Grundlegendes zu kapazitiven Spannungssensoren

06-20-2013 | Elektrik

Erkennung der Leitfähigkeit des menschlichen Körpers mit Spannungsprüfern

Ihr Kollege hat gerade einen Wechselspannungsprüfer in Stiftform gekauft. Er nennt ihn „Tick-Tracer“ oder „Glühmine“. Sie sehen, dass er ihn in der Hemdtasche überall hin mitnimmt. Das Gerät gefällt ihm offenbar sehr, da er es nicht verleiht. Als Sie ihn danach befragen, behauptet er, dass sich damit aktive Wechselspannungen in isolierten Drähten erkennen lassen. Er behauptet zudem, dass er damit bereits schnell offene Neutralleiter in einem Abzweigstromkreis und in manchen Fällen eine fehlerhafte Erdung zu einem Metallgehäuse erkannt hat.

Aber wie funktioniert dieses Gerät eigentlich? Wie lässt sich damit eine Spannung ohne Metallkontakt erkennen? Lassen sich damit spannungsführende Leiter in einer geerdeten Metallführung erkennen?

Kapazitive Kopplung

Wechselspannungsprüfer funktionieren nach dem Prinzip der kapazitiven Kopplung. Um dies besser zu verstehen, werfen wir noch einmal einen Blick auf die Theorie der elektrischen Stromkreise und führen uns vor Augen, wie ein Kondensator funktioniert. Ein Kondensator verfügt über zwei Leiter oder „Platten“, die durch ein nichtleitendes Element, das sogenannte Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Wenn wir eine Wechselspannung an die beiden Leiter anlegen, so fließt ein Wechselstrom, da sich die Elektronen von der Spannung auf der gegenüberliegenden Platte abwechselnd anziehen und abstoßen. Trotz fehlender Kabelverbindung innerhalb eines Stromkreises ist ein vollständiger Wechselstromkreis vorhanden. Durch das elektrische „Feld“ innerhalb des Kondensators zwischen den beiden Platten entsteht ein vollständiger Wechselstromkreis.

Wir stellen uns Kondensatoren oft wie einzelne Stromkreiskomponenten wie zum Beispiel Motorstartkondensatoren vor, in Wirklichkeit haben wir es jedoch mit einer Vielzahl „gestreuter“ Kondensatoren zu tun, die wir meist gar nicht bemerken. Zum Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf einem Betonboden mit Teppichboden direkt unter einem 120-V-Leuchtkörper, und das Licht ist eingeschaltet. Durch Ihren Körper wird eine sehr kleine Menge an Wechselstrom geleitet, da er Teil eines aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren bestehenden Stromkreises geworden ist. Die beiden Leiter oder Platten für den ersten Kondensator sind das stromführende Element in der Glühlampe und in Ihrem Körper. Das Dielektrikum ist die dazwischen befindliche Luft (und ggf. Ihr Hut). Die beiden Leiter für den zweiten Kondensator sind Ihr Körper und der Betonboden (denken Sie daran, dass Beton ein guter Leiter ist, wie sich durch den Einsatz betonverkleideter Elektroden in Schutzerden zeigt). Das Dielektrikum für den zweiten Kondensator setzt sich aus dem Teppich, Ihren Schuhen und Ihren Socken zusammen. Der zweite Kondensator ist erheblich größer als der erste. Es fließt ein sehr geringer Wechselstrom, da an der Serienschaltung 120 V anliegen. (Nebenbei: Dieser Strom muss erheblich unter der Stromschlaggrenze liegen, denn sonst könnten wir nicht in einer Wechselstromwelt leben und würden im Badezimmer auf keinen Fall das Licht einschalten).

Kapazitive Spannungssensoren

Wie wird aber dann die Spannung zwischen den beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren geteilt? Die Antwort ist für das Verständnis der Funktionsweise kapazitiver Spannungssensoren entscheidend. Kommen wir noch einmal kurz auf unsere Theorie der elektrischen Stromkreise zurück.

In einer Serienschaltung entsteht die höchste Spannung am größten Widerstand (Ohmsches Gesetz). Bei Kondensatoren gilt: Je kleiner der Kondensator, desto größer der Widerstand (auch kapazitiver Widerstand genannt). Das ist vielleicht nicht unmittelbar einleuchtend, da es das Gegenteil der Verhaltensweise von Widerständen ist, aber wenn Sie dies im Hinterkopf behalten, ist der Rest relativ unkompliziert. Wenn die beiden Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, entsteht die kleinste Spannung am kleinsten Kondensator. Im obigen Beispiel entstehen nur ein paar Volt zwischen den Füßen und dem Boden (dem großen Kondensator), während der Rest der 120 V zwischen Kopf und Glühbirne (dem kleinen Kondensator) vorliegen. Das mag überraschen, da wir uns Teppich und Boden meist nicht als Teile eines elektrischen Stromkreises vorstellen, was sie aber sind. Auch sie verhalten sich nach dem Ohmschen Gesetz und den Kirchhoffschen Regeln, wenn man sie richtig anwendet.

Der kapazitive Spannungssensor funktioniert, wenn Sie das Gerät in der Hand halten und die Spitze nah an einen spannungsführenden Leiter halten. Sie führen dann das Element, das die hohe Impedanz erfasst, in einen kapazitiv gekoppelten Reihenstromkreis ein. Wie im vorherigen Beispiel bilden Hand und Körper einen relativ großen, mit dem Boden gekoppelten Kondensator. Die Sensorspitze ist ein kleiner, an die aktive Spannung gekoppelter Kondensator. Der Sensorstromkreis erkennt die Spannung, sodass das Licht eingeschaltet wird oder der Summer ertönt.

Probieren Sie es selbst aus

Um die Theorie selbst auszuprobieren, nehmen Sie folgenden einfachen Test vor. Suchen Sie nach einer Lampe auf einem Metalltisch mit einem Netzkabel mit zwei Steckerstiften, die also nicht geerdet ist. Schließen Sie das Kabel an die spannungsführende Steckdose an, halten Sie den Sensor in der Hand und berühren Sie mit der Spitze den Metallrahmen der Lampe. Der Sensor sollte eine aktive Spannung anzeigen, da sich der Metallrahmen der Lampe nahe (kapazitiv gekoppelt) zur heißen Seite des Leitungskabels befindet und kein Erdleiter vorhanden ist, der die Spannung „herunterziehen“ kann. Der Sensor erkennt also die „gestreute“, mit dem Lampenrahmen gekoppelte Spannung anhand der „gestreuten“ Kapazität des Rahmens und der heißen Seite der Leitung. Legen Sie nun den Sensor auf einen Bücherstapel oder ein anderes nichtleitendes Objekt, sodass die Spitze mit dem Lampenrahmen in Kontakt bleibt, wenn Sie die Hand wegziehen. Der Sensor zeigt nur keine aktive Spannung mehr an, da der kapazitiv gekoppelte Stromkreis unterbrochen wurde, als Sie die Hand weggezogen haben!

Dieser Test gibt Aufschluss darüber, wie der Sensor einen offenen Neutralleiter in einem Abzweigstromkreis erkennen kann. Nehmen wir an, Sie testen den Stromkreis einer 120-V-Wandsteckdose. Wenn Sie eine Last anschließen, geschieht nichts. In einem Schnelltest des Schaltfelds zeigt sich, dass der richtige Leistungsschalter eingeschaltet ist, und das Multimeter zeigt zwischen Strom und Erde an der Steckdose 120 V an. Nehmen Sie als nächstes den Sensor und führen Sie die Spitze in die stromführende Seite der Steckdose ein. Jetzt zeigt es die aktive Spannung an. Anschließend führen Sie die Spitze an der Neutralleiterseite der Steckdose ein mit dem gleichen Ergebnis: Es wird eine aktive Spannung angezeigt. Wie ist das möglich? Müsste es nicht einen Kurzschluss geben, wenn der Neutralleiter mit dem Stromleiter in Kontakt gerät? Müsste nicht der Leistungsschalter ausgelöst werden? Wenn wir noch einmal genau über die Kondensatorkopplung nachdenken, liegt die Antwort auf der Hand. Strom- und Neutralleiter liegen über die gesamte Entfernung von der Steckdose zurück zum Schaltfeld durchgehend nebeneinander. Sie sind also miteinander kapazitiv gekoppelt: Jeder Draht entspricht einer „Platte“ des Kondensators, und die Isolierung des Kondensators entspricht dem Dielektrikum. Wenn der Neutralleiter auf dem Schaltfeld offen und entsprechend nicht geerdet ist, steigt die Spannung im Neutralleiter auf nahezu den gleichen Wert wie im Stromleiter. Aus diesem Grund zeigt der Spannungssensor auf dem Neutralleiter eine aktive Spannung an.

Probieren Sie dies selbst mit einem Paar Verlängerungskabeln mit zwei Steckerstiften aus. Stecken Sie ein Kabel in eine Wandsteckdose und das zweite Kabel in die erste, schließen aber nur die stromführende Seite an und lassen die neutrale offen. Betrachten Sie das lose Ende des zweiten Kabels und probieren Sie den Spannungssensor an beiden Seiten aus. Es sollte an beiden Seiten eine aktive Spannung angezeigt werden.

Unter bestimmten Bedingungen lässt sich mit einem Spannungssensor eine fehlerhafte Erdverbindung auf einem Metallgehäuse oder Abschnitt eines Kabelkanals erkennen. Es empfiehlt sich, dies immer zu tun, bevor Sie in Kontakt mit einem elektrischen Gehäuse kommen oder daran arbeiten. Denken Sie an den zuvor beschriebenen Lampenrahmentest. Der Sensor hat auf dem Rahmen eine aktive Spannung angezeigt, da der ungeerdete Metallrahmen eine Streuspannung durch die Kopplung vom Stromleiter aufwies. Im Fall des ungeerdeten Metallgehäuses gibt der Spannungssensor keine Auskunft darüber, ob das Gehäuse aufgrund einer kapazitiv gekoppelten Spannung „stromführend“ ist oder zum Beispiel aufgrund des Kontakts mit einem stromführenden Kabel (durchgescheuerte Isolierung eines Phasenleiters) wirklich Strom führt. Der Unterschied kann über Leben und Tod entscheiden. Es lohnt sich in jedem Fall, dies zu prüfen.

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