DE19944061B4

DE19944061B4 - Hall-Effekt Stromwandler nach dem Kompensationsprinzip

Info

Publication number: DE19944061B4
Application number: DE19944061A
Authority: DE
Inventors: Gerald R. Elkhart Stanley
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: US6204657B1; JP3766855B2; JP2000097974A; DE19944061A1

Abstract

Kompensationsstromwandler, umfassend:
einen Kern (12), der einen Spalt und eine Öffnung zur Aufnahme eines Leiters bildet, wobei der Leiter einen Fluss an dem Spalt erzeugt, wenn er von einem Strom durchflossen wird;
eine sich um den Kern (12) herum erstreckende Wicklung;
ein Hall-Effekt-Bauelement (10), das in dem Spalt angeordnet ist und ein erstes Signal ausgibt, das proportional zu dem Fluss ist;
einen ersten Verstärker (14), der das erste Signal empfängt und ein zweites Signal an die Windung ausgibt, um das erste Signal auszugleichen; und
einen zweiten Verstärker (20), der an das Bauelement eine fixe Spannung abgibt;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kompensationsstromwandler einen Widerstand (18) aufweist, der zwischen dem zweiten Verstärker (20) und dem Bauelement (10) liegt; und
der Kompensationsstromwandler die Temperatur des Hall-Effekt-Bauelements (10) basierend auf der Spannung über dem Widerstand (18) überwacht.

Description

Hall-Effekt Stomwandler (CT = Current Transformer) nach dem Kompensationsprinzip (Closed Loop Hall effect current transformers) sind seit einigen Jahren bekannt und in Verwendung. Siehe zum Beispiel U.S. Patent 3,573,616 , das hier durch Referenz aufgenommen wurde, und US Patent 5 146 156 . Eine exzellente Type eines solchen CTs nach dem Kompensationsprinzips zeichnet sich durch ein gutes Signal-Rauschen-Verhältnis aus, oder in anderen Worten durch einen hohen Signaloutput. Ein solches CT-Gerät kann aus Indium Antimon (InSb) hergestellt werden, jedoch ist Indium Antimon durch schlechte Linearität gekennzeichnt und hat bezüglich seines Hauptklemmenwiderstandes einen sehr starke negativen Temperaturkoeffizienten. Ein Strommessgerät mit einem Hall-Effekt-Bauelement und einer Temperaturkopensation mit einem Serienwiderstand ist beispielweise aus US 3 365 665 bekannt.
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Hall-Effekt CT nach dem Kompensationsprinzip und bezieht sich speziell, aber nicht ausschließlich, auf einen CT aus Indium Antimon.
CT Geräte mit einem starken Temperaturkoeffizienten des Widerstandes werden vorzugsweise von Spannungsquellen betrieben wenn die Spannungsverschiebung im Vergleich mit der Temperatur minimiert werden kann. Bei einem negativen Temperaturkoeffizienten gibt es auch das Risiko eines thermischen Durchbrennens, wenn die Eingangsleistung in den CT mit der Temperatur ansteigt und die Antriebsspannung konstant gehalten wird. Daher ist es notwendig, die Spitzenspannung, die an das CT-Gerät geliefert werden kann, zu begrenzen. In der vorliegenden Erfindung wird ein Widerstand in Serie mit einem regulierenden Verstärker geschaltet, der eine Antriebsspannung an das Hall-Effekt Gerät liefert. Der Widerstand wird so gewählt, daß der Verstärker gesättigt wird, bevor destruktive Spannung an das Hall-Effekt Gerät geliefert werden kann. Durch Beobachten des Spannungsabfalls über dem Widerstand wird vom Hall-Effekt Gerät gezogene Spannung, und daher dessen Temperatur, überwacht.
In einer Gestaltung und Konstruktion von Hall Geräten gibt es kleine Fehler sowohl bezüglich Symmetrie also auch Homogenität. Diese Fehler, obwohl gering, werden dennoch eine Drift verursachen, wobei die resultierende operationale Abfolge durch den einem Fehler unterliegenden CT gesteuert wird. In der vorliegenden Erfindung wird ein kleiner Anteil des Temperatursignals über den in Serie geschalteten und mit dem regulierenden Verstärker verbundenen Widerstand mit dem Gleichspannungs-Ausgangssignal des Hall-Effekt Geräts so zusammengemischt, daß der Effekt des temperaturabhängigen Fehlersignals im Gerät zunichte gemacht wird.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Hall-Effekt CT verfügbar zu machen, das ein hohes Signal-Rauschen-Verhältnis aufweist, bei dem die Betriebstemperatur des Hall-Effekt Geräts überwacht werden kann, ohne daß ein externer Temperatursensor benötigt wird.
Ein weiters Ziel dieser Erfindung ist es, einen Hall-Effekt CT nach dem Kompensationsprinzip vorzusehen, bei dem die durch die Temperaturänderungen des Geräts bedingte Verschiebung der Antriebsspannung an das Gerät im wesentlichen eliminiert werden kann.
Weitere Ziele dieser Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung offenbar.
Es wurde eine bevorzugte Ausführung der Erfindung gewählt, wobei:
das einzige Bild ein schematisches Schaltkreis-Diagramm der Erfindung ist.
Der Schaltkreis nach dem Kompensationsprinzip in Abbildung, in Zusammenhang mit dem Stromwandler, beinhaltet ein Hall-Effekt Gerät 10. Das Hall-Effekt Gerät 10 ist in der Darstellung aus Indium Antimon und ist magnetisch gekoppelt und innerhalp des Spalts eines magnetischen Leitungskerns 12 positioniert, wobei das Gerät eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional jener Flußdichte ist, die innerhalb des Kernspalts durch eine äußere Spannungsquelle erzeugt wird. Gerät 10 und Kern 12 sind in 1 in einem räumlich getrennten Verhältnis dargestellt, um die Darstellung der Bestandteile des Schaltkreises zu erleichtern. Die flußinduzierte Ausgangsspannung von Gerät 10 durchquert den Verstärker 14 in eine Leistungsstufe 16 bestehend aus zusammengeschalteten Verstärkern, die als Spannungsbuffer, verbunden mit den Windungen um Kern 12, wirkt. Die Rückkopplungsspannung durch Kern 12 gleicht den Fluß innerhalb des Kernspalts aus und wird dementsprechend gemessen, um die gemessene Leiterspannung zu erhalten.
Die Erfindung, wie sie bis hierher in dieser Beschreibung erläutert ist, entspricht im Wesentlichen der Standardform und Funktionsweise von Kompensationsstromwandler. Eine konstante Spannung von vorzugsweise etwa 2 Volt wird über einen seriell verbundenen Widerstand 18 angelegt und dem Gerät 10 auferlegt. Diese fixe Spannung wird durch den Betriebsverstärker 20 erzeugt, so wie sie von dessen Fehleranpassungsschaltkreis 22 bereitgestellt wird. Während des Betriebs von Gerät 10 steigt dessen Betriebstemperatur an, wodurch sich, aufgrund der Materialien aus denen das Gerät erzeugt ist, der Eingangswiderstand des Geräts ändert. Als solche muß sich die Eingangsspannung an das Gerät ändern, um eine konstanten Antriebsspannung am Gerät 10 zu bewahren. Die Änderungen der von Gerät 10 gezogenen Spannung werden überwacht, indem die Änderungen der Spannung über den Widerstand 18 beobachtet werden, sodaß es einem möglich ist, die Temperatur des Geräts wahrzunehmen. Der Widerstand 18 dient als Spannungsbegrenzer, um ein Durchgehen im Fall eines stark negativen Temperaturkoeffizienten zu vermeiden, wobei der Widerstandswert des Widerstandes so gewählt wird, daß der Verstärker 20 gesättigt wird bevor eine destruktive Spannung an Gerät 10 geliefert werden kann.
Aufgrund von inhärenten Herstellungs- und Materialunvollkommenheiten in Gerät 10 werden Fehler in Symmetrie und Homogenität erzeugt, welche kleine Änderungen der Restspannung des Geräts verursachen. Diese Änderung oder Verschiebung an Restspannung, deren Größe und Polarität zufällig sind, kann durch ein Signal ausgeglichen werden, das der Temperatur des Geräts proportional ist.
Ein Differential-Verstärker-Schaltkreis 24 wird vorgesehen, bei dem ein bei Temperatur spannungsabhängiges Signal über Widerstand 18 gelegt wird, das durch Einstellen des Potentiometer 25 angepaßt und innerhalb von Schaltkreis 24 invertiert wird. Dieses invertierte Signal wird bei einem Verschiebungs (offset) verstärker 30 mit einer fixen, nicht temperaturabhängigen Ausgleichsspannung gemischt, die durch Einstellen des Potentiometers 27 festgesetzt wird. Der Verstärker 30 leitet diese gemischte, korrigierte Signal an Verstärker 14 weiter, wo es mit dem Output von Gerät 10 kombiniert wird, um den Fehler, der durch die Änderungen im Eingangswiderstand des Geräts hervorgerufen wird, verschwinden zu lassen.

Claims

Kompensationsstromwandler, umfassend: einen Kern (12), der einen Spalt und eine Öffnung zur Aufnahme eines Leiters bildet, wobei der Leiter einen Fluss an dem Spalt erzeugt, wenn er von einem Strom durchflossen wird; eine sich um den Kern (12) herum erstreckende Wicklung; ein Hall-Effekt-Bauelement (10), das in dem Spalt angeordnet ist und ein erstes Signal ausgibt, das proportional zu dem Fluss ist; einen ersten Verstärker (14), der das erste Signal empfängt und ein zweites Signal an die Windung ausgibt, um das erste Signal auszugleichen; und einen zweiten Verstärker (20), der an das Bauelement eine fixe Spannung abgibt; dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstromwandler einen Widerstand (18) aufweist, der zwischen dem zweiten Verstärker (20) und dem Bauelement (10) liegt; und der Kompensationsstromwandler die Temperatur des Hall-Effekt-Bauelements (10) basierend auf der Spannung über dem Widerstand (18) überwacht.
Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) einen Eingangswiderstand aufweist, der sich mit der Betriebstemperatur ändert, ein Hilfsmittel (24) vorgesehen ist, um ein mit der Betriebstemperatur korrelierendes Spannungssignal dem ersten Verstärker (14) zuzuführen und so einen Ausgleich der Änderungen des Eingangswiderstandes zu bewirken.
Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) aus Indium-Antimon besteht, in welchem der Eingangswiderstand sinkt, wenn die Betriebstemperatur ansteigt.
Stromwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel (24) zur Zuführung des Spannungssignals die Spannung an dem Widerstand als Eingangsgröße empfängt.
Stromwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel ein Differenzverstärker (24) ist, der das Spannungssignal für den ersten Verstärker (14) bereitstellt.
Stromwandler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (25, 27, 30) in Kombination mit dem Differenzverstärker (24), um ein fixes nicht temperaturabhängiges Spannungssignal bereitzustellen und so den statischen Offset des Bauelements (10) auszugleichen, der mit dem Spannungssignal vermischt ist, das dem ersten Verstärker (14) zugeführt wird.
Stromwandler nach Anspruch 1, bei dem das Bauelement (10) einen sich mit der Temperatur ändernden Eingangswiderstand besitzt und bei dem der zweite Verstärker (20) einen Strom ausgibt, der sich mit Schwankungen des Eingangswiderstands des Bauelements ändert, um dadurch die fixe Spannung an dem Bauelement (10) aufrechtzuerhalten.
Stromwandler nach Anspruch 7, bei dem der Eingangswiderstand mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Stromwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Wert des Widerstands (18) so gewählt ist, dass der zweite Verstärker (20) in Sättigung geht, bevor der Strom das Bauelement (10) beschädigt.
Stromwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 9, umfassend eine Differenzverstärkerschaltung (24), die zwischen dem Widerstand (18) und dem ersten Verstärker (14) liegt und ein drittes Signal entsprechend der Spannung an dem Widerstand erzeugt, wobei das dritte Signal dem ersten Verstärker (14) zugeführt wird, um einen Fehler des ersten Signals zu kompensieren, der sich durch die Temperatur des Bauelements (10) ergibt.
Stromwandler nach Anspruch 10, bei dem das dritte Signal einstellbar ist.