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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, wobei das elektrische Bauelement einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist, die über eine Drossel miteinander verbunden sind.
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In vielen elektrischen Baugruppen wie beispielsweise in Netzteilen (insbesondere Schaltnetzteilen) oder in Netzfiltern ist es erforderlich, die Eingangsströme und/oder die Ausgangsströme zu erfassen. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Stromerfassung sind von der jeweiligen Anwendung abhängig. Aufgrund des erfassten Stromes können beispielsweise Schutzmaßnahmen ergriffen werden, Reglereinstellungen nachgeführt werden, Überwachungsaufgaben wahrgenommen werden und dergleichen mehr.
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Im Stand der Technik werden die verschiedensten Strommesseinrichtungen eingesetzt, beispielsweise Hallsensoren oder Strommessshunts. Die entsprechenden Messeinrichtungen sind im Stand der Technik als eigenständige Messeinrichtungen ausgebildet. Sie werden üblicherweise in den Eingangszweig oder den Ausgangszweig des jeweiligen Gerätes eingefügt und messen dort den jeweiligen Strom.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektrisches Bauelement zu schaffen, mittels dessen auf einfache Weise – insbesondere mit vereinfachtem schaltungstechnischem Aufbau – eine Strommessung realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein elektrisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Bauelements sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
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Erfindungsgemäß ist bei einem elektrischen Bauelement der eingangs genannten Art in das elektrische Bauelement eine Strommesseinrichtung integriert, mittels derer ein in der Drossel fließender Drosselstrom erfasst wird.
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Durch das erfindungsgemäße elektrische Bauelement kann somit auf ein eigenständiges Bauteil zur Stromerfassung und auf dessen eigenständigen Einbau in die jeweilige elektrische Baugruppe verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist in das elektrische Bauelement zusätzlich eine Temperaturmesseinrichtung integriert, mittels derer eine Temperatur der Strommesseinrichtung erfasst wird. Dadurch kann eine etwaige Temperaturabhängigkeit des von der Strommesseinrichtung abgegebenen, für den erfassten Drosselstrom charakteristischen Messsignals kompensiert werden.
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Vorzugsweise ist in das elektrische Bauelement zusätzlich zur Strommesseinrichtung eine Auswertungseinrichtung integriert, mittels derer zumindest der von der Strommesseinrichtung erfasste Drosselstrom ausgewertet wird. Dadurch kann direkt in der Baugruppe eine Auswertung des von der Strommesseinrichtung abgegebenen Signals erfolgen, beispielsweise die Ermittlung des korrekten Stromwertes unter Berücksichtigung einer temperaturabhängigen Korrektur.
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In der Regel umfasst die Drossel ein magnetisches Kernmaterial, dass einen Luftspalt bildet. In diesem Fall ist die Strommesseinrichtung vorzugsweise im Luftspalt angeordnet und als Magnetfeldsensor ausgebildet, beispielsweise als Hallsensor. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach und zuverlässig.
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In der Regel ist ein die Drossel bildender Leiter um einen mittleren Zapfen des Kernmaterials gewickelt, der sich in Richtung einer Zapfenachse erstreckt. Weiterhin ist in der Regel in einer die Zapfenachse enthaltenden Ebene gesehen der gewickelte Leiter außen auf beiden Seiten von Außenstegen des magnetischen Kernmaterials umgeben. Vorzugsweise ist der Luftspalt in diesem Fall im Bereich des mittleren Zapfens angeordnet.
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Der Magnetfeldsensor kann insbesondere auf einer Platine befestigt und elektrisch verbunden sein. In diesem Fall kann die Platine im Bereich des Luftspalts beispielsweise eine Ausnehmung aufweisen. Durch diese Ausgestaltung wird eine relativ niedrige Bauhöhe im Bereich des Luftspalts erreicht. Alternativ kann der Magnetfeldsensor als oberflächenmontiertes Bauteil ausgebildet sein.
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Alternativ zu einer Ausgestaltung als Magnetfeldsensor kann die Strommesseinrichtung beispielsweise als Spannungssensor ausgebildet sein, mittels dessen eine entlang eines Leiterabschnitts der Drossel abfallende Spannung erfasst wird.
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In manchen Fällen kann es ausreichen, als Leiterabschnitt schlichtweg einen Teil des Leiters zu verwenden, der die Drossel bildet. Vorzugsweise jedoch ist der Leiterabschnitt als Shunt ausgebildet. Als Shunt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Leiter angesehen, dessen Widerstand im wesentlichen unabhängig von der Temperatur ist. Derartige Materialien sind Fachleuten allgemein bekannt und unter verschiedenen Handelsnamen erhältlich. Einer der Handelsnamen ist Konstantan, andere sind Manganin, Isotan und Kanthal.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in das elektrische Bauelement eine Spule und eine Stromversorgungseinrichtung integriert, wobei in der Spule mittels eines Wechselanteils des Drosselstroms eine Spannung induziert wird, die induzierte Spannung der Stromversorgungseinrichtung zugeführt wird und mittels der Stromversorgungseinrichtung zumindest die Strommesseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird. Dadurch können eigene Anschlüsse zur Stromversorgung der Strommesseinrichtung und etwaiger weiterer integrierter Komponenten entfallen. Lediglich die Signalanschlüsse müssen nach außen geführt werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine elektrische Baugruppe,
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2 ein elektrisches Bauelement in schaltungstechnischer Hinsicht,
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3 einen Schnitt durch das elektrische Bauelement von 2,
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4 einen Schnitt durch das elektrische Bauelement von 3 längs einer Linie IV-IV in 3,
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5 einen Schnitt analog zur Linie IV-IV in 3 durch eine Modifikation des elektrischen Bauelements von 2,
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6 einen Schnitt analog zur Linie IV-IV in 3 durch eine weitere Modifikation des elektrischen Bauelements von 2,
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7 das elektrische Bauelement von 6 ohne Platine,
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8 einen Schnitt analog zur Linie IV-IV in 3 durch eine weitere Modifikation von 2,
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9 eine elektrische Baugruppe mit dem elektrischen Bauelement von 8.
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Nachfolgend wird in Verbindung mit den 1 bis 4 zunächst das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Gemäß 1 weist eine elektrische Baugruppe 1 – rein beispielhaft ist in 1 ein Tiefsetzsteller dargestellt – eine Mehrzahl von elektrischen Bauelementen 2 auf. Der Begriff „elektrisches Bauelement“ bezeichnet ein einzelnes Bauelement, das als solches singulär handhabbar ist. Die elektrischen Bauelemente 2 der elektrischen Baugruppe 1 sind mittels eines Verdrahtungsplans miteinander verschaltet. Der Verdrahtungsplan ist beispielsweise durch eine starre oder flexible Leiterplatte 3 realisiert, auf der die elektrischen Bauelemente 2 entsprechend ihrer Funktion angeordnet sind.
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Eines der elektrischen Bauelemente 2 der elektrischen Baugruppe 1 ist erfindungsgemäß ausgestaltet. In manchen Fällen können auch mehrere der elektrischen Bauelemente 2 der elektrischen Baugruppe 1 erfindungsgemäß ausgestaltet sein. Nachfolgend wird nur noch auf dieses erfindungsgemäß ausgestaltete elektrische Bauelement 2 näher eingegangen.
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Gemäß 2 weist das elektrische Bauelement 2 einen Eingangsanschluss 4 und einen Ausgangsanschluss 5 auf. Der Eingangsanschluss 4 und der Ausgangsanschluss 5 können beispielsweise als Schraubanschlüsse oder als Lötpins ausgebildet sein. Der Eingangsanschluss 4 und der Ausgangsanschluss 5 sind über eine Drossel 6 miteinander verbunden. Im einfachsten Fall ist zwischen dem Eingangsanschluss 4 und dem Ausgangsanschluss 5 ausschließlich die Drossel 6 angeordnet. In anderen Fällen können zwischen dem Eingangsanschluss 4 und dem Ausgangsanschluss 5 weitere Bestandteile angeordnet sein, die eine elektrische Funktionalität aufweisen. Beispielsweise könnten die in 1 dargestellten weiteren elektrischen Bauelemente 2 in das erfindungsgemäß ausgestaltete elektrische Bauelement 2 integriert sein.
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In das elektrische Bauelement 2 ist gemäß den 2 bis 4 eine Strommesseinrichtung 7 integriert. Mittels der Strommesseinrichtung 7 wird ein Drosselstrom I erfasst, der in der Drossel 6 fließt. Ein von der Strommesseinrichtung 7 abgegebenes Messsignal M ist also charakteristisch für den in der Drossel 6 fließenden Drosselstrom I.
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Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung kann in verschiedener Weise ausgestaltet werden. Einige dieser möglichen Ausgestaltungen sind bereits in den Darstellungen von 2 bis 4 realisiert. Diese Ausgestaltungen werden nachstehend erläutert. Die Ausgestaltungen sind optional und unabhängig voneinander realisierbar. Es ist also möglich, dass keine, nur eine oder mehrere (und dies in beliebiger Kombination) oder alle der Ausgestaltungen realisiert sind.
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So ist beispielsweise gemäß den Darstellungen von 2 bis 4 in das elektrische Bauelement 2 zusätzlich zur Strommesseinrichtung 7 eine Temperaturmesseinrichtung 8 integriert. Mittels der Strommesseinrichtung 8 wird eine Temperatur T der Strommesseinrichtung 7 erfasst. Die Strommesseinrichtung 8 gibt ein für die Temperatur T charakteristisches Messsignal M' ab.
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Weiterhin kann in das elektrische Bauelement 2 gemäß den 2 bis 4 zusätzlich zur Strommesseinrichtung 7 (und gegebenenfalls auch zusätzlich zur Temperaturmesseinrichtung 8) eine Auswertungseinrichtung 9 integriert sein. Die Auswertungseinrichtung 9 nimmt in diesem Fall das Messsignal M (und gegebenenfalls zusätzlich das Messsignal M') entgegen und wertet das Messsignal M (gegebenenfalls einschließlich des Messsignals M') aus. Insbesondere ermittelt die Auswertungseinrichtung 9 anhand der von ihr entgegengenommenen Messsignale M oder M und M' den (korrekten) Wert des Drosselstromes I. Sie gibt ein entsprechendes Ausgabesignal A, das alternativ analog oder bereits digitalisiert sein kann, aus. In der Regel ist zu diesem Zweck (mindestens) ein Signalanschluss 10 vorhanden. Alternativ wäre es beispielsweise möglich, direkt das Messsignal M über den Signalanschluss 10 oder das Messsignal M und das Messsignal M' über eine entsprechende Anzahl von Signalanschlüssen nach außen abzugeben.
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Die Drossel 6 umfasst üblicherweise entsprechend der Darstellung in den 3 und 4 ein magnetisches Kernmaterial 11. Das magnetische Kernmaterial 11 kann beispielsweise aus einem Unterteil 12 und einem Oberteil 13 bestehen. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung bildet das magnetische Kernmaterial 11 in der Regel einen Luftspalt 14.
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Es ist möglich, dass die Strommesseinrichtung 7 im Luftspalt 14 angeordnet ist. In diesem Fall ist die Strommesseinrichtung 7 üblicherweise als Magnetfeldsensor ausgebildet, beispielsweise als Hallsensor. Das von der Strommesseinrichtung 7 abgegebene Messsignal M ist also als solches nicht direkt für den Drosselstrom I charakteristisch, sondern für ein im Luftspalt 14 herrschendes Magnetfeld B. Das Magnetfeld B ist jedoch proportional zum Drosselstrom I. Es ist also möglich, das Messsignal M in den Drosselstrom I umzurechnen.
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Gemäß den 3 und 4 ist ein Leiter 15, der die Drossel 6 bildet, um einen mittleren Zapfen 16 des Kernmaterials 11 (gemäß 3 des Unterteils 12) gewickelt. Der Zapfen 16 erstreckt sich in Richtung einer Zapfenachse 17. In einer die Zapfenachse 17 enthaltenden Ebene gesehen (entsprechend der Schnittdarstellung in 3) ist der gewickelte Leiter 15 außen auf beiden Seiten von Außenstegen 18 des magnetischen Kernmaterials 11 umgeben. In Richtung der Zapfenachse 17 gesehen erstrecken sich die Außenstege 18 jedoch weiter von einer gemeinsamen Basis 19 weg als der Zapfen 16. Der Luftspalt 14 ist dadurch im Bereich des mittleren Zapfens 16 angeordnet.
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Im Rahmen der Ausgestaltung der 3 und 4 ist der Magnetfeldsensor 7 (und gegebenenfalls auch die Temperaturmesseinrichtung 8) auf einer Platine 20 befestigt. Die Platine 20 kann flexibel sein, ist jedoch vorzugsweise starr. Mittels der Platine 20 erfolgt auch die elektrische Verbindung des Magnetfeldsensors 7 (und gegebenenfalls auch der Temperaturmesseinrichtung 8) mit weiteren Komponenten (beispielsweise der Auswertungseinrichtung 9) und/oder Anschlüssen nach außen.
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Bei der Ausgestaltung der 3 und 4 sind der Magnetfeldsensor 7 (und gegebenenfalls auch die Temperaturmesseinrichtung 8) als durchkontaktiertes elektrisches Bauelement ausgebildet. In diesem Fall weist die Platine 20 im Bereich des Luftspalts 14 entsprechend der Darstellung in den 3 und 4 vorzugsweise eine Ausnehmung 21 auf. Dadurch wird erreicht, dass der Luftspalt 14 in Richtung der Zapfenachse 17 gesehen klein dimensioniert sein kann, da er nur die Messeinrichtung 7 bzw. die Messeinrichtungen 7 und 8, nicht aber die Platine 20 aufnehmen muss. Bei hinreichend großer Dimensionierung des Luftspalts 14 kann die Ausnehmung 21 jedoch entfallen.
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Die Darstellung von 5 korrespondiert über weite Strecken mit der Darstellung der 4. Nachstehend wird daher nur auf die Unterschiede der Ausgestaltung gemäß 5 näher eingegangen.
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Gemäß der Ausgestaltung der 5 ist – ebenso wie bei der Ausgestaltung der 3 und 4 – der Magnetfeldsensor 7 auf der Platine 20 befestigt und über diese elektrisch verbunden. Im Gegensatz zur Darstellung der 3 und 4 ist der Magnetfeldsensors 7 jedoch als oberflächenmontiertes Bauteil (SMD = surface mounted device) ausgebildet. Gleiches gilt – soweit bei der Ausgestaltung gemäß 5 vorhanden – für die Temperaturmesseinrichtung 8 und vorzugsweise auch für weitere auf der Platine 20 angeordnete Komponenten wie beispielsweise die Auswertungseinrichtung 9. Aus diesem Grund kann die Platine 20 im Bereich des Luftspalts 14 keine Ausnehmung aufweisen. Im übrigen ist die Ausgestaltung so, wie obenstehend in Verbindung mit den 3 und 4 erläutert.
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Auch die Darstellung der 6 und 7 korrespondiert über weite Strecken mit der Darstellung der 3 und 4. Auch hier wird nachstehend nur auf die Unterschiede der Ausgestaltung gemäß den 6 und 7 näher eingegangen.
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Gemäß der Ausgestaltung der 6 und 7 ist im Gegensatz zur Darstellung der 3 und 4 die Strommesseinrichtung 7 nicht als Magnetfeldsensor ausgebildet, sondern als Spannungssensor. Mittels des Spannungssensors 7 wird eine Spannung U erfasst, die entlang eines Leiterabschnitts 22 der Drossel 6 abfällt. Der entsprechende Leiterabschnitts 22 kann insbesondere als Shunt ausgebildet sein. Im übrigen ist die Ausgestaltung so, wie obenstehend in Verbindung mit den 3 und 4 erläutert.
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In Verbindung mit den 8 und 9 wird nachstehend eine zusätzliche Ausgestaltung der 3 und 4 erläutert. Korrespondierende Ausgestaltungen sind auch bei den 5 sowie 6 und 7 möglich.
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Gemäß den 8 und 9 sind in das elektrische Bauelement 2 eine Spule 23 und eine Stromversorgungseinrichtung 24 integriert. Die Stromversorgungseinrichtung 24 kann beispielsweise als Gleichrichter mit oder ohne nachgeordnetem Stützkondensator ausgebildet sein. Die Spule 23 ist derart angeordnet, dass sie von dem Magnetfeld B durchdrungen wird.
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Der Drosselstrom I ist in der Regel nicht völlig konstant, weist also einen Wechselanteil auf. Der Wechselanteil des Drosselstroms I induziert in der Spule 23 eine Spannung U'. Die induzierte Spannung U' wird der Stromversorgungseinrichtung 24 zugeführt. Mittels der Stromversorgungseinrichtung 24 können daher die übrigen Komponenten – d.h. zumindest die Strommesseinrichtung 7, gegebenenfalls zusätzlich die Temperaturmesseinrichtung 8 und/oder die Auswertungseinrichtung 9 und gegebenenfalls zusätzlich auch weitere Komponenten – mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
