DE10327196A1 - Strom-Sensor - Google Patents

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DE10327196A1
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Jeffrey L. Berkley Viola
William T. Ypsilanti Moore
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Abstract

Die Vorrichtung zur Erfassung von Strom, der durch einen Leiter (12a) fließt, weist eine Vielzahl von bi-direktionalen magnetischen Aufnehmern auf, die die Fähigkeit zur Erfassung kleiner Felder besitzen, die in einer Konfiguration mit Gleichtakt-Unterdrückung um den Leiter (12a) herum angeordnet sind, ohne direkt mit dem Leiter (12a) in Kontakt zu stehen. Entsprechend einer Ausführung der Erfindung wird eine Vielzahl von bi-direktionalen magnetischen Aufnehmern um die Leiterbahn (12a) einer Leiterplatte (12) herum verwendet, ohne dass die Leiterbahn (12a) direkt kontaktiert wird.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Messen, also Durchführung einer Messung und ein Testen, im Besonderen bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zur Messung von elektrischem Strom, ganz speziell bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur sensorischen Messung von elektrischem Strom, der durch einen Leiter einer Leiterplatte geht, ohne dass der Leiter oder die Leiterplatte direkt kontaktiert wird.
  • Strom-Sensoren sind im Allgemeinen unter Fachleuten gut bekannt. Allerdings können solche Sensoren Probleme aufweisen bei der Erfassung von Strom, der durch einen Leiter oder eine Leiterbahn einer Leiterplatte geht, wenn es nicht möglich ist, den Leiter oder die Leiterbahn wegen physikalischer Beschränkungen in Bezug auf den Leiter oder wegen mangelnder physikalischen Zugänglichkeit der Leiterplatte direkt zu kontaktieren. Daher besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung, die den Strom erfasst und diesen Nachteil überwindet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die die vorher genannten Bedürfnisse erfüllt. Die Vorrichtung erfasst einen Strom, der durch einen Leiter geht. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von bidirektionalen magnetischen Aufnehmern auf mit der Fähigkeit, kleine Felder sensorisch zu erfassen, die in einer Konfiguration mit Gleichtakt-Unterdrückung um den Leiter herum angeordnet sind, ohne den Leiter direkt zu kontaktieren. Entsprechend einer Ausführung der Erfindung wird eine Vielzahl von bi-direktionalen magnetischen Aufnehmern um die Leiterbahn einer Leiterplatte herum angeordnet, ohne dass die Leiterbahn direkt kontaktiert wird.
  • Verschiedene Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden für Fachleute klar aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführung, wenn sie im Licht der begleitenden Zeichnung gesehen wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine querschnittliche, perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur sensorischen Erfassung von elektrischem Strom, der durch eine Leiterbahn einer Leiterplatte geht,
  • 2 eine seitliche querschnittliche Ansicht der Vorrichtung, die in 1 dargestellt ist,
  • 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung, die in den 1 und 2 dargestellt ist,
  • 4 eine ausschnittsweise, perspektivische Ansicht einer anderen Ausbildung der Vorrichtung zur sensorischen Erfassung von Strom, der durch eine Leiterbahn einer Leiterplatte geht,
  • 5 eine seitliche, querschnittliche Ansicht der Vorrichtung, die in 4 dargestellt ist,
  • 6 eine Draufsicht auf die Vorrichtung, die in den 4 und 5 dargestellt ist,
  • 7 eine ausschnittsweise, perspektivische Ansicht einer anderen Ausbildung der Vorrichtung zur sensorischen Erfassung von Strom, der durch eine Leiterbahn einer Leiterplatte geht,
  • 8 eine seitliche, querschnittliche Ansicht der Vorrichtung, die in 7 dargestellt ist, und
  • 9 eine seitliche, querschnittliche Ansicht einer anderen Ausbildung der Vorrichtung zur sensorischen Erfassung von Strom, der durch eine Leiterbahn einer Leiterplatte geht.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es wird nun Bezug auf die Zeichnung genommen. In den 1 bis 3 ist eine Vorrichtung 10 auf einer Leiterplatte 12 dargestellt entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 erfasst den Strom, der durch einen Leiter oder eine Leiterbahn 12a der Leiterplatte 12 geht, ohne dass der Leiter oder die Leiterbahn 12a direkt kontaktiert wird. Wenn Strom durch den Leiter oder die Leiterbahn 12a fließt, entsteht und verläuft ein umgebendes magnetisches Feld um den Leiter oder die Leiterbahn 12a herum. Eine Komponente des magnetisches Feldes wird durch die Vorrichtung 10 erfasst und erzeugt ein Ausgangs-Signal, das der Quantität des Stroms entspricht, der durch den Leiter bzw. durch die Leiterbahn 12a fließt.
  • Die Vorrichtung 10 weist eine Vielzahl von magnetischen Aufnehmern auf, die die Fähigkeit besitzen, kleine magnetische Felder zu erfassen. Die magnetischen Aufnehmer sind bi-direktionale, in zwei Richtungen empfindliche Aufnehmer, die positive oder negative Werte entsprechend der Polarität des magnetischen Feldes, das erfasst wird, ausgeben. Die Aufnehmer werden in einer Anordnung um den Strom führenden Leiter oder die Leiterbahn 12a herum eingesetzt und verwendet, die eine Gleichtakt-Unterdrückung bewirkt, um Einflüsse störender magnetischer Felder aus Quellen und Richtungen zu eliminieren, die außerhalb liegen.
  • Die Aufnehmer, die in den 1 bis 3 dargestellt sind, haben die Form eines Paares von gegenüberliegend angeordneten Hall-Sensoren 14, die im Abstand zum Leiter gehalten werden oder auf der Oberfläche 12b der Leiterplatte 12 nahe der Leiterbahn 12a befestigt sind. Die Hall-Sensoren 14 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Leiters oder der Leiterbahn 12a angeordnet. Jeder Hall-Sensor 14 hat eine ebene Oberfläche 14a und eine Empfangs- bzw. Sensoren-Achse 14b, die senkrecht zur ebenen Oberfläche 14a verläuft. Eine Komponente des magnetischen Feldes, das den Leiter oder die Leiterbahn 12 umgibt, wird von jedem Hall-Sensor 14 entlang der Sensoren-Achse 14b erfasst.
  • Die Hall-Sensoren 14 erfassen nur eine Komponente des magnetischen Feldes, das den Leiter oder die Leiterbahn 12 umgibt, in der einen Richtung, die durch die Sensoren-Achse 14b geht. Magnetische Felder in einer Richtung, die nicht entlang der Sensoren-Achse 14b verläuft, werden durch die Hall-Sensoren 14 nicht erfasst.
  • Ein Fluss-Konzentrator kann verwendet werden, um die Flussdichte an den Hall-Sensoren 14 zu erhöhen. Der Fluss-Konzentrator kann ein einzelnes Element sein, wie zum Beispiel der U-förmiger Fluss-Konzentrator 13, der in den 1 bis 3 dargestellt ist, oder ein separates Element (nicht gezeigt) für jeden Hall-Sensor 14. Ein Isolator 15 kann verwendet werden, um den U-förmigen Fluss-Konzentrator 13 in seiner Position zu halten.
  • Jeder Hall-Sensor bzw. jede Hall-Platte 14 erzeugt ein Ausgangs-Signal, das dem magnetischen Feld entspricht, das entlang der Empfangs- bzw. Sensoren-Achse 14b erfasst wird. Die Hall-Sensoren 14 sind so angeordnet, dass die Ausgangssignale der zwei Hall-Sensoren 14, wenn die Ausgangssignale subtrahiert oder aufsummiert werden (abhängig von der Orientierung oder der Erfassungs-Polarität der Hall-Sensoren 14), alle von außen kommenden störenden magnetischen Felder, die von den Hall-Sensoren 14 als Gleichtakt-Signale erfasst werden, unterdrücken. Dementsprechend werden nur gleichförmige (uniformed) magnetische Felder, die durch den Strom, der durch den Leiter oder die Leiterbahn 12a fließt, erzeugt werden, durch die Hall-Sensoren 14 erfasst.
  • Um äußere, störende Gradienten-Felder (z.B. von anderen Komponenten) aus der Messung der Hall-Sensoren 14 herauszunehmen, werden eine oder mehrere Abschirmungen 16 über oder um die Hall-Sensoren 14 herum angeordnet. Die Abschirmung oder die Abschirmungen 16 sollten in ausreichendem Abstand von den Hall-Sensoren 14 angeordnet sein, so dass die Abschirmung oder die Abschirmungen 16 nicht als ein Fluss-Konzentrator wirken. Dies würde in unvorteilhafter Weise das magnetische Feld, das durch die Hall-Sensoren 14 erfasst wird, stören oder verzerren. Die Anordnung der Abschirmung oder der Abschirmungen 16 sollte den maximalen Strom, der durch die Leiterbahn 12a geht, und dadurch den maximalen magnetischen Fluss, der durch den Strom erzeugt wird, berücksichtigen. Fehlerhafte Positionierung der Abschirmung oder der Abschirmungen 16 könnte die Fähigkeit der Hall-Sensoren 14 stören, linear zu arbeiten oder die Wirkung verringern, mit der von außen kommende störende Gradienten-Felder abgeschwächt werden.
  • Eine andere Ausführung der Erfindung ist in den 4 bis 6 dargestellt. Die magnetischen Aufnehmer in dieser Ausführung haben die Form eines Paares von gegenüberliegend angeordneten Magnetfeld-Sensoren (flux gate sensors) 18, die nahe am Leiter oder der Leiterbahn 12a platziert sind. Ähnlich wie die oben beschriebenen Hall-Sensoren sind die Magnetfeld-Sensoren 18 an gegenüberliegenden Seiten des Leiters oder der Leiterbahn 12a platziert. Jeder Magnetfeld-Sensor 18 hat einen magnetischen Kern 20 und eine Spule 22, die um den magnetischen Kern 20 herum gewickelt ist. Der magnetische Kern 20 ist senkrecht orientiert zu der ebenen Oberfläche 12b der Leiterplatte 12. Jeder Magnetfeld-Sensor 18 hat eine Sensoren-Achse 18a, die parallel zum magnetischen Kern 20 läuft oder senkrecht zu der Oberfläche 12b der Leiterplatte 12 verläuft. Eine Komponente des magnetischen Feldes, das den Leiter oder die Leiterbahn 12a umgibt, wird durch jeden Magnetfeld-Sensor 18 entlang der Empfangs- bzw. Sensoren-Achse 18a erfasst und gemessen.
  • Ähnlich den oben beschriebenen Hall-Sensoren 14 erfassen die Magnetfeld-Sensoren 18 nur die Komponente des magnetischen Feldes, das den Leiter oder die Leiter Bahn 12a umgibt, in der einen Richtung entlang der Sensoren-Achse 18a. Magnetische Felder in einer anderen Richtung als derjenigen entlang der Sensoren-Achse 18a werden von den Magnetfeld-Sensoren 18 nicht erfasst.
  • Jeder Magnetfeld Sensor 18 erzeugt ein Ausgangs-Signal, das dem magnetischen Feld entspricht, das entlang der Sensoren-Achse 18a erfasst wird. Die Magnetfeld-Sensoren 18 sind so aufgebaut, dass die Ausgangssignale der zwei Magnetfeld-Sensoren 18, wenn sie subtrahiert oder aufsummiert werden (abhängig von der Orientierung oder der Erfassungs-Polaritäten der Magnetfeld Sensoren 18), die störenden externen magnetischen Felder, die durch die Magnetfeld-Sensoren 18 als ein Gleichtakt-Signal aufgenommen werden, unterdrücken. Als Folge davon werden nur gleichförmige magnetische Felder, die durch den Strom erzeugt werden, der durch den Leiter oder die Leiterbahn 12a fließt, durch die Magnetfeld-Sensoren 18 erfasst.
  • Um störende Gradienten-Felder (z.B. von anderen Komponenten) aus der Messung der Magnetfeld-Sensoren 18 herauszunehmen, werden eine oder mehrere Abschirmungen 16 über oder um die Magnetfeld-Sensoren 18 herum angeordnet. Die Abschirmung oder die Abschirmungen 16 sollten in ausreichendem Abstand von den Magnetfeld-Sensoren 18 angeordnet sein, so dass die Abschirmung oder die Abschirmungen 16 nicht als ein Fluss-Konzentrator wirken. Dies würde in unvorteilhafter Weise das magnetische Feld, das durch die Magnetfeld-Sensoren 18 erfasst wird, stören oder verzerren. Die Anordnung der Abschirmung oder der Abschirmungen 16 sollte den maximalen Strom, der durch die Leiterbahn 12a geht, und dadurch den maximalen magnetischen Fluss, der durch den Strom erzeugt wird, berücksichtigen. Fehlerhafte Positionierung der Abschirmung oder der Abschirmungen 16 könnte die Fähigkeit der Magnetfeld-Sensoren 18 stören, linear zu arbeiten oder die Wirksamkeit verringern, mit der von außen kommende störende Gradienten-Felder abgeschwächt werden.
  • Noch eine weitere Ausführung der Erfindung ist in den 7 und 8 dargestellt. Wie in der unmittelbar vorangehenden Ausführung der Erfindung haben die magnetischen Aufnehmer in dieser Ausführung die Form eines Paares von Magnetfeld-Sensoren (flux gates) 18, die in unmittelbarer Nachbarschaft zum Leiter oder zu der Leiterbahn 12a angeordnet sind. Allerdings sind die Magnetfeld-Sensoren 18 in dieser Ausführung nebeneinander über dem Leiter oder der Leiterbahn 12a angeordnet, und zwar in einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Leiters oder der Leiterbahn 12b verläuft. Anders gesagt befinden sich beide Magnetfeld-Sensoren 18 in der gleichen Ebene und senkrecht zum Leiter oder Leiterbahn 12a. Jeder Magnetfeld-Sensor 18 hat einen magnetischen Kern 20 und eine Spule 22, die um den magneti schen Kern 20 herum gewickelt ist. Der magnetische Kern 20 ist parallel zur ebenen Oberfläche 12b der Leiterplatte 12 orientiert. Jeder Magnetfeld-Sensor 18 hat eine Sensoren- bzw. Empfangs-Achse 18a, die parallel zum magnetischen Kern 20 ist und deswegen parallel zu der ebenen Oberfläche 12b der Leiterplatte 12 verläuft. Eine Komponente des magnetischen Feldes um den Leiter oder die Leiterbahn 12a herum wird von jedem Magnetfeld-Sensor 18 in der Sensoren- bzw. Empfangs-Achse 18a aufgenommen.
  • Ähnlich den oben beschriebenen Magnetfeld-Sensoren 18 erfassen diese Magnetfeld Sensoren 18 nur eine Komponente des magnetischen Feldes, das den Leiter oder die Leiterbahn 12a umgibt, und das in Richtung der Sensoren-Achse 18a verläuft. Magnetische Felder in einer anderen Richtung als der entlang der Sensoren-Achse 18a werden durch die Magnetfeld-Sensoren 18 nicht erfasst.
  • Jeder Magnetfeld Sensor 18 erzeugt ein Ausgangs-Signal, das dem magnetischen Feld entspricht, das in Richtung der Sensoren-Achse bzw. Empfangs-Achse 18a erfasst wird, in einer gewichteten Summe oder Subtraktion entsprechend der Differenz im Abstand von der Leiterbahn 12a. Die Magnetfeld-Sensoren 18 sind so angeordnet, dass das Ausgangssignal der zwei Magnetfeld-Sensoren 18, wenn es aufsummiert oder subtrahiert wird (abhängig von der Orientierung oder den Erfassungs-Polaritäten der Magnetfeld Sensoren 18), von außerhalb kommende störende magnetische Felder, die durch die Magnetfeld-Sensoren 18 als ein Gleichtakt-Signal aufgenommen werden, unterdrückt. Als Folge davon werden nur die gleichförmigen magnetischen Felder, die durch den Strom, der durch den Leiter oder die Leiterbahn 12a fließt, erzeugt werden, von den Magnetfeld-Sensoren 18 aufgenommen.
  • Um störende externe Gradienten-Felder aus der Messung der Magnetfeld-Sensoren 18 herauszunehmen, werden eine oder mehrere Abschirmungen (nicht dargestellt) über oder um die Magnetfeld-Sensoren 18 herum ange ordnet. Die Abschirmung oder die Abschirmungen sollten in ausreichendem Abstand von den Magnetfeld-Sensoren 18 angeordnet sein, so dass die Abschirmung oder die Abschirmungen nicht als ein Fluss-Konzentrator wirken. Dies würde in unvorteilhafter Weise das magnetische Feld, das durch die Magnetfeld-Sensoren 18 erfasst wird, stören oder verzerren. Die Anordnung der Abschirmung oder der Abschirmungen sollte den maximalen Strom, der durch die Leiterbahn 12a geht, und dadurch den maximalen magnetischen Fluss, der durch den Strom erzeugt wird, berücksichtigen. Fehlerhafte Positionierung der Abschirmung oder der Abschirmungen könnte die Fähigkeit der Magnetfeld-Sensoren 18 stören, linear zu arbeiten oder die Wirksamkeit verringern, mit der von außen kommende störende Gradienten-Felder abgeschwächt werden.
  • Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in 9 dargestellt. Diese Ausführung ist ähnlich derjenigen, die in 7 und 8 dargestellt ist und unmittelbar vorangehend beschrieben wurde. So wie in der unmittelbar vorangehenden Ausführung der Erfindung haben die magnetischen Aufnehmer in dieser Ausführung die Form eines Paares von Magnetfeld-Sensoren 18, die nahe am Leiter oder der Leiterbahn 12a angeordnet sind. Allerdings sind die Magnetfeld-Sensoren 18 in dieser Ausführung in gleichem Abstand über und unter dem Leiter oder der Leiterbahn 12a angeordnet.
  • Strom-Sensoren entsprechend der vorliegenden Erfindung erfassen einen Strom direkt vom Leiter oder von der Leiterbahn auf der Leiterplatte, ohne den Leiter oder die Leiterbahn zu unterbrechen oder aufzutrennen. Außerdem umschließen die Strom-Sensoren den Leiter oder die Leiterbahn nicht vollständig und sind deswegen leicht zu installieren. Durch den Gebrauch von magnetischen Aufnehmern in einer Konfiguration mit Gleichtakt-Unterdrückung und außerdem durch die Anordnung von einer oder mehreren Abschirmungen über den magnetischen Aufnehmern wird die Störung durch andere magnetische Felder von störenden Quellen und Richtungen unterdrückt.
  • Die vorliegende Erfindung soll in ihrem Geltungsumfang nicht auf die beschriebenen Ausbildungen der magnetischen Aufnehmer beschränkt sein. Sie kann vielmehr auch ausgeführt werden mit anderen geeigneten Aufnehmern, die den Leiter oder die Leiterbahn einer Leiterplatte unterbrechen oder (längs) auftrennen.
  • Die prinzipielle Wirkungsweise und die Betriebsweise dieser Erfindung sind erklärt und dargestellt in ihrer bevorzugten Ausführung. Dies ist allerdings so zu verstehen, dass diese Erfindung auch in anderer Weise als spezifisch erklärt und illustriert durchgeführt werden kann, ohne vom Geist oder Umfang dieser Erfindung abzugehen.

Claims (7)

  1. Eine Vorrichtung zur sensorischen Erfassung von Strom, der durch einen Leiter (12a) geht, weist auf: eine Vielzahl von bi-direktionalen, magnetischen Aufnehmern mit der Fähigkeit zur Erfassung kleiner magnetischer Felder, die in einer Konfiguration mit Gleichtakt-Unterdrückung eingesetzt und um den Leiter (12a) herum angeordnet sind, ohne direkt mit dem Leiter (12a) in Verbindung zu stehen.
  2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 in Kombination mit einer Leiterplatte (12), die eine Leiterbahn (12a) aufweist, und mit einer Vielzahl von bi-direktionalen, magnetischen Aufnehmern mit der Fähigkeit zur Erfassung kleiner Felder, die in einer Konfiguration mit Gleichtakt-Unterdrückung verwendet werden, und um die Leiterbahn (12a) herum angeordnet sind, ohne direkt mit der Leiterbahn (12a) in Verbindung zu stehen.
  3. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Aufnehmer jeweils durch eine Paar von gegenüberliegend angeordneten Hall-Sensoren (14) gebildet sind, die auf der Leiterplatte (12) in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Leiterbahn (12a) befestigt sind, und dass jeder der Hall-Sensoren (14) eine ebene Oberfläche (14a) und eine Sensoren-Achse (14b) hat, die senkrecht zu der ebenen Oberfläche (14a) verläuft.
  4. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin mindestens einen Fluss-Konzentrator (13) aufweist, der jeweils so angeordnet ist, dass die Flussdichte an den Hall-Sensoren (14) erhöht wird.
  5. Die Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Fluss-Konzentrator (13) ein einzelnes U-förmiges Element ist.
  6. Die Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnehmer jeweils durch ein Paar von diametral gegenüberliegend angeordneten Magnetfeld-Sensoren gebildet sind, die in Nähe der Leiterbahn (12a) angeordnet sind.
  7. Die Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnehmer jeweils durch Magnetfeld-Sensoren gebildet sind, die über der Leiterbahn (12a) angeordnet sind, dass die Magnetfeld-Sensoren nebeneinander angeordnet sind und sich in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zu der Längsachse der Leiterbahn (12a) verläuft, befinden, dass jeder der Magnetfeld-Sensoren einen magnetischen Kern (20) und eine Spule (22) hat, die um den magnetischen Kern (20) herum gewickelt ist, dass der magnetische Kern (20) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte (12) orientiert ist und eine Sensoren-Achse (18a) besitzt, die pa rallel zum magnetischen Kern (20) und deswegen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte (12) verläuft.
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