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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halleffektmessvorrichtung zum Messen der Intensität eines elektrischen Stromes nach den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen.
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Es existieren mehrere Arten von Vorrichtungen, die die Messung der Intensität eines einen elektrischen Leiter durchlaufenden elektrischen Stromes ermöglichen. Die bekanntesten sind zweifellos die Stromwandler, die eine spezielle Anwendung erfordern und relativ sperrig und kostspielig sind. So muß in der Tat auf jedem elektrischen Leiter, der die Primärseite eines Wandlers bildet, ein Magnetkern montiert werden, wobei die Sekundärseite durch eine um den Magnetkern gewickelte Spule gebildet wird, die ein zur gemessenen Intensität proportionales Spannungssignal bereitstellt.
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Bei weiteren Vorrichtungen werden einer oder mehrere mehr oder weniger in der Nähe des zu kontrollierenden elektrischen Leiters positionierte Halleffektsensoren verwendet. Die Halleffektsensoren sind in verschiedenen Bereichen gut bekannt für ihre Fähigkeit, zwischen ihren Anschlussklemmen eine sogenannte Hallspannung bereitzustellen, die proportional zu dem sie durchlaufenden Magnetfeld ist, unter der Bedingung, dass sie einem Polarisationsstrom ausgesetzt werden. Folglich wird, wenn ein Halleffektsensor in der Nähe eines von einem Strom durchlaufenen elektrischen Leiters positioniert wird, der Sensor von den rund um den Leiter durch den Strom induzierten Magnetfeldlinien durchlaufen, wobei das Magnetfeld proportional zu der Intensität des Stromes ist. Auf diese Weise gibt der Sensor ein Spannungssignal zwischen seinen Anschlussklemmen aus, das für die Intensität des den elektrischen Leiter durchlaufenden Stromes repräsentativ ist. Danach genügt es, das Signal zu verarbeiten, um einen brauchbaren Wert zu erhalten.
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Dennoch sind die Halleffektsensoren insbesondere empfindlich gegenüber anderen Umgebungs- oder Störmagnetflüssen, die dahingehend wirken, dass sie die Intensitätsmessung verfälschen. Aus diesem Grund ist es bis jetzt nicht möglich, mit diesen Sensoren zuverlässige und reproduzierbare Intensitätsmessungen zu erhalten.
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Bei den in der Veröffentlichung
DE 199 14 772 A1 und in dem Artikel „Hall-effect current sensors for integrated circuits”/„Halleffektstromsensoren für integrierte Schaltungen”, veröffentlicht in NTIS TECH NOTES, US DEPARTMENT OF COMMERCE vom 1. April 1990, beschriebenen Lösungen sind zwei beiderseits des zu messenden Leiters angeordnete, mit einem Differentialmodul verbundene Halleffektsensoren vorgesehen. Diese Lösungen reichen nicht aus, da kein Mittel zum Ausgleich dieser Sensoren und gegebenenfalls zur Korrektur der Spannung an ihren Anschlussklemmen vorgesehen ist.
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Die
US 5 041 780 A beschreibt eine Halleffektmessvorrichtung mit zwei Messmodulen, wovon jedes mit mindestens einem Halleffektsensor versehen ist und die zwei Messmodule beiderseits eines von einem zu messenden elektrischen Strom durchlaufenen elektrischen Leiters angeordnet sind, wobei diese so angeordnet sind, dass sie jeweils eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen bereitstellen, die proportional zu der Intensität des zu messenden Stroms ist. Dabei ist ein Differentialmodul vorhanden, um die zwei Spannungen am Ausgang der Messmodule zu subtrahieren und um eine Differentialspannung bereitzustellen, die dazu bestimmt ist, in einem Verarbeitungsmodul verarbeitet zu werden, um einen gemessenen Intensitätswert bereitzustellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Unannehmlichkeiten zu reduzieren, indem eine Halleffektmessvorrichtung vorgeschlagen wird, die die Durchführung zuverlässiger Intensitätsmessungen ermöglicht, die unempfindlich gegen Umgebungsflüsse und leicht an mehrere Intensitätsgrößen anpassbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Das Ausgleichsmodul weist auf vorteilhafte Art und Weise zwei in Reihe angebrachte Spulen auf, wovon jede über einem Halleffektsensor angebracht ist und die Spulen von einem selben Strom durchlaufen werden und so angeordnet sind, dass sie in jedem Halleffektsensor die identische Polarität mit demselben Vorzeichen erzeugen.
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Das Ausgleichsmodul kann mindestens einen Komparator aufweisen, der so angeordnet ist, dass er einen Rechteckimpuls bereitstellt, und mindestens eine Ausgleichssteuerungseinheit aufweisen, die zum Empfang des Rechteckimpulses vorgesehen und angeordnet ist, um den Polarisationsstrom des Halleffektsensors mindestens eines Messmoduls bis zur Unterdrückung des Rechteckimpulses am Ausgang des Komparators einzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messvorrichtung mindestens ein Kalibrierungsmodul auf, das zum Korrigieren der Spannungen am Ausgang der zwei Messmodule um einen Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von der Größe der Intensität des zu messenden Stromes angeordnet ist.
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Auf vorteilhafte Art und Weise besteht die Messvorrichtung aus einem integrierten Schaltkreis auf einem Siliziumchip, wobei mindestens die Mess-, Differential-, Ausgleichs- und Kalibrierungsmodule in dem Siliziumchip ausgebildet sind.
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Vorteilhafterweise ist der Siliziumchip in einem mit Verbindungslaschen versehenen Isolationsgehäuse untergebracht, wobei der Siliziumchip mittels elektrischer Verbindungslitzen mit den Verbindungslaschen verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messvorrichtung mindestens eine auf oder in dem Siliziumchip ausgebildete Leiterbahn auf, aus der der zu messende elektrischen Leiter besteht. Die Leiterbahn kann einen verengten Mittelteil aufweisen und die Halleffektsensoren sind beiderseits dieses Mittelteils angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden deutlicher anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:
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1 eine vereinfachte und vergrößerte Seitenansicht der Messvorrichtung gemäß der Erfindung ist,
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2 eine Draufsicht auf ein Detail der Vorrichtung von 1 ist,
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3 eine schematische und stark vergrößerte Ansicht des Siliziumchips der Messvorrichtung von 1 ist, und
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4 eine schematische Darstellung des elektronischen Schaltkreises der Messvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist die Halleffektmessvorrichtung gemäß der Erfindung zum Messen der Intensität eines einen elektrischen Leiter 2 durchlaufenden elektrischen Stromes eines zu kontrollierenden elektrischen Schaltkreises vorgesehen. Die Messvorrichtung 1 besteht in einer veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform aus einem in einem Siliziumchip 3 integrierten Schaltkreis. Dieser Siliziumchip 3 ist in einem mit Verbindungslaschen 5 versehenen Isolationsgehäuse 4 untergebracht. Er ist mittels elektrischer Verbindungslitzen 6 mit den Verbindungslaschen 5 des Gehäuses 4 verbunden, die allgemein „Bonding”-Litzen genannt werden. Der in einem Siliziumchip 3 integrierte Schaltkreis kann z. B. durch einen auf ein Substrat gedruckten Schaltkreis oder jeden anderen gleichwertigen Schaltkreis ersetzt werden. Dennoch ist die Technologie in einen Siliziumchip integrierter Schaltkreise gut bekannt und erfreut sich breiter Anwendung, da sie die Ausführung der Schaltkreise und ihrer elektronischen Komponenten zu geringsten Kosten und in einem sehr kleinen Format ermöglicht, die zur Sicherstellung einer oder mehrerer Funktionen, wie z. B. der Funktion „Messen” notwendig sind, die die vorliegende Erfindung betrifft.
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Der Siliziumchip 3 weist auf einer Isolationsschicht 7 eine Leiterbahn 2 auf, aus der der zu messende elektrische Leiter besteht, und ist dafür vorgesehen, mit dem zu kontrollierenden elektrischen Schaltkreis verbunden zu werden. Die Leiterbahn 2 kann auch in dem Siliziumchip 3 integriert sein. Die Leiterbahn 2 weist einen verengten Mittelteil auf, wobei die Halleffektsensoren 8, 8' (siehe 2) beiderseits desselben angeordnet sind. 2 ist eine stark vergrößerte Draufsicht auf Detail A von 1. Zur Information: Die große Breite der Leiterbahn 2 entspricht 800 μm. Selbstverständlich wird diese Breite nur beispielhaft gegeben und kann in Abhängigkeit von der Messvorrichtung 1 und dem zu messenden Stromwert variieren.
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Unter Bezugnahme auf 3 weist die Messvorrichtung 1 ein Ausgleichsmodul der Halleffektsensoren 8, 8' auf, das insbesondere mit zwei in Reihe angebrachten Spulen 9, 9' versehen ist. Jede Spule 9, 9' ist über einem der Halleffektsensoren 8, 8' positioniert. 3 ist eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht des Siliziumchips 3, auf dem die Halleffektsensoren 8, 8', die in Reihe angebrachten Spulen 9, 9' und die Leiterbahn 2 schematisch dargestellt sind.
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4 veranschaulicht den elektronischen Schaltkreis 10 der Messvorrichtung 1 gemäß der Erfindung, der in Form eines in dem Siliziumchip 3 integrierten Schaltkreises miniaturisiert ist. Der elektronische Schaltkreis 10 weist zwei Messmodule 11, 11' auf, die jeweils einen der Halleffektsensoren 8, 8' umfassen. Jedes Messmodul 11, 11' weist eine Polarisationsversorgung 12, 12' auf, die den Polarisationsstrom Ipol, Ipol' eines jeden Halleffektsensors 8, 8' definiert, einen Verstärker 13, 13' und eine der Spulen 9, 9' des Ausgleichsmoduls. Jedes Messmodul 11, 11' stellt eine Spannung V, V' bereit, die um einen Koeffizienten K, K' verstärkt und proportional zu dem Magnetfeld B, B' ist, das jeden Halleffektsensor 8, 8' durchläuft und selbst proportional zu der zu messenden Intensität des Stromes in der Leiterbahn 2 ist. Die Spannung am Ausgang eines jeden Messmoduls 11, 11' wird wie folgt ausgedrückt: V = K × B × Ipol und V' = K' × B' × Ipol'
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Da die Leiterbahn 2 zwischen den zwei Halleffektsensoren 8, 8' positioniert ist, weist das durch den die Leiterbahn 2 durchlaufenden Strom in jedem Halleffektsensor 8, 8' induzierte Magnetfeld B, B' ein entgegengesetztes Vorzeichen auf. Somit weisen auch die Spannungen am Ausgang der Messmodule 11, 11' ein entgegengesetztes Vorzeichen auf.
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Der elektronische Schaltkreis 10 weist ein Verstärkungs-Differentialmodul 14 auf, das an seinen Eingangsklemmen die Spannungen V, V' empfängt, die Differenz zwischen den zwei Spannungen ermittelt und zwischen seinen Ausgangsklemmen eine um einen Koeffizienten Kdiff verstärkte Differentialspannung Vdiff bereitstellt. Diese Spannung wird wie folgt ausgedrückt: Vdiff = Kdiff × (V – V') Wenn V = –V', dann Vdiff = Kdiff × 2 × V
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Ein von einer allgemein als „Puffer” bezeichneten Pufferstufe 16, 16' gefolgter Kondensator-Widerstandsfilter 15, 15' ist zwischen jedem Messmodul 11, 11' und dem Verstärker-Differentialmodul 14 zur Beseitigung von Geräuschen durch Störfrequenzen vorgesehen. In gleicher Weise ist am Ausgang des Verstärker-Differentialmoduls 14 ein Bandpassfilter 17 zur Beseitigung von Geräuschen durch Störfrequenzen vorgesehen. Ein Verarbeitungsmodul 18 für die Differentialspannung Vdiff ist am Ausgang des Bandpassfilters 17 vorgesehen. Das Verarbeitungsmodul 18 kann je nach Bedarf in dem Siliziumchip 3 integriert oder außerhalb der Messvorrichtung 1 angebracht sein. Es ermöglicht die Umwandlung der Differentialspannung Vdiff in einen der zu messenden Intensität des Stromes entsprechenden Wert, wobei der Wert von jedem Informationsverarbeitungssystem verwendet werden kann.
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Der elektronische Schaltkreis 10 weist ein aus einem Komparator 19 bestehendes Ausgleichsmodul 20 auf, z. B. einen Hysteresekomparator, der die Bereitstellung eines Rechteckimpulses ermöglicht, sowie eine Ausgleichssteuerungseinheit 21, die den Rechteckimpuls analysiert und auf eines der Messmodule 11, 11' wirkt. Das Ziel des Ausgleichsmoduls 20 besteht in der Korrektur der Spannung V, V' am Ausgang mindestens eines der Messmodule 11, 11', so dass das Verstärker-Differentialmodul 14 eine Differentialspannung Vdiff gleich Null bereitstellt, wenn die zwei Messmodule 11, 11' einem identischen Magnetfeld B, B' mit demselben Vorzeichen ausgesetzt werden.
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Das Ausgleichsmodul 20 weist die zwei in Reihe angebrachten und mit einem selben Strom versorgten Spulen 9, 9' auf. Die Spulen 9, 9' sind in den Siliziumchip 3 eingeprägt und weisen aufgrund dieser Tatsache absolut identische technische Daten auf. Folglich induziert der sie durchlaufende Strom in jedem Halleffektsensor 8, 8' ein mit derselben Ausrichtung absolut identisches Magnetfeld B in der Ausgleichsphase, der mit den Magnetfeldern B und B' identisch und gleich ist. Die Spannungen V und V' am Ausgang der Messmodule 11, 11' können somit wie folgt ausgedrückt werden: V = K × B × Ipol und V' = K' × B' × Ipol'
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Die Koeffizienten K und K' können unterschiedlich und von unvermeidbaren Herstellungsabweichungen abhängig sein. Wenn die zwei Messmodule 11, 11' ausgeglichen sind, dann sind auch V und V' gleich, die Differentialspannung Vdiff ist gleich Null und der Komparator 19 gibt keinen Rechteckimpuls aus. Wenn umgekehrt die zwei Messmodule 11, 11' unausgeglichen sind, unterscheidet sich auch V von V', die Differentialspannung Vdiff ist nicht gleich Null und der Komparator 19 gibt einen Rechteckimpuls aus. Die Steuerungseinheit 21 wirkt nun direkt auf die Polarisationsversorgung 12, 12' eines der Messmodule 11, 11', um ihren Polarisationsstrom Ipol oder Ipol' zu verändern, bis V gleich V' ist. Wenn der Ausgleich erreicht ist, dann gibt die Steuerungseinheit 21 am Ende des Vorgangs ein Signal „Ausgleich OK” aus. Wenn umgekehrt der Ausgleich nicht möglich ist und außerhalb des Regelbereiches des Polarisationsstromes liegt, dann gibt die Steuerungseinheit 21 ein Signal „Ausgleich unmöglich” aus. In diesem Fall gilt die Messvorrichtung 1 als defekt und muss ausgetauscht werden.
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Sobald der Ausgleich erfolgt ist, induziert jedes Störmagnetfeld, das allgemein als Gleichtakt-Magnetfeld bezeichnet wird, z. B. ein Magnetfeld, das von einem an der Messvorrichtung 1 angrenzenden Netz-Transformator stammt, identische Spannungen V und V' mit demselben Vorzeichen am Ausgang der zwei Messmodule 11, 11' und folglich eine Differentialspannung Vdiff Null. Daraus ergibt sich die folgende Gleichung: K × Ipol = K' × Ipol'
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Es ist erkennbar, dass bei Multiplikation der Polarisationsströme Ipol und Ipol' mit einem selben Faktor diese Gleichung erhalten bleibt.
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Sobald der Ausgleich erfolgt ist, erzeugt nur ein Differentialmagnetfeld Bdiff, das der Differenz der in den Halleffektsensoren 8, 8' in entgegengesetzten Richtungen induzierten Magnetfelder B und B' entspricht, eine Differentialspannung Vdiff am Ausgang des Verstärker-Differentialmoduls 14. Diese Differentialspannung kann wie folgt ausgedrückt werden: Vdiff = Kdiff × Bdiff × (K × Ipol)
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Der elektronische Schaltkreis 10 weist auch ein Kalibrierungsmodul 22 auf, das in dem Siliziumchip 3 integriert sein kann oder nicht, das die Bereitstellung einer Differentialspannung Vdiff ermöglicht, die an einen vollständig bekannten Wert von elektrischem Strom angepasst ist, der die Leiterbahn 2 durchläuft. Zu diesem Zweck multipliziert das Kalibrierungsmodul 22 die zwei Polarisationsströme Ipol und Ipol' mit einem selben Kalibrierungskoeffizienten.
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Vor der ersten Inbetriebnahme der Messvorrichtung 1 gemäß der Erfindung muss zuerst ausgeglichen und dann kalibriert werden. Die zwei in Reihe angebrachten Spulen 9, 9' werden mit einem selben Strom versorgt und das Ausgleichsmodul 20 korrigiert automatisch den Polarisationsstrom Ipol oder Ipol' eines der Messmodule 11 oder 11' mit einem Koeffizienten Keq, um eine Differentialspannung Vdiff gleich Null zu erhalten. Die Ausgleichssteuerungseinheit 21 speichert diesen Korrekturkoeffizienten Keq.
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Dann muss die Messvorrichtung 1 in Abhängigkeit von der zu messenden Intensität des Stromes kalibriert werden, z. B. 1 A oder 5 A oder 10 A. Die Leiterbahn 2 wird dann mit einem vollständig bekannten Strom versorgt und die erhaltene Differentialspannung Vdiff wird analysiert. Wenn sie nicht einem gewünschten Wert entspricht, korrigiert die Kalibrierungseinheit 22 die zwei Polarisationsströme Ipol und Ipol' mit einem Kalibrierungskoeffizienten, der den Erhalt des gewünschten Wertes ermöglicht.
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Nach Durchführung der Ausgleichs- und Kalibrierungsvorgänge, die selbstverständlich entweder von dem Hersteller der Messvorrichtung 1 oder von dem Monteur der Vorrichtung durchgeführt werden können, wird die Messvorrichtung 1 in den zu kontrollierenden elektrischen Schaltkreis eingeführt. Der zu messende elektrische Leiter wird mit dem Eingang und dem Ausgang der Leiterbahn 2 verbunden. Die Verbindungslaschen werden mit der Verarbeitungseinheit 18 verbunden, die entweder innerhalb der Messvorrichtung 1 oder außerhalb positioniert ist.
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Die Messvorrichtung 1 ermöglicht die ununterbrochene Messung der Intensität des die Leiterbahn 2 durchlaufenden Stromes. Die Differentialspannung Vdiff am Ausgang des Bandpassfilters 17 wird zur Verarbeitungseinheit 18 geschickt, die sie interpretiert und davon einen Anzeigewert dieser Intensität abzieht.
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Dank der zwei Halleffektsensoren 8, 8' und des Verstärker-Differentialmoduls 14 wird jedes Gleichtakt-Störmagnetfeld automatisch unterdrückt und der erhaltene Intensitätswert entspricht wirklich der Intensität des Stromes, der die Leiterbahn 2 durchläuft.
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Aus dieser Beschreibung geht klar hervor, dass die Erfindung das Erreichen der festgelegten Ziele auf einfache, wirtschaftliche und zuverlässige Art und Weise ermöglicht. Die Messvorrichtung 1 ermöglicht nach der Kalibrierung eine automatische Unterdrückung aller Gleichtakt-Magnetfelder. Sie passt sich vollständig an verschiedene Intensitätsbandbreiten an, da sie leicht kalibrierbar ist. Die Messvorrichtung 1 weist außerdem eine sehr geringe Größe auf und kann leicht an verschiedene Anwendungskonfigurationen angepasst werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern kann sich auf jede für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtliche Abänderung und Variante erstrecken, wobei sie innerhalb der beigefügten Ansprüche verbleibt.
