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2025-12-30T20:48:43Z

Vollautomatisierte Montage durch Drohnen: Tausche US- gegen EP-Patent und nutze Vorlage Patent

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[[Datei:Cs100.jpg|mini|Stromsensor für die Messung von Gleichstrom in der Raumfahrt]]
'''Stromsensoren''' sind [[Elektrisches Bauelement|elektrische Bauelemente]], mit denen die [[Elektrischer Strom|Stromstärke]] in [[Kabel]]n und [[Stromschiene]]n in der Regel [[Galvanische Trennung|galvanisch getrennt]] (berührungslos) anhand der durch elektrische Ströme ausgelösten [[Magnetische Flussdichte|magnetischen Flussdichte]] gemessen werden können.

Es wird zwischen [[Sensor]]en, die nur [[Wechselstrom]] erfassen können, und solchen, die [[Gleichstrom|Gleich-]] und Wechselströme erfassen können, unterschieden.

== Wechselstromsensoren ==
Wechselstromsensoren werden als [[Stromwandler]] im engeren Sinne bezeichnet. Sie bestehen meist aus einem [[Ringkern]] und sind wie ein [[Transformator]] ausgeführt. Das magnetische Wechselfeld eines vom zu erfassenden Wechselstrom durchflossenen Leiters induziert in der [[Spule (Elektrotechnik)|Messspule]] einen Wechselstrom, der über das reziproke Windungszahlverhältnis proportional zum Messstrom ist. Stromwandler stellen [[Stromquelle]]n dar und sind mit einer maximal zulässigen sogenannten Bürde (Abschlusswiderstand) abzuschließen. Dies dient zur Vermeidung von unzulässig hohen Ausgangsspannungen die bis zur Selbstzerstörung gehen kann oder Kernerwärmung durch erreichen der Kernsättigung. Ebenso bestimmt der Abschlusswiderstand die untere Grenzfrequenz des Stromtransformators und das Phasenverhalten. Um niedrige Frequenzen verarbeiten zu können, muss die Induktivität sehr hoch sein und der Gesamtwiderstand möglichst klein. Letzteres kann man mit einem Messverstärker mit einer passenden negativen Eingangsimpedanz erreichen. Der Kern ist möglichst permeabel. Moderne Varianten bestehen zum Beispiel aus amorphem Eisen um dies zu erreichen. Dadurch erreichen Wandler mit nur 1000 Windungen Werte im Bereich von 100 H Induktivität. Ungenutzte Wandler werden kurzgeschlossen.

Für kleine Ströme haben Stromwandler eine eigene Wicklung für den zu messenden Wechselstrom. Für große Ströme – die Bereiche gehen je nach Typ bis in den Bereich einiger [[Ampere (Einheit)|Kiloampere]] – wird der Stromwandler über den massiven Leiter (z. B. eine Stromschiene) geschoben, sodass sich nur eine einzige „Windung“ durch den Wandler hindurch ergibt.

Weitere Ausführungen:
* für Wechselströme ausgelegte [[Stromzange]]n mit großer Öffnung, die über den zu messenden Stromleiter „geklappt“ werden können.
* Ferrit-Ringkern-Stromwandler in Schaltnetzteilen, Umrichtern oder anderen höherfrequenten Anwendungen
* [[rogowskispule|Rogowski-Spule]]: Spule ohne Kern um den zu messenden Leiter (dies ist kein Stromwandler im oben beschriebenen Sinn).

Durch Wahl des Windungszahlverhältnisses der beteiligten Spulen kann ein großer Messbereich abgedeckt werden, ohne den primären Stromkreis nennenswert zu beeinflussen. Stromwandler nach diesem Prinzip benötigen keine externe Energie zum Betrieb.

== Gleichstromsensoren ==
[[Datei:Cspew50.jpg|mini|50 A Kompensationswandler für Gleichstrom]]
Gleichstromsensoren können prinzipbedingt auch Wechselströme und transiente Vorgänge erfassen. Sie benötigen eine Hilfsenergiequelle (Speisespannung).
=== Wandler mit Hallsonde ===
Prinzipiell sind Stromsensoren, die mit Hall-Sensoren ausgerüstet sind, temperaturempfindlich und müssen gegebenenfalls temperaturkompensiert werden. Sehr hohe Ströme, auch hohe kurzzeitige Einschaltströme, können das eingesetzte Kernmaterial magnetisieren, was zu Messfehlern bzw. Nullpunktabweichungen (Offsetfehler) durch [[Remanenz]] führt.

==== Direkt abbildende Stromsensoren ====
[[Datei:Slicedringcore.jpg|mini|Geschlitzter Ringkern]]
Diese Sensoren arbeiten mit einem [[Hallsensor]]. Dabei wird ein geschlitzter [[Ringkern]] aus einem möglichst linearen, weichmagnetischen [[ferromagnetismus|ferromagnetischen]] Material benutzt, der entweder den stromführenden Leiter umschließt oder auf den eine Primärwicklung mit einigen wenigen Windungen aufgebracht wird. Der Hallsensor selbst ist im Schlitz (Luftspalt) untergebracht. Der Luftspalt begrenzt zugleich die magnetische Flussdichte, linearisiert den Zusammenhang zwischen Magnetfeld und Strom und ermöglicht so Messungen über einen großen Bereich. Das Messsignal des Hallsensors ist proportional zum Magnetfeld und somit zum Strom. Bei sehr kleinen Strömen ist die Abbildung nicht exakt linear, eventuell kann sich sogar das [[Erdmagnetfeld]] störend bemerkbar machen.

Nach diesem Prinzip arbeiten meist auch [[Stromzange]]n, die Gleich- und Wechselströme erfassen können. Diese Stromzangen bestehen aus einem aufklappbaren Ringkern.

==== Kompensationsstromwandler mit Hallsonde ====
Diese Sensoren sind ähnlich wie direktabbildende Sensoren aufgebaut. Auf dem den Leiter umschließenden Kern ist jedoch zusätzlich eine Wicklung aufgebracht, die von einem Kompensationsstrom durchflossen wird, der von einer elektronischen Schaltung derart erzeugt wird, dass sich am Sensor die Magnetfelder des Messstromes und des Kompensationsstromes (Gegenfeld) aufheben. Ein in die Kompensationswicklung über die Anschlussklemmen extern eingeschleifter Messwiderstand erzeugt eine dem Strom proportionale Spannung, die das Ausgangssignal bildet.

Kompensationswandler sind präziser als direkt abbildende Hall-Stromsensoren, unter anderem kann damit bei genauen Messungen und kleinen Strömen der Einfluss des Erdmagnetfeldes minimiert werden. Sie haben geringere Offset- und Linearitätsfehler.
Sie sind aber auch teurer und benötigen mehr Hilfsenergie.
=== Kompensationsstromwandler mit weichmagnetischer Sonde ===
Diese Sensoren besitzen ebenfalls einen Kern aus ferromagnetischen Materialien, dieser hat jedoch keinen Luftspalt, sondern einen integrierten weichmagnetischen Sensor. Dieser steuert ebenso wie bei den Kompensationsstromwandlern mit Hall-Sensor über eine Elektronik den Strom durch eine Kompensationswicklung, sodass der Magnetfluss null wird. Diese Stromsensoren haben sehr viel kleinere Offset-, Hysterese- und Temperaturfehler als Hall-Stromsensoren.

== Weitere Stromsensoren ==

=== Sensor mit Reed-Schalter ===
Hier wird ein Reed-Schalter axial ins Innere einer Spule gebracht, die das Glasröhrchen (engl. „reed“) eng umschließt. Durch die Wahl der Windungszahl der Spule lässt sich bestimmen, bei welchem Strom der Reedkontakt schließt. Dieser Schaltstrom kann z. B. von einer LED angezeigt werden, die vom Reedkontakt eingeschaltet wird.

=== Thermische Sensoren ===
Für hochfrequente Ströme wird manchmal ein Draht verwendet, der sich durch den zu messenden Strom erwärmt. Diese Erwärmung wird mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung gemessen, z. B. mit einem [[Hitzdrahtmesswerk]] oder – bei entsprechendem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des Drahtes – einer Widerstandsmessung.

In [[Motorschutzschalter]]n, [[Leitungsschutzschalter]]n und [[Thermorelais]] werden [[Bimetall]]-Streifen verwendet, die entweder selbst vom Strom durchflossen werden oder eine dicke Heizwicklung tragen. Solche Stromsensoren haben eine dem [[Effektivwert|Effektivstrom]] folgende Auslenkung und eine gewisse thermische Trägheit und sind daher besonders für Überstromschutzeinrichtungen geeignet. Sie werden auch im Sekundärkreis von Stromwandlern eingesetzt, um im Überstromfall Leistungsschalter des Hauptkreises abzuschalten.

=== Faraday-Effekt ===

Hier ist der Leiter, in dem der Strom gemessen werden soll, mit einem transparenten optischen Medium umgeben, beispielsweise mit einer [[Glasfaser]]. Die Polarisationsrichtung eines durch das Medium tretenden linear polarisierten Lichtstrahls wird durch das den Leiter umgebende Magnetfeld aufgrund des [[Faraday-Effekt]]es gedreht. Durch Messung dieser Drehung der optischen Ebene kann der elektrische Strom im Leiter ermittelt werden. Solche faseroptischen Stromsensoren, abgekürzt '''FOCS''' von {{enS|''fiber optical current sensor''}}, oder '''MOCT''' von {{enS|''magneto optical current transformer''}}, arbeiten ganz ohne magnetische Beeinflussung des Leiters und bieten überdies eine Potentialtrennung auch bei sehr hohen elektrischen Spannungen. Dementsprechend werden sie u. a. in der [[elektrische Energietechnik|elektrischen Energietechnik]] im Bereich von [[Schaltanlage|Hochspannungsanlagen]] als Alternative zu Stromwandlern eingesetzt. Eine weitere Anwendung sind Messungen sehr hoher Ströme in der [[Galvanotechnik]].<ref>{{Webarchiv | url=http://www.hta-bu.bfh.ch/e/enl/enl-faradayd.htm | wayback=20050313222546 | text=Elektrooptischer Stromwandler}}</ref>

Der Messbereich von FOCS geht bis zu 500 kA (Impulsströme) und können eine Genauigkeit von 0,1 % erreichen.<ref>[http://www.abb.de/cawp/seitp202/c8448d801f0635dbc1257169002d8156.aspx Messgenauigkeit des Faseroptischen Stromsensors von ABB] (Pressemitteilung ABB)</ref>
<div style="clear:right"></div>

=== Magnetoresistiver Effekt ohne Ringkern ===
[[Datei:Platinenstromsensor.svg|mini|Stromsensor-IC über stromführender Leiterbahn]]
Neben den Hall-Sonden gibt es weitere kompakte Stromsensoren, die einen [[Magnetoresistiver Effekt|magnetoresistiven Effekt]] nutzen, dabei aber ohne externen Ringkern zur Magnetfeldformung auskommen.<ref>[https://www.elektroniknet.de/distribution/hy-line-sensor-tec-mit-neuen-nve-produkten.14679.html Produktvorstellung bei elektroniknet.de]</ref>

Der Sensor befindet sich in einem [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreis]]. Der Strom wird durch das Bauteil geleitet oder dieses wird über der zu messenden Leiterbahn auf der [[Leiterplatte]] platziert, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Der Messbereich liegt bei einigen 100 mA bis zu einigen Ampere.
<div style="clear:right"></div>

== Bauformen von Stromsensoren ==
=== Automatisierungstechnik ===
In der [[Automatisierungstechnik]] sind Signale mit 0–10  V und 4–20  mA üblich, um verschiedene physikalische Größen analog zu übertragen. Für diese Signalpegel sind obige Stromsensoren und Stromwandler meist nicht geeignet, da sie keine genügend hohen Bürden bieten bzw. nicht den Offsetwert von 4  mA aufweisen. Für die Automatisierungstechnik werden daher Stromsensoren mit 4–20 mA-Ausgang angeboten. Sie besitzen dazu eine integrierte Signalaufbereitung samt Skalierung, die bei einem Wechselstrom oft dessen [[Effektivwert]] und bei Gleichstrom oft den [[Mittelwert]] ausgibt.

=== Fahrzeugindustrie ===
Stromsensoren, die in [[Kraftfahrzeug]]en eingesetzt werden, um z. B. Batteriespannung und Bordnetz zu überwachen, verfügen oft über [[Controller Area Network|CAN]]- und [[Local Interconnect Network|LIN]]-Busanschlüsse, die mit Mikroprozessoren realisiert werden. Andere Typen stellen einen [[Pulsweitenmodulation|PWM]]-Ausgang zur Verfügung.

=== Energietechnik ===
Stromwandler und -sensoren für hohe Spannungen haben oft die Bauform eines Stützisolators. Bei Niederspannung (<1000 V) stecken sie auf der Stromschiene. Da sie den Kurzschlussstrom und in vielen Fällen auch Blitzeinschläge aushalten müssen, sind sie mechanisch stabil, um den Magnetkräften standhalten zu können. Sie sind oft mit Kunstharz vergossen bzw. ummantelt. Zur Anzeige des Stromes werden oft [[Dreheisenmesswerk]]e verwendet, deren Skala auf das Übersetzungsverhältnis angepasst ist. Der Sekundärstrom ist typischerweise 5 Ampere. Dreheisenmesswerke zeigen den Effektivwert an.

=== Leistungselektronik ===
Stromsensoren für die Lötmontage auf Leiterplatten sind hier typisch, wobei die Messstromwindung Bestandteil ist oder auch nicht. Es gibt sowohl solche als fertiges Bauelement als auch anwenderspezifische Konstruktionen aus Ferrit-Ringkernen zur Anwendung in [[Schaltnetzteil]]en oder Invertern.

== Montage ==
=== Vollautomatisierte Montage durch Drohnen ===
Stromsenoren werden beispielsweise an Freileitungen zur Stromlastoptimierung durch [[künstliche Intelligenz]] zunehmend durch Drohnen vollautomatisiert montiert.<ref>https://heimdallpower.com/</ref> Die Drohne fliegt hierbei den Sensor an die Leitung, wo er sich an der Leitung zusammenzieht. Zielsetzung ist die Minimierung von Montagekosten und des Sicherheitsrisikos. Das Patent hierzu wurde von der Firma Heimdall AS im Jahr 2020 angemeldet.<ref>{{Patent| Land=EP| V-Nr=3917834| Code=B1| Titel=Vorrichtung, System und Verfahren zum Installieren eines Objektes auf einer Stromleitung| A-Datum=2020-01-31| V-Datum=2023-07-19| Anmelder=Heimdall Power AS| Erfinder=Brage W. Johansen et al}}</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrotechnisches Messgerät]]
[[Kategorie:Sensor]]

[[fr:Capteur de courant à effet Hall]]

Stromsensor - Versionsgeschichte

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