Strommessung
Stromsensor erfasst vier Ströme auf einem Chip
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Stromsensor für vier parallele Leiter
Die vier Leiter verlaufen parallel unter dem Substrat. Statt zwei Hall-Elemente pro Leiter genügen in dieser dichten Anordnung fünf, wobei die mittleren drei Hall-Elemente für beide benachbarten Leiter zuständig sind. Vor dem Einsatz wird der Sensor kalibriert. Nacheinander wird ein Strom durch jeweils einen der vier Leiter geleitet und die fünf Sensor-Signale ermittelt. Dann folgt eine stromlose Messung, um die durch externe Störfelder erzeugten Signale zu erfassen. Mit den fünf Eingangsgrößen und fünf Messwerten lässt sich eine 5 × 5-Matrix aufstellen. Deren Werte werden in einem EEPROM abgelegt. In einem Mikrocontroller wird daraus die inverse Matrix gebildet, die im Betrieb mit den Sensorsignalen verrechnet wird. So ergeben sich die exakten, von den Störungen bereinigten Stromstärkewerte.
Bei den Sensoren fiel die Wahl auf Hall-Elemente, weil sich diese sehr leicht in einen normalen CMOS-Chip integrieren lassen, denn sie erfodern im Gegensatz zu den magnetoresistiven keine prozessfremden Metalle (Eisen, Nickel). Offsetspannung und Temperaturabhängigkeit lassen sich mit geeigneten Methoden („spinning current“) kompensieren. Zudem verhalten sich Hall-Elemente gutartiger als magnetoresitsive Sensoren bei Überlastung.
Wird bei einem MR-Sensor der zulässige Messbereich stark überschritten, dann kippt dessen magnetisches Moment um und der Sensor arbeitet nicht mehr. Er muss dann erst wieder ummagnetisiert werden, um die ursprüngliche Kennlinie wieder herzustellen. Und weil MR-Sensoren aus ferromagnetischen Materialien bestehen, verzerren sie die magnetischen Felder. Das kann bei differenziellen Messungen zu Messfehlern führen. Hall- Sensoren bestehen aus Silizium, das unmagnetisch ist.
Der Vierkanal-Stromsensor ist in seiner ersten Version für eine Dauerstromstärke von 43 A(eff) bzw. einen Spitzenwert von 60 A ausgelegt. Die Messfähigkeit - mit etwas reduzierter Genauigkeit - reicht bis zum Sechsfachen. Die Genauigkeit ist so hoch, dass bei 40 A noch Fehlerströme unter 10 mA detektiert werden können. Sehr kurze Stoßströme bis 6 kA hinterlassen keine bleibenden Veränderungen in den Sensorelementen. Die Spannungsfestigkeit zwischen Leiter und Sensorsystem liegt über 8 kV.
Bei der Aufbau- und Verbindungstechnik hat das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM, www.izm.fraunhofer.de) in Berlin mitgewirkt. Auf dem 5 × 2 cm² großen Keramikträger (Bild 2) sitzen zwei ASICs, ein EEPROM für die Kalibrierdaten und einige diskrete Bauelemente. Das Sensor-ASIC (0,8 µm CMOS) enthält die Hall-Sensoren, die analoge Signalverarbeitung und den A/D-Umsetzer, das digitale ASIC (0,6 µm CMOS) ist für die Berechnung und Filterung der Messwerte aus den Signalen der Hall-Sensoren vom Sensor-ASIC zuständig.
- Stromsensor erfasst vier Ströme auf einem Chip
- Stromsensor für vier parallele Leiter
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Stromsensoren
Energieaufnahme unter Kontrolle
Induktiver Messtaster
Micro-Epsilon: Mitsamt Gehäuse auf 8 mm Durchmesser reduziert
