DE19755773A1

DE19755773A1 - Anordnung zur Messung der Zeitfunktion eines elektrischen Stromes

Info

Publication number: DE19755773A1
Application number: DE1997155773
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Ing Jakob; Bernhard Dr Ing Eggert
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-06-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Zeitfunktion eines elektrischen Stromes, die insbesondere für die Messung von Zeitfunktionen von Strömen mit sehr hoher Steilheit, beispielsweise 10 A/µs und größer, vorteilhaft einsetzbar ist. Praktische Bedeutung hat eine solche Anordnung zur Messung des Stromverlaufs beispielsweise im Ansteuerkreis eines abschaltbaren Thyristors, eines sog. Gate-Turn-Off-Thyristors, kurz GTO genannt. Ein definierter Stromverlauf im Gate-Kreis des GTO ist ein Maß für das gewünschte Schaltverhalten und den Schaltzustand des GTO, so daß somit beim Einsatz von GTOs in Stromrichterschaltungen eine sichere Arbeitsweise der Stromrichter überwacht werden kann.

Es ist allgemein bekannt, zur Messung des Stromverlaufs in einem Stromkreis einen Stromwandler oder einen diskret aufgebauten Übertrager einzusetzen. Neben der unvermeidlichen Rückwirkung auf den zu messenden Stromverlauf, nimmt die Baugröße mit der Größe der zu messenden Stromstärke zu, womit ein Anwachsen der Kosten verbunden ist. Diese Nachteile treten auch bei dem Einsatz von Meßshunts auf, wobei außerdem die Potentialtrennung zwischen dem zu messenden und dem Meßsignal entfällt.

Weiterhin ist es allgemein bekannt, Hallgeber einzusetzen, die jedoch kostenaufwendig sind und deren Meßgenauigkeit durch einen relativ geringen Abstand zwischen Nutzsignal und Rauschen begrenzt ist. Weiterhin sind Hallgeber empfindlich gegen elektromagnetische Beeinflussungen.

Schließlich ist es bekannt, zur Messung von Stromverläufen in Strom kreisen mit Feldeffekttransistoren, kurz FET, solche mit einem sogenannten Sense-Pfad zu verwenden. Der Sense-Pfad dieser FETs wird in dem zu messenden Stromkreis angeordnet, und durch Auswertung der Flußspannung des FETs wird der Stromverlauf im Stromkreis ermittelt. Fehlende Potentialtrennung, relativ geringer Nutzsignal-Rauschabstand und elektromagnetische Empfindlichkeit schränken den Einsatzbereich dieser FETs mit Sense-Pfad ein.

Mit der Erfindung soll nun die Aufgabe gelöst werden, eine Anordnung zur Messung der Zeitfunktion eines Stromes anzugeben, die die Nachteile bisher bekannter Meßmittel beseitigt und die insbesonders eine kostengünstige und rückwirkungsarme Erfassung von Stromverläufen mit sehr großer Amplitude ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch beschriebene Anordnung gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß Stromverläufe großer Stromstärke und hoher Flankensteilheit in einem sehr niederohmigen und induktivitätsarmen Stromkreis gemessen werden können, ohne dessen Eigenschaften durch das Meßmittel wesentlich zu verändern.

Die Erfindung wird nunmehr an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Leiterbahnanordnung von Meßkreis und zu überwachendem Stromkreis und

Fig. 2 ein Diagramm für die Zeitfunktion des zu messenden Stromes und für die Zeitfunktion der Spannung im Meßkreis.

Gemäß Fig. 1 besteht die Leiterbahnanordnung aus einer ersten Lage mit einem ersten Leiterbahnabschnitt 1 und einem zweiten Leiterbahnabschnitt 2 und einer zweiten Lage mit einer Anzahl von Leiterbahnen 3, die als dick markierte Linien in Fig. 1 dargestellt ist. In der ersten Lage der Leiterbahnanordnung fließt der zu messende Strom i(t), in dem ersten, großflächig dargestellten, Leiterbahnabschnitt 1 in der einen Richtung und mit ih bezeichnet, in dem zweiten, ebenso großflächig dargestellten, Leiterabschnitt 2 in der zu ih entgegengesetzten Richtung und mit ir bezeichnet. Je geringer die Entfernung der Leiterabschnitte 1, 2 voneinander ist, desto induktionsärmer ist die Leiterbahnanordnung. Die in der zweiten Lage der Leiterbahnanordnung angeordneten Leiterbahnen 3 sind von der ersten Lage elektrisch isoliert, jedoch mit dem in der ersten Lage fließenden Strom i(t) magnetisch verkoppelt. Die Leiterbahnen 3 der zweiten Lage sind so miteinander verbunden, daß sich die in ihnen induzierten Spannungen addieren und daß somit an den Anschlußpunkten A und B mit Hilfe eines Meßmittels eine Spannung u(t) gemessen werden kann. Die Verbindungen der Leiterbahnen 3 untereinander sind in Fig. 1 durch senkrechte dünne Linien dargestellt. Es ist nicht erforderlich, daß die Leiterbahnabschnitte 1, 2 und die Leiterbahnen 3 als Geraden ausgeführt sind, für eine einfache Zuordnung von zu messendem Strom i(t) und gemessener Spannung u(t) ist jedoch eine richtungsübereinstimmende Anordnung von Leiterbahnabschnitten 1, 2 und Leiterbahnen 3 zweckmäßig.

In Fig. 2 ist als Beispiel ein zu messender Strom i(t) dargestellt. Der an den Anschlußpunkten A und B gemessene Spannungsverlauf u(t) ist ebenfalls dargestellt. Dieser Spannungsverlauf u(t) ist proportional zur Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes i(t) und kann somit direkt ausgewertet oder durch Integration in ein zum zu messenden Strom i(t) proportionales Signal umgeformt werden. Vorteilhafterweise läßt sich sehr einfach die zeitliche Lage ts des Extremwerts des Stromes durch den Vorzeichenwechsel der Spannung u(t) bestimmen.

Eine hohe Abbildungsgenauigkeit der Zeitfunktion des zu messenden Stromes i(t) wird erreicht, wenn die Leiterbahnen 3 der zweiten Lage gleich lang sind, da dann der gemessene Spannungsverlauf u(t) im wesentlichen unabhängig von möglichen Stromverdrängungseffekten des zu messenden Stromes i(t) in der ersten Lage der Leiterbahnanordnung ist. Die Zusammenschaltung der Leiterbahnen 3 kann dann auch in weiteren Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte erfolgen.

Eine besonders induktivitätsarme und störstrahlungsarme Meßanordnung ergibt sich, wenn die in Fig. 1 dargestellte Leiterbahnanordnung als vierlagige Leiterplatte ausgeführt wird. Dabei bilden der erste Leiterbahnabschnitt 1 und der zweite Leiterbahnabschnitt 2 die äußeren Lagen und die jeweils den Leiterbahnabschnitten 1 und 2 zugeordneten Leiterbahnen 3 die zwei zwischen den äußeren Lagen angeordneten Lagen der Leiterplatte. Die Zusammenschaltung der Leiterbahnen 3 über eine Verbindung von der zweiten zu der dritten Lage der Leiterplatte kann dann mittels Durchkontaktierungen erfolgen.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich vorteilhafterweise rückwirkungsarm Stromverläufe messen, wobei zu messender Stromkreis und Meßmittel galvanisch voneinander getrennt sind. Besondere praktische Bedeutung hat die Anordnung bei der Messung der zeitlichen Lage und der Größe von Stromextremwerten in Steuerkreisen für GTO-Thyristoren.

Claims

1. Anordnung zur Messung der Zeitfunktion eines elektrischen Stromes unter Verwendung einer mehrlagigen Leiterplatte, bei der in mindestens einer Lage der Leiterplatte ein Leiterbahnabschnitt angeordnet ist, in dem der zu messende Strom fließt und bei der in mindestens einer dieser Lage benachbarten weiteren Lage der Leiterplatte eine Anzahl von Leiterbahnen in Richtung des Leiterbahnabschnitts angeordnet ist, die so zu einem Stromkreis verbunden sind, daß an den Anschlußklemmen dieses Stromkreises eine der von der Zeitfunktion des zu messenden Stromes abhängige Spannung meßbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem großflächigen, in einer ersten Lage der Leiterplatte angeordneten, Leiterbahnabschnitt (1, 2) mehrere Leiterbahnen (3), deren Fläche geringer ist als die des großflächigen Leiterbahnabschnitts (1, 2) der ersten Lage, in einer zweiten Lage der Leiterplatte in unmittelbarer Nähe zu dem großflächigen Leiterbahnabschnitt (1, 2), parallel zueinander und in gleicher Richtung wie der großflächige Leiterbahnabschnitt (1, 2) angeordnet sind.