BE1026245B1 - current sensor - Google Patents
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Abstract
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Stromsensor (S1) aufweisend einen Träger (PCB), wobei auf oder im Träger eine erste strukturierte elektrische Ebene (E1) angeordnet ist, und wobei auf oder im Träger eine zweite strukturierte elektrische Ebene (E2) angeordnet ist, wobei ein erster strukturierter Abschnitt (L1) der ersten strukturierten elektrischen Ebene mittels einer elektrischen Kontaktierung mit einem zweiten strukturierten Abschnitt (L2) der zweiten strukturierten elektrischen Ebene verbunden ist, so dass eine Schleife (S) gebildet wird, sodass eine Stromflussänderung eines elektrischen Leiters (M), der im Wesentlichen parallel zum Träger und der im Wesentlichen senkrecht zur Schleife angeordnet ist, eine Induktionsspannung in der so gebildeten Schleife hervorruft.The invention relates to a current sensor (S1) comprising a carrier (PCB), a first structured electrical level (E1) being arranged on or in the carrier, and a second structured electrical level (E2) being arranged on or in the carrier, wherein a first structured section (L1) of the first structured electrical level is connected to a second structured section (L2) of the second structured electrical level by means of electrical contacting, so that a loop (S) is formed, so that a current flow change of an electrical conductor (M ), which is arranged essentially parallel to the carrier and which is arranged essentially perpendicular to the loop, causes an induction voltage in the loop thus formed.
Description
Stromsensorcurrent sensor
Die Erfindung betrifft einen Stromsensor.The invention relates to a current sensor.
Hintergrundbackground
Aus dem Stand der Technik sind Stromsensoren bekannt. Stromsensoren können als Strommessshunt oder aber durch Messung des den Strom umgebenden Magnetfeldes gemessen werden.Current sensors are known from the prior art. Current sensors can be measured as a current measuring shunt or by measuring the magnetic field surrounding the current.
Während die Widerstands-basierte Strommessung einen Eingriff in ein laufendes System erfordert, kann die indirekte Messung über das umgebende Magnetfeld auch nachgerüstet werden.While the resistance-based current measurement requires an intervention in a running system, the indirect measurement via the surrounding magnetic field can also be retrofitted.
Diese indirekten Messungen basieren häufig auf dem Prinzip einer Luftspule. Die Luftspule kann z.B. auf einer Lage einer Platine oder als diskretes Element (z.B. Rogowskispule) realisiert sein.These indirect measurements are often based on the principle of an air coil. The air coil can e.g. on a layer of a circuit board or as a discrete element (e.g. Rogowski coil).
Rogowskispulen bestehen aus Luftspulen, bei denen der Leiter des Sensors um eine ringförmige Struktur gewickelt ist und der zu messende Leiter durch die ringförmige Struktur geführt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, sehr unsensibel auf Lageänderungen des stromführenden Leiters zu reagieren und kann daher unabhängig von der Positionierung des stromführenden Leiters verwendet werden. Nachteilig sind jedoch der dadurch erforderliche große Platzbedarf und die Notwendigkeit, den Leiter des Sensors präzise zu wickeln. Gerade bei Impulsströmen liefern handelsübliche Rogowskispulen sehr große Signale, die für viele Anwendungsfälle nicht geeignet sind.Rogowski coils consist of air coils in which the conductor of the sensor is wound around an annular structure and the conductor to be measured is guided through the annular structure. This arrangement has the advantage of being very insensitive to changes in the position of the current-carrying conductor and can therefore be used regardless of the positioning of the current-carrying conductor. However, the large space requirements and the need to precisely wind the conductor of the sensor are disadvantageous. Especially with impulse currents, standard Rogowski coils deliver very large signals that are not suitable for many applications.
Diskrete Luftspulen sind in unterschiedlichen Durchmessern und Ausführungen erhältlich. Als Sensor benötigen diese diskret aufgebauten Luftspulen einen großen Bauraum. Der stromführende Leiter muss entweder mittig eingefädelt werden oder aber in direkter Umgebung der Luftspule geführt werden.Discrete air coils are available in different diameters and designs. As a sensor, these discrete air coils require a large amount of space. The current-carrying conductor must either be threaded in the middle or it must be routed in the direct vicinity of the air coil.
BE2018/5287 Aus der DE 11 2010 004 351 T5 ist ein elektrischer Schaltkreis mit einer integrierten Stromüberwachungseinrichtung bekannt. Die Stromüberwachungseinrichtung kann als einlagige Platine ausgeführt sein.BE2018 / 5287 From DE 11 2010 004 351 T5 an electrical circuit with an integrated current monitoring device is known. The current monitoring device can be designed as a single-layer circuit board.
Weiterhin ist aus der DE 10 2009 004 673 A1 eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Spule, die einen Leiter umschließt, als Stromüberwachungseinrichtung bekannt.Furthermore, from DE 10 2009 004 673 A1 an overvoltage protection device with a coil that surrounds a conductor is known as a current monitoring device.
Diese Anordnungen sind für viele Bereiche, in denen ein Stromsensor nachgerüstet werden soll, oder in denen der Bauraum stark eingeschränkt ist, unhandlich und/oder zeitintensiv in der Montage.These arrangements are bulky and / or time-consuming to assemble for many areas in which a current sensor is to be retrofitted or in which the installation space is severely restricted.
Es wäre jedoch wünschenswert, einen kostengünstigen und/oder einfach nachrüstbaren Stromsensor bereitzustellen.However, it would be desirable to provide an inexpensive and / or easily retrofittable current sensor.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines Stromsensors gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und in den Figuren angegeben.The object is achieved by means of a current sensor according to claim 1. Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims, the description and the figures.
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender (unter Bezugnahme auf die Figuren) dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.In the following, the invention will be presented in more detail (with reference to the figures). It should be noted that different aspects are described, which can be used individually or in combination. That Any aspect can be used with different embodiments of the invention, unless explicitly shown as a pure alternative.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter ein, eine und eines nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.Furthermore, for the sake of simplicity, generally only one entity will be referred to below. Unless explicitly noted, the invention can also have several of the entities concerned. In this respect, the use of the words one, one and one is only to be understood as an indication that at least one entity is used in a simple embodiment.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch denInsofar as methods are described below, the individual steps of a method can be arranged and / or combined in any order, provided that the
BE2018/5287 Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.BE2018 / 5287 context does not explicitly result in something different. Furthermore, unless explicitly stated otherwise, the processes can be combined with one another.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.Data with numerical values are generally not to be understood as exact values, but also include a tolerance of +/- 1% up to +/- 10%.
Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten, zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.Reference to standards or specifications or norms are to be understood as references to standards or specifications or norms that apply / were valid at the time of registration and / or if priority was claimed - at the time of priority registration. However, this is not to be understood as a general exclusion of the applicability to subsequent or replacing standards or specifications or norms.
„Benachbart“ schließt im Nachfolgenden explizit eine unmittelbare Nachbarschaftsbeziehung ein ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. „Zwischen“ schließt im Nachfolgenden explizit eine Lage ein, in der das zwischenliegende Teil eine unmittelbare Nachbarschaft zu den umgebenden Teilen aufweist.In the following, "neighboring" explicitly includes a direct neighborhood relationship, but is not limited to this. In the following, “between” explicitly includes a position in which the intermediate part is in close proximity to the surrounding parts.
Ein erfindungsgemäßer Stromsensor S1 weist einen Träger PCB auf. Dieser Träger kann z.B. als eine starre oder flexible Platine ausgeführt sein.A current sensor S1 according to the invention has a carrier PCB. This carrier can e.g. be designed as a rigid or flexible circuit board.
Auf oder im Träger PCB ist eine erste strukturierte elektrische Ebene E1 angeordnet. Ebenso ist auf oder im Träger PCB eine zweite strukturierte elektrische Ebene E2 angeordnet. Die beiden strukturierten elektrischen Ebene E1 und E2 befinden sich z.B. in zwei zueinander parallelen und beabstandeten Ebenen.A first structured electrical level E1 is arranged on or in the carrier PCB. A second structured electrical level E2 is likewise arranged on or in the carrier PCB. The two structured electrical levels E1 and E2 are e.g. in two parallel and spaced apart planes.
Jede der elektrischen Ebenen weist einen strukturierten Abschnitt auf. Beispielsweise kann in der ersten strukturierten Ebene E1 ein erster strukturierter Abschnitt L1 - wie in Fig. 1 vorgesehen sein, während in der zweiten strukturierten Ebene E2 ein zweiter strukturierter Abschnitt L2 - wie in Fig. 2 - vorgesehen sein kann.Each of the electrical levels has a structured section. For example, a first structured section L1 can be provided in the first structured level E1 - as provided in FIG. 1, while a second structured section L2 - as shown in FIG. 2 - can be provided in the second structured level E2.
Der erste strukturierte Abschnitt L1 der ersten strukturierten elektrischen Ebene E1 kann dann mittels einer (oder mehrerer) elektrischer Kontaktierung(en) mit einem zweiten strukturierten Abschnitt L2 der zweiten strukturierten elektrischen Ebene verbunden sein, soThe first structured section L1 of the first structured electrical level E1 can then be connected to a second structured section L2 of the second structured electrical level by means of one or more electrical contacts
BE2018/5287 dass eine Schleife S gebildet wird. Dies ist beispielhaft in Figur 3 in einer Schnittebene angedeutet. D.h. werden die strukturierten Abschnitte der ersten Ebene E1 in der Figur 1 an den kreisförmigen dargestellten Enden mit den kreisförmigen dargestellten Enden der benachbarten strukturierten Abschnitte der zweiten Ebene E2 verbunden, so kann mittels eines Trägers eine Spule realisiert werden, bei der die Spulenachse im Träger PCB verläuft. Die elektrische Kontaktierung kann z.B. mittels Durchkontaktierungen (z.B. Vias) in Platinentechnik hergestellt werden.BE2018 / 5287 that a loop S is formed. This is indicated by way of example in FIG. 3 in a sectional plane. That If the structured sections of the first level E1 in FIG. 1 are connected at the circular illustrated ends to the circular illustrated ends of the adjacent structured sections of the second plane E2, then a coil can be realized by means of a carrier, in which the coil axis runs in the carrier PCB , The electrical contacting can e.g. by means of plated-through holes (e.g. vias) in board technology.
Durch diese Anordnung kann erreicht werden, dass eine Stromflussänderung eines elektrischen Leiters M, der im Wesentlichen parallel zum Träger PCB und der im Wesentlichen senkrecht zur Schleife S angeordnet ist, eine Induktionsspannung in der so gebildeten Schleife/ Spule hervorruft.With this arrangement it can be achieved that a change in the current flow of an electrical conductor M, which is essentially parallel to the carrier PCB and which is arranged essentially perpendicular to the loop S, causes an induction voltage in the loop / coil formed in this way.
Bedingt durch die räumliche Verteilung eines Magnetfeldes um einen stromführenden Leiter M ist es wünschenswert, dass die Spulenachse des Stromsensors S1 senkrecht zu dem stromführenden Leiter M ausgerichtet ist.Due to the spatial distribution of a magnetic field around a current-carrying conductor M, it is desirable that the coil axis of the current sensor S1 is aligned perpendicular to the current-carrying conductor M.
Die einzelnen Leiterbahnen (Windungen der Luftspule) liegen dabei bevorzugt parallel zum stromführenden Leiter M, so dass das Magnetfeld, das kreisförmig um den stromführenden Leiter M angeordnet ist, die Luftspule durchfließen kann. Die Leiterplatte wird somit liegend direkt bzw. in einem definierten Abstand auf dem stromführenden Leiter M positioniert.The individual conductor tracks (windings of the air coil) are preferably parallel to the current-carrying conductor M, so that the magnetic field, which is arranged in a circle around the current-carrying conductor M, can flow through the air coil. The circuit board is thus positioned horizontally or at a defined distance on the current-carrying conductor M.
Um eine (möglichst) gute Erfassung des Magnetfeldes zu realisieren, ist die Leiterplattendicke und somit auch die Länge der Vias entscheidend. Die Luftspule entsteht durch die Verknüpfung (Reihenschaltung) der durch die Durchkontaktierungen gebildeten Schleifen S, z.B. durch Verknüpfung der Leiterbahnen auf der Oberseite des PCBs mittels Vias auf die Leiterbahnen auf der Unterseite des PCBs. Es entsteht durch die Verbindung über Vias eine Luftspule innerhalb der Anordnung. Die Luftspule wird somit nicht innerhalb einer Lage, sondern über min. 2 Lagen hinweg realisiert.In order to achieve a good (possible) detection of the magnetic field, the circuit board thickness and thus the length of the vias is crucial. The air coil is created by connecting (series connection) the loops S formed by the through-contacts, e.g. by connecting the conductor tracks on the top side of the PCB using vias to the conductor tracks on the underside of the PCB. The connection via vias creates an air coil within the arrangement. The air coil is therefore not within one layer, but over min. Realized in 2 layers.
Der Stromsensor S1 kann z.B. mit verdrillten Anschluss- oder Koaxialleitungen und einer Zugentlastung versehen sein. Dies kann vorteilhaft sein, um induktive Einkopplungen in das Anschlusskabel des Stromsensors S1, welches sich auch in der Nähe des stromführenden Leiters M befinden kann, zu verringern.The current sensor S1 can e.g. be provided with twisted connecting or coaxial cables and strain relief. This can be advantageous in order to reduce inductive coupling into the connection cable of the current sensor S1, which can also be located in the vicinity of the current-carrying conductor M.
BE2018/5287 Der Stromsensor inkl. Anschlussleitung kann mit einem Kunststoffgehäuse umgeben, z.B. umspritzt sein, welches eine Vorrichtung zur Fixierung an dem stromführenden Leiter M aufweisen kann.BE2018 / 5287 The current sensor including connection cable can be surrounded with a plastic housing, e.g. overmolded, which can have a device for fixing to the current-carrying conductor M.
Die Sensitivität des Stromsensors lässt sich über folgende Abhängigkeiten einstellen bzw. justieren:The sensitivity of the current sensor can be set or adjusted via the following dependencies:
• Abstand des Stromsensors S1 zum stromführenden Leiter M • Ausrichtung des Stromsensors S1 zum stromführenden Leiter M • Anzahl und Größe der Leiterbahnen auf dem Träger PCB • Dicke des Trägers PCBs.• Distance of the current sensor S1 to the current-carrying conductor M • Alignment of the current sensor S1 to the current-carrying conductor M • Number and size of the conductor tracks on the carrier PCB • Thickness of the carrier PCBs.
Für eine gute Erfassung von Messwerten ist es sinnvoll, die genaue Anordnung des stromführenden Leiters M relativ zum Stromsensor S1 zu kennen, da das Magnetfeld invers mit dem Abstand zum stromführenden Leiter M abfällt. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des stromführenden Leiters und dem Sensor hat somit einen direkten Einfluss auf die Erfassung und die Qualität der Messwerte.For a good acquisition of measured values, it makes sense to know the exact arrangement of the current-carrying conductor M relative to the current sensor S1, since the magnetic field decreases inversely with the distance from the current-carrying conductor M. The distance between the center of the current-carrying conductor and the sensor thus has a direct influence on the acquisition and the quality of the measured values.
Beispielsweise kann der Stromsensor S1 als Durchführungssensor eingesetzt werden.For example, the current sensor S1 can be used as a feedthrough sensor.
Die Zentrierung des stromführenden Leiters M wird z.B. mit Stufennippeln innerhalb des Durchführungssensors (rohrartiger Sensor) realisiert. Der oben beschriebene Stromsensor ist dabei im Inneren des Durchführungssensors an definierter Stelle positioniert und fixiert. Der Stromsensor kann im Inneren eingeklebt bzw. eingespritzt sein. Der definierte Abstand zwischen Stromsensor S1 und stromführenden Leiter M bietet den Vorteil, ein sehr definiertes Messsignal zu erzeugen. Der Abstand zwischen dem Stromsensor S1 und dem Mittelpunkt des stromführenden Leiters M ist dabei bevorzugt gleich.The centering of the current-carrying conductor M is e.g. realized with stepped nipples within the feedthrough sensor (tubular sensor). The current sensor described above is positioned and fixed in the interior of the feedthrough sensor at a defined point. The current sensor can be glued or injected inside. The defined distance between current sensor S1 and current-carrying conductor M offers the advantage of generating a very defined measurement signal. The distance between the current sensor S1 and the center of the current-carrying conductor M is preferably the same.
Zudem bietet der Durchführungssensor die Möglichkeit, den stromführenden Leiter M sehr definiert zu fixieren um eine definierte Ausrichtung des Magnetfeldes zu realisieren.In addition, the feedthrough sensor offers the possibility of fixing the current-carrying conductor M in a very defined manner in order to implement a defined orientation of the magnetic field.
Beispielsweise kann der Stromsensor S1 als aufsetzbarer Sensor eingesetzt werden.For example, the current sensor S1 can be used as an attachable sensor.
BE2018/5287 Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann der Stromsensor zumindest einenBE2018 / 5287 Without restricting generality, the current sensor can do at least one
Abstandshalter für den elektrischen Leiter M aufweisen. Der Abstandshalter kann an einem Gehäuse des Stromsensors angeformt oder mit diesem verbindbar sein, siehe hierzu Figur 4 und 5. Dabei können unterschiedliche Stromleiterformen als auch Radien durch entsprechende geformte Abstandshalter A1, A2 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Abstandshalter zumindest eine konkave Einbuchtung A1 zur Aufnahme des elektrischen Leiters M aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstandshalter zumindest eine konkave Einbuchtung A2 zur Aufnahme des elektrischen Leiters M aufweisen. Die Einbuchtungen A1 und A2 können z.B. unterschiedliche Radien und/oder unterschiedliche Formen aufweisen. Insbesondere können sich die erste konkave Einbuchtung A1 im Radius und/oder im Abstand zur Leiterplatte von der zweiten konkaven Einbuchtung A2 unterscheiden. Insbesondere kann der Abstandshalter A1/A2 bzw. können dieHave spacers for the electrical conductor M. The spacer can be molded onto a housing of the current sensor or can be connected to it, see FIGS. 4 and 5. Different current conductor shapes and radii can be provided by correspondingly shaped spacers A1, A2. For example, the spacer can have at least one concave indentation A1 for receiving the electrical conductor M. Alternatively or additionally, the spacer can have at least one concave indentation A2 for receiving the electrical conductor M. The indentations A1 and A2 can e.g. have different radii and / or different shapes. In particular, the first concave indentation A1 can differ in radius and / or distance from the printed circuit board from the second concave indentation A2. In particular, the spacer A1 / A2 or can
Abstandshalter A1 und A2 als zylindrische Zentriereinrichtung ausgeführt sein.Spacers A1 and A2 can be designed as a cylindrical centering device.
Auf der Ober- und Unterseite des Kunststoffteils des Stromsensors können z.B. zwei Bereiche mit unterschiedlichen Fixierungshilfen zur Führung des später einzulegenden stromführenden Leiters M bereitgestellt werden. Bei der Messwerterfassung können sich durch die unterschiedlichen Leiterquerschnitte jedoch Messfehler ergeben.On the top and bottom of the plastic part of the current sensor, e.g. two areas are provided with different fixing aids for guiding the current-carrying conductor M to be inserted later. When recording measured values, however, measurement errors can result from the different conductor cross-sections.
Die Messwerte lassen sich exakt bei den für den Sensor optimierten Leiterquerschnitten für die beiden im Kunststoff realisierten Formen des Abstandshalters erfassen. Bei abweichenden Leiterdurchmessern / Leiterquerschnitten kann sich eine Messabweichung ergeben.The measured values can be recorded precisely with the conductor cross-sections optimized for the sensor for the two forms of the spacer realized in plastic. If the conductor diameters / conductor cross-sections differ, a measurement deviation can result.
Diese Sensoranordnung S1 bietet jedoch alternativ den Vorteil, dass sich über die unterschiedlichen Abstände der zwei Seiten des Stromsensorgehäuses ohne Aufwand verschiedene Sensibilitäten des Stromsensors realisieren lassen. So kann z.B. die eine Seite des Stromsensorgehäuses für große Ströme, die andere Seite für niedrige Ströme ausgelegt werden. D.h. der Anwender kann entweder eine präzise Messung oder unterschiedliche Sensitivitäten realisieren.However, this sensor arrangement S1 alternatively offers the advantage that different sensitivities of the current sensor can be realized without effort over the different distances between the two sides of the current sensor housing. For example, one side of the current sensor housing is designed for high currents, the other side for low currents. That the user can either implement a precise measurement or different sensitivities.
Dieses korreliert häufig auch mit dem eingesetzten Kabelquerschnitt des stromführenden Leiters M. Weiterhin ergeben sich hier kleinere Stromsensorgrößen im Vergleich zum Durchführungssensor, so dass der Stromsensor auch für kleine Kabelquerschnitte gut geeignet ist. In diesem Fall kann der Stromsensor z.B. mit Hilfe von Kabelbindern fixiertThis often correlates with the cable cross-section of the current-carrying conductor M. Furthermore, there are smaller current sensor sizes compared to the feedthrough sensor, so that the current sensor is also well suited for small cable cross-sections. In this case the current sensor can e.g. fixed with the help of cable ties
BE2018/5287 werden, wofür Führungen am Kunststoffteil, z.B. Führungsöffnungen am Außenrand oder Einkerbungen / seitliche Aufwölbungen, vorgesehen werden können.BE2018 / 5287, for which guides on the plastic part, e.g. Guide openings on the outer edge or notches / side bulges can be provided.
Beispielsweise kann der Stromsensor in räumlich definierter Position zu einem Leiter M positioniert sein. Der Leiter kann in diesem Fall ein beliebiges stromführendes Teil sein. Hierbei ergibt sich für die Anordnung ein definierter Abstand zwischen stromführenden Leiter M und Stromsensor. Die Messwerterfassung kann hier definierter und präziser erfolgen, da die magnetische Kopplung bekannt ist.For example, the current sensor can be positioned in a spatially defined position relative to a conductor M. In this case, the conductor can be any live part. This results in a defined distance between the current-carrying conductor M and the current sensor for the arrangement. The measured value acquisition can take place more precisely and precisely here, since the magnetic coupling is known.
Die Auswertung der Signale der Stromsensoren S1, S2, S3 erfordert die zeitliche Integration, um ein Signal zu erhalten, das proportional zum Stromfluss ist.The evaluation of the signals from the current sensors S1, S2, S3 requires time integration to obtain a signal that is proportional to the current flow.
Die Integration kann analog oder digital erfolgen. Die entsprechenden Schaltungen können auf dem Träger PCB oder abgesetzt hiervon erfolgen.The integration can be analog or digital. The corresponding circuits can be carried out on the carrier PCB or apart therefrom.
Zudem erlaubt die Stromsensoranordnung auch den Einsatz als richtungsunabhängiger Sensor.In addition, the current sensor arrangement also allows use as a direction-independent sensor.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von mehreren in jeweils einer Achse ausgerichteten Luftspulen auf dem Sensor, um die Richtungsabhängigkeit des Magnetfelds zu messen.Another possibility is the use of several air coils, each aligned in one axis, on the sensor in order to measure the directional dependence of the magnetic field.
Ein richtungsunabhängiger Sensor weist mindestens zwei in unterschiedlichen Achsen ausgerichteten Einzelsensoren auf. Die Kombination dieser Sensoren erlaubt die Bestimmung des Magnetfeldvektors und damit auch die Bestimmung des Betrags des Magnetfelds, wodurch ein richtungsunabhängiger Sensor realisiert werden kann.A direction-independent sensor has at least two individual sensors aligned in different axes. The combination of these sensors allows the determination of the magnetic field vector and thus also the determination of the magnitude of the magnetic field, as a result of which a direction-independent sensor can be implemented.
Dies kann relevant sein, um den Einfluss mehrerer nebeneinander liegender Leitungen zu bestimmen und kompensieren zu können. Hier eignet sich ein mehrlagiger Träger PCB, auf dem die Spulen übereinander / nebeneinander in mehreren Lagen angeordnet sein können.This can be relevant in order to be able to determine and compensate for the influence of several adjacent cables. A multi-layer carrier PCB is suitable here, on which the coils can be arranged one above the other / next to one another in several layers.
BE2018/5287 Der zuvor vorgestellte Stromsensor S1 erlaubt eine Strommessung im elektrischen Leiter M.BE2018 / 5287 The current sensor S1 previously presented allows a current measurement in the electrical conductor M.
Allerdings kann es von Vorteil sein auch andere Einflüsse, die z.B. das Messergebnis verfälschen könnten, zu messen. Hierfür kann der zuvor vorgestellte eindimensionale Stromsensor um eine weitere Dimension ergänzt werden, wie nachfolgend aufgezeigt werden wird.However, other influences, e.g. could falsify the measurement result. For this, the previously presented one-dimensional current sensor can be supplemented by a further dimension, as will be shown below.
Ein zweidimensionaler Stromsensor weist zumindest einen ersten zuvor beschriebenen Stromsensor S1,sowie einen weiteren Stromsensor S2 auf. Der weitere Stromsensor S2 ist dabei zunächst als elektrisch unabhängig vom ersten Stromsensor S1 angenommen. Lediglich in Bezug auf die relative Lage zueinander bzw. auf die damit einhergehende Lage relativ zu einem elektrischen Leiter M wird im Folgenden eingegangen.A two-dimensional current sensor has at least a first current sensor S1 described above and a further current sensor S2. The further current sensor S2 is initially assumed to be electrically independent of the first current sensor S1. Only in relation to the relative position to one another or to the associated position relative to an electrical conductor M is discussed below.
Der weitere Stromsensor S2 weist ebenfalls einen Träger PCB auf. Dieser Träger PCB kann in gleicher Weise wie der Träger PCB des ersten Stromsensors S1 ausgeführt sein. Insbesondere ist es möglich, den weiteren Stromsensor S2 und den ersten Stromsensor S1 auf einem gemeinsamen Träger PCB anzuordnen. Dabei können die einzelnen Elemente in getrennten und/oder gemeinsamen Ebenen angeordnet sein.The further current sensor S2 also has a carrier PCB. This carrier PCB can be designed in the same way as the carrier PCB of the first current sensor S1. In particular, it is possible to arrange the further current sensor S2 and the first current sensor S1 on a common carrier PCB. The individual elements can be arranged in separate and / or common levels.
Je nach Ausrichtung des zweiten Sensors S2 kann es sich bei diesem um einen Sensor wie oben beschrieben, oder um eine Planarspule auf dem Träger handeln.Depending on the orientation of the second sensor S2, this can be a sensor as described above or a planar coil on the carrier.
Auch beim zweiten Stromsensor S2 sind auf oder im Träger PCB eine erste strukturierte elektrische Ebene E1 bzw. auf oder im Träger eine zweite strukturierte elektrische Ebene E2 angeordnet.With the second current sensor S2, too, a first structured electrical level E1 is arranged on or in the carrier PCB or a second structured electrical level E2 is arranged on or in the carrier.
Wiederum ist ein erster strukturierter Abschnitt L1 der ersten strukturierten elektrischen Ebene mittels einer elektrischen Kontaktierung mit einem zweiten strukturierten Abschnitt L2 der zweiten strukturierten elektrischen Ebene verbunden, so dass eine Schleife S gebildet wird.Again, a first structured section L1 of the first structured electrical level is connected to a second structured section L2 of the second structured electrical level by means of electrical contacting, so that a loop S is formed.
Der weitere Stromsensor S2 ist nun jedoch im Wesentlichen senkrecht zum ersten Stromsensor S1 angeordnet, wobei der Träger PCB des ersten Stromsensors S1 und der Träger PCB des Weiteren Stromsensors S2 in einer gleichen oder einer parallelen Ebene zueinander angeordnet sind.However, the further current sensor S2 is now arranged essentially perpendicular to the first current sensor S1, the carrier PCB of the first current sensor S1 and the carrier PCB of the further current sensor S2 being arranged in the same or a parallel plane to one another.
BE2018/5287BE2018 / 5287
Insbesondere kann der weitere Stromsensor S2 als Planarspule ausgeführt sein.In particular, the further current sensor S2 can be designed as a planar coil.
Mit einer derartigen Anordnung können Magnetfeldkomponenten in einer Ebene parallel zum elektrischen Leiter M, aber in Richtung des elektrischen Leiters M durch den weiteren Stromsensor S2 erfasst werden, siehe Figur 6.With such an arrangement, magnetic field components can be detected in a plane parallel to the electrical conductor M, but in the direction of the electrical conductor M by the further current sensor S2, see FIG. 6.
Natürlich kann dieses Konzept noch weiter ausgebaut werden.Of course, this concept can be expanded further.
Der zuvor vorgestellte zweidimensionale Stromsensor erlaubt eine Strommessung im elektrischen Leiter M und einer weiteren Richtung. Allerdings kann es von Vorteil sein, auch andere Einflüsse, die z.B. das Messergebnis verfälschen könnten, zu messen. Hierfür kann der zuvor vorgestellte zweidimensionale Stromsensor um eine weitere Dimension ergänzt werden, wie nachfolgend aufgezeigt wird.The two-dimensional current sensor presented above allows a current measurement in the electrical conductor M and a further direction. However, it can be advantageous to consider other influences, e.g. could falsify the measurement result. For this, the previously presented two-dimensional current sensor can be supplemented by a further dimension, as will be shown below.
Ein dreidimensionaler Stromsensor kann dann einen zuvor beschriebenen zweidimensionalen Stromsensor aufweisen. Weiterhin kann der dreidimensionale Stromsensor einen dritten Stromsensor S3 aufweisen, wobei der dritte Stromsensor wiederum einen Träger PCB aufweist. Dieser Träger PCB kann in gleicher Weise wie der Träger PCB des ersten Stromsensors S1 oder des zweiten Stromsensors S2 ausgeführt sein. Insbesondere ist es möglich, den dritten Stromsensor S3 und den ersten Stromsensor S1 sowie den zweiten Stromsensor S2 auf einem gemeinsamen Träger PCB anzuordnen. Dabei können die einzelnen Elemente in getrennten und/oder gemeinsamen Ebenen angeordnet sein.A three-dimensional current sensor can then have a previously described two-dimensional current sensor. Furthermore, the three-dimensional current sensor can have a third current sensor S3, the third current sensor in turn having a carrier PCB. This carrier PCB can be designed in the same way as the carrier PCB of the first current sensor S1 or the second current sensor S2. In particular, it is possible to arrange the third current sensor S3 and the first current sensor S1 and the second current sensor S2 on a common carrier PCB. The individual elements can be arranged in separate and / or common levels.
Der dritte Stromsensor (S3) kann z.B. als Planarspule ausgeführt sein, wenn nicht bereits S2 als Planarspule ausgeführt ist.The third current sensor (S3) can e.g. be designed as a planar coil if S2 is not already designed as a planar coil.
Beispielhaft ist dies in Fig. 7 aufgezeigt, in der eine Anordnung in einer Ebene (analog zu Figur 1) gezeigt ist.This is shown by way of example in FIG. 7, in which an arrangement in one plane (analogous to FIG. 1) is shown.
BE2018/5287 Mit einer derartigen Anordnung können Magnetfeldkomponenten in allen Raumachsen erfasst werden.BE2018 / 5287 With such an arrangement, magnetic field components can be recorded in all spatial axes.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Stromsensor zur Detektion vonIn a further embodiment of the invention, the current sensor for the detection of
Stoßströmen verwendet.Surge currents used.
Zudem erlaubt die Stromsensoranordnung auch den Einsatz innerhalb eines Überspannungsschutzelementes. Hierbei kann der Stromsensor in einem definierten Abstand zum stromführenden Leiter innerhalb des Basiselementes oder eines ggf.In addition, the current sensor arrangement also allows use within an overvoltage protection element. Here, the current sensor can be at a defined distance from the current-carrying conductor within the base element or a possibly
vorhandenen Steckers positioniert werden.existing connector can be positioned.
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