DE10243645A1

DE10243645A1 - Frequenzunabhängige galvanisch getrennte Strommessung

Info

Publication number: DE10243645A1
Application number: DE2002143645
Authority: DE
Inventors: Thomas Kerdraon; Peter Cisar; Manfred Busch
Original assignee: SSG SEMICONDUCTOR SYSTEMS GmbH
Current assignee: SSG SEMICONDUCTOR SYSTEMS GmbH
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: DE10243645B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines einen elektrischen Leiter durchfließenden Stromes mit einem magnetischen Sensor zur Messung des magnetisches Feldes, das durch den den Leiter durchfließenden Strom erzeugt wird. Es besteht hierbei insbesondere die Aufgabe, eine Messvorrichtung zu schaffen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist, bei der die Messungenauigkeiten durch Lagetoleranzen des Sensor vermieden werden, die einfache Leitergeometrien benötigt und die Skin-Effekte kompensiert und daher keinen geometrieabhängigen Frequenzgang bei der Messung von Wechselströmen besitzt. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht insbesondere darin, dass der magnetfeldempfindliche Sensor im Fernfeld außerhalb zweier parallel verlaufender Leiter angeordnet wird und von dem von den Leitern erzeugten Magnetfeld in seiner Wirkrichtung durchsetzt wird. Hierbei wird der Sensor oberhalb beziehungsweise unterhalb der parallelen Leiter positioniert. Eine zweite Variante sieht die Nutzung nur eines Leiters vor.

Description

Stand der Technik
Man kennt bereits als Strom-Messvorrichtung eine Stromzange, mit der das von einem elektrischen Wechselstrom erzeugte Magnetfeld induktiv erfasst und daraus indirekt die Stromstärke ermittelt wird. Ein Nachteil dieser Stromzange besteht vor allem darin, dass sie nicht zum Messen von Gleichströmen geeignet ist. Außerdem ist sie insbesondere wegen der zur induktiven Kopplung benötigten Spule vergleichsweise aufwendig und teuer.
Aus der DE-OS 44 10 180 A1 ist eine Messvorrichtung bekannt, bei der ein magnetischer Sensor in einem IC-Gehäuse auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Das IC-Gehäuse weist zwei äußere Anschlussstellen für den zu messenden Strom auf, die innerhalb des IC-Gehäuses über einen Leiter elektrisch miteinander verbunden sind. Der Leiter ist im Bereich des Sensors geführt, so dass der Sensor das durch den, den Leiter durchfließenden Strom erzeugte Magnetfeld erfassen kann. Dabei ist jedoch nachteilig, dass der Sensor bei der Herstellung der Messvorrichtung sehr genau ausgereichtet werden muss um Messungenauigkeiten durch Lagetoleranzen des Sensors im magnetischen Feld zu vermeiden.
Aus DE 199 98 652.4 ist eine Messvorrichtung bekannt, die sowohl Gleich- als auch Wechselströme messen kann, indem in einem geschlitzten Leiter einer oder vorzugsweise zwei Sensoren zur Differenzbildung positioniert werden. Vorteilig ist bei der Differenzanordnung die minimale Störanfälligkeit gegen externe Störfelder, wie sie zum Beispiel durch benachbarte Leiter hervorgerufen werden sowie die großen Positioniertoleranzen der Sensoren. Nachteilig ist jedoch der Sachverhalt, dass, um genügend hohe Flussdichten zu erzeugen, sehr große Ströme erforderlich sind, so dass die Messvorrichtung zur Messung von kleineren Strömen nicht geeignet ist. Zudem besitzt die Messvorrichtung einen geometrieabhängigen Frequenzgang.
Ziel und Realisierung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines einen elktrischen Leiter durchfließenden Stromes mit einem magnetischen Sensor zur Messung des magnetischen Feldes, das durch den, den Leiter durchfließenden Strom erzeugt wird. Es besteht hierbei insbesondere die Aufgabe, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist, bei der die Messungenauigkeiten durch Lagetoleranzen des Sensors vermieden werden, die in der Lage ist auch kleinere Ströme zu messen und die keinen geometrieabhängigen Frequenzgang bei der Messung von Wechselströmen besitzt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht insbesondere darin, dass der magnetfeldempfindliche Sensor in Wirkrichtung außerhalb zweier vorzugsweise parallel verlaufenden Leiter in Wirkrichtung quer zu den Leitern angeordnet wird. Hierbei wird der Sensor oberhalb beziehungsweise unterhalb der parallelen Leiter positioniert.
Bei einem Stromfluss in dem Leiter bildet sich zwischen den beiden Leitern durch Überlagerung der die beiden Leiterzweige umgebenden Magnetfelder ein resultierendes Magnetfeld aus, das in zwei Messfeldebenen jeweils homogen ist, in Richtung einer Normalen auf die Messfeldebenen bei Gleichstrom und niederigen Frequenzen im wesentlichen linear verläuft und eine Vorzeichenumkehr erfährt. Bei höheren Frequenzen bildet sich im Bereich der Vorzeichenumkehr ein Plateau aus. Oberhalb und unterhalb der parallelen Leiter befindet sich ein Bereich, der frequenzunabhängig vom Messstrom, von allen resultierenden Magnetfeldern durchflossen wird. In diesem Bereich wird der Sensor in Detektionsrichtung positioniert. Das Ausgangssignal des Sensors ist proportional zu dem den Leiter durchfließenden Strom. Insbesondere bei großen Hallelement-Flächen können durch die integrale Wirkung des Hall-Effekts ausreichend große Positionstoleranzen erzielt werden. Durch die besondere Anordnung der Sensoren gelingt es Meßungenauigkeiten, bedingt durch verschiedene Messfrequenzen, zumindest zu reduzieren Ferner bewirken die Ströme durch die Positionierung der Sensoren im Feldmaximum hohe Messfelder, so dass auch kleine Ströme gemessen werden können. Zudem wird nur ein Sensor benötigt.
Die Detektionsrichtung eines Sensors ist jeweils die Richtung, in die ein Sensor innerhalb eines Megnetfeldes ausgerichtet ist, um bei einer jeweiligen magnetischen Feldstärke ein größtmögliches Messsignal zu erhalten.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass bei störfeldkritischen Applikationen je ein Sensor, die oberhalb beziehungsweise unterhalb der Teilleiter positioniert sind, zur Messung verwendet wird. Auch hier ist das subtraktiv verknüpfte Ausgangssignal der beiden Sensoren proportional zu dem den Leiter durchfließenden Strom. Es ist zweckmäßig, wenn die beiden Leiter flach ausgebildet werden, so dass integrierte Differenzfeldsensoren verwendet werden können.
Das Magnetfeld zwischen den beiden Leitern ist insbesondere dann homogen, wenn die einander zugewandten Innenseiten der Leiterzweige parallel zueinander angeordnete ebene Oberflächenbereiche aufweisen und die Sensoren außerhalb und unterhalb des von diesen Oberflächenbereichen gebildeten seitlich begrenzten Raumes positioniert werden.
Es kann zweckmäßig sein die Sensoren nachträglich an einem bereits vorhandenen Leiter zu positionieren. Zu diesem Zweck wird in dem Leiter Eine Bohrung bzw. Fräsung vorgenommen, so dass im wesentlichen zwei parallele Leiter entstehen. Kostenintensive Bauelemente zur Bildung des Leiters sind nicht erforderlich.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Querschnitt der beiden Leiter im Bereich der Sensoren den gleichen Querschnitt, insbesondere die gleiche Querschnittsform, aufweisen. Die beiden Leiterzweige besitzen hierbei den gleichen ohmschen Widerstand und werden daher von gleich großen Teilströmen durchflossen.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Sensoren Hallelemente sind. Die Ausgangsspannung ist proportional zu dem zu messenden Strom. Anhand der Polarität kann zudem die Richtung des den Leiter durchfließenden Stromes ermittelt werden.
Es kann vorteilhaft sein digitale Sensoren zu verwenden, um dem Messwert mit einem Referenzwert zu vergleichen. Bei Überschreitung des Messwertes wird der Stromfluss durch den Leiter unterbrochen, wodurch eine Stromschwellenschalter nachgebildet werden kann.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messvorrichtung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt die schematische Darstellung:
1 eine Messvorrichtung mit einem Sensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz der Feldkomponenten mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes in Richtung einer Normalen (Y-Komponente), wobei zur Verdeutlichung die beiden Teilleiter gestrichelt eingezeichnet sind.
2 eine Messvorrichtung mit zwei als Differenzglied gebildeten Messsensoren mit zugehörigem Koordinatenkreuz der Feldkomponenten mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes in Richtung einer Normalen (Y-Komponente), wobei zur Verdeutlichung die beiden Teilleiter gestrichelt eingezeichnet sind.
Der in 1 im ganzen mit 1 bezeichnete Leiter wird von einem Strom Iges durchflossen und teilt sich im Bereich 2 und 3 in zwei Teilströme auf, die um die beiden Teilleiter 2 und 3 ein zum Teilstromfluss proportionales Magnetfelds erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung resultierende Feld wird durch den Sensor 4 gemessen. Die beiden Teilleiter 2 und 3 sind parallel zueinander angeordnet. Die beiden zueinander angeordneten ebenen Flächen 6 und 7 der Teilleiter 2 und 3 bilden einen seitlich begrenzten Raum 15. Der Sensor ist hierbei oberhalb oder unterhalb dieses seitlich begrenzten Raumes positioniert. Die Z- und X-Feldkomponenten des Magnetfeldes sind homogen. Die dargestellte Y-Komponente 8 zeigt die Abhängigkeit des Feldverlaufes von der Frequenz. Die mit 9 gekennzeichnte Kennlinie zeigt einen Gleichstrom; die mit 10 gekennzeichnete Kennlinie eine mittlere Frequenz und die mit 11 gekennzeichnete Kennlinie eine hohe Frequenz. Alle Kennlinien haben gemeinsam, dass sie zwei Punkte 12 und 13, die außerhalb des durch die gegenüberliegenden Teilleiter seitlich begrenzten Raumes liegen, durchlaufen. Die Sensoren sind so anzuordnen, dass das aktive Sensorelement in einem der Punkte in Wirkrichtung positioniert wird. Hierdurch wird eine Frequenzunabhängigkeit des Messsignals erzielt. Zudem wird ein großes Magnetfeld erzeugt, so dass auch kleinere Ströme gemessen werden können.
Der in 2 im ganzen mit 1 bezeichnete Leiter wird von einem Strom Iges durchflossen und teilt sich im Bereich 2 und 3 in zwei Teilströme auf, die um die beiden Teilleiter 2 und 3 ein zum Teilstromfluss proportionales Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung resultierende Feld wird durch die Sensoren 4 und 14 gemessen. Die beiden Teilleiter 2 und 3 sind parallel zueinander angeordnet. Die beiden zueinander angeordneten ebenen Flächen 6 und 7 der Teilleiter 2 und 3 bilden einen seitlich begrenzten Raum 15. Die Sensoren 4 und 14 sind hierbei oberhalb und unterhalb dieses seitlich begrenzten Raumes zu positionieren. Die Z- und X-Feldkomponenten des magnetfelds sind homogen. Die dargestellte Y-Komponente 8 zeigt die Abhängigkeit des Feldverlaufes von der Frequenz. Die mit 9 gekennzeichnete Kennlinie zeigt einen Gleichstrom; die mit 10 gekennzeichnete Kennlinie eine mittlere Frequenz und die mit 11 gekennzeichnete Kennlinie eine hohe Frequenz. Alle Kennlinien haben gemeinsam, dass sie zwei Punkte 12 und 13, die außerhalb des durch die gegenüberliegenden Teilleiter seitlich begrenzten Raumes liegen, durchlaufen. Die Sensoren sind so anzuordnen, dass der erste Sensor 4 im ersten Punkt 12, der zweite Sensor 14 im zweiten Punkt 13 in Wirkrichtung positioniert wird. Hierdurch wird eine Frequenzunabhängigkeit des Messsignals erzielt. Zudem wird ein großes Magnetfeld erzeugt, so dass auch kleinere Ströme gemessen werden können. Zur Auswertung werden die Ausgangssignale der Sensoren subtraktiv verknüpft (hier nicht dargestellt), wodurch eine hohe Störfeldresistenz erzielt wird.

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung eines einen ekektrischen Leiter (1) durchfließenden Stromes (Iges) mit einem magnetfeldempfindlichen Sensor (4) zur Messung des magnetischesn Feldes, das durch den den Leiter (1) durchfließenden Strom (Iges) erzeugt wird, wobei der Sensor (4) unterhalb oder oberhalb eines Raumes (15) zwischen zwei quer zur Stromrichtung (PF1 und PF2) voneinander beabstandeten, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Leiterzweigen (2 und 3) des stromführenden Leiters (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb oder unterhalb des Raumes (15) ein magnetfeldempfindlicher Sensor (4) mit seiner Detektionsrichtung quer zur X-Feldkomponente angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor in einem der Punkte (12 oder 13) der frequenzabhängigen Magnetfeldkennlinien positioniert wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Innenseiten der Leiterzweige (6 und 7) im wesentlichen parallel verlaufen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oberhalb oder unterhalb eines in einem Leiter sich quer zur Stromrichtung erstreckenden Durchbruchs positioniert wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch schlitzartig ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterzweige (2 und 3) im wesentlichen den gleichen Querschnitt insbesondere die gleiche Querschnittsform und Ausrichtung aufweisen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung besserer Entstöreigenschaften je ein Sensor (4) oberhalb und ein Sensor (14) unterhalb des Durchbruchs in beiden Punkten (12 und 13) der frequenzabhängigen Magnetfeldkennlinien positioniert wird und eine subtraktive Auswertung der Ausgangssignale erfolgt.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4 und/oder 14) magnetoresistive Sensoren sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4 und/oder 14) Hallelemente sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4 und/oder 14) einen linearen Ausgang besitzen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4 und/oder 14) einen digitalen Ausgang besitzen.