DE10051138A1 - Arrangement for the potential-free measurement of high currents - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur poten tialfreien Messung hoher Ströme.The present invention relates to an arrangement for potting tial-free measurement of high currents.
Die Messung hoher Ströme ist insbesondere im Automobilbereich von großer Bedeutung wie beispielsweise bei der Erfassung des Bordnetzstromes bzw. Batteriestromes für Sicherungszwecke und einfache Steuerungsfunktionen. Dabei handelt es sich um Strö me von bis zu 400 A, wobei die Genauigkeitsanforderungen mo derat sind.The measurement of high currents is particularly in the automotive field of great importance, such as when recording the Onboard power supply or battery currents for backup purposes and simple control functions. This is Strö me up to 400 A, the accuracy requirements mo are derat.
Des Weiteren ist eine Messung hoher Ströme bei der Erfassung des Batteriestromes für Batterie-Energie-Management-Systeme von Bedeutung. Dabei handelt es sich um Ströme von bis zu 400 A, wobei die Genauigkeitsanforderungen hoch sind.There is also a measurement of high currents during the detection of battery power for battery energy management systems significant. These are currents of up to 400 A, where the accuracy requirements are high.
Bei der Erfassung des Phasenstromes in einer Umrichter- betriebenen-elektrischen Maschine wie Startergenerator oder Antriebsmotor von Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugen werden Strö me von bis zu 1300 A verarbeitet, wobei die Genauigkeitsan forderungen meist zwischen den beiden erstgenannten liegen.When detecting the phase current in a converter operated-electrical machine such as starter generator or The drive motor of hybrid or electric vehicles are electricity processed up to 1300 A, the accuracy an claims usually lie between the first two.
Neben geringen Herstellungskosten wird an derartige Strom sensoren auch die Forderung einer kompakten Bauform gestellt, weil für deren Einbau nur wenig Einbauraum zur Verfügung steht.In addition to low manufacturing costs, such electricity sensors also demanded a compact design, because there is little installation space available for their installation stands.
Bisher kamen die folgenden Stromsensoren zum Einsatz:So far, the following current sensors have been used:
In einen Stromkreis wird ein Widerstand eingefügt, an dem der Spannungsabfall gemessen wird. Dieser Widerstand kann auch einfach ein Stück des vorhandenen Leiters sein. Die mit dieser Technik verbundenen Nachteile liegen einerseits in der Abhängigkeit des Messergebnisses von der Leitertemperatur. A resistor is inserted into a circuit which the voltage drop is measured. This resistance can also simply be a piece of the existing conductor. With Disadvantages associated with this technique are on the one hand Dependence of the measurement result on the conductor temperature.
Andererseits müssen im Interesse der Genauigkeit entweder ex trem kleine Spannungen gemessen oder aber ein relativ großer Widerstand gewählt werden. Hohe Widerstände führen aber zu Erwärmung und damit zu Verlustleistung. Darüber hinaus ist ein Shunt insofern in vielen Bereichen nicht einsetzbar, weil er keine kurzzeitig auftretenden, deutlich höheren Ströme als den maximal zu messenden Strom vertragen kann, wie dies bei spielsweise bei Autobatterien der Fall ist, wo beim Anlassen Ströme von bis zu 1500 A auftreten.On the other hand, in the interest of accuracy, either ex measured extremely low voltages or a relatively large one Resistance can be selected. However, high resistances lead to Warming and thus loss of power. Beyond that a shunt cannot be used in many areas because he no short-term, significantly higher currents than can tolerate the maximum current to be measured, as is the case with for example in the case of car batteries, where when starting Currents of up to 1500 A occur.
Der Leiter wird durch die Öffnung eines magnetischen Ringkerns geführt. Der Kern wird durch das Mag netfeld des Stromes magnetisiert. In einem Schlitz des Kernes wird die Magnetisierung durch ein magnetempfindliches Element (z. B. Hall-IC) gemessen. Das Signal dieser Sonde wird entwe der direkt als Ausgangssignal genutzt (direkt abbildender Sensor) oder über einen Verstärker einer Kompensationsspule auf dem Ringkern zugeführt, welche die Magnetisierung des Kerns zu Null kompensiert (Kompensationssensor). Die zweite Variante hat die höhere Genauigkeit und die weitaus bessere Linearität. Der Montageprozess gestaltet sich aber äußerst ungünstig, da der Leiter durch die Öffnung des Sensors ge führt werden muss. Außerdem sind Ringkern-Stromsensoren auf grund ihrer Baugröße vergleichsweise kostenintensiv.The head is opened by a magnetic toroid. The core is through the Mag net field of electricity magnetized. In a slot in the core magnetization is caused by a magnetically sensitive element (e.g. Hall IC) measured. The signal from this probe is ejected which is used directly as an output signal (more directly Sensor) or via an amplifier of a compensation coil fed on the toroid, which the magnetization of the Kerns compensated to zero (compensation sensor). The second Variant has the higher accuracy and the far better one Linearity. The assembly process is extremely inconvenient because the conductor ge through the opening of the sensor must be led. In addition, toroidal current sensors are on comparatively expensive due to their size.
Am Leiter werden magnetfeldempfindliche Son den angebracht (z. B. Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sen soren), durch die der Strom über das Magnetfeld des Leiters gemessen wird. Nachteilig ist aber, dass der Messwert vom Ab stand der Sonde zum Leiter abhängig ist, so dass die mechani schen Toleranzen der Anordnung deutlich in die Genauigkeit eingehen. Außerdem sind die Magnetfeldsonden auch empfindlich auf externe (Stör-)Felder, so dass meist eine baulich aufwen dige und kostenintensive Abschirmung erforderlich ist. Derar tige Sensoren werden auch als Gradienten-Sensoren eingesetzt, in dem die Differenz der Magnetfelder an zwei Orten gemessen wird. Dadurch wird der Nachteil der Störempfindlichkeit teil weise aufgelöst.Magnetic field sensitive Son attached (e.g. Hall sensors or magnetoresistive sensors sensors) through which the current flows through the magnetic field of the conductor is measured. The disadvantage, however, is that the measured value from Ab the probe is dependent on the conductor, so that the mechani tolerances of the arrangement clearly in the accuracy received. The magnetic field probes are also sensitive to external (interference) fields, so that usually one structurally expensive and expensive shielding is required. Derar term sensors are also used as gradient sensors, in which the difference in magnetic fields is measured at two locations becomes. As a result, the disadvantage of susceptibility to interference is partly eliminated wisely resolved.
Der Strompfad wird aufgeteilt und der kleinere Teil mit einem ausreichend genauen Ringkern-Sensor gemessen. Dieser Sensor ist dann kleiner und kostengünstiger, da er auf geringere Ströme ausgelegt ist. Nachteilig bei den gegenwär tig verwendeten Bypass-Sensoren ist die Schwierigkeit den Aufteilungsfaktor über einen längeren Zeitraum und bei Tempe raturwechsel konstant zu halten, da die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen zwischen den beiden Leitern Korrosions einflüssen und mechanischen Beanspruchungen unterliegen. Au ßerdem sind beide Pfade nur schwer auf der gleichen Tempera tur zu halten, so dass das Teilungsverhältnis temperaturab hängig wird.The current path is divided and the smaller one Part measured with a sufficiently accurate toroidal sensor. This sensor is then smaller and less expensive because it is on is designed for lower currents. A disadvantage of the current The bypass sensors used is the difficulty Distribution factor over a longer period and at Tempe rature change to keep constant, since the contact resistance corrosion at the contact points between the two conductors influences and subject to mechanical stress. Au In addition, both paths are difficult to maintain the same tempera hold so that the division ratio depends on the temperature becomes dependent.
Obwohl mit den gemäß dem Stand der Technik verwendeten Sen soren zur Messung hoher Ströme durchaus brauchbare Ergebnisse erzielt werden, sind diese aber aufwendig, kostenintensiv, zum Teil nicht zuverlässig und damit insgesamt unbefriedi gend.Although with the Sen used according to the prior art Results for measuring high currents are quite useful results are achieved, but these are complex, costly, sometimes not reliable and therefore overall unsatisfied quietly.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung hoher Ströme bereitzustellen, wel cher die oben aufgeführten Nachteile zumindest teilweise ver meidet. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfin dung einen zuverlässigen, aber kostengünstigen Stromsensor bereitzustellen, welcher eine den herkömmlichen Stromsensoren zumindest ebenbürtige Messgenauigkeit aufweist.The present invention is therefore based on the object to provide an arrangement for measuring high currents, wel cher at least partially ver the disadvantages listed above avoids. It is in particular the task of the present inventor a reliable but inexpensive current sensor to provide which one of the conventional current sensors has at least equal measurement accuracy.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ausges taltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.The object is achieved by an arrangement with the Features of independent claim 1 solved. Ausges attitudes and developments of the inventive concept Subject of dependent claims.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur potentialfreien Messung hoher Ströme in einem Stromleiter umfasst einen Stromsensor, der einen Bypassleiter aufweist, über den ein kleiner aber definierter Teil des Stromes parallel zu einem bestimmten Ab schnitt des Stromleiters geführt wird, und eine Stromsonde, die den Strom im Bypasszweig misst, woraus sich über das be kannte Teilungsverhältnis der Gesamtstrom ermitteln lässt. Dabei besteht zwischen Bypasszweig und Stromleiter ein derart hohes Teilungsverhältnis, dass die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen zwischen den beiden Leitern das Teilungs verhältnis nicht wesentlich beeinflussen können.The arrangement according to the invention for potential-free measurement high currents in a conductor includes a current sensor, which has a bypass conductor over which a small one defined part of the current parallel to a certain Ab cut of the conductor, and a current probe, which measures the current in the bypass branch, which results from the be known division ratio of the total current can be determined. There is such a between bypass branch and current conductor high division ratio that the contact resistance the contact points between the two heads of the division cannot significantly influence the relationship.
Dem liegt die folgende Überlegung zugrunde: Bei üblichen Tei lungsverhältnissen von 1 : 1 bis 5 : 1, bezogen auf das Verhält nis des Stromes im Hauptleiter zum Strom im Bypassleiter, ha ben der Hauptleiter und der Bypassleiter vergleichbare Quer schnitte und ohne den Einsatz aufwendiger Maßnahmen werden die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen in der glei chen Größenordnung wie der Widerstand des Bypassleiters sein. Diese Übergangswiderstände sind, wie oben bereits erwähnt, nur schwer konstant zu halten. Sie beeinflussen das Teilungs verhältnis, was eine genaue Messung unmöglich macht. Wird a ber der Querschnitt des Bypassleiters im Vergleich zum Haupt leiter so stark verringert, dass das Teilungsverhältnis deut lich größer als 10 : 1, vorzugsweise größer als 50 : 1 bis 1000 : 1 ist, werden die Übergangswiderstände vernachlässigbar und das Teilungsverhältnis wird nur noch von Querschnitt, Material und Länge des Bypassleiters im Vergleich zum überbrückten Ab schnitt des Hauptleiters bestimmt.This is based on the following consideration: With usual parts ratios of 1: 1 to 5: 1, based on the ratio nis the current in the main conductor to the current in the bypass conductor, ha ben the main conductor and the bypass conductor comparable cross cuts and without the use of complex measures the contact resistances at the contact points in the same Chen order of magnitude like the resistance of the bypass conductor. As already mentioned above, these contact resistances are difficult to keep constant. They influence the division ratio, which makes an accurate measurement impossible. If a About the cross-section of the bypass conductor compared to the main conductor reduced so much that the division ratio is clear Lich greater than 10: 1, preferably greater than 50: 1 to 1000: 1 is, the contact resistance becomes negligible and that The division ratio only depends on the cross-section and the material and length of the bypass conductor compared to the bridged Ab cut of the executive.
Die Anwendung des Bypassprinzips auf einen kurzen Abschnitt eines Stromleiters in Verbindung mit einem hohen Teilungsver hältnis ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 1.Applying the bypass principle to a short section a conductor in connection with a high division ver Ratio is the subject of independent claim 1.
Demnach ist der Sensor mit einem Bypass-Zweig sowie einer Stromsonde, welche im wesentlichen keinen zusätzlichen Wider stand in den Bypass-Zweig einbringt, ausgeführt. Er ist ge mäss dem Bypass-Prinzip mit einem hohem Teilungsverhältnis ausgelegt, vorzugsweise einem Teilungsverhältnis von 50 : 1 bis 1000 : 1. Das Teilungsverhältnis kann beispielsweise so ausge legt werden, dass der maximal zu messende Strom im Bypass- Zweig unter 20 A, vorzugsweise im Bereich von 1 und 2 A liegt. Die tatsächliche Messung des Stroms findet damit nicht auf bzw. am Stromleiter, sondern im Bypass-Zweig statt. Für die tatsächliche Messung wird eine Stromsonde ausgewählt, welche eine gute Genauigkeit (beispielsweise im Bereich von 20 A) aufweist und insbesondere keinerlei zusätzlichen Wider stand in den Bypass-Zweig einbringt.Accordingly, the sensor has a bypass branch and one Current probe, which essentially no additional cons stood in the bypass branch. He is ge according to the bypass principle with a high division ratio designed, preferably a division ratio of 50: 1 to 1000: 1. The division ratio can for example be as follows that the maximum current to be measured in the bypass Branch below 20 A, preferably in the range of 1 and 2 A. lies. The actual measurement of the current is therefore not found on or on the conductor, but in the bypass branch. For the actual measurement is selected a current probe which has good accuracy (e.g. in the range of 20 A) and in particular no additional contra stood in the bypass branch.
Die Stromsonde, die den Strom im Bypasszweig misst, darf ei nerseits keinen zusätzlichen Widerstand in den Bypasszweig einbringen und muss andererseits zur Messung kleiner Ströme geeignet sein, das heißt insbesondere eine hohe Auflösung und einen geringen Offset besitzen. Hierzu geeignet sind direkt abbildende Niederstromsensoren, die einen kleinen Ringkern aus amorphem oder nanokristallinem Metall aufweisen, der mit einer Spule aus Kupferdraht umwickelt ist. Solche Sonden zeichnen sich durch ein besonders hohes Impedanzverhältnis zwischen dem gesättigten und dem ungesättigten Zustand des Magnetkernes aus. Der Bypassleiter wird durch das Innenloch des bewickelten Kernes hindurchgeführt.The current probe, which measures the current in the bypass branch, may no additional resistance in the bypass branch and must also measure small currents be suitable, in particular a high resolution and have a small offset. Are suitable for this directly imaging low current sensors that have a small toroid made of amorphous or nanocrystalline metal, which with a coil of copper wire is wrapped. Such probes are characterized by a particularly high impedance ratio between the saturated and unsaturated state of Magnetic core. The bypass conductor is through the inner hole of the wound core.
Diese Sonde wird vorzugsweise durch eine Auswerteelektronik betrieben, die den Strom in der Ringkernspule umpolt, sobald er einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch wird der Sondenkern ständig mit hoher Frequenz jeweils bis zur Sätti gung ummagnetisiert. Die Ummagnetisierungszeit ist je nach Stromrichtung unterschiedlich, wobei die Differenz proportio nal zum zu messenden Strom ist. Bei frei schwingender Anord nung entsteht so automatisch ein PWM-Rechtecksignal (PWM = Puls-Weiten-Moduliert), dessen Tastverhältnis durch den zu messenden Strom bestimmt ist.This probe is preferably by means of evaluation electronics operated, which reverses the current in the toroidal core coil as soon as it exceeds a certain limit. This will make the Probe core constantly with high frequency up to the saturation magnetized. The magnetization time depends on Current direction different, the difference being proportional is to the current to be measured. With freely swinging arrangement This creates a PWM square wave signal automatically (PWM = pulse width modulated), whose duty cycle is determined by the current to be measured is determined.
Die Anwendung dieses Sondenprinzips auf die Anordnung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 ist eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens und Gegenstand der abhän gigen Patentansprüche 9 bis 12.The application of this probe principle to the arrangement according to the independent claim 1 is an advantageous development of the inventive concept and subject of depend valid claims 9 to 12.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens betreffen den mechanischen Aufbau des Sensors und sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 8.Further advantageous developments of the inventive concept concern the mechanical structure of the sensor and are Ge subject of the dependent claims 2 to 8.
Stromleiter für hohe Ströme sind häufig flache Kupferbügel. Um eine kompakte und kostengünstige Anordnung zur Messung des Stromes in einem solchen Bügel zu erreichen wird der Strom sensor mit Bypassleiter und Stromsonde und gegebenenfalls auch der Auswerteelektronik auf einer kleinen Leiterplatte oder einem anderen geeigneten Träger ausgeführt. Dieser Trä ger kann fest mit dem Stromleiter verbunden werden.Current conductors for high currents are often flat copper brackets. To a compact and inexpensive arrangement for measuring the The current will reach electricity in such a bracket sensor with bypass conductor and current probe and if necessary also the evaluation electronics on a small circuit board or another suitable carrier. That tear ger can be firmly connected to the conductor.
Der Stromsensor ist dabei bevorzugt thermisch mit dem Strom leiter fest gekoppelt, so dass unterschiedliche Temperaturen von Stromleiter und Stromsensor vermieden werden und das Tei lungsverhältnis konstant bleibt.The current sensor is preferably thermal with the current conductor tightly coupled so that different temperatures of current conductor and current sensor can be avoided and the part ratio remains constant.
Weiterhin kann der Bypass-Zweig über zumindest einer Teil seiner Länge als Draht ausgeführt und dieser Draht zumindest teilweise zu einer Spule aufgewickelt werden. Dadurch wird erreicht, dass der bei hohen Frequenzen spürbare Einfluss des Skineffektes weitgehend kompensiert wird.Furthermore, the bypass branch can have at least one part its length as a wire and this wire at least partially wound into a spool. This will achieved that the influence of the Skin effect is largely compensated.
Die Befestigung des Stromsensors erfolgt bevorzugt über die Leiterplatte mittels Klammern oder Schrauben auf dem Strom leiter.The current sensor is preferably attached via the Printed circuit board using clamps or screws on the current ladder.
Dabei können eine oder beide Außenseiten der Leiterplatte rundherum metallisiert sein. Die Metallisierung auf der Un terseite kann dann als Kontaktfläche für die Verbindung zwi schen Leiterplatte und Strombügel genutzt werden und sollte vorteilhafterweise ausreichend groß gestaltet sein. Die Me tallisierung auf der Unterseite kann auch über eine Durchkon taktierung mit den Leiterbahnen auf der Oberseite verbunden sein, so dass eine Metallisierung der Leiterplatte um die En den herum nicht erforderlich ist.One or both outer sides of the circuit board can be used be metallized all around. The metallization on the Un terseite can then as a contact surface for the connection between circuit board and current bracket should be used advantageously be made sufficiently large. The Me tallization on the underside can also have a through con Clocking connected to the conductor tracks on the top be so that a metallization of the circuit board around the En which is not required around.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass als Stromsonde eine Ringkern- Stromsonde vorgesehen ist, in welcher das sensierende Element ein bewickelter Ringkern aus amorphem oder nanokristallinem Metall ist.It is preferably provided that a toroidal core Current probe is provided in which the sensing element a wound toroidal core made of amorphous or nanocrystalline Is metal.
Zum Zwecke einer weiteren Abschirmung gegenüber Störeinflüs sen kann um die Stromsonde herum eine Abdeckung, insbesondere ein Zylinder aus magnetisch leitfähigem Material, vorzugswei se einer hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierung, angeordnet werden, welche die Stromsonde nach außen abschirmt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da der Hauptleiter aufgrund des ho hen Stromes und des geringen Abstands zur Stromsonde ein ho hes Magnetfeld am Ort der Stromsonde erzeugt. Die Richtung dieses Feldes liegt zwar in der unempfindlichen Richtung der Stromsonde, wegen seiner Stärke könnte es jedoch ohne die er wähnte Abschirmmaßnahme trotzdem die Messung negativ beein flussen.For the purpose of further shielding against interference can cover around the current probe, in particular a cylinder made of magnetically conductive material, preferably a highly permeable nickel-iron alloy which shields the current probe from the outside. This is particularly advantageous because the main conductor due to the ho hen current and the short distance to the current probe a high hes magnetic field generated at the location of the current probe. The direction this field lies in the insensitive direction of the Current probe, however, because of its strength it could be without it imagined the shielding measure had a negative effect on the measurement influence.
Schließlich kann die Stromsonde eine Auswerteelektronik auf weisen, die vorzugsweise als integrierte Schaltung (z. B. ASIC) ausgeführt und auf der Leitplatte montiert ist und bei spielsweise alle wesentlichen Elemente außer dem Sensor ent halten.Finally, the current probe can be equipped with evaluation electronics have, which preferably as an integrated circuit (z. B. ASIC) and mounted on the guide plate and at for example, all essential elements except the sensor ent hold.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:The invention is based on the in the figures of the Drawing illustrated embodiments explained in more detail. It shows:
Fig. 1 ein Schaltbild für eine Bypasslösung, Fig. 1 is a circuit diagram for a bypass solution,
Fig. 2 einen bevorzugten Aufbau einer Stromsonde mit ange schlossener Auswerteelektronik, Fig. 2 shows a preferred construction of a current probe with an attached transmitter,
Fig. 3 das Prinzipschaltbild dieser Auswerteelektronik und Fig. 3 shows the principle circuit diagram of this transmitter and
Fig. 4 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausfüh rungsform eines Stromsensors. Fig. 4 is a schematic representation of a preferred embodiment of a current sensor.
In den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsfor men gemäß der Erfindung sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den selben Bezugszeichen versehen.In the preferred embodiments described below Men according to the invention are the same or similar elements provided with the same reference numerals.
Eine Bypasslösung ist in dem Schaltbild nach Fig. 1 be
schrieben. Dabei ist R1 der Widerstand des Leiterstückes, ü
ber das der Bypass-Zweig (Widerstand RBy) gelegt wird. Rk
sind Kontaktwiderstände. I1 und IBy bezeichnen dabei Ströme
durch das Leiterstück bzw. den Bypass-Zweig. Die Primärseite
des Sensors hat den Widerstand Null (über den Leiter gesteck
ter Ringkern). Das Teilungsverhältnis errechnet sich dabei
folgendermaßen:
A bypass solution is written in the circuit diagram of FIG. 1 be. R 1 is the resistance of the conductor section over which the bypass branch (resistance R By ) is placed. R k are contact resistances. I 1 and I By denote currents through the conductor section or the bypass branch. The primary side of the sensor has zero resistance (toroid inserted over the conductor). The division ratio is calculated as follows:
Das allgemeine Problem bei Bypass-Lösungen liegt in den Kon taktwiderständen an der Übergangsstelle zwischen den beiden Leitern. Diese Übergangswiderstände können sich durch mecha nische Beanspruchung oder durch Korrosion verändern und da durch das Teilungsverhältnis nachhaltig beeinflussen. Dazu trägt wesentlich auch die Eigenerwärmung bei Durchgang eines hohen Stroms bei.The general problem with bypass solutions lies in the con clock resistors at the transition point between the two Conductors. These contact resistances can be caused by mecha nical stress or change by corrosion and there through the division ratio. To also contributes significantly to the self-heating when one passes high current.
Ein hohes Teilungsverhältnis ergibt sich, wenn der Widerstand des Bypasszweiges RBy groß ist gegenüber dem Widerstand des überbrückten Leiterstückes. Das Maß, in dem sich die Kontakt widerstände ohne größeren Aufwand minimieren lassen, wird durch die Größe des Hauptleiters begrenzt (zum Beispiel Größe der möglichen Auflagefläche der betreffenden Metallisierung auf der Unterseite der Leiterplatte). Bei hohem Teilungsver hältnis ist es daher im allgemeinen problemlos möglich die Kontaktwiderstände RK so klein zu halten, dass sie vernachlässigbar gegenüber dem Widerstand des Bypassleiters RBy sind. Zumindest beeinflussen Variationen der Kontaktwider stände das Teilungsverhältnis dann nur unwesentlichA high division ratio results when the resistance of the bypass branch R By is large compared to the resistance of the bridged conductor section. The extent to which the contact resistances can be minimized without great effort is limited by the size of the main conductor (for example size of the possible contact surface of the relevant metallization on the underside of the circuit board). At high division ratio, it is therefore generally possible to keep the contact resistances R K so small that they are negligible compared to the resistance of the bypass conductor R By . At least variations in the contact resistance would then only have an insignificant effect on the division ratio
Bei einem Teilungsverhältnis von 500 : 1 und einem zu messenden Maximalstrom von 1000 A fließen gemäss einer bevorzugten Aus führungsform im Bypass-Pfad nur maximal 2 A. Bei einem Strom bügel von 15 × 2 mm2 Querschnitt als Leiter, kann der Bypass- Zweig durch einen Draht von einem Durchmesser von 0,28 mm ge bildet werden, der die gleiche Länge wie das überbrückte Lei terstück aufweist. Die Stromsonde muss entsprechend eine hohe Messgenauigkeit bei Strömen von 10 mA bis 2 A aufweisen.With a division ratio of 500: 1 and a maximum current to be measured of 1000 A, according to a preferred embodiment, only a maximum of 2 A flow in the bypass path. With a current bracket of 15 × 2 mm 2 cross section as a conductor, the bypass branch can pass through form a wire with a diameter of 0.28 mm, which has the same length as the bridged conductor piece. The current probe must accordingly have a high measuring accuracy at currents from 10 mA to 2 A.
Durch die Anordnung des Bypass-Zweigs auf bzw. in einer Lei terplatte, welche wiederum direkt auf dem Stromleiter befes tigt ist, ist der Bypass-Zweig in gutem thermischen Kontakt zum Hauptleiter. Damit werden unterschiedliche Temperaturen der beiden Leiter vermieden und das Teilungsverhältnis bleibt konstant.By arranging the bypass branch on or in a lei terplatte, which in turn is attached directly to the conductor the bypass branch is in good thermal contact to the executive. This means different temperatures of the two conductors avoided and the division ratio remains constant.
Bei geeigneter Ausführung der Kontaktierung zum Strombügel sind die Kontaktwiderstände vernachlässigbar. Wegen des ge ringen Stromes über den Bypass-Zweig bzw. infolge des deut lich größeren Querschnitts der Kontaktstellen gegenüber der Bypass-Leiter tritt keinerlei zusätzliche Erwärmung der Kon taktstellen auf.With suitable execution of the contact to the current bracket the contact resistances are negligible. Because of the ge wrestle current over the bypass branch or as a result of the deut Lich larger cross-section of the contact points compared to the Bypass conductor does not cause any additional heating of the con timing points.
Eine bevorzugte Stromsonde ist in Fig. 2 zusammen mit der Auswerteelektronik dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Stromsonde zur potentialfreien Messung kleiner Ströme, wobei das sensierende Element aus einem bewickelten Ringkern be steht. Beispielhafte Abmessungen sind ∅10 mm × ∅4 mm × 4 mm. Auch in DE 197 05 770 sowie DE 198 44 729 sind einfache Stromsonden zur potentialfreien Messung kleiner Ströme be schrieben, welche für die Stromsensoren gemäss der vorliegen den Erfindung geeignet sind. A preferred current probe is shown in FIG. 2 together with the evaluation electronics. It is a current probe for the potential-free measurement of small currents, whereby the sensing element consists of a wound toroid. Exemplary dimensions are ∅10 mm × ∅4 mm × 4 mm. DE 197 05 770 and DE 198 44 729 also describe simple current probes for potential-free measurement of small currents, which are suitable for the current sensors according to the present invention.
Die Stromsonde ist für Anwendungen mit moderaten Genauig keitsanforderungen für Ströme bis etwa 20 A geeignet. Zur Messung von Strömen im Bereich bis etwa 2 A besitzt sie eine sehr gute Genauigkeit und ist in diesem Messbereich den sonst hochgenauen Ringkern-Kompensations-Sensoren überlegen.The current probe is for applications with moderate accuracy suitable for currents up to about 20 A. to It has a measurement of currents in the range up to about 2 A. very good accuracy and is the usual in this measuring range superior high-precision toroidal compensation sensors.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 betreffend die e lektronische Auswertung des Sondensignals ist der Sensor T mit dem Schaltsymbol eines Transformators dargestellt (Er satzschaltbild). Primärseitig wird der Sensor T mit einem zu messenden Strom I angesteuert. Dies ist im allgemeinen der Strom durch den durch das Innenloch des bewickelten Ringkerns gesteckten Leiter, wobei es sich alternativ anstelle deises Leiters auch um ein paar wenige Wicklungen um den Ringkern handeln kann. Die Sekundärwicklung bezeichnet die eigentliche Ringkernwicklung der Stromsonde mit der Induktivität L.In the embodiment according to FIG. 3 relating to the electronic evaluation of the probe signal, the sensor T is shown with the circuit symbol of a transformer (it is a circuit diagram). The sensor T is driven on the primary side with a current I to be measured. This is generally the current through the conductor inserted through the inner hole of the wound toroid, alternatively it may be a few windings around the toroid instead of this conductor. The secondary winding designates the actual toroidal winding of the current probe with inductance L.
Ein Komparator K wertet einen Strom i durch die Sekundärwick
lung aus, indem er den betragsmäßigen Wert des den Spannungs
abfalls an dem vorgeschalteten Widerstand R mit einem vorge
geben Wert vergleicht. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird
durch den Komparator K eine Schalteinrichtung S gesteuert,
welche die Gleichspannung vom Betrag U an der Serienschaltung
eines Widerstands R und der Induktivität L umpolt sobald der
Absolutbetrag des Stromes i durch Widerstand R und Induktivi
tät L einen bestimmten Wert überschreitet. An der Serien
schaltung von Widerstands R und Induktivität L wird somit ein
rechtecksignal erzeugt, das als Ausgangssignal Uout des Strom
sensors dient und dessen Tastverhältnis Q sich wie folgt ver
hält:
A comparator K evaluates a current i through the secondary winding by comparing the absolute value of the voltage drop across the upstream resistor R with a predetermined value. Depending on the comparison result, a switching device S is controlled by the comparator K, which reverses the polarity of the direct voltage from the amount U at the series circuit of a resistor R and the inductor L as soon as the absolute amount of the current i through resistor R and inductor L exceeds a certain value. At the series circuit of resistor R and inductance L, a square wave signal is thus generated, which serves as the output signal U out of the current sensor and whose duty cycle Q behaves as follows:
Q = (T+ - T-)/(T+ + T-) = (R.I/U.N)
Q = (T + - T - ) / (T + + T - ) = (RI / UN)
wobei T+ und T- die Impulsdauern der Signalpegel "High" und "Low" wiedergeben und N für die Windungszahl der Sekundär wicklung des Stromsensors (Sondenwicklung) steht. where T + and T - represent the pulse durations of the signal levels "High" and "Low" and N stands for the number of turns of the secondary winding of the current sensor (probe winding).
Es wird also der Strom in der Ringkernspule des Sensors L um gepolt, sobald er einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch wird der Sondenkern ständig mit hoher Frequenz je weils bis zur Sättigung ummagnetisiert. Die Ummagnetisier ungszeit ist je nach Stromrichtung unterschiedlich, wobei die Differenz proportional zum zu messenden Strom ist. Bei frei schwingender Anordnung entsteht demnach automatisch ein PWM- Rechtecksignal (PWM = Puls-Weiten-Moduliert), dessen Tastver hältnis durch den zu messenden Strom bestimmt ist.So the current in the toroidal coil of the sensor L turns around polarized as soon as it exceeds a certain limit. This keeps the probe core constantly at high frequency because magnetized to saturation. The magnetization The time varies depending on the direction of the current Difference is proportional to the current to be measured. With free vibrating arrangement, a PWM Rectangular signal (PWM = pulse-width modulated), whose key ratio is determined by the current to be measured.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.A particularly advantageous development of the invention is shown schematically in FIG. 4.
Der Stromleiter 1 ist ein Kupferbügel. Der Stromsensor 1 ist auf einer kleinen Leiterplatte 2 mit Abmessungen von 15 mm × 20 mm ausgeführt. Die schmaleren Seiten der Leiterplatte 2 sind rundherum metallisiert. Die Leiterplatte 2 wird durch geeignete Klammern oder durch Schrauben oder durch andere ge eignete Verfahren so auf den Kupferbügel gedrückt, dass sich ein guter Kontakt vom Bügel 1 zu den metallisierten Endflä chen der Leiterplatte 2 ergibt.The current conductor 1 is a copper bracket. The current sensor 1 is implemented on a small circuit board 2 with dimensions of 15 mm × 20 mm. The narrower sides of the circuit board 2 are metallized all around. The circuit board 2 is pressed by suitable clamps or by screws or by other suitable methods ge on the copper bracket that there is good contact from the bracket 1 to the metallized Endflä surfaces of the circuit board 2 .
Der Bypass-Zweig ist als Leiterbahn 3 auf der Leiterplatte 2 ausgeführt. Die Stromsonde, gemäss dieser bevorzugten Ausfüh rungsform, umfasst einen bewickelten Ringbandkern aus amor phem oder nanokristallinem Metall, dessen Abmessungen ein schließlich Bewicklung ca. 4 mm innerer Durchmesser × 10 mm äu ßerer Durchmesser × 4 mm Höhe betragen. Der Ringkern der Stromsonde 5 ist flach auf die Leiterplatte 2 aufgelegt. Der erste Teil der Leiterbahn 3 führt unter der Bewicklung der Stromsonde 5 durch deren Innenloch. Dort ist er elektrisch mit einem U-förmigen Drahtbügel 4 verbunden, der durch das Innenloch 5 über deren Rand auf die dem ersten Teil der Lei terbahn 1 gegenüberliegende Seite der Leiterplatte 2 führt. Von dort schließt sich der Bypass-Zweig über die den zweiten Teil der Leiterbahn 1 und die zweite metallisierte Endfläche der Leiterplatte 2. The bypass branch is designed as a conductor track 3 on the printed circuit board 2 . The current probe, according to this preferred embodiment, comprises a wound toroidal core made of amorphous or nanocrystalline metal, the dimensions of which, including the winding, are approximately 4 mm inner diameter × 10 mm outer diameter × 4 mm height. The toroidal core of the current probe 5 is placed flat on the circuit board 2 . The first part of the conductor track 3 leads under the winding of the current probe 5 through its inner hole. There it is electrically connected to a U-shaped wire bracket 4 , which leads through the inner hole 5 over its edge to the first part of the Lei terbahn 1 opposite side of the circuit board 2 . From there, the bypass branch closes via the second part of the conductor track 1 and the second metallized end face of the circuit board 2 .
Der Bypass-Zweig kann auch über einen Teil seiner Länge als Draht ausgeführt sein. Um den Einfluss des Skin-Effektes bei hohen Frequenzen zu kompensieren, wird der Draht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform über eine gewisse Länge zu einer Spule aufgewickelt. Damit hat er neben dem Widerstand auch eine gewisse Induktivität, die das zeitlich voreilende Ver halten des Bypass-Zweiges in gewissen Grenzen kompensieren kann.The bypass branch can also be used as part of its length Wire. To the influence of the skin effect To compensate for high frequencies, the wire is made according to a preferred embodiment over a certain length to one Coil wound up. In addition to resistance, he also has a certain inductance, which ver compensate for keeping the bypass branch within certain limits can.
Um eine Beeinflussung der Stromsonde 5 durch das starke Feld des Hauptleiters 1 zu vermeiden, wird um die Stromsonde 5 herum eine Abdeckung, bevorzugt ein Zylinder, aus einem mag netisch leitfähigem Material angeordnet, der den Querschnitt der Stromsonde nach außen abdeckt. Beispielsweise ist besag ter Zylinder etwa 1 bis 2 mm höher ausgelegt als die Strom sonde.In order to avoid influencing the current probe 5 by the strong field of the main conductor 1 , a cover, preferably a cylinder, made of a magnetically conductive material is arranged around the current probe 5 and covers the cross section of the current probe to the outside. For example, said cylinder is approximately 1 to 2 mm higher than the current probe.
Auf der Leiterplatte 2 ist ebenfalls die Auswerteelektronik 7 für die Stromsonde angebracht. Bevorzugt lässt sich diese ra tionell auf einem ASIC (mit RC-Beschaltung) integrieren (die Bestückungsfläche ist selbst bei diskretem Aufbau beispiels weise nur 15 × 25 mm2). Ausgänge sind ein PWM-Signal (0/5 V), dessen Pulsweitenverhältnis vom zu messenden Strom abhängig ist, sowie ein Überstromausgang, der unter einem bestimmten Grenzwert auf Potential "Low" und über diesem Grenzwert auf Potential "High" liegt.The evaluation electronics 7 for the current probe are also mounted on the printed circuit board 2 . This can preferably be integrated rationally on an ASIC (with RC circuit) (the placement area is only 15 × 25 mm 2, for example, even with a discrete structure). Outputs are a PWM signal (0/5 V), the pulse width ratio of which depends on the current to be measured, and an overcurrent output that is below a certain limit value at potential "Low" and above this limit value at potential "High".
Der PWM-Ausgang kann in einem Mikroprozessor ausgezählt wer den (kein A/D Wandler ist dabei erforderlich) oder auch mit Hilfe eines einfachen RC Gliedes integriert werden. Die Aus gangsspannung ist dann linear vom Strom abhängig. Zum Bei spiel Uout = U/2 ± 1,5 V, wenn die Versorgungsspannung U = 5 V ist. Ein solches Signal ist mit vielen anderen Sensorprinzi pien kompatibel. The PWM output can be counted in a microprocessor (no A / D converter is required) or can be integrated using a simple RC element. The output voltage is then linearly dependent on the current. For example, U out = U / 2 ± 1.5 V if the supply voltage is U = 5 V. Such a signal is compatible with many other sensor principles.
Als Anschlüsse führen zur Leiterplatte nur diejenigen für Masse, Versorgungsspannung (z. B. 5 Volt) sowie Ausgangsspan nung.Only those for lead to the PCB Ground, supply voltage (e.g. 5 volts) and output span voltage.
Durch die kompakte und flache Anordnung auf der Leiterplatte 2 ist der Bypass-Zweig 3 in gutem thermischen Kontakt zum Stromleiter 1, so dass unterschiedliche Temperaturen der bei den Leiter vermieden werden und das Teilungsverhältnis kon stant bleibt.Due to the compact and flat arrangement on the printed circuit board 2 , the bypass branch 3 is in good thermal contact with the current conductor 1 , so that different temperatures of the conductors are avoided and the division ratio remains constant.
Gemäss einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung des Bypass-Zweigs 3 auf der Unterseite der Leiterplatte mit sehr dünner Isolationsfolie zum Hauptleiter ausgeführt. Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterentwick lung wird ein Laserabgleich des Bypass-Zweiges 3 zur genauen Einstellung des Teilungsverhältnisses ausgeführt.According to a development of the present invention, the bypass branch 3 is arranged on the underside of the printed circuit board with a very thin insulation film for the main conductor. According to a further preferred development, laser adjustment of the bypass branch 3 is carried out for the exact setting of the division ratio.
Claims (12)
einem Stromsensor, der einen einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters (1) elektrisch parallel geschalteten Bypass- Zweig (3) sowie eine Stromsonde (5) zur Messung des Stromes im Bypass-Zweig (3) aufweist, wobei zwischen Bypass-Zweig (3) und dem überbrückten Abschnitt des Stromleiters (1) ein fes tes Teilungsverhältnis der sie durchfließenden Ströme gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilungsverhältnis und damit der elektrische Wider stand des Bypass-Zweiges (3) gegenüber dem Widerstand des ü berbrückten Abschnitts des Stromleiters (1) derart hoch ist, dass
die Kontaktwiderstände (RK) zwischen Stromleiter (1) und Bypass-Zweig (3) gegenüber dem Widerstand (R1) des Bypass- Zweiges (3) vernachlässigbar sind.1. Arrangement for the potential-free measurement of high currents in a current conductor
a current sensor which has a bypass branch ( 3 ) which is electrically connected in parallel to a specific section of the current conductor ( 1 ) and a current probe ( 5 ) for measuring the current in the bypass branch ( 3 ), the bypass branch ( 3 ) and the bridged section of the current conductor ( 1 ) is given a fixed division ratio of the currents flowing through it, characterized in that
the division ratio and thus the electrical resistance of the bypass branch ( 3 ) to the resistance of the bridged section of the current conductor ( 1 ) is so high that
the contact resistances (R K ) between the current conductor ( 1 ) and the bypass branch ( 3 ) compared to the resistance (R 1 ) of the bypass branch ( 3 ) are negligible.
der Stromsensor einen geeigneten Träger (2) aufweist, auf dem der Bypass-Zweig (3) und die Stromsonde (5) angeordnet sind und
dieser Träger auf dem Stromleiter (1) angeordnet ist und mechanisch fest mit diesem verbunden ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that
the current sensor has a suitable carrier ( 2 ) on which the bypass branch ( 3 ) and the current probe ( 5 ) are arranged and
this carrier is arranged on the current conductor ( 1 ) and is mechanically fixed to it.
die Stromsonde (5) eine Auswerteelektronik (7) aufweist und
der Stromsonde ein Widerstand (R) nachgeschaltet ist, wo bei
die Auswerteelektronik (7) an der Serienschaltung aus der Induktivität der Stromsonde (L) und dem Widerstand (R) eine periodische Rechteckspannung erzeugt, deren Tastverhältnis ein Maß für den Strom im Bypass-Zweig (3) ist.10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that
the current probe ( 5 ) has evaluation electronics ( 7 ) and
the current probe is followed by a resistor (R), where at
the evaluation electronics ( 7 ) on the series circuit from the inductance of the current probe (L) and the resistor (R) generate a periodic square wave voltage, the pulse duty factor of which is a measure of the current in the bypass branch ( 3 ).
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