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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für elektrischen
Strom, insbesondere auf einen Sensor für elektrischen Strom mit einer
Sekundärspule.
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Stromsensoren
mit geschlossenem Regelkreis für
die Messung eines elektrischen Stromes, der in einem Primärleiter
fliesst, sind mit einer Sekundärspule
versehen, wobei die Messung des Primärstromes durch die Messung
des Kompensationsstromes erfolgt, der in die Sekundärspule eingespeist wird,
um das induzierte Magnetfeld aufzuheben. Die Höhe des an die Sekundärspule anzulegenden
Kompensationsstromes wird durch einen Magnetfeldsensor wie zum Beispiel
einen Hall-Sensor oder einen Fluxgate-Sensor bestimmt, die in einem
Luftspalt eines Magnetkreises angeordnet sind. Es ist bekannt, die
Sekundärspule
und den Magnetfeldsensor mit einer gedruckten Leiterplatte zu verbinden,
die weitere elektronische Komponenten für die Signalverarbeitung umfasst.
Es ist weiter bekannt, die Primärleiter in
der Gestalt U-förmiger
Leiter anzubieten, die einen Zweig des Magnetkreises umgeben und
Kontaktenden zur Verbindung mit einer gedruckten Leiterplatte besitzen,
wie im
US-Patent Nr. 5 004 974 beschrieben.
Die eben beschriebene Anordnung der Primärleiter erweitert den Anwendungsbereich
des Sensors, da die Anzahl der Windungen des Primärleiters um
den Magnetkreis herum leicht von einem Sensor zum anderen modifiziert
werden kann, indem die U-förmigen
Nadelwindungen auf der Leiterplatte in geeigneter Weise untereinander
verbunden werden.
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Der
im vorerwähnten
Patent beschriebene elektrische Stromsensor ist zuverlässig, leistungsfähig und
vielseitig und bildet des Weiteren eine kompakte Einheit. Der Zusammenbau
und die gegenseitige Verbindung seiner verschiedenen Komponenten machen
seine Herstellung aber insbesondere im Industriemassstab in grossen
Fertigungszahlen recht zeitaufwändig
und teuer. Weiter wäre
es von Vorteil, den Anwendungsbereich und das dynamische Verhalten
eines Sensors des zuvor erwähnten
Typs weiter zu verbreitern, während
die Einheit so kompakt wie möglich
gehalten wird.
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Angesichts
des Gesagten besteht ein Ziel dieser Erfindung darin, einen elektrischen
Stromsensor mit Sekundärspule
und integrierten Primärleitern zur
Verfügung
zu stellen, der kompakt und in der Herstellung wirtschaftlich ist.
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Es
ist ein weiteres Ziel, einen Sensor mit geschlossenem Regelkreis
zur Verfügung
zu stellen, der vielseitig ist und der insbesondere Ströme über einen
grossen Bereich messen kann und ein gutes dynamisches Verhalten
besitzt.
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Ziele
dieser Erfindung sind erreicht worden, indem der elektrische Stromsensor
nach Anspruch 1 zur Verfügung
gestellt wurde.
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Hier
wird ein Sensor für
elektrischen Strom mit einem magnetischen Kreis mit Luftspalt, einem
im Luftspalt positionierten Magnetfeldsensor und einer einen Zweig
des magnetischen Kreises umgebenden Sekundärspule offenbart, wobei der
magnetische Kreis zumindest zwei zusammengefügte Abschnitte umfasst, je
ein Zweiganteil jedes Abschnitts in axialer Richtung und einander überlappend
in einen zentralen Hohlraum der Sekundärspulengruppe einsetzbar aufgenommen
wird und der Luftspalt zwischen den überlappenden Zweigabschnitten
angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor wird daher im Wesentlichen
parallel zu den überlappenden
Zweigabschnitten des magnetischen Kreises in den Luftspalt einsetzbar
aufgenommen.
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Vorteilhafterweise
kann der Stromsensor gemäss
dieser Erfindung wegen des leichten Zusammenfügens der Magnetkreisabschnitte
mit dem Sekundärkreis
und des Magnetfeldsensors im Luftspalt sehr wirtschaftlich, automatisch
und schnell zusammengebaut werden.
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Die
Sekundärspulengruppe
kann vorteilhaft mit einer Spule versehen sein, die auf ein Sekundärspulengehäuse aufgewickelt
ist, das die Spule hält und
den zentralen Hohlraum definiert, in den die Zweigabschnitte des
Magnetkreises eingesetzt werden. Das Sekundärspulengehäuse umfasst Führungs-
und Positioniermittel, um die jeweiligen Zweigabschnitte zu positionieren
und den Luftspalt dazwischen festzulegen. Das Sekundärspulengehäuse kann
weiter mit gestanzten und geformten Kontakten versehen sein, die
mit den Enden der Sekundärspule verbunden
und integral darin verspritzt sind und Kontaktenden für eine Verbindung
mit einer gedruckten Leiterplatte des Stromsensors besitzen. Das
Sekundärspulengehäuse kann
auch mit einem Hohlraum oder anderen Befestigungsmitteln versehen
sein, in die die Zweige des magnetischen Kreises, die dem mit einem
Luftspalt versehenen Zweig gegenüber
liegen, eingesetzt und zusammen gehalten werden.
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Der
magnetische Kreis kann vorteilhaft aus einem magnetisch durchlässigen metallischen
Blechstreifen bestehen, der ausgestanzt und aus der Blechebene heraus verbogen
wurde, um die Zweige des magnetischen Kreises zu bilden. Einer der
Abschnitte des magnetischen Kreises kann vorteilhaft an einem seiner
Enden einen Stiftkontakt zum Anschluss an die Leiterplatte des Stromsensors
umfassen. Der Stiftkontakt steht vorteilhafterweise in der gleichen Richtung
hervor wie die Anschlüsse
der Sekundärspulengruppe,
so dass der Sekundärkreis
in einem einzigen Arbeitsgang in axialer Richtung in die Anschlüsse gesteckt
werden kann. Der Magnetfelddetektor, der auf die gedruckte Leiterplatte
montiert ist, kann gleichzeitig in den Luftspalt eingesetzt werden. Die
elektrische Verbindung des magnetischen Kreises mit der gedruckten
Leiterplatte liefert eine Erdung, um jegliche Ansammlung von kapazitiver
Ladung im magnetischen Kreis zu vermeiden, sowie möglicherweise
auch eine zusätzliche
mechanische Verbindung.
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Das
Gehäuse
der Sekundärspulengruppe kann
vorteilhaft Stifte oder andere Befestigungsmittel für eine sichere
Befestigung an der gedruckten Leiterplatte besitzen, die mit komplementären Löchern oder
anderen Befestigungsmitteln versehen ist.
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Der
elektrische Stromsensor kann vorteilhaft weitere U-förmige Primärleiterabschnitte
umfassen, die aus Metallblech ausgestanzt und geformt und in einem
Deckelteil des Gehäuses
teilweise überspritzt sind.
Durch das Überspritzen
der Primärleiterabschnitte
im Deckelteil können
die Leiterabschnitte gegenseitig genau positioniert und durch Anklemmen, Bonden,
Schweissen oder andere Mittel an einem anderen, daran angefügten Gehäuseabschnitt
automatisch um einen Zweig des magnetischen Kreises herum zusammengefügt werden,
wenn der Deckelteil zusammengebaut wird. Der Deckelteil liefert vorteilhaft
auch die erforderliche elektrische Isolation zwischen den Primärleitern
und den anderen Leitern im Sensor, insbesondere der Sekundärspule und dem
magnetischen Kreis, die sich auf einem anderen Spannungsniveau befinden.
Die Sekundärspulengruppe,
der magnetische Kreis, der Magnetfelddetektor und die Leiterplatte
können
völlig
in zwei Gehäuseabschnitten,
die zusammengeklemmt werden, aufgenommen und darin positioniert
werden. Einer der Gehäuseabschnitte
kann vorteilhaft eine integral gespitzte Gelenkklappe umfassen,
die während
des Herstellungsprozesses zum Zweck von Tests den Zugang zur Leiterplatte
erlaubt, wobei die Klappe durch Klemmen oder Schweissen oder anderweitig verschlossen
werden kann, nachdem die Tests abgeschlossen sind.
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Die
U-förmigen
Primärleiterabschnitte
können
zueinander benachbart, aber versetzt angeordnet werden, um den Abstand
zwischen benachbarten Kontakten zu vergrössern, wodurch eine kompaktere Auslegung
der Primärleiterkontakte
zur Verbindung mit einer komplementären Leiterplatte ermöglicht wird.
Dadurch wird auch ermöglicht,
eine grössere Anzahl
von U-förmigen
Leiterabschnitten im Sensorgehäuse
anzubringen, wodurch die mögliche
Anzahl von Primärleiterwindungen
vergrössert
und dadurch der Anwendungsbereich des Sensors erweitert wird, während eine
sehr kompakte Gesamtkonfiguration beibehalten wird.
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Weitere
Ziele und vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden aus den Ansprüchen, der
folgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervorgehen, in denen:
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1 eine
auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines Stromsensors
gemäss
dieser Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittsansicht durch den Stromsensor von 1 ist;
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3a eine
perspektivische, teilgeschnittene Ansicht des Sensors mit weggenommenen
Gehäuseabschnitten
ist;
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3b eine
perspektivische Ansicht einer Sekundärspulengruppe des Sensors gemäss dieser Erfindung
ist;
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3c eine
perspektivische Ansicht eines magnetischen Kreises ist, der auf
eine gedruckte Leiterplatte des Sensors gemäss dieser Erfindung montiert
ist;
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4a und 4b quer
geschnittene Ansichten durch Ausführungsformen eines Gehäusedeckelabschnitts
des Stromsensors gemäss
dieser Erfindung sind, wobei 4a die überspritzten
Leiterkontakte und 4b in Hohlräume des Gehäusedeckelabschnitts eingesetzte
Leiterabschnitte zeigt;
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5a eine
perspektivische Ansicht einer Variante einer Anordnung von U-förmigen Primärleiterabschnitten ist, die
in einem Sensor gemäss
dieser Erfindung implementiert werden kann;
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5b eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Variante einer Anordnung
von U-förmigen Primärleiterabschnitten
ist, die in einem Sensor gemäss
dieser Erfindung implementiert werden kann; und
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6 eine
Querschnittsansicht ist, die einen magnetischen Kreis und eine Variante
eines magnetischen Kreises des Sensors gemäss dieser Erfindung zeigt.
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Auf
die Figuren Bezug nehmend, umfasst ein Sensor 2 für elektrischen
Strom ein Gehäuse 4 mit
einem Deckelteil 6 und einem Boden 8, eine Sekundärspulengruppe 10 mit
einer auf ein Sekundärspulengehäuse 14 gewickelten
Sekundärspule 12,
einen magnetischen Kreis 16 mit einem ersten und zweiten getrennten
Abschnitt 18, 20, einen Magnetfelddetektor 22 und
eine Signalverarbeitungsschaltung 24 mit einer gedruckten
Leiterplatte 26, auf die der Magnetfelddetektor sowie weitere
elektronische Komponenten für
die Steuerung des an die Sekundärspule
angelegten Stromes und für
die Verarbeitung des Messsignals montiert sind.
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Der
Sensor kann weiter U-förmige
Primärleiterabschnitte 28 umfassen,
die um einen Abschnitt des magnetischen Kreises herum montiert sind,
der in dieser Ausführungsform
ein im Wesentlichen rechteckiger Zweig des magnetischen Kreises
ist. Ein Magnetfeld wird durch den zu messenden Strom im magnetischen
Kreis erzeugt und durch den Magnetfelddetektor erfasst, der in einem
Luftspalt 30 des magnetischen Kreises angeordnet ist. Die
Signalverarbeitungsschaltung 24 sucht das durch den Magnetfelddetektor
erkannte Magnetfeld aufzuheben, indem sie einen Kompensationsstrom
an die Sekundärspule 12 anlegt,
der ein Magnetfeld von im Wesentlichen der gleichen Grösse wie
die eines durch die Primärleiter
erzeugten Magnetfeldes, aber in einer dazu umgekehrten Richtung
erzeugt. Dies ist das Funktionsprinzip von Sensoren vom sogenannten
Typ des geschlossenen Regelkreises, die an sich fachbekannt sind.
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Der
Magnetfelddetektor 22 kann ein Hall-Detektor sein, der
angesichts seiner relativ geringen Kosten und seiner zuverlässigen,
genauen Leistung in Stromsensoren weite Verbreitung findet. Im Rahmen
der vorliegenden Erfindung können
aber auch andere Magnetfelddetektoren implementiert werden.
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform des elektrischen
Stromsensors ist dafür
ausgelegt, auf eine gedruckte Leiterplatte einer (nicht gezeigten)
externen Vorrichtung oder Apparatur, die einen Strommesssensor brauchen,
montiert und elektrisch daran angeschlossen zu werden. Die Leiterplatte
der externen Apparatur kann mit Strombahnen oder anderen leitenden
Teilen versehen sein, um die U-förmigen Leiter
des elektrischen Stromsensors in unterschiedlichen Konfigurationen
anzuschliessen und um den magnetischen Kreis herum eine bzw. eine
gewählte Anzahl
solcher Primärwindungen
zu schaffen. Dadurch kann der elektrische Stromsensor für unterschiedliche
Betriebsbereiche konfiguriert werden, was an sich fachbekannt ist.
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In
der vorliegenden Erfindung werden die U-förmigen Primärleiterabschnitte 28 vorteilhaft
direkt im Deckelteil 6 befestigt, der auch dazu dient,
die gedruckte Leiterplatte, den magnetischen Kreis und die Sekundärspulengruppe
durch Befestigung am komplementären
Bodenteil 8 einzuschliessen und darin zu schützen. Der
Bodenteil 8 kann mit verschiedenen Positionier- und Führungsmitteln
versehen sein, um die Sekundärspulengruppe 10,
den magnetischen Kreis 16 und die gedruckte Leiterplatte 26 aufzunehmen
und zu positionieren, die im Voraus zusammengefügt werden, um wie in 3a gezeigt eine
Einheit zu bilden. Die in 3a gezeigte
Einheit kann somit im Bodenteil 8 montiert werden, indem sie,
wie in 1 gezeigt, in Richtung V eingesetzt und danach
der Deckelteil 6 mit den Primärleiterabschnitten 28 über den
Bodenteil 8 geklemmt wird. Wie in 4a gezeigt,
können
die Leiterabschnitte 28 vorteilhaft am Deckelteil befestigt
werden, indem ein Abschnitt der Leiterabschnitte überspritzt
wird. Wechselweise können
die Leiterabschnitte 28 in entsprechende Hohlräume im Deckelteil 6a, 6b eingesetzt
werden. Die gespritzten Gehäuseteile 6, 8 können vorteilhaft
mit komplementären
Befestigungsmitteln in der Gestalt von Klipps und komplementären Einrastrippen 32, 33 versehen
sein, aber sie könnten auch
durch andere Mittel wie Ultraschallschweissen verbunden werden,
um die Herstellungsschritte zu automatisieren.
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Das
Sensorgehäuse
umfasst vorteilhaft eine verschliessbare Klappe 34, die
gelenkig an einem der Gehäuseteile
angebracht ist, in dieser Ausführungsform
am Bodenteil 8. Die Klappe 34 it angrenzend an die
Leiterplatte 24 positioniert und ermöglicht daher einen Zugriff
auf die Aussenseite 36 der Leiterplatte für Prüfzwecke,
nachdem der Sensor zusammengebaut worden ist. Nachdem die Prüfungen abgeschlossen
sind, kann die Klappe geschwenkt werden, um das Gehäuse abzuschliessen
und die Leiterplatte zu schützen.
Die Klappe kann mit Verriegelungsmitteln 35 versehen sein,
um auf komplementäre
Einrastrippen des Gehäuses
aufgeklemmt zu werden, wenn sie geschlossen wird. Die Klappe kann nach
dem Testen auch durch andere Mittel wie Ultraschallschweissen oder
mit einem Kleber dauerhaft am Gehäuse angebracht werden.
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Unter
Bezugnahme insbesondere auf 2 bis 3c werden
nunmehr die innerhalb des Gehäuses
aufgenommenen Sensorkomponenten eingehender beschrieben werden.
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Die
Sekundärspulengruppe 10 hat
eine um einen Spulenhalterabschnitt 38 des Sekundärspulengehäuses 14 gewickelte
Sekundärspule 12,
wobei der Spulenhalteabschnitt einen sich durch ihn hindurch erstreckenden
Hohlraum 42 besitzt, um einen Zweig 42 des im
Wesentlichen rechteckförmigen
magnetischen Kreises aufzunehmen, an dem entlang der Luftspalt 30 angeordnet
ist und in dem der Magnetfeldsensor 22 angeordnet ist.
Die Sekundärspule umgibt
somit den Luftspalt und den Magnetfeldsensor, um zu gewährleisten,
dass das durch die Sekundärspule
erzeugte magnetische Feld am wirkunsgvollsten an den Magnetfelddetektor
angekoppelt ist.
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Der
haltende Hohlraum 40 ist vorteilhafterweise mit Führungsmitteln
versehen, zum Beispiel in der Gestalt von Rillen oder geeigneten
Vorsprüngen 43, 44,
um die getrennten Verlängerungen 45, 46 des Zweiges 42 des
magnetischen Kreises zu positionieren und zu führen. Die Verlängerungen 45, 46 des magnetischen
Kreises überlappen
sich vorteilhafterweise und sind voneinander durch einen Abstand
D getrennt, der kleiner als die Breite W des Luftspalts ist, um
das Frequenzverhalten des magnetischen Kreises und somit das Frequenzverhalten
des elektrischen Stromsensors zu verbessern. Es sei aber bemerkt,
dass der magnetische Kreis auch ohne überlappende Verlängerungen
angelegt sein kann, abgesehen von denjenigen 45', 46', die auf beiden
Seiten des Magnetfeldsensors vorhanden sind, um den Luftspalt aufzubauen,
wie in 6 gezeigt.
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Das
Gehäuse
der Sekundärspulengruppe kann
weiter mit einem Bodenabschnitt 48 versehen sein, der Befestigungsmittel
wie elastische Stifte 49 umfasst, um die Sekundärspulengruppe 10 steckbar an
der Leiterplatte 26 zu befestigen. Elektrische Kontakte 50a, 50b, 50c, 50d, 50e können zum
Beispiel durch Überspritzen,
Bonden, Schweissen oder Eindrücken
in Hohlräume
des Bodenabschnitts am Bodenabschnitt befestigt werden. Die Kontakte
sind mit Kontaktenden 25b versehen, um eine steckbare und/oder
Schweissverbindung zu einer äusseren
Leiterplatte herzustellen, und/oder mit Kontaktenden 25a,
um eine steckbare und/oder Schweissverbindung zur Leiterplatte 26 der
Signalverarbeitungseinheit herzustellen. Kontakte 50d, 50e sind
mit den Enden 12a, 12b der Sekundärspule verbunden,
wobei einer der Kontakte 50e dafür geeignet ist, direkt mit einer
externen gedruckten Leiterplatte (nicht gezeigt) verbunden zu werden,
auf die der Sensor montiert ist, während der andere Kontakt 50d mit
der Signalverarbeitungseinheit 24 verbunden ist. Der Kontakt 50c ist mit
der Abschirmung um die Sekundärspule
und mit der Signalverarbeitungseinheit 24 verbunden, um
die Sekundärspule
gegen elektromagnetisches Rauschen von aussen abzuschirmen sowie
um die Ausbreitung von Rauschen aus der Sekundärspule zu verringern. Die Kontakte 50a, 50b sind
mit der Signalverarbeitungseinheit und der externen gedruckten Leiterplatte
verbunden und dafür
geeignet, den Sensor mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Der
Bodenabschnitt 48 des Sekundärspulengehäuses kann auch einen Zweig 52 des
magnetischen Kreises halten und einen Hohlraum 54 umfassen,
der als Positioniermittel wirkt, indem er überlappende Verlängerungen 55, 56 eines
Zweiges 57 des magnetischen Kreises aufnimmt, der zum Zweig 42 entgegengesetzt
ist, in dem der Luftspalt 30 bereitgestellt wird. Die beiden
Verlängerungen 55, 56 werden im
Gehäuse
in gegenseitiger Berührung
gehalten, um den Widerstand gegenüber einer magnetischen Induktion
zu verringern.
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Der
magnetische Kreis 16 kann vorteilhaft aus einem magnetisch
durchlässigen
Streifen eines Metallblechs in zwei Teilen 18, 20 ausgestanzt
und geformt werden, die durch Montage auf die Sekundärspulengruppe 10 zusammengefügt werden
können,
insbesondere durch Einsetzen in einer axialen Richtung A, wie in
den Figuren gezeigt. Der magnetische Kreis kann daher schnell und
leicht an die Sekundärspulengruppe 10 angefügt werden,
die ihrerseits schnell und leicht an die Leiterplatte 26 angefügt werden
kann, die daran angesteckt ist, um eine Einheit 62 zu bilden,
die im Boden 8 des Gehäuses
aufgenommen wird, der danach mit dem Deckelteil 6 verschlossen
wird. Alle Montageschritte können
somit leicht automatisiert werden.
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Eine
Verlängerung
eines der Teile 18 des magnetischen Kreises kann weiter
einen Kontaktabschnitt 60 für die gedruckte Leiterplatte
umfassen, um eine Verbindung zu einer Erdverbindung auf der gedruckten
Leiterplatte herzustellen und einen kapazitiven Ladungsaufbau im
magnetischen Kreis zu vermeiden.
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Die
Ausrichtung des Luftspalts 30 zwischen zwei parallelen
Verlängerungen 45, 46 des
magnetischen Kreises ist besonders vorteilhaft, da sie ein axiales
Einsetzen des Magnetfelddetektors 22 in den Luftspalt 30 ermöglicht,
wenn eine Sekundärspulengruppe 10 an
der Leiterplatte 26 befestigt ist, auf der der Magnetfelddetektor 22 vormontiert
ist.
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Der
Luftspalt 30 nicht konstanter Breite (d, w) entlang der
benachbarten Verlängerungen 45, 46 des
magnetischen Kreises erhöht
den Kopplungskoeffizienten des Ersatztransformators, wodurch die Leistung
des Sensors bei Wechselstrom und insbesondere die Bandbreite und
das Ansprechen auf Stromänderungen
di/dt verbessert werden.
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Auf 5a Bezug
nehmend, können
die U-förmigen
Primärleiterabschnitte
vorteilhafterweise Kontaktenden 29 besitzen, die in der
axialen Richtung A bezüglich
des Zwischenabschnitts 27 versetzt sind, um den Abstand
zwischen den Kontaktenden 29 und den Anschlüssen 25 der
Sekundärspulengruppe
zu vergrössern.
Durch diese Konfiguration kann der Sensor sehr kompakt sein und
trotzdem den Anforderungen und Normen für eine elektrische Trennung
zwischen Primär-
und Sekundärkreis
genügen
sowie eine gute magnetische Kopplung zwischen den U-förmigen Primärleiterabschnitten
und der Sekundärspule
erreichen.
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Auf 5b Bezug
nehmend, können
die U-förmigen
Primärleiterabschnitte
in einer Richtung B senkrecht zur axialen Richtung A gegenseitig
versetzt angeordnet sein, um den Abstand S zwischen den Kontaktenden 29 benachbarter
Anschlüsse
zu vergrössern.
Dadurch können
die Leiterabschnitte eng beieinander angeordnet werden, um die für die Verbindung
der Leiterkontakte (zu einer externen Apparatur) erforderliche Grundfläche zu verringern
oder um eine grössere
Anzahl von Leiterabschnitten im Sensor zur Verfügung stellen zu können, dabei
aber den Sensor so kompakt wie möglich
zu halten.