Zangenstrommesser

Bei Wechselstrom-Zangenstrommessern wird das Transformator-Prinzip angewendet. Die Stromzange fungiert hierbei als magnetischer Messwandler/​Stromwandler. Dabei bilden der feste und der bewegliche Schenkel der Zange im geschlossenen Zustand den Trafokern, der zu messende Leiter die Primärwicklung und die Spule im Messgerät die Sekundärwicklung. Der Strom im Leiter magnetisiert den Kern und induziert dadurch in der Sekundärwicklung einen Strom, der proportional zum Leiterstrom ist. Die Ausgangsleistung der Sekundärspule ist so groß, dass sie direkt ein (passend skaliertes) Messgerät (z. B. mit Dreheisenmesswerk) betreiben kann. Die Energie zum Antrieb des Messwerks wird dem zu messenden Stromkreis entnommen.

Gleichstromtaugliche Zangenstrommesser können wegen der fehlenden Wechselfelder nicht nach obigem Prinzip gebaut werden. Hier werden Hallsensoren oder magnetfeldabhängige (magnetoresistive) Widerstände, die auch statische Magnetfelder erfassen können, in einem Luftspalt des Kerns angebracht. Die erzeugten schwachen Signale müssen elektronisch verstärkt werden. Deshalb müssen diese Messgeräte über Batterien oder Netzgeräte mit Energie versorgt werden. Diese Messgeräte sind auch für Wechselströme geeignet.

Weiterhin kann auch ein Messprinzip mit Kompensationsmethode benutzt werden. Dabei wird ein durch eine Kompensationswicklung fließender Strom so geregelt, dass der magnetische Fluss in dem Kern idealerweise zu null wird. Der Kompensationsstrom wird zur Anzeige gebracht; der fließende Strom ist (wie beim oben beschrieben Transformatorprinzip) dem Windungsverhältnis entsprechend untersetzt. Vorteil hierbei ist, dass eventuelle nichtlineare Eigenschaften beispielsweise des Kerns oder des Hallsensors kaum noch Einfluss auf die Messung haben. Auch hierbei ist für die Regelung und den Kompensationsstrom eine Energieversorgung notwendig.

Es gibt auch eine historische, selten verwendete Form des Zangenstrommessers, die grundsätzlich ein für Wechsel- und Gleichstrom geeignetes Dreheisenmesswerk darstellt, dessen magnetischer Kreis von der Zange gebildet wird. Insofern ähnelt es äußerlich der heutigen Bauform, allerdings wird zur Ermittlung der Feldstärke kein Hall- oder magnetoresistiver Sensor verwendet, sondern die Kraftwirkung des Magnetfeldes mechanisch zur Anzeige gebracht. Für Gleich- bzw. Wechselstrom wurden oft unterschiedliche Skalen an den Messwerken angebracht. Diese Geräte sind nur für vergleichsweise große Ströme geeignet und haben eine hohe Messungenauigkeit. Zur Messbereichsänderung werden separate Dreheisenmesswerke steckbar in den magnetischen Kreis gebracht.

Die Messwerte von Stromzangen nach dem Transformatorprinzip können direkt über Dreheisenmesswerke visualisiert werden. Es können auch Drehspulmesswerke verwendet werden, denen aber ein Gleichrichter vorgeschaltet werden muss.

Neuere Ausführungen haben oft Digitalanzeigen, für die der Messwert mittels elektronischer Schaltungen erst umgewandelt werden muss. Solche Geräte benötigen daher (neben der Messgröße) eine zusätzliche Energieversorgung.

Wie oben angeführt, benötigen gleichstromtaugliche Stromzangen grundsätzlich Verstärker für die schwachen Signale der Magnetfeld-Sensoren. Da also sowieso schon elektronische Baugruppen und eine zusätzliche Energieversorgung vorhanden sind, werden sie wegen des geringen zusätzlichen Aufwands normalerweise mit Digitalanzeigen ausgestattet.

Stromzange zum Anschluss an ein Oszilloskop

Stromzangen ohne eingebaute Anzeige sind z. B. sogenannte Zangenstromwandler. Ihr Aufbau ist abgesehen von der fehlenden Anzeige prinzipiell der gleiche wie bei Wechselstromzangen. Statt eines Anzeigeinstruments sind hier Buchsen oder Kabel vorhanden, über die der Messwert z. B. auf Oszilloskope, Messschreiber oder Multimeter übertragen wird. Jedes Gerät hat ein festgelegtes Übersetzungsverhältnis, über das die wahre Größe des Stromes errechnet werden muss. So gibt z. B. eine Stromzange mit einem Übersetzungsverhältnis von 100:1 bei einem Strom von 20 A einen Ausgangsstrom von 200 mA ab.

Es gibt auch Ausführungen mit eingebautem Strom-Spannungs-Umsetzer (im einfachsten Fall als passive Bürde (Widerstand)), die direkt an einen Spannungseingang (üblicher Eingang eines Oszilloskops) angeschlossen werden können (sogenannte Current Probes). Solche Geräte besitzen teilweise die Fähigkeit, Gleich- und Wechselstromanteile gleichzeitig zu messen und haben Grenzfrequenzen bis zu ungefähr 100 MHz[1]. Sie arbeiten mit einem Stromwandler und einem Hallsensor sowie einer Kompensationswicklung, um den Kern vor Sättigung zu schützen. Zum Betrieb wird ein zusätzlicher Messverstärker benötigt, der auch den Offsetabgleich und die Entmagnetisierung vornimmt[2]. Üblicherweise werden solche Stromzangen über ein BNC-Kabel[3] impedanzangepasst am Oszilloskop angeschlossen.

Digitale Stromzangen enthalten einen A/D-Wandler und werden z. B. mittels USB-Kabel mit einem PC oder Smartphone verbunden.