DE10145655A1

DE10145655A1 - Schaltungsanordnung für einen gradiometrischen Stromsensor sowie ein die Schaltungsanordnung aufweisender Sensorchip

Info

Publication number: DE10145655A1
Application number: DE10145655A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Buchhold
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-09-15
Filing date: 2001-09-15
Publication date: 2003-04-10
Also published as: US20040239322A1; WO2003025604A1; EP1432996A1; JP2005503565A; US7030601B2

Abstract

Um eine Schaltungsanordnung für einen gradiometischen Stromsensor, mit einer Brückenschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke zur Messung von Gradienten der magnetischen Feldstärke eines stromdurchflossenen Leiters, mit vier magnetoresistiven Widerständen, von denen jeweils zwei Widerstände eine Teilbrücke bilden, wobei die Teilbrücken symmetrisch zu Teilleitern des stromdurchflossenen Leiters angeordnet sind und mit einer der Brückenschaltung zugeordneten Kompensationsschaltung, die den magnetoresistiven Widerständen zugeordnete, mit einem Kompensationsstrom beaufschlagbare Kompensationsleiter umfaßt, zu schaffen, mittels der in einfacher Weise Montagetoleranzen kompensierbar sind, ist vorgesehen, daß die Teilbrücken (22, 24) jeweils mit einem separaten Kompensationsstrom (I¶comp1,¶ I¶comp2¶) beaufschlagbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen gradiometrischen Stromsensor, mit einer Brückenschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke zur Messung von Gradienten der magnetischen Feldstärke eines stromdurchflossenen Leiters, mit vier magnetoresistiven Widerständen, von denen jeweils zwei Widerstände eine Teilbrücke bilden, wobei die Teilbrücken symmetrisch zu Teilleitern des stromdurchflossenen Leiters angeordnet sind, und mit einer der Brückenschaltung zugeordneten Kompensationsschaltung, die den magnetoresistiven Teilbrücken zugeordnete, mit einem Kompensationsstrom beaufschlagbare Leiter umfaßt.
Schaltungsanordnungen der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So beschreibt beispielsweise die EP 0 607 595 A2 einen Sensorchip mit in Form einer Wheatstone-Brücke geschalteten magnetoresistiven Widerständen. Die magnetoresistiven Widerstände sind hier parallel und symmetrisch zu einer gedachten Mittelachse angeordnet, wobei die Brückenzweige der Wheatstone-Brücke jeweils einen magnetoresistiven Widerstand auf jeder Seite der gedachten Mittelachse aufweisen.
An den magnetoresistiven Widerständen sind gegen diese isolierte Dünnschicht-Streifenleiter vorgesehen, die mit einem Kompensationsstrom beaufschlagbar sind, der die durch den zu messenden Strom erzeugten magnetischen Felder kompensiert. Durch eine derartige bekannte Schaltungsanordnung wird erreicht, daß ein durch den zu überwachenden stromdurchflossenen Leiter fließender Strom potentialfrei gemessen werden kann. Mittels der Brückenzweige der Wheatstone-Brücke werden durch den Stromfluß entstehende Magnetfeldgradienten, die dem Strom proportional sind, kompensierend gemessen. Durch die symmetrische Anordnung der Teilbrücken haben externe Störmagnetfelder keinen Einfluß auf die Messung, da diese auf die symmetrischen Teilbrücken in gleichem Maße einwirken.
Aus der EP 0 607 595 A2 ist ferner bekannt, der Wheatstone-Brücke einen änderbaren Widerstand zuzuordnen, der mechanisch oder durch Lasereinwirkung getrimmt werden kann, um die Symmetrie der Gesamtanordnung einzustellen.
Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist nachteilig, daß Montagetoleranzen eines die Schaltungsanordnung aufweisenden Sensorchips zu dem stromdurchflossenen Leiter zu unterschiedlichen Beträgen der magnetischen Feldstärke im Bereich der Teilbrücken führen, die nicht mehr mit betragsgleichen Gegenfeldern kompensiert werden können. Eine Kompensation derartiger Montagetoleranzen mittels des Trimmens des änderbaren Widerstandes ist nicht möglich bzw. mit großen Meßfehlern behaftet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen gradiometrischen Stromsensor sowie einen Stromsensor zu schaffen, bei denen in einfacher Weise Montagetoleranzen kompensierbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß die Teilbrücken der Wheatstone- Brücke, die symmetrisch zu den Teilleitern des stromdurchflossenen Leiters angeordnet sind, jeweils mit einem separaten Kompensationsstrom beaufschlagbar sind, wird in einfacher Weise eine Kompensation von insbesondere durch Montagetoleranzen hervorgerufenen, unterschiedlich starken Magnetfeldern im Bereich der Teilbrücken möglich. Während einer Kalibrierroutine kann das Verhältnis der dann separaten Kompensationsströme so eingestellt werden, daß es dem Verhältnis der durch den zu messenden Strom erzeugten magnetischen Feldstärken im Bereich der Teilbrücken entspricht. Der mittlere beziehungsweise der gesamte Kompensationsstrom aus den zwei Teil-Kompensationsströmen ist dann ein genaues Maß für den zu messenden Strom. Die Kompensation von Montagetoleranzen oder Bauelementetoleranzen ist somit in genauem Maße auf elektronischem Wege möglich, so daß auf ein Trimmen eines Kompensationswiderstandes verzichtet werden kann. Durch Wegfall des Kompensationswiderstandes wird die gesamte Schaltungsanordnung auch im Aufbau einfacher und somit kostengünstiger.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die schematisch einen Sensorchip mit einer Schaltungsanordnung zur gradiometrischen Strommessung zeigt, näher erläutert.
Die Figur zeigt einen insgesamt mit 100 bezeichneten Sensorchip, der eine Schaltungsanordnung 12 umfaßt. Die Schaltungsanordnung 12 weist eine Brückenschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke auf. Die Wheatstone-Brücke besitzt vier magnetoresistive Widerstände 14, 16, 18 und 20. Die Widerstände 14 und 16 bilden hierbei eine erste Teilbrücke 22 während die Widerstände 18 und 20 eine zweite Teilbrücke 24 bilden. Die Brückenschaltung ist in bekannter Weise mit einer Versorgungsspannung V_CC beaufschlagbar und als Ausgangssignal ist eine Ausgangsspannung V_OUT abgreifbar. Aufbau und Wirkungsweise derartiger Brückenschaltungen sind allgemein bekannt, so daß hierauf im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht näher eingegangen wird. Die magnetoresistiven Widerstände 14, 16, 18 und 20 besitzen hier angedeutete Barberpol-Strukturen 26, die dafür sorgen, daß nur ein anliegender Feldgradient die Brückenschaltung ansteuert.
Die Teilbrücken 22 und 24 sind symmetrisch zu Teilleitern 28 beziehungsweise 30 eines stromdurchflossenen Leiters 32 angeordnet. Der Leiter 32 wird von einem Strom I_mess durchflossen, der mittels des Sensorchips 100 bestimmt werden soll. Der Sensorchip 100 ist auf einem Träger 34 angeordnet, so daß die Schaltungsanordnung 12 gegenüber dem elektrischen Leiter 32 isoliert ist.
Die Schaltungsanordnung 12 umfaßt ferner eine Kompensationsschaltung 36. Die Kompensationsschaltung 36 umfaßt unterhalb der magnetoresistiven Widerstände 14, 16, 18 und 20 angeordnete und gegen diese elektrisch isolierte Kompensationsleiter 38 bzw. 38', wobei der Kompensationsleiter 38 den Widerständen 14 und 16 und der Kompensationsleiter 38' den Widerständen 18 und 20 zugeordnet sind. Der Kompensationsleiter 38 ist mit einem Eingangsanschluß 40 einerseits und mit einem festen Spannungspotential GND andererseits verbunden. Der Kompensationsleiter 38' ist mit einem Eingangsanschluß 42 und ebenfalls mit dem festen Spannungspotential GND verbunden. Es wird deutlich, daß die Kompensationsschaltung 36 hierdurch in separate, den jeweiligen Brückenzweigen 22 beziehungsweise 24 zugeordnete Kompensationskreise unterteilt ist.
Die in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung 12 zeigt folgende Funktion:
Der Leiter 32 und somit die Teilleiter 28 und 30 werden von dem zu messenden Strom I_mess durchflossen. Hierbei entsteht ein Magnetfeldgradient, der dem zu messenden Strom I_mess proportional ist. Die Magnetfelder werden durch die Teilbrücken 22 und 24 erfaßt. Entsprechend der einwirkenden Magnetfelder ändert wenigstens einer der magnetoresistiven Widerstände seinen Widerstandswert, so daß bei konstanter Eingangsspannung V_CC die Ausgangsspannung V_OUT der Wheatstone-Brücke sich ändert. Die Ausgangsspannung V_OUT wird einer Auswerteschaltung zugeführt, über die die Kompensationsströme I_comp1 bzw. I_comp2 generierbar sind. Diese Auswerteschaltung wird nunmehr die Kompensationsströme I_comp1 und/oder I_comp2 derart generieren, daß die Ausgangsspannung V_OUT der Wheatstone-Brücke gegen Null geht. Somit ist die Größe der Kompensationsströme I_comp ein Maß für den Magnetfeldgradienten und somit für die Größe des zu messenden Stromes I_mess.
Durch die Trennung der Kompensationsströme in die Kompensationszweige 38 und 38' stehen zwei Kompensationsströme I_comp1 und I_comp2 zur Verfügung, deren Verhältnis durch die Auswerteschaltung so eingestellt wird, daß es dem Verhältnis der durch den Strom I_mess erzeugten magnetischen Feldstärken im Bereich der jeweiligen zugeordneten Teilbrücken 22 beziehungsweise 24 entspricht. Der sich aus den Kompensationsströmen I_comp1 und I_comp2 ergebende mittlere oder gesamte Kompensationsstrom ist dann ein sehr genaues Maß für den zu messenden Strom I_mess. Durch die Aufteilung in die zwei Kompensationszweige 38 und 38' werden Fertigungstoleranzen und/oder Montagetoleranzen bei der Kompensation berücksichtigt.
Somit wird in einfacher Weise eine kompensierende gradiometrische Strommessung realisiert. Der Sensorchip 100 zeichnet sich durch einen kleinen, nur geringen Bauteileaufwand verursachenden Aufbau aus. Durch die Kompensation ist eine Unempfindlichkeit gegen homogene externe Magnetfelder gegeben. Ferner lassen sich Montagetoleranzen, alterungsbedingte Toleranzen, Bauelementetoleranzen oder dergleichen in einfacher Weise kompensieren. Schließlich läßt sich durch einen gleichen Offset beider Kompensationsströme I_comp1 und I_comp2 der Offset der gesamten Wheatstone-Brücke elektronisch kompensieren. Ein Trimmen der Wheatstone-Brücke zur Kompensation derartiger Offsets ist somit ebenfalls nicht mehr notwendig. BEZUGSZEICHENLISTE 100 Sensorchip
12 Schaltungsanordnung
14, 16, 18, 20 Widerstände
22 erste Teilbrücke
24 zweite Teilbrücke
26 Barberpol-Strukturen
28, 30 Teilleiter
32 Leiter
34 Träger
36 Kompensationsschaltung
38, 38' Kompensationsleiter
40 Eingangsanschluss
42 Eingangsanschluss
V_CC Versorgungsspannung
V_OUT Ausgangsspannung
I_comp1 Kompensationsstrom
I_comp2 Kompensationsstrom
I_mess Strom
GND Spannungspotential

Claims

1. Schaltungsanordnung für einen gradiometischen Stromsensor, mit einer Brückenschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke zur Messung von Gradienten der magnetischen Feldstärke eines stromdurchflossenen Leiters, mit vier magnetoresistiven Widerständen, von denen jeweils zwei Widerstände eine Teilbrücke bilden, wobei die Teilbrücken symmetrisch zu Teilleitern des stromdurchflossenen Leiters angeordnet sind, und mit einer der Brückenschaltung zugeordneten Kompensationsschaltung, die den magnetoresistiven Widerständen zugeordnete, mit einem Kompensationsstrom beaufschlagbare Kompensationsleiter umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbrücken (22, 24) jeweils mit einem separaten Kompensationsstrom (I_comp1, I_comp2) beaufschlagbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung (36) separat geschaltete Kompensationsleiter (38, 38') umfaßt, die den Widerständen (14, 16) bzw. den Widerständen (18, 20) zugeordnet sind.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsleiter (38) mit einem Eingangsanschluß (40) und mit einem festen Spannungspotential (GND) und der Kompensationsleiter (38') mit einem Eingangsanschluß (42) und dem festen Spannungspotential (GND) verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eingangsanschlüsse (40, 42) die separaten Kompensationsströme (I_comp1, I_comp2) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (V_OUT) der Brückenschaltung legbar sind.

5. Sensorchip, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (12) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4.