DE102004042719A1 - Current sensor has measurement resistance made as narrower length or meander integrated in same material as conductor - Google Patents

Current sensor has measurement resistance made as narrower length or meander integrated in same material as conductor Download PDF

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Abstract

A current sensor has a measurement resistance (2) made as a narrower length (L) or meander integrated in the same material as the copper conductor (3) and measures the resistance temperature for use in compensation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor mit einem Messwiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a current sensor with a measuring resistor according to the preamble of claim 1

Derartige Messwiderstände von Stromsensoren zur Bestimmung der in einem Stromleiter fließenden Ströme (typischer Messbereich 1 mA bis 1A) bestehen üblicherweise aus einem speziellen, vom Material des Stromleiters verschiedenen Widerstandsmaterial, wobei der Wert des Messwiderstands insbesondere durch die Wahl des Widerstandsmaterials eingestellt wird. Hierdurch entstehen allerdings an den gelöteten oder geschweißten Verbindungsstellen vom Widerstandsmaterial zum Material des Stromleiters Thermospannungen, die zur Erfassung hinreichender genauer Messwerte des im Stromleiter fließenden Stroms kompensiert werden müssen. Nachteilig ist bedingt durch die Verbindungsstellen vom Widerstandsmaterial zum Material des Stromleiters somit der hohe Aufwand bei der Herstellung des Stromsensors und beim Messvorgang mit dem Stromsensor.such Sense resistors of current sensors for determining the currents flowing in a conductor (more typically Measuring range 1 mA to 1A) usually consist of a special, the material of the conductor different resistance material, wherein the value of the measuring resistance in particular by the choice of Resistor material is adjusted. However, this results at the soldered or welded Connections from the resistor material to the material of the conductor Thermo-voltages, which are used to acquire sufficient accurate measured values of the current flowing in the conductor Electricity must be compensated. The disadvantage is due to the connection points of the resistance material the material of the conductor thus the high cost in the production of the current sensor and during the measurement process with the current sensor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromsensor mit einem Messwiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem eine einfache Herstellung und eine einfache Messung ermöglicht wird.Of the Invention is based on the object, a current sensor with a Measuring resistor according to the preamble of the patent claim 1, in which a simple production and a simple measurement allows becomes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.advantageous Embodiments of the invention are part of the further claims.

Beim vorgestellten Stromsensor ist der Messwiderstand (Shunt) erfindungsgemäß als mit dem Stromleiter direkt verbundenes (in unmittelbarem Kontakt befindliches) Strukturteil aus dem gleichen Material wie der Stromleiter ausgebildet, wobei der Messwiderstand im Stromleiter integriert oder direkt (unmittelbar) am Stromleiter angeordnet ist. Der Widerstandswert des Messwiderstands wird insbesondere durch die geometrische Form des Strukturteils festgelegt. Daneben wird der Widerstandswert des Messwiderstands auch durch den Temperaturkoeffizienten des Materials des Stromleiters und damit des Messwiderstands beeinflusst, so dass bei der Messung des Stromwerts auch die Temperatur bestimmt und der gemessene Stromwert entsprechend korrigiert wird; dies kann insbesondere mittel einer zur Ermittlung des Stromwerts vorgesehenen Auswerteeinheit (Auswerteelektronik) erfolgen. Als Material des Stromleiters und damit auch des Messwiderstands wird insbesondere Kupfer herangezogen.At the presented current sensor is the measuring resistor (shunt) according to the invention as with the Electricity conductor directly connected (in direct contact) Structural part made of the same material as the current conductor, where the measuring resistor is integrated in the conductor or directly (directly) is arranged on the conductor. The resistance value of the measuring resistor in particular by the geometric shape of the structural part established. Next to it is the resistance value of the measuring resistor also by the temperature coefficient of the material of the conductor and thus influences the measuring resistance, so that during the measurement the current value also determines the temperature and the measured current value is corrected accordingly; This can be done in particular by means of a Determination of the current value intended evaluation unit (evaluation electronics) respectively. As material of the conductor and thus also of the measuring resistor in particular copper is used.

Das als Messwiderstand vorgesehene Strukturteil kann als in einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters ausgebildete Verjüngung im Querschnitt des Stromleiters realisiert sein, die aus dem Material des Stromleiters mittels Stanzen und/oder Pressen gefertigt werden kann. Der Wert des Messwiderstands wird durch die geometrische Form der Verjüngung (Länge, Breite, Höhe) eingestellt, wobei die Spannung des Messwiderstands an den Kanten der Verjüngung beim Übergang vom reduzierten Querschnitt des Messwiderstands zum Querschnitt des Stromleiters an bestimmten Messspannungsabgriffen abgenommen wird.The As a measuring resistor provided structural part can be considered in a specific Section of the conductor formed taper in the cross section of the conductor be realized, from the material of the conductor by means of punching and / or pressing can be made. The value of the measuring resistor is set by the geometric shape of the taper (length, width, height), the voltage of the measuring resistor at the edges of the taper at the transition from the reduced cross section of the measuring resistor to the cross section of the conductor removed at certain Meßspannungsabgriffen becomes.

Alternativ hierzu kann das als Messwiderstand vorgesehene Strukturteil auch durch als in einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters ausgebildete Einschnitte im Stromleiter realisiert sein, die insbesondere eine mäanderförmige Struktur aufweisen können. Die Länge des als Messwiderstand wirksamen Bereichs wird entsprechend des Querschnitts des Stromleiters und des gewünschten Widerstandswerts vorgegeben. Die Messspannungsabgriffe und die zur Aufnahme der Auswerteeinheit (Aus werteelektronik) dienenden Befestigungspunkte können bsp. mittels Einpressstiften realisiert werden; vorzugsweise werden die Messspannungsabgriffe und die Befestigungspunkte direkt aus dem Material des Messwiderstands und damit des Stromleiters herausgearbeitet.alternative For this purpose, provided as a measuring resistor structural part also by being formed in a certain portion of the conductor Be made incisions in the conductor, in particular a meandering structure can have. The length of the effective as a measuring resistor range is corresponding to the Cross-section of the conductor and the desired resistance value specified. The measuring voltage taps and for receiving the evaluation unit (From electronic) serving attachment points can bsp. be realized by means of injection pins; Preferably, the Measuring voltage taps and the attachment points directly from the Material of the measuring resistor and thus the current conductor worked out.

Weiterhin kann das als Messwiderstand vorgesehene Strukturteil durch eine auf einen Trägerkörper (bsp. eine Leiterplatte) aufgebrachte, mit dem Stromleiter direkt über Kontaktflächen zu verbindende Widerstandsschicht realisiert werden, bsp. durch ein auf den Trägerkörper auflaminiertes Kupferblech. Die Kontaktflächen zwischen dem Messwiderstand und dem Stromleiter sind auf geeignete Art und Weise niederohmig realisiert, bsp. durch Kaltverschweißen. Der Wert des Messwiderstands wird durch den Querschnitt der Widerstandsschicht und der Position der vom Messwiderstand zum Trägerkörper geführten Spannungsabgriffe eingestellt. Hierbei ist eine Kalibrierung des Messwiderstands bei der Herstellung des Trägerkörpers (bsp. der Leiterplatte) möglich, da der Messwiderstand integrierter Bestandteil des mit dem Stromleiter verbundenen Trägerkörpers der Auswerteeinheit ist.Farther can provided as a measuring resistor structural part by a on a support body (ex. a printed circuit board), with the current conductor directly over contact surfaces connecting resistance layer can be realized, eg. through a laminated to the carrier body Copper sheet. The contact surfaces between the measuring resistor and the conductor are suitable Low-impedance way realized, eg. by cold welding. Of the Value of the measuring resistor is determined by the cross section of the resistance layer and the position of the guided by the measuring resistor to the carrier body voltage taps set. Here is a calibration of the measuring resistor during manufacture of the carrier body (ex. the printed circuit board), because the measuring resistor integrated part of the with the conductor connected carrier body of Evaluation unit is.

Vorteilhafterweise ist der vorgestellte Stromsensor auf einfache Weise und mit geringen Kosten herstellbar; da keine Thermopaare beim Übergang vom Stromleiter zum Messwiderstand gebildet werden, entstehen auch keine aufwendig zu kompensierenden Thermospannungen.advantageously, is the presented current sensor in a simple way and with low Cost to produce; because no thermocouples at the transition from the conductor to Measuring resistor are formed, no consuming too compensating thermoelectric voltages.

Im Zusammenhang mit der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Hierbei zeigen die 1 bis 3 unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die Realisierung des Messwiderstands.In connection with the drawing, the invention will be explained in more detail. This show the 1 to 3 different embodiments for the realization of the measuring resistor.

Gemäß der 1 ist der Messwiderstand 2 des Stromsensors 1 durch eine Verjüngung im Querschnitt des Stromleiters 3 realisiert. Der bsp. aus Kupfer bestehende Stromleiter 3 weist bsp. einen Querschnitt von 18 mm2 auf, der ebenfalls aus Kupfer bestehende Messwiderstand 2 einen Querschnitt von 6 mm2. Der von der Temperatur abhängige Widerstandswert des Messwiderstands beträgt mit den angegebenen Werten mit einem spezifischen Widerstand ρCU = 0.017 Ωmm2/m und bei einer Temperatur von bsp. 20 °C bsp. ca. 30 μΩ.According to the 1 is the measuring resistor 2 of the current sensor 1 by a taper in the cross section of the conductor 3 realized. The bsp. Conductor made of copper 3 has bsp. a cross section of 18 mm 2 on, also consisting of copper measuring resistor 2 a cross section of 6 mm 2 . The temperature-dependent resistance value of the measuring resistor with the specified values with a specific resistance ρ CU = 0.017 Ωmm 2 / m and at a temperature of bsp. 20 ° C bsp. approx. 30 μΩ.

Gemäß der 2 ist der Messwiderstand 2 des Stromsensors 1 durch einen mäanderförmigen Einschnitt im Querschnitt des Stromleiters 3 realisiert. Die Länge L des als Messwiderstand 2 wirksamen Bereichs des Stromleiters 3 ergibt sich für einen gewünschten Widerstandswert R bei einem Querschnitt A und einem spezifischen Widerstand ρ des Stromleiters 3 zu: L = R·A/ρCU According to the 2 is the measuring resistor 2 of the current sensor 1 through a meandering cut in the cross section of the conductor 3 realized. The length L of the measuring resistor 2 effective area of the conductor 3 results for a desired resistance R at a cross section A and a specific resistance ρ of the conductor 3 to: L = R · A / ρ CU

Bei einem einzustellenden Widerstandswert R für den Messwiderstand 2 von 100 μΩ und einem Querschnitt A des bsp. aus Kupfer (Cu) bestehenden Stromleiters 3 von bsp. 2 mm2 ergibt sich mit einem spezifischen Widerstand ρCU = 0.017 Ωmm2/m eine Länge L von 11.8 mm. Aufgrund des linearen Zusammenhangs kann die Länge L für andere Widerstandswerte R des Messwiderstands 2 und/oder andere Querschnitte A des Stromleiters 3 entsprechend ermittelt werden.At a resistance R to be set for the measuring resistor 2 of 100 μΩ and a cross section A of the bsp. made of copper (Cu) existing conductor 3 from bsp. 2 mm 2 results with a specific resistance ρ CU = 0.017 Ωmm 2 / m a length L of 11.8 mm. Due to the linear relationship, the length L for other resistance values R of the measuring resistor 2 and / or other cross sections A of the conductor 3 be determined accordingly.

Die Messspannungsabgriffe 4 und die Befestigungspunkte 5 zur Aufnahme der Auswerteeinheit (Auswerteelektronik) können bsp. mittels Einpressstiften realisiert werden, die bsp. aus Kupfer bestehen und bsp. einen Durchmesser von 1 mm aufweisen oder mittels mechanischer Bearbeitung direkt aus dem Messwiderstand herausgearbeitet werden.The measuring voltage taps 4 and the attachment points 5 for receiving the evaluation unit (evaluation) can bsp. be realized by means of injection pins, the bsp. consist of copper and bsp. have a diameter of 1 mm or machined directly from the measuring resistor by mechanical processing.

Mittels des Messwiderstands 2 des Stromsensors 1 können bsp. Ströme im Bereich von 10 mA bis 1000 A erfasst werden.By means of the measuring resistor 2 of the current sensor 1 can bsp. Currents in the range of 10 mA to 1000 A can be detected.

Gemäß der 3 ist der Messwiderstand 2 des Stromsensors 1 durch eine auf einer Leiterplatte als Trägerkörper 6 aufgebrachte Widerstandsschicht realisiert, die bsp. eine Dicke von 0.5 mm aufweist und aus dem gleichen Material wie das Material des Stromleiters 3 besteht (bsp. bestehen die Widerstandsschicht des Messwiderstands 2 und der Stromleiter 3 aus Kupfer). Die Widerstandsschicht des Messwiderstands 2 wird an von der Isolationsschicht 8 getrennten Kontaktflächen 7 mit dem Stromleiter 3 in Kontakt gebracht, wobei die Messspannung über Messspannungsabgriffe 9 abgegriffen wird und durch auf der Oberseite 10 der Leiterplatte 6 angeordnete Bauelemente 11 weiter verarbeitet werden kann.According to the 3 is the measuring resistor 2 of the current sensor 1 by a on a circuit board as a carrier body 6 Applied resistance layer realized, the bsp. has a thickness of 0.5 mm and made of the same material as the material of the conductor 3 exists (for example, consist of the resistance layer of the measuring resistor 2 and the conductor 3 made of copper). The resistance layer of the measuring resistor 2 gets on from the insulation layer 8th separate contact surfaces 7 with the conductor 3 brought into contact, wherein the measuring voltage on Meßspannungsabgriffe 9 is tapped and through on the top 10 the circuit board 6 arranged components 11 can be further processed.

Claims (10)

Stromsensor mit einem Messwiderstand (2) zur Bestimmung des in einem Stromleiter (3) fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Material des Stromleiters (3) bestehende Messwiderstand (2) als Strukturteil im oder unmittelbar am Stromleiter (3) ausgebildet ist.Current sensor with a measuring resistor ( 2 ) for determining in a conductor ( 3 ) flowing stream, characterized in that the from the material of the conductor ( 3 ) existing measuring resistor ( 2 ) as a structural part in or directly on the conductor ( 3 ) is trained. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) als Strukturteil im Stromleiter (3) integriert ist.Current sensor according to claim 1, characterized in that the measuring resistor ( 2 ) as a structural part in the current conductor ( 3 ) is integrated. Stromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) in einem Abschnitt des Stromleiters (3) als Verjüngung im Querschnitt des Stromleiters (3) realisiert ist.Current sensor according to claim 2, characterized in that the measuring resistor ( 2 ) in a section of the conductor ( 3 ) as a taper in the cross section of the conductor ( 3 ) is realized. Stromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) in einem Abschnitt des Stromleiters (3) als Einschnitt im Stromleiter (3) realisiert ist.Current sensor according to claim 2, characterized in that the measuring resistor ( 2 ) in a section of the conductor ( 3 ) as an incision in the conductor ( 3 ) is realized. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) als mäanderförmiger Einschnitt im Stromleiter (3) realisiert ist.Current sensor according to claim 4, characterized in that the measuring resistor ( 2 ) as a meandering incision in the conductor ( 3 ) is realized. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) als Strukturteil auf einer auf dem Stromleiter (3) angeordneten Leiterplatte (6) auflaminiert ist.Current sensor according to claim 1, characterized in that the measuring resistor ( 2 ) as a structural part on one on the current conductor ( 3 ) arranged printed circuit board ( 6 ) is laminated. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter (3) und der Messwiderstand (2) aus Kupfer bestehen.Current sensor according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the current conductor ( 3 ) and the measuring resistor ( 2 ) consist of copper. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messspannungsabgriff für die vom Messwiderstand (2) gelieferte Messspannung im Bereich der äußeren Begrenzung des Messwiderstands (2) erfolgt.Current sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring voltage tap for the measuring resistor ( 2 ) supplied measuring voltage in the region of the outer boundary of the measuring resistor ( 2 ) he follows. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Messwiderstands (2) gemessen wird.Current sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the temperature of the measuring resistor ( 2 ) is measured. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Temperaturabhängigkeit des Messwiderstands (2) kompensiert.Current sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that an evaluation unit is provided which determines the temperature dependence the measuring resistance ( 2 ) compensated.
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