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Title:
CURRENT SENSOR, IN PARTICULAR FOR LOW CURRENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1997/042510
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a current sensor which comprises a magnetic core (4) with a magnetic characteristic curve which is linear to the point of saturation and, in addition to the primary winding (5) for the current to be measured, has a secondary winding (2) into which a substantially sawtooth-shaped alternating voltage is fed. By comparing the peak values of the current in the secondary winding (2), an output voltage proportional to the current to be measured is obtained.

Inventors:
LENHARD FRIEDRICH (DE)
HINZ GERHARD (DE)
Application Number:
PCT/DE1997/000754
Publication Date:
November 13, 1997
Filing Date:
April 15, 1997
Export Citation:
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Assignee:
VACUUMSCHMELZE GMBH (DE)
LENHARD FRIEDRICH (DE)
HINZ GERHARD (DE)
International Classes:
H01F38/28; G01R15/18; G01R19/00; G01R19/20; (IPC1-7): G01R15/18; G01R19/20; H01F38/28
Domestic Patent References:
WO1996020408A21996-07-04
Foreign References:
DE4229948A11994-03-10
US5508606A1996-04-16
DE4019810A11991-01-17
EP0427412A21991-05-15
DE3443460A11986-06-05
EP0314234A11989-05-03
DE4130999A11993-03-25
US4314200A1982-02-02
US4325096A1982-04-13
Other References:
J.A.HOULDSWORTH: "Purpose-designed ferrite toroids for isolated current measurement in power electronic equipment", ELECTRONIC COMPONENTS AND APPLICATIONS, vol. 3, no. 2, 1981, pages 101 - 109, XP002037230
DERAC SON ET AL: "A NEW CURRENT SENSOR BASED ON THE MEASUREMENT OF THE APPARENT COERCIVE FIELD STRENGTH", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, vol. 38, no. 6, 1 December 1989 (1989-12-01), pages 1080 - 1082, XP000095935
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Stromsensor mit einem weichmagnetischen Magnetkern (4), auf dem neben einer Primärwicklung (5), in der der zu messende Strom fließt, mindestens eine Sekundärwicklung (2) aufgewickelt ist, in die ein Wechelstrom eingespeist ist, der den Magnetkern (4) in mindestens eine Richtung sättigt, und mit einer Auswerteschaltung, die die durch den Primär¬ strom in der Primärwicklung (5) erzeugte Flußunsymmetrie in dem Magnetkern bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (4) aus einem Material mit flacher und einer bis zur Sättigung linearen und in ihrer Steilheit der erforder¬ lichen Empfindlichkeit anpaßbaren Magnetisierungskurve besteht, daß die Auswerteschaltung so aufgebaut ist, daß die positiven und negativen Stromspitzen erfaßt werden und daß eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die der Summe der positiven und negativen Stromspitzen proportional ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Sekundärwicklung (2) fließende Wechselstrom im wesentlichen durch eine an die Sekundärwicklung angelegte sägezahnförmige Spannung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der positiven und negativen Stromspitzen die Auswerteschaltung an einen Widerstand (3) angeschlossen ist, der in Reihe zur Sekundärwicklung des Stromsensors liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsverstärker vorgesehen ist, dessen Eingang eine Spannung proportional zum Mittelwert der positiven und negativen Stromspitzen in der Sekundärwicklung besitzt.
Description:
Stromsensor, insbesondere für kleine Ströme

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor mit einem weich¬ magnetischen Magnetkern, auf dem neben einer Primärwick¬ lung, in der der zu messende Strom fließt, mindestens eine Sekundärwicklung aufgewickelt ist, in die ein Wechselstrom eingespeist ist, der den Magnetkern in mindestens einer Richtung sättigt, und mit einer Auswerteschaltung, die aus den positiven und negativen Stromspitzen des sekundärseiti- gen Wechselstroms den Primärstrom in der Primärwicklung erzeugten Fluß in dem Magnetkern bestimmt.

In DE 42 29 948 AI ist ein Stromsensor beschrieben, bei dem ein weichmagnetischer Magnetkern mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung vorgesehen ist. In Reihe zu der Sekundärwicklung ist eine zusätzliche Stromquelle geschal¬ tet, die durch die Sekundärwicklung einen Magnetisierungs¬ strom schickt, der den weichmagnetischen Magnetkern ab¬ wechselnd in die positive bzw. negative Sättigung steuert. Der weichmagnetische Magnetkern besitzt eine im wesent¬ lichen rechteckförmige Magnetisierungskennlinie, so daß während der Ummagnetisierung zwischen zwei Sättigungs- zuständen ein jeweils konstanter Strom fließt, da infolge des nahezu senkrechten Verlaufs der Magnetisierungs¬ kennlinie der induktive Widerstand gegen unendlich geht.

Dieser Strom unterscheidet sich in der positiven bzw. negativen Halbwelle von einem Mittelwert jeweils durch einen Wert, der durch die Hysterese der Magnetisierungs¬ kennlinie gegeben ist. Durch Mittelwertbildung des während der Ummagnetisierung fließenden konstanten Stromes bei zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen mit unterschiedlicher

Polarität läßt sich der Einfluß der Hysterese in der Magnetisierungsschleife kompensieren, so daß die Messung des während der Uramagnetisierungszeit des Magnetkerns fließenden Stromes in der Sekundärwicklung einen Strom ergibt, der direkt proportional dem zu messenden Strom in der Primärwicklung ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen einfach aufgebauten Stromsensor zu schaffen, der insbesondere zur Messung kleiner Ströme geeignet ist und mit einfachsten Mitteln bei Potentialtrennung einen Primär¬ strom erfassen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Magnetkern aus einem Material mit flacher, bis zur Sättigung linearer Magnetisierungskurve besteht, daß die Sekundärwicklung mit einer im wesentlichen sägezahnförmigen Spannung beaufschlagt wird und daß die Auswerteschaltung so aufgebaut ist, daß die positiven und negativen Stromspitzen erfaßt werden und eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die dem Unterschied der positiven und negativen Stromspitzen proportiona1 ist.

Ein Schaltbild des neuen Stromsensors ist in der Zeichnung dargestellt. Ein Generator 1 liefert eine im wesentlichen sägezahnförmige Spannung. Der Ausgang des Generators ist in Reihe zur Sekundärwicklung 2 des Stromsensors und in Reihe zu einem Widerstand 3 geschaltet. Der Stromsensor besitzt einen weichmagnetischen Magnetkern 4 und außerdem eine Pri¬ märwicklung 5 (im einfachsten Fall ein durchgesteckter Leiter), durch die der Strom I fließt, der gemessen werden soll. Parallel zu dem Widerstand 3 liegen zur Erfassung der positiven und negativen Stromspitze jeweils eine Diode 6 und 7, die gegenpolig geschaltet sind und dazu in Reihe gegenüber Erde je ein Kondensator 8 und 9. Da die am Wider¬ stand auftretende Spannung proportional dem Strom in der

Sekundärwicklung 2 des Stromsensorε ist, erhält man an den Anschlüssen 10 und 11 der Kondensatoren jeweils eine Spannung, die der positiven bzw. negativen Stromspitze im Sekundärkreis des Stromsensors entspricht. Über Widerstände 12 und 13 wird der Mittelwert dieser beiden Spannungen gebildet und an den Eingang 14 eines Verstärkers 15 ange¬ legt. Der zweite Eingang 16 des Verstärkers 15 ist " mit Erde verbunden und der Ausgang 17 des Verstärkers ist über einen Widerstand 18 auf den Eingang 14 des Verstärkers rückge¬ koppelt. Hierdurch entsteht am Ausgang 19 des Verstärkers 15 gegenüber Masse eine Ausgangsspannung, die - solange der weichmagnetische Magnetkern 4 nicht durch den zu messenden Primärstrom gesättigt ist - proportional zum Strom in der Primärwicklung 5 des Stromsensors ist.

Es ist also wesentlich, daß als weichmagnetischer Magnet¬ kern im Gegensatz zum Bekannten ein Magnetkern mit flacher und bis zur Sättigung linearer Hystereseschleife gewählt wird, die über einen bestimmten Bereich eine Induktion liefert, die proportional zur Feldstärke ist. Da der Strom in der Sekundärwicklung 2 den weichmagnetischen Magnetkern 4 abwechselnd in die positive und negative Sättigung treibt, ist bei Vormagnetisierung durch den Primärstrom in der Primärwicklung 5, abhängig von dessen Polarität, die positive bzw. negative Sättigung eher erreicht, so daß sich unterschiedliche Spitzenwerte des Stromes im Sekundärkreis und damit auch im Widerstand 3 ergeben. Diese unterschied¬ lichen Spitzenwerte des Stromes führen zu unterschiedlicher Aufladung der Kondensatoren 8 bzw. 9, so daß über die Widerstände 12 und 13 eine Mittelwertbildung der Strom¬ spitzen auf einfachste Weise vorgenommen werden kann.

Der erfindungsgemäße Stromsensor zeichnet sich durch besonders einfachen Aufbau aus und besitzt außerdem keinen durch Hysterese des Magnetkernwerkstoffes erzeugten Fehler.