Dieses Video bietet eine detaillierte technische Analyse verschiedener Methoden und Sensortechnologien zur Messung elektrischer Ströme. Es untersucht Shunt-Widerstände (einschließlich Kelvin-Anschlüssen, Gleichtaktunterdrückung und parasitärer Induktivität), Stromwandler (CTs), Rogowski-Spulen, Hall-Effekt-Sensoren (Open- und Closed-Loop), Tunnel-Magnetoresistenz-Sensoren (TMR), Fluxgate-Sensoren, Hybridsysteme sowie optische Stromsensoren auf Basis des Faraday-Effekts. Jedes Verfahren wird hinsichtlich Genauigkeit, Bandbreite, thermischer Stabilität, galvanischer Trennung und Störempfindlichkeit evaluiert.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:00 Shunt-Widerstände: Die Grundmessung erfolgt über das Ohmsche Gesetz ($V=IR$) durch Erfassung des Spannungsabfalls an einem bekannten Widerstand, was jedoch zu Leistungsverlusten und einer unerwünschten Bürdenspannung führt.
1:19 Kelvin-Anschlüsse: Vier-Leiter-Anschlüsse verhindern, dass der Übergangswiderstand und die Eigenimpedanz der Zuleitungen die Präzision von Milliohm- und Mikroohm-Shunts beeinträchtigen.
2:27 Verstärkerkonzepte: Single-Ended- und Differenzverstärker skalieren die kleinen Shunt-Signale, wobei Differenzverstärker durch das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) und maximale Gleichtaktspannungen (z. B. 70 V) limitiert sind.
07:57 Parasitäre Induktivität: Bei hohen Frequenzen (z. B. 5 MHz) erhöht Induktivität die Impedanz; Flux-Kompensation durch einen nur 76 Mikrometer entfernten Rückleiter auf einer inneren Leiterplattenlage reduziert magnetische Felder und verdreifacht die nutzbare Bandbreite.
09:41 Temperaturstabilität: Unkalibrierte Kupferleiter-Shunts leiden unter starken, durch Eigenerwärmung verursachten Widerstandsänderungen (positiver Temperaturkoeffizient), während Präzisionswiderstände Extremwerte von bis zu 2 ppm/°C erreichen.
11:32 Stromwandler (CTs): Transformatorbasierte Messungen übertragen Wechselströme über ein festes Windungsverhältnis und bieten berührungslose galvanische Trennung, versagen jedoch bei reinen Gleichströmen (DC) durch Kernsättigung.
14:26 Rogowski-Spulen: Luftkern-Spulen liefern als Ausgangssignal die mathematische Ableitung des Stroms (erfordern Integration), sind absolut unempfindlich gegenüber DC-Sättigung und ermöglichen flexible, clipbare Messschleifen.
20:01 Hall-Effekt-Sensoren: Nutzen die Ablenkung von Ladungsträgern im Magnetfeld; Open-Loop- und Closed-Loop-Konfigurationen (mittels Kompensationsstrom zur Nullung des Kernflusses) erlauben robuste DC-Messungen.
24:46 Tunnel-Magnetoresistenz (TMR): Bietet eine drastisch höhere Sensitivität als Hall-Elemente, wodurch der schwere Magnetkern entfallen kann, erfordert jedoch differentielle Layouts zur Unterdrückung äußerer Störfelder.
28:34 Fluxgate-Sensoren: Nutzen periodische Kernsättigung und synchrone Demodulation der zweiten Harmonischen, um höchste Genauigkeiten (bis zu 1,6 ppm) und exzellente Offset-Stabilität zu erzielen.
32:36 Hybridsensoren: Kombinieren die DC-Präzision von Fluxgate- oder Hall-Sensoren mit der Hochfrequenz-Bandbreite von Stromwandlern in einem kombinierten System.
33:43 Faraday-Effekt (Optische Sensoren): Von Citizen hergestellte Lichtwellenleiter-Sensoren nutzen die Drehung der Polarisationsebene von Licht in Magnetfeldern, um Ströme von Gleichstrom bis zu 150 MHz präzise zu messen.
Glossar
Shunt-Widerstand (Shunt): Ein präziser, niederohmiger Widerstand, der in einen Stromkreis integriert wird, um den fließenden Strom über den abfallenden Spannungsabfall zu bestimmen.
Bürdenspannung: Der unerwünschte Spannungsabfall, den ein Messgerät oder ein Shunt in den Hauptstromkreis einbringt und der die an der Last anliegende Spannung reduziert.
Kelvin-Anschluss (Vier-Leiter-Messung): Eine Schaltungsanordnung mit getrennten Zuleitungen für den Betriebsstrom und die Spannungsmessung, um Messfehler durch Zuleitungswiderstände auszuschließen.
Gleichtaktspannung (Common-Mode Voltage): Die Spannung, die gleichzeitig und gleichphasig an beiden Eingängen eines Differenzverstärkers gegenüber Masse anliegt.
Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR): Ein Kennwert, der angibt, wie gut ein Differenzverstärker in der Lage ist, Gleichtaktstörungen an seinen Eingängen zu unterdrücken.
Parasitäre Induktivität: Unbeabsichtigte induktive Eigenschaften von Leiterbahnen und Bauteilen, die bei hohen Frequenzen den Scheinwiderstand (Impedanz) vergrößern.
Flux-Kompensation (Flußkompensation): Eine Technik zur Reduzierung der Induktivität, bei der Hin- und Rückströme so nah übereinander geführt werden, dass sich ihre Magnetfelder gegenseitig aufheben.
Stromwandler (CT): Ein Transformator zur Wechselstrommessung, der Primärströme über ein definiertes Windungsverhältnis in kleinere, messbare Sekundärströme übersetzt.
Rogowski-Spule: Eine toroidale Spule auf einem unmagnetischen Kern, deren induzierte Ausgangsspannung proportional zur zeitlichen Änderung des Stroms ($\frac{di}{dt}$) ist.
Hall-Effekt-Sensor: Ein Halbleiterbauelement, das eine Querspannung erzeugt, wenn es von einem Magnetfeld senkrecht zum Stromfluss durchsetzt wird.
Tunnel-Magnetoresistenz (TMR): Eine moderne Sensortechnologie, bei der der elektrische Widerstand quantenmechanisch stark auf externe Magnetfelder reagiert und dadurch extrem hohe Empfindlichkeit liefert.
Fluxgate-Sensor: Ein hochpräziser Magnetfeldsensor, der einen ferromagnetischen Kern durch Wechselfelder periodisch in die Sättigung treibt, um kleinste Magnetfelder und Gleichströme zu messen.
Synchrone Demodulation: Ein Signalverarbeitungsverfahren, bei dem ein Messsignal mit einer Referenzfrequenz multipliziert wird, um gezielt bestimmte Frequenzanteile (wie die zweite Harmonische) herauszufiltern.
Faraday-Effekt: Ein optisches Phänomen, bei dem sich die Polarisationsrichtung von Licht dreht, während es ein transparentes Medium durchquert, das sich in einem magnetischen Feld befindet.