnetfeld, und damit das Signal stark ver­stärkt wird (~50 x), zum anderen ist das Signal weniger von der genauen Position des Sensors abhängig. Gleichzeitig leitet der Kern externe Magnetfelder um den Sensor herum und reduziert damit die Empfindlichkeit gegen magnetische Einkopplungen. Der Sensor selber ist dann ein linearer Magnetfeldsensor wie ihn Allegro zum Beispiel mit der A136x-Serie anbietet.

Will man auf die Vorteile eines kleinen SMD-Bauteils wie beim ACS780 im LR-Gehäuse nicht verzichten, so gibt es die Möglichkeit einen Stromteiler mit festem Teilungsverhältnis zu nutzen. In der einfachsten Form kann dies direkt in der Platine mit Hilfe eines geeigneten Leiterbahndesigns realisiert werden, wie in Bild 3 zu sehen.

In diesem Beispiel hat man ein Verhältnis von 7:1 realisiert, es fließt also nur ca. 1/7 des Stromes durch den Sensor. Der Einsatzbereich lässt sich so also deutlich erweitern. Die Ungenauigkeiten, die man sich durch diese Methode einhandelt, z.B. Frequenzabhängigkeit aufgrund des Skin-Effekts, oder Temperatureffekte wegen der Lötverbindung, müssen in der Applikation abgewogen werden.

Bandbreite

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die Bandbreite des Sensors. Diese hängt direkt mit der Genauigkeit zusammen. In der Regel ist der Sensor durch das Rauschen in der Hall-Platte limitiert. Diese hat bei einem festen Strom ein bestimmtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, das physikalisch nicht überschritten werden kann.

Will man nun sein Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessern, kann man bei einem festen Signal nur die Rauschbandbreite durch Filtern verringern. Diese ist direkt mit der maximalen Signalbandbreite gekoppelt. Einfach ausgedrückt heißt das, umso genauer man werden will, desto langsamer wird man. Die Bandbreite sollte also so gewählt sein, dass sie möglichst niedrig ist, aber hoch genug für die Applikation.

Bei Schaltwandlern oder Invertern kommt oft noch eine Besonderheit hinzu. Diese schalten in der Regel deutlich schneller als der Strom, den sie steuern, sich ändert. Um nicht von den Schaltflanken gestört zu werden, misst man den Strom in der Zeit zwischen zwei Flanken. Die Bandbreite des Sensors ist dann also nicht von der Frequenz des Stromsignals bestimmt, sondern von der Schaltfrequenz des Wandlers.

Die Bandbreite der Hall-Sensoren fängt bei 20 kHz an und geht bis 1 MHz. Bei einigen Sensoren wie dem ACS724 lässt sich die Bandbreite mittels einer Kapazität an dem FILTER-Pin an die Applikation anpassen.

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