Stromsensoren im Vergleich: Technologien und Einsatzgebiete

Mit der fortschreitenden Elektrifizierung von Fahrzeugen, Energiespeichern und industriellen Anlagen steigen die Anforderungen an eine präzise, schnelle und sichere Strommessung. Stromsensoren übernehmen dabei eine zentrale Funktion: Sie liefern Messwerte für Batterie-Management-Systeme, Traktionswechselrichter, DC/DC-Wandler und On-Board-Charger und tragen damit wesentlich zu Effizienz, Betriebssicherheit und Lebensdauer elektrischer Systeme bei. Je nach Anwendung unterscheiden sich die Anforderungen jedoch deutlich. Während bei niedrigen Strömen oft Kosten und Genauigkeit im Vordergrund stehen, gewinnen bei Hochvoltanwendungen galvanische Trennung, geringe Verlustleistung, hohe Bandbreite und kompakte Bauformen an Bedeutung. Für Ingenieure und Techniker stellt sich deshalb die Frage, welche Sensortechnologie sich für den jeweiligen Einsatzzweck eignet. Zur Auswahl stehen etablierte Lösungen wie Shunt-Widerstand, Fluxgate-Sensor und Rogowski-Spule sowie moderne Hall-Effekt-Sensoren. Jede Technologie besitzt spezifische Vorteile, aber auch technische Grenzen, die bei der Auslegung sorgfältig berücksichtigt werden müssen.

Warum sich die Anforderungen an Stromsensoren verändern

Die Elektrifizierung von Mobilität, Energieversorgung und Industrie führt dazu, dass die Strommessung in immer mehr Anwendungen zu einer sicherheits- und leistungsrelevanten Funktion wird. Stromsensoren erfassen heute nicht nur Betriebswerte, sondern liefern auch die Grundlage für Regelung, Diagnose und Schutz. Besonders deutlich wird dies in elektrischen Antriebssträngen und Energiespeichersystemen, in denen hohe Ströme, schnelle Lastwechsel und anspruchsvolle Umgebungsbedingungen zusammentreffen.

Steigende Leistungen und dynamische Stromverläufe

Zu den wichtigsten Anwendungen von Stromsensoren gehören Batterie-Management-Systeme, Traktionswechselrichter, DC/DC-Wandler und On-Board-Charger. Das Batterie-Management-System überwacht unter anderem Leistung, Sicherheit und Lebensdauer des Batteriespeichers. Der Traktionswechselrichter wandelt den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Elektromotor um. DC/DC-Wandler passen Gleichspannungsniveaus an, während der On-Board-Charger die von einer externen Ladestation bereitgestellte Wechselspannung für das Laden der Batterie in Gleichspannung umwandelt. In diesen Systemen muss die Strommessung sowohl stationäre als auch schnell veränderliche Stromverläufe verlässlich erfassen. Der erforderliche Messbereich kann je nach Anwendung von niedrigen Strömen bis in den Kiloamperebereich reichen. Gleichzeitig darf die Messung die Leistungsübertragung möglichst wenig beeinflussen. Ein Stromsensor muss daher nicht nur einen ausreichend großen Messbereich abdecken. Auch Ansprechzeit, Bandbreite, Linearität und Genauigkeit sind entscheidend. Besonders bei leistungselektronischen Schaltungen mit schnellen Schaltvorgängen ist eine hohe Bandbreite notwendig, damit dynamische Stromspitzen nicht übersehen oder verfälscht dargestellt werden.

Galvanische Trennung und elektrische Sicherheit

Mit steigenden Spannungen gewinnt die galvanische Trennung zwischen Leistungspfad und Steuerungselektronik an Bedeutung. Sie verhindert eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Hochvoltbereich und empfindlichen Niedervoltkomponenten. Dadurch lassen sich Risiken durch elektrische Fehler, Kurzschlüsse oder unerwünschte Potentialverschiebungen reduzieren. Magnetische Messprinzipien wie Fluxgate-Sensoren oder Hall-Effekt-Sensoren können den Strom über sein Magnetfeld erfassen. Dadurch ist eine galvanisch getrennte und weitgehend berührungslose Messung möglich. Ein Shunt-Widerstand wird dagegen direkt in den Strompfad eingebracht. Die an ihm entstehende Messspannung ist zwar proportional zum Strom, die galvanische Trennung muss jedoch durch zusätzliche Schaltungstechnik realisiert werden. Gerade in Hochvoltanwendungen ist diese Unterscheidung relevant. Die Auswahl eines geeigneten Sensors betrifft damit nicht nur die Messgenauigkeit, sondern auch die Sicherheitsarchitektur des gesamten Systems. Die elektrische Isolation ist deshalb einer der wesentlichen Gründe, weshalb aktive Stromsensoren zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Verlustleistung, Temperatur und Signalqualität

Neben der Sicherheit spielen Energieeffizienz und thermisches Verhalten eine wichtige Rolle. Bei einem Shunt-Widerstand entstehen Verluste nach dem Prinzip I²R. Mit zunehmendem Strom steigt dadurch die Wärmeentwicklung erheblich. Diese Eigenerwärmung kann nicht nur die Energieeffizienz verschlechtern, sondern auch das Messergebnis und die thermische Auslegung des Gesamtsystems beeinflussen. Aktive Stromsensoren wie Hall-Effekt-Sensoren arbeiten demgegenüber mit deutlich geringerer Verlustleistung im eigentlichen Strompfad. Hinzu kommen Funktionen wie integrierte Verstärkung, Filterung und Temperaturkompensation. Dadurch kann das Ausgangssignal unmittelbar für Steuerungs- und Diagnosefunktionen verwendet werden. Darüber hinaus weisen aktive Stromsensoren eine verbesserte Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen und die Möglichkeit einer Echtzeitüberwachung auf. Für Ingenieure und Techniker ergibt sich daraus ein mehrdimensionales Auswahlproblem. Entscheidend sind nicht allein Genauigkeit und Bauteilkosten. Ebenso relevant sind Messbereich, Bandbreite, galvanische Trennung, Temperaturdrift, Bauform, Störfestigkeit, Verlustleistung und der Aufwand für die Signalverarbeitung. Welche Technologie die beste Lösung darstellt, lässt sich deshalb nur im Zusammenhang mit der konkreten Anwendung beurteilen.

Traditionelle Stromsensortechnologien im Vergleich

Shunt-Widerstand, Fluxgate-Sensor und Rogowski-Spule gehören zu den etablierten Verfahren der Strommessung. Alle drei Technologien werden weiterhin eingesetzt, unterscheiden sich jedoch deutlich hinsichtlich Messprinzip, Genauigkeit, galvanischer Trennung, Bauform und Einsatzbereich. Welche Lösung geeignet ist, hängt deshalb wesentlich davon ab, ob man Gleichstrom, Wechselstrom oder schnelle Stromveränderungen erfassen möchte und welche Anforderungen an Verlustleistung, Sicherheit und Integrationsaufwand bestehen.

Shunt-Widerstand: präzise, kompakt und kostengünstig

Ein Shunt-Widerstand arbeitet auf Grundlage des Ohmschen Gesetzes. Dazu wird ein bekannter, möglichst präziser Widerstand direkt in den Strompfad eingebracht. Der Strom erzeugt am Widerstand einen Spannungsabfall, der proportional zur Stromstärke ist. Aus der gemessenen Spannung und dem bekannten Widerstandswert lässt sich der Strom berechnen. Zu den wichtigsten Vorteilen dieser Strommessung gehören der einfache Aufbau, die kleine Bauform und die vergleichsweise niedrigen Kosten. Shunt-Widerstände werden mit hoher Genauigkeit angeboten und sind insbesondere bei niedrigeren Strömen eine zweckmäßige Lösung. Zudem eignet sich das Prinzip grundsätzlich für Gleich- und Wechselstrom. Der direkte Einbau in den Strompfad führt jedoch zu elektrischen Verlusten. Die Verlustleistung steigt nach der Beziehung I²R quadratisch mit dem Strom an. Bei hohen Stromstärken entstehen daher Wärme und zusätzlicher Kühlungsbedarf. Gleichzeitig kann die Eigenerwärmung das Messergebnis beeinflussen. Da ein einfacher Shunt-Widerstand keine galvanische Trennung zwischen Leistungs- und Messkreis bietet, kann ausserdem eine zusätzliche isolierte Signalaufbereitung erforderlich sein. Verlustleistung, Erwärmung und der Eingriff in den Stromkreis gelten als wesentliche Nachteile.

Weiterführendes Thema: Fehler und Fallen beim Design mit niederohmigen Strommesswiderständen (Shunts) vermeiden

Fluxgate-Sensor: hohe Genauigkeit bei größerem Aufwand

Ein Fluxgate-Sensor erfasst das Magnetfeld, das um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht. Solche Systeme verwenden einen ferromagnetischen Kern sowie Anregungs- und Messwicklungen. Die Anregungswicklung magnetisiert den Kern mit einem Wechselstromsignal. Das Magnetfeld des zu messenden Stroms verändert den Magnetisierungszustand, und die Messwicklung erfasst diese Verschiebung. Aus dem elektrischen Signal wird anschließend der Stromwert bestimmt.

Fluxgate-Sensoren erreichen eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit. Sie können sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom messen und bieten eine galvanisch getrennte Erfassung. Besonders für präzise Gleichstrommessungen stellen sie daher eine leistungsfähige Technologie dar.

Den technischen Vorteilen stehen jedoch ein vergleichsweise großer Bauraum, ein höheres Gewicht und komplexere Schaltungen gegenüber. Auch die Kosten sind hoch. Für Anwendungen mit strengen Anforderungen an Miniaturisierung und Wirtschaftlichkeit kann dies die Integration erschweren. Der Fluxgate-Sensor eignet sich daher vor allem dann, wenn hohe Genauigkeit und galvanische Trennung wichtiger sind als minimale Bauform und niedrige Bauteilkosten.
 

Rogowski-Spule: flexibel für dynamische Wechselströme

Die Rogowski-Spule besteht aus einer helixförmigen Spule, die um einen Leiter oder eine Stromschiene gelegt wird. Sie hat keinen direkten elektrischen Kontakt zum Strompfad und misst die zeitliche Änderung des vom Strom erzeugten Magnetfeldes. Aufgrund des induktiven Prinzips ist das Ausgangssignal deshalb nicht unmittelbar proportional zum Strom, sondern zu dessen Änderungsgeschwindigkeit.

Ein wesentlicher Vorteil ist die flexible und nicht invasive Montage. Die Rogowski-Spule eignet sich für hohe Wechselströme und bietet eine große Bandbreite. Dadurch kann sie insbesondere bei dynamischen Stromverläufen und schnellen Lastwechseln eingesetzt werden. Auch für Leitergeometrien, bei denen starre Sensorbauformen problematisch sind, kann ihre Flexibilität vorteilhaft sein.

Die wichtigste Einschränkung liegt im Messprinzip: Eine Rogowski-Spule kann keinen Gleichstrom erfassen. Für die Bestimmung des eigentlichen Stromverlaufs ist zudem eine Integration des Ausgangssignals erforderlich. Die Genauigkeit ist moderat und das Signal kann Störanfälligkeit sein. Diese Technologie steht daher vor allem für Wechselstromanwendungen im Vordergrund, bei denen hohe Ströme, große Bandbreiten und flexible Installation entscheidend sind.

Hall-Effekt-Sensoren als etablierte aktive Lösung

Hall-Effekt-Sensoren haben sich in der Strommessung als kompakte und vielseitige Alternative zu traditionellen Verfahren etabliert. Sie können sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom erfassen und bieten eine galvanische Trennung zwischen dem stromführenden Leistungspfad und der Auswerteelektronik. Damit eignen sie sich insbesondere für Anwendungen, in denen hohe Ströme, begrenzter Bauraum und elektrische Sicherheit zusammenkommen.

Funktionsweise von Hall-Effekt-Sensoren

Fließt Strom durch einen Leiter oder eine Stromschiene, entsteht ein Magnetfeld. Ein Hall-Effekt-Sensor erfasst dieses Magnetfeld und wandelt es in ein elektrisches Ausgangssignal um. In den im Webinar vorgestellten Sensorbauformen wird der Magnetfluss über einen ferromagnetischen Kern geführt. Ein integriertes Sensorelement beziehungsweise ein ASIC verarbeitet das erfasste Magnetfeld und erzeugt daraus eine analoge Ausgangsspannung.

Je nach Bauform verläuft der Leiter direkt durch das Sensorgehäuse, wird als Stromschiene in die Sensorbaugruppe integriert oder als Kabel durch eine entsprechende Öffnung geführt. Da zwischen dem stromführenden Leiter und der Signalelektronik keine direkte elektrische Verbindung erforderlich ist, bleibt die galvanische Trennung erhalten.

Die Stromsensoren gibt es in einphasigen und dreiphasigen sowie kabelmontierte Ausführungen. Damit lassen sich Hall-Effekt-Sensoren sowohl in Batterie-Management-Systemen als auch in Traktionswechselrichtern und vergleichbaren leistungselektronischen Anwendungen einsetzen.

Vorteile bei hohen Strömen und begrenztem Bauraum

Ein wesentlicher Vorteil liegt in der kompakten Bauweise. Im Vergleich zu einem Fluxgate-Sensor lassen sich Hall-Effekt-Sensoren leichter in bestehende Stromschienen-, Kabel- oder Leistungsmodulkonzepte integrieren. Der Leiter wird einfach durchgeführt. Weitere zentrale Merkmale sind die galvanische Trennung, ein breiter Strommessbereich und eine moderate bis hohe Genauigkeit.

Für konkrete einphasige Sensoren liegt der Messbereich in etwa ±200 A bis ±1.500 A. Bei kabelmontierten Varianten reicht der genannte Bereich von etwa ±25 A bis ±1.000 A. Diese Ausführungen können zudem mit zwei Messkanälen für hohe und niedrige Ströme ausgestattet werden. Dadurch lässt sich innerhalb einer Anwendung ein größerer dynamischer Bereich abdecken.

Ein weiterer Vorteil gegenüber einem Shunt-Widerstand besteht in der geringeren Verlustleistung im Strompfad. Da kein zusätzlicher Messwiderstand in Reihe geschaltet werden muss, treten keine vergleichbaren I²R-Verluste durch das eigentliche Messprinzip auf. Die Technologie wird deshalb vor allem für Hochstromanwendungen als kosteneffiziente und integrationsfreundliche Lösung beschrieben.

Genauigkeit, Drift und konstruktive Grenzen

Trotz ihrer Vorteile erreichen Hall-Effekt-Sensoren nicht in jeder Ausführung die Genauigkeit eines Fluxgate-Sensors. Die Genauigkeit wird eher als moderat eingestuft. Als Nachteile sind ein Offsetdrift und die Notwendigkeit einer Temperaturkompensation genannt. Neuere Sensorbaugruppen können diese Effekte durch integrierte Signalaufbereitung und Temperaturkompensation reduzieren. Hall-Effekt-Sensoren haben einen geringeren thermischen Drift, eine erweiterter Bandbreite und verbesserter Unempfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern. Diese Eigenschaften hängen jedoch von der konkreten Sensorgeometrie, der magnetischen Abschirmung und der Auswerteelektronik ab.

Für Ingenieure und Techniker bieten Hall-Effekt-Sensoren damit einen ausgewogenen Kompromiss aus galvanischer Trennung, kompakter Bauform, großem Messbereich und moderaten Kosten. Besonders geeignet sind sie für Anwendungen, in denen eine sichere Hochstrommessung wichtiger ist als die maximal erreichbare Genauigkeit.
 

Die Anwendung entscheidet über die geeignete Strommesstechnik

Für die Auswahl geeigneter Stromsensoren gibt es keine universelle beste Lösung. Entscheidend sind vielmehr die elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Ein Shunt-Widerstand überzeugt durch einen einfachen Aufbau, hohe Genauigkeit und geringe Kosten, verursacht bei hohen Strömen jedoch zusätzliche Verlustleistung und Wärme. Ein Fluxgate-Sensor bietet eine präzise galvanisch getrennte Strommessung, benötigt dafür aber mehr Bauraum und eine komplexere Elektronik. Die Rogowski-Spule eignet sich besonders für hohe und dynamische Wechselströme. Ihre flexible Bauform und große Bandbreite stehen jedoch der fehlenden Gleichstrommessung und dem Bedarf an zusätzlicher Signalintegration gegenüber. Hall-Effekt-Sensoren bilden häufig einen ausgewogenen Kompromiss aus galvanischer Trennung, kompakter Bauform, breitem Messbereich und moderaten Kosten. Einschränkungen können sich durch Offsetdrift und Temperatureinflüsse ergeben. Ingenieure und Techniker sollten die Auswahl deshalb nicht allein anhand der nominellen Genauigkeit treffen. Messbereich, Stromart, Bandbreite, galvanische Trennung, Temperaturverhalten, Bauraum, Signalaufbereitung und Gesamtkosten müssen gemeinsam bewertet werden.