Präzises und quasi verlustfreies Messen aller Stromformen

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Elektronik nahezu vollständig integriert

Wie schon erwähnt, wurde die Elektronik der Sensoren nahezu vollständig in einem applikationsspezifischen Schaltkreis integriert. Dieser stellt eine gemeinsame Entwicklung von VAC mit einem führenden Hersteller hochwertiger analoger und digitaler ICs dar. Der Schaltkreis enthält unter anderem das gesamte Signal Processing für Kompensationssensoren mit Magnetsonde, einen Differenzverstärker für das über dem Messwiderstand abgegriffene Signal, eine hochpräzise Referenzspannungsquelle, sowie eine Reihe von Kontroll- und Überwachungsfunktionen.

Somit hat der IC alle notwendigen Funktionsblöcke für Stromsensoren mit Strom- oder Spannungsausgang an Bord. Durch die Integration reduziert sich die Baugröße der Sensoren, und durch die drastisch reduzierte Anzahl von Bauelementen verbessern sich Messzahlen für die Zuverlässigkeit wie MTBF und FIT-Rate.

Sensoren im Bereich sehr hoher Ströme, etwa im Bereich I_eff = 1000 A, arbeiten bislang ausschließlich nach den Prinzipien Open Loop oder Closed Loop mit Hall-Effekt-Sonden. Sensoren mit Fluxgate-Sonden sind bisher nur im eher exotischen Segment höchster Genauigkeiten und leider auch höchster Preise vertreten.

Mit den Typen T60404-P4640-X1xx stellt die VACUUMSCHMELZE die ersten Mitglieder einer neuen Sensorfamilie für den Nennstrom 1000 A_eff und Messbereichen bis +/-2500 A vor (Bild 4). Hier wurde das von VAC entwickelte Prinzip des Kompensationssensors mit Magnetsonde zum ersten Mal im Bereich der Erfassung sehr hoher Ströme angewendet. Zur Verfügung stehen Versionen für +/-15 V und +/- 24 V Versorgungsspannung und verschiedenen Anschlussvarianten. Die Ausgangsgröße ist ein Strom im Verhältnis 5000:1 des Primärstromes.

Technische Vorteile „hochtransformiert“

Durch das Sondenprinzip stehen die Vorteile des niedrigen Abbildungsfehlers und der hohen Temperatur- und Langzeitstabilität nun auch im Hochstrombereich zur Verfügung. Der hochpermeable Kernwerkstoff PERMENORM mit niedriger Koerzitivfeldstärke sorgt für einen niedrigeren Offset und eine geringere Hysterese des Messsignals im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Kernen aus Eisen-Silizium. Die Auslegung des Nullfelddetektor-Systems erfolgt in einer neuartigen Weise, die den Magnetfluss gleichmäßiger über den gesamten Eisenweg des Kerns kompensiert. So kann trotz des niedrigen Kernquerschnitts der Messbereich groß, die Fremdfeldempfindlichkeit aber klein gehalten werden.

Der Messbereich übersteigt den anderer am Markt erhältlichen 1000-A-Sensoren zum Teil deutlich (siehe dazu die Tabelle in der Bildergalerie). Diese erreichen je nach Randbedingungen noch nicht einmal einen Spitzenstrom von 1000 A * √2, eigentlich notwendig um 1000-A-Wechselstrom abbilden zu können. Die Tabelle zeigt die Messbereiche der VAC-Hochstromsensoren unter verschiedenen Randbedingungen. Noch höhere Ströme lassen sich für kurze Zeit (etwa 1 ms) mittels transformatorischer Kopplung abbilden.

Bild 5 belegt die nahezu perfekte Linearität des Sensors über den Messbereich bei Raumtemperatur (Messungen an 10 Prüflingen, übereinandergeplottet). Bild 7 gibt den relativen Fehler bei der kritischsten Temperatur (untere Temperaturgrenze, -40 °C, 9 Prüflinge) wider. Die Genauigkeit nimmt gegenüber Raumtemperatur kaum ab. Bild 8 zeigt die Sprungantwort bei einem Primärstrom Impuls von 1000 A. Das Ausgangssignal folgt dem Eingangssignal ohne sichtbares Einschwingen.

Die Bilder 9 und 10 dokumentieren die Fremdfeldempfindlichkeit des Sensors, dargestellt als Abhängigkeit des Abbildungsfehlers von der Lage des Rückleiters des Primär-(Gleich-)Stroms in äußerer Nähe zum Sensor. Die geringe Abhängigkeit ermöglicht mehr Freiheiten bei der Auslegung der leistungselektronischen Applikation.

Nicht zu vernachlässigen bei Kompensationssensoren sind die internen Verluste, welche vor allem in den Endstufentransistoren entstehen, die den Kompensationsstrom treiben. Sie tragen maßgeblich zur Eigenerwärmung des Sensors bei. Der hier besprochene Sensor arbeitet an dieser Stelle mit Pulsbreitenmodulation, wodurch die Verluste im typischen Arbeitsbereich der Transistorstufe deutlich geringer ausfallen als bei Produkten mit linearer Endstufe. Bei vollem Nennstrom liegt die Eigenerwärmung des Sensors lediglich bei rund 10 K.

Der bereits beschriebene niedrige Kernquerschnitt und die Auslegung des Kerns als mehrteiliger Rechteckkern sorgen dafür, dass das Fenster des Sensors größer ausgelegt werden kann als bei den gegebenen Außenabmessungen sonst üblich: Maße von 40,5 mm x 40,5 mm (mit Abschrägungen an zwei gegenüberliegenden Ecken) erlauben das Durchführen von Primärleitern mit erhöhtem Platzbedarf. Hierzu gehören z.B. Aluminium- anstatt Kupferschienen, gestapelte Schienen, abgewinkelte Schienen (beim Einführen!) oder Kabel mit Kabelschuhen.

Kompatibel zu marktgängigen Bauformen

In seinen Leistungsdaten setzt sich der VAC-Sensor also zum Teil deutlich von den am Markt eingeführten anderen Produkten ab. Bei neu zu entwickelnden Anwendungen lassen sich diese zum Vorteil des Gesamtgerätes nutzen. Bei den Außenabmessungen (B x T x H = 90 mm x 34 mm x 95 mm ohne Fußwinkel), den Befestigungsmöglichkeiten und den elektrischen Anschlüssen ist er jedoch zu marktgängigen Bauformen kompatibel. Er kann also vorhandene Sensoren gleicher Bauform in den meisten Fällen ersetzen, wobei die Eignung immer durch den Anwender in seiner spezifischen Applikation überprüft werden muss.

* Klaus Reichert ist Leiter Produktmarketing Industrieanwendungen bei Vacuumschmelze (VAC), Hanau.

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