1. Einleitung In den letzten Jahren haben zahlreiche Leistungshalbleiterbauelemente der neuen Generation Einzug in die Leistungselektronik, die Drehzahlregelung von Wechselstromgeräten, Wechselrichter und Schaltnetzteile gehalten. Herkömmliche Stromsensoren sind für die Übertragung und Erfassung von Stromverläufen mittlerer und hoher Frequenzen mit hohem Stromanstiegsverhältnis (di/dt) nicht mehr geeignet. Hall-Stromsensoren, die in den letzten zehn Jahren entwickelt wurden, stellen eine neue Generation industrieller Sensoren zur Strommessung und -regelung dar und sind eine Art von Hochleistungs-Sensorelementen. Sie finden breite Anwendung in Drehzahlreglern, Wechselrichtern, USV-Anlagen, Schweißgeräten, Umspannwerken, der Galvanotechnik, CNC-Werkzeugmaschinen, Mikrocomputer-Überwachungssystemen, Netzüberwachungssystemen und verschiedenen anderen Bereichen, die eine isolierte Erfassung hoher Ströme und Spannungen erfordern. In leistungselektronischen Produkten ist die präzise Erfassung und Regelung hoher Ströme zudem eine grundlegende Voraussetzung für den sicheren und zuverlässigen Betrieb. 2. Leistungsmerkmale von Hall-Sensoren Hall-Stromsensoren zeichnen sich durch hervorragende elektrische Eigenschaften aus und sind fortschrittliche Sensorelemente, die eine Trennung des Hauptstromkreises und des elektronischen Steuerkreises ermöglichen. Es vereint alle Vorteile von Stromwandlern und Shunts und überwindet gleichzeitig deren Nachteile (Stromwandler eignen sich nur für Messungen mit 50 Hz Netzfrequenz; Shunts können keine isolierten Messungen durchführen). Mit demselben Hall-Stromsensor kann es sowohl Wechsel- als auch Gleichströme und sogar transiente Spitzenwerte erfassen und ist somit ein Produkt der nächsten Generation, das Stromwandler und Shunts ersetzen kann. Der Hall-Stromsensor zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Er kann Ströme beliebiger Wellenform messen. Der Hall-Stromsensor kann Stromparameter beliebiger Wellenformen wie Gleich-, Wechsel- und Impulswellenformen messen. Er kann auch transiente Spitzenwerte messen, und sein Sekundärkreis bildet die Wellenform des Primärstroms originalgetreu ab. Herkömmliche Stromwandler können in dieser Hinsicht nicht mithalten, da sie im Allgemeinen nur für 50-Hz-Sinuswellen geeignet sind; Hohe Genauigkeit. Die Genauigkeit eines typischen Hall-Stromsensors in seinem Betriebsbereich liegt unter 1 % und eignet sich für die Messung beliebiger Wellenformen, während die Genauigkeit herkömmlicher Stromwandler im Allgemeinen bei 3 %–5 % liegt und sie nur für 50-Hz-Sinuswellen geeignet sind. Die Linearität liegt unter 0,5 %; gute Dynamik. Ein typischer Hall-Sensor weist eine dynamische Ansprechzeit von unter 7 µs und eine Nachführgeschwindigkeit di/dt von über 50 A/µs auf. Hall-Stromsensoren bilden mit ihrer exzellenten Dynamik eine wichtige Grundlage für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit moderner Steuerungssysteme (induktionsfreies Element). Die dynamische Ansprechzeit eines typischen Stromwandlers beträgt 10–20 µs und ist damit für die Anforderungen der industriellen Steuerungstechnikentwicklung ungeeignet (induktives Element). Der Sensor zeichnet sich durch einen breiten Betriebsfrequenzbereich von 0–20 kHz aus, bietet eine hohe Überlastfähigkeit, einen großen Messbereich (0–±10.000 A), hohe Zuverlässigkeit und eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von über 5 × 10.000 Stunden. Er ist klein, leicht, einfach zu installieren und verursacht keine Schäden am System. 3. Funktionsprinzip von Hall-Sensoren: Hall-Stromsensoren basieren auf dem Hall-Prinzip. Sie verfügen über zwei Betriebsmodi: magnetischer Ausgleich und Direktmessung. Ein Hall-Stromsensor besteht im Allgemeinen aus einem Primärkreis, einem Magnetring, einem Hall-Sensor, einer Sekundärspule und einem Verstärker. 3.1 Direktwirkender Stromsensor (Offener Regelkreis): Wie bekannt, erzeugt ein Stromfluss durch einen langen Leiter ein Magnetfeld um den Leiter. Die Stärke dieses Magnetfelds ist proportional zum durch den Leiter fließenden Strom. Es kann vom Magnetkern fokussiert und auf einen Hall-Sensor induziert werden, wodurch dieser ein Signal ausgibt. Dieses Signal wird von einem Signalverstärker verstärkt und direkt ausgegeben, typischerweise mit einer Nennausgangsspannung von 4 V. 3.2 Magnetisch kompensierter Stromsensor (Geschlossener Regelkreis): Ein magnetisch kompensierter Stromsensor, auch als kompensierter Sensor bekannt, kompensiert mithilfe des Stroms in der Sekundärspule das Magnetfeld, das durch den gemessenen Strom Ip im Hauptkreis am Magnetring erzeugt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Hall-Sensor im Nullfluss-Detektionszustand arbeitet. Die genaue Funktionsweise eines magnetisch kompensierten Stromsensors ist wie folgt: Wenn Strom durch den Hauptkreis fließt, wird das im Leiter erzeugte Magnetfeld vom Magnetring fokussiert und auf den Hall-Sensor induziert. Das resultierende Ausgangssignal steuert den entsprechenden Leistungstransistor an und schaltet ihn ein, wodurch ein kompensierter Strom Is entsteht. Dieser Strom erzeugt dann über eine Mehrwindungswicklung ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist dem vom gemessenen Strom erzeugten Magnetfeld exakt entgegengesetzt, kompensiert so das ursprüngliche Magnetfeld und bewirkt eine allmähliche Abnahme des Ausgangssignals des Hall-Sensors. Sobald das durch Multiplikation von Ip mit der Windungszahl erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld des Hall-Sensors entspricht, steigt Is nicht weiter an. An diesem Punkt zeigt der Hall-Sensor einen magnetischen Fluss von null an, und der Ausgleich kann über Is erreicht werden. Jede Änderung des gemessenen Stroms stört diesen Ausgleich. Sobald das Magnetfeld aus dem Gleichgewicht gerät, gibt der Hall-Sensor ein Signal aus. Nach der Leistungsverstärkung fließt sofort ein entsprechender Strom durch die Sekundärwicklung, um das unausgeglichene Magnetfeld zu kompensieren. Theoretisch beträgt die Zeit von der Magnetfeld-Unausgewogenheit bis zur Wiederherstellung des Gleichgewichts weniger als 1 µs; dies ist ein dynamischer Ausgleichsprozess. 4. Anschluss des Hall-Sensors: Der Stromsensor benötigt lediglich eine externe positive und negative Gleichstromversorgung. Der gemessene Strombus durchläuft üblicherweise den Sensor oder ist mit dem Primäranschluss verbunden. Anschließend werden auf der Sekundärseite einfache Verbindungen hergestellt, um die Isolationsmessung des Hauptsteuerkreises abzuschließen. Die Schaltung ist sehr einfach aufgebaut. In Verbindung mit einem Messumformer kann sie nach der A/D-Wandlung problemlos an einen Computer oder verschiedene Messgeräte angeschlossen und über große Entfernungen übertragen werden. 5. Anwendung von Hall-Stromsensoren: Der Hall-Stromsensor verfügt auch über eine elektrische Isolationsfunktion bei der Gleichstrommessung. In elektronischen Geräten mit Gleichstromausgang kann der Hall-Stromsensor zur Messung von Gleichstromsignalen, die vom Hauptstromkreis isoliert sind, zum Kurzschlussschutz und zur Anzeigesteuerung eingesetzt werden. Er kann außerdem zur Stromrückkopplung und Stromregelung verwendet werden. 6. Vorsichtsmaßnahmen: Bei der Verwendung eines Hall-Sensors sind folgende Punkte zu beachten: (1) Schalten Sie vor dem Betrieb des Sensors die Sekundärstromversorgung und anschließend den Primärstrom bzw. die Primärspannung ein. (2) Für optimale dynamische Eigenschaften und Empfindlichkeit sollte die Öffnung des Moduls mit einem einzelnen Draht gefüllt werden.