Der Hall-Stromsensor basiert auf dem Prinzip des magnetischen Gleichgewichts von Hall. Gemäß dem Hall-Effekt wird ein Steuerstrom in den Stromanschluss des Hall-Elements eingespeist und ein Magnetfeld der Stärke B senkrecht zur Ebene des Hall-Elements angelegt. Dadurch entsteht ein elektrisches Potenzial VH senkrecht zur Richtung von Strom und Magnetfeld (d. h. zwischen den Ausgängen des Hall-Elements). Dieses Potenzial wird als Hall-Potenzial bezeichnet und ist proportional zum Produkt aus Steuerstrom und Magnetfeldstärke.
Das Funktionsprinzip von Hall-Stromsensoren
Ein Hall-Sensor ist ein magnetisch-elektrisches Wandlerbauelement aus Halbleitermaterialien. Wird am Eingang ein Steuerstrom IC angelegt und ein Magnetfeld B die Sensorfläche des Bauelements durchdringt, entsteht am Ausgang ein Hall-Potenzial VH. Dessen Betrag ist proportional zum Produkt aus Steuerstrom IC und magnetischer Flussdichte B. Der energiesparende Hall-Sensor basiert auf dem Prinzip des Hall-Effekts und dem Ampèreschen Gesetz: Um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht ein zum Strom proportionales Magnetfeld, das der Hall-Sensor misst. Dadurch ist eine berührungslose Strommessung möglich. Durch Messung des Hall-Potenzials lässt sich indirekt die Stromstärke im Leiter bestimmen. Der Stromsensor durchläuft somit eine elektrisch-magnetisch-elektrische Isolationswandlung.
Das Problem der magnetischen Sättigung von Hall-Stromsensoren im geschlossenen Regelkreis
Das Problem der magnetischen Sättigung von Hall-Stromsensoren im offenen Regelkreis ist vergleichsweise einfach. Im Vergleich dazu ist das Problem der magnetischen Sättigung von Hall-Stromsensoren im geschlossenen Regelkreis komplexer.Hall-StromsensorDies erscheint unverständlich, denn im Normalbetrieb eines geschlossenen Hall-Stromsensors ist der magnetische Fluss im Magnetkern null. Unter diesen Bedingungen tritt naturgemäß keine Sättigung auf. Dies gilt jedoch nur im Normalbetrieb. Tatsächlich kommt es selbst bei elektromagnetischen Stromwandlern oder offenen Hall-Stromsensoren unter anormalen Betriebsbedingungen wie Überlastung, niedriger Frequenz und hoher Last zu magnetischer Sättigung. Im Normalbetrieb tritt keine magnetische Sättigung auf. Das Funktionsprinzip des geschlossenen Hall-Sensors, bei dem der magnetische Fluss null ist, basiert auf der Voraussetzung, dass das Magnetfeld der Kompensationswicklung auf der Sekundärseite das Magnetfeld des Primärleiters kompensieren kann. Kann ein geschlossener Hall-Stromsensor diesen magnetischen Fluss also unter allen Umständen aufrechterhalten? Offensichtlich nicht.
Wenn der Sensor nicht mit Strom versorgt wird, erzeugt die Kompensationswicklung auf der Sekundärseite keinen Strom. In diesem Fall verhält sich der Hall-Stromsensor im geschlossenen Regelkreis wie ein Hall-Stromsensor im offenen Regelkreis. Sobald der Primärstrom ausreichend hoch ist, tritt magnetische Sättigung ein. Im Normalbetrieb ist der Primärstrom zu hoch, da der von der sekundären Kompensationswicklung erzeugbare Strom begrenzt ist. Übersteigt das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld die maximale Feldstärke der sekundären Kompensationswicklung, wird das magnetische Gleichgewicht gestört, und ein Magnetfeld durchdringt den Magnetkern. Mit weiter steigendem Primärstrom nimmt auch die Feldstärke im Magnetkern zu. Erreicht der Primärstrom einen bestimmten Wert, gerät der Hall-Stromsensor im geschlossenen Regelkreis in den Sättigungszustand.
Im Vergleich zu elektromagnetischen Stromwandlern und Hall-Stromsensoren im offenen Regelkreis tritt die magnetische Sättigung bei Hall-Sensoren im geschlossenen Regelkreis zwar seltener auf, kann aber dennoch vorkommen. Unsachgemäße Verwendung oder dauerhafte Überlastung können ebenfalls zu magnetischer Sättigung führen.
Veröffentlichungsdatum: 28. April 2025