Kompakte Halleffekt-Stromwandler

FACHBEITRAG
TEST & MEASUREMENTS
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Kompakte
Halleffekt-Stromwandler
Neue, auf der Halleffekt-Technologie basierende Stromwandler erlauben
eine preisgünstige und bequeme Messung kleiner Ströme.
Mit der Messung elektrischer Ströme
mittels Halleffekt-Stromwandler können
die Nachteile anderer Messmethoden
zur Strommessung eliminiert werden.
Eine neue Generation kompakter und
kosteneffektiver Stromwandler für
geringe Ströme bis maximal 50 A bietet
zudem eine hohe Unempfindlichkeit
gegenüber Gleichtaktstörungen und
gute dynamische Eigenschaften bei
gleichzeitig kleiner Bauform.
JÜRGEN KOSS, HANS-DIETER HUBER
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sichtlich geringer Kosten und kompakter Bauform.
Die LEM Halleffekt-Stromwandler der
Serie HX (Abbildung 1) wurden dieser Zielvorgabe
entsprechend entwickelt. Trotz einer
erheblichen Kosteneinsparung im Vergleich zu
den Vorläufertypen geht die Serie HX bezüglich
Leistungsdaten und Qualität keinerlei
Kompromisse ein.
Die Stromwandler der Baureihe HX wurden
von LEM für den Bereich der kompakten Low-
Budget-Produkte für Kleinstrom-Messungen
entwickelt. Die Standard-Bemessungsströme
reichen von 3 bis 50 A eff. Die Wandler gibt es in
zwei Versorgungsspannungs-Ausführungen: für
eine bipolare Versorgungsspannung von ±15 V
und für eine unipolare Versorgungsspannung
+12 bis +15 V (mit Masse 0 V). Eine weitere
Ausführung mit bipolarer Versorgungs-
U
m den Strom in elektrischen
Schaltungen zu messen, gibt es
mehrere Möglichkeiten. Die
herkömmlichen Messmethoden
mittels Shunt (Widerstand) oder Stromtransformator
lassen sich in der Regel aufgrund
Ihrer Nachteile wie fehlender galvanischer
Trennung und einer deutlich begrenzten
Bandbreite nicht zufriedenstellend einsetzen.
Zudem erfordern beide Methoden einen erheblichen
Kalibrieraufwand.
Eine wesentlich bessere Methode zur Messung
insbesondere kleiner Ströme stellt der Einsatz
eines Stromwandlers dar. Bereits mit früheren
Generationen von Stromwandlern konnten die
Nachteile der herkömmlichen Messmethoden
überwunden werden. Aktuelle Stromwandler
erfüllen zudem die hohen Anforderungen hin-
▲
JÜRGEN KOSS ist Marketing- und Vertriebsleiter
für Industriewandler bei LEM Deutschland
KONTAKT
T +49/6152/9301-20
jko@lem.com
HANS-DIETER HUBER ist Business Development
Manager bei LEM Components
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64 TEST & MEASUREMENTS FACHBEITRAG
Das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld
ruft im Luftspalt des magnetischen Kreises
eine proportionale magnetische Flussdichte B
hervor, die ihrerseits im Hallgenerator eine
entsprechende Hallspannung VH erzeugt,
wenn der Steuerstrom I C konstant gehalten
wird. Diese Spannung wird anschließend
elektronisch verstärkt und konditioniert, so
dass ein analoges Ausgangssignal entsteht, das
dem Primärstrom direkt proportional ist. Die
Serie HX kann deswegen
sowohl Gleich- und
Wechselströme als auch
komplexe Mischströme
messen, wie sie in phasengesteuerten
Gleichrichtern,
netzgesteuerten
Stromrichtern,
PWM-Umrichtern und
Schaltnetzteilen vorkommen.
Die Ausgangsspannung
ist stets
ein genaues Abbild des
Primärstroms.
Die Stromwandler der
Baureihe HX gibt es in
7 Standard-Bemessungsgrößen
von 3 bis 50 Aeff
mit eingebauter Primärwicklung
für die
direkte Leiterplattenmontage.
Der Messbereich
reicht bis zum
Dreifachen der jeweili-
entdeckte Halleffekt
entsteht, wenn ein
stromdurchflossenes,
flaches Leiterplättchen,
der sog. Hallgenerator,
einem dazu senkrecht
verlaufenden Magnetfeld
ausgesetzt wird.
Die elektromagnetische
Lorentz-Kraft drängt
dann die beweglichen
Ladungsträger entsprechend
ihrem Vorzeichen
auf die jeweils
gegenüberliegenden
Abb. 1: Kompakte und dennoch leistungsfähige Stromwandler: Die HX-Baureihe Ränder des Plättchens.
Die zwischen diesen
zwei Rändern entstehende
spannung und zwei Primärwicklungen für
Nennströme von 5 A, 10 A und 15 A eff ist ebenfalls
verfügbar. Die Stromwandler eignen sich
insbesondere für folgende Anwendungen:
Hallspannung VH ist dem Steuerstrom
I C und der magnetischen Induktion B direkt
proportional. Die bei den HX Wandlern verwendeten
Hallgeneratoren bestehen aus einem
dünnen Galliumarsenid (GaAs) Halbleiter-
DC-seitiger Überlastschutz und Motorsteuerung
in Frequenzumrichtern
Plättchen, das für seine Zuverlässigkeit und
langzeitstabilen Eigenschaften bekannt ist.
Phasenstrom-Überwachung in AC/DC-
Servoantrieben
Stromregelung und Anzeige in USV und Strommessung mittels
Schaltnetzteilen
direkt abbildendem Halleffekt
Stromüberwachung und Kurzschlussschutz
in Industrieanlagen
Stromüberwachung und Kurzschlussschutz
in Hausgeräten wie Klimaanlagen, Kühlschränken,
Waschmaschinen usw.
Das Halleffekt-Prinzip
Das Herzstück der HX Wandler bildet ein
Hallsensor. Der 1879 von Edward H. Hall
Abb. 2: Der HX 10-P zeigt gute Linearität bis zum dreifachen seines Bemessungsstroms
gen Bemessungsgröße. Die Ausgangsspannung
ist auf 4 V bei Nennstrom eingestellt (Abbildung
2).
Eine Gesamtgenauigkeit von besser als 1 Prozent
(bezogen auf den Bemessungswert) bei
25 °C Umgebungstemperatur und ohne elektrischen
Offset, wird bei allen Strom-Bemessungswerten
durch unterschiedliche Primärwindungszahlen
erreicht, so dass die gesamte
magnetische Durchflutung, die durch den
Magnetkern konzentriert auf den Hallsensor
einwirkt, 60 Aw (Amperewindungen) beträgt.
Dass der elektrische Offset in die genannte
Genauigkeit nicht mit eingeht, liegt daran, dass
es in den meisten Anwendungen eine Möglichkeit
gibt, den Offset beim Einschalten der Versorgungsspannung
entweder zu kompensieren
oder am ADC (Analog-Digital-Wandler) für
den nachgeschalteten Mikrocontroller auf Null
zurück zu setzen.
Der HX ist für eine bipolare Spannungsversorgung
von ±15 V ausgelegt. Er arbeitet jedoch
auch mit ±12 V Versorgungsspannung. Die
niedrigere Spannung verringert allerdings den
Messbereich des Wandlers auf das Zweieinhalbfache
des Bemessungsstroms. Die Auswirkungen
einer ±12 V Versorgungsspannung auf
den Offset und die Verstärkung sind gering.
Der Offset tendiert zu einer Erhöhung von weniger
als 0,3 Prozent, während die Verstärkung
um nicht mehr als 0,5 Prozent im Vergleich zu
den Werkseinstellungen mit einer Versorgungsspannung
von ±15 V abnimmt.
Eine Ausführung für eine unipolare Versorgungsspannung,
Typ HX…-P/SP2, arbeitet
mit einer beliebigen Spannung zwischen +12 V
und +15 V (sowie Masse 0 V) und kann mit
ähnlicher Genauigkeit von 0 bis 3 x IN messen.
Der Offsetpunkt der Ausgangsspannung bei
Primärstrom gleich Null ist auf +2,5 V eingestellt,
während die Verstärkung auf 0,625 V bei
IN kalibriert ist. Diese Ausführung erlaubt den
Direktanschluss der Stromwandler an die 5 V
Eingänge von A/D-Wandlern, Mikroprozessoren
und Messtechnik-Platinen. Zusätzliche
Schaltungen zum Schutz der empfindlichen
Eingänge vor Überspannung sind daher nicht
mehr erforderlich.
Eine weitere Ausführung (Typen HX 05-NP,
HX 10-NP und HX 15-NP) besitzt zwei Primärwicklungen
P1 und P2. Diese Primärwicklungen
können über das Leiterplatten-Layout entweder
in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Somit lassen sich mit einem einzigen Wandler
nur durch das entsprechende Leiterplattenlayout
Nennströme in zwei unterschiedlichen
Leistungsklassen messen. Dies verringert beim
Anwender eine Bauteilevielfalt für unterschiedliche
Leistungsklassen und hilft daher,
Kosten zu sparen.
In einigen Umrichter-Anwendungen verwendet
man ein Wandler-Paar, um alle drei Phasen zu
messen, mit jeweils zwei Phasen pro Wandler
(Abbildung 3). Dadurch kann man auf einen
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dritten Wandler verzichten, was ebenfalls zur
Kostensenkung beiträgt.
Hohe Unempfindlichkeit gegenüber
Gleichtaktstörungen
Eines der Probleme, mit dem die Entwickler
von Antriebssteuerungen und Schaltgeräten zu
kämpfen haben, ist die hohe Steilheit (dv/dt)
schneller Spannungssprünge bei der Kommutierung
(Abbildung 4) von einem zum anderen
Leistungshalbleiterschalter. Der Fortschritt bei
Leistungshalbleitern ging sehr stetig voran.
IGBTs für sehr hohe Schaltfrequenzen findet
man in vielen Halbleiter-Katalogen. Als Folge
davon werden die heutigen Mehrzweck-Umrichter
für hohe Schaltfrequenzen von 20 kHz
und darüber ausgelegt. Vorteile wie glatte
Ausgangssignale, leiser Betrieb und höherer
Wirkungsgrad liegen auf der Hand.
Die hohen dv/dt-Werte, die bei jedem Einund
Ausschaltvorgang der Schaltstufe auftreten,
rufen einen mehr oder weniger hohen, kapazitiven
Strom zwischen dem Primärkabel und
der elektronischen Schaltung des Wandlers
hervor. Die meisten analogen, linearen Verstärker
reagieren empfindlich auf diesen Störstrom.
Als Folge überlagern dv/dt-Störsignale
das Ausgangssignal. Je nach Amplitude und
Steilheit der sich ändernden Spannung sind
die Anfangsspitze und das nachfolgende Überschwingen
manchmal so groß, dass sie den
Überlastschutz des Umrichters auslösen und
ihn abschalten. Bei der Entwicklung der HX
Stromwandler-Baureihe wurde maßgeblich
darauf geachtet, eine hervorragende Festigkeit
gegen kritische Spannungssteilheiten sicherzustellen,
ohne dessen Bandbreite zu beeinträchtigen.
Außerdem kann das dv/dt-Störsignal eine
Überhitzung des Magnetkerns hervorrufen. Es
ist bekannt, dass bei einem über ein sehr langes
Kabel (z.B. 50 m oder mehr) an einen Motor
angeschlossenen Umrichter, die bei hochfrequentem
Schalten am Kapazitätsbelag des
Kabels durch die Spannungssprünge dv/dt
ausgelösten Stromspitzen aufgrund der Eisenverluste
(Hysterese- und Wirbelströme) im
Magnetkern starke Wärme erzeugen. Um dies
zu minimieren, wird in der HX Serie ein
weichmagnetisches Kernmaterial verwendet.
Sollte dies immer noch nicht ausreichen, um
den Magnetkern auf verträglichen Temperaturen
zu halten, können bei noch längeren
Motorzuleitungen und/oder höheren Takt-
Abb. 3: Messung von dreiphasigen Strömen mit nur 2 Wandlern
raten Sondervarianten des Stromwandlers mit
einem speziellen Magnetkern mit extrem niedrigen
Eisenverlusten verwendet werden
(HX...-P/SP30) siehe Tabelle 1.
Kompaktes Design mit guten
dynamischen Eigenschaften
Ein weiterer, üblicher Problempunkt für Entwicklungsingenieure
ist immer mehr die Platzknappheit.
Kleine Stromwandler mit begrenzter
Grundfläche können hier helfen. Hier zeichnet
sich die HX-Baureihe durch ein Gewicht von nur
8 g und einer Grundfläche von nur 15 x 19 m 2
aus. Dennoch trägt diese Serie mit einer Bauhöhe
von 20 mm über der Leiterplatte nicht
dick auf. Dadurch lassen sich extrem dichte
Anwendungen realisieren. Allgemein ist bekannt,
dass, bei nebeneinander liegender
Anwendung dieser Wandler für Drehstrom-
Anwendungen, die entsprechenden Primärströme
die Elektronik der jeweils anderen
Stromwandler beeinflussen. Wie Abbildung 4
zeigt, wurde durch entsprechende Sorgfalt
beim Design der HX-Serie darauf geachtet,
dass dieser Effekt sehr gering ausfällt.
Das kompakte Design der HX-Baureihe geht
nicht zu Lasten der dynamischen Kenndaten.
Tabelle 1
Typ HX 20-P HX 20-P/SP30 Testbedingungen
Temperaturanstieg +64 K +32 K 20 A / 8 kHz
des Magnetkerns > +75 K +38 K IGBT-Umrichter mit 75 m geschirmter
Motorzuleitung (0,65 µF/1.000 m), 20 A / 8 kHz
Vergleich der Ausführungen Standard HX 20-P und HX 20-P/SP30 mit besonderem Kernmaterial für niedrige Verluste
d=2mm
I,
dv/dt
HX under test
0.5%
V= 1500V, dv/dt = 1000V/us
Transducer’s output
Diese sind für einen direktabbildenden Stromwandler
bemerkenswert. Stromänderungen
mit Steilheiten von mehr als 50 A/µs auf dem
Primärstrom kann genau gefolgt werden. Die
Ansprechzeit auf einen Stromsprung beträgt
nur 3 µs, was für den Kurzschluss-Schutz von
IGBTs wichtig ist, damit diese innerhalb der
zumeist vorgeschriebenen 10 µs ohne Schaden
zu nehmen abgeschaltet werden können. Die
Nichtlinearität innerhalb des Bemessungsstrombereichs
ist besser als 1 Prozent.
Zusammenfassung und Ausblick
Obwohl mit der HX-Baureihe – wie dargestellt
– eine sehr kompakte und dabei dennoch kostenoptimierte,
galvanisch getrennte Strommessung
realisiert werden kann, ist dies keineswegs
das Ende der Entwicklung. Durch
Fortschritte in der Entwicklung der Mikroelektronik
sind zukünftig noch kompaktere
Designs bei Stromwandlern denkbar, die letztendlich
noch kleinere Endanwendungen ermöglichen.
■
Literatur
LEM Druckschrift CH24101 D – Galvanisch
getrennte Strom- und Spannungswandler
(Eigenschaften – Anwendungen – Dimensionierung)
Weiterführende Infos auf www.duv24.net
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I= 30A, di/dt = 50A/us
0.25%
Abb. 4: Spannungssprünge dv/dt treten als Folge schnell schaltender Bauteile auf. Die gegenseitige Beeinflussung
durch nebeneinander angeordnete Stromwandler in einer dreiphasigen Anwendung ist sehr gering
DV104814 >
8.5%
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