DE10028448C2 - Device for the galvanically isolated measurement of an electrical current flowing in a conductor using a Hall element - Google Patents

Device for the galvanically isolated measurement of an electrical current flowing in a conductor using a Hall element

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DE10028448C2 DE2000128448 DE10028448A DE10028448C2 DE 10028448 C2 DE10028448 C2 DE 10028448C2 DE 2000128448 DE2000128448 DE 2000128448 DE 10028448 A DE10028448 A DE 10028448A DE 10028448 C2 DE10028448 C2 DE 10028448C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur galvanisch ge­ trennten Messung eines in einem Leiter fließenden elektri­ schen Stromes der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.The invention relates to a device for galvanically ge separated measurement of an electri flowing in a conductor rule current of the type specified in the preamble of claim 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE 42 12 461 A1 bekannt.Such a device is known from DE 42 12 461 A1.

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen ein elektri­ scher Strom zu messen ist. Der Meßwert wird z. B. zur Überwa­ chung oder zu Regelzwecken benötigt. Im einfachsten Fall er­ folgt die Strommessung mit einem Meßwiderstand. Dabei läßt man den zu messenden Strom I durch einen bekannten ohmschen Widerstand R, den Meßwiderstand, fließen. Die über dem Meßwi­ derstand R anliegende Spannung U ist dann ein Maß für die Stärke des Stromes I. Grundlage ist hierbei das Ohmsche Ge­ setz: R = U/I bzw. U = R.I.There are a variety of applications in which an electri shear current is to be measured. The measured value is z. B. for monitoring required or for regulatory purposes. In the simplest case, he follows the current measurement with a measuring resistor. It leaves one measures the current I to be measured by a known ohmic Resistor R, the measuring resistor, flows. The above the Meßwi the level R applied voltage U is then a measure of the Strength of the current I. The basis here is the ohmic Ge set: R = U / I or U = R.I.

Es bestehen jedoch einige Anwendungen, bei denen die Strom­ messung galvanisch getrennt, also berührungslos erfolgen soll. Man erhält dadurch eine potentialfreie und somit auch störungsarme Messung.However, there are some applications where the electricity measurement is galvanically isolated, so it is done without contact should. You get a potential-free and thus also low-interference measurement.

Vom Prinzip her ist das Problem der galvanisch getrennten Strommessung seit langem gelöst, wozu z. B. auf das Buch "Elektromeßtechnik", Siemens AG, München und Berlin, 1968, 5. Auflage, Seite 34, insbesondere Bild 10 und dessen Be­ schreibung, hingewiesen wird. Danach wird im Luftspalt eines einen Strom führenden Leiter umschließenden Eisenkerns ein Hallgenerator angeordnet. Die dem Magnetfeld im Luftspalt und damit dem Strom im Leiter proportionale Hallspannung wird mit einem entsprechend kalibrierten Drehspulinstrument gemessen. Der Meßstromkreis ist somit vom "Hauptstromkreis" galvanisch getrennt.In principle, the problem is the galvanically isolated Current measurement solved for a long time, why z. B. on the book "Elektromeßtechnik", Siemens AG, Munich and Berlin, 1968, 5th edition, page 34, in particular picture 10 and its description spelling, is pointed out. Then one in the air gap  a current-carrying conductor enclosing iron core Hall generator arranged. The magnetic field in the air gap and so that the current in the conductor is proportional to the Hall voltage an appropriately calibrated moving coil instrument. The measuring circuit is thus galvanic from the "main circuit" Cut.

Bei der galvanisch getrennten Messung des Stromes ist es be­ kannt, das sogenannte Kompensationsprinzip zu verwenden. In diesem Zusammenhang wird auf die Technische Information der Firma LEM, CH-1228 Plan-les-Ouates, "Elektronische Komponen­ ten, Neue Generation der ASIC-Kompensations-Stromwandler bis 25 A", Druckschrift CH 98102 D 03.98 5 CDH, hingewiesen.In the galvanically isolated measurement of the current, it is be knows to use the so-called compensation principle. In In this context, the Technical Information of the LEM, CH-1228 Plan-les-Ouates, "Electronic components ten, New generation of ASIC compensation current transformers up to 25 A ", publication CH 98102 D 03.98 5 CDH.

Entsprechend der dort beschriebenen und anhand Bild 1 der ge­ nannten Druckschrift erläuterten Funktionsweise erzeugt hier­ bei jeder von einem Strom durchflossene Leiter ein Magnet­ feld, das in einem magnetischen Kreis verstärkt wird. In ei­ nem Luftspalt kann dieses Feld gemessen werden. Dazu wird ein Hallelement benutzt. Bei der Versorgung mit einem konstanten Strom hat dieses die Eigenschaft, den magnetischen Fluß in eine Spannung umzuwandeln. Beim Kompensationsprinzip wird die Spannung nur zur Regelung des Gleichgewichts zwischen Primär- und Sekundärfluß verwendet. Über eine zusätzliche, sekundäre Kompensationswicklung mit z. B. 2000 Windungen fließt ein 1/2000 des Primärstromes, um das Feld des primären Leiters exakt zu kompensieren. Der Gesamtfluß ist dann null. Die Re­ gelung funktioniert bei Gleichstrom und bei Wechselströmen bis zur Grenzfrequenz der Elektronik. Darüber arbeitet der Stromwandler wie ein normaler Transformator mit Primär- und Sekundärwicklung. So können Ströme bis zu mehreren 100 kHz potentialfrei gemessen werden. According to the one described there and with the help of Figure 1 of the ge called printed mode of operation generated here a magnet for each conductor through which a current flows field that is amplified in a magnetic circuit. In egg This field can be measured in an air gap. For this, a Hall element used. When supplying a constant Current has the property of keeping the magnetic flux in to transform a tension. With the compensation principle, the Voltage only to regulate the balance between primary and secondary flow used. About an additional, secondary Compensation winding with z. B. 2000 turns flows in 1/2000 of the primary current to the field of the primary conductor to compensate exactly. The total flow is then zero. The Re adjustment works with direct current and with alternating currents up to the limit frequency of the electronics. That's what the Current transformer like a normal transformer with primary and Secondary winding. So currents up to several 100 kHz can be measured potential-free.  

Bild 2 der genannten Druckschrift zeigt in einem Photo die äußere Gestaltung des LEM-Stromsensors, dessen in der Tabel­ le 1 angegebenen Abmessungen (Länge × Breite × Höhe) von 9,3 × 22,2 × 24 mm trotz des kompakten Aufbaus für viele An­ wendungen immer noch zu groß sind.Figure 2 of the cited document shows the in a photo external design of the LEM current sensor, its in the table le 1 specified dimensions (length × width × height) of 9.3 × 22.2 × 24 mm despite the compact design for many people turns are still too big.

Entsprechend dem Kompensationswandlerprinzip arbeitende Strommeßeinrichtungen sind für viele Einsatzbereiche also noch zu groß. Außerdem ist ihre Bandbreite auf etwa 100 kHz beschränkt. Darüber hinaus weisen sie in nachteiliger Weise prinzipbedingt eine Verzögerungszeit zwischen Ein- und Aus­ gang auf.Working according to the compensation converter principle Current measuring devices are therefore for many areas of application still too big. In addition, their bandwidth is around 100 kHz limited. In addition, they adversely point inherently a delay time between on and off going on.

Bei der galvanisch getrennten Messung des Stromes ist auch die Ausführung mit linearem Hallelement bekannt, auf die be­ reits eingangs im Zusammenhang mit dem aus dem Buch "Elektromeßtechnik", Siemens AG, München und Berlin, 1968, 5. Auflage, Seite 34, bekannten Stand der Technik eingegangen wurde und die anhand der Fig. 1 und Fig. 2 nachfolgend be­ schrieben wird.In the galvanically isolated measurement of the current, the version with a linear Hall element is also known, to which be already known at the beginning in connection with the stand known from the book "Elektromeßtechnik", Siemens AG, Munich and Berlin, 1968, 5th edition, page 34 the technique has been received and that the reference to FIG. 1 and FIG. 2 be below is written.

Hierbei wird ähnlich wie beim bereits geschilderten sogenann­ ten Kompensationswandler ein geschlitzter Ringkern 1 verwen­ det. In den Luftspalt 2 des Ringkerns 1 wird ein lineares Hallelement 3 eingebracht, dessen Ausgangsspannung proportio­ nal zur magnetischen Flußdichte B ist. Das vom zu messenden Strom Imess erzeugte Magnetfeld wird im Ringkern 1 gebündelt und vom Hallelement 3 in eine elektrische Ausgangsspannung, die sogenannte Hallspannung, gewandelt. Der Zusammenhang zwi­ schen Flußdichte B und dem zu messenden Strom Imess ergibt sich zu:
In this case, a slotted toroidal core 1 is used, similarly to the so-called compensation converter described above. In the air gap 2 of the toroidal core 1 , a linear Hall element 3 is introduced, the output voltage is proportional to the magnetic flux density B. The magnetic field generated by the current I mess to be measured is bundled in the toroidal core 1 and converted by the Hall element 3 into an electrical output voltage, the so-called Hall voltage. The relationship between the flux density B and the current I mess to be measured results in:

wobei B die magnetische Flußdichte, Imess der zu messende Strom, N die Anzahl der Windungen um den Ringkern 1, µ0 die magnetische Feldkonstante und lL die Länge des Luftspalts 2 ist.where B is the magnetic flux density, I mess the current to be measured, N the number of turns around the toroid 1 , µ 0 the magnetic field constant and l L the length of the air gap 2 .

Fig. 1 zeigt eine Ausführung, bei der ein Leiter 4 durch die Öffnung des Ringkerns 1 durchgeführt. Der Leiter 4 führt den mittels des Hallelements 3 zu messenden Strom Imess. Fig. 2 zeigt dagegen eine Ausführung, bei der zur Messung von klei­ neren Strömen der den zu messenden Strom führende Leiter in mehreren (N) Windungen 5 um den Ringkern 1 gewickelt ist. Derartige Einrichtungen sind unter anderem in DE 39 05 060 A1 beschrieben. Fig. 1 shows in which a conductor 4 performed through the opening of the toroidal core 1 an embodiment. The conductor 4 carries the current I mess to be measured by means of the Hall element 3 . Fig. 2, on the other hand, shows an embodiment in which the conductor carrying the current to be measured is wound in several (N) turns 5 around the toroidal core 1 in order to measure smaller currents. Such devices are described in DE 39 05 060 A1, among others.

Für die Ausgangsspannung UHALL des Hallelements 3 ergibt sich:
The following results for the output voltage U HALL of the Hall element 3 :

UHALL = K(T).IV.B,
U HALL = K (T) .I V .B,

wobei UHALL die Hallspannung, K(T) die temperaturabhängige Verstärkung des Hallelements, B die magnetische Flußdichte und IV der Versorgungsstrom des Hallelements ist.where U HALL is the Hall voltage, K (T) is the temperature-dependent gain of the Hall element, B is the magnetic flux density and I V is the supply current of the Hall element.

Stromsensoren mit linearem Hallelement lassen sich kompakter als Kompensationswandler aufbauen und ihre Bandbreite ist hö­ her. Allerdings hat das zum Zweck der Messung kleiner Ströme (im allgemeinen weniger als 10 A bis 20 A) bestehende Erfordernis des Bewickelns des Ringkerns erhebliche fertigungs­ technische Nachteile. So kommt es sehr häufig vor, daß der mit Luftspalt versehene Ringkern beim Bewickeln bricht. Das Kontaktieren der stromführenden Anschlüsse ist ebenfalls nicht völlig unproblematisch. Ein gewisser Nachteil der Strommeßeinrichtungen mit linearem Hallelement gegenüber den­ jenigen nach dem Kompensationsprinzip besteht in der etwas höheren Temperaturabhängigkeit, da das Hallelement nicht nur bei Magnetfelddichten nahe null mißt. Die Verstärkungsände­ rung geht somit in das Meßergebnis ein.Current sensors with a linear Hall element can be made more compact build as a compensation converter and their bandwidth is high ago. However, this is for the purpose of measuring small currents (generally less than 10 A to 20 A) existing requirement  the winding of the toroidal core considerable manufacturing technical disadvantages. So it happens very often that the ring core provided with an air gap breaks during winding. The Contacting the live connections is also possible not entirely unproblematic. A certain disadvantage of Current measuring devices with a linear Hall element compared to the that according to the compensation principle consists in something higher temperature dependence because the Hall element is not only at magnetic field densities close to zero. The reinforcement edges tion is therefore included in the measurement result.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen sehr kompakt aufbaubaren Stromsensor mit galvanisch entkoppelter Strommessung und ho­ her Bandbreite zu schaffen, der fertigungstechnisch hinsicht­ lich der Bewicklung des Ringkerns und der Kontaktierung der stromführenden Anschlüsse problemlos realisierbar ist und dabei mit einer Temperaturkompensation ausge­ stattet ist.The object of the invention is to build a very compact Current sensor with galvanically decoupled current measurement and ho to create bandwidth that is technically feasible Lich the winding of the toroid and the contacting of the current-carrying connections can be easily implemented and at the same time with a temperature compensation is equipped.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Einrichtung der ein­ gangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch ge­ löst, daß die Windungen des Leiters aus U-förmigen, den Ring­ kern jeweils umgreifenden Leiterbügeln und auf der gedruckten Schaltungsplatine passend angeordneten Leiterbahnen zusammen­ gesetzt sind, wobei die offenen Enden der U-förmigen Leiter­ bügel mit den Enden der jeweils zugeordneten Leiterbahnen me­ chanisch und elektrisch in der Weise verbunden sind, daß sich über die Leiterbahnen ein elektrischer Rückschluß der U-förmigen Leiterbügel und damit ein Verhalten der aus den Leiterbahnen und den U-förmigen Leiterbügeln gebildeten Kom­ bination entsprechend einem um den Ringkern gewickelten Draht ergibt. Die entsprechend der Erfindung ausgebildete Einrichtung zur galvanisch getrennten Strommessung ist erheblich einfacher und kompakter als die bisher realisierten Lösungen.According to the invention, which relates to a device of a gangs mentioned type, this task is ge that triggers the turns of the conductor from U-shaped, the ring core each encompassing conductor brackets and on the printed Circuit board matching tracks arranged together are set with the open ends of the U-shaped conductor stirrups with the ends of the respectively assigned conductor tracks me are connected mechanically and electrically in such a way that an electrical conclusion of the U-shaped conductor bracket and thus a behavior from the Conductor tracks and the U-shaped conductor bracket formed Kom combination corresponding to a wire wound around the toroid results. The device designed according to the invention  for galvanically isolated current measurement is considerable simpler and more compact than the previously implemented solutions.

Eine vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit einer Einrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das als flaches Plättchen ausgebildete Hallelement senkrecht stehend in die gedruckte Schaltungsplatine an die dort passend ange­ ordneten Anschlußstellen angelötet ist, daß der Ringkern auf die gedruckte Schaltungsplatine und an das Hallelement ge­ klebt ist und daß die den Ringkern umgreifenden U-förmigen Leiterbügel mit ihren Enden in die gedruckte Schaltungspla­ tine und zwar jeweils an zwei Anschlußstellen an Enden zweier zugeordneter Leiterbahnen gelötet sind. Die Montage einer derart ausgeführten Einrichtung erfolgt in zweckmäßiger Weise in einer Schrittfolge, die der Reihenfolge der vorstehend an­ gegebenen Merkmale entspricht.An advantageous embodiment of a device according to the invention is characterized in that the as flat plate trained Hall element standing vertically in the printed circuit board to the appropriate there ordered connection points is soldered that the toroid the printed circuit board and ge to the Hall element is stuck and that the U-shaped encompassing the toroid The ends of the conductors in the printed circuit board tine at two connection points at the ends of two assigned conductor tracks are soldered. The assembly of a such a device is carried out in a convenient manner in a sequence of steps following the order of the above given characteristics.

Die Einrichtung nach der Erfindung bzw. das in dieser enthal­ tene Hallelement weisen allerdings vom Prinzip her ohne zu­ sätzlich vorgenommene Kompensierungsmaßnahmen eine nicht un­ erhebliche Temperaturabhängigkeit auf, die im folgenden er­ läutert wird. Die Ausgangsspannung UHALL(T) des Hallelements und deren Abhängigkeit von der Temperatur lassen sich folgen­ dermaßen beschreiben:
The device according to the invention or the Hall element contained in it, however, have in principle a compensation function that is not inconsiderable without additional compensation measures, which is explained below. The output voltage U HALL (T) of the Hall element and its dependence on the temperature can be described as follows:

UHALL(T) = UHALL0(T) + K(T).kgeom.Imess.IV U HALL (T) = U HALL0 (T) + K (T) .k geom .I mess .I V

Hierin ist
UHALL0(T) = UHALL0.(1 + TCVR10.dT) die temperaturabhängige ohm­ sche Offset-Spannung des Hallelements mit der Offset-Spannung UHALL0 des Hallelements bei 20°C und dem aus Datenblättern oder durch Messung selbst ermittelbaren Temperaturkoeffizien­ ten TCVR10 der Offset-Spannung,
K(T) = K0.(1 + TCV20) die temperaturabhängige Verstärkung des Hallelements mit der Verstärkung K0 bei 20°C und dem aus Da­ tenblättern oder durch Messung selbst ermittelbaren Tempera­ turkoeffizienten TCV20 der Verstärkung,
kgeom eine sich aus dem Aufbau (Luftspaltlänge usw.) ergebende Konstante,
Imess der zu messende Strom, und
IV der Versorgungsstrom des Hallelements.
Here is
U HALL0 (T) = U HALL0 . (1 + TC VR10 .dT) the temperature-dependent ohmic offset voltage of the Hall element with the offset voltage U HALL0 of the Hall element at 20 ° C and the temperature coefficient that can be determined from data sheets or by measurement TC VR10 the offset voltage,
K (T) = K0. (1 + TC V20 ) the temperature-dependent gain of the Hall element with the gain K0 at 20 ° C and the temperature coefficient TC V20 of the gain that can be determined from data sheets or by measurement.
k geom is a constant resulting from the structure (air gap length , etc.),
I measured the current to be measured, and
I V the supply current of the Hall element.

Aus der vorstehenden Gleichung ersieht man, daß sowohl die ohmsche Offset-Spannung als auch die Verstärkung des Hallele­ ments temperaturabhängig sind. Bei einer Temperaturänderung von 100°C treten Fehler bis in den zweistelligen Prozentbe­ reich hinein auf. Für Regelungsaufgaben sind diese Abweichun­ gen gewöhnlich nicht tolerierbar.It can be seen from the above equation that both the ohmic offset voltage as well as the gain of the Hallele are temperature-dependent. With a temperature change from 100 ° C errors occur in the double-digit percentage range reach into it. These are deviations for control tasks usually intolerable.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind deshalb Maßnahmen zur Temperaturkompensation vorgesehen, der­ art, daß die Ausgangsspannung des Hallelements unabhängig von der Temperatur direkt proportional zum zu messenden Strom ist. Eine zweckmäßige Möglichkeit in diesem Zusammenhang be­ steht darin, daß zur Temperaturkompensation der temperaturab­ hängigen Ausgangsspannung
According to an advantageous development of the invention, measures for temperature compensation are therefore provided such that the output voltage of the Hall element is directly proportional to the current to be measured, regardless of the temperature. An expedient possibility in this context is that temperature compensation of the temperature-dependent output voltage

UHALL(T) = UHALL0(T) + K(T).kgeom.Imess.IV
U HALL (T) = U HALL0 (T) + K (T) .k geom .I mess .I V

des Hallelements bei konstantem Versorgungsstrom IV die am Hallelement anliegende Versorgungsspannung UV als Maß für die Temperatur des Hallelements gemessen und daraus die Offset- Spannung des Hallelements berechnet wird und diese zunächst von der gemessenen Ausgangsspannung UHALL(T) des Hallelements abgezogen wird, so daß sich eine offset-korrigierte Ausgangs­ spannung
of the Hall element at a constant supply current I V, the supply voltage U V applied to the Hall element is measured as a measure of the temperature of the Hall element and the offset voltage of the Hall element is calculated therefrom and this is first subtracted from the measured output voltage U HALL (T) of the Hall element, so that there is an offset-corrected output voltage

UHALL(T)off_korr = K(T).kgeom.Imess.IV
U HALL (T) off_korr = K (T) .k geom .I mess .I V

des Hallelements ergibt, und daß die Korrektur der Verstär­ kung entweder durch Variation des Versorgungsstromes IV oder durch Teilung der offset-korrigierten Ausgangsspannung UHALL(T)off_korr des Hallelements durch (1 + TCV20) erfolgt, so daß als Ergebnis eine temperaturkompensierte Ausgangsspan­ nung
of the Hall element, and that the correction of the amplification takes place either by varying the supply current I V or by dividing the offset-corrected output voltage U HALL (T) off_korr of the Hall element by (1 + TC V 20), so that as a result a temperature-compensated Output voltage

UHALL = K0.kgeom.Imess.IV = const..Imess
U HALL = K0.k geom .I mess .I V = const..I mess

des Hallelements erhalten wird.of the Hall element is obtained.

Eine derartige Temperaturkompensation läßt sich vorteilhaft in Form einer analogen Schaltung ausführen, kann aber auch in Form einer digitalen Verarbeitungseinheit realisiert werden, welche die notwendigen Berechnungen bewerkstelligt. Die ana­ loge Schaltung bzw. digitale Verarbeitungseinheit kann auf der gedruckten Schaltungsplatine, auf der sich auch der Ring­ kern und das Hallelement befinden, angeordnet werden.Such temperature compensation can be advantageous run in the form of an analog circuit, but can also in In the form of a digital processing unit, which does the necessary calculations. The ana Loge circuit or digital processing unit can the printed circuit board on which the ring is located core and the Hall element are arranged.

Einrichtungen zur Temperaturkompensation bei Strommeßeinrich­ tungen mit Hallelement sind bekannt. In diesem Zusammenhang wird auf DE 195 44 863 A1 hingewiesen, woraus es bekannt ist, eine Kompensation des Empfindlichkeitstemperaturganges da­ durch zu erzielen, daß mit einer Kompensationsschaltung aus der temperaturabhängigen Änderung des Innenwiderstandes des Hallelements ein positiver Temperaturkoeffizient des Steuer­ stromes gebildet wird, der so bemessen ist, daß er die negativen Temperaturkoeffizienten der die Empfindlichkeit bestim­ menden übrigen physikalischen Größen kompensiert.Devices for temperature compensation in current measuring equipment lines with Hall element are known. In this context reference is made to DE 195 44 863 A1, from which it is known compensation of the sensitivity temperature response by achieving that with a compensation circuit the temperature-dependent change in the internal resistance of the Hall elements a positive temperature coefficient of tax Stromes is formed, which is dimensioned so that it the negative  Temperature coefficients which determine the sensitivity compensating other physical quantities.

Aus DE 32 17 441 A1 ist eine ähnliche temperaturkompensieren­ de Anordnung mit einem Hallelement bekannt, bei der die tem­ peraturabhängige Offset-Spannung des Hallelements ausgegli­ chen wird. Hierbei erfolgt die Kompensation durch Regelung der Ausgangsspannung des Hallelements in Abhängigkeit von ei­ nem Signal, das typisch für die Impedanz ist, welche von der Anordnung für den von einer Konstantstromquelle gelieferten Versorgungsstrom des Hallelements gegeben ist. Das regelnde Signal ist dabei ein Signal, das dem Spannungsabfall ent­ spricht, der quer über die Anordnung durch den konstanten Versorgungsstrom des Hallelements erzeugt wird.A similar temperature compensation is known from DE 32 17 441 A1 de arrangement known with a Hall element, in which the tem temperature-dependent offset voltage of the Hall element will. The compensation is carried out by regulation the output voltage of the Hall element as a function of ei nem signal that is typical of the impedance which of the Arrangement for that supplied by a constant current source Supply current of the Hall element is given. The governing Signal is a signal that corresponds to the voltage drop who speaks across the arrangement by the constant Supply current of the Hall element is generated.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeich­ nungen erläutert. Es zeigen:The invention is based on the attached drawing explained. Show it:

Fig. 1 die einleitend bereits beschriebene perspektivische Darstellung einer bekannten galvanisch getrennten Stommeßeinrichtung mit linearem Hallelement unter Verwendung eines Ringkerns, durch den der stromfüh­ rende Leiter geführt ist, Fig. 1 is a perspective view of a known electrically isolated Stommeßeinrichtung linear Hall element using a toroidal core through which the conductor is guided stromfüh Rende introduction already described,

Fig. 2 die einleitend ebenfalls bereits beschriebene per­ spektivische Darstellung einer bekannten galvanisch getrennten Einrichtung zum Messen kleinerer Ströme mit linearem Hallelement unter Verwendung eines Ringkerns, um den der stromführende Leiter mit meh­ reren Windungen gewickelt ist, Fig. 2, the introduction also been described by-perspective view of a known electrically isolated means for measuring small currents with linear Hall element using a toroidal core, around which the current-carrying conductor is wound containing more reren turns,

Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht eine Explosions­ darstellung des konstruktiven Aufbaus einer entspre­ chend der Erfindung ausgebildeten Einrichtung zur Strommessung mit Hallelement, Fig. 3 is a perspective view of an exploded illustration of the invention, accordingly the structural design embodied means for measuring the current with the Hall element,

Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht die Montage des Hallelements auf einer gedruckten Schaltungsplatine, Fig. 4 is a perspective view of the mounting of the Hall element on a printed circuit board,

Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht die nachfolgende Montage des Ringkerns auf der gedruckten Schaltungs­ platine, Fig subsequent assembly of the ring core board. 5 in a perspective view on the printed circuit,

Fig. 6 ebenfalls in einer perspektivischen Ansicht den kon­ struktiven Komplettaufbau einer Einrichtung nach der Erfindung nach vollständig erfolgter Montage, und Fig. 6 also in a perspective view of the constructive complete construction of a device according to the invention after complete assembly, and

Fig. 7 das Ersatzschaltbild eines Hallelements. Fig. 7 shows the equivalent circuit diagram of a Hall element.

Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Explosions­ darstellung des konstruktiven Aufbaus einer entsprechend der Erfindung ausgebildeten Strommeßeinrichtung. Letztere besteht aus einem geschlitzten Ringkern 1, der einen Luftspalt 2 auf­ weist und allgemein ein Grundkörper aus Weicheisen ist, einem linearen Hallelement 3, elektrisch leitenden U-förmigen Lei­ terbügeln 6 und aus einer gedruckten Schaltungsplatine 7, die zusätzliche Schaltungskreise enthalten kann. Auf der gedruck­ ten Schaltungsplatine 7 befinden sich Leiterbahnen 8, die den elektrischen Rückschluß der U-förmigen Leiterbügel 6 ermögli­ chen. Die Kombination aus den Leiterbahnen 8 und den U-förmigen Leiterbügeln 6 verhält sich wie ein um den Ring­ kern 1 kontinuierlich mit Abstand gewickelter Draht. Fig. 3 shows a perspective view of the exploded view of the construction of a current measuring device designed according to the invention. The latter consists of a slotted toroidal core 1 , which has an air gap 2 and is generally a base made of soft iron, a linear Hall element 3 , electrically conductive U-shaped conductor 6 and a printed circuit board 7 , which may contain additional circuitry. On the printed circuit board 7 there are conductor tracks 8 which provide the electrical inference of the U-shaped conductor bracket 6 . The combination of the conductor tracks 8 and the U-shaped conductor brackets 6 behaves like a core wound around the ring 1 continuously at a distance wire.

Anhand der Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 wird nachfolgend die Mon­ tage der in Fig. 3 dargestellten Strommeßeinrichtung nach der Erfindung erläutert. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird zu­ erst das als flaches Plättchen ausgebildete Hallelement 3 stehend an die entsprechenden Anschlußpunkte in die gedruckte Schaltungsplatine 7 gelötet. Anschließend wird, wie Fig. 5 zeigt, der Ringkern 1 auf die gedruckte Schaltungsplatine 7 und an das Hallelement 3 geklebt, wobei der Ringkern 1 so an­ geordnet wird, daß sich in seinem Luftspalt 2 das flach aus­ gebildete Hallelement 3 befindet.With reference to FIG. 4, Fig. 5 and Fig. 6, Mon will hereinafter days the current measuring device shown in Fig. 3 according to the invention is explained. As shown in FIG. 4, the Hall element 3, which is designed as a flat plate, is first soldered upright to the corresponding connection points in the printed circuit board 7 . Subsequently, as shown in FIG. 5, the toroidal core 1 is glued to the printed circuit board 7 and to the Hall element 3 , the toroidal core 1 being arranged in such a way that the Hall element 3 formed flat is located in its air gap 2 .

Zum Schluß werden die den Ringkern 1 umgreifenden U-förmigen Leiterbügel 6 mit ihren Enden in die gedruckte Schaltungspla­ tine 7 gelötet, wobei jeweils ein Ende eines U-förmigen Lei­ terbügels 6 am Ende einer Leiterbahn 8 und das andere Ende dieses Leiterbügels 6 am Ende einer anderen Leiterbahn 8 an­ gelötet wird, so daß sich insgesamt im Verlaufe über alle U-förmigen Leiterbügel 6 und alle Leiterbahnen 8 eine um den Ringkern geführte Wicklung ergibt, die an ihren beiden Enden zwei Anschlußstellen zur Stromzuführung aufweist. Dieser Schlußzustand und damit der Komplettaufbau einer Strommeßein­ richtung nach der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.Finally, the ring core 1 encompassing U-shaped conductor bracket 6 is soldered with its ends into the printed circuit board 7 , one end of a U-shaped conductor bracket 6 at the end of a conductor track 8 and the other end of this conductor bracket 6 at the end of one other conductor 8 is soldered to, so that there is a total of all U-shaped conductor bracket 6 and all conductor tracks 8 in the course of a winding led around the ring core, which has two connection points for power supply at both ends. This final state and thus the complete construction of a Strommeßein device according to the invention is shown in Fig. 6.

Durch die erläuterte Konstruktion der Strommeßeinrichtung nach der Erfindung wird die Fertigung demnach erheblich ver­ einfacht. Es wird insbesondere das nachteilige Bewickeln des den Grundkörper bildenden Ringkerns 1 mit Draht umgangen. Der beschriebene Aufbau der Strommeßeinrichtung nach der Erfin­ dung ist erheblich einfacher und kompakter als die bisher be­ kannten und realisierten Lösungen. Due to the construction of the current measuring device according to the invention, the manufacture is therefore considerably simplified. In particular, the disadvantageous winding of the ring core 1 forming the base body with wire is avoided. The described structure of the current measuring device according to the inven tion is considerably simpler and more compact than the previously known and implemented solutions.

Die vorstehend erläuterte Strommeßeinrichtung nach der Erfin­ dung und das Hallelement weisen vom Meßprinzip herrührend al­ lerdings eine nicht ganz unerhebliche Temperaturabhängigkeit auf. Der nachfolgend vorgeschlagene und erläuterte Lösungsan­ satz erlaubt ein von der Temperatur weitgehend unabhängiges Messen des Stromes. Zum besseren Verständnis des Prinzips wird zunächst das in Fig. 7 dargestellte Ersatzschaltbild des Hallelements erläutert.The above-described current measuring device according to the inven tion and the Hall element have, however, a not insignificant temperature dependency based on the measuring principle. The solution proposed and explained below allows the current to be measured largely independently of the temperature. For a better understanding of the principle, the equivalent circuit diagram of the Hall element shown in FIG. 7 is first explained.

Am Versorgungseingang, an dem die Versorgungsspannung UV an­ liegt, sieht man im wesentlichen einen temperaturabhängigen Widerstand R10(T), für den gilt:
At the supply input at which the supply voltage U V is present, you can see essentially a temperature-dependent resistor R10 (T), for which the following applies:

R10(T) = R10.(1 + TCR10.dT),
R10 (T) = R10. (1 + TC R10 .dT),

wobei dT die Temperaturänderung und R10 der Eingangswider­ stand bei 20°C ist.where dT the temperature change and R10 the input resistance stood at 20 ° C.

Die Ausgangsspannung UOUT ergibt sich zum einen aus der ohm­ schen Offset-Spannung Rofs und der eigentlichen Hallspannung UHALL. Der Ausgangswiderstand R20(T) ist ebenfalls tempera­ turabhängig. Greift man die Hallspannung hochohmig ab, z. B. über einen Impedanzwandler, braucht der Ausgangswiderstand R20(T) nicht berücksichtigt zu werden.The output voltage U OUT results on the one hand from the ohmic offset voltage Rofs and the actual Hall voltage U HALL . The output resistance R20 (T) is also temperature-dependent. If you tap the Hall voltage with high impedance, e.g. B. via an impedance converter, the output resistance R20 (T) need not be taken into account.

Die Ausgangsspannung des Hallelements ergibt sich, wie be­ reits vorher erläutert wurde, zu:
The output voltage of the Hall element, as has already been explained previously, results in:

UHALL(T) = UHALL0(T) + K(T).kgeom.Imess.IV,
U HALL (T) = U HALL0 (T) + K (T) .k geom .I mess .I V ,

wobei gilt:

UHALL0(T) = UHALL0.(1 + TCVR10.dT),
where:

U HALL0 (T) = U HALL0 . (1 + TC VR10 .dT),

K(T) = K0.(1 + TCV20),
K (T) = K0. (1 + TC V20 ),

wobei UHALL0 die Offset-Spannung bei 20°C, K0 die Verstärkung bei 20°C, TCVR10 der Temperaturkoeffizient der Offset-Spannung und TCV20 der Temperaturkoeffizient der Verstärkung ist. Die Temperaturkoeffizienten des Hallelements lassen sich aus den Datenblättern entnehmen oder leicht selbst durch Messung be­ stimmen.where U HALL0 is the offset voltage at 20 ° C, K0 is the gain at 20 ° C, TC VR10 is the temperature coefficient of the offset voltage and TC V20 is the temperature coefficient of the gain. The temperature coefficients of the Hall element can be found in the data sheets or easily determined by measurement.

Speist man das Hallelement mit einem konstanten Versor­ gungsstrom IV, so ergibt sich für die Versorgungsspannung UV:
If the Hall element is supplied with a constant supply current I V , the result for the supply voltage U V is :

UV = IV.R10.(1 + TCR10.dT).
U V = I V .R10. (1 + TC R10 .dT).

Wird die Versorgungsspannung UV gemessen, so läßt sich mit der vorstehenden Gleichung bei bekanntem Versorgungsstrom IV, Eingangswiderstand R10 und Temperaturkoeffizienten TCR10 die Temperaturänderung dT ermitteln:
If the supply voltage U V is measured, the temperature change dT can be determined using the above equation with known supply current I V , input resistance R10 and temperature coefficient TC R10 :

Die Versorgungsspannung UV stellt also ein Maß für die Tempe­ ratur T des Hallelements dar.The supply voltage U V thus represents a measure of the temperature T of the Hall element.

Mit Hilfe der Temperatur kann die Offset-Spannung des Hall­ elements berechnet werden. Diese wird zunächst von der gemes­ senen Hallspannung UHALL(T) abgezogen:
UHALL(T)off_korr = K(T).kgeom.Imess.IV,
The offset voltage of the Hall element can be calculated using the temperature. This is first subtracted from the measured Hall voltage U HALL (T):
U HALL (T) off_korr = K (T) .k geom .I mess .I V ,

wobei UHALL(T)off_korr die offset-korrigierte Hallspannung ist.where U HALL (T) off_korr is the offset-corrected Hall voltage.

Die Korrektur der Verstärkung des Hallelements läßt sich auf zwei Arten durchführen:
The correction of the gain of the Hall element can be carried out in two ways:

  • 1. Der Versorgungsstrom IV wird variiert, oder1. The supply current I V is varied, or
  • 2. die offset-korrigierte Hallspannung UHALL(T)off_korr wird durch (1 + TCV20) geteilt und es wird als Ergebnis erhal­ ten:
    UHALL = K0.kgeom.Imess.IV = const..Imess.
    2. the offset-corrected Hall voltage U HALL (T) off_korr is divided by (1 + TC V20 ) and the result is:
    U HALL = K0.k geom .I mess .I V = const..I mess .

Die Hallspannung UHALL ist damit unabhängig von der Temperatur direkt proportional zum Meßstrom Imess.The Hall voltage U HALL is therefore directly proportional to the measuring current I mess regardless of the temperature.

Die Temperaturkompensation läßt sich direkt als analoge Schaltung realisieren. Sie kann aber auch in einer digitalen Verarbeitungseinheit berechnet werden. The temperature compensation can be used directly as an analog one Realize circuit. But it can also be used in a digital Processing unit can be calculated.  

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Ringkern
toroidal

22

Luftspalt
air gap

33

Hallelement
Hall element

44

Leiter
ladder

55

Windungen
turns

66

U-förmige Leiterbügel
U-shaped conductor bracket

77

Gedruckte Schaltungsplatine
Printed circuit board

88th

Leiterbahnen
Imess
conductor tracks
I mess

Zu messender Strom
R10(T) Temperaturabhängiger Widerstand
R20(T) Ausgangswiderstand
Rofs Ohmsche Offset-Spannung
UHALL
Current to be measured
R10 (T) Temperature dependent resistance
R20 (T) output resistance
Rof's ohmic offset voltage
U HALL

(T) Ausgangsspannung des Hallelements
UOUT
(T) Hall element output voltage
U OUT

Ausgangsspannung
UV
output voltage
U V

Versorgungsspannung
supply voltage

Claims (5)

1. Einrichtung zur galvanisch getrennten Messung eines in ei­ nem Leiter fließenden elektrischen Stromes unter Verwendung eines auf einer gedruckten Schaltungsplatine aufgebrachten Ringkerns mit Luftspalt, in dem ein lineares Hallelement ein­ gebracht ist, dessen Ausgangsspannung proportional zur magne­ tischen Flußdichte des vom zu messenden Strom erzeugten und im Ringkern gebündelten Magnetfeldes ist, und mit einer Spu­ lenwicklung, deren Windungen aus U-förmigen, den Ringkern je­ weils umgreifenden Leiterbügeln und auf der gedruckten Schaltungsplatine passend angeordneten Leiterbahnen zusammen­ gesetzt sind, wobei die offenen Enden der U-förmigen Leiter­ bügel mit den Enden der jeweils zugeordneten Leiterbahnen me­ chanisch und elektrisch in der Weise verbunden sind, daß sich über die Leiterbahnen ein elektrischer Rückschluß der U-förmigen Leiterbügel und damit ein Verhalten der aus den Leiterbahnen und den U-förmigen Leiterbügeln gebildeten Kom­ bination entsprechend einem um den Ringkern gewickelten Draht ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den U-förmigen Leiterbügeln (6) und den Leiterbahnen (8) zusammengesetzte Spulenwicklung den Leiter für den zu messenden Strom bildet, daß das Hallelement (3) auf der gedruckten Schaltungspla­ tine (7) befestigt und dort auch elektrisch angeschlossen ist und daß zur Temperaturkompensation der Ausgangsspannung des Hallelements (3)auf der gedruckten Schaltungsplatine (7) zusätzlich eine Schaltung oder eine Verarbeitungseinheit angeordnet ist.1. Device for the galvanically separated measurement of a current flowing in a conductor using a ring core with an air gap applied to a printed circuit board, in which a linear Hall element is introduced, the output voltage of which is proportional to the magnetic flux density of the current to be measured and is bundled in the toroidal magnetic field, and with a spool lenwick, whose windings of U-shaped, the toroid ever surrounding conductor brackets and on the printed circuit board suitably arranged conductor tracks are put together, with the open ends of the U-shaped conductor bracket with the ends the respectively assigned conductor tracks me mechanically and electrically connected in such a way that an electrical inference of the U-shaped conductor bracket and thus a behavior of the combination of the conductor tracks and the U-shaped conductor bracket are combined according to a combination via the conductor tracks the toroid wound wire results, characterized in that the coil winding composed of the U-shaped conductor brackets ( 6 ) and the conductor tracks ( 8 ) forms the conductor for the current to be measured, that the Hall element ( 3 ) on the printed circuit board ( 7 ) is attached and also electrically connected there and that a circuit or a processing unit is additionally arranged on the printed circuit board ( 7 ) for temperature compensation of the output voltage of the Hall element ( 3 ). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als flaches Plättchen ausgebildete Hallelement (3) senk­ recht stehend in die gedruckte Schaltungsplatine (7) an die dort passend angeordneten Anschlußstellen angelötet ist, daß der Ringkern (1) auf die gedruckte Schaltungsplatine und an das Hallelement geklebt ist und daß die den Ringkern umgrei­ fenden U-förmigen Leiterbügel (6) mit ihren Enden in die ge­ druckte Schaltungsplatine und zwar jeweils an zwei Anschlußstellen an Enden zweier zugeordneter Leiterbahnen (8) gelötet sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the Hall element ( 3 ) designed as a flat plate is soldered vertically upright into the printed circuit board ( 7 ) to the connection points arranged there in such a way that the toroidal core ( 1 ) on the printed circuit board and is glued to the Hall element and that the ring core umgrei fenden U-shaped conductor bracket ( 6 ) with its ends in the ge printed circuit board and in each case at two connection points at the ends of two assigned conductor tracks ( 8 ) are soldered. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Temperaturkompensation der temperaturabhängigen Ausgangsspannung
UHALL(T) = UHALL0(T) + K(T).kgeom.Imess.IV
des Hallelements, wobei UHALL0(T) = UHALLO.(1 + TCVR10.dT) die temperaturabhängige ohmsche Offset-Spannung des Hallelements mit der Offset-Spannung UHALL0 des Hallelements bei 20°C und dem aus Datenblättern oder durch Messung selbst ermittelbaren Temperaturkoeffizienten TCVR10 der Offset-Spannung ist, K(T) = K0.(1 + TCV20) die temperaturabhängige Verstärkung des Hallelements mit der Verstärkung K0 bei 20°C und dem aus Da­ tenblättern oder durch Messung selbst ermittelbaren Tempe­ raturkoeffizienten TCV20 der Verstärkung ist, kgeom eine sich aus dem Aufbau (Luftspaltlänge usw.) ergebende Konstante und Imess der zu messende Strom und IV der Versorgungsstrom des Hallelements ist, bei konstantem Versorgungsstrom IV die am Hallelement anliegende Versorgungsspannung UV als Maß für die Temperatur des Hallelements gemessen und daraus die Offset- Spannung des Hallelements in der Schaltung oder in der Verarbeitungseinheit berechnet wird und diese zunächst von der gemessenen Ausgangsspannung UHALL(T) des Hallelements abgezogen wird, so daß sich eine offset-korrigierte Ausgangs­ spannung UHALL(T)off_korr = K(T).kgeom.Imess.IV des Hallelements ergibt, und daß die Korrektur der Verstärkung entweder durch Variation des Versorgungsstromes IV oder durch Teilung der offset-korrigierten Ausgangsspannung UHALL(T)off_korr des Hallelements durch (1 + TCV20) erfolgt, so daß als Ergebnis eine temperaturkompensierte Ausgangsspannung UHALL = K0.kgeom.Imess.IV = const..Imess des Hallelements erhalten wird.
3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that for temperature compensation of the temperature-dependent output voltage
U HALL (T) = U HALL0 (T) + K (T) .k geom .I mess .I V
of the Hall element, where U HALL0 (T) = U HALLO . (1 + TC VR10 .dT) is the temperature-dependent ohmic offset voltage of the Hall element with the offset voltage U HALL0 of the Hall element at 20 ° C and from data sheets or by measurement itself Ascertainable temperature coefficient TC VR10 of the offset voltage, K (T) = K0. (1 + TC V20 ) is the temperature-dependent gain of the Hall element with the gain K0 at 20 ° C and the temperature coefficient TC V20 that can be determined from data sheets or by measurement the gain, k geom a from the structure (air gap length, etc.) resulting constant and I meas is the Hall element current to be measured and I V, the supply current, with a constant supply current I V is the applied to the Hall element supply voltage U V as a measure of Temperature of the Hall element is measured and from this the offset voltage of the Hall element in the circuit or in the processing unit is calculated and this is measured first by the its output voltage U HALL (T) of the Hall element is subtracted, so that an offset-corrected output voltage U HALL (T) off_korr = K (T) .k geom .I mess .I V of the Hall element results, and that the correction of Gain either by varying the supply current I V or by dividing the offset-corrected output voltage U HALL (T) off_korr of the Hall element by (1 + TC V20 ), so that the result is a temperature-compensated output voltage U HALL = K0.k geom .I mess .I V = const..I mess of the Hall element is obtained.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Realisierung der Temperaturkompensation in Form einer analogen Schaltung.4. Device according to claim 3, characterized by the Realization of the temperature compensation in the form of a analog circuit. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Realisierung der Temperaturkompensation in Form einer digita­ len, die Berechnungen ausführenden Verarbeitungseinheit.5. Device according to claim 3, characterized by the Realization of the temperature compensation in the form of a digita len, the processing unit performing the calculations.
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