Wie man Stromsensoren für offene und geschlossene Regelkreise für verschiedene Steuerungssysteme vergleicht
Die Wahl zwischen einem Stromsensor mit offenem und einem mit geschlossenem Regelkreis ist nicht einfach eine Frage der „Besserheit“. Die richtige Antwort hängt vom jeweiligen Regelsystem ab. Rongtechs Produktstruktur trägt dieser Unterscheidung bereits Rechnung und bietet Stromsensoren beider Kategorien an, anstatt sie als austauschbare Bauteile zu behandeln. Auch die offizielle LEM-Richtlinie zieht eine klare Trennlinie: Lösungen mit offenem Regelkreis sind in der Regel für kostensensible Anwendungen mit moderaten Genauigkeitsanforderungen gedacht, während Lösungen mit geschlossenem Regelkreis für Anwendungen mit höheren Genauigkeits- und Reaktionsanforderungen vorgesehen sind.
Beginnen Sie mit dem Steuerungsziel, nicht mit dem Sensortyp.
Im ersten Schritt muss definiert werden, welche Anforderungen das Steuerungssystem an das Stromsignal stellt. In manchen Systemen dient die Strommessung hauptsächlich der Überwachung, der Stromanzeige oder dem grundlegenden Schutz. In anderen Systemen ist sie ein zentraler Bestandteil des Regelkreises und beeinflusst direkt die Drehmoment-, Strom- und Drehzahlregelung sowie den Halbleiterschutz. LEM gibt an, dass sowohl Sensoren mit offenem als auch mit geschlossenem Regelkreis in Antrieben, Stromversorgungen, USV-Anlagen, Schweißgeräten, der Motorsteuerung von Elektrofahrzeugen, Gebäudeleittechnik (BMS) und Energiemanagementsystemen eingesetzt werden. LEM weist jedoch darauf hin, dass Sensoren mit geschlossenem Regelkreis besser geeignet sind, wenn hohe Genauigkeit, große Bandbreite und schnelle Reaktionszeiten erforderlich sind.
Diese Unterscheidung ist wichtig, da viele Steuerungssysteme nicht dieselbe Sensorleistung benötigen. Wird das Stromsignal hauptsächlich zur allgemeinen Überwachung verwendet, bietet ein Sensor im offenen Regelkreis möglicherweise bereits das optimale Verhältnis von Isolation, Größe und Kosten. Ist das Signal hingegen das Schlüsselelement in einem schnellen Regelkreis oder dient es dem Schutz von IGBTs und MOSFETs, muss der Sensor schneller reagieren und seine Genauigkeit unter wechselnden Bedingungen besser beibehalten. In der technischen Dokumentation von Allegro wird erläutert, dass Sensoren im geschlossenen Regelkreis häufig dann eingesetzt werden, wenn hohe Genauigkeit und schnelle Reaktionszeiten erforderlich sind, insbesondere in Anwendungen, in denen der Schutz von Schaltern wichtig ist.
Vergleichen Sie Genauigkeit, Drift, Reaktionszeit und Stromverbrauch gemeinsam
Stromsensoren im offenen Regelkreis nutzen eine einfachere Hall-Effekt-Implementierung. LEM beschreibt sie als die kleinste, leichteste und kostengünstigste Lösung zur Hall-basierten Strommessung mit sehr geringem Stromverbrauch, niedriger Einfügungsdämpfung und Eignung für Gleich-, Wechsel- und komplexe Stromverläufe. LEM merkt jedoch auch an, dass Sensoren im offenen Regelkreis typischerweise eine moderate Bandbreite und Ansprechzeit sowie eine größere Verstärkungsdrift mit der Temperatur aufweisen. Allegro ergänzt, dass die Genauigkeit im offenen Regelkreis durch Empfindlichkeitsnichtlinearität und -drift mit der Temperatur beeinträchtigt werden kann, da der Hall-Sensor das Magnetfeld direkt misst.
Geschlossene Sensoren nutzen eine Kompensationsschaltung, die einen Strom durch eine Sekundärwicklung leitet, um den magnetischen Fluss auszugleichen. Laut LEM verbessert diese Architektur die Gesamtgenauigkeit, die Ansprechzeit, die Linearität und die Temperaturdrift. Allegro erklärt, dass das Hall-Element in einem geschlossenen Sensor in einem Feld von null arbeitet, wodurch empfindlichkeitsbedingte Fehlerquellen, die bei offenen Sensoren auftreten, eliminiert werden. Der Nachteil liegt auf der Hand: Geschlossene Sensoren sind in der Regel größer, verbrauchen mehr Strom, da sie die Kompensationsspule ansteuern müssen, und sind aufgrund der zusätzlichen Schaltung teurer.
Dieser Vergleich verdeutlicht, warum die Sensorauswahl von den Regelungsprioritäten abhängen muss. Legt das System Wert auf kompakte Bauweise, geringen Stromverbrauch und niedrige Kosten, ist ein offener Regelkreis oft sinnvoller. Für bessere Linearität, schnellere Dynamik und geringere Temperaturdrift ist hingegen ein geschlossener Regelkreis meist im Vorteil. Die TI-Veröffentlichung „Hall-Effekt-Strommessung“ aus dem Jahr 2026 gruppiert Stromsensortechnologien ebenfalls anhand von Kompromissen hinsichtlich Genauigkeit, Isolation, Frequenzgang, Größe und Kosten, anstatt von einer generell überlegenen Methode auszugehen.
Passen Sie den Sensor an die reale Steuerungssystemumgebung an
Regelsysteme arbeiten nicht unter idealen Bedingungen. Der Sensor muss an die reale Leitergröße, die Leiterplatten- oder Sammelschienenanordnung, die thermische Umgebung und den Rauschpegel der Anwendung angepasst sein. TI weist darauf hin, dass sich unterschiedliche Strommessmethoden aufgrund ihrer unterschiedlichen Strombelastbarkeit, Bauweise und ihres thermischen Verhaltens für verschiedene Anwendungen eignen. LEM hebt außerdem hervor, dass Sensoren im offenen Regelkreis besonders bei hohen Stromstärken über 300 A vorteilhaft sind, während Sensoren im geschlossenen Regelkreis besonders gut für Regelkreise und den Halbleiterschutz geeignet sind, wo Bandbreite und schnelle Reaktionszeit entscheidend sind.
Das bedeutet, die endgültige Entscheidung sollte auf Systemebene getroffen werden. In einem kompakten Industrieantrieb, bei dem Kosten und Platzbedarf streng kontrolliert werden, kann ein offener Regelkreis die praktikablere Wahl sein. Bei einem Hochleistungsservo, einer präzisen Leistungselektronikplattform oder einem schutzkritischen Umrichter kann ein geschlossener Regelkreis seine größere Größe und höheren Kosten rechtfertigen, da die Regelgüte davon abhängt. Der beste Stromsensor ist nicht der mit dem beeindruckendsten Datenblatt. Es ist derjenige, dessen Leistungsfähigkeit tatsächlich den Anforderungen des Regelsystems entspricht.
Stromsensoren für offene und geschlossene Regelkreise sind nicht in jedem Regelsystem austauschbar. Lösungen für offene Regelkreise sind oft die bessere Wahl, wenn Größe, Stromverbrauch und Kosten im Vordergrund stehen. Lösungen für geschlossene Regelkreise sind hingegen oft besser geeignet, wenn Genauigkeit, Ansprechzeit, Linearität und geringe Drift entscheidend sind. Der richtige Vergleich beginnt stets mit der konkreten Aufgabe des Regelsystems und passt die Sensorarchitektur entsprechend an.
