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Die Erfindung bezieht sich auf Stromsensoren und insbesondere auf einen Wechselstromsensor, der eine Parallelplattengeometrie verwendet und einen Shunt bzw. Nebenschluß zur Selbstspeisung hat.
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Stromsensoren sind beispielsweise aus der
US 5 066 904 A bekannt. Diese Sensoren sind zwar brauchbar, sie leiden aber unter einigen Nachteilen, wozu das Erfordernis für einen genauen Stromshunt gehört, der übergenau konstruiert und gefertigt sein muß, um eine sehr genaue Strommessung zu liefern. Beispielsweise hilft die Verwendung eines derartigen genauen Shunts etwas, die Größe, das Gewicht und die Kosten des Stromsensors zu verkleinern, indem die Anzahl von Amperewindungen in dem aktiven Teil des Stromsensors verkleinert wird. Jedoch verursacht selbst die Verwendung eines genauen Stromshunts üblicherweise einige Kosten aufgrund der Stromsensormaterialien, wie beispielsweise Materialien mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten, der großen Anzahl von Spulen-”Windungen” in den Abtast-und Rückführungsspulen des Stromshunt und auch der erforderlichen Herstellungssorgfalt, um den Stromsensor zu fertigen. Somit besteht ein Bedarf an einem Stromsensor, der diese Probleme überwindet, d. h. an einem Stromsensor, der auf zweckmäßige Weise das Erfordernis von einem genauen Stromshunt vermeidet, um für eine genaue Strommessung zu sorgen.
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Die
US 4 894 610 A offenbart einen Stromwandler, bei dem auf der Primärseite der zu messende Strom durch eine Schleife geleitet wird. Die Sekundärseite besteht aus zwei parallelen Zylinderspulen, die so angeordnet sind, daß der Primärstrom in ihnen entgegengerichtete magnetische Flüsse erzeugt. Eine gegensinnige Reihenschaltung der beiden Zylinder, spulen bewirkt eine Addition der empfangenen Spannungssignale bei gleichzeitiger Auslöschung der von äußeren, homogenen Magnetfeldern induzierten Spannungen. Das
US-Patent Nr. 4 492 919 offenbart einen Wechselstromsensor, bei dem eine Sensorspule auf einem Leiter mit einem höheren Widerstand angeordnet ist, der in der Mitte zwischen zwei zu ihm parallelen Leitern mit geringerem Widerstand angeordnet ist. Dadurch heben sich die Wirkungen der Magnetfelder der Ströme in den beiden äußeren Leitern auf die Sensorspule auf. Eine weitere Ausführungsform ermöglicht einen Ausgleich von Fehlern durch Selbsterwärmung der Leiter. Das
US-Patent Nr. 4 580 095 offenbart einen Stromleiter für einen Meßwandler, der mit Hilfe einer Brückenverbindung zwischen zwei parallelen Strompfaden einen meßbaren Strom erzeugt und Fehler durch Temperaturdifferenzen zwischen den Teilen der Vorrichtung durch eine kompakte Bauform begrenzt.
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Da weiterhin Stromsensoren typischerweise Zugeordnete Schaltungsanordnungen aufweisen, wie beispielsweise Signalkonditionierschaltungen, Signalverarbeitungsschaltungen, Steuerschaltungen und ähnliches, ist es auch wünschenswert, daß der Stromsensor ein Selbstspeisungsvermögen hat, das eine elektrische Versorgung derartiger Schaltungsanordnungen in einer Weise gestattet, die im wesentlichen unabhängig oder getrennt von irgendeiner Strommessung oder einem Stromabtastvorgang ist, der in dem Stromsensor vorgenommen wird. Dies ist insbesondere wünschenswert, weil die entsprechenden Konstruktions- und Genauigkeitsanforderungen von Stromshunt und einem zugeordneten Transformator, die sowohl zur Stromabtastung als auch zur Selbstspeisung verwendet werden, typischerweise viel fordernder oder restriktiver sind als es die entsprechenden Konstruktions- und Genauigkeitserfordernisse von einem Stromshunt und zugeordneten Transformator wären, die ausschließlich zur Selbstspeisung bestimmt sind. Beispielsweise würde dies in vorteilhafter Weise eine weitere Verkleinerung der Größe, des Gewichtes und der Kosten des Stromsensors gestatten aufgrund der größeren Flexibilität beim Design und geringeren Kosten von einem Stromshunt und Transformator, die ausschließlich zur Selbstspeisung bestimmt sind, im Vergleich zu einem Stromshunt und Transformator, die auch für sehr genaue Strommessungen sorgen müssen. Darüber hinaus erfordern Hochleistungs-Schalteranwendungen im allgemeinen Stromsensoren mit einem großen dynamischen Bereich und Genauigkeit, während relativ kleine Kosten und geringe Größen beibehalten werden.
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Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Wechselstromssensor zu schaffen, der eine ausreichende Genauigkeit der Strommessung gewährleistet und die Möglichkeit der Selbstspeisung zugehöriger Schaltungen schafft. Diese Aufgabe wird mit einem Wechselstromssensor, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteihafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Allgemein gesprochen, erfüllt die vorliegende Erfindung die vorgenannten Bedürfnisse, indem ein Wechselstromsensor geschaffen wird, der eine erste Leiterplatte, eine zweite Leiterplatte, die im Abstand zu der ersten Leiterplatte angeordnet ist und im wesentlichen auf die erste Leiterplatte gerichtet ist, und eine dritte Leiterplatte aufweist, die die ersten und zweiten Leiterplatten elektrisch verbindet, um einen verbundenen leitenden Pfad entlang den ersten und zweiten Leiterplatten zu bilden. Die ersten und zweiten Leiterplatten sind so geformt, daß sie entsprechende Magnetfeldkomponenten im wesentlichen um jede der ersten und zweiten Leiterplatten herum bilden, wenn ein Strom entlang dem leitenden Pfad fließt. Eine Sensoreinrichtung, wie beispielsweise eine oder mehrere Luftkernspulen, ist vorgesehen zum Erfassen von Änderungen des magnetischen Flusses in Folge von Änderungen der Magnetfeldkomponenten innerhalb eines vorbestimmten räumlichen Abtast- oder Meßbereiches, wie beispielsweisse in einem Durchlaß zwischen den ersten und zweiten Leiterplatten und/oder nahe entsprechenden Außenflächen von den ersten und zweiten Leiterplatten. Eine Leitereinrichtung, die eine Nebenschluß- oder Shunteinrichtung, wie beispielsweise eine Shuntplatte oder eine geeignet geformte leitfähige Struktur zum Parallelleiten Von Strom, enthält, wird geschaffen, wobei die Shunteinrichtung weiterhin dazu vorgesehen ist, einen vorbestimmten Teil des Stroms abzuleiten, der entlang dem leitenden Pfad fließt, um ein Magnetfeld an der Shunteinrichtung um wenigstens einen Zweig des leitenden Pfades herum zu erzeugen. Ein Magnetkern ist um den wenigstens einen Zweig des leitenden Pfades herum angeordnet, wobei der Magnetkern Teil einer Transformatoreinrichtung, wie beispielsweise eines Stromtransformators bzw. -wandlers sein kann, die magnetisch mit der Shunteinrichtung gekoppelt ist, um einen vorbestimmten elektrischen Strom zu liefern, der beispielsweise auf zweckmäßige weise verwendet werden kann, um verschiedene Schaltungsanordnungen, die dem Stromsensor zugeordnet sind, elektrisch zu versorgen. Dabei sind die Sensoreinrichtung und der Magnetkern mit Abstand voneinander getrennt angeordnet.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein verbesserter Wechselstromsensor mit einem Selbstspeisungsvermögen geschaffen wird, das im wesentlichen unabhängig oder getrennt von jedem Stromabtast- oder Strommeßvorgang ist, der in dem Stromsensor ausgeführt wird. Weiterhin schafft die Erfindung einen Stromsensor, der für Anwendungen geeignet ist, die eine hohe Genauigkeit und einen großen dynamischen Bereich erfordern, während gleichzeitig ein Stromsensor erhalten wird, der einen geringen Leistungsverbrauch und eine geringe Größe hat.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1a ist eine perspektivische Ansicht von einem Ausführungsbeispiel eines Stromsensors, der parallele Platten und einen Shunt gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
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1b zeigt eine Seitenansicht des in 1a gezeigten Stromsensors.
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2 zeigt als Beispiel ein Ersatzschaltbild von einem Stromsensor gemäß der Erfindung.
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3a zeigt eine perspektivische Ansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel von einem Stromsensor, der parallele Platten und einen Shunt gemäß der Erfindung verwendet.
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3b zeigt eine Seitenansicht von dem in 3A gezeigten Stromsensor.
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4a zeigt eine perspektivische Ansicht von noch einem weiteren Ausführungsbeispiel von einem Stromsensor, der parallele Platten und einen Shunt gemäß der Erfindung verwendet.
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4b zeigt eine Seitenansicht von dem in 4a gezeigten Stromsensor mit einem Transformator als Beispiel.
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5a zeigt eine perspektivische Ansicht von noch einem weiteren Ausführungsbeispiel von einem Stromsensor, der parallele Platten und einen Shunt gemäß der Erfindung verwendet.
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5b zeigt eine Seitenansicht von dem in 5a gezeigten Stromsensor mit einem Transformator als Beispiel.
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6 zeigt entsprechende Querschnittsansichten von den parallelen Platten, die in einem Stromsensor gemäß der Erfindung verwendet sind, mit einem konzeptionellen Beitrag von Magnetfeldkomponenten.
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7a zeigt eine perspektivische Ansicht von einer Sensorspule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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7b bzw. 7c zeigen eine Seitenansicht und eine Draufsicht von der in 7a gezeigten Sensorspule.
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8 zeigt eine schematische Ansicht von seriell gekoppelten Sensorspulen gemäß einem als Beispiel gezeigten Gegeninduktions-Detektionsschema, das für den Stromsensor gemäß der Erfindung geeignet ist.
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9 zeigt eine schematische Ansicht von magnetisch gekoppelten Sensorspulen mit einem einen verkleinerten Fluß aufweisenden Detektionsschema, das für den Stromsensor gemäß der Erfindung geeignet ist.
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Wie in den 1a und 1b gezeigt ist, weist ein Stromsensor 10 eine erste Leiterplatte 12 auf, die Strom I an einem geeigneten Eingangsanschluß, wie beispielsweise einer Eingangsplatte 14, empfängt. Wie gleich näher erläutert wird, übt in diesem Ausführungsbeispiel die Eingangsplatte 14 auch eine Stromshunt- oder Stromnebenschlußfunktion aus. Jedoch wird dieser Stromnebenschluß in der Eingangsplatte 14 nur als Beispiel geliefert, weil ohne weiteres deutlich wird, daß dieser Stromnebenschluß auf vielen alternativen Wegen implementiert werden kann und nicht in der Eingangsplatte 14 implementiert werden muß. Der Strom I stellt den Strom dar, der durch den Stromsensor 10 gemessen werden soll. Eine zweite Leiterplatte 14 ist im Abstand relativ zur ersten Leiterplatte 12 angeordnet, um im wesentlichen auf die Leiterplatte 12 gerichtet zu sein. Eine dritte Leiterplatte 18 wird zum elektrischen Verbinden der Leiterplatten 12 und 16 verwendet, um einen verbundenen leitfähigen Pfad entlang den Leiterplatten 12 und 16 zu bilden. Ein geeigneter Ausgangsanschluß, wie beispielsweise eine Ausgangsplatte 20, kann auf einfache Weise vorgesehen sein, um den hindurchfließenden Strom zu führen. Die Anschlüsse 14 und 20 können auf zweckmäßige Weise dazu verwendet werden, den Stromsensor 10 mit einer vorbestimmten Stromquelle (nicht gezeigt) in Reihe zu schalten. Beispielsweise können die drei Leiterplatten aus einem geeigneten leitfähigen Material hergestellt sein, wie beispielsweise Kupfer oder einer geeigneten Metallegierung. Vorzugsweise kann das leitende Material gegossen oder extrudiert werden, um eine integrale Struktur, wie beispielsweise eine im wesentlichen U-förmige oder rechteckige Struktur, zu bilden. Alternativ können die drei Leiterplatten stattdessen einzelne Leiterplatten aufweisen, die elektromechanisch miteinander verbunden sind, wobei geeignete Verbindungen oder Schraubbolzen oder ähnliches verwendet werden. Alternativ können Stromsensoren mit einem kleineren Nennstrom eine gestanzte Metallblechkonstruktion verwenden. Die integrale Struktur wird bevorzugt, da diese Konstruktion auf zweckmäßige Weise eine Wärmeabfuhr an den Verbindungen vermeidet und geringere Fertigungskosten ermöglicht.
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Wie in den 1a und 1b gezeigt ist, sind die ersten und zweiten Leiterplatten vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Weiterhin sind die ersten und zweiten Leiterplatten so geformt, daß sie entsprechende Magnetfeldkomponenten im wesentlichen um die ersten und zweiten Leiterplatten herum bilden, wenn ein Strom entlang dem Leitungspfad fließt. Eine konzeptionelle Verteilung der Magnetfeldkomponenten ist in 6 durch entsprechende Ellipsen 22 dargestellt, die die entsprechenden Querschnitte der Leiterplatten 12 und 16 umgeben. Wie aus
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6 hervorgeht, ist der Strom so gezeigt, daß er in die Platte 16 hinein und aus der Platte 16 herausfließt. Es wird deutlich, daß dieser Stromfluß auch umgekehrt sein kann, solange der entsprechende Stromfluß in den Leiterplatten 12 und 16 in zueinander entgegengesetzten Richtungen ist. Beispielsweise könnte in 1 die Rolle der Anschlüsse 14 und 20 umgekehrt sein, d. h. der Anschluß 20 könnte als der Eingangsanschluß arbeiten und der Anschluß 14 könnte die Funktion des Ausgangsanschlusses haben. In diesem Falle würde der Strom I in einer Richtung entgegengesetzt zu den in 1 gezeigten Pfeilen fließen, aber die Vorteile der Erfindung würden gleich effektiv bleiben, solange der entsprechende Stromfluß in den Platten 12 und 16 in zueinander entgegengesetzten Richtungen verläuft.
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Wie in den 1 und 6 gezeigt ist, ist ein Durchlaß 24 zwischen den ersten und zweiten Leiterplatten gebildet. Es kann gezeigt werden, daß die dritte Leiterplatte 16 eine entsprechende Magnetfeldkomponente im wesentlichen um die dritte Leiterplatte 16 herum bildet. Es wird deutlich, daß die entsprechenden Magnetfeldkomponenten um jede der drei Leiterplatten herum ein kombiniertes Magnetfeld in dem Durchlaß 24 erzeugen, das eine im allgemeinen gleichförmige Richtung hat, die im wesentlichen parallel zu den ersten und zweiten Leiterplatten ist. 1 zeigt ferner eine Abtasteinrichtung, wie beispielsweise Sensorspulen 50, zum Abtasten oder Detektieren von Änderungen in dem Magnetfluß innerhalb eines vorbestimmten Abtastbereiches. In 1 ist der vorbestimmte Abtastbereich in dem Durchlaß 24 angeordnet. Es wird deutlich, daß der vorbestimmte Abtastbereich nicht auf den Durchlaß 24 beschränkt sein muß, da, wie in 6 gezeigt ist, die Magnetfeldkomponenten 22 auch nahe entsprechenden äußeren Oberflächen 26 und 28 der parallelen Platten 12 und 16 gebildet oder verteilt sind. Wie nachfolgend erläutert wird, kann diese Feldverteilung auf zweckmäßige Weise ausgenutzt werden, um den dynamischen Bereich und die Genauigkeit des Stromsensors zu verbessern. Es sei darauf hingewiesen, daß
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1 zwei Sensorspulen 50 in dem Durchlaß 24 nur als Ausführungsbeispiel zeigt, denn es könnte sogar eine einzige Sensorspule auf wirksame Weise verwendet werden, um Änderungen in dem Magnetfluß in dem vorbestimmten Abtastbereich zu detektieren.
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1 zeigt ferner eine Nebenschluß- bzw. Shunteinrichtung, wie beispielsweise eine Shuntplatte 100, die, wie zuvor in diesem Ausführungsbeispiel vorgeschlagen ist, aus der Eingangsplatte 14 gebildet ist. Die Shuntplatte 100 weist entsprechende Zweige auf, wie beispielsweise 100 1, 100 2 und 100 3 (1a), die eine oder mehrere Öffnungen 102 in der Shuntplatte 100 bilden. Jeder Zweig leitet einen vorbestimmten Teil des Stroms I, der entlang dem Leitungspfad fließt, um ein Magnetfeld über einem Shuntbereich 104 zu erzeugen, wie es am besten in 2 gezeigt ist. Vorzugsweise sind die Abtast- und Shuntbereiche im wesentlichen nicht-überlappend in bezug zueinander. Dies vermeidet oder verkleinert auf zweckmäßige Weise ungewünschte magnetische Kreuzkopplungseffekte in den Shunt- und Abtastbereichen. 1 zeigt ferner eine Transformatoreinrichtung 200, wie beispielsweise einen Stromtransformator bzw. -wandler, der mit der Shunteinrichtung 100 magnetisch gekoppelt ist, im wesentlichen innerhalb des Shuntbereiches, um einen vorbestimmten Wert des elektrischen Stroms zu liefern, der für eine elektrische Versorgung von einer oder mehr Schaltungsanordnungen (nicht gezeigt) geeignet ist, die dem Stromsensor zugeordnet sind. Wie in 1 gezeigt ist, weist die Transformatoreinrichtung 200 einen Magnetkern 202 auf, der als Beispiel um den Zweig 100 2 gezeigt ist. Eine Wicklung 204 spricht auf Magnetflußänderungen in dem Magnetkern 202 ein, um den vorbestimmten Stromwert für den Selbstspeisungsvorgang zu liefern.
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Wie in 2 gezeigt ist, sind der Abtastbereich im Durchlaß 24 und der Shuntbereich 104 vorzugsweise im wesentlichen nicht-überlappend, um so auf zweckmäßige Weise entsprechende Abtast- und Selbstspeisungsvorgänge zu ermöglichen, die, wie bereits ausgeführt wurde, im wesentlichen unabhängig und getrennt voneinander sind. Diese getrennten Vorgänge gestatten in vorteilhafter Weise, daß der Stromshunt 100 und der Transformator 200 ein viel kleineres Gewicht, Größe und Kosten haben, als es möglich sein würde, wenn der Shunt 100 und der Transformator 200 auch zum Ausführen einer höchst genauen Strommessung und -abtastung verwendet würden. Beispielsweise muß jeder Magnetkern, der mit genauen Shunts zur präzisen Stromabtastung (oder sowohl zur Stromabtastung als auch Selbstspeisung) verwendet wird, sorgfältig ausgelegt sein, um magnetische Charakteristiken zu haben, die zur Vermeidung verschiedener unerwünschter magnetischer Effekte geeignet sind, wie beispielsweise magnetische Sättigungszustände und andere nicht-lineare magnetische Effekte. Somit ist der Konstrukteur typischerweise gezwungen, sorgfältig aus Materialien mit relativ hoher magnetischer Sättigungsdichte auszuwählen und Abmessungen zu wählen, die im allgemeinen übergroße, schwere und sperrige Elemente für den Stromshunt und den zugeordneten Transformator zur Folge haben. In ähnlicher Weise müssen diese genauen Shunts und ihre zugeordneten Transformatoren sorgfältig ausgelegt sein, um thermische Effekte, wie beispielsweise Widerstandserwärmung, zu vermeiden, die, wenn sie nicht korrigiert werden, die Stromabtastgenauigkeit in nachteiliger Weise beeinflussen. Im Gegensatz dazu können der Stromshunt und der zugeordnete Transformator gemäß der Erfindung, d. h. ein Stromshunt und ein Transformator, die ausschließlich zur Selbstspeisung und nicht zur genauen Stromabtastung verwendet werden, nun unter Verwendung unkomplizierter und einfacher Auslegungstechniken gefertigt werden, die auf zweckmäßige Weise leichtere, kleinere und billigere Elemente zur Folge haben, als es möglich sein würde, wenn die entsprechenden Abtast- und Selbstspeisungsapplikationen nicht gemäß der Erfindung unabhängig durchgeführt werden würden.
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3a und 3b zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel für einen Stromsensor gemäß der Erfindung. 3a und 3b zeigen zusammen mit den 1a und 1b, daß die ersten und zweiten Leiterplatten jeweils entsprechende im wesentlichen rechteckige Oberflächen bilden, die im Falle von 3 einander im wesentlichen entsprechen. Wie in 1 gezeigt ist, kann jedoch die entsprechende rechteckige Oberfläche von einer gegebenen der ersten und zweiten Leiterplatten wenigstens eine Abmessung, beispielsweise Höhe oder Breite, haben, die eine unterschiedliche Größe hat relativ zu der entsprechenden Abmessung der anderen der ersten und zweiten Leiterplatten. Beispielsweise hat gemäß 1 die Leiterplatte 16 eine entsprechende Höhenabmessung mit einer größeren Größe als die Höhenabmessung der Leiterplatte 12. Somit ist die Effektivität des Stromsensors gemäß der Erfindung nicht eingeschränkt aufgrund einer geometrischen Symmetrie zwischen den zwei Leiterplatten. 3 zeigt ferner einen alternativen Aufbau für den Stromshunt. Wie in 3 gezeigt ist, weist die dritte Leiterplatte 18 eine Leiterplatte auf, die beispielsweise in wenigstens zwei Leiterplattenabschnitte 18 1 und 18 2 geteilt oder gegabelt ist (3a). Somit bildet in diesem Ausführungsbeispiel die dritte Leiterplatte 18 auf zweckmäßige Weise den Stromshunt, der in Zusammenarbeit mit dem Transformator 200 gestattet, daß für den Selbstspeisungsvorgang mit den oben beschriebenen signifikanten Vorteilen gesorgt wird.
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4a und 4b zeigen noch ein anderes Ausführungsbeispiel für einen Stromsensor gemäß der Erfindung. Wie in 4 gezeigt ist, weist der Stromshunt 100 eine im wesentlichen L-förmige Struktur 110 mit entsprechenden Verlängerungen oder Schenkeln 112 auf zum Befestigen entsprechender Enden der im allgemeinen L-förmigen Struktur an der ersten Leiterplatte 12 bzw. der Eingangssplatte 14. Es wird deutlich, daß diese im allgemeinen L-förmige Struktur alternativ zwischen der zweiten Leiterplatte 16 und der Ausgangsplatte 20 anstelle der ersten Leiterplatte 12 und der Eingangsplatte 14 befestigt sein könnte. In jedem Fall kann die Struktur 110 mechanisch mit dem Stromsensor 10 verbunden sein, wobei geeignete leitfähige Schrauben oder Verbindungen 114 und ähnliches verwendet werden, die so ausgelegt sind, daß sie eine effektive elektrische Verbindung darüber ausbilden und beibehalten. Alternativ kann die Struktur 110 an dem Stromsensor 10 angeschweißt sein, um eine Verbindung mit geringem Widerstand zu bilden. Somit bildet in diesem Ausführungsbeispiel diese im allgemeinen L-förmige Struktur, die aus einem geeigneten leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt ist, auf zweckmäßige Weise den Stromshunt, der in Verbindung mit dem Transformator 200 den Selbstversorgungsvorgang mit den oben beschriebenen signifikanten Vorteilen herbeiführt.
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5a und 5b zeigen noch ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Stromsensor gemäß der Erfindung. Insbesondere ist in 5 ein anderer, alternativer Aufbau für den Stromshunt gezeigt. Wie in 5 dargestellt ist, weist der Stromshunt 100 eine im allgemeinen C-förmige Struktur 120 auf, die rittlings auf vorbestimmten Abschnitten von den ersten und zweiten Leiterplatten 12 und 16 über einem entsprechenden Abschnitt der dritten Leiterplatte 18 sitzt. Somit bildet in diesem Ausführungsbeispiel die im allgemeinen C-förmige Struktur, die aus einem geeigneten leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt ist, auf zweckmäßige Weise den Stromshunt, der in Zusammenarbeit mit dem Transformator 200 gestattet, daß für eine Selbstversorgung gesorgt wird, wie es oben beschrieben wurde. Wiederum kann die Struktur 120 auf einfache Weise mit dem Stromsensor 10 verbunden sein, indem leitfähige Schrauben oder Verbindungen 114 verwendet oder sie miteinander verschweißt werden, wie es vorstehend beschrieben wurde.
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7a–7c zeigen weitere Details für ein Beispiel einer Sensorspule 50, die auf zweckmäßige Weise in einem Stromsensor gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Vorzugsweise weist die Sensorspule 50 eine Luftkernspule auf, die aus einer Wicklung 52 aufgebaut ist, die um einen geeigneten Kern oder Wickelkörper 54 gewickelt ist, der eine im wesentlichen ebene und im allgemeinen rechteckige Wand aufweist und genügend dünn ist, um in den Durchlaß 24 zu passen (1 und 6). Beispielsweise kann die Wicklung aus einem geeigneten leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder ähnlichem, hergestellt sein. In dem Falle einer Luftspule ist der Kern 54 aus einem geeigneten nicht-magnetischen Material, wie beispielsweise Kunststoff hergestellt, der ausgeformt oder extrudiert ist, um dem Kern oder Wickelkörper 54 die gewünschte Form zu geben. Die Erfindung ist zwar nicht auf Luftkern-Sensorspulen beschränkt, aber diese Sensorspulen sind bevorzugt, weil ihre Verwendung viele der Nachteile vermeidet, die einem magnetischen Kernmaterial zugeordnet sind, wie beispielsweise magnetische Sättigung und Temperatureffekte. Somit vermeidet dieses Merkmal der Erfindung auf vorteilhafte Weise unerwünschte magnetische Kerneffekte, die, wenn sie unkorrigiert bleiben, einen nachteiligen Kompromiß bezüglich der Genauigkeit des Stromsensors darstellen würden.
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8 zeigt einen Stromsensor 10, der als Beispiel ein Gegeninduktions-Detektionsschema verwendet. Wie in 8 gezeigt ist, ist wenigstens ein Sensor, wie beispielsweise eine Sensorspule 50 1, in dem Durchlaß 24 zwischen den Leiterplatten 12 und 16 angeordnet. Zusätzliche Sensoren, wie beispielsweise Sensorspulen 50 2 und 50 3, sind auf entsprechende Weise nahe entsprechenden äußeren Oberflächen 26 und 28 der Leiterplatten 12 und 16 angeordnet. Die Sensorspulen 50 1–50 3 sind jeweils elektrisch miteinander in Reihe geschaltet, um den gesamten dynamischen Bereich oder die Empfindlichkeit des Stromsensors zu vergrößern. Weiterhin haben, wie durch die ausgefüllten Punkte nahe jeder entsprechenden Sensorspule dargestellt ist, jeweils zwei aufeinanderfolgende Sensorspulen entsprechende Wicklungen, die so aufgebaut sind, daß sie eine entgegengesetzte Polarität in bezug zueinander haben. Beispielsweise haben die aufeinanderfolgenden Sensorspulen 50 1 und 50 3 entsprechende Wicklungen, die eine entgegengesetzte Polarität in bezug zueinander haben. In ähnlicher Weise haben aufeinanderfolgende Sensorspulen 50 1 und 50 2 entsprechende Wicklungen, die eine entgegengesetzte Polarität in bezug zueinander haben. Wie er hier verwendet ist, bezieht sich der Ausdruck ”jeweils zwei aufeinanderfolgende Sensorspulen” auf Sensorspulen, die so angeordnet sind, daß die eine der aufeinanderfolgenden Sensorspulen in dem Durchlaß 24 angeordnet ist und die andere nahe einer der entsprechenden äußeren Oberflächen 26 und 28 von Leiterplatten 12 bzw. 16 angeordnet ist. Diese bestimmte Sensorspulenkonfiguration ist besonders vorteilhaft zum Vermeiden von Interferenz aufgrund externer Magnetfelder und auch zum Vergrößern des dynamischen Bereiches und der Empfindlichkeit des Stromsensors. Insbesondere gestattet die entgegengesetzte Wicklungspolarität von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Sensorspulen, daß sich Magnetfeldkomponenten nahe den entsprechenden äußeren Oberflächen von parallelen Platten 12 und 14 mit dem Magnetfeld in dem Durchlaß 24 additiv kombinieren. Dies liegt daran, daß, wie in 6 gezeigt ist, die Magnetfeldkomponenten nahe den entsprechenden äußeren Oberflächen der parallelen Platten 12 und 16 eine entsprechende Richtung haben, die entgegengesetzt zu der Magnetfeldrichtung in dem Durchlaß 24 ist. Demgegenüber erlaubt die entgegengesetzte Wicklungspolarität von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Sensorspulen, daß sich jedes extern erzeugte Magnetfeld substraktiv aufhebt. Dies folgt daraus, daß es höchst unwahrscheinlich für dieses extern erzeugte Magnetfeld ist, seine Richtung über den entsprechenden Bereichen, über die sich jeweils zwei aufeinanderfolgende Sensorspulen spannen, wesentlich ändert oder umkehrt. Somit wird deutlich, daß der Stromsensor gemäß der Erfindung auf effektive Weise verwendet werden kann für Abtastanwendungen, die es erforderlich machen, daß zahlreiche Stromsensoren in relativ enger Nähe zueinander sind, wie beispielsweise Mehrphasenanwendungen. Dies kann mit dem Stromsensor gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindungen gemacht werden, ohne daß kostspielige und sperrige magnetische Abschirmungen oder Magnetkerne verwendet werden müssen zum Vermeiden elektromagnetischer Interferenz zwischen diesen zahlreichen Stromsensoren. Ein geeigneter integrierender Verstärker ist so verbunden, daß er das Spannungsausgangssignal von den Sensorspulen 50 1–50 3 empfängt, um ein Spannungssignal zu liefern, das proportional zu dem zu messenden Strom ist und das für eine genaue Strommessung sorgt. Beispielsweise kann der integrierende Verstärker 60 von einem Operationsverstärker mit einem Rückführungskondensator (nicht gezeigt) gebildet sein, so daß mathematisch das Signal am Ausgang das Integral des Eingangssignals ist.
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Es wird deutlich, daß andere Detektionsschemata in einem Stromsensor gemäß der Erfindung verwendet werden können. Beispielsweise kann, wie in 9 gezeigt ist, ein Detektionsschema mit verkleinertem Fluß an Stelle oder in Kombination mit dem Gegeninduktivitäts-Detektionsschema verwendet werden, das im Kontext mit 8 beschrieben ist. Ein derartiges Detektionsschema mit vermindertem Fluß ist in der US-Patentanmeldung S. N. 08/085 789 mit dem Titel ”Reduced Time Rate of Change Magnetic Flux Current Sensor” von E. Berkcan, beschrieben, wobei der Offenbarungsgehalt dieser US-Patentanmeldung durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. Wie in 9 gezeigt ist, weist die Abtasteinrichtung eine Referenzspule 80, eine Abtastspule 82 und eine Rückführungsspule 84 auf, die in einem vorbestimmten Astabtastbereich magnetisch miteineinander gekoppelt sind. In 9 ist der vorbestimmte Abtastbereich in dem Durchlaß 24 zwischen den Leiterplatten 12 und 16. Jedoch muß der vorbestimmte Abtastbereich nicht auf den Durchlaß 24 beschränkt sein, denn, wie zuvor bereits ausgeführt wurde, könnte der vorbestimmte Abtastbereich auch nahe den entsprechenden äußeren Oberflächen 26 und 28 der ersten und zweiten Leiterplatten sein. Eine Rückführungs-Generierungsschaltung, wie beispielsweise ein Operationsverstärker 86 oder ein ähnlicher Instrumentationsverstärker, spricht auf die Differenz von entsprechenden Wechselspannungssignalen an, die in der Referenzspule 80 und in der Abtastspule 82 induziert werden, um ein Rückführungssignal, wie beispielsweise einen Strom If, zu generieren, das der Rückführungsspule 84 zugeführt wird, um in vorbestimmter Weise den Magnetfluß in dem vorbestimmten Bereich zu verkleinern. Der Rückführungsstrom If in der Rückführungsspule 84 ist proportional zu dem originalen oder primären Strom I und liefert eine genaue Strommessung. Obwohl die Abtastspule 82 und die Rückführungsspule 84 so gezeigt sind, daß sie Änderungen im Magnetfluß über einer Fläche abtasten, die in der Querschnittsfläche von einem gemeinsamen Kern (nicht gezeigt) enthalten oder in dieser inkorporiert ist, wird deutlich, daß die Abtastspule 82 und die Rückführungsspule 84 nicht Magnetflußänderungen über einer derartigen im wesentlichen gemeinsamen oder enthaltenen Fläche abtasten müssen, die in die Querschnittsfläche des gemeinsamen Kerns liegt. Es kann jedoch wünschenswert sein, daß die Abtastspule 82 eine Querschnittsfläche hat, die die Querschnittsfläche der Rückführungsspule 84 im wesentlichen überlappt. Obowhl die Querschnittsflächen der Sensorspulen im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes orientiert sind, wird nun deutlich, daß entweder in dem Fall der Gegeninduktions-Detektionstechnik, die im Kontext mit 8 erörtert wurde, oder der einen verkleinerten Fluß aufweisenden Detektionstechnik, die im Kontext mit 9 erörtert wurde, die Querschnittsfläche der Sensorspulen in einem vorbestimmten Winkel in bezug auf das Magnetfeld orientiert sein kann, der ein anderer als ein im wesentlichen rechter Winkel ist, solange diese Orientierung oder der vorbestimmte Winkel berücksichtigt ist in bezug auf das Abtasten und Versetzen (Offsetting) von Änderungen im Magnetfluß.
