Zurück in die Zukunft – Die Geschichte geht weiter…
Meine Idee hatte allerdings den Haken, dass ich mit der deutschen Synchronfassung des Films aufgewachsen bin. Im englischen Original heißt die magische Komponente, die Zeitreisen überhaupt erst möglich macht, „flux capacitor“ – was wörtlich eher „Flux-Kondensator“ bedeutet. Außerhalb des deutschsprachigen Raums ist der Zusammenhang zwischen einem der Filme meiner Jugend und HIOKIs Stromsensoren also nicht direkt offensichtlich.
Trotz dieses kleinen Übersetzungsproblems bin ich bei der Idee geblieben – und so ziert der DeLorean auch den ersten Teil dieses Blog-Artikels als Titelbild. Darin geht es um die eigentliche technische Erklärung, warum ein Zero-Flux-Stromsensor überhaupt so heißt.
HIOKI hat drei verschiedene Arten von Zero-Flux-Stromsensoren im Portfolio. Zur Veranschaulichung habe ich im ersten Teil ausgerechnet die Variante gewählt, die in der Praxis die geringste Bedeutung hat: ein Sensor, bei dem niedrige Frequenzen über eine zusätzliche Spule – die sogenannte „Messspule“ – erkannt werden. Sensoren mit dieser Technik können allerdings nur Wechselstrom messen.
Wesentlich relevanter – sowohl technisch als auch in der Praxis – sind die beiden Zero-Flux-Technologien, mit denen sich sowohl Gleich- als auch Wechselstrom messen lässt. Dabei werden niedrige Frequenzen und Gleichstrom entweder mit einem Fluxgate oder einem Hall-Element erfasst.
Zero-Flux-Stromsensoren mit Hall-Element
Bild 1: HIOKIs Zero-Flux-Stromzange CT6711 nutzt ein Hall-Element
Zero-Flux-Stromsensoren mit Hall-Element verfügen typischerweise über eine hohe Bandbreite und sind mit einem BNC-Ausgang ausgestattet – ideal zur Darstellung von Stromverläufen am Oszilloskop. Bei der HIOKI-Stromzange CT6711, dem Flaggschiffmodell dieser Produktfamilie, beträgt die Bandbreite beispielsweise 120 MHz. Sie deckt drei wählbare Messbereiche ab, mit maximalen AC-/DC-Eingangsströmen von 500 mA, 5 A und 30 A.
Warum die Bandbreite bei einem Stromsensor selbst dann eine Rolle spielt, wenn man Gleichstrom messen möchte, erfahren Sie übrigens in diesem Artikel.
Bild 2: Funktionsprinzip eines Zero-Flux-Stromsensors mit Hall-Element
Wie bei allen Zero-Flux-Stromsensoren von HIOKI kommen auch bei der Variante mit Hall-Element zwei Messmethoden zum Einsatz: Das Hall-Element erfasst dabei Gleichstrom und niedrige Frequenzen, während eine klassische Rückkopplungsspule – wie bei einem Stromwandler – für die höheren Frequenzanteile zuständig ist.
Da Hall-Elemente nur eine sehr geringe Spannung erzeugen, ist ein Verstärker notwendig, um ihr Signal nutzbar zu machen. Dieses verstärkte Signal dient dann – unabhängig von der Rückkopplungsspule – zur aktiven Regelung des Kompensationsstroms, der den magnetischen Fluss im Kern auf null hält.
Bild 3: Zwei Messmethoden für einen breiten, flachen Frequenzgang
Zero-Flux-Stromsensoren mit Fluxgate
Bild 4: Der Zero-Flux-Stromsensor CT6904 von HIOKI mit Fluxgate
Wenn höchste Messgenauigkeit gefordert ist, sind Zero-Flux-Stromsensoren mit Fluxgate zur Erfassung niedriger Frequenzen die beste Wahl. Stromzangen erreichen dabei eine Ablesegenauigkeit von 0,2 %, während Durchsteckwandler – wie der oben abgebildete CT6904 – Genauigkeiten von nur 0,025 % bieten. Der Grund für den Unterschied liegt im Aufbau des magnetischen Kerns: Bei der Stromzange ist dieser geteilt, was sich negativ auf die Genauigkeit auswirkt.
Bild 5: HIOKI CT6844A Zero-Flux-Stromzange mit Fluxgate
Die Leistungsanalyse ist eine der Hauptanwendungen, in denen solch hohe Genauigkeiten erforderlich sind. Zero-Flux-Stromsensoren mit Fluxgate-Technologie von HIOKI sind dafür ideal geeignet – sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Amplituden- und Phasengenauigkeit über einen großen Frequenzbereich aus. Darüber hinaus bieten diese Sensoren eine hervorragende Temperaturstabilität – ein wichtiger Faktor, da Leistungsanalysen oft über längere Zeiträume hinweg durchgeführt werden. Mehr zum Thema Temperaturdrift bei Stromsensoren erfahren Sie übrigens in diesem Artikel.
Bild 6: Prinzip eines Zero-Flux-Stromsensors mit Fluxgate
Auch hier sieht man wieder die beiden unterschiedlichen Messsysteme: Ein Fluxgate für Gleichstrom und niederfrequente Wechselströme sowie ein klassisches Stromwandlerprinzip für hochfrequente Wechselströme. Wie bei den Stromsensoren mit Hall-Element werden beide Signale kombiniert, sodass ein flacher Frequenzgang über einen weiten Frequenzbereich erreicht wird.
Bild 7: Zero-Flux-Sensor mit Fluxgate: Ebenfalls zwei Messmethoden
Fazit: Zero-Flux-Stromsensoren mit Hall-Element eignen sich besonders gut zur Darstellung von Stromverläufen am Oszilloskop, da sie für sehr hohe Bandbreiten ausgelegt sind. Sensoren mit Fluxgate-Technologie erreichen zwar nicht dieselbe Bandbreite, bieten dafür eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit – sowohl hinsichtlich Amplitude als auch Phase. Zudem zeichnen sie sich durch eine exzellente Temperaturstabilität aus.
