DE102023200038A1

DE102023200038A1 - Platineneingebetteter und abgeschirmter Stromsensor

Info

Publication number: DE102023200038A1
Application number: DE102023200038.5A
Authority: DE
Inventors: Felix Stewing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-01-03
Filing date: 2023-01-03
Publication date: 2024-07-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung Strommessanordnung 10 umfassend ein PCB-Board 11, wobei das PCB-Board 11 eine erste Aussparung 10a aufweist, eine erste Abschirmplatte 12 , die auf dem Boden 10b der ersten Aussparung 10a angeordnet ist, wobei die erste Abschirmplatte 12 mit einem elektrisch nichtleitenden ersten Abdeckmaterial 14 bedeckt ist, eine Leiterbahn 16, die in der ersten Aussparung 10a auf dem ersten Abdeckmaterial 14 angeordnet ist, ein elektrisch nichtleitendes zweites Abdeckmaterial 15, wobei das elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial 15 auf der Leiterbahn 16 angeordnet ist und eine zweite Aussparung 17 aufweist, ein Stromsensor 18, der in der zweiten Aussparung 17 angeordnet ist, eine zweite Abschirmplatte 13 , die in der ersten Aussparung 10a über dem elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial 15 angeordnet ist, und wobei die erste Abschirmplatte 12 und die zweite Abschirmplatte 13 eingerichtet sind eine elektromagnetische Strahlung abzuschirmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen platineneingebettenen und abgeschirmten Stromsensor.
Stand der Technik
Für die Steuerung und Sicherung von elektrischen Schaltung ist die Kenntnis des durch eine Schaltung fließenden Stroms essentiell. Zur Bestimmung eines Stroms in einer elektrischen Leitung existieren verschiedene Techniken. Eine Technik umfasst das Messen magnetischer Felder, welche durch den Strom in elektrischen Leitungen verursacht werden. Mittels der ermittelten Magnetfeldstärke kann auf den Strom geschlossen werden, welcher das Magnetfeld verursacht hat. Diese Technik setzt allerdings voraus, dass keine Fremdmagnetfelder auf den Stromsensor wirken, da andernfalls ein fehlerhafter Strom bestimmt wird. Besonders beim Messen von Strömen auf PCB-Boards stellt dies einen zu berücksichtigen Störfaktor dar, da weitere stromführende Leitungen in unmittelbarer Nähe zur der gemessen Stromleitung liegen und die Strommessung beeinflussen können. Der Einfluss von Fremdmagnetfelder kann durch Abschirmung zumindest verringert, wenn nicht sogar verhindert werden.
In der gegenwärtigen Umsetzung des obigen Messprinzips, wird ein Stromsensor, in der Nähe der zu messenden elektrischen Leitung angeordnet. Eine Ausführung zur Anordnung des Stromsensors in der Nähe der Leitung findet sich in den Patenten DE 10 2020 208 311 A1 , DE 11 2012 002 744 B4 und WO 2021 023 874 A1 . Die Umsetzung der magnetischen Abschirmung der Fremdmagnetfelder erfolgt durch eine Platzierung eines insbesondere weichmagnetischen Materials um den Stromsensor. In der fertigungstechnischen Umsetzung der obigen Ausführungen des Stromsensors an einem PCB-Board bedeutet dies, dass nach der Platzierung und elektrischen Verbindung des Stromsensors nachträglich Aussparungen zur Aufnahme der Abschirmung und die Platzierung der Abschirmung notwendig sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines PCB-Boards 2 mit einer Strommesseinrichtung 1 nach dem Stand der Technik. Auf dem PCB-Board 2 ist eine Stromleitung 3 angeordnet deren Strom gemessen werden soll. Auf dem PCB-Board 2 ist ein Strommesssensor 5 aufgesetzt welcher mit der Stromleitung 3 in Reihe geschaltet ist. Der Strommesssensor 5 misst ein magnetisches Feld und bestimmt anhand des gemessenen magnetischen Feldes den Strom in der Stromleitung 3. Neben der Strommesssensor 1 befinden sich zwei Schlitze 4 in dem PCB-Board 2. Durch diese Schlitze 4 werden ein erster Schenkel und ein zweiter Schenkel einer U-förmigen Abschirmung durchgesteckt und an dem PCB-Board 2 angeordnet. Die Abschirmung verringert den Einfluss von Fremdmagnetfelder auf den Strommesssensor 5.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Strommessanordnung ermöglicht eine Messung eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters durch Abschirmung von Fremdmagnetfeldern bei gleichzeig geringem Herstellungsaufwand.
Die Strommessanordnung umfasst ein PCB-Board, eine erste Abschirmplatte, eine zweite Abschirmplatte, eine Leiterbahn, einen Stromsensor, ein elektrisch nichtleitendes erstes Abdeckmaterial und ein elektrisch nichtleitendes zweites Abdeckmaterial. Das PCB-Board weist zumindest eine erste Aussparung auf. Die erste Abschirmplatte ist auf dem Boden der ersten Aussparung angeordnet und mit dem elektrisch nichtleitenden ersten Abdeckmaterial bedeckt. Die Leiterbahn ist in der ersten Aussparung auf dem ersten Abdeckmaterial angeordnet. Das elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial ist auf der Leiterbahn angeordnet und weist eine zweite Aussparung auf. Der Stromsensor ist in der zweiten Aussparung angeordnet. Die zweite Abschirmplatte ist in der ersten Aussparung über dem elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial angeordnet. Die erste Abschirmplatte und die zweite Abschirmplatte sind eingerichtet eine elektromagnetische Strahlung abzuschirmen.
Die Leiterbahn ist mit einer Leiterbahn, deren Strom bestimmt werden soll, elektrisch in Reihe geschaltet. Die elektrischen Verbindungen der Leiterbahn ragen aus der ersten Aussparung heraus. Der Stromsensor ist oberhalb der Leiterbahn angeordnet und ermöglicht das Messen eines magnetischen Feldes und hieraus die Bestimmung eines elektrischen Stroms in der Leiterbahn. Die erste Abschirmplatte und die zweite Abschirmplatte schirmen ein Fremdmagnetfeld ab und verhindern eine fehlerhafte Bestimmung des elektrischen Stroms in der Leiterbahn. Durch die Anordnung des ersten elektrischen nichtleitenden Abdeckmaterials und des elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial wird ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten Abschirmplatte, der Leiterbahn, dem Stromsensor und der zweiten Abschirmplatte verhindert. Diese aufbauende Anordnung der eben aufgeführten Elemente in der ersten Aussparung des PCB-Boards erlaubt eine Integration der Herstellung der Strommessanordnung in die Herstellung des PCB-Boards. Dies verringert gegenüber dem oben aufgeführten Stand der Technik den Herstellungsaufwand und die Herstellungsdauer. Zudem können bereits die Methoden zu der Herstellung des PCB-Boards verwendet werden, welche auch ohne eine Herstellung der Strommessanordnung zum Einsatz kämen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt weist die Strommessanordnung eine weitere Leiterbahn und ein elektrisch nichtleitendes drittes Abdeckmaterial auf. Die weitere Leiterbahn ist in der ersten Aussparung auf dem zweiten Abdeckmaterial angeordnet und mit der Leiterbahn elektrisch in Reihe geschaltet. Das dritte Abdeckmaterial ist auf der weiteren Leiterbahn unterhalb der zweiten Abschirmplatte angeordnet. Durch die weitere Leiterbahn und die Leiterbahn fließt derselbe Strom. In der Leiterbahn und in der weiteren Leiterbahn wird durch diesen Strom ein Magnetfeld induziert. Durch die Anordnung befindet sich der Stromsensor insbesondere zwischen der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn in der ersten Aussparung. Der Stromsensor wird durch beide Magnetfelder durchströmt und erlaubt ein gleichmäßigeres Magnetfeld am Ort des Stromsensors, als wenn nur eine Leiterbahn sich unterhalb oder oberhalb des Stromsensors befindet. Durch das dritte Abdeckmaterial wird ein elektrischer Kontakt zwischen der weiteren Leiterbahn und der zweiten Abschirmplatte verhindert.
Besonders bevorzugt weist die Strommessanordnung zumindest eine Bohrung auf. Die Bohrung ist in dem elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial unterhalb der weiteren Leiterbahn angeordnet und reicht bis zur Leiterbahn. Die Bohrung ist mit einem elektrisch leitenden Verbindungselement verfüllt, so dass die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn über das Verbindungselement miteinander elektrisch verbunden sind. Die Bohrung und das Verfüllen der Bohrung mit dem elektrischen Verbindungselement sind Prozessschritte wie sie auch bei der Herstellung eines PCB-Board vorkommen. Daher sind die Bohrung und die Verfüllung mit dem Verbindungselement besonders einfach in den Herstellungsprozess des PCB-Board einzubinden. Dies ermöglicht eine aufwandsarme Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn.
Vorteilhafterweise ist die zweite Aussparung so ausgestaltet ist, dass der Stromsensor in einer ersten Richtung von der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn gleichweit entfernt in der zweiten Aussparung angeordnet ist. Die erste Richtung ist quer zu einer Ebene der Leiterbahn angeordnet. Die von der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn bei Stromfluss desselben Stroms erzeugten Magnetfelder sind von gleicher Stärke. An einer äquidistanten Stelle zwischen der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn liegen somit beide Magnetfelder in gleicher Stärke vor. Die äquidistante Platzierung des Stromsensors zwischen der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn erlaubt die Messung dieses gleichmäßigen Magnetfeldes und darauf basierend eine genauere Bestimmung des elektrischen Stroms durch die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn.
Besonders vorteilhaft weist die Leiterbahn ein erstes Leiterbahnelement und ein zweites Leiterbahnelement und die weitere Leiterbahn ein drittes Leiterbahnelement und ein viertes Leiterbahnelement auf. Das erste Leiterbahnelement ist mit dem dritten Leiterbahnelement und das zweite Leiterbahnelement ist mit dem vierten Leiterbahnelement elektrisch verbunden. Das erste Leiterbahnelement ist weiterhin mit dem zweiten Leiterbahnelement oder das dritte Leiterbahnelement ist weiterhin mit dem vierten Leiterbahnelement oder das erste Leiterbahnelement ist weiterhin mit dem vierten Leiterbahnelement oder das zweite Leiterbahnelement ist weiterhin mit dem dritten Leiterbahnelement elektrisch verbunden. Das erste Leiterbahnelement und das zweite Leiterbahnelement und das dritte Leiterbahnelement und das vierte Leiterbahnelement sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Somit fließt durch das erste Leiterbahnelement und das zweite Leiterbahnelement und das dritte Leiterbahnelement und das vierte Leiterbahnelement derselbe Strom. Folglich erzeugen die eben aufgeführten Leiterbahnenelemente das gleiche Magnetfeld. Die obige Kombinatorik der ersten Leiterbahn und der zweiten Leiterbahn und der dritten Leiterbahn und der vierten Leiterbahn erlauben eine Reihenschaltung der genannten Leiterbahnen. Mittels zwei elektrischer Kontakte, welche aus der ersten Aussparung herausrangen, sind die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn mit der Leiterbahn, deren Strom bestimmt werden soll, elektrisch verbunden.
Vorteilhafterweise ist der Stromsensor in der räumlichen Mitte des ersten Leiterbahnelements und des zweiten Leiterbahnelements und des dritten Leiterbahnelements und des vierten Leiterbahnelements angeordnet. In Folge der gleichen Magnetfelder der vier Leiterbahnelemente ermöglicht die Platzierung des Stromsensors in der räumlichen Mitte zwischen den vier Leiterbahnelementen eine besonders präzise Messung des Stroms durch die vier Leiterbahnenelemente.
Bevorzugt sind das erste Leiterbahnelement und das zweite Leiterbahnelement in einer ersten Ebene angeordnet und/oder das dritte Leiterbahnelement und das vierte Leiterbahnelement in einer zweiten Ebene angeordnet. Dies vereinfacht einen Herstellungsprozess der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn und folglich der Strommessanordnung.
Besonders bevorzugt sind die erste Ebene und die zweite Ebene zueinander parallel angeordnet sind. Dies vereinfacht einen Herstellungsprozess der Strommessanordnung und erlaubt zugleich für eine symmetrische Überlagerung der Magnetfelder der vier Leiterbahnelemente. Bei einer äquidistanten Anordnung des Stromsensors zwischen den vier Leiterbahnelementen wird eine besonders präzise Bestimmung des Stroms in den vier Leiterbahnelement ermöglicht.
Vorteilhafterweise weisen das erste Leiterbahnelement und das dritte Leiterbahnelement die gleichen Ausmaße auf und/oder das zweite Leiterbahnelement und das vierte Leiterbahnelement die gleichen Ausmaße auf und/oder das erste Leiterbahnelement und das zweite Leiterbahnelement die gleichen Ausmaße auf, und/oder das dritte Leiterbahnelement und das vierte Leiterbahnelement die gleichen Ausmaße auf.
Durch die Verwendung von Leiterbahnelemente mit denselben Ausmaßen kann die Vielfalt die Leiterbahnelemente verringert werden. Somit muss eine geringere Anzahl an Leiterbahnelementen mit unterschiedlichen Ausmaßen vorgehalten werden, wodurch sich die Lagerungskosten verringern. Dies verringert weiterhin die Wahrscheinlichkeit Leiterbahnelement mit unterschiedlichen Ausmaßen bei der Herstellung der Strommessanordnung an eine fehlerhafte Stelle zu platzieren. Während des Stroms durch die vier Leiterbahnelemente erhitzen sich diese und dehnen sich aus. Bei Leiterbahnelementen mit unterschiedlichen Ausmaßen kommt es zu asymmetrischen mechanischen Spannungen in dem PCB-Board. In Folge kann sich das PCB-Board wölben. Durch Leiterbahnelementen mit gleichen Ausmaßen dehnen sich die Leiterbahnelemente gleichmäßig aus und es wird eine asymmetrische mechanische Belastung auf das PCB-Board verringert.
Besonders vorteilhaft ist der Stromsensor in der zweiten Aussparung zwischen dem ersten Leiterbahnelement und dem dritten Leiterbahnelement angeordnet und ein weiterer Stromsensor zwischen dem zweiten Leiterbahnelement und dem vierten Leiterbahnelement in der zweiten Aussparung angeordnet. Durch die Verwendung von zwei Stromsensoren können die durch den Strom erzeugten Magnetfelder an zwei unterschiedlichen Orten gleichzeitig gemessen werden. Beide Messungen können miteinander verglichen werden und erlauben eine präzisere Bestimmung des Stroms in den vier Leiterbahnelementen.
Bevorzugt ist der Stromsensor äquidistant zwischen dem ersten Leiterbahnelement und dem dritten Leiterbahnelement und der weitere Stromsensor zwischen dem zweiten Leiterbahnelement und dem vierten Leiterbahnelement angeordnet. Hierdurch können der Stromsensor und der weitere Stromsensor den Strom besonders präzise bestimmen.
Vorteilhafterweise sind die erste Abschirmplatte und die zweite Abschirmplatte aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus einem Blech. Weichmagnetische Materialien erlauben eine gute Abschirmung von Fremdmagnetfeldern. In Folge der geringen Kosten und der großen Verfügbarkeit von Blech senkt durch die Verwendung von Blech als erste Abschirmplatte und/oder als zweite Abschirmplatte die Herstellungskosten der Messanordnung.
Besonders vorteilhaft ist das erste Abdeckmaterial und/oder das zweite Abdeckmaterial und/oder das dritte Abdeckmaterial aus einem Harz ausgestaltet. Harz erlaubt ein formschlüssiges Verschließen der Aussparungen und ist zugleich leicht zu bearbeiten. Zudem sind die Eigenschaften von Harz gut einstellbar. Dies erlaubt eine kostengünstige Herstellung der Strommessanordnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Darstellung eines PCB-Boards mit einer Strommesseinrichtung nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strommessanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strommessanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strommessanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strommessanordnung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Strommessanordnung 10 umfasst ein PCB-Board 11, eine erste Abschirmplatte 12, eine zweite Abschirmplatte 13, eine Leiterbahn 16, einen Stromsensor 18, ein elektrisch nichtleitendes erstes Abdeckmaterial 14 und ein elektrisch nichtleitendes zweites Abdeckmaterial 15. Das PCB-Board 11 weist zumindest eine erste Aussparung 10a auf. Die erste Abschirmplatte 12 ist auf dem Boden 10b der ersten Aussparung 10a angeordnet und mit dem elektrisch nichtleitenden ersten Abdeckmaterial 14 bedeckt. Die Leiterbahn 16 ist in der ersten Aussparung 10a auf dem elektrisch nichtleitenden ersten Abdeckmaterial 14 angeordnet. Das elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial 15 ist auf der Leiterbahn 16 angeordnet und weist eine zweite Aussparung 17 auf. Der Stromsensor 18 ist in der zweiten Aussparung 17 angeordnet. Die zweite Abschirmplatte 13 ist in der ersten Aussparung 10a über dem elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial 15 angeordnet. Die erste Abschirmplatte 12 und die zweite Abschirmplatte 13 sind eingerichtet, eine elektromagnetische Strahlung abzuschirmen.
Die Leiterbahn 16 ist mit einer Leiterbahn, deren Strom bestimmt werden soll, elektrisch in Reihe geschaltet. Eine elektrische Kontaktierung der Leiterbahn 16 ragt aus der ersten Aussparung 10a heraus. Der Stromsensor 18 ist oberhalb der Leiterbahn 16 angeordnet und ermöglicht das Messen eines magnetischen Feldes und hieraus die Bestimmung eines elektrischen Stroms in der Leiterbahn 16. Die erste Abschirmplatte 12 und die zweite Abschirmplatte 13 schirmen ein Fremdmagnetfeld ab und verhindern eine fehlerhafte Bestimmung des elektrischen Stroms in der Leiterbahn 16. Durch die Anordnung des elektrischen nichtleitenden ersten Abdeckmaterials 14 und des elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial 15 wird ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten Abschirmplatte 12, der Leiterbahn 16, dem Stromsensor 18 und der zweiten Abschirmplatte 13 verhindert. Diese aufbauende Anordnung der eben aufgeführten Elemente in der ersten Aussparung 10a des PCB-Boards 11 erlaubt eine Integration der Herstellung der Strommessanordnung 10 in die Herstellung des PCB-Boards 11.
In der Herstellung der Strommessanordnung 10 wird ausgehend von dem PCB-Board 11 eine erste Aussparung 10a eingeätzt. Die nicht zu ätzenden Bereiche das PCB-Boards 11 werden mit einer Maske abgedeckt. In die erste Aussparung 10a wird anschließend die erste Abschirmplatte 12 eingelegt und das elektrisch nichtleitende erste Abdeckmaterial 14 gegossen. Die Leiterbahn 16 wird auf das elektrisch nichtleitendes erstes Material 14 in die erste Aussparung 10a gelegt. Das elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial 15 wird auf die Leiterbahn 16 gegossen und in das elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial 15 wird eine zweite Aussparung 17 geätzt. In diese zweite Aussparung 17 wird der Stromsensor 18 gelegt und über dem elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial 15 die zweite Abschirmplatte 13 angeordnet.
Die beschriebenen Vorgänge des Ätzens und des Platzierens finden bei der Bearbeitung eines PCB-Boards 11 auch ohne die Herstellung der Strommessanordnung 10 statt. Folglich lässt sich die Herstellung der Strommessanordnung 10 mit geringem Aufwand in die Herstellung des PCB-Boards 11 integrieren. Somit ist die Strommessanordnung 10 mit einem geringeren Aufwand herstellbar, als eine Strommessanordnung 10 die auf dem PCB-Board 11 montiert werden und einen zusätzlichen Vorgang zur Befestigung einer Abschirmung vor Fremdmagnetfeldern benötigt.
Bevorzugt weist die Leiterbahn 16 zumindest zwei elektrischen Kontakte zur elektrischen Kontaktierung mit einer Leiterbahn, deren Strom gemessen werden soll, auf. Die elektrischen Kontakte der Leiterbahn 16 ragen aus der ersten Aussparung 10a heraus. Die Leiterbahn 16 ist mit der zu messenden Leiterbahn in Reihe geschaltet. Ebenso weist der Stromsensor 18 zumindest zwei elektrische Kontakte auf, welche aus der ersten Aussparung 10a herausragen.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strommessanordnung 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugt weist die Strommessanordnung 10 eine weitere Leiterbahn 19 und ein elektrisch nichtleitendes drittes Abdeckmaterial 20 auf. Die weitere Leiterbahn 19 ist in der ersten Aussparung 10a auf dem zweiten Abdeckmaterial 15 angeordnet und mit der Leiterbahn 16 elektrisch in Reihe geschaltet. Das dritte Abdeckmaterial 20 ist auf der weiteren Leiterbahn 19 unterhalb der zweiten Abschirmplatte 13 angeordnet. Durch die weitere Leiterbahn 19 und die Leiterbahn 16 fließt derselbe Strom. In der Leiterbahn 16 und in der weiteren Leiterbahn 19 wird durch diesen Strom ein Magnetfeld induziert. Durch die Anordnung befindet sich der Stromsensor 18 zwischen der Leiterbahn 16 und der weiteren Leiterbahn 19 in ersten Aussparung 10a. Der Stromsensor 18 wird durch beide Magnetfelder durchströmt und erlaubt ein gleichmäßigeres Magnetfeld am Ort des Stromsensors 18, als wenn nur eine Leiterbahn 16 sich unterhalb oder oberhalb des Stromsensors 18 befindet. Durch das dritte Abdeckmaterial 20 wird ein elektrischer Kontakt zwischen der weiteren Leiterbahn 19 und der zweiten Abschirmplatte 13 verhindert.
Besonders bevorzugt weist die Strommessanordnung 10 zumindest eine Bohrung 21 auf. Die Bohrung 21 ist in dem elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial 15 unterhalb der weiteren Leiterbahn 19 angeordnet und reicht bis zur Leiterbahn 16. Die Bohrung 21 ist mit einem elektrisch leitenden Verbindungselement 22 verfüllt ist, so dass die Leiterbahn 16 und die weitere Leiterbahn 19 über das erste Verbindungselement 22 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Bohrung 21 und das Verfüllen der Bohrung 21 mit dem ersten elektrischen Verbindungselement 22 sind Prozessschritte wie sie auch bei der Herstellung eines PCB-Boards 11 vorkommen. Daher sind die Bohrung 21 und die Verfüllung mit dem Verbindungselement 22 besonders einfach in den Herstellungsprozess des PCB-Board 11 einzubinden. Dies ermöglicht eine aufwandsarme Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Leiterbahn 16 und der weiteren Leiterbahn 19.
Bevorzugt weist die Leiterbahn 16 eine elektrische Kontaktierung auf, welche aus der ersten Aussparung 10a herausragt und mit der Leiterbahn, deren Strom gemessen werden soll, elektrisch verbunden ist. Ebenso weist die weitere Leiterbahn 19 eine elektrische Kontaktierung auf, welche aus der ersten Aussparung 10a herausragt und mit der Leiterbahn, deren Strom gemessen werden soll, elektrisch verbunden ist.
Vorteilhafterweise ist die zweite Aussparung 17 so ausgestaltet ist, dass der Stromsensor 18 in einer ersten Richtung 100 von der Leiterbahn 16 und der weiteren Leiterbahn 19 gleichweit entfernt in der zweiten Aussparung 17 angeordnet ist. Die erste Richtung 100 ist quer zu einer Ebene der Leiterbahn 16 angeordnet. Die von der Leiterbahn 16 und der weiteren Leiterbahn 19 bei Stromfluss desselben Stroms erzeugten Magnetfelder sind von gleicher Stärke. An einer äquidistanten Stelle zwischen der Leiterbahn 16 und der weiteren Leiterbahn 19 liegen somit beide Magnetfelde in gleicher Stärke vor. Die äquidistante Platzierung des Stromsensors 18 zwischen der Leiterbahn 16 und der weiteren Leiterbahn 19 erlaubt die Messung dieses gleichmäßigen Magnetfeldes und darauf basierend eine genauere Bestimmung des elektrischen Stroms durch die Leiterbahn 16 und die weitere Leiterbahn 19.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Strommessanordnung 10 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei wird der Übersicht halber auf das umgebenden PCB-Board 11, die erste Abschirmplatte 12, die zweite Abschirmplatte 13, das elektrisch nichtleitende erste Abdeckmaterial 14, das elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial 15 und das dritte elektrisch nichtleitende Abdeckmaterial 20 verzichtet.
Besonders vorteilhaft weist die Leiterbahn 16 ein erstes Leiterbahnelement 16a und ein zweites Leiterbahnelement 16b und die weitere Leiterbahn 19 ein drittes Leiterbahnelement 19a und ein viertes Leiterbahnelement 19b auf. Das erste Leiterbahnelement 16a ist mit dem dritten Leiterbahnelement 19a und das zweite Leiterbahnelement 16b ist mit dem vierten Leiterbahnelement 19b elektrisch verbunden. Das erste Leiterbahnelement 16a ist weiterhin mit dem zweiten Leiterbahnelement 16b oder das dritte Leiterbahnelement 19a ist weiterhin mit dem vierten Leiterbahnelement 16b oder das erste Leiterbahnelement 16a ist weiterhin mit dem vierten Leiterbahnelement 19b oder das zweite Leiterbahnelement 16b ist weiterhin mit dem dritten Leiterbahnelement 19a elektrisch verbunden. Das erste Leiterbahnelement 16a und das zweite Leiterbahnelement 16b und das dritter Leiterbahnelement 19a und das vierte Leiterbahnelement 19b sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Somit fließt durch das erste Leiterbahnelement 16a und das zweite Leiterbahnelement 16b und das dritte Leiterbahnelement 19a und das vierte Leiterbahnelement 19b derselbe Strom. Folglich erzeugen die eben aufgeführten Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b das gleiche Magnetfeld. Die obige Kombinatorik des ersten Leiterbahnelements 16a und des zweiten Leiterbahnelements 16b und des dritten Leiterbahnelements 19a und des vierten Leiterbahnelements 19b erlauben eine Reihenschaltung der genannten Leiterbahnen 16a, 16b, 19a, 19b. Mittels zwei elektrischer Kontakte, welche aus der ersten Aussparung herausrangen, sind die Leiterbahn 16 und die weitere Leiterbahn 19 mit der Leiterbahn, deren Strom bestimmt werden soll, elektrisch verbunden.
Vorteilhafterweise ist der Stromsensor 18a in der räumlichen Mitte des ersten Leiterbahnelements 16a, des zweiten Leiterbahnelements 16b, des dritten Leiterbahnelements 19a und des vierten Leiterbahnelements 19b angeordnet. In Folge der gleichen Magnetfelder der vier Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b ermöglicht die Platzierung des Stromsensors 18a in der räumlichen Mitte zwischen den vier Leiterbahnelementen 16a eine besonders präzise Messung des Stroms durch die vier Leiterbahnelemente 19b.
Bevorzugt sind das erste Leiterbahnelement 16a und das zweite Leiterbahnelement 16b in einer ersten Ebene angeordnet und/oder das dritte Leiterbahnelement 19a und das vierte Leiterbahnelement 19b in einer zweiten Ebene angeordnet. Dies vereinfacht einen Herstellungsprozess der Leiterbahn 16 und der weiteren Leiterbahn 19 und folglich der Strommessanordnung 10.
Besonders bevorzugt sind die erste Ebene und die zweite Ebene zueinander parallel angeordnet sind. Dies vereinfacht einen Herstellungsprozess der Strommessanordnung 10 und erlaubt zugleich für eine symmetrische Überlagerung der Magnetfelder der vier Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b. Bei einer äquidistanten Anordnung des Stromsensors 18a zwischen den vier Leiterbahnelementen 16a, 16b, 19a, 19b wird eine besonders präzise Bestimmung des Stroms in den vier Leiterbahnelement 16a, 16b, 19a, 19b ermöglicht.
Vorteilhafterweise weisen das erste Leiterbahnelement 16a und das dritte Leiterbahnelement 19a die gleichen Ausmaße auf und/oder das zweite Leiterbahnelement 16b und das vierte Leiterbahnelement 19b die gleichen Ausmaße auf und/oder das erste Leiterbahnelement 16a und das zweite Leiterbahnelement 16b die gleichen Ausmaße auf und/oder das dritte Leiterbahnelement 19a und das vierte Leiterbahnelement 19b die gleichen Ausmaße auf.
Durch die Verwendung von Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b mit denselben Ausmaßen kann die Vielfalt die Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b verringert werden. Somit muss eine geringere Anzahl an Leiterbahnelementen mit unterschiedlichen Ausmaßen vorgehalten werden, wodurch sich Lagerungskosten verringern. Ebenso verringert dies die Wahrscheinlichkeit Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b mit unterschiedlichen Ausmaßen bei der Herstellung der Strommessanordnung 10 an eine fehlerhafte Stelle zu platzieren. Während des Stroms durch die vier Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b erhitzen sich diese und dehnen sich aus. Bei Leiterbahnelementen 16a, 16b, 19a, 19b mit unterschiedlichen Ausmaßen kommt es zu asymmetrischen mechanischen Spannungen in dem PCB-Board 11. In Folge kann sich das PCB-Board 11 wölben. Durch Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b mit gleichen Ausmaßen dehnen sich die Leiterbahnelemente 16a, 16b, 19a, 19b gleichmäßig aus und es wird eine asymmetrische mechanische Belastung auf das PCB-Board 11 verringert.
Besonders vorteilhaft ist der Stromsensor 18a in der zweiten Aussparung 17 zwischen dem ersten Leiterbahnelement 16a und dem dritten Leiterbahnelement 19a angeordnet ist und ein weiterer Stromsensor 18b zwischen dem zweiten Leiterbahnelement 16b und dem vierten Leiterbahnelement 19b in der zweiten Aussparung 17 angeordnet ist. Durch die Verwendung von mehreren Stromsensoren 18a, 18b können die durch den Strom erzeugten Magnetfelder an zwei unterschiedlichen Orten gleichzeitig gemessen werden. Diese Messungen können miteinander verglichen werden und erlauben eine präzisere Bestimmung des Stroms in den vier Leiterbahnelementen 16a, 16b, 19a, 19b.
Bevorzugt ist der Stromsensor 18a äquidistant zwischen dem ersten Leiterbahnelement 16a und dem dritten Leiterbahnelement 19a und der weitere Stromsensor 18b zwischen dem zweiten Leiterbahnelement 16b und dem vierten Leiterbahnangeordnet 19b. Hierdurch können der Stromsensor 18a und der weitere Stromsensor 18b den Strom besonders präzise bestimmen.Vorteilhafterweise sind die erste Abschirmplatte 12 und die zweite Abschirmplatte 13 aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus Blech. Weichmagnetische Materialien erlauben für eine gute Abschirmung von Fremdmagnetfeldern. In Folge der geringen Kosten und der großen Verfügbarkeit von Blech senkt die Verwendung von Blech als erste Abschirmplatte 12 und/oder zweite Abschirmplatte 13 die Herstellungskosten der Messanordnung.
Besonders vorteilhaft ist das erste Abdeckmaterial 14 und/oder das zweite Abdeckmaterial 15 und/oder das dritte Abdeckmaterial 20 aus einem Harz ausgestaltet sind. Harz erlaubt ein formschlüssiges Verschließen der Aussparungen und ist zugleich leicht zu bearbeiten. Zudem sind die Eigenschaften von Harz gut einstellbar. Dies erlaubt eine kostengünstige Herstellung der Strommessanordnung 10.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020208311 A1 [0003]
DE 112012002744 B4 [0003]
WO 2021023874 A1 [0003]

Claims

Strommessanordnung (10) umfassend - ein PCB-Board (11), wobei das PCB-Board (11) eine erste Aussparung (10a) aufweist, - eine erste Abschirmplatte (12), die auf dem Boden (10b) der ersten Aussparung (10a) angeordnet ist, wobei die erste Abschirmplatte (12) mit einem elektrisch nichtleitenden ersten Abdeckmaterial (14) bedeckt ist, - eine Leiterbahn (16), die in der ersten Aussparung (10a) auf dem ersten Abdeckmaterial (14) angeordnet ist, - ein elektrisch nichtleitendes zweites Abdeckmaterial (15), wobei das elektrisch nichtleitende zweite Abdeckmaterial (15) auf der Leiterbahn (16) angeordnet ist und eine zweite Aussparung (17) aufweist, - ein Stromsensor (18), der in der zweiten Aussparung (17) angeordnet ist, - eine zweite Abschirmplatte (13), die in der ersten Aussparung (10a) über dem elektrisch nichtleitenden zweiten Abdeckmaterial (15) angeordnet ist, und - wobei die erste Abschirmplatte (12) und die zweite Abschirmplatte (13) eingerichtet sind eine elektromagnetische Strahlung abzuschirmen.
Strommessanordnung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - eine weitere Leiterbahn (19), und - ein elektrisch nichtleitendes drittes Abdeckmaterial (20), - wobei die weitere Leiterbahn (19) in der ersten Aussparung (10a) auf dem zweiten Abdeckmaterial (15) angeordnet ist, - wobei die weitere Leiterbahn (19) und die Leiterbahn (16) elektrisch in Reihe verbunden sind, und - die wobei das dritte Abdeckmaterial (20) auf der weiteren Leiterbahn (19) unterhalb der zweiten Abschirmplatte (13) angeordnet ist.
Strommessanordnung (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zumindest eine Bohrung (21), wobei die Bohrung (21) - in dem zweiten elektrisch nichtleitenden Abdeckmaterial (15) unterhalb der weiteren Leiterbahn (19) angeordnet ist und bis zur Leiterbahn (16) reicht, und - mit einem elektrisch leitenden Verbindungselement (22) verfüllt ist, so dass die Leiterbahn (16) und die weitere Leiterbahn (19) über das erste Verbindungselement (22) miteinander elektrisch verbunden sind.
Strommessanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Aussparung (17) so ausgestaltet ist, dass der Stromsensor (18) in einer ersten Richtung (100) von der Leiterbahn (16) und der weiteren Leiterbahn (19) gleichweit entfernt in der zweiten Aussparung (17) angeordnet ist, wobei die erste Richtung (100) quer zu einer Ebene der Leiterbahn (16) ist.
Strommessanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die Leiterbahn (16) ein erstes Leiterbahnelement (16a) und ein zweites Leiterbahnelement (16b) aufweist, und - die weitere Leiterbahn (19) ein drittes Leiterbahnelement (19a) und ein viertes Leiterbahnelement (19b) aufweist, - wobei das erste Leiterbahnelement (16a) mit dem dritte Leiterbahnelement (19a) und das zweite Leiterbahnelement (16b) mit dem vierten Leiterbahnelement (19b) elektrisch verbunden ist, - wobei das erste Leiterbahnelement (16a) mit dem zweiten Leiterbahnelement (16b) oder das dritte Leiterbahnelement (19a) mit dem vierten Leiterbahnelement (19b) oder das erste Leiterbahnelement (16a) mit dem vierten Leiterbahnelement (19b) oder das zweite Leiterbahnelement (16a) mit dem dritten Leiterbahnelement (19a) elektrisch verbunden ist, und - wobei das erste Leiterbahnelement (16a) und das zweite Leiterbahnelement (16b) und das dritter Leiterbahnelement (19a) und das vierte Leiterbahnelement (19b) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Strommessanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Leiterbahnelement (16a) und das zweite Leiterbahnelement (16b) in einer ersten Ebene angeordnet sind, und/oder - das dritte Leiterbahnelement (19a) und das vierte Leiterbahnelement (19b) in einer zweiten Ebene angeordnet sind,
Strommessanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ebene und die zweite Ebene zueinander parallel angeordnet sind.
Strommessanordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Leiterbahnelement (16a) und das dritte Leiterbahnelement (19a) die gleichen Ausmaße aufweisen und/oder - das zweite Leiterbahnelement (16b) und das vierte Leiterbahnelement (19b) die gleichen Ausmaße aufweisen, und/oder - das erste Leiterbahnelement (16a) und das zweite Leiterbahnelement (16b) die gleichen Ausmaße aufweisen, und/oder - das dritte Leiterbahnelement (19a) und das vierte Leiterbahnelement (19b) die gleichen Ausmaße aufweisen.
Strommessanordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - das der Stromsensor (18) in der zweiten Aussparung (17) zwischen dem ersten Leiterbahnelement (16a) und dem dritten Leiterbahnelement (16b) angeordnet ist, und - ein weiterer Stromsensor (18) zwischen dem zweiten Leiterbahnelement (16b) und dem vierten Leiterbahnelement (19b) in der zweiten Aussparung (17) angeordnet ist.
Strommessanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abschirmplatte (12) und die zweite Abschirmplatte (13) aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus Blech, sind.
Strommessanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abdeckmaterial (12) und/oder das zweite Abdeckmaterial (13) und/oder das dritte Abdeckmaterial (15) aus einem Harz ausgestaltet sind.