DE102016014130B3

DE102016014130B3 - Strommessvorrichtung

Info

Publication number: DE102016014130B3
Application number: DE102016014130.1A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Hetzler
Original assignee: IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Current assignee: IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2036-11-26
Also published as: US10901003B2; CN110036301B; US20200182909A1; CN110036301A; WO2018095709A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strommessvorrichtung zur Messung eines elektrischen Stroms (Ip, In) gemäß der Vierleitertechnik mit einem niederohmigen Strommesswiderstand (RCu1, RCu, R0). Die Erfindung sieht zusätzlich einen Ausgleichswiderstand (Rp) aus einem Festwiderstand vor, der parallel zu dem Widerstandselement (R0) des niederohmigen Strommesswiderstands (RCu1, RCu, R0) geschaltet ist, um die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes mindestens teilweise zu kompensieren, so dass die Strommessvorrichtung zwei Strompfade aufweist, nämlich einen Haupt-Strompfad durch das Widerstandselement (R0) einerseits und einen Neben-Strompfad durch den Ausgleichswiderstand (Rp) andererseits.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strommessvorrichtung zur Messung eines elektrischen Stroms gemäß der Vierleitertechnik.
Die Messung eines elektrischen Stroms gemäß der Vierleitertechnik ist beispielsweise aus EP 0 605 800 A1 bekannt und in 1 schematisch dargestellt. So zeigt 1 ein Ersatzschaltbild eines niederohmigen Strommesswiderstands mit plattenförmigen Strom-Anschlussteilen 1, 2 aus einem Leitermaterial (z. B. Kupfer) und einem niederohmigen Widerstandselement R0 aus einem Widerstandsmaterial (z. B. Manganin^®), das in Stromflussrichtung zwischen den beiden Strom-Anschlussteile 1, 2 angeordnet ist. Ein zu messender Strom Ip wird also über das Strom-Anschlussteil 1 in den Strommesswiderstand eingeleitet und verlässt den Strommesswiderstand wieder als Strom In über das Strom-Anschlussteil 2. Der zu messende elektrische Strom Ip bzw. In fließt also durch das Widerstandselement R0, so dass die über dem Widerstandselement R0 abfallende elektrische Spannung entsprechend dem ohmschen Gesetz ein Maß für den elektrischen Strom Ip bzw. In ist. Die Messung der über dem Widerstandselement R0 abfallenden elektrischen Spannung erfolgt durch zwei Spannungsmessanschlüsse Up, Un, die mit den Strom-Anschlussteilen 1 bzw. 2 nahe der Kontaktstelle zu dem Widerstandselement R0 verbunden sind. Hierbei ist jedoch zu bemerken, dass in der Messschleife der beiden Spannungs-Messanschlüsse Up, Un nicht nur das Widerstandselement R0 liegt, sondern auch Widerstände RCu in dem Strom-Anschlussteil 1 bzw. in dem Strom-Anschlussteil 2. Die Widerstände RCu in der Spannungsmessschleife sind unerwünscht und lassen sich aber nicht vollständig vermeiden. Die Strom-Anschlussteile 1, 2 weisen ansonsten noch einen Widerstand RCu1 auf, der nicht in der Spannungsmessschleife liegt und die Messung deshalb nicht verfälscht. Die Widerstände RCu in der Spannungsmessschleife sind problematisch, weil diese Widerstände in der Regel aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden Kontaktmaterial bestehen und deshalb eine wesentlich größere Temperaturabhängigkeit aufweisen als das Widerstandselement R0. Der Temperaturkoeffizient der in der Spannungsmessschleife liegenden Widerstände RCu erhöht also die Temperaturabhängigkeit der Strommessung gemäß der Vierleitertechnik. Dieser Effekt ist besonders stark ausgeprägt bei extrem niederohmigen Widerständen im Widerstandsbereich unterhalb von einem Milli-Ohm.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Temperaturabhängigkeit der Strommessung gemäß der Vierleitertechnik zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Strommessvorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Die Erfindung sieht vor, dass der zu messende elektrische Strom nicht vollständig durch das Widerstandselement geleitet wird. Stattdessen wird der zu messende elektrische Strom aufgeteilt in einen Haupt-Strompfad durch das Widerstandselement und einen Neben-Strompfad durch einen Ausgleichswiderstand (Festwiderstand), der elektrisch zwischen die beiden Spannungs-Messanschlüsse parallel zu dem Widerstandselement geschaltet ist, um die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts mindestens teilweise zu kompensieren.
Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung stimmt teilweise mit den eingangs beschriebenen bekannten Strommessvorrichtungen überein, wie sie beispielsweise aus EP 0 605 800 A1 bekannt sind. So enthält die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung zunächst einen niederohmigen Strommesswiderstand mit zwei Strom-Anschlussteilen aus einem Leitermaterial (z. B. Kupfer) zum Einleiten bzw. Ausleiten des zu messenden elektrischen Stroms sowie mit einem Widerstandselement aus einem Widerstandsmaterial (z. B. Manganin^®), wobei das Widerstandselement in Stromflussrichtung zwischen dem ersten Strom-Anschlussteil und dem zweiten Strom-Anschlussteil angeordnet ist. Darüber hinaus sind zwei Spannungs-Messanschlüsse vorgesehen, die ebenfalls aus einem Leitermaterial (z. B. Kupfer) dienen und die Aufgabe haben, die über dem Widerstandselement abfallende elektrische Spannung zu messen. Die gemessene Spannung bildet dann entsprechend dem Ohmschen Gesetz ein Maß für den Strom, der durch den Strommesswiderstand fließt.
Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung zeichnet sich nun dadurch aus, dass ein Ausgleichswiderstand parallel zu dem Widerstandselement geschaltet ist, so dass sich der zu messende elektrische Strom in der Strommessvorrichtung in den Haupt-Strompfad durch das Widerstandselement des Strommesswiderstands einerseits und in den Neben-Strompfad durch den Ausgleichswiderstand andererseits aufteilt.
In dem Neben-Strompfad durch den Ausgleichswiderstand befindet sich in der Praxis mindestens ein Leiterelement aus einem Leitermaterial (z. B. Kupfer), das auch einen Widerstandswert mit einer bestimmten Temperaturabhängigkeit aufweist und thermisch mit der Strommessvorrichtung gekoppelt sein sollte. Wegen des relativ hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes des Leiterelements in dem Neben-Strompfad steigt der Widerstandswert in dem Neben-Strompfad mit steigender Temperatur. Dies hat zur Folge, dass der Strom in dem Neben-Strompfad und damit auch der Spannungsabfall über dem Widerstandselement absinkt, d. h. einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt. Die Widerstände des Leiterelements in dem Neben-Strompfad einerseits und des Widerstandselements andererseits lassen sich nun so bemessen, dass der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandswertes in dem Haupt-Strompfad kompensiert werden kann. Im Idealfall kann somit die Temperaturabhängigkeit der Messung nahezu vollständig kompensiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen der Ausgleichswiderstand und das Widerstandselement aus demselben Widerstandsmaterial (z. B. Manganin^®). Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass der Ausgleichswiderstand einerseits und das Widerstandselement des Strommesswiderstands andererseits aus unterschiedlichen Widerstandsmaterialien bestehen, was dann lediglich eine entsprechend angepasste Bemessung der Widerstandswerte erforderlich macht.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die beiden Strom-Anschlussteile des Strommesswiderstands einerseits und die Leiterelemente in dem Neben-Strompfad andererseits vorzugsweise aus demselben Leitermaterial (z. B. Kupfer) bestehen. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung grundsätzlich auch die Möglichkeit, dass die Strom-Anschlussteile einerseits und die Leiterelemente in dem Neben-Strompfad andererseits aus unterschiedlichen Leitermaterialien bestehen, was dann lediglich eine entsprechend angepasste Bemessung der Widerstandswerte erforderlich macht, um die gewünschte Kompensation der Temperaturabhängigkeit zu erreichen.
Die Erfindung umfasst zwei grundsätzlich verschiedene Varianten, nämlich eine erste Variante mit einem Trägersubstrat (z. B. aus Keramik) und eine zweite Variante mit einer Leiterplatte auf dem Strommesswiderstand.
In der ersten Variante der Erfindung mit dem Trägersubstrat ist der niederohmige Strommesswiderstand auf dem Trägersubstrat montiert. Darüber hinaus ist in dieser Variante der Erfindung vorzugsweise auch der Ausgleichswiderstand auf dem Trägersubstrat angebracht. Ferner trägt das Trägersubstrat in dieser Variante der Erfindung auch die externen Strom-Anschlussteile und die Spannungs-Messanschlüsse.
Hierbei ist zu erwähnen, dass das Trägersubstrat vorzugsweise plattenförmig ausgebildet ist und – wie bereits vorstehend kurz erwähnt wurde – aus Keramik bestehen kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Trägersubstrat um ein Direct-Copper-Bonded-Substrat (DCB-Substrat) handeln, wobei derartige DCB-Substrate an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind und deshalb nicht näher beschrieben werden müssen. Ferner besteht die Möglichkeit, dass es sich bei dem Trägersubstrat um ein Stanzgitter aus einem Leitermaterial handeln kann.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass das Widerstandselement des niederohmigen Strommesswiderstands in dieser Variante der Erfindung ein SMD-Widerstand (SMD: Surface Mounted Device) sein kann, der die Strom-Anschlussteile auf dem Trägersubstrat kontaktiert.
Das Trägersubstrat kann auch zwei Pads (Lötflächen) zur Montage und elektrischen Kontaktierung des Ausgleichswiderstands tragen. Der Ausgleichswiderstand kann hierbei ebenfalls als SMD-Widerstand ausgebildet sein und dann auf die beiden Pads auf dem Trägersubstrat aufgelötet werden.
Vorzugsweise sind die beiden Pads für den Ausgleichswiderstand bezüglich der Hauptstromrichtung in dem Strommesswiderstand seitlich neben den Strom-Anschlussteilen angeordnet.
Die Verbindung zwischen den Pads für den Ausgleichswiderstand einerseits und den Strom-Anschlussteilen des Strommesswiderstands auf dem Trägersubstrat andererseits erfolgt vorzugsweise durch Leiterbahnen, die aus einem Leitermaterial (z. B. Kupfer) bestehen und dann mit ihrer Temperaturabhängigkeit die Temperaturabhängigkeit der Strommessung kompensieren, wie bereits vorstehend kurz erläutert wurde.
Diese Leiterbahnen kontaktieren die Strom-Anschlussteile vorzugsweise jeweils an dem Übergang zu dem Widerstandselement, d. h. möglichst nahe an dem Widerstandselement, um eine gute thermische Kopplung zu erreichen und damit den Kupfer-Einfluss auf die Temperaturabhängigkeit zu minimieren.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die Leiterbahnen die beiden Strom-Anschlussteile des Strommesswiderstands bezüglich der Hauptstromrichtung in dem Strommesswiderstand vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten kontaktieren. Die eine Leiterbahn kann also von der Seite direkt an das eine Strom-Anschlussteil herangeführt sein, während die andere Leiterbahn durch einen Spalt zwischen den beiden Strom-Anschlussteilen auf die gegenüberliegende Seite geführt ist, um das andere Strom-Anschlussteil dort zu kontaktieren. Andere Leiterbahnführungen, z. B. beide Leiterbahnen zwischen den Strom-Anschlussstellen, sind ebenfalls möglich.
Die beiden vorstehend erwähnten Leiterbahnen bilden dann vorzugsweise die Leiterelemente in dem Neben-Strompfad, die zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Messung beitragen.
Darüber hinaus können die Pads (Lötflächen) für den Ausgleichswiderstand über weitere Leiterbahnen auf dem Trägersubstrat mit den Spannungs-Messanschlüssen verbunden sein, die vorzugsweise ebenfalls auf dem Trägersubstrat angebracht sind.
Die vorstehend beschriebene erste Variante der Erfindung ermöglicht eine Stromzuführung bzw. Stromabführung über das Trägersubstrat.
In dieser ersten Variante der Erfindung kann das Trägersubstrat auch weitere aktive und/oder passive Bauelemente oder Baugruppen tragen, wie beispielsweise eine elektronische Schaltung zur Messung der über den Spannungs-Messanschlüssen abfallenden Spannung. Beispielsweise kann diese elektronische Schaltung als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC: Application-specific integrated circuit) ausgebildet sein, wie beispielsweise aus EP 1 363 131 A1 und DE 199 06 276 A1 bekannt ist.
In der zweiten Variante der Erfindung weist die Strommessvorrichtung dagegen eine Leiterplatte auf, die auf dem Strommesswiderstand angebracht und mit dem Strommesswiderstand verbunden ist. Die Leiterplatte ist hierbei vorzugsweise kleiner als der Strommesswiderstand, so dass die Leiterplatte und der Strommesswiderstand eine bauliche Einheit bilden. Die Leiterplatte trägt auf der Oberseite die zwei Spannungsmessanschlüsse Up, Un.
In dieser Variante der Erfindung ist der Ausgleichswiderstand vorzugsweise auf der Leiterplatte angebracht, insbesondere auf der dem Strommesswiderstand abgewandten Oberseite der Leiterplatte. Die Leiterplatte trägt also auf ihrer Oberseite den Ausgleichswiderstand und ist auf ihrer Unterseite mit dem Strommesswiderstand verbunden.
Diese Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Strommesswiderstand erfolgt vorzugsweise durch zwei Lötflächen, die auf der Unterseite der Leiterplatte angebracht sind und die mit den Strom-Anschlussteilen des niederohmigen Strommesswiderstands elektrisch verbunden sind, beispielsweise durch eine Lötverbindung. Andere Verbindungen, z. B. Sintern, Bonden oder galvanische Verkupferung, sind ebenfalls möglich.
Darüber hinaus trägt die Leiterplatte dann vorzugsweise auch mindestens ein Leiterelement in dem Neben-Strompfad, insbesondere auf der Oberseite der Leiterplatte oder in einer Zwischenlage der mehrlagig ausgeführten Leiterplatte.
Die Leiterplatte beinhaltet einen integrierten Ausgleichswiderstand oder weist vorzugsweise an ihrer Oberseite Pads (Lötflächen) zur Montage und Kontaktierung des Ausgleichswiderstands auf. Der Ausgleichswiderstand kann also beispielsweise als SMD-Widerstand ausgeführt und mit den Pads auf der Oberseite der Leiterplatte verlötet sein.
Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass der Strommesswiderstand einerseits und der Ausgleichswiderstand andererseits vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterplatte weist deshalb vorzugsweise Durchkontaktierungen auf, um die Lötflächen an der Unterseite der Leiterplatte mit den Pads für den Ausgleichswiderstand an der Oberseite der Leiterplatte zu verbinden.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Leiterplatte an ihrer Oberseite vorzugsweise auch die Spannungs-Messanschlüsse aufweist.
Weiterhin kann sich an der Oberseite der Leiterplatte oder auf einer Innenlage der Leiterplatte zumindest eine Leiterbahn befinden, die eines der Pads für den Ausgleichswiderstand mit einer der Durchkontaktierungen verbindet und auch das Leiterelement in dem Neben-Strompfad bildet, welches zur Kompensation der Temperaturabhängig der Strommessung beiträgt.
In einer Weiterbildung dieser Variante der Erfindung befinden sich an der Oberseite der Leiterplatte zwei Pads (Lötflächen) zur Kontaktierung eines temperaturabhängigen Widerstands (z. B. Pt100-Widerstand oder Ni100-Widerstand), wobei dieser temperaturabhängige Widerstand in Serie mit einem der beiden Spannungs-Messanschlüsse geschaltet ist und zusammen mit diesem das Leiterelement in dem Neben-Strompfad bildet.
Beispielsweise kann die Leiterplatte eine mehrlagige Glasfaser- oder eine flexible Leiterplatte sein.
Darüber hinaus bietet diese Variante der Erfindung auch die Möglichkeit, dass die Leiterplatte auch einen Leistungshalbleiter oder weitere aktive bzw. passive Bauteile oder Baugruppen trägt, wie beispielsweise die bereits vorstehend erwähnte elektronische Schaltung (z. B. ASIC) zur Messung der über den Spannungs-Messanschlüssen abfallenden Spannung.
In der zuletzt genannten zweiten Variante der Erfindung mit einer Leiterplatte wird der zu messende elektrische Strom in der Regel über ein Kabel, eine Stromschiene oder eine Lötverbindung direkt in den Strommesswiderstand eingeleitet und wieder daraus ausgeleitet, d. h. nicht über die Leiterplatte.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Strommesswiderstand einen Widerstandswert im Bereich von 1 μΩ bis 1 mΩ auf. Der Widerstandswert des Strommesswiderstands ist also vorzugsweise größer als 1 μΩ, 5 μΩ, 10 μΩ, 30 μΩ und/oder kleiner als 10 mΩ, 5 mΩ, 2,5 mΩ, 1 mΩ, 500 μΩ, 250 μΩ oder sogar kleiner als 100 μΩ.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der erfindungsgemäße Strommesswiderstand vorzugsweise eine Strombelastbarkeit von mindestens 1 A, 2 A, 3 A, 10 A, 30 A oder sogar mindestens 100 A aufweist.
Die Länge des Strommesswiderstands in Hauptstromflussrichtung ist vorzugsweise höchstens 20 mm, 5 mm, 2 mm, 1,5 mm oder 1 mm.
Die Dicke des Strommesswiderstands ist dagegen vorzugsweise kleiner als 5 mm, 3 mm, 2 mm, 1,5, mm, 1 mm, 0,5 mm oder 0,2 mm.
Quer zur Stromflussrichtung beträgt die Breite des Strommesswiderstands dagegen vorzugsweise höchstens 200 mm, 50 mm, 10 mm, 5 mm oder 1 mm.
Der Widerstandswert des Strommesswiderstands hat dabei vorzugsweise einen Temperaturkoeffizienten von höchsten 500 ppm/K, 200 ppm/K, 100 ppm/K, 30 ppm/K oder höchstens 10 ppm/K.
Es wurde vorstehend bereits erwähnt, dass es sich bei dem Leitermaterial vorzugsweise um Kupfer handelt. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass andere Leitermaterialien Anwendung finden, wie beispielsweise Aluminium, Nickel, Zinn, Silber, Gold oder leitfähige Legierungen dieser Elemente.
Allerdings sollte das Leitermaterial einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das Widerstandsmaterial des Widerstandselements.
Vorzugsweise sind die beiden Strom-Anschlussteile mit dem Widerstandselement verschweißt, beispielsweise durch eine Elektronenstrahlverschweißung, wie es beispielsweise aus EP 0 605 800 A1 bekannt ist.
Das Widerstandselement selbst kann auch aus einem walzplattierten Widerstandsmaterial auf Kupferbasis hergestellt werden.
Die Strom-Anschlussteile des Strommesswiderstands können dagegen auch durch eine galvanische Verkupferung hergestellt werden.
Zu dem Widerstandsmaterial des Widerstandselements ist zu erwähnen, dass vorzugsweise eine Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung Anwendung findet, wie beispielsweise Cu86Mn12Ni2. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Widerstandsmaterials nicht auf diese Legierung beschränkt, sondern auch mit anderen niederohmigen Widerstandsmaterialien realisierbar.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Strom-Anschlussteile und das Widerstandselement vorzugsweise plattenförmig sind, wobei sowohl eine ebene als auch eine gebogene Gestaltung in Frage kommt.
Es wurde bereits eingangs erwähnt, dass der Ausgleichswiderstand bei einer passenden Bemessung seines Widerstandswertes dazu führt, dass die Temperaturabhängigkeit der Strommessung weitgehend oder nahezu vollständig kompensiert wird. Voraussetzung hierfür ist, dass der Widerstandswert des Ausgleichswiderstandes in passender Weise bemessen ist. Der Ausgleichswiderstand weist deshalb vorzugsweise einen Widerstandswert Rp auf, der nach folgender Näherungs-Formel berechnet ist: Rp = RCupg·TKCu/TK mit:

Rp:: Widerstandswert des Ausgleichswiderstands,
RCupg:: Summe der Widerstände der Leiterschleifen im Nebenstrompfad,
TKCu:: Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts des Leitermaterials der Leiterschleifen im Nebenstrompfad (in der Regel Kupfer),
TK:: Temperaturkoeffizient des Strommesswiderstandes ohne den Ausgleichswiderstand.

Der Widerstandswert des Ausgleichswiderstands muss jedoch nicht im mathematischen Sinne exakt entsprechend dieser Formel berechnet werden. Vielmehr kann der Widerstandswert auch eine Toleranz von bis zu ±30%, ±20%, ±10%, ±5%, ±2% oder ±1% gegenüber der vorstehenden Berechnungsformel aufweisen, was zu einer mehr oder weniger guten Kompensation der Temperaturabhängigkeit führt.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung (Ersatzschaltbild) eines herkömmlichen niederohmigen Strommesswiderstands zur Strommessung gemäß der Vierleitertechnik,
2 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung mit einem niederohmigen Strommesswiderstand und einem Nebenstromkreis mit einem zusätzlichen Ausgleichswiderstand zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit,
3 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Strommessvorrichtung auf einem Trägersubstrat,
4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Verbesserung der Temperaturabhängigkeit eines 70 μOhm-SMD-Widerstandes auf DCB mit Ausgleichswiderstand im Vergleich zur Messung ohne den Ausgleichswiderstand,
5A eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in 5B einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung mit einem niederohmigen Strommesswiderstand und einer darauf montierten Leiterplatte,
5B eine Komplett-Aufsicht auf die Leiterplatte gemäß 5A,
5C eine Aufsicht der Oberseite auf die Leiterplatte gemäß 5A,
5D eine Unteransicht auf die Leiterplatte gemäß 5A, sowie
6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Verbesserung der Temperaturabhängigkeit eines 30 μOhm Widerstandes aus Verbundmaterial mit aufgelöteter Leiterplatte mit dem Ausgleichswiderstand im Vergleich zur Messung ohne den Ausgleichswiderstand.
Im Folgenden wird zunächst das in 2 dargestellte Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung beschrieben.
Diese erfindungsgemäße Strommessvorrichtung weist zunächst einen herkömmlichen Strommesswiderstand auf, wie er bereits eingangs beschrieben wurde und in 1 dargestellt ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb weitgehend auf die Beschreibung zu 1 verwiesen, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung besteht darin, dass der zu messende elektrische Strom Ip bzw. In aufgeteilt wird in einen Haupt-Strompfad durch das Widerstandselement R0 und einen Neben-Strompfad durch einen Ausgleichswiderstand Rp.
In dem Neben-Strompfad durch den Ausgleichswiderstand Rp sind auch weitere Leiterelemente mit einem Widerstand RCup angeordnet, wie noch detailliert in Bezug auf die verschiedenen Varianten der Erfindung erläutert wird. Die Widerstände RCup in dem Neben-Strompfad bestehen in der Regel aus Kupfer und haben einen relativ hohen Temperaturkoeffizienten und eine entsprechend hohe Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts. Mit steigender Temperatur nimmt deshalb auch der Widerstandswert in dem Neben-Strompfad durch den Ausgleichswiderstand Rp zu, so dass der Strom in dem Neben-Strompfad und damit auch der Spannungsabfall U_MESS über dem Ausgleichswiderstand Rp absinkt, d. h. einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt. Die Widerstandswerte der Widerstände RCup und Rp sind nun so bemessen, dass der Einfluss der Widerstände RCu auf die Temperaturanhängigkeit in dem Haupt-Strompfad möglichst vollständig kompensiert wird.
Hierzu ist der Widerstandswert des Ausgleichswiderstands Rp wie folgt bemessen: Rp = RCupg·TKCu/TK mit:

Rp:: Widerstandswert des Ausgleichswiderstands,
RCupg:: Summe der Widerstände der Leiterschleifen im Nebenstrompfad,
TKCu:: Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts des Leitermaterials, in der Regel Kupfer,
TK:: Temperaturkoeffizient des Strommesswiderstands ohne den Ausgleichswiderstand Rp.

3 zeigt eine Aufsicht auf eine erste Variante der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung, wobei zur Erläuterung der technischen Funktionsweise auch auf die vorstehende Beschreibung zu 2 verwiesen wird.
In dieser Variante der Erfindung ist ein plattenförmiges Trägersubstrat 3 vorgesehen, das aus Keramik besteht und die beiden Strom-Anschlussteile 1, 2 an seiner Oberseite trägt.
Die Einleitung bzw. Ausleitung des elektrischen Stroms erfolgt hierbei also auf dem Trägersubstrat 3, das hierzu noch weitere aktive und/oder passive elektronische Bauelemente enthalten kann, die jedoch zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.
Das niederohmige Widerstandselement R0 des Strommesswiderstands ist hierbei als SMD-Widerstand ausgeführt und auf die beiden Strom-Anschlussteile 1, 2 aufgebracht, beispielsweise mittels einer Lötverbindung 17.
Seitlich neben den beiden Strom-Anschlussteilen 1, 2 befinden sich zwei Pads 4, 5 (Lötflächen) zur Montage und elektrischen Kontaktierung des Ausgleichswiderstands Rp, der ebenfalls als SMD-Widerstand ausgeführt ist und auf die beiden Pads 4, 5 aufgelötet (Lötverbindung 17) werden kann.
Die beiden Pads 4, 5 sind durch Leiterbahnen RCup mit den beiden Strom-Anschlussteilen 1, 2 verbunden, wobei die beiden Leiterbahnen RCup unterschiedliche Widerstandswerte haben können, im Neben-Strompfad liegen und mit der Temperaturabhängigkeit ihres Widerstandswerts zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Strommessung beitragen.
Darüber hinaus sind die beiden Pads 4, 5 für den Ausgleichswiderstand Rp über zusätzliche Leiterbahnen 6, 7 mit den beiden Spannungs-Messanschlüssen Un, Up verbunden.
4 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der temperaturabhängigen relativen Widerstandsänderung des Strommessanordnung mit dem Ausgleichswiderstand Rp und zum Vergleich ohne den Ausgleichswiderstand Rp. Daraus ist ersichtlich, dass der Ausgleichswiderstand Rp zu einer extrem großen Verringerung der Temperaturabhängigkeit führt.
Die 5A–5D zeigen verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung.
Auch dieses Ausführungsbeispiel enthält zunächst einen niederohmigen Strommesswiderstand mit den beiden Strom-Anschlussteilen 1, 2 und dem niederohmigen Widerstandselement R0, wobei der niederohmige Strommesswiderstand plattenförmig ausgebildet ist, wie es beispielsweise aus EP 0 605 800 A1 bekannt ist.
Auf der Oberseite des niederohmigen Strommesswiderstands ist hierbei eine Leiterplatte 8 angeordnet, die auf ihrer Oberseite den Ausgleichswiderstand Rp trägt, wie aus den 5B und 5C ersichtlich ist.
An ihrer Unterseite trägt die Leiterplatte 8 Lötflächen 9, 10 zur elektrischen Kontaktierung auf den Strom-Anschlussteilen 1 bzw. 2 des niederohmigen Strommesswiderstands. Hierzu können die Lötflächen 9, 10 an der Unterseite der Leiterplatte 8 durch Lötverbindungen 11 bzw. 12 mit den Strom-Anschlussteilen 1 bzw. 2 des niederohmigen Strommesswiderstands verbunden sein, wie aus 5A ersichtlich ist.
Darüber hinaus weist die Leiterplatte 8 elektrische Durchkontaktierungen 13, 14 auf, um die Lötflächen 9, 10 an der Unterseite der Leiterplatte 8 mit dem Ausgleichswiderstand Rp an der Oberseite der Leiterplatte 8 zu verbinden.
Der Ausgleichswiderstand Rp ist hierbei mit Lötflächen 15, 16 auf der Oberseite der Leiterplatte 8 verbunden.
Die Durchkontaktierung 13 verbindet dabei die Lötfläche 15 für den Ausgleichswiderstand Rp mit der Lötfläche 9 an der Unterseite der Leiterplatte 8.
Die Durchkontaktierung 14 ist dagegen über eine Leiterbahn RCup mit der Lötfläche 16 für den Ausgleichswiderstand Rp verbunden. Die Leiterbahn RCup trägt mit der Temperaturabhängigkeit ihres Widerstandswerts zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Messung bei, wie bereits vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde.
Schließlich zeigt 6 ein Diagramm einer Messung an einem 30 μOhm-Widerstand aus Verbundmaterial mit aufgelöteter Leiterplatte. Dargestellt ist die relative Änderung des Widerstandswerts der Strommessanordnung in Abhängigkeit von der Temperatur und zwar zum einen ohne den Ausgleichswiderstand Rp und zum Vergleich mit dem Ausgleichswiderstand Rp. Daraus ist ersichtlich, dass auch in dieser Variante der Erfindung die Temperaturabhängigkeit sehr stark verringert wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den Merkmalen der jeweils in Bezug genommenen Ansprüche und insbesondere auch ohne die Merkmale des Hauptanspruchs.
Bezugszeichenliste

Ip: Strom, der in den Strommessvorrichtung eingeleitet wird
In: Strom, der aus dem Strommessvorrichtung ausgeleitet wird
R0: Widerstandselement des Strommesswiderstands
RCu: Cu-Widerstand in den Strom-Anschlussteilen zwischen dem Widerstandselement und den Spannungsabgriffen
RCu1: Cu-Widerstand der Strom-Anschlussteile außerhalb der Spannungsabgriffe
Rp: Ausgleichswiderstand
RCup: Widerstand der Leiterbahn in dem Neben-Strompfad
Up, Un: Spannungs-Messanschlüsse
U_MESS: Gemessener Spannungsabfall über den Spannungs-Messanschlüssen
1, 2: Strom-Anschlussteile
3: Trägersubstrat
4, 5: Pads für den Ausgleichswiderstand
6, 7: Leiterbahnen zur Verbindung der Spannungs-Messanschlüsse mit den Pads des Ausgleichswiderstands
8: Leiterplatte
9, 10: Lötflächen an der Unterseite der Leiterplatte zu deren Kontaktierung auf den Strom-Anschlussteilen des Strommesswiderstands
11, 12: Lötverbindungen
13, 14: Durchkontaktierungen in der Leiterplatte
15, 16: Lötflächen für den Ausgleichswiderstand auf der Leiterplatte
17: Lötflächen zur Kontaktierung der Widerstände auf dem Substrat

Claims

Strommessvorrichtung zur Messung eines elektrischen Stroms (Ip, In) gemäß der Vierleitertechnik mit a) einem Strommesswiderstand (RCu1, RCu, R0) mit a1) einem ersten Strom-Anschlussteil (1) aus einem Leitermaterial zum Einleiten des Stroms (Ip) in den Strommesswiderstand (RCu1, RCu, R0), a2) einem zweiten Strom-Anschlussteil aus einem Leitermaterial zum Ausleiten des Stroms aus dem Strommesswiderstand (RCu1, RCu, R0), a3) einem Widerstandselement (R0) aus einem Widerstandsmaterial, wobei das Widerstandselement (R0) in Stromflussrichtung zwischen dem ersten Strom-Anschlussteil (1) und dem zweiten Strom-Anschlussteil (2) angeordnet ist, a4) einem ersten Spannungs-Messanschluss (Up) aus einem Leitermaterial zur Messung der über dem Widerstandselement (R0) abfallenden elektrischen Spannung (U_MESS), a5) einem zweiten Spannungs-Messanschluss (Un) aus einem Leitermaterial zur Messung der über dem Widerstandselement (R0) abfallenden elektrischen Spannung (U_MESS), gekennzeichnet durch b) einen Ausgleichswiderstand (Rp) aus einem Festwiderstand, der elektrisch zwischen die beiden Spannungs-Messanschlüsse (Up, Un) parallel zu dem Widerstandselement (R0) geschaltet ist, um die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes mindestens teilweise zu kompensieren, so dass die Strommessvorrichtung zwei Strompfade aufweist, nämlich einen Haupt-Strompfad durch das Widerstandselement (R0) einerseits und einen Neben-Strompfad durch den Ausgleichswiderstand (Rp) andererseits.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Neben-Strompfad durch den Ausgleichswiderstand (Rp) auch mindestens ein Leiterelement aus einem Leitermaterial angeordnet ist, das auch einen Widerstandswert mit einer bestimmten Temperaturabhängigkeit aufweist und thermisch mit der Strommessvorrichtung gekoppelt ist.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Ausgleichswiderstand (Rp) und das Widerstandselement (R0) aus demselben Widerstandsmaterial bestehen, und b) dass die beiden Strom-Anschlussteile (1, 2) und die beiden Leiterelemente in dem Neben-Strompfad aus demselben Leitermaterial bestehen.
Strommessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Strommessvorrichtung ein Trägersubstrat (3) aufweist, b) dass der Strommesswiderstand auf dem Trägersubstrat (3) angebracht ist, c) dass der Ausgleichswiderstand (Rp) auf dem Trägersubstrat (3) angebracht ist, d) dass das Trägersubstrat (3) die Strom-Anschlussteile (1, 2) trägt, und e) dass das Trägersubstrat (3) die Spannungs-Messanschlüsse (Up, Un) trägt.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Trägersubstrat (3) plattenförmig ist, und/oder b) dass das Trägersubstrat (3) ausgebildet ist b1) aus Keramik oder b2) als Direct-Copper-Bonded-Substrat oder b3) als Stanzgitter aus einem Leitermaterial, und/oder c) dass das Widerstandselement (R0) des Strommesswiderstands ein SMD-Widerstand ist, der die Strom-Anschlussteile (1, 2) auf dem Trägersubstrat (3) kontaktiert.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Trägersubstrat (3) zwei Pads (4, 5) zur Montage und elektrischen Kontaktierung des Ausgleichswiderstands (Rp) trägt, und/oder b) dass die beiden Pads (4, 5) für den Ausgleichswiderstand (Rp) bezüglich der Hauptstromrichtung in dem Strommesswiderstand seitlich neben den Strom-Anschlussteilen (1, 2) angeordnet sind, und/oder c) dass die beiden Pads (4, 5) für den Ausgleichswiderstand (Rp) über Leiterbahnen (RCup) auf dem Trägersubstrat (3) mit den Strom-Anschlussteilen (1, 2) verbunden sind, und/oder d) dass die Leiterbahnen (RCup) auf dem Trägersubstrat (3) die Strom-Anschlussteile (1, 2) jeweils an dem Übergang zu dem Widerstandselement (R0) kontaktieren, und/oder e) dass die Leiterbahnen (RCup) auf dem Trägersubstrat (3) die beiden Strom-Anschlussteile (1, 2) bezüglich der Hauptstromrichtung in dem Strommesswiderstand auf gegenüber liegenden Seiten kontaktieren, und/oder f) dass die Leiterbahnen (RCup) die Leiterelemente in dem Neben-Strompfad bilden, und/oder g) dass die Leiterbahnen (RCup) thermisch mit dem Widerstand R0 gekoppelt sind, und/oder h) dass die Pads (4, 5) für den Ausgleichswiderstand (Rp) über weitere Leiterbahnen (6, 7) auf dem Trägersubstrat (3) mit den Spannungs-Messanschlüssen (Up, Un) verbunden sind.
Strommessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, a) dass auf dem Strommesswiderstand eine Leiterplatte (8) angebracht und mit dem Strommesswiderstand elektrisch verbunden ist, und b) dass der Ausgleichswiderstand (Rp) auf der Leiterplatte (8) angebracht ist, insbesondere auf der dem Strommesswiderstand abgewandten Oberseite der Leiterplatte (8).
Strommessvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Leiterplatte (8) zur Kontaktierung der beiden Strom-Anschlussteile (1, 2) des Strommesswiderstands zwei Lötflächen (9, 10) aus einem Leitermaterial trägt und zwar auf der dem Strommesswiderstand zugewandten Unterseite, und/oder b) dass das mindestens eine Leiterelement (RCup) des Neben-Strompfads auf der Leiterplatte (8) angeordnet ist, insbesondere auf der Oberseite der Leiterplatte (8), und/oder c) dass das Leiterelement zur Verbesserung der thermischen Kopplung über einer Lötfläche (9, 10) angeordnet ist.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Leiterplatte (8) den Ausgleichswiderstand (Rp) integriert enthält oder an ihrer Oberseite Pads (15, 16) zur Montage und Kontaktierung des Ausgleichswiderstands aufweist, und/oder b) dass die Leiterplatte (8) Durchkontaktierungen (13, 14) aufweist, um die Lötflächen (9, 10) an der Unterseite der Leiterplatte (8) mit den Pads (15, 16) für den Ausgleichswiderstand (Rp) an der Oberseite der Leiterplatte (8) zu verbinden, und/oder c) dass die Spannungs-Messanschlüsse (Up, Un) an der Oberseite der Leiterplatte (8) angeordnet sind, und/oder d) dass an der Oberseite der Leiterplatte (8) oder auf einer der Innenlagen der Leiterplatte (8) zumindest eine Leiterbahn (RCup) angeordnet ist, die eines der Pads für den Ausgleichswiderstand (Rp) mit einer der Durchkontaktierungen verbindet und das Leiterelement in dem Neben-Strompfad bildet.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, a) dass an der Oberseite der Leiterplatte (8) zwei Pads zur Kontaktierung eines temperaturabhängigen Widerstandes angeordnet sind und dieser temperaturabhängige Widerstand in Serie mit einem der beiden Spannungs-Messanschlüsse (Up, Un) geschaltet ist und zusammen mit diesen das Leiterelement in dem Neben-Strompfad bildet, b) dass der temperaturabhängige Widerstand vorzugsweise ein Pt100-Widerstand oder ein Ni100-Widerstand ist.
Strommessvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Leiterplatte (8) eine mehrlagige Glasfaserplatte oder eine flexible Leiterplatte ist, und/oder b) dass die Leiterplatte (8) auch einen Leistungshalbleiter und/oder weitere aktive und/oder passive Bauteile trägt.
Strommessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Strommesswiderstand einen Widerstandswert von mindestens 1 μΩ, 5 μΩ, 10 μΩ, 30 μΩ und/oder höchstens 10 mΩ, 5 mΩ, 2,5 mΩ, 1 mΩ aufweist, und/oder b) dass der Strommesswiderstand eine Strombelastbarkeit von mindestens 1 A, 3 A, 10 A, 30 A oder 100 A aufweist, und/oder c) dass der Strommesswiderstand eine Länge in Hauptstromflussrichtung von höchstens 20 mm, 5 mm, 2 mm, 1,5 mm oder 1 mm aufweist, und/oder d) dass der Strommesswiderstand eine Dicke von höchstens 5 mm, 3 mm, 2 mm, 1,5 mm, 1 mm, 0,5 mm oder 0,2 mm aufweist, und/oder e) dass der Strommesswiderstand quer zur Hauptstromflussrichtung eine Breite von höchstens 200 mm, 50 mm, 10 mm, 5 mm oder 1 mm aufweist, und/oder f) dass der Strommesswiderstand einen Widerstandswert mit einem Temperaturkoeffizienten von höchstens 500 ppm/K, 200 ppm/K, 100 ppm/K, 30 ppm/K oder 10 ppm/K aufweist, und/oder g) dass das Leitermaterial Kupfer oder eine Kupfer-Legierung ist, und/oder h) dass das Leitermaterial einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als das Widerstandsmaterial, und/oder i) dass die beiden Strom-Anschlussteile (1, 2) mit dem Widerstandselement (R0) verschweißt sind, insbesondere durch eine Elektronenstrahlverschweißung, und/oder j) dass das Widerstandselement (R0) aus einem walzplattierten Widerstandsmaterial auf Kupferbasis hergestellt ist und/oder k) dass die Strom-Anschlussteile (1, 2) des Strommesswiderstands durch galvanische Verkupferung hergestellt sind, und/oder l) dass das Widerstandsmaterial eine Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung ist, insbesondere Cu86Mn12Ni2, und/oder m) dass die beiden Strom-Anschlussteile (1, 2) plattenförmig sind, und/oder n) dass das Widerstandselement (R0) plattenförmig ist.
Strommessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswiderstand (Rp) einen Widerstandswert Rp aufweist, der nach folgender Näherungs-Formel berechnet ist: Rp = RCupg·TKCu/TK mit: Rp: Widerstandswert des Ausgleichswiderstands (Rp), RCupg: Summe der Widerstände der Leiterschleifen im Nebenstrompfad, TKCu: Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts des Leitermaterials, vorzugweise von Kupfer, TK: Temperaturkoeffizient des Strommesswiderstands ohne den Ausgleichswiderstand (Rp), und mit einer Toleranz von weniger als ±30%, ±20%, ±10%, ±5%, ±2% oder ±1%.