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Dokumentenidentifikation DE102004042719A1 29.09.2005
Titel Stromsensor mit einem Messwiderstand
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Merkel, Rolf, 10435 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 03.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004042719
Offenlegungstag 29.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.09.2005
IPC-Hauptklasse G01R 19/00
IPC-Nebenklasse G01R 15/00   
Zusammenfassung Bei einem Stromsensor mit einem Messwiderstand zur Bestimmung des in einem Stromleiter fließenden Stroms ist der aus dem Material des Stromleiters bestehende Messwiderstand als Strukturteil im oder unmittelbar am Stromleiter ausgebildet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor mit einem Messwiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Messwiderstände von Stromsensoren zur Bestimmung der in einem Stromleiter fließenden Ströme (typischer Messbereich 1 mA bis 1A) bestehen üblicherweise aus einem speziellen, vom Material des Stromleiters verschiedenen Widerstandsmaterial, wobei der Wert des Messwiderstands insbesondere durch die Wahl des Widerstandsmaterials eingestellt wird. Hierdurch entstehen allerdings an den gelöteten oder geschweißten Verbindungsstellen vom Widerstandsmaterial zum Material des Stromleiters Thermospannungen, die zur Erfassung hinreichender genauer Messwerte des im Stromleiter fließenden Stroms kompensiert werden müssen. Nachteilig ist bedingt durch die Verbindungsstellen vom Widerstandsmaterial zum Material des Stromleiters somit der hohe Aufwand bei der Herstellung des Stromsensors und beim Messvorgang mit dem Stromsensor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromsensor mit einem Messwiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem eine einfache Herstellung und eine einfache Messung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Beim vorgestellten Stromsensor ist der Messwiderstand (Shunt) erfindungsgemäß als mit dem Stromleiter direkt verbundenes (in unmittelbarem Kontakt befindliches) Strukturteil aus dem gleichen Material wie der Stromleiter ausgebildet, wobei der Messwiderstand im Stromleiter integriert oder direkt (unmittelbar) am Stromleiter angeordnet ist. Der Widerstandswert des Messwiderstands wird insbesondere durch die geometrische Form des Strukturteils festgelegt. Daneben wird der Widerstandswert des Messwiderstands auch durch den Temperaturkoeffizienten des Materials des Stromleiters und damit des Messwiderstands beeinflusst, so dass bei der Messung des Stromwerts auch die Temperatur bestimmt und der gemessene Stromwert entsprechend korrigiert wird; dies kann insbesondere mittel einer zur Ermittlung des Stromwerts vorgesehenen Auswerteeinheit (Auswerteelektronik) erfolgen. Als Material des Stromleiters und damit auch des Messwiderstands wird insbesondere Kupfer herangezogen.

Das als Messwiderstand vorgesehene Strukturteil kann als in einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters ausgebildete Verjüngung im Querschnitt des Stromleiters realisiert sein, die aus dem Material des Stromleiters mittels Stanzen und/oder Pressen gefertigt werden kann. Der Wert des Messwiderstands wird durch die geometrische Form der Verjüngung (Länge, Breite, Höhe) eingestellt, wobei die Spannung des Messwiderstands an den Kanten der Verjüngung beim Übergang vom reduzierten Querschnitt des Messwiderstands zum Querschnitt des Stromleiters an bestimmten Messspannungsabgriffen abgenommen wird.

Alternativ hierzu kann das als Messwiderstand vorgesehene Strukturteil auch durch als in einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters ausgebildete Einschnitte im Stromleiter realisiert sein, die insbesondere eine mäanderförmige Struktur aufweisen können. Die Länge des als Messwiderstand wirksamen Bereichs wird entsprechend des Querschnitts des Stromleiters und des gewünschten Widerstandswerts vorgegeben. Die Messspannungsabgriffe und die zur Aufnahme der Auswerteeinheit (Auswerteelektronik) dienenden Befestigungspunkte können bsp. mittels Einpressstiften realisiert werden; vorzugsweise werden die Messspannungsabgriffe und die Befestigungspunkte direkt aus dem Material des Messwiderstands und damit des Stromleiters herausgearbeitet.

Weiterhin kann das als Messwiderstand vorgesehene Strukturteil durch eine auf einen Trägerkörper (bsp. eine Leiterplatte) aufgebrachte, mit dem Stromleiter direkt über Kontaktflächen zu verbindende Widerstandsschicht realisiert werden, bsp. durch ein auf den Trägerkörper auflaminiertes Kupferblech. Die Kontaktflächen zwischen dem Messwiderstand und dem Stromleiter sind auf geeignete Art und Weise niederohmig realisiert, bsp. durch Kaltverschweißen. Der Wert des Messwiderstands wird durch den Querschnitt der Widerstandsschicht und der Position der vom Messwiderstand zum Trägerkörper geführten Spannungsabgriffe eingestellt. Hierbei ist eine Kalibrierung des Messwiderstands bei der Herstellung des Trägerkörpers (bsp. der Leiterplatte) möglich, da der Messwiderstand integrierter Bestandteil des mit dem Stromleiter verbundenen Trägerkörpers der Auswerteeinheit ist.

Vorteilhafterweise ist der vorgestellte Stromsensor auf einfache Weise und mit geringen Kosten herstellbar; da keine Thermopaare beim Übergang vom Stromleiter zum Messwiderstand gebildet werden, entstehen auch keine aufwendig zu kompensierenden Thermospannungen.

Im Zusammenhang mit der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Hierbei zeigen die 1 bis 3 unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die Realisierung des Messwiderstands.

Gemäß der 1 ist der Messwiderstand 2 des Stromsensors 1 durch eine Verjüngung im Querschnitt des Stromleiters 3 realisiert. Der bsp. aus Kupfer bestehende Stromleiter 3 weist bsp. einen Querschnitt von 18 mm2 auf, der ebenfalls aus Kupfer bestehende Messwiderstand 2 einen Querschnitt von 6 mm2. Der von der Temperatur abhängige Widerstandswert des Messwiderstands beträgt mit den angegebenen Werten mit einem spezifischen Widerstand &rgr;CU = 0.017 &OHgr;mm2/m und bei einer Temperatur von bsp. 20 °C bsp. ca. 30 &mgr;&OHgr;.

Gemäß der 2 ist der Messwiderstand 2 des Stromsensors 1 durch einen mäanderförmigen Einschnitt im Querschnitt des Stromleiters 3 realisiert. Die Länge L des als Messwiderstand 2 wirksamen Bereichs des Stromleiters 3 ergibt sich für einen gewünschten Widerstandswert R bei einem Querschnitt A und einem spezifischen Widerstand &rgr; des Stromleiters 3 zu: L = R·A/&rgr;CU

Bei einem einzustellenden Widerstandswert R für den Messwiderstand 2 von 100 &mgr;&OHgr; und einem Querschnitt A des bsp. aus Kupfer (Cu) bestehenden Stromleiters 3 von bsp. 2 mm2 ergibt sich mit einem spezifischen Widerstand &rgr;CU = 0.017 &OHgr;mm2/m eine Länge L von 11.8 mm. Aufgrund des linearen Zusammenhangs kann die Länge L für andere Widerstandswerte R des Messwiderstands 2 und/oder andere Querschnitte A des Stromleiters 3 entsprechend ermittelt werden.

Die Messspannungsabgriffe 4 und die Befestigungspunkte 5 zur Aufnahme der Auswerteeinheit (Auswerteelektronik) können bsp. mittels Einpressstiften realisiert werden, die bsp. aus Kupfer bestehen und bsp. einen Durchmesser von 1 mm aufweisen oder mittels mechanischer Bearbeitung direkt aus dem Messwiderstand herausgearbeitet werden.

Mittels des Messwiderstands 2 des Stromsensors 1 können bsp. Ströme im Bereich von 10 mA bis 1000 A erfasst werden.

Gemäß der 3 ist der Messwiderstand 2 des Stromsensors 1 durch eine auf einer Leiterplatte als Trägerkörper 6 aufgebrachte Widerstandsschicht realisiert, die bsp. eine Dicke von 0.5 mm aufweist und aus dem gleichen Material wie das Material des Stromleiters 3 besteht (bsp. bestehen die Widerstandsschicht des Messwiderstands 2 und der Stromleiter 3 aus Kupfer). Die Widerstandsschicht des Messwiderstands 2 wird an von der Isolationsschicht 8 getrennten Kontaktflächen 7 mit dem Stromleiter 3 in Kontakt gebracht, wobei die Messspannung über Messspannungsabgriffe 9 abgegriffen wird und durch auf der Oberseite 10 der Leiterplatte 6 angeordnete Bauelemente 11 weiter verarbeitet werden kann.


Anspruch[de]
  1. Stromsensor mit einem Messwiderstand (2) zur Bestimmung des in einem Stromleiter (3) fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Material des Stromleiters (3) bestehende Messwiderstand (2) als Strukturteil im oder unmittelbar am Stromleiter (3) ausgebildet ist.
  2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) als Strukturteil im Stromleiter (3) integriert ist.
  3. Stromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) in einem Abschnitt des Stromleiters (3) als Verjüngung im Querschnitt des Stromleiters (3) realisiert ist.
  4. Stromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) in einem Abschnitt des Stromleiters (3) als Einschnitt im Stromleiter (3) realisiert ist.
  5. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) als mäanderförmiger Einschnitt im Stromleiter (3) realisiert ist.
  6. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (2) als Strukturteil auf einer auf dem Stromleiter (3) angeordneten Leiterplatte (6) auflaminiert ist.
  7. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter (3) und der Messwiderstand (2) aus Kupfer bestehen.
  8. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messspannungsabgriff für die vom Messwiderstand (2) gelieferte Messspannung im Bereich der äußeren Begrenzung des Messwiderstands (2) erfolgt.
  9. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Messwiderstands (2) gemessen wird.
  10. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Temperaturabhängigkeit des Messwiderstands (2) kompensiert.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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