EP0386319A2 - Magnetischer Gleichstromwandler mit niedrigem Temperaturdrift - Google Patents

Abstract

Der Gleichstromwandler dient zur Erfassung von Gleichströmen (IL) in einem Stromleiter (SL) mit großem Querschnitt, welcher von einem Gleichstrom (IL) mit insbesondere kurzzeitig und stoßartig auftretenden hohen Werten durch flossen wird. Der magnetische Kern (MK) des Wandlers verfügt über einen Luftspalt (LS), in dem mindestens zwei Hallgeneratoren (HG1,HG2) antiparallel zueinander angeordnet sind. Die Nullpunktsoffsetspannungen der Hallgeneratoren (UN(T)HG1,UN(T)HG2) weisen einen möglichst identischen Temperaturverlauf auf. Eine Auswerteschaltung (AS) bildet aus der Differenz der Hallspannungen (UH(HG1),UH(HG2)) das Meßsignal (Δ UH) am Ausgang des Wandlers.

Description

• Die Neuerung betrifft einen magnetischen Gleichstromwandler zur Erfassung von Gleichströmen in einem Stromleiter mit großem Querschnitt, welcher von einem Gleichstrom mit insbesondere kurzzeitig und storßartig auftretenden hohen Werten durchflossen wird.
• Bei magnetischen Wandlern ist es insbesondere zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit bekannt, d.h. zur Erhöhung der am Ausgang zur Verfügung stehenden, auswertbaren Meßspannung, den Strom­leiter des zu erfassenden Stromes nicht nur einmal, sondern in Form von mehreren um einen magnetischen Schenkel ge führten Windungen hindurchzuführen.
• Bei einem Stromleiter mit einem großen Querschnitt, der einen Gleichstrom mit unter 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 muß selbst bei nur kurzzeitig und stoßartig auftreten­den 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
• 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 Nullpunktsoffsetspan­nung aus. Bei den Gleichstromwandlern mit einem insbesondere gradlinig als Stromschiene hindurchgeführten Stromleiter großen 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 flie­ßenden Gleichstromes darstellenden Meßspannung am Wandleraus­gang.
• 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 Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
• FIG 1 eine vorteilhafte Ausführungsform des neuerungsgemäßen Gleichstromwandlers, und
• FIG 2 beispielhaft den Temperaturverlauf der Nullpunktsoff set­spannung von zwei Hallgeneratoren.
• Der neuerungsgemäße magnetische Gleichstromwandler besteht ge­mäß der Darstellung von FIG 1 aus einem magnetischen Kern MK, durch den ein Stromleiter SL mit großem Querschnitt hindurch­geführt ist. Bei dem in der FIG 1 dargestellten Ausführungs­beispiel ist der Stromleiter SL in Form einer geradlinigen und starren, den Gleichstrom I_L führenden Stromschiene ausgeführt. Der magnetische Kern MK ist nicht ringförmig geschlossen, son­ dern verfügt über einen Luftspalt LS. In diesen sind neue­rungsgemäß mindestens zwei antiparallel zueinander angeordnete und thermisch leitend mit dem magnetischen Kern MK verbundene Hallgeneratoren HG1, HG2 eingelegt. Beide Hallgeneratoren werden in bekannter Weise von einer nicht dargestellten Versorgungs­spannung über ebenfalls nicht dargestellte Anschlußleitungen gespeist.
• Gemäß der Darstellung von FIG 1 werden die Hallspannungen U_H(HG1), U_H(HG2) der beiden Mallgeneratoren einer zum Gleich­stromwandler gehörigen Auswerteschaltung AS zugeführt. Diese bildet bevorzugt mittels einer bekannten Differenzverstärker­schaltung die Differenz zwischen den Hallspannungen, und stellt diese als Meßsignal Δ U_H am Ausgang des Gleichstrom­wandlers zur Verfügung. Die beiden Hallgeneratoren HG1, HG2 zeichnen sich dadurch aus, daß deren Nullpunktsoffsetspannun­gen U_N(T)_HG1, U_N(T)_HG2, d.h. die am Ausgang 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 magnetischen Kernes des Gleichstromwand­lers eingesetzt zu werden.
• Der neuerungsgemäße Gleichstromwandler hat den besonderen Vor­teil, daß zum einen der Pegel der auswertbaren Differenzhall­spannung Δ U_H 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 vollständig kompensieren. Dies wird desweiteren anhand der FIG 2 näher 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_H (B=0) am Ausgang der Generatoren bei Fehlen eines Magnetfeldes B im Luftspalt LS. Die beiden in der FIG 2 eingetragenen Temperaturverläufe der Nullpunktsoffsetspannungen U_N(T)_HG1, U_N(T)_HG2 der beiden antiparallelen Mallgeneratoren 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 T0 = 25° und T1 = 100° C beispielhaft eingetragen.
• So hat beispielsweise in dem als Temperaturnullpunkt angenom­mene Betriebspunkt T0 = 25° die Nullpunktsoffsetspannung U_N(T0)_HG2 des Hallgenerators HG2 den relativ großen, zwischen den exemplarstreuungsbedingten Minimal- und Maximalwerten U_NMI, U_NMA liegenden Wert. Werden dagegen gemäß der Neuerung die Hallspannungen am Ausgang der antiparallelen Generatoren von­einander subtrahiert, so reduziert sich die Nullpunktsoffset­spannung im Wandlerausgangssignal Δ U_H auf den nahezu ver­schwindenden, zwischen den Kurven U_N(T)_HG1 und U_N(T)_HG2 im Temperaturnullpunkt T0 liegenden Wert U_N(T0)_{HG2 - HG1}.
• Ist die Temperatur des Gleichstromwandlers z.B. auf den Wert T1 = 100° C erhöht, so hat dies im Vergleich zum Temperaturnull­punkt bei T0 = 25° eine Erhöhung der Nullpunktsoffsetspannung U_N(T)_HG2 z.B. des zweiten Hallgenerators um den Wert Δ U_N(T1) _HG2 zur Folge. Beim neuerungsgemäßen Gleichstromwandler tritt dage­gen im Arbeitspunkt T1 = 100° C lediglich ein dem Abstand zwi­schen den Temperaturverläufen U_N(T)_HG1 und U_N(T)_HG2 entsprechen­der, erheblich kleinerer absoluter Wert der Nullpunktsoffset­spannung U_N(T1)_{HG2 - HG1} auf.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, bevor­zugt im Temperaturnullpunkt T0 = 25° C die Nullpunktsoffset­spannung U_N(T0)_{HG2 - HG1} bevorzugt durch Parallelverschiebung einer der 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 $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{N}}$

  

  (HG2) ein derartiger, verschobener Temperaturverlauf für den Hallgenerator HG2 strichliert dargestellt. Dies hat zur Folge, daß der Schnittpunkt SP zwischen den Temperaturverläufen U_N(T)_HG1, U_N(T)_HG2 der Nullpunktsoffsetspannungen nun in einem vorgewählten Arbeitspunkt liegt, z.B. in dem angenommenen Tempe­raturnullpunkt T0 = 25° C. In diesem Arbeitspunkt tritt somit keine Nullpunktsoffsetspannung im Gleichstromwandlerausgangs­signal Δ U_H mehr auf. Dementsprechend ist der bei einem anderen Arbeitspunkt, z.B. T1 = 100° C, auftretende Wert der Nullpunkts­offsetspannung U_N(T1)_{HG2 - HG1} um den Betrag von U_N(T0̸) _{HG2 - HG1} weiter reduziert.
• In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, vier Hallgeneratoren im Luftspalt anzuordnen. Dabei sind jeweils zwei Generatoren paarweise parallel zueinander angeordnet, wäh­rend die Generatorpaare antiparallel zueinander angeordnet sind. Die Hallspannungen der Generatoren eines jeden Paares werden dabei addiert und die sich so ergebenden Summen substrahiert.
• Der neuerungsgemäße Gleichstromwandler kann besonders vorteil­haft dann verwendet werden, wenn der Gleichstrom I_L 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_L dem aus einer Bordbatterie gezogenen Strom, so kann dieser z.B. beim Anlassen der Flugzeugtriebwerke kurzzeitig und stoßartig 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 Eigenspeisung zu detektieren. Dieser Übergangs­moment kann beispielsweise dadurch definiert sein, daß der aus der Bordbatterie entnommene Gleichstrom I_L von ursprünglich ca. 1 000 A auf weniger als 3 A zurückgegangen ist. Der neue­rungsgemäße Gleichstromwandler ist aufgrund der Addition der Hallspannungen der antiparallelen Hallgeneratoren und der Kom­pensation des Temperaturverlaufes der Nullpunktsoffsetspannung besonders geeignet, trotz vorangegangener starker Erhitzung eine derart niedrige Schaltschwelle von ca. 3 A im Ausgangssignal Δ U_H mit relativ hoher Genauigkeit abzubilden.

Claims (1)

1. 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 (HG1,HG2), deren Nullpunktsoff­setspannungen (U_N(T)_HG1,U_N(T)_HG2) einen möglichst identi­schen Temperaturverlauf (U_H(B=0)(T)) aufweisen, und

   c) einer Auswerteschaltung (AS), welche die Differenz der Span­nungen (U_H(HG1),U_H(HG2)) am Ausgang der Hallgeneratoren als Meßsignal (Δ U_H) bildet.

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