DE10052171A1 - Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit schwimmender Bürde - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist ein Stromsensor oder Magnetfeldsensor nach dem Kompensationsprinzip, welcher an eine Versorgungsspannung U¶+¶, U¶-¶ mit Mittenpotential U¶ref¶ anschließbar ist mit mindestens einer Kompensationsspule 2, 3 und einem Bürdenwiderstand R¶a¶ mit folgender Besonderheit: Nach dem Einschwingen der Schaltung liegt an einer ersten Klemme 7 des Bürdenwiderstands R¶a¶ ein Referenzpotential U¶ref¶·a· an. An der zweiten Klemme 8 liegt das Ausgangspotential U¶a¶ = U¶ref¶·a· + (R¶a¶ È I¶k¶) an. Der Bürdenwiderstand R¶a¶ ist so mit einem oder mehreren weiteren Verstärkungselementen 6 verbunden, daß das am Ausgang 7, 8 des Stromsensors oder Magnetfeldsensors anliegende Referenzpotential U¶ref¶·a· durch die ein oder mehreren weiteren Verstärkungselemente 6 auf ein von außen innerhalb des Versorgungsspannungsbereichs frei vorgebbares Referenzpotential U¶ref¶·e· geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Es sind bereits eine Vielzahl von Stromsensoren nach dem Kom­ pensationsprinzip unterschiedlicher Bauart im Stand der Tech­ nik vorgeschlagen worden. So wird in der EP-A-0 742 440 und den mit dieser Schrift in Zusammenhang stehenden Gebrauchs­ mustern DE-U-295 20 066 und DE-U-295 07 675 ein Stromwandler nach dem Kompensationsprinzip beschrieben, bei dem in die Primärwicklung eines Ringkerns ein Meßstrom eingespeist wird. Mittels einer Magnetfeldsonde, die an einen Treiber (Gegen­ taktendstufe) angeschlossen ist, der den Sekundärstrom re­ gelt, wird das Magnetfeld im Ringkern vollständig auf einen verschwindend kleinen Wert geregelt. Der Sekundärstrom ist dann ein Maß für den in der Primärspule fließenden Meßstrom. Als Magnetkerne für die Magnetfeldsonde kommen häufig strei­ fenförmige Magnetmaterialien mit einer rechteckförmigen Mag­ netisierungsschleife, wie Beispielsweise VITROVAC 6025 (Fa. Vacuumschmelze GmbH) zum Einsatz.

Wird dieser Magnetkern wechselseitig in die Sättigung getrie­ ben, kann das Magnetfeld besonders elegant über eine Ver­ schiebung der B(H)-Magnetisierungs-Kurve auf der H-Achse be­ stimmt werden. Dieses Prinzip wird in der DE 198 44 726 aus­ führlich beschrieben.

Kompensationsstromwandler führen demnach in der Kompensati­ onsspule einen Strom, der zum Primärstrom proportional ist. Die Stromstärke des Sekundärstroms wird üblicherweise mit ei­ nem "Shunt"- oder Bürdenwiderstand in ein Spannungssignal um­ gewandelt. Die sog. "Bürde" kann enweder "schwimmend" ge­ schaltet sein oder auf einem fest vorgegebenen Potential lie­ gen.

Die in den o. e. Druchschriften vorgeschlagenen Stromsensoren sehen eine schwimmende Bürde vor. Die Schaltungsanordnungen sind jedoch relativ aufwendig und somit kostenintensiv, da für die Auswertung des Spannungssignals an der Bürde eine Auswerteschaltung beispielsweise in Form eines Operations­ verstärkers vorhanden sein muß.

Ein weiterer Stromsensor ist aus der DE 196 42 472 A bekannt. Bei dieser Bauart wird die Endstufe für den Kompensations­ strom über eine getaktete Endstufe angesteuert. Die Steuer­ größe für die Endstufe wird über ein frequenzmoduliertes Sig­ nal mit konstanter Pulslänge angesteuert.

Eine Ansteuerung der Endstufe mit einem Pulsweitenmodulati­ onsverfahren ist aus der DE 197 05 767 C2 bekannt. Durch die Pulsweitenmodulation ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Leistungsbedarfs der elektronischen Schaltung.

Die DE 198 44 726 beschreibt einen Stromsensor, bei dem eine Klemme des Bürdenwiderstandes entweder an einem festen Poten­ tial (Masse) anliegt oder aber der Spannungsabfall an der Kompensationsspule zur Bildung eines Ausgangssignals herange­ zogen wird. Das Ausgangssignal des Stromsensors wird in ein frequenzmoduliertes oder pulsweitenmoduliertes Signal umge­ wandelt. Der Stromsensor ist ferner mit einer Einrichtung zur Erkennung von Sensorfehlern (z. B. Latch-up) ausgestattet.

Wie weiter oben beschrieben sind Kompensationsstromsensoren mit schwimmender Bürde schaltungsaufwendig. In der deutschen Patentanmeldung P 199 36 860 wird daher die Bürde mit einer verlustfreien "sink-source"-Referenzspannungsquelle verschal­ tet, die an ihrem Ausgang die halbe Versorgungsspannung lie­ fert. An einem Meßausgang der Schaltung liegt dann eine Span­ nung an, die proportional zum Meßstrom ist und eine Informa­ tion über die Stromrichtung des Primärstroms enthält.

Der in der EP 0 691 544 A2 beschriebene Stromsensor arbeitet mit zwei Kompensationsspulen, die mit einer schwimmenden Bür­ de verschaltet sind. Durch die Aufteilung der Kompensations­ spule in zwei Teilwicklungen läßt sich bei gleichem Innenwi­ derstand durch symmetrische Belastung der Versorgungsspannung bei gleichem Innenwiderstand der Teilwicklungen ein doppelt so hoher Kompensationsstrom erreichen. Nachteil dieser Schal­ tungsanordnung ist, daß eine niederohmige Referenzstromquelle benötigt wird, wodurch der Stromsensor bei einer Massenpro­ duktion zu hohe Kosten verursachen würde. Insbesondere wenn nur eine unipolare Spannungsversorgung (z. B. 14 V in einem Kraftfahrzeug) zur Verfügung steht, wird eine aufwendige Re­ ferenz-"sink-source" benötigt.

Es besteht somit immer noch der Bedarf nach einem kostengüns­ tigen Stromsensor mit möglichst hoher Ausnutzung des durch eine Stromversorgung vorgegebenen Versorgungsspannungshubs.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Strom­ sensor oder Magnetfeldsensor nach dem Kompensationsprinzip gemäß Anspruch 1.

Die Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich gleichermaßen ne­ ben einer Messung von Strömen auch zur Messung von Magnetfel­ dern einsetzen. Im Falle der Strommessung muß der Kern des Sensors mit einer Primärspule bewickelt sein, wobei hier auch eine sehr geringe Windungszahl (z. B. durchgeführter Leiter) vorliegen kann. Werden Magnetfelder gemessen, so wird das Meßmagnetfeld durch die Kompensationspule(n) geleitet. Dies kann bevorzugt unter Zuhilfenahme eines geeigneten Magnet­ kerns erfolgen. Anstelle des durchgeführten Leiters beim Stromsensor wird beim Magnetfeldsensor insbesondere ein ent­ sprechender Magnetstab durchgeführt.

Nachfolgend wird zur Vereinfachung der Begriff "Stromsensor" anstelle von "Stromsensor oder Magnetfeldsensor" verwendet.

Erfindungsgemäß ist der Stromsensor an eine Versorgungsspan­ nung mit Mittenpotential anschließbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei oder mehrere Kompensationsspulen vorhanden, die so mit dem Ausgang des ersten Verstärkungsbaustein verbunden sind, daß sich der durch die Sekundärspulen erzeugte Kompensations­ magnetfluß zu einem gemeinsamen Kompensationsmagnetfluß ad­ diert und der volle Spannungsbereich der Versorgungsspannung ausgenutzt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist genau eine Kompensationsspule vorhanden ist, deren erster Anschluß mit dem Ausgang des ersten Verstärkungsbaustein verbunden ist und deren zweiter Anschluß mit dem Bürdenwiderstand R_a verbunden ist.

Vorzugsweise ist der Innenwiderstand der Kompensationsspule so dimensioniert, daß dieser nahezu oder ganz dem Widerstand des Bürdenwiderstands R_a entspricht.

Das weitere Verstärkungselement ist vorzugsweise ein Diffe­ renzverstärker, dessen erster Eingang mit dem das Referenzpo­ tential führenden Ausgang U_ref ^a am Bürdenwiderstand und dessen zweiter Eingang mit dem am Stromsensor anliegenden Referenz­ potential U_ref ^e verbunden ist.

Die zwei oder mehrere Kompensationsspulen bestehen bevorzugt aus jeweils zwei oder mehreren gemeinsam gewickelten oder ge­ führten Stromleitern.

Dies ist inbesondere deshalb von Vorteil, da gemäß der Erfin­ dung die Referenzspannung am Meßwiderstand elektronisch hoch­ ohmig geregelt wird. Zur Messung von Strömen mit hohen Fre­ quenzanteilen ist es daher zweckmäßig, daß die Kopplung von Primärwicklung zu einer Teilwicklung genauso groß ist, wie zur zweiten oder den ggf. vorhandenen weiteren Teilwicklun­ gen der Kompensationsspule. Ferner ist es zweckmäßig, daß die Innenwiderstände der Stromzweige zu den Teilwicklungen im Kompensationsspulenbereich im wesentlichen gleich groß sind.

Besonders bevorzugt sind im Falle eines Stromsensors mit eine Primärwicklung I₁, durch die der Meßstrom fließt, zur Erzeu­ gung einer gleichmäßigen Magnetflußkreis-Kopplung vorzugswei­ se die Primärwicklung ebenfalls wie die Sekundärwicklungen gemeinsam über den gleichen Kernabschnitt, insbesondere im gleichen Wickelraum, des Stromsensormagnetkerns geführt (Tan­ demwicklung).

Ganz besonders bevorzugt ist auch die Primärwicklung über den gleichen Kernabschnitt geführt. Der Stromsensor läßt sich je­ doch auch betreiben, wenn die Primärwicklung über einen an­ deren Bereich des Kerns geführt ist.

Vorteilhafterweise läßt sich der erfindungsgemäße Stromsen­ sor, was bevorzugt ist, in einem ASIC integrieren. Besonders bevorzugte Verstärkungselemente gemäß der Erfindung sind dann PWM-Treiber. Werden allerdings nur Kompensationsströme von weniger als etwa 200 mA benötigt, so läßt sich eine Integra­ tion in einen ASIC auch mittels linearer Treiber realisieren.

Der Stromsensor gemäß der Erfindung weist eine erheblich ge­ ringere Verlustleistung P_verl auf, als bekannte Stromsensoren. Zum Beispiel im Vergleich zum bereits diskutierten Stromsen­ sor mit schwimmender Bürde, wie er in der deutschen Patentan­ meldung P 199 36 860 beschrieben ist, weist der erfindungsge­ mäße Stromsensor eine Verlustleistung auf, die um den Faktor 4 geringer ist:

Die Verlustleistung berechnet sich beim bekannten Stromsensor durch die Formel

P_verl = U_ref ^e.I.

Der Stromsensor gemäß der Erfindung weist eine Verlustleis­ tung von

P_verl = (U_ref ^e - I.R_a).I auf.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Beispielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher erleutert. Weitere bevor­ zugte Ausführungsformen ergeben sich aus der Figurenbeschrei­ bung.

Es zeigen

Fig. 1a und 1b Schaltungsanordnungen für erfindungsgemäße Stromsensoren mit einer Sekundärspule,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines erfindungsge­ mäßen Stromsensors mit zwei Sekundärspulen und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bewickel­ ten Magnetkerns mit Tandemwicklung.

Der Stromsensor in Fig. 1a wird an eine Spannungsquelle mit den Klemmen U_ref ^e, U₊ und U_- angeschlossen. Beispiele für ent­ sprechend zuzuordnende Spannungen sind 2,5 V, 5 V und 0 V o­ der 0 V, 15 V und -15 V.

Der Magnetfeldsensor 15 nimmt das Magnetfeld im Kernbereich des Stromsensors auf, welches durch den Primärstrom I₁ (Meß­ strom) erzeugt wird. Das Signal wird im Auswerteelement 4 ausgewertet und in ein Spannungssignal umgewandelt, welches dem Treiber 5 zugeführt ist. Der Ausgang von Treiber 5 ist über Leitung 10 an eine erste Klemme 9 der Kompensationsspule 2 verbunden. Die zweite Klemme der Kompensationsspule ist mit einem ersten Eingang eines weiteren Treibers 6 und einer ers­ ten Klemme von Widerstand R_a (Bürde) verbunden. Diese erste Klemme von R_a ist mit einem Ausgang 7 (U_ref ^a) des Stromsen­ sors verschaltet. Der zweite Ausgang des Stromsensors 8 ist mit der zweiten Klemme von R_a und dem Ausgang des weiteren Treibers 6 verbunden. Schließlich besteht eine Verbindung zwischen Klemme U_ref ^e und dem zweiten Eingang des weiteren Treibers 6.

Im Betrieb des Stromsensors bewirkt der Anstieg des Stroms von Treiber 6 eine Verschiebung des Potentials U_ref ^a solange, bis sich das Potential U_ref ^a und U_ref ^e einander angeglichen ha­ ben.

In Fig. 1b ist ein Stromsensor dargestellt, der im Vergleich zu Fig. 1a einen gespiegelten Aufbau hat. Die Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise entspricht im wesentlichen der von Fig. 1a.

Die Stromsensorschaltung in Fig. 2 ist durch zwei Kompensati­ onsspulen 2 und 3 gekennzeichnet, die beide symmetrisch mit dem Bürdenwiderstand R_a verbunden sind. Die Schaltung unterscheidet sich von der Schaltung in Fig. 1a dadurch, daß zwi­ schen dem Ausgang des weiteren Treibers 6 und der zweiten Klemme von R_a eine zusätzliche Kompensationsspule 3 geschal­ tet ist.

Im Beispiel entspricht die Kopplung an den Primärkreis der zweiten Spule durch eine Tandemwicklung der der ersten Spule. Die Innenwiderstände der Stomzweige, die die Kompensations­ spulen treiben, sind dann praktisch gleich groß.

In Fig. 3 ist der Spulenaufbau des Stromsensors schematisch dargestellt. Der Magnetkern 50, der auch unterbrochen sein kann, bildet einen geschlossenen Magnetflußkreis. Um den Kern 50 sind die Windungen von Primär-"Spule" 11 und Kompensati­ onsspulen 20, 30 aufgebracht. Die Primär-"Spule" kann aus mehreren Windungen bestehen oder nur aus einer am Kern vor­ beigeführten Drahtschleife 11. Im Kernabschnitt 40 ist die Tandemwicklung durch gleichzeitiges Wickeln der beiden Drähte 20, 30 augebracht.

Claims (6)

1. Stromsensor oder Magnetfeldsensor nach dem Kompensations­ prinzip, welcher an eine Versorgungsspannung (U₊, U_-) mit Mittenpotential (U_ref) anschließbar ist, mit oder ohne Pri­ märspule (1), mind. einer Kompensationsspule (2, 3) und ei­ nem Bürdenwiderstand R_a, wobei der Strom I_k in der Kom­ pensationsspule in Abhängigkeit vom Magnetfeld im Sensor­ magnetflußkreis mittels mindestens einem ersten Verstär­ kungsbaustein (5, 6) so geregelt wird, daß das Magnetfeld im Sensormagnetflußkreis verschwindet und am Bürdenwider­ stand eine zum Primärstrom I₁ proportionale Spannung U_a anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschwingen der Schaltung an einer ersten Klemme (7) des Bürdenwiderstands R_a schwimmend ein Refe­ renzpotential U_ref ^a anliegt, an der zweiten Klemme (8) von R_a das Ausgangspotential U_a = U_ref ^a + (R_a.I_k) anliegt, der Bürdenwiderstand R_a so mit einem oder mehreren weiteren Verstärkungselementen (6) verbunden ist, daß das am Aus­ gang (7, 8) des Stromsensors oder Magnetfeldsensors anlie­ gende Referenzpotential U_ref ^a durch die ein oder mehreren weitere Verstärkungselemente (6) auf ein von außen inner­ halb des Versorgungsspannungsbereichs frei vorgebbares Re­ ferenzpotential U_ref ^e geregelt wird und die Spannung U_ref ^a- U_a den zum Primärstrom bzw. zum messenden Magnetfeld pro­ portionalen Ausgang des Strom- bzw. Magnetfeldsensors bil­ det.

2. Stromsensor oder Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Kompensationsspulen (2, 3) vorhanden sind, die so mit dem Ausgang des ersten Verstärkungsbau­ stein verbunden sind, daß sich der durch die Sekundärspu­ len erzeugte Kompensationsmagnetfluß zu einem gemeinsamen Kompensationsmagnetfluß addiert und der volle Spannungsbereich der Versorgungsspannung ausgenutzt wird.

3. Stromsensor oder Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genau eine Kompensationsspule (2) vorhanden ist, deren erster Anschluß (9) mit dem Ausgang des ersten Verstär­ kungsbaustein (10) verbunden ist und deren zweiter Anschluß (12) mit dem Bürdenwiderstand R_a verbunden ist.

4. Stromsensor oder Magnetfeldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Verstärkungselement (6) ein Differenzver­ stärker ist, dessen erster Eingang (13) mit dem das Refe­ renzpotential führenden Ausgang U_ref ^a am Bürdenwiderstand und dessen zweiter Eingang (14) mit dem am Stromsensor an­ liegenden Referenzpotential U_ref ^e verbunden ist.

5. Stromsensor oder Magnetfeldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehrere Kompensationsspulen (2, 3) aus jeweils zwei oder mehreren gemeinsam gewickelten oder ge­ führten Stromleitern (20, 30) bestehen, so daß die magneti­ sche Kopplung der Kompensationsspulen zum gemeinsamen Sen­ sormagnetflußkreis im wesentlichen gleich ist.

6. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld im Sensormagnetflußkreis durch einen Magnetstab erzeugt wird, auf den ein äußeres Magnetfeld einwirkt.