DE19946935A1 - Vorrichtung zur Strommessung mit magnetfeldempfindlichen Differenzsensoren aus mindestens zwei Hallsensoren - Google Patents

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strommessung besteht aus einem Differenzsensor und einem speziell geformten Leiterblech. Der Differenzsensor besteht aus mindestens zwei auf einem Substrat, vorzugsweise auf einem Chip, integrierten Hallsensoren, die in einem Abstand von beispielhafterweise 1 bis 3 mm voneinander angeordnet sind. Die Hallsensoren sind derart geschaltet, daß die Differenz der beiden einzelnen Hallspannungen gebildet und gemessen wird. Die spezielle Anordnung der Hallsensoren auf den Leiterblechen wird derart gewählt, daß die Hallsensoren von gegensinnig orientierten Magnetfeldern durchsetzt werden. Der Differenzsensor wird auf dem Leiterblech in Längsrichtung parallel zur Hauptstromrichtung angeordnet, d. h. die beiden Hallsensoren werden vorzugsweise auf einer gedachten Mittellinie in Längsrichtung des Leiterblechs angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strommessung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.

Eine gattungsbildende Vorrichtung zur Strommessung mittels Hallsensoren ist in der nach­ veröffentlichten DE 198 21 492 A1 beschrieben. Diese Patentanmeldung der Anmelderin beschreibt eine Hallsensoranordnung zur berührungslosen Messung eines in einem Leiter, der aus einem Leiterblech ausgestanzt ist, durchfließenden Stromes mit mindestens einem Hall­ sensor und mit einem Leiter, der mehrere Leiterabschnitte mit zum Teil unterschiedlicher Orientierung aufweist, wobei die Leiterabschnitte den Hallsensor an mindestens 3 Seiten U- förmig umgeben, so daß sich die Magnetfelder der einzelnen Leiterabschnitte am Ort des Hallsensors verstärkend überlagern. Zwar ist auch schon aus der gattungsbildenden Schrift ein Differenzsensor bekannt, der zusammen mit einem speziell ausgebildeten Stanzblech ein­ gesetzt wird. Das in der gattungsbildenden Schrift für den Differenzsensor verwendete Lei­ terblech hat jedoch den Nachteil, daß nicht alle Leiterabschnitte von dem gleichen Strom durchflossen werden. Weiterhin hat die Anordnung des Differenzsensors quer zur Haupt­ stromrichtung den Nachteil, daß die beiden Hallsensoren, die den Differenzsensor bilden un­ terschiedliche Magnetfelder messen, wenn parallel neben dem Leiterblech weitere stromfüh­ rende Leiter angeordnet sind. Die vorbeschriebene Anordnung mit Differenzsensor ist damit ungeeignet zur Verwendung in Stanzgittern mit mehreren parallelen stromführenden Zwei­ gen.

Diese Nachteile beseitigt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Von der gattungsbildenden Vorrichtung unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Vorrich­ tungen durch die Kombination aus Differenzsensor und speziell für den Differenzsensor aus­ gebildeten Leiterplatten, sowie durch die Anordnung des Differenzsensors in Hauptstrom­ richtung. Insbesondere durch die Ausrichtung des Differenzsensors in Hauptstromrichtung, vorzugsweise durch Ausrichtung der beiden Hallsensoren auf der gedachten Mittellinie des Leiterblechs, wird erreicht, daß das Magnetfeld eines parallelen Nachbarleiters am Ort der beiden Hallsensoren keine Differenz hat und folglich, da die Hallsensoren als Differenzsenso­ ren geschaltet sind, nicht gemessen wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strommessung besteht aus einem Differenzsensor und einem speziell geformten Leiterblech. Der Differenzsensor besteht aus mindestens zwei auf einem Substrat, vorzugsweise auf einem Chip, integrierten Hallsensoren, die in einem Abstand von beispielhafterweise 1 bis 3 mm voneinander angeordnet sind. Die Hallsensoren sind derart geschaltet, daß die Differenz der beiden einzelnen Hallspannungen gebildet und gemessen wird. Die spezielle Anordnung der Hallsensoren auf den Leiterblechen wird derart gewählt, daß die Hallsensoren von gegensinnig orientierten Magnetfeldern durchsetzt wer­ den. Der Differenzsensor wird auf dem Leiterblech in Längsrichtung parallel zur Hauptstrom­ richtung angeordnet, d. h. die beiden Hallsensoren werden vorzugsweise auf einer gedachten Linie, vorzugsweise der Mittellinie, in Längsrichtung des Leiterblechs angeordnet.

Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:

Da die Hallsensoren Magnetfelder richtungsabhängig messen, d. h. bei entgegengesetzter Richtung des Magnetfeldes sich die Polarität der Hallspannung ändert, wird durch die erfin­ dungsgemäße Kombination eines Differenzsensors mit einem speziell ausgestalteten Leiter­ blech eine Vorrichtung geschaffen, die die Differenz zweier etwa gleichgroßer Hallspannun­ gen mit entgegengesetztem Vorzeichen mißt. Dadurch werden Spannungsanteile, die am Ort des Differenzsensors keine Differenz aufweisen, wie z. B. das Erdmagnetfeld oder Offsetan­ teile der Hallsensoren, nicht gemessen. Außerdem wird eine Verstärkung des nutzbaren Meß­ signals um den Faktor 2 erreicht.

Streufelder von benachbarten stromführenden Leiter, die in etwa parallel zum Leiterblech des Differenzsensors angeordnet sind, haben auf der Mittellinie in Längrichtung des Leiterblechs keine Diffrenzanteile in ihrem Magnetfeld, werden also bei Anordnung des Diffrenzsensors längs der Hauptstromrichtung nicht erfaßt.

Deshalb ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung die Bildung von Stanzgittern mit mehreren parallelen stromführenden Zweigen. Auf jedem Zweig des Stanz­ gitters ist ein Differenzsensor in der erfindungsgemäßen Orientierung angebracht. Derartige Stanzgitter eignen sich besonders als Batterieableitungen bzw. Stromverteiler in Kraftfahr­ zeugen. Die Differenzsensoren ermöglichen die potentialfreie Messung der Stromstärke und können somit zur Stromüberwachung in den einzelnen von der Kraftfahrzeugbatterie abfüh­ renden Leitungen benutzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Leiterbleche mit Stromführungsschlitzen ausgestaltet. Die Stromführungsschlitze bewirken eine gezielte Stromführung im Leiterblech, wodurch erreicht wird, daß ein großer Teil des durch den Lei­ ter durchfließenden Stroms näher am Sensor vorbeifließt und zur Erhöhung des Meßsignals mit beiträgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische dreidimensionale Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 2 eine Aufsicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung

Fig. 3 eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung mit Stromführungsschlitzen im Leiterblech

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung als Stanzgitter mit mehreren paral­ lelen Zweigen, besonders geeignet als Batterieableitung

Fig. 1 zeigt eine schematische dreidimensionale Explosionsdarstellung der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung. Ein Differenzsensor 1 wird mit einem elektrischen Leiter 2, der vorzugs­ weise aus einem Stanzblech ausgestanzt ist, zusammengefügt. Der Differenzsensor ist in an sich bekannter Weise aus zwei Hallplatten 3 gebildet, die auf einem Substrat 4 oder einem Chip 4 angeordnet und verschaltet sind. Der Differenzsensor wird vorzugsweise monolithisch hergestellt und ist kommerziell in verschiedenen Konfigurationen erhältlich. Meist ist auf dem Substrat auch noch eine Auswerteeinheit mit integriert, so daß das Meßsignal ΔU_H direkt vom Sensor z. B. in digitaler Form ausgelesen werden kann. Die beiden Hallplatten sind bei­ spielsweise in einem Abstand von 1-10 mm voneinander angebracht. Der Abstand der Hall­ platten richtet sich nach der Dimensionierung der Strombrücke 5, deren Dimensionierung sich wiederum nach dem vorgesehenen Strom richtet, den der Leiter 2 führen soll. Der Leiter weist schlitzförmige, längliche, rechteckförmige Ausnehmungen 6 auf, in die der Differenz­ sensor mit seinen Hallplatten 3 eingepasst wird. Die Dimensionen der Ausnehmungen sind beispielhafterweise in der gleichen Größenordnung wie die Dimensionen der Strombrücke 5. Die Ausnehmungen 6 leiten den Gesamtstrom I im Leiter 2 auf einem S-förmigen Strompfad um die beiden Hallelemente 3 des Differenzsensors 1. Damit wird jedes der Hallelemente 3 an drei Seiten von dem Gesamtstrom I, der im Leiter 2 geführt wird, umflossen, so daß sich die Magnetfeldanteile der einzelnen Leiterabschnitte des S-förmigen Strompfads um die Hallplatten 3 am Ort der Hallplatten verstärkend überlagern. Der Differenzsensor 1 ist in Hauptstromrichtung, symbolisiert durch die Strompfeile 7, am Leiter 2 angeordnet. In ande­ ren Worten ist der Differenzsensor 1 am Leiter 2 derart angeordnet, daß sich die beiden Hall­ platten 3 auf einer gedachten gemeinsamen Linie, vorzugsweise der Mittellinie, in Längs­ richtung parallel zur Hauptstromrichtung 7 befinden. Weiterhin ist in Fig. 1 der Vollständig­ keit halber schematisch eine Stromversorgung der beiden Hallplatten mit einem Strom I_const gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung,. Gezeigt ist der Leiter 2 in Aufsicht mit dem von unten angebrachten Differenzsensor. Die Hallplatten 3 sind in den hier­ für vorgesehenen Ausnehmungen 6 angeordnet und mit Hilfe des Substrats 4 am Leiter 2 befestigt, so daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung mit Stromführungsschlitzen im Leiterblech. Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 oder Fig. 1 gezeigten Ausführungsform durch zusätzliche Stromführungsschlitze 8, die in beson­ ders vorteilhafter Weise die Ausprägung eines S-förmigen Strompfades um die Hallplatten 3 bewirken. Die Stromführungsschlitze sind vorteilhafterweise von ähnlicher Gestaltung und Dimensionierung wie die Ausnehmungen 6 und wie diese ebenfalls länglich und rechteck­ förmig von jeweils einer Längsseite aus in den Leiter 2 hineinragend. Die Stromführungs­ schlitze 8 sind derart plaziert, daß im Zusammenwirken mit den Ausnehmungen 6 insgesamt drei Strombrücken 5 in gleicher Stärke und Mächtigkeit entstehen.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung als Stanzgitter mit mehreren parallelen Zweigen, besonders geeignet als Batterieableitung in Kraftfahrzeugen. Das Stanz­ gitter 9 wird aus einem Leiterblech herausgestanzt und weist mehrere parallele stromführende Zweige 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, . ., 10.n auf. Die Anzahl der Zweige richtet sich nach der Anzahl der benötigten Verbraucheranschlüsse. Die Verbraucher und der Hauptstromanschluß können über die Anschlußösen 11 angeschlossen werden. Die einzelnen Zweige 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, . ., 10.n bestehen jeweils aus einer der in Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3 gezeigten Vorrichtungen. Die einzelnen Zweige können, für unterschiedliche Verbraucher mit unter­ schiedlichem Strombedarf ausgelegt sein. Deshalb ist in Fig. 4 exemplarisch der Zweig 10.1 größer dimensioniert als der Zweig 10.n, der wiederum größer dimensioniert ist als die Zwei­ ge 10.2, 10.3 und 10.4. Jeder einzelne Zweig enthält einen Differenzsensor mit jeweils zwei Hallplatten 3. Beim Einsatz des Stanzgitters als Batterieableitung im Kraftfahrzeug eignet sich das Stanzgitter vorzüglich als Sicherungselement zur Ergänzung oder als vollständiger Ersatz der bekannten Schmelzsicherungsanordnungen im Hauptsicherungskasten.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur induktiven Strommessung mit einem Differenzsensor (1), der aus min­ destens zwei auf einem Substrat (4) integrierten Hallsensoren (3) besteht und einem spe­ ziell geformten Leiterblech (2), das mittels Ausnehmungen (6) einen S-förmigen Strompfad mit mindestens einer Leiterbrücke (5) aufweist, wobei Hallsensoren (3) bei­ derseitig der Leiterbrücke (5) angeordnet sind und von dem S-förmigen Strompfad an drei Seiten umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (3) an dem Leiterblech (2) derart angeordnet sind, daß sich die bei­ den Hallsensoren (3) auf einer gedachten Linie in Längsrichtung parallel zur Haupt­ stromrichtung (7) befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hallsensoren auf dem Leiterblech auf einer gedachten Mittellinie in Längrichtung parallel zur Hauptstrom­ richtung (7) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Ausnehmungen (6) weitere Stromführungsschlitze (8) angebracht sind, die die Ausbil­ dung des S-förmigen Strompfades unterstützen.

4. Stanzgitter, insbesondere geeignet als Batterieableitung, mit mehreren Anschlußösen (11) und mehreren parallelen Zweigen (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, . ., 10.n), die jeweils aus einer der Vorrichtungen aus den Ansprüchen 1 bis 3 bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweige (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, . ., 10.n) unterschiedliche Dimensionen haben.