Hohe Ströme mit Hallsensor WCS1600, WCS1700 und WCS1800 überwachen

Wenn man eine Eigenbau-Solaranlage baut oder aber stromintensive Geräte mit einem Akku betreibt, dann kommt es immer wieder vor dass man hohe Ströme messen und vielleicht sogar mit einem Mikrocontroller oder einem Datenlogger überwachen muss. In diesem Beitrag möchte ich Einsteigern einige günstige Sensoren vorstellen, mit denen sich solche Aufgaben recht leicht und preiswert umsetzen lassen. 

WCS1800-Hohe-Stroeme-messen-HandIn diesem Beitrag möchte ich in erster Linie die interessanten Sensoren / Komponenten WCS1600, WCS1700 und WCS1800 vorstellen. Mit ihnen lassen sich Ströme bis zu 100A messen, wobei das Messergebnis von herkömmlichen Mikrocontroller-Schaltungen (beliebten Arduino oder Raspberry Pi Boards) oder Datenloggern ausgewertet werden kann.  Die Komponenten erlauben sogar Schaltvorgänge bei einem einstellbarem Stromwert. Bevor ich aber diese genauer beschreibe, möchte ich zum besseren Verständnis erst noch etwas Grundsätzliches zum Thema “Strom messen” erläutern.

Wie kann man eigentlich hohe Ströme messen?

Wenn es nur um das reine Messen von hohen Strömen geht, dann ist das natürlich heute kein Problem mehr. Es gibt unzählige preiswerte Multimeter am Markt mit denen sich hohe Ströme günstig messen lassen. Bei Strömen ab ca. 10A verwendet man in erster Linie sogenannte Stromzangen, wie beispielsweise unten aufgelistet. Solche Geräte können oft sehr hohe Ströme bis weit über 300A messen. Die Stromzangen haben sogar den Vorteil dass man für den zu messenden Strom die Stromleitung nicht auftrennen muss. Strom-per-Stromzange-messenDer Leiter wird hier einfach wie bei einer Zange von dem Messgerät umringt. Ein solches Gerät ist im Alltag wirklich praktisch und kann ich nur empfehlen, ich persönlich nutze übrigens die Stromzange UNI-T UT203* mit der ich sehr zufrieden bin. Beim Kauf sollte man nur darauf achten dass die Stromzangen sowohl Gleich- und Wechselspannung (AC/DC) messen können, besonders preiswerte Geräte sind manchmal nur für Wechselstrom (AC) ausgelegt. Man sollte übrigens beim Kauf auch darauf achten dass die Stromzangen nicht zu groß sind. Mit großen breiten Stromzangen kommt man in der Praxis nicht immer an die Stellen wo man wirklich messen muss, z.B. in Verteilerkästen usw., ein Punkt den Einsteiger beim Kauf oft erst zu spät bemerken!.
Das Messprinzip ist bei den AC und DC Stromzangen ganz unterschiedlich: Stromzangen die nur Wechselstrom messen können arbeiten im Prinzip wie ein Transformator. Der Leiter, der von der Zange umschlossen wird, induziert quasi in einer Spule innerhalb der Zange eine kleine Spannung die im linearen Verhältnis zum tatsächlichen Strom steht. Das Messgerät misst also hier in Wirklichkeit nur diese kleinen Spannung und rechnet es im Verhältnis hoch. Da aber Gleichspannung bekanntlich in Spulen keine Spannung induziert, funktioniert dieses Prinzip nur bei Wechselspannung.
Die etwas teureren Stromzangen die sowohl Gleich-  als auch Wechselspannung messen können arbeiten dagegen mit einem sogenannten Hallsensor. Hallsensoren basieren in ihrer Funktionsweise auf dem sogenannten Halleffekt. Dabei wird in einem stromdurchflossenen Leiter, in dem zugleich ein in senkrecht zur Stromrichtung magnetisches Feld wirkt, eine Spannungsdifferenz aufgebaut, die senkrecht zu den elektrischen und magnetischen Feldlinien steht. Also hier wird quasi das Magnetfeld des Leiters selbst gemessen und in lineare Stromwerte umgerechnet.

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Also man sieht, das eigentliche Messen ist heute sehr einfach möglich. Aber bei einer Solaranlage oder anderen Geräten möchte man Ströme manchmal über längeren Zeitraum kontrollieren oder aufzeichnen. Beispielsweise um die Ladekurve eine Lithium-Eisenphosphat-Akkumulators oder die Solarleistung über den Tag oder übers Jahr zu kontrollieren. Manchmal möchte man auch Schaltvorgänge ab bestimmten Stromwerten vornehmen. Zum Beispiel könnte man Lasten bei hoher Sonneneinstrahlung für den Solarbetrieb zuschalten oder trennen usw. Für alle diese Aufgaben ist es also nötig dass der Stromwert von einem Mikrocontroller-Board oder Datenlogger ausgewertet werden kann. Normale Messgeräte und Stromzangen sind für solche Aufgaben natürlich nicht geeignet auch wenn es natürlich Varianten gibt die auch das über USB oder serielle Ausgänge indirekt erlauben würden.

Der übliche Weg: Ströme per Widerstand (Shunt) messen

Der einfachste und auch üblichste Weg um Ströme messen und auswerten zu lassen ist ein sogenannten Shunt-Widerstand. Man setzt dazu in die Leitung in der ein Strom gemessen wird einfach einen sehr niederohmigen Widerstand (siehe Skizze unten). Je mehr Strom durch diesen Widerstand fließt, desto mehr Spannung fällt an dem Widerstand ab. Man muss also nur die abfallenden Spannung messen um daraus den Strom zu berechnen. Das Ganze berechnet sich nach der bekannten ohmschen Formel  I = U / R

Shunt-Strom-messen

Misst man beispielsweise an einem 0,1 Ohm Widerstand eine abfallende Spannung von 5V, dann rechnet man einfach: 5V / 0,1 Ohm = 50A

In diesem Beispiel würden also genau 50A in der Leitung fließen!  Diese niedrige abfallende Spannung kann dann auch problemlos von einem analogen Port eines Mikrocontrollers oder Datenloggers ausgewertet werden. Dieses Prinzip mit dem Shunt-Widerstand ist eine sehr zuverlässige und sehr genaue Methode um Ströme zu messen, jedoch eignet sich diese oft nur für etwas kleinere Ströme. Der Nachteil dieser Methode besteht darin dass am Widerstand auch ein kleiner Verlust, also eine Verlustleistung entsteht. Und eine Verlustleistung wird am Widerstand immer in Hitze umgesetzt. Man muss also darauf achten dass der Widerstand diese Verlustleistung auch verkraftet. Die Verlustleistung am Widerstand lässt sich auch sehr leicht berechnen, hier verwendet man die Formel P=U*I

In unserem Beispiel müssten wir also rechnen: 5V * 50A = 250W

Der Widerstand müsste also in unserem Fall 250W aushalten. 250W wäre viel zu hoch, einen Widerstand der das aushält wird man kaum finden und zudem wäre es unsinnig 250W in Hitze umzusetzen. Das wären 250W verlorene Leistung, außer man möchte mit dem Widerstand den Raum heizen 😉  Shunt Widerstand 100AAus diesem Grund nutzt man in der Praxis deutlich niedrigere Widerstandswerte, zum Beispiel könnte man statt 0,1 Ohm einfach 0,01 Ohm verwenden. In diesem Fall würde zwar nur 0,5V bei 50A am Widerstand abfallen, aber das kann man ja immer noch sehr gut messen und hochrechnen. Bei einem 0,01 Ohm Widerstand müsste dieser nur noch 25W aushalten, was dann schon im Bereich des Möglichen liegt.
In der Praxis nimmt man bei so hohen Strömen oft Widerstände mit noch niedrigerem Widerstandswerten, so dass an den Widerständen nur eine sehr geringe Spannung abfällt. Man dimensioniert das Ganze oft so, dass am Widerstand lediglich geringe Verlustleistungen von ca. 3 bis 5W entstehen. In der Praxis sind hier oft Shunt-Widerstände üblich, an denen bei dem maximal zu messenden Strom nur 75mV abfallen. Hier liste ich euch mal gängige Shunt-Widerstände auf, die man leicht bei Amazon erhalten kann:

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Ein solcher Shunt Widerstand bei dem beispielsweise bei 50A nur 75mV abfällt, hat also nach ohmschen Gesetz (R=U/I)  nur einen Widerstand von 0,0015 Ohm. Die Verlustleistung die er also aushalten muss beträgt somit (P=U*I)  = 3,75 Watt, was durchaus verkraftbar ist.  Der Nachteil  so eines Widerstandes besteht nur darin dass 75mV bei 50A  sehr niedrig ist, das bedeutet ja praktisch 0,0015V pro gemessenem  Ampere. Nicht alle AD-Wandler von Mikrocontrollern können so etwas dann noch sonderlich genau messen bzw. auflösen da diese nur mit 10Bit arbeiten. Man braucht also hier also einen AD-Port der mit mehr als 10 Bit Auflösung messen kann, wenn man keinen großen Ungenauigkeiten in Kauf nehmen möchte. Ein Datenlogger mit 16 Bit (wie MX1105) kann mit seiner 16 Bit Genauigkeit gut auch solche Shunts nutzen. Eine andere Möglichkeit wäre es die niedrige Spannung vor dem Messen zu verstärken, hier eignen sich dann Schaltkreise wie der AD8215.

Shunt-Widerstand-100A-75mv-test

Beispielmessungen an einem 75mV Shunt für 100A Messbereich, bei 6A würden 4,5mV gemessen.

Kommerzielle Lösungen um hohe Ströme zu überwachen

Es gibt natürlich auch eine Reihe von speziellen Schaltkreisen und Komponenten die ebenfalls darauf ausgelegt sind um hohe Ströme zu messen. Diese liefern manchmal das Ergebnis als analoge Ausgangsspannung oder sogar schon als digitalen Messwert der über irgend eine Schnittstelle ausgegeben wird. Im Prinzip arbeiten solche Schaltkreise oft intern auch mit Shunt-Widerständen. Hier werden aber so niederohmige Werte intern verbaut, dass kaum Verlustleistung entsteht. Die enorm niedrige Spannung am Shunt wird intern durch integrierte Operationsverstärker verstärkt damit sie überhaupt messbar wird.
Victron SmartShunt 500A-50mVFür Solaranlagen, insbesondere Insel-Solaranlagen und andere Geräte die mit sehr großem Akku betrieben werden kann ich Komponenten wie den Victron Smartshunt* empfehlen.
Dieses Gerät wird wie ein Widerstand oder eine Sicherung in die Batterieleitung geschaltet. Der Victron Smartshunt* hat eine digitale Schnittstelle und kann sich sogar per Bluetooth mit einer kostenlosen App (siehe Playstore)  verbinden. Man kann hier also ganz problemlos den Stromfluss überwachen, auch über einen gewissen zeitlichen Verlauf. Der Victron Smartshunt kann auch die Kapazität und Ladezustand eines Akkus überwachen und kann sehr bequem per App konfiguriert werden. Er kann sogar mit anderen Victron  Komponenten verknüpft werden und somit indirekt auch Schaltvorgänge veranlassen oder einen Laderegler steuern.  Also ein sehr schönes Teil für viele Aufgaben, jedoch leider nicht gerade billig. Victron Komponenten sind aber leider nicht nur recht teuer, sie sind von der Schnittstelle auch meist nur untereinander kompatibel und dadurch nicht wirklich sehr flexibel. Lobend erwähnen muss man aber deren Verarbeitung als auch die Victron App, die ist wirklich sehr stabil und bedienungsfreundlich. Ich persönlich nutze aufgrund der Zuverlässigkeit auch eine Victron Komponente, nämlich den Smart Battery Protect*, welcher ideal als Batterieschutz und Schalter dient, da er verschleißfrei per MOS-FETs schaltet.

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Mit WCS1600, WCS1700 und WCS1800 Strom überwachen

Eine günstigere Lösung um Ströme automatisiert messen zu können sind die sogenannten WCS-Module die man überall im Versandhandel bekommt. Diese kleinen Module haben genau wie die bereits erwähnten Stromzangen einen Hallsensor verbaut. Die Module eignen sich daher sowohl für das Messen von Gleichströmen aber auch Wechselströmen.  Der Leiter dessen Strom gemessen werden soll muss also auch hier nicht durchtrennt werden, er muss lediglich wie auf dem Bild zu sehen ist durch den Hallsensor geschoben werden., siehe Bild unten.

WCS1800-Hallsonsor-zum-Strom-messen

Über eine Stiftleiste müssen Module mit einer Betriebsspannung von 5V versorgt werden. Über einen weiteren Pin wird dann der Strom als kleine Spannung analog ausgegeben. Die analoge Ausgangsspannung liegt zwischen 0 und der Betriebsspannung von 5V. Wie der Wert zu interpretieren ist hängt von dem Messbereich des WCS-Hallsensors ab. Diese Module gibt es mit verschiedenen Bezeichnungen, die beliebtesten sind WCS1600, WCS1700 und WCS1800. Unten liste ich Euch mal die Messbereiche und Umrechnungsfomeln zu diesen drei beliebten Modulen auf. WCS1800-WCS1700-WCS1600-Strom-bis100A-messen 2Die analoge Ausgangsspannung der Module kann also sehr gut von einem analogen Port eines Mikrocontroller bzw. Arduino-Boards gemessen, ausgewertet oder protokolliert werden. Möchte man nicht soviel basteln kann man alternativ auch einen professionellen Datenlogger wie den beliebten Hobo MX1105 anschließen. Ich setzte selbst solch einen Datenlogger ein und habe auch kleines Einstiegstutorial dazu geschrieben, schaut hier auch mal rein.
Eine weitere Besonderheit dieser WCS-Module besteht darin dass diese noch einen LM393 Operationsverstärker, eine LED und Spindeltrimmer verbaut haben. Über diesen Spindeltrimmer kann man einen beliebigen Stromwert als Grenze einstellen. Wird dieser Wert beim Messen überschritten, so liefert ein Ausgangspin an der vierpoligen Stiftleiste ein High-Signal (+5V). Beim Unterschreiten geht der Pin wieder auf Low (0V). Auch dieser Signalpin kann somit vielfältig eingesetzt werden. Man kann ihn entweder von einem Mikrocontroller überwachen lassen oder aber über einen Transistor und Relais direkt Schaltvorgänge durchführen. Ob der eingestellte Stromwert aktuell über- oder unterschritten wird, kann man auch über eine LED auf der Platine erkennen. Hier muss man allerdings aufpassen, diese verhält sich nämlich invertiert. Wird der Stromwert überschritten so wird der Ausgangspin High aber die LED geht nicht an sondern aus. Beim Unterschreiten ist es entsprechend umgekehrt.

Letzte Aktualisierung am 30.05.2024 / * Affiliate Links 

Hier nun die wichtigsten Daten zu den gängigsten WSC-Modulen

Strom-Sensor WCS1700 bis 70A

WCS1700-Anschlussbelegung

  • Messbereich Gleichstrom (DC) +- 70 A  (erkennt automatisch Stromrichtung und gibt Ergebnis daher positiv oder negativ aus)
  • Messbereich Wechselstrom (AC)  50 A
  • Betriebsspannung +5V
  • Betriebstemperatur: -25 bis 85 °C
  • Modulgröße 31 mm (Breite) x 37 mm (Länge) x 16,5 mm (Höhe)
  • Pinbelegung: +5V / Dout / GND / Analoge Vout
  • Vout liefert analoges Ausgangssignal wobei 32mV pro gemessenem Ampere ausgegeben wird
    da auch negative Ströme gemessen werden können, bedeutet 2,5V am Ausgang somit immer 0A
    Um den Strom zu berechnen    Strom in A = (Vout – 2,5V) / 0,032V
  • Dout wird High wenn der per Spindeltrimmer eingestellte Stromwert überschritten wird
  • Bezugsquelle WCS1700 hier: Amazon* / Ebay*

 

Strom-Sensor WCS1800 bis 35A

WCS1800-Anschlussbelegung

  • Messbereich Gleichstrom (DC) +- 35 A  (erkennt automatisch Stromrichtung und gibt Ergebnis daher positiv oder negativ aus)
  • Messbereich Wechselstrom (AC)  25 A
  • Betriebsspannung +5V
  • Betriebstemperatur: -25 bis 85 °C
  • Modulgröße 31 mm (Breite) x 37 mm (Länge) x 16,5 mm (Höhe)
  • Pinbelegung: +5V / Dout / GND / Analoge Vout
  • Vout liefert analoges Ausgangssignal wobei 66mV pro gemessenem Ampere ausgegeben wird
  • da auch negative Ströme gemessen werden können, bedeutet 2,5V am Ausgang somit immer 0A
  • Um den Strom zu berechnen    Strom in A = (Vout – 2,5V) / 0,066V
  • Dout wird High wenn der per Spindeltrimmer eingestellte Stromwert überschritten wird
  • Bezugsquelle WCS1800 hier: Amazon* / Ebay*

 

Strom-Sensor WCS1600 bis 100A

WCS1600-Stromsensor-

  • Messbereich Gleichstrom (DC) +- 100 A  (erkennt automatisch Stromrichtung und gibt Ergebnis daher positiv oder negativ aus)
  • Messbereich Wechselstrom (AC)  70 A
  • Betriebsspannung +5V
  • Betriebstemperatur: -25 bis 85 °C
  • Modulgröße 31 mm (Breite) x 37 mm (Länge) x 16,5 mm (Höhe)
  • Pinbelegung: +5V / Dout / GND / Analoge Vout
  • Vout liefert analoges Ausgangssignal wobei 66mV pro gemessenem Ampere ausgegeben wird
  • da auch negative Ströme gemessen werden können, bedeutet 2,5V am Ausgang somit immer 0A
  • Um den Strom zu berechnen    Strom in A = (Vout – 2,5V) / 0,022V
  • Dout wird High wenn der per Spindeltrimmer eingestellte Stromwert überschritten wird
  • Bezugsquelle WCS1600 hier: Ebay*

Anschlussschema der WCS-Module

Im unteren Bild sieht man noch mal genauer wie die WCS Module angeschlossen werden. Im Grunde ist es eigentlich recht einfach:
Man führt das zu messende Kabel einfach durch den Hallsensor hindurch. Da dieses keinen Kontakt zu unserer Messchaltung hat, spielt dessen Spannung keinerlei Rolle. Als nächstes muss das Modul lediglich noch mit 5V versorgt werden. Hier kann man ein normales 5V Netzteil nutzen. Ich habe anfangs ein Labornetzteil und später einen Spannungswandler der mit Eingangsspannungen bis 58V umgehen kann (siehe hier*). So kann ich die Sensoren mit meiner Insel-Solaranlage versorgen. Je besser euer Netzteil die Spannung stabilisiert, desto genauer könnt Ihr natürlich messen. Bedenkt dass herkömmliche 5V Netzteile manchmal durchaus bei Belastungsänderungen oder Temperaturänderungen um einige mV die Ausgangsspannung verändern. Dies kann das Messergebnis schon im Milliampere Bereich verfälschen. Aber wenn man Ströme von 50 bis 100A misst, dann ist es in der Praxis eigentlich vernachlässigbar ob das Ergebnis nun vielleicht 20 oder 50mA daneben liegt.
Neben der Spannungsversorgung habt ihr dann nur noch das analoge Ausgangssignal welches ihr mit einem Datenlogger, Arduino oder Raspberry Pi dann leicht messen, aufzeichnen oder verarbeiten könnt. Das digitale Ausgangssignal und den Spindeltrimmer kann man optional nutzen um ab einem Stromwert eine Aktion auszulösen, in meinem Fall habe ich den Pin nicht benutzt.

WCS1800-WCS1700-WCS1600-Pinbelegung-Aschlussdiagramm

Auf den Bildern seht ihr wie ich erste Testmessungen mit den verschiedenen WSC-Modulen gemacht habe, bevor ich sie später in meiner Solaranlage zusammen mit einem Datenlogger verbaut habe. Ich muss sagen die Module funktionieren sehr zuverlässig und sind einfach in der Handhabung. Bei den oben genannten Angaben habe ich bei den Modulen aber teils eine gewisse Toleranz festgestellt. Nicht immer sind die angegeben “Millivolt-Angaben pro Ampere” ganz korrekt gewesen. Ihr solltet eure bei der ersten Inbetriebnahme also einfach mal mit einem fest eingestellten Stromwert im zu messenden Leiter kontrollieren ob die Formel stimmt oder ihr kleine Anpassungen vornehmen müsst indem ihr 1 oder 2 mV mehr oder weniger pro Ampere berücksichtigt. Wenn Ihr das ordentlich abgestimmt habt, dann kommt Ihr mit diesen Teilen zu wirklich guten Ergebnissen auch wenn es im Milliampere Bereich schon noch zu kleineren Abweichungen kommt.

WCS1800-WCS1700-WCS1600-Messaufbau

 

 

So das soll es erst mal gewesen sein, ich hoffe ich konnte dem ein oder anderen der vielleicht Ähnliches vor hat ein paar Tipps geben. Demnächst werde ich noch Datenlogger mit diesen WCS-Modulen vorstellen. Entweder ergänze ich das hier im Beitrag oder bringe einen neuen Beitrag oder Video im einem meiner Youtube-Kanäle. Falls es Euch interessiert dann könnt Ihr einfach Youtube Kanal kostenlos abonnieren (Kanal DIY & TECHNIK und  Kanal Tueftler) dann solltet Ihr es nicht verpassen.
Nachtrag: Der Artikel zum Hobo MX 1105 Datenlogger ist jetzt erschienen, diesen findet ihr hier!

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