-
Die Erfindung betrifft eine Stromsensoranordnung nach dem Kompensationsprinzip.
-
Stromsensoranordnungen dienen zur Bestimmung der elektrischen Stromstärke eines zu messenden Stromes und sind spezielle Messwandler, die nach unterschiedlichen Prinzipien betrieben werden. Stromsensoranordnungen, die nach dem Kompensationsprinzip arbeiten, auch Kompensationsstromsensoranordnungen oder kurz Kompensationsstromsensoren genannt, weisen in der Regel einen Magnetkern aus weichmagnetischem Material auf, der einen den zu messenden Strom führenden Primärleiter umschließt. Der zu messende Strom fließt durch den Primärleiter und erzeugt ein (primäres) Magnetfeld in dem Magnetkern, welches durch ein von einem Kompensationsstrom in einer um den Kern gewickelten Sekundärwicklung erzeugten (sekundären) Magnetfeld kompensiert wird. Hierzu wird der magnetische Fluss im Magnetkern mittels eines Magnetfeldsensors gemessen und mit Hilfe einer Auswerteschaltung gegen null geregelt, indem ein geeigneter Kompensationsstrom in die Kompensationswicklung eingespeist wird, der dann, wenn der resultierende magnetische Fluss im Magnetkern null ist, proportional zu dem zu messenden Primärstrom ist.
-
Es können allerdings während des Betriebs solcher Kompensationsstromsensoren kurzzeitig Spitzenströme auftreten, die deutlich über dem Nennstrom (Dauerstrom) liegen. Bei den üblichen Kompensationsstromsensoren ist das Verhältnis von zulässigem Spitzenstrom zu Nennstrom kleiner zwei. Vielfach ist jedoch ein Verhältnis von größer zwei, häufig auch größer drei, vorteilhaft. Dabei soll aber bei minimaler Verlustleistung das Übersetzungsverhältnis hoch sein, beispielsweise 1:5000. Eine dementsprechende Verbesserung bekannter Kompensationsstromsensoren ist daher wünschenswert.
-
Erreicht wird dies durch eine Stromsensoranordnung nach dem Kompensationsprinzip. Diese weist einen Primärleiter auf, der dazu ausgebildet ist, ein von einem ihn durchfließenden, zu messenden Strom abhängiges primäres Magnetfeld zu erzeugen. Ferner ist eine erste Sekundärwicklung, die dazu ausgebildet ist, ein von einem sie durchfließenden, ersten Kompensationsstrom abhängiges erstes sekundäres Magnetfeld zu erzeugen, und eine zweite Sekundärwicklung, die dazu ausgebildet ist, ein von einem sie durchfließenden, zweiten Kompensationsstrom abhängiges zweites sekundäres Magnetfeld zu erzeugen, vorgesehen. Die Anordnung weist ferner auf: einen Magnetfeldsensor, der dazu ausgebildet ist, ein Messsignal zu erzeugen, das ein von ihm erfasstes Magnetfeld repräsentiert; einen Magnetkern aus weichmagnetischem Material, der dazu ausgebildet und angeordnet ist, Primärleiter, erste Sekundärwicklung, zweite Sekundärwicklung und Magnetfeldsensor magnetisch miteinander zu koppeln; eine dem Magnetfeldsensor nachgeschaltete und der ersten Sekundärwicklung vorgeschaltete erste Auswerteschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen zum Messsignal des Magnetfeldsensors korrespondierenden ersten Kompensationsstrom zu erzeugen und damit die erste Sekundärwicklung zu speisen; und eine der zweiten Sekundärwicklung vorgeschaltete zweite Auswerteschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen zum ersten Kompensationsstrom korrespondierenden zweiten Kompensationsstrom zu erzeugen und damit die zweite Sekundärwicklung zu speisen. Dabei ist das vom Magnetfeldsensor erfasste Magnetfeld das aus der Überlagerung von primärem Magnetfeld, erstem sekundärem Magnetfeld und zweitem sekundären Magnetfeld resultierende Magnetfeld im Magnetkern ist. Der erste Kompensationsstrom und der zweite Kompensationsstrom werden durch die erste Auswerteschaltung und die zweite Auswerteschaltung so eingestellt, dass das vom Magnetfeldsensor erfasste resultierende Magnetfeld zu null wird. Der erste oder zweite Kompensationsstrom repräsentiert den im Primärleiter fließenden, zu messenden Strom und die zweite Auswerteschaltung weist eine Einrichtung auf, die den ersten Kompensationsstrom auswertet und proportional zum gemessenen ersten Kompensationsstrom den zweiten Kompensationsstrom einstellt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
-
1 in einer vereinfachten schematischen Darstellung den mechanischen Aufbau und die elektrische Verdrahtung eines beispielhaften verbesserten Kompensationsstromsensors mit zwei Kompensationswicklungen.
-
2 in einem Schaltbild eine erste beispielhafte Ausgestaltung des Kompensationsstromsensors nach 1 mit je einem Treiber für die Kompensationswicklungen.
-
3 in einem Schaltbild eine zweite beispielhafte Ausgestaltung des Kompensationsstromsensors nach 1 mit zwei Treibern in Vollbrückenschaltung und zwei Messwiderständen in Reihe zu den zwei Sekundärwicklungen.
-
4 in einem Schaltbild eine dritte beispielhafte Ausgestaltung des Kompensationsstromsensors nach 1 mit zwei Treibern in Vollbrückenschaltung und zwei jeweils zwischen zwei Teilwicklungen der zwei Sekundärwicklungen geschalteten Messwiderständen.
-
5 in einem Schaltbild eine vierte beispielhafte Ausgestaltung des Kompensationsstromsensors nach 1 mit zwei Treibern in Vollbrückenschaltung und vier auf Masse führenden und jeweils paarweise zwischen zwei Teilwicklungen der zwei Sekundärwicklungen geschalteten Messwiderständen.
-
6 in einem Schaltbild einen beispielhaften linearen Treiber, der eine von der Eingangsspannung abhängige lineare Ausgangsspannung erzeugt.
-
7 in einem Schaltbild einen beispielhaften gepulsten Treiber, der eine von der Eingangsspannung abhängige pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung erzeugt.
-
8 in einem Schaltbild einen beispielhaften linearen Treiber, der einen von der Eingangsspannung abhängigen linearen Ausgangsstrom erzeugt.
-
9 in einer schematischen Darstellung einen ringförmigen Magnetkern zur Verwendung bei dem in 1 gezeigten Kompensationsstromsensor.
-
10 in einem Schaltbild eine fünfte beispielhafte Ausgestaltung des Kompensationsstromsensors nach 1 mit einem Treiber in Vollbrückenschaltung und zwei auf Masse führenden und paarweise zwischen zwei Teilwicklungen der ersten Sekundärwicklung geschalteten Messwiderständen und einer Halbbrücke mit Messwiderstand für die zweite Kompensationswicklung.
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Beispiel eines verbesserten Kompensationsstromsensors. Der Kompensationsstromsensor weist vier Wicklungen 1, 2, 3 und 4 auf, die auf einem geschlossenen Magnetkern 5 aus weichmagnetischem Material wie beispielsweise Eisen oder Eisenlegierungen aufgewickelt sind. Im vorliegenden Fall hat der Magnetkern 5 die Form eines Ringkerns von rechteckförmiger Grundstruktur und rechteckförmigem Querschnitt (nicht ersichtlich aus 1). Der Magnetkern 5 hat aufgrund seiner rechteckförmigen Grundstruktur vier Schenkel, von denen zwei einander gegenüberliegende Schenkel mit zwei der Wicklungen 1, 2, 3 und 4 versehen sind. Dabei sind die Wicklungen 1 und 2 um einen dieser beiden Schenkel gewickelt, während die Wicklungen 3 und 4 um den anderen dieser beiden Schenkel gewickelt sind. Hierzu sind auf die beiden betreffenden Schenkel zunächst die Wicklung 1 bzw. 3 aufgebracht, auf die dann die Wicklung 2 bzw. 4 darüber gewickelt ist. Die Wicklungen 1 und 3 sind elektrisch in Reihe geschaltet und bilden zusammen eine erste Sekundärwicklung 21. Entsprechend sind die Wicklungen 2 und 4 elektrisch in Reihe geschaltet und bilden zusammen eine zweite Sekundärwicklung 22.
-
Anstelle des Magnetkerns 5 mit rechteckförmiger Grundstruktur und rechteckförmigem Querschnitt können jeweils beliebige Formen für Grundstruktur und Querschnitt verwendet werden, wie beispielsweise runde (vgl. 9), ovale, quadratische oder mehreckige Grundstrukturen und Querschnitte, sofern die Grundstruktur des Magnetkerns 5 eine geschlossene Form mit einer zentralen Öffnung ist. Unter einer geschlossenen Grundstruktur ist zu verstehen, dass die zentrale Öffnung vollständig oder bis auf einen relativ zum Gesamtumfang des Magnetkerns schmalen Luftspalt mit auf den Umfang der zentralen Öffnung bezogen geringer Spaltbreite umschließt. Es sind dabei beliebige Kombinationen auch unterschiedlicher Grundstrukturen und Querschnitte des Magnetkerns 5 möglich. Darüber hinaus können anstelle der jeweils übereinander gewickelten Wicklungen 1 und 2 bzw. 3 und 4 auch ineinander gewickelte oder entlang des Magnetkernumfangs abwechselnd abschnittsweise gewickelte Wicklungen vorgesehen werden.
-
Durch die zentrale Öffnung des Magnetkerns 5 ist ein Primärleiter 6 weit gehend geradlinig hindurchgeführt, in dem ein zu messender Strom, im Weiteren Primärstrom ip genannt, fließt. Anstatt den Primärleiter 6 mehr oder weniger geradlinig durch die zentrale Öffnung zu führen, kann dieser auch als weitere Wicklung, also als Primärwicklung, um den Magnetkern 5 gewickelt werden.
-
Des Weiteren ist ein Magnetfeldsensor 7 vorgesehen, der im vorliegenden Fall in einer fast allseits geschlossenen Ausnehmung in dem Magnetkern 5 unter der Wicklung 1 untergebracht ist. Als Magnetfeldsensor 7 kommen beispielsweise elektromagnetisch arbeitende Sensoren, die im einfachsten Fall selbst nur aus einer Wicklung bestehen, oder den so genannten Hall-Effekt nutzende Halbleitersensoren zur Anwendung. Der Magnetfeldsensor 7 kann alternativ auch außen an dem Magnetkern 5, an einer nach außen öffnenden Einbuchtung oder – sofern ein Luftspalt vorhanden ist – in diesem angeordnet sein.
-
Dem Magnetfeldsensor 7 ist eine erste Auswerteschaltung 8 nachgeschaltet, die ein vom Magnetfeldsensor 7 geliefertes Messsignal aufbereitet und ein hierzu korrespondierender Strom bereitstellt. Dieser Strom stellt den Kompensationsstrom is1 dar und wird von dem Magnetfeldsensor 7 in Verbindung mit der ersten Auswerteschaltung 8 so gesteuert, so dass der resultierende magnetische Fluss im Magnetkern 5 annähernd null ist und somit der Kompensationsstrom is1 proportional zum Primärstrom ip ist. Der Kompensationsstrom is1 wird durch die elektrische Reihenschaltung der Wicklung 1 und der Wicklung 3 (erste Sekundärwicklung 21) und dem Eingangskreis einer zweiten Auswerteschaltung 10 gegen Masse G (Bezugspotential) geleitet. Die Auswerteschaltung 10 misst dabei den ersten Kompensationsstrom is1 und erzeugt proportional zu dem ersten Kompensationsstrom is1 einen zweiten Kompensationsstrom is2, der durch die elektrische Reihenschaltung der Wicklung 2 und der Wicklung 4 (zweite Sekundärwicklung 22) und einem in Reihe dazu geschalteten ohmschen Widerstand 9 zur Masse G geleitet wird. Der zweite Kompensationsstrom is2 ist proportional dem ersten Kompensationsstrom is1 und kleiner als dieser. Er repräsentiert aufgrund der Proportionalität zum ersten Kompensationsstrom is1 auch den im Primärleiter fließenden, zu messenden Strom, den Primärstrom ip. Über dem Widerstand 9 kann folglich eine Spannung Um abgegriffen werden, die proportional dem zweiten Kompensationsstrom is2 ist, der wiederum proportional zum ersten Kompensationsstrom is1 und somit proportional zum zu messenden Primärstrom ip ist.
-
Die Windungszahl w21 der ersten Sekundärwicklung 21 ist dabei höher als die Windungszahl w22 der zweiten Sekundärwicklung 22 (w21 > w22). Da beim vorliegenden Beispiel erste und zweite Sekundärwicklung 21, 22 jeweils aus zwei identischen (Teil-)Wicklungen 1, 3 bzw. 2, 4 gebildet werden, ist vorgesehen, dass die Wicklungen 1 und 3 untereinander gleiche Windungszahlen w1 = w3 = 0,5·w21 und die Wicklungen 2 und 4 untereinander die gleiche Windungszahl w2 = w4 = 0,5·w22 aufweisen. Der Wicklungssinn der Wicklungen 1 bis 4 ist dabei derart, dass sie in Verbindung mit den sie durchfließenden Strömen im Magnetkern 5 gleichgerichtete magnetische Flüsse erzeugen. Darüber hinaus können die Drahtstärken der beiden Sekundärwicklungen 21 und 22 jeweils so gewählt werden, dass die Stromdichten in beiden (in etwa) gleich groß sind.
-
2 zeigt in einem Schaltbild beispielhaft eine mögliche weitergehende elektrische Verdrahtung des Kompensationsstromsensors nach 1. Der zu messende Primärstrom ip wird demnach durch den Primärleiter 6 geleitet, der bei dem in 2 gezeigten Beispiel als Primärwicklung dargestellt ist. Mit dem Primärleiter 6 sind über den Magnetkern 5 die erste Sekundärwicklung 21 und die zweite Sekundärwicklung 22 miteinander magnetisch gekoppelt. Der magnetische Fluss im Magnetkern 5 wird von dem Magnetfeldsensor 7 gemessenen und mittels der ersten Auswerteschaltung 8 ausgewertet, die davon abhängig den ersten Kompensationsstrom ist erzeugt. Dieser wird dann durch die erste Sekundärwicklung 21 hindurch zur zweiten Auswerteschaltung 10 geleitet, die daraus – wie oben bereits erläutert – den zweiten Kompensationsstrom is2 erzeugt. Der zweite Kompensationsstrom is2 wird durch die zweite Sekundärwicklung 22 sowie den dazu in Reihe liegenden Widerstand 9 geführt. Der durch den zweiten Kompensationsstrom is2 an dem Widerstand 9 hervorgerufene Spannungsabfall Um bildet dann die Ausgangsgröße, d. h. die den Primärstrom ip repräsentierende Größe.
-
Die Auswerteschaltung wird beim vorliegenden Beispiel durch eine differenzielle Eingangsstufe 13 gebildet, der der Magnetfeldsonde 7 nachgeschaltet ist und der aus dem schwimmenden Ausgangssignal der Magnetfeldsonde 7 ein auf Masse G bezogenes korrespondierendes Ausgangssignal – im vorliegenden Fall eine Ausgangsspannung – erzeugt. Die Eingangsstufe 13 ist entsprechend dem jeweils verwendeten Magnetfeldsensortyp (zum Beispiel Hallsensor oder magnetischer Sensor) in üblicher Weise ausgebildet, so dass auf deren Ausgestaltung hierin nicht im Einzelnen eingegangen werden soll. Bezeichnend für die Eingangsstufe 13 ist allerdings, dass sie ein dem an ihr auftretenden magnetischen Fluss repräsentierendes, insbesondere proportionales Signal abgibt. Dies kann beispielsweise eine zum magnetischen Fluss proportionale Spannung sein wie dies für die weiteren Betrachtungen zugrundegelegt wird, es kann aber jede andere geeignete Größe Anwendung finden wie beispielsweise Strom, Frequenz, Tastverhältnis oder auch entsprechend codierte digitale Signale wie etwa Binärworte.
-
Das Ausgangssignal der differenziellen Eingangsstufe 13 wird einem Treiberverstärker 14 zugeführt, der dem entsprechend je nach Ausgestaltung eine zur Ansteuerung der ersten Sekundärwicklung 21 ausreichende Ausgangsspannung bzw. einen hierzu ausreichenden Ausgangsstrom erzeugt. Bei dem Beispiel nach 2 handelt es sich dabei um einen Spannung-Spannung-Verstärker, jedoch kann in gleicher Weise auch ein Spannung-Strom-Verstärker Verwendung finden. Der Treiberverstärker 14 kann eine unipolare Ausgangsspannung bzw. einen unipolaren Ausgangsstrom oder eine bipolare Ausgangsspannung bzw. einen bipolaren Ausgangsstrom liefern je nach Anwendungsfall. Eine unipolare Ausgangsspannung bzw. ein unipolarer Ausgangsstrom haben dabei jeweils nur eine Polarität, während eine bipolare Ausgangsspannung bzw. ein bipolarer Ausgangsstrom zwei gegensätzliche Polaritäten haben können.
-
Der Treiberverstärker 10 umfasst einen gegen Masse G geführten ohmschen Widerstand 11 sowie einen durch die Spannung über dem Widerstand 11 gesteuerten Treiberverstärker 12. Der Treiberverstärker 12 ist im vorliegenden Fall als Spannung-Strom-Verstärker ausgeführt, jedoch kann in gleicher Weise auch ein entsprechend dimensionierter Spannung-Spannung-Verstärker Verwendung finden. Der Treiberverstärker 14 kann eine unipolare Ausgangsspannung bzw. einen unipolaren Ausgangsstrom oder eine bipolare Ausgangsspannung bzw. einen bipolaren Ausgangsstrom liefern je nach Anwendungsfall. Im gezeigten Fall wird der erste Kompensationsstrom is1 mittels des Widerstandes 11 in eine hierzu proportionale Spannung umgewandelt und diese Spannung wird wiederum durch den Treiberverstärker 12 in einem proportionalen Strom, den zweiten Kompensationsstrom is2 umgewandelt. Widerstand 11 und Treiberverstärker 12 bilden zusammen eine stromgesteuerte Stromquelle (mit einer Verstärkung kleiner eins) wie etwa einen Strom-Strom-Verstärker bzw. einen Stromspiegel, bei dem Ausgangsstrom und Eingangsstrom in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Da im vorliegenden Fall der Ausgangsstrom eines solchen Strom-Strom-Verstärkers bzw. Stromspiegels gleich dem zweiten Kompensationsstrom is2 ist und dessen Eingangsstrom gleich dem ersten Kompensationsstrom is1 ist, wobei der erste Kompensationsstrom is1 größer ist als der zweite Kompensationsstrom is2, ergibt sich folgende Beziehung: ist = x·is2 mit x > 1.
-
So kann beispielsweise x > 1,2 oder x > 1,5 oder x > 2 sein.
-
Bei Verwendung eines Spannung-Spannung-Verstärkers anstelle des gezeigten Spannung-Strom-Verstärkers wäre dieser und der Widerstand 11 so zu dimensionieren, dass der zweite Kompensationsstrom is2 immer kleiner ist als der erste Kompensationsstrom is1. Dies kann auf einfache Weise beispielsweise durch entsprechende Dimensionierung des Widerstandes 11 erfolgen. Anstelle der Spannung über dem Widerstand 11 könnte auch die Spannung am Ausgang des Treiberverstärkers 14 zur Steuerung des Treiberverstärkers 12 verwendet werden.
-
Bei Verwendung von aus bipolaren Versorgungsspannungsquellen, d. h. aus zwei in Reihe geschalteten Spannungsquellen mit entgegengesetzten Polaritäten, gespeisten Treiberverstärkern 12 und 14 können die Treiberverstärker 12 und 14, um die Versorgungsspannungsquellen mit entgegengesetzten Polaritäten einigermaßen gleichmäßig zu belasten, invers zueinander betrieben werden, so dass der zweite Kompensationsstrom is2 immer aus der Versorgungsspannungsquelle mit der entgegengesetzten Polarität zu jener, welche den ersten Kompensationsstrom is1 liefert, entnommen wird.
-
Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die Drahtstärken der beiden Kompensationswicklungen 21 und 22 jeweils so ausgelegt werden, dass die Stromdichten in beiden Kompensationswicklungen 21 und 22 während des Betriebes in etwa gleich groß sind. Obwohl es in gleicher Weise möglich ist, die Ausgangsspannung Um über dem Widerstand 11 im Stromkreis des ersten Kompensationsstromes is1 abzugreifen, so wird bei den gezeigten diese über dem Widerstand 9 im Stromkreis des zweiten Kompensationsstromes is2 abgenommen. Auf diese Weise lässt sich ein virtuelles Übersetzungsverhältnis erzeugen, das deutlich kleiner ist als das nominale Übersetzungsverhältnis. Das nominale Übersetzungsverhältnis ergibt sich aus der Windungszahl wp der Primärwicklung sowie den Windungszahlen w1, w2, w3 und w4 der Sekundär-(teil-)wicklungen 1, 2, 3 und 4 wie folgt: N = wp/(w1 + w2 + w3 + w4) > Nv, wohingegen das virtuelle Übersetzungsverhältnis Nv noch eine Untersetzung erfährt, welche maßgeblich durch das Verhältnis von erstem Kompensationsstrom is1 zu zweitem Kompensationsstrom is2 bestimmt ist. Dabei kompensieren sich die primärseitige Amperewindungszahl und die Summe der sekundärseitigen Amperewindungszahlen: ip·wp = is1·(w1 + w3) + is2·(w2 + w4).
-
Die in 2 gezeigte Schaltung einschließlich aller oben beschriebener Variationsmöglichkeiten kann darüber hinaus anstelle von Halbbrückenschaltungen, wie sie in Verbindung mit bipolar gespeisten Treiberverstärkern häufig Anwendung finden, auch mit Vollbrückenschaltungen realisiert werden. Ein entsprechendes Beispiel ist in 3 gezeigt. Gegenüber der in 2 dargestellten Schaltung ist dem Treiberverstärker 14 über einen Inverter 15 ein dem Treiberverstärker 14 identischer Treiberverstärker 16 nachgeschaltet. Anstelle der Kombination von Inverter 15 und Treiberverstärker 16 könnte gleichermaßen auch ein invertierender Treiberverstärker verwendet werden. Aufgrund der Zwischenschaltung des Inverters 15 liegen an den Ausgängen der Treiberverstärker 14 und 15 inverse, d. h. gegenphasige Ausgangssignale an. Wird nun zwischen die Ausgänge der Treiberverstärker 14 und 15 die erste Sekundärwindungen 21 geschaltet (Vollbrückenschaltung), so verdoppelt sich die an ihr anliegende Spannung gegenüber einer Halbbrückenschaltung (wie beispielsweise in der Schaltung nach 2) und demzufolge unter Annahme einer konstanten Last auch der dadurch erzeugte Strom.
-
Allerdings ist dann die Reihenschaltung aus erster Sekundärwindung 21 und Widerstand 11 nicht mehr auf Masse G bezogen, sondern ”hängt” schwimmend zwischen den Ausgängen der Treiberschaltungen 14 und 16. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist hierzu der Widerstand 11 direkt mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 16 verbunden und unter Zwischenschaltung der ersten Sekundärwicklung 21 mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 14 verbunden. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist die Teilwicklung 3 direkt mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 16 und die Teilwicklung 1 ist direkt mit dem Ausgang des Treiberverstärker 14 verbunden. Die beiden Teilwicklungen 1 und 3 sind über den Widerstand 11 miteinander verbunden. Sowohl bei dem Beispiel nach 3, als auch bei dem Beispiel nach 4 wird die schwimmende Spannung über dem Widerstand 11 von einer differenziellen Eingangsstufe 17 erfasst und als eine hierzu korrespondierende, auf Masse G bezogene Ausgangsspannung einem Treiberverstärker 18 zugeführt. Dem Treiberverstärker 14 ist über einen Inverter 15 ein dem Treiberverstärker 14 identischer Treiberverstärker 16 nachgeschaltet.
-
Im vorliegenden Fall sind sämtliche Treiberverstärker 14, 16, 18 und 20 identisch ausgeführt, jedoch sind andere Konstellationen bis hin zu vier unterschiedlichen Treiberverstärkern in gleicher Weise möglich. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist der Widerstand 9 direkt mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 20 verbunden und unter Zwischenschaltung der zweiten Sekundärwicklung 22 mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 18 verbunden. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist die Teilwicklung 4 der zweiten Sekundärwicklung 22 direkt mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 20 und die Teilwicklung 2 ist direkt mit dem Ausgang des Treiberverstärker 18 verbunden. Die beiden Teilwicklungen 2 und 4 sind über den Widerstand 9 miteinander verbunden. Sowohl bei dem Beispiel nach 3, als auch bei dem Beispiel nach 4 wird die Spannung Um schwimmend über dem Widerstand 9 abgegriffen.
-
Bei dem Beispiel nach 4 ist zum einen der Wicklungssinn der beiden Teilwicklungen 2 und 4 gegenüber den Teilwicklungen 1 und 3 umgekehrt, denn auch die Ansteuerung der Teilwicklungen 2 und 4 ist gegenüber den Teilwicklungen 1 und 3 umgekehrt, d. h., Teilwicklungen 2 und 4 werden gegenüber dem Beispiel nach 3 mit inversen Spannungen ausgesteuert. Man beachte die abweichende Verschaltung der Ausgänge der Treiberverstärker 18 und 20 mit der zweiten Kompensationswicklung 22.
-
Ausgehend von dem in 3 gezeigten Beispiel ist die Schaltung des in 5 gezeigten Kompensationsstromsensors dahingehend geändert, dass die Widerstände 9 und 11 jeweils als Widerstandspaare mit den paarweise identischen Widerständen 9a, 9b bzw. 11a, 11b ausgebildet sind, welche sämtlich einerseits auf Masse G geführt sind und andererseits mit jeweils einem Anschluss der Wicklungen 2 und 4 bzw. der Wicklungen 1 und 3 verbunden sind. Der andere Anschluss der Wicklung 1 ist mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 14 verbunden, der andere Anschluss der Wicklung 3 ist mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 16 verbunden, der andere Anschluss der Wicklung 4 ist mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 18 verbunden und der andere Anschluss der Wicklung 2 ist mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 20 verbunden. Die mit den Widerständen 9a, 9b bzw. 11a, 11b beschalteten Anschlüsse sind die einander zugewandten Anschlüsse der Wicklungen 1 und 3 bzw. 2 und 4, so dass hier die Beschaltung der ersten und zweiten Kompensationswicklung 21, 22 ähnlich der in 4 gezeigten Beschaltung ist mit der Ausnahme, dass die Widerstände 9 und 11 sozusagen mit einem an Masse G gelegten Abgriff versehen sind. Der Abgriff wird vorliegend durch jeweils den Knotenpunkt der Widerstände 9a und 9b bzw. 11a und 11b gebildet. Die entsprechenden Spannungen werden demnach jeweils über den Serienschaltungen der Widerstände 9a und 9b bzw. 11a und 11b abgenommen.
-
In 6 ist in einem Schaltbild ein Beispiel eines linearen Treiberverstärkers dargestellt, der beispielsweise als Treiberverstärker 14, 16, 18 und 20 verwendet werden kann. Den Kern des dort dargestellten linearen Treiberverstärkers bildet ein Operationsverstärker 23, der über einen Widerstand 24 von der positiven Versorgungsspannung Vp und über einen Widerstand 25 von der negativen Versorgungsspannung Vn gespeist wird. Der Ausgang des Operationsverstärker 23 ist über einen Widerstand 26 mit der positiven Versorgungsspannung Vp und über einen Widerstand 27 mit der negativen Versorgungsspannung Vn verbunden. Als Ausgangsstufe dienen ein pnp-Bipolartransistor 28 und ein npn-Bipolartransistor 29, deren Kollektoren miteinander sowie mit dem Ausgang OUT des Treiberverstärkers verbunden sind. Der Transistor 28 ist mit seinem Emitter an die positive Versorgungsspannung Vp angeschlossen und mit seiner Basis mit dem Knotenpunkt von Widerstand 24 und Operationsverstärker 23 verbunden. Dem entsprechend ist der Transistor 29 mit seinem Emitter an das negative Versorgungsspannung Vn angeschlossen und mit seiner Basis mit dem Knoten von Widerstand 25 und Operationsverstärker 23 verbunden. Der Ausgang OUT ist mittels zweier Dioden 30 und 31, die vom Ausgang OUT weg zur positiven Versorgungsspannung Vp bzw. zur negative Versorgungsspannung Vn führen, gegen an ihm auftretenden falsch gepolten Spannungen geschützt. Der Operationsverstärker 23 ist durch einen zwei Widerstände 32 und 33 aufweisenden Spannungsteiler, der zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 23 und Masse G geschaltet ist, gegengekoppelt, in dem der Abgriff des Spannungsteilers, das heißt der Knotenpunkt zwischen den Widerständen 32 und 33, mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 23 verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 23 bildet den Eingang IN des Treiberverstärkers. Anstelle von Bipolartransistoren können in gleicher Weise(MOS-)Feldeffekttransistoren verwendet werden.
-
Alternativ zu einem oben in Zusammenhang mit 6 dargelegten linearen Treiberverstärker kann auch ein gepulster Treiberverstärker verwendet werden, bei dem die Ausgangsspannung beispielsweise durch Pulsweitenmodulation veränderbar ist. Aus der gepulsten Spannung wird mittels eines Tiefpasses, der vorliegend durch ein RL-Glied umfassend die Induktivität der jeweiligen Kompensationswicklung 21 bzw. 22 und den jeweils dazu in Reihe liegenden Widerstand 9 bzw. 11 gebildet wird, in lineare Spannungsänderungen umgesetzt. Ein Beispiel für einen solchen pulsweitenmodulierten Treiberverstärker ist in 7 gezeigt. Den Kern des dort dargestellten pulsweitenmodulierten Treiberverstärkers bildet ein Komparator 34 (beispielsweise mit Hysterese), der über einen Widerstand 35 von der positiven Versorgungsspannung Vp und über einen Widerstand 36 von der negativen Versorgungsspannung Vn gespeist wird. Der Ausgang des Komparators 34 ist über einen Widerstand 37 mit der positiven Versorgungsspannung Vp und über einen Widerstand 28 mit der negativen Versorgungsspannung Vn verbunden. Als Ausgangsstufe dienen ein pnp-Bipolartransistor 39 und ein npn-Bipolartransistor 40, deren Kollektoren miteinander sowie mit dem Ausgang OUT des Treiberverstärkers verbunden sind. Der Transistor 39 ist mit seinem Emitter an die positive Versorgungsspannung Vp angeschlossen und mit seiner Basis mit dem Knotenpunkt von Widerstand 35 und Komparator 34 verbunden. Dem entsprechend ist der Transistor 40 mit seinem Emitter an das negative Versorgungsspannung Vn angeschlossen und mit seiner Basis mit dem Knoten von Widerstand 36 und Komparator 34 verbunden. Der Ausgang OUT ist mittels zweier Dioden 41 und 42, die vom Ausgang OUT weg zur positiven Versorgungsspannung Vp bzw. zur negative Versorgungsspannung Vn führen, gegen an ihm auftretende falsch gepolte Spannungen geschützt. Der Komparator 34 erhält an seinem invertierenden Eingang eine dreieckförmige Referenzspannung von einer auf Masse G bezogene den Referenzspannungsquelle 43. Der nicht-invertierende Eingang des Komparators 34 bildet den Eingang IN des Treiberverstärkers. Auch hier können (MOS-)Feldeffekttransistoren ohne Weiteres anstelle der Bipolartransistoren verwendet werden.
-
Die in Zusammenhang mit den 6 und 7 dargelegten Treiberverstärker erzeugen eine von der Eingangsspannung abhängige Ausgangsspannung (Spannung-Spannung-Verstärker). Jedoch sind in gleicher Weise auch Spannung-Strom-Verstärker, also Verstärker, bei denen der Ausgangsstrom von der Eingangsspannung abhängig ist, in gleicher Weise anwendbar. Ein derartiger Treiberverstärker wird beispielsweise als Treiberverstärker 12 bei der in 2 gezeigten Schaltung verwendet, kann jedoch bei jedem anderen der in den 3, 4 und 5 gezeigten Treiberverstärker 14, 16, 18, und 20 Verwendung finden. Ein Beispiel eines als Spannung-Strom-Verstärker ausgeführten Treiberverstärkers ist in 8 dargestellt.
-
Der in 8 dargestellte Treiberverstärker umfasst einen ein Operationsverstärker 44, der über einen Widerstand 45 von der positiven Versorgungsspannung Vp und über einen Widerstand 46 von der negativen Versorgungsspannung Vn gespeist wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 44 ist zum einen direkt mit seinem invertierenden Eingang verbunden und zum anderen über einen Widerstand 47 an Masse G angeschlossen. Darüber hinaus sind zwei Operationsverstärker 48 und 51 vorgesehen, deren jeweils nicht- invertierender Eingang mit dem Knotenpunkt zwischen Widerstand 45 und Operationsverstärker 44 bzw. mit dem Knotenpunkt zwischen Widerstand 46 Operationsverstärker 44 verbunden ist. Der Operationsverstärker 48 ist seinen Versorgungsleitungen direkt an die positive Versorgungsspannung Vp und Masse G angeschlossen, während der Operationsverstärker 51 mit seinen Versorgungsleitungen direkt an die negative Versorgungsspannung Vn und Masse G angeschlossen ist. An den Ausgang des Operationsverstärkers 48 ist die Basis eines pnp-Bipolartransistors 49 angeschlossen, dessen Emitter direkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 verbunden ist und unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 50 an die positive Versorgungsspannung Vp angeschlossen ist. An den Ausgang des Operationsverstärkers 51 ist die Basis eines npn-Bipolartransistors 53 angeschlossen, dessen Emitter direkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 51 verbunden ist und unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 52 an die negative Versorgungsspannung Vn angeschlossen ist. Die Kollektoren der Transistoren 49 und 53 sind mit einander verbunden und bilden den Ausgang OUT des Treiberverstärkers.
-
In 9 ist ein Beispiel eines runden, ringförmigen, geschlossenen Magnetkerns 54 gezeigt, der anstelle des in dem Beispiel nach 1 verwendeten rechteckigen, ringförmigen, geschlossenen Magnetkerns 5 verwendet werden kann. Der Magnetkern 54 ist vollständig von einer ersten Kompensationswicklung 55 umwickelt, auf die dann ebenfalls voll umfänglich eine zweite Kompensationswicklung 56 überwickelt ist. Alternativ können die beiden Kompensationswicklungen 55 und 56 auch ineinander gewickelt sein oder abwechselnd abschnittsweise gewickelt sein. Der Magnetkern 54 weist eine Aussparung 57 auf, in der ein Magnetfeldsensor 58 untergebracht ist und die bei eingebrachtem Magnetfeldsensor 57 in der Aussparung 57 von den beiden Kompensationswicklungen 55 und 56 überwickelt ist.
-
Ausgehend von dem in 3 gezeigten Beispiel ist die Schaltung des in 10 gezeigten Kompensationsstromsensors dahingehend geändert, dass der Widersand 11 als Widerstandspaar mit den identischen Widerständen 11a, 11b ausgebildet ist, welche einerseits auf Masse G geführt sind und andererseits mit jeweils einem Anschluss der Wicklungen 1 und 3 verbunden sind. Der andere Anschluss der Wicklung 1 ist mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 14 verbunden, der andere Anschluss der Wicklung 3 ist mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 16 verbunden, der andere Anschluss der Wicklung 4 ist mit dem Ausgang des Treiberverstärkers 18 verbunden und der andere Anschluss der Wicklung 2 ist mit dem Widerstand 9 verbunden, der andererseits auf Masse G geführt wird. Die mit den Widerständen 11a, 11b beschalteten Anschlüsse sind die einander zugewandten Anschlüsse der Wicklungen 1 und 3, so dass hier die Beschaltung der ersten Kompensationswicklung 21 ähnlich der in 4 gezeigten Beschaltung ist mit der Ausnahme, dass die Widerstände 11 sozusagen mit einem an Masse G gelegten Abgriff versehen sind. Der Abgriff wird vorliegend durch jeweils den Knotenpunkt der Widerstände 11a und 11b gebildet. Die entsprechenden Spannungen werden demnach über den Serienschaltungen der Widerstände 11a und 11b abgenommen.
