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Dokumentenidentifikation DE60219561T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001281974
Titel Hall-Effekt-Stromdetektor
Anmelder Sanken Electric Co. Ltd., Niiza, Saitama, JP
Erfinder Goto, Hirokazu, Tokyo, JP;
Kato, Takashi, Asaka-shi, Saitama-ken, JP
Vertreter Hansmann & Vogeser, 81369 München
DE-Aktenzeichen 60219561
Vertragsstaaten DE, FR, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.06.2002
EP-Aktenzeichen 020143681
EP-Offenlegungsdatum 05.02.2003
EP date of grant 18.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01R 15/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromdetektor zur Ermittlung oder Messung von elektrischem Strom, der in einem elektrischen Schaltkreis fließt, und insbesondere einen Detektor, der eine allgemein als Hallgenerator bekannte Halleffektvorrichtung enthält.

Der Hallgenerator beruht auf dem bekannten Halleffekt, um eine als Hallspannung bekannte Spannung proportional zur Stärke des angelegten Magnetfeldes aufzubauen. Der Hallgenerator, der benachbart zu einem elektrischen Strompfad angeordnet ist, gibt eine für die Stärke des Stromes charakteristische Spannung ab, indem das Magnetfeld, das proportional zur Stromgröße auftritt, auf diesen einwirkt.

Es wurden viele verschiedene Erfindungen mit Halleffekt-Detektoren zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Stromermittlung durch Hallgeneratoren vorgeschlagen. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 4-364472, die möglicherweise in Bezug auf die vorliegende Erfindung die meiste Relevanz besitzt, ist ein Beispiel für die bisherigen Bestrebungen. Diese Lehre betrifft die Verwendung eines Kerns mit hoher magnetischer Permeabilität, der die Strombahn umgibt, um zu veranlassen, dass die Magnetfeldlinien aufgrund des durch den Pfad fließenden Stromes in wirksamer Weise auf den Hallgenerator einwirken.

Diese Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist – obwohl sie die ihr zugrunde liegende Aufgabe sehr wohl lösen kann – nicht ganz zufriedenstellend. Der Magnetkern ist unhandlich und kostspielig, was in erheblichem Maße zu den Abmessungen und den Herstellungskosten des Stromdetektors beiträgt.

Die deutsche veröffentlichte Patentschrift DE 198 19 470 A1 offenbart einen Stromdetektor mit einem Hallgenerator und einem U-förmigen Strompfad, der den zu messenden Strom führt. Der Hallgenerator ist relativ zu den parallelen Leiterschenkeln des U-förmigen Strompfades angeordnet, so dass er infolge des durch die parallelen Leiterschenkel fließenden Stromes mit einem Magnetfeld beaufschlagt wird. Darüber hinaus ist eine magnetische Auflage zwischen dem Hallgenerator und den Leiterschenkeln angeordnet. Mit dieser Anordnung können verschiedene Störquellen, wie z.B. die Beeinträchtigung durch Wirbelströme, durch gegenseitige Kompensation beseitigt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Empfindlichkeit des Stromdetektors der zuvor definierten Art, ohne die angegebenen Nachteile des nächstliegenden Standes der Technik zu verbessern.

Die Erfindung betrifft einen Stromdetektor, der den Halleffekt zur Ermittlung oder Messung von elektrischem Strom verwendet, bestehend aus einem Strompfadleiter, der den zu ermittelnden oder messenden Strom führt, und einem Hallgenerator, der in einer vorgegebenen Relativposition zu dem Strompfadleiter angeordnet ist, um eine Hallspannung proportional zur Stärke eines Magnetfeldes infolge des durch den Strompfadleiter fließenden Stromes zu erzeugen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine magnetische Auflage in Form einer Folie oder eines Films aus magnetischem Material, die einen vorgegebenen Teil des Strompfadleiters bedeckt.

Die magnetische Auflage, die an dem Strompfadleiter bis zu einer Dicke, die geringer als die des Leiters ist, gebildet ist, dient zum Konzentrieren der Magnetstärkelinien infolge des durch den Strompfadleiter fließenden Stromes und folglich zur Verbesserung der Flussdichte, die tatsächlich auf den Hallgenerator einwirkt. Die Empfindlichkeit des Stromdetektors wird somit im Vergleich zu den herkömmlichen Magnetkernen durch weitaus kostengünstigere und kompaktere Mittel verbessert.

Bei einer charakteristischen Ausführungsform der Erfindung hat der Strompfadleiter die Form eines Blechteils mit einem darin eingeschnittenen Schlitz, um gemäß der Erfindung einen U-förmigen Pfad zum Fließen des zu ermittelnden oder zu messenden Stromes zu bilden. Solch ein Blechteil kann durch das Stanzen von nickelplattiertem Kupferblech auf einfache Weise hergestellt werden. Der so hergestellte Strompfadleiter aus Blechmetall hat ein Paar gegenüberliegender Hauptflächen, eine Innenfläche benachbart zu dem Schlitz, und eine von dem Schlitz weggerichtete Außenfläche. Der Hallgenerator wird zusammen mit der zugehörigen Elektronik in Form eines integrierten Schaltkreises hergestellt, der gegenüberliegend einer der Hauptflächen des Strompfadleiters gehalten wird und sich in einer Richtung senkrecht zu diesem Leiter betrachtet in dem Schlitz darin befindet. Die magnetische Auflage ist an dem Strompfadleiter gebildet, wobei diese wenigstens entweder die andere Hauptfläche oder die Außenfläche des Strompfadleiters, und vorzugsweise beide bedeckt.

Eine solche Auflage kann durch das Plattieren eines vorbestimmten Teils des Strompfadleiters mit einem magnetischen Material, wie beispielsweise Permalloy, durch das Aufkleben einer vorgefertigten Folie oder eines Films aus einem solchen Material, oder durch Verdampfung, Druckschweißen oder Ablagerung eines solchen Materials vorgefertigt sein.

Zur Erreichung einer noch höheren Messempfindlichkeit können magnetische Auflagen an einigen zusätzlichen Teilen des Stromdetektors, die von denjenigen des Strompfadleiters verschieden sind, gebildet werden. Diese zusätzlichen Teile bestehen aus einer Grundplatte, auf welcher der integrierte Hallgenerator-Schaltkreis gebildet ist, und einem Gehäuse, das den Hallgenerator-Schaltkreis und einen Teil des Strompfadleiters umgibt.

Die zuvor genannten und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Draufsicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Stromdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in der Ansicht das Gehäuse durch verdeckte Linien gezeigt ist, um die anderen Teile des Stromdetektors offen zu legen;

2 ist eine Seitenansicht von links in 1;

3 ist eine Ansicht im Schnitt durch die erste bevorzugte Ausführungsform des Stromdetektors entlang der Linie III-III in 1;

4 ist eine explodierte perspektivische Ansicht, die den Stromdetektor in 1 zeigt, der in die Hallgeneratoranordnung und den Strompfadleiter mit der magnetischen Auflage daran aufgeteilt ist;

5 ist eine Draufsicht der Hallgeneratoranordnung des Stromdetektors in 1;

6 ist eine Draufsicht des Strompfadleiters, der zusätzlich zu dem Stromdetektor in 1 mit der magnetischen Auflage versehen ist;

7 ist eine vergrößerte Draufsicht der Halbleitereinheit der Hallgeneratoranordnung des Stromdetektors in 1;

8 ist eine weiter vergrößerte, fragmentarische Draufsicht der Halbleitereinheit in 7, in der insbesondere der darin enthaltene Hallgenerator gezeigt ist;

9 ist eine vergrößerte, fragmentarische Ansicht im Schnitt durch die Halbleitereinheit der Hallgeneratoranordnung des Stromdetektors in 1 entlang der Linie IX-IX in 7;

10 ist eine Ansicht im Schnitt ähnlich der in 3, in der jedoch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromdetektors gemäß der Erfindung gezeigt ist;

11 ist ebenfalls eine Ansicht im Schnitt ähnlich der in 3, in der jedoch noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromdetektors gemäß der Erfindung gezeigt ist;

12 ist eine teilweise Ansicht im Schnitt, die in etwa ähnlich der in 3 ist, in der jedoch noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromdetektors gemäß der Erfindung gezeigt ist;

13 ist eine Draufsicht eines Beispiels des Stromdetektors, die zum Verständnis der Erfindung dient;

14 ist eine Draufsicht, in der das Paar Strompfadleiter und der Hallgenerator des Stromdetektors in 13 in vorbestimmten Relativpositionen gezeigt sind; und

15 ist eine Ansicht im Schnitt durch die Ansicht in 14 entlang der Linie XV-XV.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN Allgemein

Die 1 bis 9 der obigen Zeichnungen beziehen sich alle auf die erste bevorzugte Ausführungsform des Stromdetektors gemäß der Erfindung. Der charakteristische Stromdetektor 1, der in seiner Gesamtheit und vollständigen Gestalt in den 1 bis 3 gezeigt ist, kann, wie in 4 gezeigt, allgemein in eine Hallgeneratoranordnung 2, einschließlich eines Hallgenerators und der dazugehörigen Elektronik, und einen Strompfadleiter 3 zusammen mit einer magnetischen Auflage 4, die einen Teil des Leiters bedeckt, unterteilt werden. Die Hallgeneratoranordnung 2 selbst ist in 5 gezeigt, und der Strompfadleiter 3 mit der magnetischen Auflage 4 daran in 6. Die Hallgeneratoranordnung 2 und der Strompfadleiter 3 werden, wie in 1 bis 3 gezeigt, in einer Endphase der Herstellung dieses Stromdetektors zusammengesetzt. Der Stromdetektor 1 umfasst weiterhin ein Gehäuse 5, wie in den 1 bis 3 gezeigt, aus elektrisch isolierendem Material, das Teile der Hallgeneratoranordnung 2 und des Strompfadleiters 3 umgibt und diese beiden Hauptkomponenten zu einem einzigen Teil verbindet. Der Hallgenerator selbst und der Strompfadleiter befinden sich in dem so komplettierten Stromleiter in einer vorbestimmten relativen Position zueinander, wie im Folgenden genauer beschrieben.

Der erste dargestellte Stromdetektor 1 gemäß der Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter den Überschriften "Hallgeneratoranordnung", "Strompfadleiter" und "magnetische Auflage" näher beschrieben. Die Beschreibung der Arbeitsweise wird im Anschluss an die Beschreibung der drei angeführten Komponenten beschrieben.

Hallgeneratoranordnung

Die Hallgeneratoranordnung 2 ist im Wesentlichen ein integrierter Hallgeneratorschaltkreis umfassend ein Halbleitersubstrat 6, das über einer Grundplatte 7 liegt, wie am besten in 3 zu sehen. Weitere Komponenten der Hallgeneratoranordnung 2 umfassen einen Satz Leitungen 8, 9 und 11 zum Anschließen dieses Stromdetektors an externe Schaltkreise, und eine Kunststoffhülle 12, die sämtliche der aufgelisteten Komponenten der Hallgeneratoranordnung mit Ausnahme des größeren Abschnitte der Leitungen 8 bis 11 umgibt.

Wie in 7 im vergrößerten Maßstab gezeigt, hat die Hallgeneratoranordnung 2 eine Halleffektvorrichtung oder einen Hallgenerator 13, die bzw. der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, um eine Hallspannung proportional zur Stärke des durch den Strompfadleiter 3 fließenden Stromes zu erzeugen. Das Substrat 6 besteht aus einem beliebigen bekannten oder geeigneten Halbleitermaterial, wie z.B. Galliumarsenid. Das Substrat hat darüber hinaus einen darin gebildeten Verstärker 31, eine Steuerstromversorgung 32, und vier Anschlüsse 33, 34, 35 und 36. Der Aufbau dieses Halbleiterchips ist weitgehend bekannt, so dass keine detaillierte Darstellung des Verstärkers 31 und der Steuerstromversorgung 32 erforderlich ist; lediglich der Hallgenerator 13 ist in den 8 und 9 detailliert dargestellt, da er mehr oder weniger direkt für die Verbesserungen, die durch die vorliegende Erfindung in den Stromdetektor einfließen, von Bedeutung ist.

In den 8 und 9 besteht der Hallgenerator 13 aus fünf n-Typ Halbleiterbereichen 41, 42, 43, 44 und 45 und drei p-Typ Halbleiterbereichen 46, 47 und 48, die alle in dem Substrat 6 gebildet sind, das in der Draufsicht in 7 rechteckförmig ist. Der fünfte n-Typ Halbleiterbereich 45 ist, wie in einer Draufsicht in 8 zu sehen ist, kreuzförmig als eine Insel in dem dritten p-Typ Halbleiterbereich 48 gebildet, der einen Großteil des Substrats 6 einnimmt. Der erste und zweite n-Typ Halbleiterbereich 41 und 42, die eine höhere Verunreinigungskonzentration als dieser fünfte n-Typ Halbleiterbereich 45 haben, sind beide als Inseln in dem Bereich 45 mit einem Abstand dazwischen entlang der in 8 angegebenen y-Achse gebildet.

Vorübergehend wieder bezugnehmend auf 7 befinden sich Elektroden 49 und 50 in ohmschem Kontakt mit jeweils dem ersten und zweiten n-Typ Halbleiterbereich 41 und 42. Die Elektroden 49 und 50 sind beide an die Steuerstromversorgung 32 angeschlossen, um zu veranlassen, dass der Steuerstrom Ic, wie in der 8 zu sehen ist, durch den fünften n-Typ Halbleiterbereich 45 von dem ersten n-Typ Halbleiterbereich 41 zu dem zweiten n-Typ Halbleiterbereich 42 fließt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Elektroden 49 und 50 über die Steuerstromversorgung 32 mit dem Paar Anschlüsse 35 und 36 elektrisch verbunden sind, wie in 7 zu sehen ist, wodurch diese mit einer nicht gezeigten Gleichstromversorgung verbunden sind.

Der dritte und vierte n-Typ Halbleiterbereich 43 und 44, die ebenfalls eine höhere Verunreinigungskonzentration als der fünfte n-Typ Halbleiterbereich 45 haben, sind benachbart zur Mitte des fünften n-Typ Halbleiterbereichs in Richtung der y-Achse und in Richtung der x-Achse zur Ermittlung der Hallspannung voneinander beabstandet. Diese Bereiche 43 und 44 grenzen teilweise an den fünften n-Typ Halbleiterbereich 45 und teilweise an die ersten und zweiten p-Typ Halbleiterbereichen 46 und 47 an. Diese p-Typ Halbleiterbereich 46 und 47 dienen zur Begrenzung der Kontaktbereiche der dritten und vierten n-Typ Halbleiterbereiche 43 und 44 mit dem fünften n-Typ Halbleiterbereich 45. Sowohl die 7 als auch die 9 zeigen, dass die Elektroden 51 und 52 mit dem dritten und vierten n-Typ Halbleiterbereich 43 und 44 in ohmschem Kontakt stehen. Die Elektroden 51 und 52 sind jeweils mit den Anschlüssen 33 bzw. 34 über den Verstärker 31 elektrisch verbunden.

Eine Hallspannung entwickelt sich zwischen dem dritten und vierten n-Typ Halbleiterbereich 43 und 44 proportional zur Stärke des Magnetfeldes, das senkrecht zur Flussrichtung des Steuerstroms Ic von dem ersten n-Typ Halbleiterbereich 41 zu dem zweiten n-Typ Halbleiterbereich 42 angelegt wird, wie in 8 zu sehen. Somit bildet der Teil des fünften n-Typ Halbleiterbereich 45, der zwischen dem ersten und zweiten n-Typ Halbleiterbereich 41 und 42 und zwischen dem dritten und vierten n-Typ Halbleiterbereich 43 und 33 liegt, den primären Arbeitsbereich des Hallgenerators 13, in dem im engeren Sinne des Ausdrucks, die Hallspannung erzeugt wird. Allgemein kann der Ausdruck jedoch so ausgelegt werden, dass er sich auf den gesamten fünften n-Typ Halbleiterbereich 45 bezieht.

9 zeigt am besten, dass das Halbleitersubstrat 6 eine Isolierschicht 52, z.B. aus Siliziumoxid, die an einer Hauptfläche daran gebildet ist, und eine Metallschicht 54, z.B. aus Aluminium, die an der anderen Hauptfläche gebildet ist, hat. Die Isolierschicht 53 hat die Form eines Laminats aus zwei Unterschichten 53a und 53b zur einfacheren Verdrahtung. Die Elektroden 49 und 50, wie in 7 zu sehen ist, sind jeweils mit dem ersten und zweiten n-Typ Halbleiterbereich 41 bzw. 42 über Öffnungen in diesen Isolierunterschichten 53a und 53b verbunden. Die Elektroden 51 und 52, 7, sind jeweils mit dem dritten und vierten n-Typ Halbleiterbereich 43 bzw. 44 über Öffnungen in der Isolierunterschicht 43a verbunden. Die Metallschicht 54 an der anderen Hauptfläche des Substrats 6 ist an der mit dem Bezugzeichen 55 bezeichneten Stelle mit der Montageplatte 7, die auch in 3 zu sehen ist, verklebt. Das Klebemittel 55 kann entweder elektrisch leitend oder isolierend sein.

Wie am besten in 5 zu sehen ist, ist die Montageplatte im Wesentlichen rechteckförmig, mit einem Bereich, der größer als der des Halbleitersubstrats 6 ist. Die Montageplatte 7 und die vier Leitungen 8 bis 11 sind Stanzungen, die aus demselben Blechmaterial, wie z.B. aus Kupferblech mit einer Nickelplattierung, hergestellt sind. Die Montageplatte 7 ist direkt mit der Leitung 8 verbunden und elektrisch mit dem Anschluss 33 gekoppelt, wie in 7 zu sehen ist. Die anderen Leitungen 9 bis 11 sind mit den Anschlüssen 34 bis 36 jeweils über Drähte 14 verbunden. Die Leitungen 8 und 9 dienen zum Abgeben der Hallspannung, und die Leitungen 10 und 11 dienen dazu, um dem Hallgenerator 13 den Steuerstrom Ic, zuzuführen.

Strompfadleiter

In den 1 bis 4 und 5 bildet der Strompfadleiter 3 den Pfad für den von der Hallgeneratoranordnung 2 zu ermittelnden Strom. Vorzugsweise ist der Strompfadleiter 3 eine Kupferblechstanzung, die mit einer Nickelplattierung komplettiert ist, die ausreichend dick ist, um einen Strom von angenommen 100 Ampere oder dergleichen zu führen.

Wie am besten in 6 zu sehen ist, ist der Strompfadleiter 3 bei dieser speziellen Ausführungsform im Wesentlichen U-förmig, da ein relativ breiter und tiefer Schlitz 15 darin eingeschnitten ist, der ein Paar Schenkel 16 und 17, die sich parallel voneinander beabstandet erstrecken, und ein Buchtstück 18, das die Schenkel jeweils an einem Ende davon verbindet, bildet. Die Leiterschenkel 16 und 17 sind mit Anschlussabschnitten 16a und 17a ausgebildet, die zu Testen an den nicht gezeigten elektrischen Schaltkreis angeschlossen werden.

Das Bezugszeichen 19 bezeichnet allgemein den Mittelabschnitt des Strompfadleiters 3, der aus dem Buchtstück 18 und den sich unmittelbar anschließenden Abschnitten der Schenkel 16 und 17 besteht. Es ist dieser kurze U-förmige Mittelabschnitt 19 des Strompfadleiters 3, der das Magnetfeld erzeugt, das auf den Hallgenerator 13 einwirkt. 1 zeigt klar, dass, wie in einer Richtung senkrecht zur Ebene des aus Blechmetall bestehenden Strompfadleiters 3 zu sehen ist, der Hallgenerator 13 wesentlich geringere Abmessungen hat als der von dem Mittelabschnitt 19 des Strompfadleiters abgegrenzten Raums ist und somit vollständig darin aufgenommen ist.

Wie insbesondere in den 2 bis 4 gezeigt ist, hat der kurze U-förmige Mittelabschnitt 19 des Strompfadleiters 3 ein Paar gegenüberliegender Hauptflächen 20 und 21, einen Satz aus drei Innenflächen 23 und einen Satz aus drei Außenflächen 23. Die Innenflächen 22 begrenzen den tiefstliegenden Teil des Schlitzes 15. Sowohl die Innenflächen 22 als auch die Außenflächen 23 sind in rechten Winkeln zu den Hauptflächen 20 und 21 angeordnet.

Magnetische Auflage

Die magnetische Auflage 4 an dem Strompfadleiter 3 bildet ein Merkmal der vorliegenden Erfindung und ist in den 1 bis 4 und 5 zu sehen. Wie in diesen Figuren klar zu sehen ist, bedeckt die magnetische Auflage 4 eine Hauptfläche 21, die von der Hallgeneratoranordnung 2 weggerichtet ist, und die Außenflächen 23 des Mittelabschnitts 19 des Strompfadleiters. Die magnetische Auflage 4 besteht aus einer Folie oder einem Film aus einem magnetischen Material, vorzugsweise Permalloy (Handelsbezeichnung für eine Reihe von hochmagnetischen, auf Eisen basierenden Permalloy-Legierungen, die in etwa 35-80% Nickel enthalten). Bei dieser speziellen Ausführungsform hat die magnetische Auflage 4 eine spezifische magnetische Permeabilität von 5500, die größer ist als die der umgebenden Luft oder des Gehäuses 5, und eine Dicke von 100 Mikron, die geringer ist als die des Strompfadleiters 3.

Die Permalloy-Auflage 4 kann auf die erforderlichen Flächen des Mittelabschnitts 19 des Strompfadleiters aufplattiert werden. Alternativ kann eine solche Auflage aber auch entweder durch das Aufkleben, z.B. mittels eines Epoxydklebers, einer vorgefertigten Folie oder eines Films, durch Verdampfung, Druckschweißen oder Ablagerung oder mit einem beliebigen anderen bekannten oder geeigneten Verfahren gebildet werden.

Der Strompfadleiter 3, bei dem die magnetische Auflage 4, wie zuvor beschrieben an den gewünschten Flächenabschnitten gebildet wurde, wird mit der Hallgeneratoranordnung 2 verbunden, indem die Kunststoffhülle 12 der Hallgeneratoranordnung 2 gegen die Hauptfläche 20, die nicht von der magnetischen Auflage 4 bedeckt wird, des Mittelabschnitts 19 des Strompfadleiters gehalten wird, wie in den 2 und 3 gezeigt ist. Die relative Anordnung der Hallgeneratoranordnung 2 und des Strompfadleiters 3 muss derart sein, dass, wie in einer Draufsicht in 1 zu sehen ist, der Hallgenerator 13, wie zuvor angegeben, vollständig in dem U-förmigen Mittelabschnitt des Strompfadleiters enthalten ist. Diese Anordnung ist erforderlich, damit die Magnetfeldlinien, die infolge des Fließens eines Stromes durch den Strompfadleiter 3 erzeugt werden, wenigstens teilweise senkrecht zur Fläche des Hallgenerators 13 wirken können.

Nach dem Zusammensetzen, wie zuvor beschrieben, werden die Hallgeneratoranordnung 2 sowie der Strompfadleiter 3 mit der magnetischen Auflage 4 daran teilweise von dem Gehäuse 5 aus Epoxydharz oder einem ähnlich elektrisch isolierenden Material, das daran angeformt ist, umgeben. Lediglich das Paar Anschlüsse 16a und 17a des Strompfadleiters 3 und der größte Teil der Leitungen 8 bis 11 stehen noch aus dem Gehäuse 5 vor.

Arbeitsweise

Bei Verwendung des Stromdetektors 1, der wie zuvor anhand der 1 bis 9 beschrieben aufgebaut ist, kann das Paar Anschlüsse 16a und 17a des Strompfadleiters 3 an den zu prüfenden Schaltkreis angeschlossen werden, so dass der zu ermittelnde oder zu messende Strom durch den U-förmigen Pfad des Leiters fließen kann. Es wird angenommen, dass der Strom vom Anschluss 17a zum Anschluss 16a fließt. Der Stromfluss erzeugt dann Magnetfeldlinien im Uhrzeigersinn, wie in 3 zu sehen, um den Schenkel 16 des Strompfadleiters und im Gegenuhrzeigersinn um den anderen Schenkel 17. Diese Magnetlinien wirken folglich auf den Hallgenerator 13 in derselben Richtung. Es ist daher klar, dass die Magnetlinien infolge des Stromflusses durch das Buchtstück 18 des Strompfadleiters 3 auf den Hallgenerator 13 in derselben Richtung einwirken, wie dies die Magnetlinien infolge des Stromflusses durch die Strompfadleiterschenkel 16 und 17 tun. Der primäre Arbeitsbereich des Hallgenerators 13, der im Wesentlichen von dem Mittelabschnitt 19 des Strompfadleiters umgeben ist und eng an diesem angrenzt, wird von sämtlichen dieser Magnetlinien wirksam beaufschlagt.

Für eine größtmögliche Empfindlichkeit ist es erforderlich, dass so viele Magnetlinien wie möglich, die um den Strompfad infolge des Stromflusses dadurch erzeugt werden, wirksam auf den primären Arbeitsbereich des Hallgenerators 13 einwirken. Die magnetische Auflage 4 gemäß der Erfindung ist genau zu diesem Zweck ausgelegt. Bezugnehmend auf 3 sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die magnetische Auflage 4 die Hauptfläche 21 und die Außenflächen 23, die beide relativ weit von dem Hallgenerator 13 entfernt und von diesem weggerichtet sind, jedoch nicht die andere Hauptfläche 20 und die Innenflächen 22, die sich näher am Hallgenerator befinden und auf diesen gerichtet sind, bedeckt. Die magnetische Auflage 4, die eine höhere magnetische Permeabilität als Luft und das Gehäuse 5 hat, fungiert als ein Pfad mit geringem Widerstand für den Magnetfluss, so dass verhindert wird, dass die Magnetlinien streuen und daher die Flussdichte höher ist, als wenn sie nicht vorhanden wäre.

Es folgt eine Zusammenfassung der Merkmale des in den 1 bis 9 gezeigten Stromdetektors 1 sowie der daraus resultierenden Vorteile:

  • 1. Der kurze U-förmige Mittelabschnitt 19 des Strompfadleiters 3 wird teilweise von der magnetischen Auflage 4 bedeckt, die viel dünner als der Strompfadleiter aus Blechmetall ist. Die Empfindlichkeit des Stromdetektors wird im Wesentlichen durch dieses einfache, kompakte und kostengünstige Mittel verbessert.
  • 2. Der Mittelabschnitt 19 des Strompfadleiters umgibt den Hallgenerator 13 in Richtung senkrecht zum Strompfadleiter betrachtet über 75 %, wodurch wiederum eine höhere Empfindlichkeit durch eine Zunahme der magnetischen Linien, die auf den Hallgenerator einwirken, resultiert.
  • 3. Die Hallgeneratoranordnung 2 und der Strompfadleiter 3 mit der magnetischen Auflage 4 am Letzteren werden durch das Epoxydharzgehäuse 5 eng und fest zusammengehalten, so dass der Strompfadleiter und der Hallgenerator 13 für eine genaue Ermittlung und Messung des Stroms während der gesamten Verwendungsdauer der Vorrichtung in der erforderlichen Relativposition gehalten werden.

Ausführungsform in Fig. 10

Diese zweite bevorzugte Ausführungsform des Stromdetektors 1a gemäß der Erfindung weist eine zweite magnetische Auflage 31 und eine dritte magnetische Auflage 32 zusätzlich zu der ersten magnetischen Auflage 4 auf, die – wie bei dem Stromdetektor 1 in den 1 bis 9 – einen Teil des Strompfadleiters 3 bedecken. Die zweite magnetische Auflage 31 liegt über einer Hauptfläche der Grundplatte 7 und der Halbleiterchip 6 einschließlich des Hallgenerators und der dazugehörigen Elektronik ist auf dieser Grundplatte über die zweite magnetische Auflage 31 angebracht. Die dritte magnetische Auflage 32 bedeckt sämtliche Flächen des isolierenden Gehäuses 5 mit Ausnahme des Bereichs, in dem es das Paar Anschlussabschnitte 16a und 17a, 1, des Strompfadleiters 3 und des Satzes aus Leitungen 8 bis 11 kontaktieren könnte.

In der Praxis können sowohl die zweite als auch die dritte magnetische Abdeckung 31 und 32 aus Permalloy mit einer spezifischen magnetischen Permeabilität von 5500 und einer Dicke von 100 Mikron sein. Solche Auflagen können entweder auf die entsprechenden Flächen geklebt oder an einer Stelle daran durch beliebige zur Verfügung stehende Verfahren erzeugt werden. Die zusätzlichen magnetischen Auflagen 31 und 32 dienen darüber hinaus dazu, die Empfindlichkeit des Stromdetektors durch Verringerung der Streuung der Magnetlinien zu erhöhen.

Ausführungsform in Fig. 11

Der Stromdetektor 1b in 11 unterscheidet sich von den vorhergehenden Vorrichtungen 1 und 1a darin, dass er eine magnetische Auflage 4a hat, die nur die Hauptfläche 21 des kurzen U-förmigen Mittelabschnitts 19 des Strompfadleiters 3 bedeckt, die von der Hallgeneratoranordnung 2 weggerichtet ist. Alle übrigen Details wurden in Verbindung mit dem Stromdetektor 1 in den 1 bis 9 im Vorangegangenen festgelegt.

Die magnetische Auflage 4a, die nur die Hauptfläche 21 des Mittelabschnitts 19 des Strompfadleiters bedeckt, kann erwiesenermaßen zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch die Einschränkung der Streuung der Magnetlinien in einer Richtung weg von der Hallgeneratoranordnung 2 eingesetzt werden.

Ausführungsform in Fig. 12

Der Mittelabschnitt 19 des Strompfadleiters kann auch nur an seinen Außenflächen 23 mit einer magnetischen Auflage bedeckt sein, wie mit dem Bezugzeichen 4b in 12 angegeben. Eine solche Auflage 4b führt ebenfalls zu einer beträchtlichen Verbesserung der Empfindlichkeit, da sie die Ausbreitung der Magnetlinien nach außen einschränkt.

Fig. 13 bis Fig. 15 zeigen Beispiele, die zum Verständnis der Erfindung dienen

13 zeigt ein Beispiel des Stromdetektors Ic, der unter anderem zur Ermittlung von Leckströmen geeignet ist. Der Stromdetektor Ic hat ein Paar länglicher Strompfadleiter 3a und 3b aus Blechmetall anstelle des durchgehenden U-förmigen Strompfadleiters 3 des Stromdetektors 1 in den 1 bis 9. Das Paar Strompfadleiter 3a und 3b wird durch ein Epoxydharzgehäuse 5 mit der Hallgeneratoranordnung 2, die denselben Aufbau wie in den 1 bis 9 hat, zusammengehalten. Das Epoxydharzgehäuse 5, das Abschnitte der Strompfadleiter 3a und 3b und den größten Teil der Hallgeneratoranordnung 2 umgibt, hält die Strompfadleiter fest in einer vorgegebenen Relativposition zueinander und zu dem Hallgenerator 13.

Wie am besten in 14 zu sehen ist, wird das Paar Strompfadleiter 3a und 3b von dem, hierin nicht gezeigten, Gehäuse 5 parallel zueinander mit einem Abstand 15a dazwischen gehalten. Dieser Abstand kann funktionsgemäß mit dem Schlitz 15 des Strompfadleiters 3 in den 1 bis 9 als äquivalent betrachtet werden, da der Hallgenerator 13 in der Draufsicht in 14 betrachtet vollständig in diesem Raum enthalten ist. Der Strompfadleiter 3a hat ein Paar Anschlussbereiche 61 und 62 mit mittig darin eingeschnittenen Verbindungsöffnungen 64 und 65 und einen Mittelabschnitt 63 zwischen den Anschlussabschnitten. Der andere Strompfadleiter 3b umfasst ebenfalls ein Paar Anschlussbereiche 66 und 67 mit mittig darin eingeschnittenen Verbindungsöffnungen 69 und 70 und einen Mittelabschnitt 68 zwischen diesen Anschlussbereichen. Die Mittelabschnitte 63 und 68 des Strompfadleiters sind teilweise mit Auflagen 71 bzw. 72 aus Permalloy oder einem ähnlichen magnetischen Material bedeckt.

Wie in der 15, die eine Schnittansicht entlang der Linie XV-XV in 14 ist, klar dargestellt ist, haben die magnetischen Auflagen 71 und 72 im Wesentlichen dieselbe relative Position zum Hallgenerator 13. Die magnetische Auflage 71 bedeckt nur diejenigen beiden Flächen des Mittelabschnitts 63 mit rechteckförmigem Querschnitt des Strompfadleiters, die von dem Hallgenerator 13 weggerichtet sind. In ähnlicher Weise bedeckt die andere magnetische Auflage 72 nur diejenigen beiden Flächen des Mittelabschnitts 68 des Strompfadleiters mit ähnlicher Querschnittsform, die von dem Hallgenerator 13 weggerichtet sind. Folglich hat der Stromdetektor 1 dieselben Vorteile wie die Vorrichtung 1 in den 1 bis 9.

Bei Verwendung der Vorrichtung 1 der 13 bis 15 als Leckstromdetektor kann das Paar Strompfadleiter 3a und 3b jeweils mit dem Paar der zu testenden, nicht gezeigten, Energieleiter in einer solchen Weise in Serie verbunden sein, dass die Ströme Ia und Ib in derselben Richtung durch die Leiter 3a und 3b fließen können, wie durch die Pfeile in 13 angegeben. Die Ströme Ia und Ib sind gleich groß, wenn kein Leckstrom vorhanden ist. Der Hallgenerator 35 erzeugt keine Spannung, wenn die Ströme 1a und 1b gleich groß sind, da die magnetischen Flussdichten infolge der Ströme Ia und Ib in entgegengesetzten Richtungen auf den Hallgenerator einwirken. Im Falle des Auftretens eines Leckstroms sind jedoch die Ströme Ia und Ib unterschiedlich groß, so dass der Hallgenerator 35 eine Spannung proportional zur Größe des Leckstroms abgibt.

Das Beispiel in den 13 bis 15 eignet sich auch als Stromabgleichdetektor. Dabei wird die Hallspannung proportional zur Differenz zwischen den Größen der beiden zu messenden Ströme gebildet, da diese Ströme durch das Paar Strompfadleiter 3a und 3b fließen. Der Stromdetektor 1c der 13 bis 15 ist darüber hinaus geeignet für die Verwendung in derselben Weise wie die Vorrichtung 1 in den 1 bis 9, da das Paar Strompfadleiter 3a und 3b den U-förmigen Strompfad bilden, wenn deren Anschlussabschnitte 62 und 67 zum Beispiel elektrisch miteinander verbunden werden.

Mögliche Modifizierungen

Obwohl der Stromdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung im Vorangegangenen im Hinblick auf die verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird die vorliegende Erfindung nicht durch die konkreten Details der Zeichnungen oder deren Beschreibung beschränkt. Es folgt eine kurze Auflistung der möglichen Modifizierungen und Änderungen der dargestellten Ausführungsformen, die alle in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen:

  • 1. Die magnetischen Auflagen 4a und 4b der 11 und 12 können mit einer oder mit beiden der magnetischen Auflagen 31 und 32 in 10 kombiniert werden.
  • 2. Der Hallgenerator 13 kann fluchtend mit den Strompfadleitern 3 oder 3a und 3b angeordnet sein.
  • 3. Die magnetische Auflage 31 in 10 kann an der anderen Fläche der Grundplatte 7, die von dem Hallgenerator 13 weggerichtet ist, gebildet sein.
  • 4. Bei dem Stromdetektor 1 der 1 bis 9 nur eine der beiden Oberflächen eines jeden Mittelabschnitts 63 oder 68 des Strompfadleiters, die von dem Hallgenerator 13 weggerichtet sind.


Anspruch[de]
Halleffekt-Stromdetektor zur Ermittlung oder Messung von elektrischem Strom, bestehend aus

– einem Strompfadleiter (3), der den zu ermittelnden oder zu messenden Strom führt,

– einem Hallgenerator (13) zur Erzeugung einer Hallspannung proportional der Stärke des Magnetfelds, das von dem Strom erzeugt wird, der durch den Strompfadleiter (3) fließt, und

– einer magnetischen Auflage zum Abdecken eines Teils des Strompfadleiters (3),

dadurch gekennzeichnet, dass

– der Strompfadleiter (3) so ausgebildet ist, dass er ein Paar Leiterschenkel (16 und 17) und einen Mittelabschnitt (19) dazwischen aufweist, wobei der Mittelabschnitt (19) in etwa eine U-Form hat,

– der Mittelabschnitt (19) des Strompfadleiters (3) den Hallgenerator (13) in einer Richtung senkrecht zum Strompfadmittelabschnitt (19) gesehen im Wesentlichen umgibt,

– der Mittelabschnitt (19) des Strompfadleiters (3) eine erste Hauptfläche (20) hat, die zum Hallgenerator gerichtet ist, eine zweite Hauptfläche (21) hat, die vom Hallgenerator weggerichtet ist, eine Innenfläche (22) hat, die zum Hallgenerator gerichtet ist, und eine Außenfläche (23) hat, die vom Hallgenerator (13) weggerichtet ist, und

– die magnetische Auflage (4 oder 4a oder 4b) für eine höhere Empfindlichkeit der Stromermittlung durch Erhöhen der Flussdichte, die auf den Hallgenerator (13) wirkt, wenigstens die zweite Hauptfläche (21) oder die Außenseitenfläche (23) bedeckt.
Stromdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallgenerator (13) in einem Halbleitersubstrat (6) ausgebildet ist, das eine erste Hauptfläche hat, die zum Strompfadleiter (3) gerichtet ist, und eine zweite Hauptfläche hat, die vom Strompfadleiter weggerichtet ist, und eine zweite magnetische Auflage (31) zur Erhöhung der Magnetflussdichte, die auf den Hallgenerator (13) wirkt, gegen die zweite Hauptfläche des Halbleitersubstrats gehalten ist, um die Empfindlichkeit des Stromdetektors durch Verringerung der Dispersion der Magnetlinien zu erhöhen. Stromdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallgenerator (13) und wenigstens ein Teil des Strompfadleiters (3) mit der magnetischen Auflage (4 oder 4a oder 4b) darauf in einem Gehäuse (5) aus elektrisch isolierendem Material aufgenommen sind. Stromdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Gehäuses von einer dritten magnetischen Auflage (32) abgedeckt ist. Stromdetektor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Auflage (4 oder 4a oder 4b; 31) in Form einer Folie oder eines Films aus magnetischem Material vorgesehen ist. Stromdetektor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Auflage (4 oder 4a oder 4b) aus Permalloy besteht. Stromdetektor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschenkel (16 und 17) so ausgebildet sind, dass sie Anschlussabschnitte (16a und 17a) aufweisen, die an einen zu prüfenden elektrischen Kreis angekoppelt werden sollen.






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