DE2906445A1

DE2906445A1 - Stromwandler

Info

Publication number: DE2906445A1
Application number: DE19792906445
Authority: DE
Inventors: Roger Graham Fordham; Alan John Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-02-22
Filing date: 1979-02-20
Publication date: 1979-08-30
Also published as: FR2418468A1; JPS54122827A; SE7901542L; AU4414579A; BR7901040A; GB2015174A

Description

THE GENERAL ELECTRIC COMPAIiY LIMITED, London, England

Stromwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromwandler zur Verwendung an einem Stromleiter.

Unter einem Stromwandler wird hier eine Vorrichtung verstanden, die ein Ausgangssignal abgibt, das den momentanen Wert des durch einen Stromleiter fließenden Stroms darstellt.

Die Möglichkeit, den Momentanwert eines Stroms festzustellen, ist bei vielen Anwendungen äußerst wichtig und muß grundsätzlich gegeben sein, wenn elektrische Starkstromanlagen geschützt, gesteuert oder geregelt werden sollen. Man hat bisher eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen verwendet, um solche Messungen durchzuführen. Hierbei hat man auch bereits die verschiedenartigsten physikalischen Wirkungen ausgenutzt.

Wach, der Erfindung wird nun ein besonderes Halbleiter-Bauelement zur momentanen Strommessung herangezogen. In diesem Halbleiter-Bauelement kann man einen die Ladungsträger oder den Strom führenden Abschnitt(die Domäne) veranlassen, sich durch Anlegen eines Magnetfeldes mit einer Geschwindigkeit oder Frequenz zu drehen, die von der magnetischen Flußdichte abhängt» Auf diese Weise wird ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz der Flußdichte entspricht. Der Gattungsname für ein derartiges Bauelement ist "Träger-Domänen-Element'¹ (Carrier Domain Device). Dieses Bauelement ist aber auch unter dem Namen "Träger-Domänen-Magnetometer¹¹ (Carrier Domain Magnetometer) bekannt. Dazu wird auf die folgenden Druckschriften verwiesen: Gilbert, B., Electronics Letters,

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1976, 12, Seite 608-610, und Manley, M.H. et al., Electronics Letters, 1976, 12, Seite 610-611.

Ein Träger-Domänen-Element wird durch einen bekannten bipolaren Prozeß in üblicher Weise hergestellt und kann zusammen mit zugehörigen Schaltungen auf einem Chip integriert sein. Es besteht zur Zeit aus einer langgestreckten bipolaren Struktur, die so ausgebildet ist, daß nur ein kleiner Teil - die Domäne - zu irgendeiner Zeit leitend ist. Die Domäne wird spontan vermöge einer positiven Rückführung zwischen einem kreisförmigen NPN-Transistor und einem kreisförmigen PNP-Transistor gebildet. Die Domänenposition wird von mehreren Kontakten abgefühlt, die rund um den Kollektorbereich des einen Transistors angeordnet sind. Ein in normaler Weise an dieses Bauelement angelegtes Magnetfeld ruft Lorentz-Kräfte hervor, die auf die in jedem Transistor fließenden Stromträger einwirken. Der Effekt dieser magnetischen Wechselwirkung besteht darin, daß in der Rückführschleife, die die beiden Transistoren umschließt, eine UmfangsverSchiebung auftritt, die verursacht, daß sich die Domäne fortwährend um das Bauelement herum dreht. Der Drehsinn entspricht der Feldpolarität, und die Drehfrequenz ist dem Betrag der magnetischen Flußdichte proportional. Die derzeit erhältlichen Bauelemente weisen in bezug auf das Magnetfeld eine untere Schwellwertgrenze auf, unterhalb von der die Domäne mit einer gewissen Inhomogenität innerhalb des Bauelements "kleben" bleibt. Sehr wahrscheinlich existiert auch eine obere Grenze, die möglicherweise mit der Übergangsfrequenz fT des langsamsten Transistors in Beziehung gesetzt werden kann. Über eine solche obere Grenze wurde jedoch bisjetzt unter Heranziehung von Experimenten noch nicht berichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Messung des Momentanwertes eines durch einen Leiter fließenden Stroms einen vollkommen neuartig ausgebildeten Stromwandler zu schaffen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Stromwandler nach der Erfindung gekennzeichnet durch ein Träger-Domänen-Element, das neben dem Stromleiter in dem Magnetfeld angeordnet ist, das von dem durch den Leiter fließenden Strom hervorgerufen wird, und durch eine Signalaufbereitungseinrichtung, die das Ausgangssignal des Träger-Domänen-Elementes zur nachfolgenden Verarbeitung oder Übertragung aufbereitet.

Der Wandler enthält vorzugsweise ein im wesentlichen aus ferromagnetischem Werkstoff bestehendes Bauteil, das den Stromleiter umgibt und auf diese Weise die magnetische Flußdichte intensiviert. Das Bauteil weist einen Luftspalt auf, in dem das Träger-Domänen-Element angeordnet ist.

Vorzugsweise wird die zur Versorgung des Wandlers erforderliche Energie dem Im Stromleiter fließenden Strom entnommen.

Das Ausgangssignal des Stromwandlers ist vorzugsweise ein optisches Signal.

Das Träger-Domänen-Element ist zweckmäßigerweise mit einer Temperaturkompensationseinrichtung versehen, um Temperaturschwankungen zu begegnen, die sonst das Ausgangssignal des Träger-Domänen-Elements beeinträchtigen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung enthält der Stromwandler wenigstens zwei der ferromagnetisehen Bauteile, die die magnetische Flußdichte um unterschiedliche Beträge verdichten oder verstärken*

Weiterhin ist vorzugsweise in jedem der ferromagnetischen Bauteile ein weiterer Luftspalt vorgesehen, dessen Abmessung jeweils die Größe der magnetischen Flußdichte in dem Bsuteil steuert.

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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

F i g . 1 ein Blockschaltbild eines nach der Erfindung ausgebildeten Stromwandlers,

F i g . 2 eine schematische Darstellung einiger der Komponenten des in Fig. 1 gezeigten Wandlers zur Messung des Stroms in einem Stromleiter mit kreisförmigem Querschnitt,

Fig. 3a . die Kurvenform des in dem Leiter fließenden Stroms,

F i g . 3b die Kurvenform an den Ausgängen der Träger-Domänen-Elemente des nach der Erfindung ausgebildeten Wandlers und auch die Kurvenform des Lichts der verarbeiteten Ausgangssignale der Träger-Domänen-Elemente und

Fig. 3c eine grafische Darstellung der Frequenz der Kurvenform der Fig. 3b und des toten Raumes infolge der unteren Schwellwertgrenze des Träger-Domänen-Elements.

Aus der Darstellung nach den Fig. 1 und 2 geht hervor, daß jeder der drei Stromschienen 1, 2 und 3 eines 3-Phasen-Netzes ein nach der Erfindung ausgebildeter Stromwandler 4 zugeordnet ist. Die den einzelnen Stromschienen zugeordneten Stromwandler sind miteinander identisch, so daß lediglich ein einziger Stromwandler 4 erläutert zu werden braucht. Wie man der Fig. 2 entnehmen kann, weist der Stromwandler 4 drei Flußverdichter 6, 7 und 8 auf, die um die betreffende Stromschiene - im Falle der Fig. 2 die Stromschiene 1 - geführt sind. Die Flußverdichter 6 und 8 um jede der Stromschienen dienen zur Verstärkung der magnetischen Flußdichte 5 um unterschiedliche Beträge. Die magnetische Flußdichte 5 wird durch die sinusförmigen Ströme Ι_χ, I und I₂ in den Stromschienen 1, 2 und 3 hervorgerufen. In der Fig. 3a ist die grundsätzliche sinusförmige Stromkurvenform dargestellt. Die Flußverdichter 6, 7 und 8 bestehen im wesentlichen aus

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einem ferromagnetische!! Werkstoff, der körperlich so gestaltet ist, da0 er nahezu vollständig die betreffende Stromschiene umgibt und lediglich Luftspalte 6a, 7a und 8a verbleiben. Zusätzlich zu den unterschiedlich bemessenen Luftspalten 6a und 8a ist in dem ferromagnetisehen Werkstoff der Flußverdichter 6 und 8 ein weiterer kleiner Luftspalt 6b und 8b vorgesehen, in denen jeweils ein Träger-Domänen-Element 12 bzw. 14 in Form eines Chips angeordnet ist. Da jedes Träger-Domänen-Element einen unteren Betriebsschwellwert aufweist, der zu dem in der Fig. 3c dargestellten toten Raum DS führt, und da außerdem der ferromagnetische Werkstoff eine obere Betriebsgrenze hat, d.h. eine Grenze, von der an das System eine unannehmbare Nichtlinearität aufweist, muß man zur Abdeckung eines großen dynamischen Bereiches eine Reihe von Flußverdichtern vorsehen, die jeweils mit einem Träger-Domänen-Element ausgerüstet sind und einen die betreffenden Verhältnisse einstellenden Luftspalt haben. Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Äusführungsbeispiel sind zwei derartiger Flußverdichter 6 und 8 mit unterschiedlich bemessenen Luftspalten 6a und 8a vorgesehen. Die von den Träger-Domänen-Elementen 12 und 14 gelieferten Ausgangssignale (Fig. 3b) werden über Leitungen 17 und 18 einer Signalaufbereitungs- oder Signalverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt, die für geeignete Signalpegel sorgt, die Anstiegs- und Abfallflanken steiler macht usw. und die die elektrischen Signale zwecks Übertragung durch eine Lichtleitfaser 19 in ein optisches Signal umsetzt. Über den Flußverdichter 7, der mit einer elektrischen Ringwicklung ausgerüstet ist, wird der betreffenden Stromschiene Energie entzogen, die anschließend in einer Verarbeitungseinrichtung 13 stabilisiert und auf einen geeigneten Pegel gebracht wird. Die auf diese Weise verarbeitete elektrische Energie wird zur Speisung der Träger-Domänen-Elemente 12 und 14 und der Signalaufbereitungseinrichtung 16 verwendet. Die Energiespeisung erfolgt über Leitungen 15. Es sei bemerkt, daß Temperaturkompensationsmittel zusammen mit den Träger-Domänen-Elementen in die Chips einbezogen sind.

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In der Fig. 3c ist der Frequenzverlauf der Ausgangssignale der Träger-Domänen-Elemente 12 und 14 sowie des Ausgangssignals der Signalaufbereitungseinrichtung 16 dargestellt. Aus dieser Darstellung erkennt man die Übereinstimmung zwischen dem ausgangsseitigen Frequenzverlauf (Fig. 3c) und dem Betrag des gemessenen Stroms (Fig. 3a).

Es sei erwähnt, daß das Ausgangssignal des Wandlers nicht optischer Natur zu sein braucht, sondern auch beispielsweise elektrischer Natur sein kann.

Ferner ist anzumerken, daß das Vorhandensein eines' den Leiter umgebenden Bauteils aus ferromagnetischem Werkstoff nicht unbedingt erforderlich ist. Man kann auch ein Träger-Domänen-Element alleine neben dem Leiter in dem Magnetfeld anordnen, das von dem durch den Leiter fließenden Strom erzeugt wird.

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Claims

JkAm. Ws'lkztn Γ.?-'wM 9326 b k r.l.U*L:K-:-: LU IYL 1 La 13 THE GENERAL ELECTRIC COMPANY LIMITED, London, England Patentansprüche

1.J Stromwandler zur Verwendung an einem Stromleiter,

adurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) enthält:

ein Träger-Domänen-Element (12, 14), das neben dem Leiter (1, 2, 3) in den Magnetfeld angeordnet ist, das der durch den Leiter fließende Strom (I , I , I₂) erzeugt, und

eine Signalaufbereitungseinrichtung (16) zur Aufbereitung des Ausgangssignals des Träger-Domänen-Elements zwecks nachfolgender Verarbeitung oder übertragung.

2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein im wesentlichen aus ferromagnetische!!! Werkstoff hergestelltes Bauteil (6, 8) aufweist, das zur Verstärkung der magnetischen Flußdichte (5) den Stromleiter umgibt und einen Luftspalt (6b, 8b) aufweist, in dem das Träger-Domanen-Element (12, 14) angeordnet ist.

3. Stromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) so ausgebildet ist, daß er durch den in dem Stromleiter fließenden Strom mit Versorgungsenergie gespeist wird.

4. Stromwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze lehnet, daß das Ausgangssignal der Sxgnalaufbereitungsexnrichtung (16) ein optisches Signal ist,

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5. Stromwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Träger-Domänen-Element zur Kompensation seines Ausgangssignals gegenüber Temperaturschwankungen mit einer Temperaturkompensationseinrichtung versehen ist.

6. Stromwandler nach Anspruch 2 allein oder in Verbindung mit einem der Ansprüche 3 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) wenigstens zwei der Bauteile (6, 8) aufweist, die so ausgebildet sind, daß sie die magnetische Flußdichte (5) um unterschiedliche Beträge intensivieren.

7. Stromwandler nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Bauteile (6, 8) einen zusätzlichen Luftspalt (6a, 8a) mit gegenseitig unterschiedlicher Abmessung aufweist, um den Betrag der magnetischen Flußdichte in dem Bauteil zu steuern.

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