Bild 1: Größenvergleich eines Shunt-Widerstands und eines Hall-Sensors, die beide zur Messung eines Stroms von 200 A geeignet sind.Micronas
Viele Applikationen in den Bereichen Automotive, Industrie und weiße Ware erfordern heutzutage die Erfassung und Kontrolle von Strömen auf sichere und zuverlässige Weise. Dies ist nicht selten eine Herausforderung, da das gemessene Signal weiterer elektronischer Aufbereitung beziehungsweise Umwandlung bedarf, ohne es zu beeinflussen. Weitere Einschränkungen bezüglich der anwendbaren Verfahren entstehen durch die Umgebungsbedingungen des Systems, wie etwa im Automobilbereich durch elektromagnetische Störungen, Vibrationen, extreme Temperaturschwankungen oder Verschmutzungen.
Hier ist die Überwachung der fließenden Ströme bereits seit langer Zeit etabliert. Durch innovative Ideen im Bereich der Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie durch die Nutzung von Brennstoffzellen werden genauere Messmethoden gefordert.
Zur Strommessung können unterschiedliche Technologien herangezogen werden. Jede davon hat ihre eigenen Vorteile. In großvolumigen und kosteneffizienten Applikationen werden prinzipiell zwei Messverfahren verwendet. Beide sind indirekte Messungen, das heißt der Strom wird nicht direkt, sondern mittels einer proportionalen physikalischen Größe gemessen. Die erste Methode ist mittels einer Spannungsmessung über einen sehr niederohmigen Widerstand (Shunt). Bei der zweiten Methode macht man sich das magnetische Feld zu Nutze, welches um jeden stromdurchflossenen Leiter entsteht.
Shunt, wo keine galvanische Trennung nötig ist
Die Messung mittels Shunt wird bevorzugt in Applikationen eingesetzt, in denen keine galvanische Trennung benötigt wird. Oft wird diese Technologie verwendet um mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit Ströme bis etwa 20 A zu messen. Der Shunt wird dabei als Widerstand in Serie zur Last geschaltet. Entsprechend dem Ohmschen Gesetz bildet sich über dem Widerstand eine Spannung, die direkt proportional zu dem durchfließenden Strom ist.
Hall-Sensoren statt Shunt-Widerstände
Die Strom-Sensor CUR 3115 ist in der Lage, Flussdichten zwischen ±20 und ±160 mT zu erfassen und verfügt über eine integrierte digitale Signalverarbeitung, die sicherstellt, dass analoge Offsets, Temperaturschwankungen und mechanischer Stress die Genauigkeit des Sensors nur geringfügig beeinflussen. Mögliche Anwendungen sind unter anderem Batterieüberwachung, intelligente Stromzähler und Solarstromwechselrichter sowie Start-Stopp-Systeme in Kraftfahrzeugen.
Die widerstandsbasierte Technologie ist eine einfache und in der Regel kostengünstige Methode, die jedoch einige Nachteile mit sich bringt. Die entstehende Spannung beeinflusst direkt den Stromkreis und muss somit sehr klein gehalten werden. Dadurch ist jedoch eine Verstärkung des gemessenen Signals nötig, welche durch den zusätzlich nötigen Verstärker die Systemkosten erhöht.
Die Verstärkung und eventuell nötige Filterschaltungen beeinflussen die Frequenzantwort des Systems und verursachen spürbare Phasenverschiebungen. Somit entwickelt sich das anfangs sehr einfache Prinzip bei näherem Hinsehen zu einer komplexen Schaltung aus einem Widerstand plus parasitären Induktivitäten. Der entstehende Spannungsabfall ist somit abhängig vom fließenden Strom und dessen Frequenz. Die parasitäre Induktivität beeinflusst die Magnitude der Impedanz bei hohen Frequenzen und limitiert somit den Einsatz des Shunts auf niederfrequente Systeme. Die Widerstands-Komponente des Shunts verursacht Wärmeleistung, die über Strahlung abgegeben wird. Diese Verlustleistung steigt quadratisch zum Strom und führt daher bei hohen Strömen zu extremer Hitzeentwicklung. Um eine Zerstörung der Shunts durch Hitze zu vermeiden, benötigen diese eine bestimmte Größe und somit Platz auf der Platine, was erneut zur Erhöhung der Systemkosten führt. Somit werden Shunts nur selten für die Messung großer Ströme eingesetzt.
Hall-Sensoren zum Stromsparen
Das Prinzip der Magnetfeldmessung hat, gegenüber der widerstandsbasierten Methode, den großen Vorteil, dass die Sensorschaltung keine direkte elektrische Verbindung mit dem zu messenden Strom eingeht. Die Messschaltung bleibt vollständig unabhängig und galvanisch getrennt. Es kommt weder zu einem Übertragungsverlust, noch entsteht Wärme aufgrund zusätzlicher Verlustleistung. Die galvanische Trennung ist auch für sicherheitskritische Anwendungen vorteilhaft, zum Beispiel bei der Messung von Strömen in Hochspannungsnetzen. Die widerstandsbasierte Strommessung benötigt hier stets einen gewissen Schutz des Datenerfassungssystems. Die Standard-CMOS-Prozesse, die bei der Fertigung von Hall-Effekt-Stromsensoren zum Einsatz kommen, garantieren ein außergewöhnliches Maß an Funktionalität in kleinen Gehäusen, bei geringem finanziellem Aufwand. Sie erhöhen die Leistungsfähigkeit des Sensors und reduzieren gleichzeitig Entwicklungszeit und -kosten.
Das System lässt sich extrem preisgünstig und bei vernachlässigbarem Platzbedarf mit zusätzlichen Fähigkeiten, wie benutzerprogrammierbare Empfindlichkeit, Offset- und Temperaturkompensation, digitale Signalverarbeitung und sogar mit einem Mikrocontroller ausstatten. Daher ist die Methode der Magnetfeldmessung bei fast allen Strommessanwendungen erste Wahl.
Der Stromsensor CUR 3115
Insbesondere wenn es um hohe Ströme geht, hat es klare Vorteile Hall-Sensoren statt Shunt-Widerstände einzusetzen (Bild 1). In vielen Bereichen geht der Trend immer mehr Richtung sparsamerer und effizienter Systeme. Der Stromsensor CUR 3115 von Micronas kommt heute schon in Systemen zum Stromsparen und zur Effizienzsteigerung zum Einsatz.
Bild 2: Der Sensor CUR3115 wurde speziell für die Strommessung auf Platinen optimiert.Micronas
Die Messung der elektrischen Stromstärke erfolgt indirekt durch die Messung des Magnetfeldes eines stromdurchflossenen Leiters. Der Hall-Sensor muss so nah wie möglich am elektrischen Leiter positioniert werden, wo die magnetischen Feldlinien am dichtesten sind. Dies stellt eine einfache, kompakte und kostengünstige Möglichkeit dar, relativ hohe Gleich- und Wechselströme (±150 A) mit entsprechendem Frequenzbereich (bis 50 kHz), gutem Signal-Rausch-Verhältnis und moderatem Ruhestrom zu messen. Dennoch hängt die Feldstärke von der Geometrie des Leiters, von der Positionierung des Sensors, von Formveränderungen nach der Installation oder Kalibrierung und sogar von magnetischen Streufeldern der Umgebung ab.
Bild 3: Der Sensor CUR 3115 besitzt auch eine Die-Down-Positionierung.Micronas
Der CUR3115 wurde speziell für die Strommessung auf Platinen optimiert. Dabei wird der Hall-Sensor direkt neben dem stromdurchflossenen Leiter auf der Platine platziert. Durch Simulationen lassen sich noch optimale Formgebungen der Leiterbahnen berechnen (Bild 2). Somit ist es möglich, das Magnetfeld an der Position des CUR 3115 zu konzentrieren. Damit der Luftspalt möglichst klein gehalten wird, besitzt der CUR 3115 eine Die-Down-Positionierung des Sensor-Chips (Bild 3). Durch den geringeren Luftspalt wird zusätzlich noch die Unempfindlichkeit gegenüber Streufeldern reduziert.
Wird um den stromführenden Leiter ein ringförmiger ferromagnetischer Flusskonzentrator positioniert, konzentriert und verstärkt er gleichermaßen die Flussdichte durch den Sensor, ohne dabei die Form des Magnetfeldes zu verändern (Bild 4). Diese Methode ist auch als Open-Loop bekannt und ermöglicht dem Sensor, der in einer Öffnung des Flusskonzentrator-Rings liegt, sehr niedrige Ströme präzise zu messen.
Bild 4: Diese, auch als Open-Loop bekannte Messmethode, ermöglicht dem Sensor die präzise Messung sehr niedriger Ströme.Micronas
Geeignete Ring-Materialien bieten eine hohe Sättigungsflussdichte bei geringer Remanenz, was einen Messfehler von unter ein Prozent über den gesamten Strombereich ermöglicht. Aufgrund der geringen Kosten und der geringen Remanenz von Bruchteilen eines Milliteslas, werden für Flusskonzentratoren bevorzugt Ferrite verwendet. Den größten Einfluss auf die Sensorauflösung hat die Breite der Öffnung – der Luftspalt. Hall-Sensor-Gehäuse, passend für einen 1,5 mm großen Luftspalt, erreichen ein Verstärkungsverhältnis von zirka 0,6/0,8 mT/A. Weiterhin kann der Leiter mehrfach um den Flusskonzentrator gewickelt werden. Dadurch wird die magnetische Flussdichte entsprechend der Anzahl der Windungen vervielfacht.
Philipp Höre
(jj)
