-
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.