Robotik gehört zu den typischen Anwendungs-bereichen des integrierten Stromsensors HMSR DA mit Sigma-Delta-Ausgang.

Robotik gehört zu den typischen Anwendungs-bereichen des integrierten Stromsensors HMSR DA mit Sigma-Delta-Ausgang. (Bild: phonlamaiphoto - stock.adobe.com)

Die Entwicklung integrierter Stromsensoren (Integrated Current Sensors - ICS) verlief bisher langsam und stetig. Im Laufe der Jahre tendierte die Strommesstechnik immer mehr in die Richtung der Miniaturisierung von Komponenten mit hoher Packungsdichte, die gleichzeitig sehr leistungsfähig sind. Zwangsläufig gehen die Marktanteile sperriger Sensoren angesichts immer schlanker werdender Neuentwicklungen zurück.

Evaluierung der Bedürfnisse

Wie kann man dem Markt einen Schritt voraus sein und herausfinden, was die Anwender brauchen? Zur Ermittlung dieser Informationen und zur anschließenden Entwicklung von Produkten entsprechend diesen Bedürfnissen ist ein Top-down- und Bottom-up-Ansatz erforderlich, bei dem die Erfordernisse des Marktes mit kundenbasierten Umfragen ermittelt werden.

Eine partnerschaftliche Beziehung zum Anwender ist dabei unerlässlich. Anwender wissen in der Regel genau, was sie von ihren ICS erwarten, und ihr Feedback hat sich als wesentlicher Faktor für diesen Entwicklungsprozess erwiesen.

Ergebnis einer Anwender-Umfrage: Wichtige Kriterien für Stromsensoren

  • Das wichtigste Einzelmerkmal ist das Verhalten des Sensors in Abhängigkeit von der Temperatur – dies bezieht sich auf den Drift und die Empfindlichkeit des Offsets.
  • Ein weiterer Aspekt ist, welche Stromstärke eine integrierte Lösung verarbeiten kann. So kann ein kleiner Stromsensor mit integriertem Primärteil nur eine bestimmte Stromstärke verarbeiten (30 A oder 50 A im Dauerbetrieb), wobei diese Grenze bereits überschritten wurde.
  • Auch die Überstromerkennung ist von Bedeutung – ein Schwellenwert für den Schutz wird kontinuierlich überwacht.
  • Und zuletzt kann die Isolation (einfach oder verstärkt, je nach Systemspannung) ein Schlüsselfaktor bei der Wahl des Stromsensors sein.

Kompensationsprinzip und direktabbildendes Prinzip

In den letzten Jahren haben Anwender von der Hall-Effekt-Technologie mit Kompensationsprinzip profitiert. LEM hat zuerst dafür einen speziellen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) entwickelt, und anschließend für Wandler mit direktabbildendem Prinzip, welches eine wesentlich kostengünstigere Lösung darstellt. Diese Technologie führte zur Entwicklung der Stromwandler der HLSR-Serie, einer kompakten Lösung für die Leiterplattenmontage, mit der die Miniaturisierung ein neues Niveau erreichte.

Hochisolierter Miniaturstromsensor

Der nächste Schritt in der Entwicklung war der HMSR, ein hochisolierter ICS, der in Hinblick auf die ständigen Anforderungen nach Kostenreduzierung, Leistungssteigerung und Miniaturisierung entwickelt wurde. Mit der neuen Serie konnten Miniaturstromsensoren für die isolierte Wechsel- und Gleichstrommessung in anspruchsvollen Anwendungen mit schnellen Schaltvorgängen in kommerzielle und industrielle Märkte vordringen.

Mit mikromagnetischem Kern für Hochspannungsanwendungen

Die Open-Loop-Sensoren auf Mikrokern-Basis mit verstärkter Isolierung und Überstromerkennung besitzen einen niederohmigen Primärleiter zur Minimierung von Leistungsverlusten, einen Miniaturferrit und ein proprietäres ASIC, das eine direkte Strommessung und eine konsistente Isolationsleistung ermöglicht.

Bei der Entwicklung integrierter Stromsensoren war die Hall-Effekt-Technologie mit Kompensationsprinzip ein Schritt zu kompakten Lösungen von LEM. Beim nächsten Schritt können hochisolierte Miniaturstromsensoren isolierte Wechsel- und Gleichstrommessung in anspruchsvollen Anwendungen durchführen. Die Open-Loop-Sensoren mit einem mikromagnetischen Kern verfügen über ein proprietäres ASIC, das eine direkte Strommessung und eine konsistente Isolationsleistung ermöglicht. Die neueste Lösung des Unternehmens ist der erste integrierter Stromsensoren mit Sigma-Delta-Bitstream-Ausgang, der einen Sigma-Delta-Modulator mit einem modularen Filter kombiniert. In Zukunft soll für einen besseren Frequenzgang und zur Beseitigung potentieller elektromagnetische Störungen auf einen magnetischen Mikrokern verzichtet werden.

Wegen all dieser Merkmale kann der Stromsensor für Hochspannungsanwendungen eingesetzt werden, die hohe Präzision und signifikante Immunität gegen externe Felder erfordern. Durch den mikromagnetischen Kern eignet sich das Gerät besonders für Leistungselektronik-Anwendungen, bei denen es häufig zu starken äußeren Störungen kommt.

Kompakter Stromsensor

Aus diesen Gründen setzen Leistungselektronik-Ingenieure seit vielen Jahren die analogen Miniatursensoren zur Messung von Gleich- und Wechselströmen ein. Sie suchen vor allem die Vorteile eines kompakten Stromsensors, der hohe Störfestigkeit gegenüber Streufeldern, verstärkte Isolation und eine Bandbreite von 300 kHz aufweist.

ICS mit Sigma-Delta-Bitstream-Ausgang

Die neueste Lösung in dieser kontinuierlichen Entwicklung integrierter Stromsensoren ist der HMSR DA, der erste ICS auf dem Markt mit Sigma-Delta-Bitstream-Ausgang, der auch niedrige Ströme misst und dennoch eine hohe Auflösung ermöglicht.

Bild 1: Der Sigma-Delta-Ausgang kann flexibel genutzt werden.
Bild 1: Der Sigma-Delta-Ausgang kann flexibel genutzt werden. (Bild: LEM)

Sigma-Delta-Modulator mit digitalem Filter

Durch die Nutzung eines digitalen Signals weist der Sensorausgang eine feste Verzögerungszeit (bekannt als Reaktionszeit) auf, während sich das Quantisierungsrauschen des Analog-Digital-Wandlers (ADC) deutlich verringert und der digitale Filter durch Rauschunterdrückung die Auflösung eines Sigma-Delta-Modulators (SDM) gewährleistet.

Bild 2: Effektive Auflösung des integrierter Stromsensors HMSR DA bei verschiedenen Abtastverhältnissen (OSR) in Abhängigkeit vom Strom.
Bild 2: Effektive Auflösung des integrierter Stromsensors HMSR DA bei verschiedenen Abtastverhältnissen (OSR) in Abhängigkeit vom Strom. (Bild: LEM)

Die Kombination des Modulators mit einem digitalen Filter vereinfacht die Erstellung eines ADC. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Anschlüsse sinkt, dass jeder Benutzer seine eigene Systemleistung festlegen kann und dass zwei oder mehr Umrichter mit unterschiedlichen Leistungen betreibbar sind. Diese Art von Architektur eignet sich besonders gut für kostengünstige CMOS-Prozesse.

Bild 3: Effektive Auflösung des HMSR DA bei verschiedenen Strömen in Abhängigkeit vom Abtastverhältnis (OSR).
Bild 3: Effektive Auflösung des HMSR DA bei verschiedenen Strömen in Abhängigkeit vom Abtastverhältnis (OSR). (Bild: LEM)

Einschwingzeit und Flexibilität

Ein weiteres Merkmal des digitalen Stromsensors ist die Einschwingzeit, auch bekannt als Reaktionszeit oder Verzögerung. Bei einem 10-MHz-Takt und einem Abtastverhältnis (OSR) von 128 beträgt die Einschwingzeit eines SDM etwa 38,4 µs.

Ein anderer Vorteil beim Einsatz eines Sigma-Delta-Ausgangsbitstroms ist die Flexibilität, weil der Anwender je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung verschiedene digitale Tiefpassfilter einsetzen kann. So kann zwischen einem langsameren Filter hoher Ordnung, wenn ein hochauflösendes Ergebnis erforderlich ist, und einem schnelleren Signal kleinerer Ordnung für schnellere Ergebnisse, aber mit geringerer Auflösung gewählt werden.

Dies sind nur einige der Merkmale, dank derer der neue HMSR DA-Sensor anderen ICS mit digitalem Ausgang überlegen ist, darunter auch eine digitale Version der HLSR-Serie und der HO-Serie von direktabbildenden Stromwandlern.

Bild 4: Der Formfaktor des integrierten Stromsensors HMSR DA ist deutliche kleiner als der der HLSR-Serie und der HO-Serie von direktabbildenden Stromwandlern.
Bild 4: Der Formfaktor des integrierten Stromsensors HMSR DA ist deutliche kleiner als der der HLSR-Serie und der HO-Serie von direktabbildenden Stromwandlern. (Bild: LEM)

Anwendungen

Der Markt ist offen für ein ICS mit digitalem Ausgang, da es eine bessere Signalform und ein geringeres Rauschen bei zugleich niedrigeren Kosten und geringerem mechanischen Platzbedarf ermöglicht. Typische Anwendungen für diese Art von ICS sind Robotik, Servoantriebe, Nähmaschinen, CNC-Werkzeugmaschinen, Schweißgeräte und fahrerlose Transportsysteme (AGV).

Seit kurzem zeigt auch der Automobilsektor Interesse an diesen Sensoren. Für F&E-Organisationen und spezialisierte Hersteller ist besonders wichtig, dass eine digitale Lösung immun gegen externe elektrische wie auch magnetische Störungen ist, die bei analogen Signalausgängen bekanntermaßen große Probleme verursachen.

Aktuelle und künftige Generation

Der digitale Stromsensor gilt als erster Schritt auf der digitalen ICS-Roadmap des Herstellers. Als erster seiner Art auf dem Markt ermöglicht er dem Anwender eine Auflösung zwischen 11 und 13 Bit bei einer 10-MHz-Abtastung.

Letztlich gilt es anzustreben, mit einem integrierten Stromsensor an die Stromwerte herkömmlicher Sensoren heranzukommen. Derzeit kann der digitale Stromsensor einen Dauerstrom von 30 A bei 125 °C bzw. einen Spitzenstrom von 75 A erfassen; künftige Generationen sollen jedoch einen Dauerstrom von 100 A unterstützen und dabei extrem kompakt und auf einer Leiterplatte montiert sein.

In Zukunft soll außerdem auf einen magnetischen Mikrokern verzichtet werden, um den Frequenzgang zu verbessern und potenziell problematische magnetische Störungen zu beseitigen.

Vergleich mit alternativem System

Der digitale Stromsensor eignet sich für rausch-, verzerrungs- und störungsanfällige Anwendungen; er ermöglicht echte Kosteneinsparungen, da der Anwender seine Stücklistenkosten senken kann. Dazu ersetzt er mit einem einzigen Bauteil ein wesentlich komplexeres und teureres alternatives System, das traditionell einen Shunt-Widerstand, einen digitalen Isolator und eine Nieder-/Hochleistungsversorgung mit Dioden und Kondensatoren umfasst.

Wegen seines thermischen Rauschens bei hohen Strömen ist der Shunt nicht gerade die beste Lösung. Ein weiteres Problem ist der Platzbedarf für die separaten Komponenten, während beim digitalen Stromsensor nur ein einziger Chip die gleichen Aufgaben wie diese drei Elemente erfüllt und die Ergebnisse direkt ausgibt. Der neue Sensor ermöglicht auch Funktionen, die bei den Einzelkomponenten nicht verfügbar sind, wie z. B. einen ASIC und eine Überstromerkennung, welche eine Shuntlösung nicht bietet.

Verschiedene Möglichkeiten der Systemauslegung

Zusätzlich sind verschiedene Ausgabemodi verfügbar – einzeln mit dem Bitstrom und dem Takt, aber auch differenziell, was die Notwendigkeit von Ausgangstreibern zur Umwandlung vom Single- in den Differenzialmode überflüssig macht. Eine Lösung auf Basis von RS-422-Daten und eines LVDS-Receivers (Low-Voltage Differential Signalling) liefert sowohl ein normales wie auch ein invertiertes Ausgangssignal sowie einen Takt und einen invertierten Takt. Dies ist wichtig bei der Verarbeitung von Differenzsignalen, da so bei niedrigem Leistungsbedarf und hohen Geschwindigkeiten alle Störgeräusche beseitigt werden können. Der neue digitale Sensor vereint alle diese Funktionen in einer einzigen Einheit.

Möglichkeiten beim Systemdesign

Es ist davon auszugehen, dass der Stromsensor Entwicklern neue Wege bei der Gestaltung ihres Systemdesigns eröffnen wird. Anwender werden den Sensor auch mit Hilfe von Filtern an ihre spezifischen Anforderungen anpassen können, wenn sie in einem Umfeld arbeiten, das saubere Signale benötigt, aber traditionell elektrischem Rauschen, Vibrationen und magneto-elektronischem Rauschen ausgesetzt ist.

Verzerrungen und Interferenzen sind bei solch anspruchsvollen Anwendungen problematisch, und nur wenn bei der digitalen Ausgabe neue Wege eingeschlagen werden, können wirklich bahnbrechende Entwicklungen zur Lösung der Probleme bei verrauschten Systemen auf den Markt kommen.

Ausblick

Die digitale Ausgabe steckt noch in den Kinderschuhen, und auch heute noch zögern manche Entwickler, diesen Weg zu beschreiten. Dennoch ist sie ein zukunftsträchtiger Trend, der sich in den kommenden Jahren weiter durchsetzen wird. Umso wichtiger ist es, bei dieser Technologie von Anfang an dabei zu sein und stets die Rückmeldung der Anwender über die Durchführbarkeit digitaler Lösungen in ihrem Sektor mit einzubeziehen. (bs)

LEM

Clément Amilien

Global Product Manager für integrierte Stromsensoren bei LEM

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