DE8902904U1

DE8902904U1 - Magnetischer Gleichstromwandler mit niedrigem Temperaturdrift

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Publication number: DE8902904U1
Application number: DE8902904U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-03-09
Filing date: 1989-03-09
Publication date: 1989-05-03
Also published as: EP0386319A2; EP0386319A3; DK58190D0; DK58190A

Description

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( ) 1 Siemens Aktiengesellschaft

Magnetischer Gleichstromwandler mit niedrigem Temperaturdrift 5

Die Neuerung betrifft einen magnetischen Gleichstromwandler zur Erfassung von Gleichströmen in einem Stromleiter mit großes Querschnitt, welcher von einem Gleichstrom mit insbesondere kurzzeitig und storSartig auftretenden hohen Werten durchflossen IG wird,

Bei magnetischen Wandlern ist es insbesondere zur Erhöhung der Meßempfindlichksiv bekannt, d.h. zur Erhöhung der am Ausgang zu~ Verfügung stehenden, auswertbaren Msßspannung, den Strouileiter des zu erfassenden Strebes nicht nur einmal, sondern in Form von mehreren um einen magnetischen Schenkel geführten Windungen hindurchzuführen.

Bei einem Stromleiter mit einem großen Querschnitt, der einen Gleichstrom mit ut» ier Umständen kurzzeitig und stoßartig auftretenden hohen Werten führen kann, ist eine derartige Wicklung um einen Schenkel des Wandlers dagegen in der Regel sehr aufwendig bzw. nicht möglich. Vielfach werden derartige Stromleiter in Form von Schienen geradlinig durch den Wandler hindurchgeführt. Es ist somit praktisch nicht möglich, in der bekannten Weise eine Erhöhung des nutzbaren Signalpegels der Meßspannung am Ausgang des Wandlers zu erreichen.

Aufgrund der hohen Gleichstromtragfähigkeit derartiger Stromleiter muS selbst bei nur kurzzeitig und stoßartig auftreten den hohen Gleichstromwerten mit einer erheblichen Erwärmung des Stromleiters, und damit des zur Erfassung des hindurchließenden Gleichstromes dienenden magnetischen Wandlers gerechnet werden. In manchen Anwendungsfällen wird der 'Magnetische Gleichstromwandler auf bis zu 130' C erwärmt. Gegenüber einem z.B. Umgebungstemperatur von ca. 25* C liegenden, angenomenen

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Temperaturnullpunkt führt eine derartige Erwärmung in der Regel aber zu einer erheblichen temperaturdriftabhängigen Verfälschung der nutzbaren Meßspannung am Ausgang des Wandlers. Dabei wirkt sich besonders der Temperaturverlauf der Nullpunktsoffsetspan nung aus. Bei den Gleichstromwandlern mit einem insbesondere gradlinig als Stromschiene hindurchgeführten Stromleiter gro3en Querschnitts besteht dabei das Problem, das die Amplitude der bei einer großen Erwärmung auftretenden Nullpunktsoffsetspannung größer sein kann als der Wert der ein Abbild des jeweils flie-Genden Gleichstromes darstellenden Meßspannung am Wandleraus gang.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Gleichstromwandler zur Erfassung von Gleichströmen anzugeben, deren unter Umständen vorübergehende und stoßartige Erhöhung auf hohe Werte eine erhebliche Erwärmung des Gleichstromwandlers zur Folge hat,

Die Aufgabe wird gelöst mit dem im Schutzanspruch angegebenen Gleichstromwandler.

Die Neuerung wird anhand der nachfolgend kurz angeführten Fig/'ren näher erläutert. Dabei zeigt:

FIG 1 eine vorteilhafte Ausführungsform des neuerungsgeraäßen Gleichstromwandlers, und

FIG 2 br-^pielhaft den Temperaturverlauf der Nullpunktsoffsetspannung von zwei Hallgeneratoren.

Der neueruncsgemäße magnetische Gleichstromwandler besteht gemäß der Darstellung von FIG 1 aus «sinem magnetischen Kern MK, durch den ein Stromleiter SL mit großem Querschnitt hinriurcfrgeführt ist. Bei dem in der FIG 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stromleiter SL in Form einer geradlinigen und starren, den Gleichstrom I. führenden Stromschiene ausgefi" irt. Der magnetische Kern MK ist nicht ringförmig geschlossen, son-

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dem verfügt über einen Luftspalt LS. In diesen sind neuerungsgemäß mindestens zwei antiparallel zueinander angeordnete und thermisch leitend mit dem magnetischen Kern MK verbundene Hallgeneratoren HGl, HG2 eingelegt. Beide Hallgeneratoren werdei in bekannter Weise von einer nicht dargestellten Versorgurusspannung über ebenfalls nicht dargestellte Anschlußleitungen gespeist.

Gemäß der Darstellung von FIG 1 werden die Hallspannungen U_H(HG1), U_H(HG2) der beiden Hallgeneratoren einer zum Gleichstromwandler gehörigen Auswerteschaltung AS zugeführt. Diese bildet bevorzugt mittels einer bekannten Differenzverstärkerschaltung die Differenz zwischen den Hallspannungen, und stellt diese als MeGsignal &Lgr; U_H am Ausgarg des Gleichstrom-' wandlers zur Verfügung. Die beiden Hallgeneratoren HGl, HG2 zeichnen sich dadurch aus, daß deren ,tullpunkU )ffsetspannungen ^un(Ohg1' ^UN^^T^HG2' ^d'^h' ^d*^{e arn Aus}9^an9 ^der Generatoren ohne Anliegen eines Magnetfeldes allein aufgrund der Versorgungsspannungen hervorgerufenen Spannungen, einen möglichst identischen Temperaturverlauf aufweisen. Hallgeneratoren, deren Nullpunktsoffsetspannungen aufgrund von üblichen Exemplarstreuungen stark voneinander abweichende Temperaturverläufe aufweisen, sind nicht geeignet gemäß der Neuerung antiparallel im Luftspalt des magnetischer Kernes des Gleichstromwandlers eingesetzt zu werden.

Der neuerungsgemäße Gleichstromwandler hat den besonderen Vorteil, daß zum einen der Pegel der auswertbaren Differenzhallspannung ÜU&ldquor; am Ausgang aufgrund der Subtraktion der zwei Vorzeichen unterschiedlichen Hallspannungen u"_H der antiparallelen Generatoren doppelt so hoch ist als bei Verwendung eines einzigen Hallgenerators. Diese Subtraktion der Hallspannungen von einen möglichst identischen Temperaturverlauf der Nullpunktsoffsetspannungen verfügenden antiparallelen Hallgenratoren hat den weiteren Vorteil, daß sich diese Temperaturverläufe nahezu

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vollständig kompensieren. Dies wird desweiteren anhand der FIG näh^rr erläutert.

Das Diagramm der FIG 2 zeigt aufgetragen über der bevorzugt in °C angegebenen Temperatur T den Verlauf der in Form von Geraden angenäherten Nullpunktsoffsetspannungen U_n(T). Diese entsprechen den Hallspannungen U^(B=O) am Ausgang der Generatoren bei Fehlen eines Magnetfeldes B im Luftspalt LS. Die beiden in ri'jr FIG 2 eingetragenen Temperaturverläufe der Nullpunktsoffsetspannungen U..(T)_un1, Um(T)M₀₀ der beiden antiparallelen Hallgeneratoreri

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weichen neuerungsgemäß nur geringfügig voneinander ab. Sie verfügen somit über Steigungen mit identischen Vorzeichen und annähernd gleichen Werten. In der FIG 2 sind zwei Temperaturbetriebspunkte bei Umgebungstemperatur TO = 25* und Tl = 100* C beispielhaft eingetragen.

So hat beispielsweise in dem als Ternperaturnuilpunkt angenommene Betriebspunkt TO = 25° die Nullpunktsoffsetspannung U_N(T0)_HG2 des Hallgenerators HG2 den relativ großen, zwischen den exemplarstreuungsbedingten Minimal- und Maximalwerten U_NMI, U_NMn liegenden Wert. Werden dagegen gemäß der Neuerung die Hallspannungen am Ausgang der antiparallelen Generatoren voneinander subtrahiert, so reduziert sich die Nullpunktsoffsetspannung im Wandlerausgangssignal £1 U_H auf den nahezu verschwii denden, zwischen den Kurven U_N(T)_HG1 und U_N(T)_HG2 im Temperaturnullpunkt TO liegenden Wert ^um^^t0^hG2 - HGl*

Ist die Temperatur des Gleichstromwandlers z.B. auf den Wert Tl = 100* C erhöht, so hat dies im Vergleich zum Temperaturnullpunkt bei TO = 25* eine Erhöhung der Nullpunktsoffsetspannung U_M(T)n_r, z.B. des zweiten Hallgenerators um den Wert &Dgr; U_KI(Tl)_uro zur Folge. Beim neuerungsgemäßen Gleichstromwandler tritt dagegen im Arbeitspunkt Tl = 100' C lediglich ein dem Abstand zwischen den Temperaturverläufen U_N(T)_HG·, und ^un^HG2 ^er|tsprechender, erheblich kleinerer absoluter Wert der Nullpunktsoffsetspannung &ugr;_&Mgr;(&Pgr;)_&mgr;&eegr;9 _ _HG1 auf.

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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, bevorzugt im Temperaturnullpunkt TO = 25* C dir Nullpunktsoffsetspannung ^um(^Tu^hG2 HGl bevorzugt durch Parallelverschiebung einer e'er beiden Temperaturverläufe U_N(T)_HG1 bzw. U_N(T)_HG2 nahezu vollständig zu beseitigen. Eine derartige Verschiebung ist durch schaltungstechnische Maßnahmen in der Auswerteschaltung AS auf bekannte Weise möglich. In der FIG 2 ist am Beispiel von U_W(HG2) ein derartiger, verschobener Temperaturverlauf für den Hallgenerator HG2 strich.Hert dargestellt. Dies hat zur Folge, daß der Schnittpunkt SP zwischen den Temperaturverläufen ^&ugr;&Ngr;^^&Tgr;^&EEgr;&Ggr;1' ^UN^'^HG2 ^^eT NUÜpunktso f f setspannungen nun in einen, vorgewähltnn Arbeitspunkt liegt, z.B. in dem angenommenen Temperaturnullpunkt TO = 25* C. In diesem Arbeitspunkt tritt somit keine Nullpunktsoffsetspannung im Gleichstromwandlerausgangssignal & Un mehr auf. Dementsprechend ist der bei einem anderen Arbeitspunkt, z.B. Tl = 100" C, auftretende Wert der Nullpunktsoffsnt spannung U_N(T1)_HG2 _ _HG1 um den Betrag von U_N(T(}))_HG2 _ _HG1 weiter reduziert.

In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, vier Hallgeneratoren im Luftspalt anzuordnen. Dabei sind jeweils zvei Generatoren paarweise parallel zjeinander angeordnet, während die Generatorpaare antiparallel zueinander angeordnet sind. Die Häiispannungen der Generatoren cincS jeden Fasi65 weruön dabei addiert und die sich so ergebenden Summen substrahiert.

Der neuerungsgemäße Gleichstromwandler kann besonders vorteilhaft dann verwendet werden, wenn der Gleichstrom I, durch den Stromleiter SL zum einen unter Umständen kurzzeitig und stoßartig sehr hohe Werte annehmen kann, zum anderen aber das Unterschreiten eines recht kleinen Schwellwertes durch den Gleichstrom I_L detektierbar sein soll. Ein derartiger Fall kann z.B. bei der Stromversorgung eines Bordnetzes in einem Flugzeug auftreten. Entspricht in einem solchen Fall der Gleichstrom I^ dem aus einer Bordbatterie gezogenen Strom, so kann dieser z.B. beim Anlassen der Flugzeugtriebwerke kurzzeitig und

sfoßartig einen Wert von ca. 1 000 A annehmen. Dies führt zu einer erheblichen Erwärmung des Stromleiters SL und somit des Gleichstromwandlers. Nach erfolgreichem Start der Triebwerke speist sich das Bordnetz insbesondere mittels davon angetriebener Generatoren im Eigenbetrieb selbst. Es ist vorteilhaft und manchmal notwendig, diesen übergangsmoment zwischen Batterie- und Figenspeisung zu detektieren. Dieser Übergangsmument kann beispielsweise dadurch definiert sein, dan der aus der Bordbatter.i e entnommene Gleichstrom I. von ursprünglich ca. 1 000 A auf weniger als 3 A zurückgegangen ist. Der neuerunn:jgemäGe Gleichstromwandler ist aufgrund der Addition der Haj.lspannungen der antiparallelen Hallgeneratoren und der Kompensation des Temperaturverlaufes der Nullpunktsof' Fsctspannung besonders geeignet, trotz vorangegangener starker Erhitzung- eine derart niedrige Schaltschwelle von ca. 3 A in Ausgangssignal &Dgr; Uu mit relitiv hoher Genauigkeit abzubijden.

Claims

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Schutzanspruch

Magnetischer Gleichstromwandler zur Erfassung von Gleichströmen (I_L) in einem Stromleiter (SL) mit großem Querschnitt, welcher von einem Gleichstrom (I_L) mit insbesondere kurzzeitig und stoßartig auftretenden hohen Werten durchflossen wird, mit a) einem magnetischen Kern (MK), durch dessen öffnung der

Stromleiter (SL) durchgeführt ist, und der über einen Luftspalt (LS) verfügt,
b) mindestens zwei antiparallel zueinander im Luftspalt (LS)

angeordnete Hallgeneratoren (HGl,HG2), deren Nullpunktsoffsetspannungen (^um(^t)h~1'^uN^HG2^ ^einen möglichst identischen Temperaturverlauf (U_U(B=O)(T)) aufweisen, und
c) einer Auswerteschaltung (AS), welche die Differenz der Spannungen (Uu(HGl),U_H(HG2)) am Ausgang der Hallgeneratoren als Meßsignal ( &Dgr; U_u) bildet.