WO2000079291A1 - Current sensor - Google Patents

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Helmut Kinzel
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Honeywell Ag
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
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Definitions

  • the invention relates to a current sensor according to the preamble of claim 1.
  • Current sensors according to the prior art consist of a magnetic field sensor, an iron core and an amplifier.
  • the iron core surrounds a power line, preferably of copper, which carries the current to be measured, as a result of which a magnetic field is generated in the iron core depending on the strength of the current.
  • the magnetic field sensor is arranged within a gap of the iron core.
  • the field lines of the magnetic field induced by the current to be measured in the iron core thus move through the magnetic field sensor, which generates an output signal proportional to the current to be measured, which is amplified by the amplifier. Details in this regard can be found in the article “Analog current sensors for measuring all forms of current, Honeywell Outline, Volume 9 (1995), No. 2, pp. 10-11". Further current sensors according to the prior art can be found in DE 37 02 344 AI, DE 42 11 548 AI, EP 0 578 948 AI, US 5,041,780 and DE 296 05 606 Ul known.
  • the iron core customary in current sensors according to the prior art primarily takes on two tasks, namely on the one hand the conduction of the magnetic field induced by the current to be measured through the magnetic field sensor and on the other hand the shielding of the magnetic field sensor from external fields.
  • the current sensors according to the prior art are too expensive and too large.
  • the present invention is based on the problem of creating a new type of current sensor which is small and inexpensive but nevertheless safe from external fields.
  • the current sensor mentioned at the outset is characterized by the features of claim 1.
  • the current sensor according to the invention does not require an iron core.
  • FIG. 1 is a greatly simplified schematic diagram of a current sensor according to the invention in side view
  • FIG. 2 is a greatly simplified schematic diagram of the current sensor according to the invention shown in FIG. 1 in plan view,
  • FIG. 3 is a greatly simplified schematic diagram of another current sensor according to the invention in a perspective view
  • Fig. 4 shows the course of the field lines by the inventive
  • FIG. 5 shows the current sensor according to FIG. 1 in connection with a printed circuit board.
  • the current sensors shown in the drawing are used to measure the current carried by a current conductor.
  • Fig. 1 shows a current sensor 10 according to the invention in a highly schematic representation.
  • the current sensor 10 has a magnetic field sensor 11 - in the exemplary embodiment shown a Hall sensor - and an amplifier assigned to the magnetic field sensor 11 (not shown).
  • the magnetic field sensor 11 and the amplifier are mounted on a carrier plate 12. According to the invention, the magnetic field sensor 11 is at least partially enclosed by the current conductor 13, which fills the current to be measured.
  • the current conductor 13 over a ribbon-like shape.
  • the current conductor 13 accordingly encloses the
  • Magnetic field sensor 11 tubular. It is also conceivable that this tubular arrangement of the current conductor 13 is closed at the top and / or bottom. Then, a hülsenfb '-shaped or box shaped enclosure of the magnetic field sensor 11 would be through the conductor. 13
  • the current conductor 13 is made of a conductive, ferritic material. This current conductor 13, which is made of a conductive, ferritic material and has the band-like shape, is arranged around the magnetic field sensor 11. The current conductor 13 formed in this way accordingly ensures that the magnetic field sensor 11 is shielded from external fields. Furthermore, the magnetic field generated by the current to be measured is passed through the magnetic field sensor 11 in this way.
  • the iron core required for current sensors according to the prior art can therefore be dispensed with.
  • the iron core according to the invention is therefore small, inexpensive and safe from external fields.
  • the current conductor 13 is preferably made of iron or an iron alloy, but other highly conductive, ferritic material - e.g. MUMETALL - are used.
  • the current conductor 13 can also be bimetallic. In the case of the bimetallic design, MUMETALL can be combined with copper. However, the use of the ferritic material is necessary for reasons of shielding against external fields, so that copper alone should not be used.
  • the current conductor 13 designed according to the invention has a notch 16, 17, adjacent edges 18 and 19 formed by the notches 16, 17 being spaced apart from one another and accordingly not touching one another.
  • the magnetic field sensor 11 is positioned adjacent to the notch 17, that is to say in the area.
  • the current flowing through the current conductor 13 is guided in a U-shaped manner through the notches 16, 17 and, as a result, the field lines of the magnetic field generated by the current to be measured are guided through the magnetic field sensor 11.
  • the current conductor 13 therefore serves as a forward and return conductor. At this point it should be pointed out that the adjacent edges 18 and 19 can also overlap one another without, however, touching one another. This is important for the improved shielding of the magnetic field sensor 11.
  • the magnetic field sensor 11 can be designed as a magnetoresistive sensor. Magnetoresistive sensors are more sensitive and dynamic than Hall sensors. When using a magnetoresistive sensor, only the way of installing it has to be changed. However, this is familiar to the expert addressed here.
  • FIG. 5 shows the current sensor 10 according to the invention in its preferred form of use for measuring the current carried by a printed circuit board 20.
  • the current conductor 13 is in contact with lines (not shown) which carry the circuit board current.
  • the measured values of the current sensor 10 can be tapped for further processing via connections 22.
  • FIG. 3 shows a current sensor 23, which essentially corresponds to the current sensor 10 of FIGS. 1 and 2, but has straight connections 24. With regard to all other details, however, the current sensor 23 corresponds to the current sensor 10. The same reference numbers are therefore used for the same assemblies.
  • the arrow 25 shows that the current flowing through the current conductor 13 is guided in a U-shape. 4 follows the course of the generated field lines 26, which are thus guided through the magnetic field sensor 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor zum Messen des von einem Stromleiter geführten Stroms, mit einem Magnetfeldsensor und mit einem dem Magnetfeldsensor zugeordneten Verstärker. Erfindungsgemäss ist der Stromleiter aus leitendem, ferritischem Material hergestellt. Der Stromleiter weist eine bandförmige Gestalt auf. Ferner umschliesst der Stromleiter den Magnetfeldsensor zumindest bereichsweise.

Description

CURRENT SENSOR
Die Erfindung betrifft einen Stromsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stromsensoren nach dem Stand der Technik bestehen aus einem Magnetfeldsensor, einem Eisenkern und einem Verstärker. Der Eisenkern umgibt eine den zu messenden Strom führende Stromleitung aus vorzugsweise Kupfer, wodurch im Eisenkern anhängig von der Stärke des Stroms ein Magnetfeld erzeugt wird. Innerhalb eines Spalts des Eisenkerns ist der Magnetfeldsensor angeordnet. Die Feldlinien des im Eisenkern vom zu messenden Strom induzierten Magnetfelds bewegen sich so durch den Magnetfeldsensor, der ein dem zu messenden Strom proportionales Ausgangssignal erzeugt, welches vom Verstärker verstärkt wird. Diesbezügliche Details können dem Aufsatz „Analoge Stromsensoren zum Messen aller Stromformen, Honeywell Outline, Jahrgang 9 (1995), Heft 2, S. 10-11" entnommen werden. Weitere Stromsensoren nach dem Stand der Technik sind aus DE 37 02 344 AI, DE 42 11 548 AI, EP 0 578 948 AI, US 5,041,780 und DE 296 05 606 Ul bekannt.
Der bei Stromsensoren nach dem Stand der Technik übliche Eisenkern übernimmt in erster Linie zwei Aufgaben, nämlich einerseits die Leitung des vom zu messenden Strom induzierten Magnetfelds durch den Magnetfeldsensor und andererseits die Abschirmung des Magnetfeldsensors gegenüber Fremdfeldern. Durch die Verwendung der Eisenkerne sind die Stromsensoren nach dem Stand der Technik jedoch zu teuer und zu groß.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde einen neuartigen Stromsensor zu schaffen, der klein sowie preiswert und dennoch fremdfeldsicher ist.
Zur Lösung dieses Problems ist der eingangs genannte Stromsensor durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Der erfindungsgemäße Stromsensor kommt ohne Eisenkern aus. Der aus leitendem, ferritischem Material hergestellte Stromleiter, der den Magnetfeldsensor zumindest bereichsweise umschließt, übernimmt demnach die Funktionen des sonst üblichen Eisenkerns.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Stromsensors in Seitenansicht,
Fig. 2 eine stark vereinfachte Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Stromsensors gemäß Fig. 1 in Draufsicht,
Fig. 3 eine stark vereinfachte Prinzipskizze eines weiteren erfindungsgemäßen Stromsensors in perspektivischer Ansicht,
Fig. 4 eine Verdeutlichung des Feldlinienverlaufs durch die erfindungsgemäßen
Stromsensoren, und
Fig. 5 den Stromsensor gemäß Fig. 1 in Verbindung mit einer Leiterplatte.
Die in der Zeichnung dargestellten Stromsensoren dienen der Messung des von einem Stromleiter geführten Stroms.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor 10 in einer stark schematisierten Darstellung. Der Stromsensor 10 verfugt über einen Magnetfeldsensor 11 - im gezeigten Ausfiüirungsbeispiel über einen Hall-Sensor - und über einen dem Magnetfeldsensor 11 zugeordneten Verstärker (nicht gezeigt). Der Magnetfeldsensor 11 und der Verstärker sind auf einer Trägerplatte 12 montiert. Der Magnetfeldsensor 1 1 wird erfindungsgemäß vom Stromleiter 13, der den zu messenden Strom fül-rt, zumindest bereichsweise umschlossen. Hierzu verfügt der
Stromleiter 13 über eine bandförmige Gestalt. Der Stromleiter 13 umschließt demnach den
Magnetfeldsensor 11 röhrenförmig. Es ist auch denkbar, daß diese röhrenförmige Anordnung des Stromleiters 13 an Oberseite und/oder Unterseite geschlossen ist. Dann würde eine hülsenfb'rmige oder gehäuseförmige Umschließung des Magnetfeldsensors 11 durch den Stromleiter 13 vorliegen. Darüber hinaus ist der Stromleiter 13 aus leitendem, ferritischem Material hergestellt. Dieser aus leitendem, ferritischem Material hergestellte und die bandförmige Gestalt aufweisende Stromleiter 13 ist um den Magnetfeldsensor 11 herum angeordnet. Der so ausgebildete Stromleiter 13 sorgt demnach für eine Abschirmung des Magnetfeldsensors 11 gegenüber Fremdfeldern. Des weiteren wird auf diese Weise das vom zu messenden Strom erzeugte Magnetfeld durch den Magnetfeldsensor 11 gefuhrt. Auf den bei Stromsensoren nach dem Stand der Technik nötigen Eisenkern kann also verzichtet werden. Der erfindungsgemäße Eisenkern ist demnach klein sowie preiswert und fremdfeldsicher.
Der Stromleiter 13 ist vorzugsweise aus Eisen oder einer Eisenlegierung hergestellt, jedoch kann auch anderes gut leitendes, ferritisches Material - z.B. MUMETALL - zum Einsatz kommen. Auch kann der Stromleiter 13 bimetallisch ausgebildet sein. Im Falle der bimetallischen Ausgestaltung kann MUMETALL mit Kupfer kombiniert werden. Die Verwendung des ferritischen Materials ist jedoch aus Gründen der Abschirmung gegenüber Fremdfeldern nötig, so daß Kupfer allein nicht verwendet werden sollte.
In zwei sich gegenüberliegenden Abschnitten 14, 15 verfügt der erfindungsgemäß ausgestaltete Stromleiter 13 über je eine Einkerbung 16, 17, wobei durch die Einkerbungen 16, 17 gebildete, benachbarte Kanten 18 bzw. 19 voneinander beabstandet sind und demnach einander nicht berühren. Der Magnetfeldsensor 11 ist benachbart -also im Bereich - zu der Einkerbung 17 positioniert. Durch die Einkerbungen 16, 17 wird der den Stromleiter 13 durchfließende Strom U-förmig geführt und als Folge werden die vom zu messenden Strom erzeugten Feldlinien des Magnetfelds durch den Magnetfeldsensor 11 geführt. Der Stromleiter 13 dient demnach als Hin- und Rückleiter. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die benachbarten Kanten 18 bzw. 19 auch einander überlappen können, ohne jedoch dabei einander zu berühren. Dies ist für die verbesserte Abschirmung des Magnetfeldsensors 11 von Bedeutung.
Auch soll darauf hingewiesen werden, daß der Magnetfeldsensor 11 als magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein kann. Magnetoresistive Sensoren verfügen gegenüber Hall- Sensoren über eine höhere Empfindlichkeit sowie Dynamik. Bei Verwendung eines magnetoresistiven Sensors muß lediglich die Einbauweise desselben geändert werden. Dies ist dem hier angesprochenen Fachmann jedoch geläufig.
Fig. 5 zeigt den erfindungsgemäßen Stromsensor 10 in seiner bevorzugten Verwendungsform zur Messung des von einer Leiterplatte 20 geführten Stroms. Über Anschlüsse 21 steht der Stromleiter 13 mit nicht dargestellten, den Leiterplattenstrom führenden Leitungen in Kontakt. Über Anschlüsse 22 sind die Meßwerte des Stromsensors 10 zur Weiterverarbeitung abgreifbar.
Fig. 3 zeigt einen Stromsensor 23, der im wesentlichen dem Stromsensor 10 der Fig. 1 und 2 entspricht, jedoch geradlinig verlaufende Anschlüsse 24 aufweist. Hinsichtlich aller anderen Details entspricht der Stromsensor 23 jedoch dem Stromsensor 10. Es werden daher für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Der Pfeil 25 verdeutlicht, daß der den Stromleiter 13 durchfließende Strom u-förmig geführt wird. Daraus folgt der in Fig. 4 verdeutlichte Verlauf der erzeugten Feldlinien 26, die so durch den Magnetfeldsensor 11 geführt werden.
Bezu gszeichenliste
10 Stromsensor
11 Magnetfeldsensor 12 Trägerplatte
13 Stromleiter
14 Abschnitt
15 Abschnitt
16 Einkerbung 17 Einkerbung
18 Kanten
19 Kanten 0 Leiterplatte 1 Anschluß 2 Anschluß 3 Stromsensor 4 Anschluß 5 Pfeil 6 Feldlinien

Claims

Patentan sprüche :
1. Stromsensor zum Messen des von einem Stromleiter (13) geführten Stroms mit einem Magnetfeldsensor (11), mit folgenden Merkmalen:
a) der Stromleiter (13) weist eine bandförmige Gestalt auf,
b) der Stromleiter (13) ist um den Magnetfeldsensor (11) herum angeordnet, derart, daß der Stromleiter (13) den Magnetfeldsensor (11) zumindest bereichsweise umschließt,
c) der Stromleiter (13) weist mindestens eine Einkerbung (16, 17) auf, wobei die durch die oder jede Einkerbung (16, 17) gebildeten, benachbarten Kanten (18, 19) voneinander beabstandet sind,
d) der Magnetfeldsensor (11) ist benachbart zu der oder jeden Einkerbung (16, 17) des Stromleiters (13) angeordnet,
e) der Stromleiter (13) ist aus leitendem, ferritischem Material hergestellt.
2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (13) in zwei sich vorzugsweise gegenüberliegenden Abschnitten (14, 15) je eine Einkerbung (16, 17) aufweist.
3. Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Kanten (18, 19) einander berührungslos überlappen.
4. Stromsensor nach einem oder mehreren der Anspräche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (13) den Magnetfeldsensor (11) röhrenförmig, insbesondere gehäuseförmig, umschließt.
5. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (13) aus Eisen oder einer Eisenlegierung hergestellt ist. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (13) bimetallisch ausgebildet ist.
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