Der anisotrope magnetoresistive (AMR)-Effekt ist seit über 150 Jahren bekannt. 1857 entdeckte ihn Lord Kelvin erstmals. Der AMR-Effekt tritt in ferromagnetischen Werkstoffen auf wie etwa Nickel-Eisen Schichten, die als Streifenelemente angelegt sind und deren spezifischer Widerstand sich mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung ändert. Durch eine geschickte Anordnung der Strukturen im Sensor können Hersteller so sehr unterschiedliche Sensoren konstruieren, um beispielsweise einen Magnetfeld-Gradienten oder einen Magnetfeld-Winkel zu erfassen.

Bild 1: Typische Anwendungen für AMR-Stromsensoren in E-Fahrzeugen.

Bild 1: Typische Anwendungen für AMR-Stromsensoren in E-Fahrzeugen. Sensitec

Erst von rund 30 Jahren machte die Dünnschichttechnik den AMR-Effekt für die sensorische Nutzung zugänglich. MR-Sensoren erobern seitdem ständig neue Applikationsfelder in der Magnetfeldmessung. Die Einsatzgebiete sind jedoch nicht auf „irdische” Anwendungen begrenzt – sie kommen auch zum Steuern der elektrischen Antriebe an Bord von „Curiosity” zum Einsatz, dem Fahrzeug, das im August 2012 erfolgreich auf dem Mars landete. MR-Sensoren eignen sich insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen wie etwa Raddrehzahlsensoren für das ABS-System oder Lenkwinkelsensoren für das ESP-System in Automobilen. Der magnetoresistive Effekt ist zudem besonders interessant für den Bereich Strommessung. Die äußerst hohe Empfindlichkeit stellt sicher, dass kein Eisenkern nötig ist, um das Magnetfeld zu konzentrieren, das der stromdurchflossene Leiter erzeugt. Das bedeutet, dass MR-basierte Stromsensoren kaum Hysterese aufweisen und eine wesentlich höhere Bandbreite haben. Im Vergleich zu Shunt-Lösungen bieten MR-Sensoren zudem den Vorteil der galvanischen Trennung bei geringeren Verlusten. Dies ist besonders wichtig in Hochspannungs-Anwendungen und dort, wo die gesamte Leistungseffizienz ein wichtiger Design-Treiber ist wie bei der Elektromobilität. Der MR-Effekt bietet eine einzigartige Kombination aus Bandbreite, Auflösung, Miniaturisierung und Robustheit und ist besonders für kompakte, schnelle Stromsensoren geeignet. Die Verlustleistung ist deutlich geringer als bei Shunt-Widerständen und die Responsezeit fast eine Größenordnung schneller als bei Hall-Effekt basierenden Stromsensoren. Darüber hinaus verfügen MR-Stromsensoren über eine sehr hohe Bandbreite, die für den Einsatz von neuen leistungselektronischen Technologien wie etwa SiC-Schalter und Dioden eine Bedingung darstellt.

Aufbau von AMR-Stromsensoren

Bild 2: CFS1000 AMR-Stromsensor mit externer Stromschiene.

Bild 2: CFS1000 AMR-Stromsensor mit externer Stromschiene. Sensitec

Das prinzipielle Funktionsprinzip der AMR-Stromsensoren basiert auf einer kompensierten Differenzfeldmessung. Der Primärstrom fließt durch einen U-förmigen Leiter wie etwa eine Stromschiene und erzeugt eine Magnetfelddifferenz zwischen den beiden Seiten des Leiters. Diese Differenz (Gradient) wird vom Sensorelement gemessen, das sich oberhalb der Stromschiene befindet. Außerdem eliminiert diese Anordnung Einflüsse von externen homogenen Störfeldern, die in der Praxis in fast jeder Anwendung anzutreffen sind. Die Signale des Sensorelements werden durch einen Kompensationsstrom ausgeglichen. Der für diese Rückkopplung notwendige Kompensationsleiter ist im MR-Sensor integriert. Durch diese Integration und den daraus resultierenden geringen Abstand zum MR-Sensorelement reicht ein geringer Kompensationsstrom aus. Die Größe des Kompensationsstroms ist das Maß für den Messstrom und stellt das Ausgangssignal des Stromsensors dar. Durch diese Rückkopplung, auch Closed-Loop-Prinzip genannt, erreicht der Sensor eine hohe Linearität und ein stabiles Temperaturverhalten. Das Ergebnis ist ein kleiner und leichter Stromsensor, der unempfindlich für homogene Störfelder und Temperaturschwankungen ist und einen geringen Stromverbrauch und geringe Verlustleistung aufweist.

Bild 3: In die Leiterplatte integrierte Stromschiene sowie separate Stromschiene.

Bild 3: In die Leiterplatte integrierte Stromschiene sowie separate Stromschiene. Sensitec

Für die Auswertung der MR-Sensorsignale bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten an. Etabliert sind hierbei die Umsetzung als diskrete Schaltung mit Operationsverstärkern und passiven Bauelementen auf einem Hybrid-Dickschicht-Substrat oder als automobil-qualifizierbare Ausführung mit einem speziellen ASIC als System in Package (SiP) in einem JEDEC-konformen SOIC-Gehäuse (Bild 2). Ausgehend vom Funktionsprinzip bieten sich für die praktische Ausführung des Stromsensors zwei grundsätzliche Bauformen an. Zum einen lassen sich die Stromschienen direkt mit dem Sensor-Modul integrieren, sodass die Stromsensoren für einen definierten Strombereich schon beim Hersteller gefertigt werden. Diese Art von Sensor funktioniert ohne weitere Kalibrierung und lässt sich direkt vom Anwender in den Strompfad der Leiterplatte einarbeiten.

Bild 4: Antriebskonzept für Hybrid-Nutzfahrzeug.

Bild 4: Antriebskonzept für Hybrid-Nutzfahrzeug. Swerea IWF

Zum anderen besteht die Möglichkeit den Stromsensor so zu konzipieren, dass der Endanwender seine Stromschiene gemäß des gewünschten Strombereichs und der geometrischen Randbedingungen realisiert. Die Stromzuführung für den Sensor kann für kleine Ströme direkt in den Metallisierungslagen von Hochstromleiterplatten erfolgen. Für höhere Ströme sind den Anwendungen entsprechende Stromschienen zu entwickeln (Bild 3). Für den Einsatz von Sensoren ohne integrierte Stromschiene ist zu beachten, dass durch den Anwender ein Abgleich des Sensors in der unmittelbaren Messumgebung erfolgen muss.

Der programmierbare Stromsensor CFS1000 ermöglicht ein dynamisches Ansprechen ohne Hysterese- oder Sättigungseffekte, die bei Stromsensoren mit Eisenkern auftreten. Der Messbereich ist durch die Geometrie des externen Stromleiters definiert, und der Sensor kann Primärnennströme bis 1000 A messen. Die CFS1000-Sensoren sind unempfindlich gegenüber homogenen magnetischen Störfeldern und verfügen über eine hohe Linearität und geringe Temperaturabhängigkeit aufgrund des Closed-Loop-Prinzips. Bei eine Bandbreite von 500 kHz wird eine Gesamtgenauigkeit von < 1 % bei Raumtemperatur und von < 2 % über den kompletten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +125 °C gewährleistet.

Wo sich AMR-Stromsensoren einsetzen lassen, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

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