Die Erfindung betrifft einen Stromsensor.

Hintergrund

Aus dem Stand der Technik sind Stromsensoren bekannt. Stromsensoren können als Strommessshunt oder aber durch Messung des den Strom umgebenden Magnetfeldes gemessen werden.

Während die Widerstands-basierte Strommessung einen Eingriff in ein laufendes System erfordert, kann die indirekte Messung über das umgebende Magnetfeld auch nachgerüstet werden.

Diese indirekten Messungen basieren häufig auf dem Prinzip einer Luftspule. Die Luftspule kann z.B. auf einer Lage einer Platine oder als diskretes Element (z.B. Rogowskispule) realisiert sein.

Rogowskispulen bestehen aus Luftspulen, bei denen der Leiter des Sensors um eine ringförmige Struktur gewickelt ist und der zu messende Leiter durch die ringförmige Struktur geführt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, sehr unsensibel auf Lageänderungen des stromführenden Leiters zu reagieren und kann daher unabhängig von der Positionierung des stromführenden Leiters verwendet werden. Nachteilig sind jedoch der dadurch erforderliche große Platzbedarf und die Notwendigkeit, den Leiter des Sensors präzise zu wickeln. Gerade bei Impulsströmen liefern handelsübliche Rogowskispulen sehr große Signale, die für viele Anwendungsfälle nicht geeignet sind.

Diskrete Luftspulen sind in unterschiedlichen Durchmessern und Ausführungen erhältlich. Als Sensor benötigen diese diskret aufgebauten Luftspulen einen großen Bauraum. Der stromführende Leiter muss entweder mittig eingefädelt werden oder aber in direkter Umgebung der Luftspule geführt werden.

Aus der DE 1 1 2010 004 351 T5 ist ein elektrischer Schaltkreis mit einer integrierten Stromüberwachungseinrichtung bekannt. Die Stromüberwachungseinrichtung kann als einlagige Platine ausgeführt sein.

Weiterhin ist aus der DE 10 2009 004 673 A1 eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Spule, die einen Leiter umschließt, als Stromüberwachungseinrichtung bekannt.

Diese Anordnungen sind für viele Bereiche, in denen ein Stromsensor nachgerüstet werden soll, oder in denen der Bauraum stark eingeschränkt ist, unhandlich und/oder zeitintensiv in der Montage.

Es wäre jedoch wünschenswert, einen kostengünstigen und/oder einfach nachrüstbaren Stromsensor bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines Stromsensors gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und in den Figuren angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung eingehender (unter Bezugnahme auf die Figuren) dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.

Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter "ein", "eine" und "eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.

Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.

Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.

Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten, zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.

„Benachbart“ schließt im Nachfolgenden explizit eine unmittelbare Nachbarschaftsbeziehung ein ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.„Zwischen“ schließt im Nachfolgenden explizit eine Lage ein, in der das zwischenliegende Teil eine unmittelbare Nachbarschaft zu den umgebenden Teilen aufweist.

Ein erfindungsgemäßer Stromsensor S1 weist einen Träger PCB auf. Dieser Träger kann z.B. als eine starre oder flexible Platine ausgeführt sein.

Auf oder im Träger PCB ist eine erste strukturierte elektrische Ebene E1 angeordnet. Ebenso ist auf oder im Träger PCB eine zweite strukturierte elektrische Ebene E2 angeordnet. Die beiden strukturierten elektrischen Ebene E1 und E2 befinden sich z.B. in zwei zueinander parallelen und beabstandeten Ebenen. Jede der elektrischen Ebenen weist einen strukturierten Abschnitt auf. Beispielsweise kann in der ersten strukturierten Ebene E1 ein erster strukturierter Abschnitt L1 - wie in Fig. 1 - vorgesehen sein, während in der zweiten strukturierten Ebene E2 ein zweiter strukturierter Abschnitt L2 - wie in Fig. 2 - vorgesehen sein kann.

Der erste strukturierte Abschnitt L1 der ersten strukturierten elektrischen Ebene E1 kann dann mittels einer (oder mehrerer) elektrischer Kontaktierung(en) mit einem zweiten strukturierten Abschnitt L2 der zweiten strukturierten elektrischen Ebene verbunden sein, so dass eine Schleife S gebildet wird. Dies ist beispielhaft in Figur 3 in einer Schnittebene angedeutet. D.h. werden die strukturierten Abschnitte der ersten Ebene E1 in der Figur 1 an den kreisförmigen dargestellten Enden mit den kreisförmigen dargestellten Enden der benachbarten strukturierten Abschnitte der zweiten Ebene E2 verbunden, so kann mittels eines Trägers eine Spule realisiert werden, bei der die Spulenachse im Träger PCB verläuft. Die elektrische Kontaktierung kann z.B. mittels Durchkontaktierungen (z.B. Vias) in Platinentechnik hergestellt werden.

Durch diese Anordnung kann erreicht werden, dass eine Stromflussänderung eines elektrischen Leiters M, der im Wesentlichen parallel zum Träger PCB und der im Wesentlichen senkrecht zur Schleife S angeordnet ist, eine Induktionsspannung in der so gebildeten Schleife/ Spule hervorruft.

Bedingt durch die räumliche Verteilung eines Magnetfeldes um einen stromführenden Leiter M ist es wünschenswert, dass die Spulenachse des Stromsensors S1 senkrecht zu dem stromführenden Leiter M ausgerichtet ist.

Die einzelnen Leiterbahnen (Windungen der Luftspule) liegen dabei bevorzugt parallel zum stromführenden Leiter M, so dass das Magnetfeld, das kreisförmig um den stromführenden Leiter M angeordnet ist, die Luftspule durchfließen kann. Die Leiterplatte wird somit liegend direkt bzw. in einem definierten Abstand auf dem stromführenden Leiter M positioniert.

Um eine (möglichst) gute Erfassung des Magnetfeldes zu realisieren, ist die Leiterplattendicke und somit auch die Länge der Vias entscheidend. Die Luftspule entsteht durch die Verknüpfung (Reihenschaltung) der durch die Durchkontaktierungen gebildeten Schleifen S, z.B. durch Verknüpfung der Leiterbahnen auf der Oberseite des PCBs mittels Vias auf die Leiterbahnen auf der Unterseite des PCBs. Es entsteht durch die Verbindung über Vias eine Luftspule innerhalb der Anordnung. Die Luftspule wird somit nicht innerhalb einer Lage, sondern über min. 2 Lagen hinweg realisiert.

Der Stromsensor S1 kann z.B. mit verdrillten Anschluss- oder Koaxialleitungen und einer Zugentlastung versehen sein. Dies kann vorteilhaft sein, um induktive Einkopplungen in das Anschlusskabel des Stromsensors S1 , welches sich auch in der Nähe des stromführenden Leiters M befinden kann, zu verringern.

Der Stromsensor inkl. Anschlussleitung kann mit einem Kunststoffgehäuse umgeben, z.B. umspritzt sein, welches eine Vorrichtung zur Fixierung an dem stromführenden Leiter M aufweisen kann.

Die Sensitivität des Stromsensors lässt sich über folgende Abhängigkeiten einstellen bzw. justieren:

• Abstand des Stromsensors S1 zum stromführenden Leiter M

• Ausrichtung des Stromsensors S1 zum stromführenden Leiter M

• Anzahl und Größe der Leiterbahnen auf dem Träger PCB

• Dicke des Trägers PCBs.

Für eine gute Erfassung von Messwerten ist es sinnvoll, die genaue Anordnung des stromführenden Leiters M relativ zum Stromsensor S1 zu kennen, da das Magnetfeld invers mit dem Abstand zum stromführenden Leiter M abfällt. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des stromführenden Leiters und dem Sensor hat somit einen direkten Einfluss auf die Erfassung und die Qualität der Messwerte.

Beispielsweise kann der Stromsensor S1 als Durchführungssensor eingesetzt werden. Die Zentrierung des stromführenden Leiters M wird z.B. mit Stufennippeln innerhalb des Durchführungssensors (rohrartiger Sensor) realisiert. Der oben beschriebene Stromsensor ist dabei im Inneren des Durchführungssensors an definierter Stelle positioniert und fixiert. Der Stromsensor kann im Inneren eingeklebt bzw. eingespritzt sein. Der definierte Abstand zwischen Stromsensor S1 und stromführenden Leiter M bietet den Vorteil, ein sehr definiertes Messsignal zu erzeugen. Der Abstand zwischen dem Stromsensor S1 und dem Mittelpunkt des stromführenden Leiters M ist dabei bevorzugt gleich.

Zudem bietet der Durchführungssensor die Möglichkeit, den stromführenden Leiter M sehr definiert zu fixieren um eine definierte Ausrichtung des Magnetfeldes zu realisieren.

Beispielsweise kann der Stromsensor S1 als aufsetzbarer Sensor eingesetzt werden.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann der Stromsensor zumindest einen Abstandshalter für den elektrischen Leiter M aufweisen. Der Abstandshalter kann an einem Gehäuse des Stromsensors angeformt oder mit diesem verbindbar sein, siehe hierzu Figur 4 und 5. Dabei können unterschiedliche Stromleiterformen als auch Radien durch entsprechende geformte Abstandshalter A1 , A2 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Abstandshalter zumindest eine konkave Einbuchtung A1 zur Aufnahme des elektrischen Leiters M aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstandshalter zumindest eine konkave Einbuchtung A2 zur Aufnahme des elektrischen Leiters M aufweisen. Die Einbuchtungen A1 und A2 können z.B. unterschiedliche Radien und/oder unterschiedliche Formen aufweisen. Insbesondere können sich die erste konkave Einbuchtung A1 im Radius und/oder im Abstand zur Leiterplatte von der zweiten konkaven Einbuchtung A2 unterscheiden. Insbesondere kann der Abstandshalter A1/A2 bzw. können die Abstandshalter A1 und A2 als zylindrische Zentriereinrichtung ausgeführt sein.

Auf der Ober- und Unterseite des Kunststoffteils des Stromsensors können z.B. zwei Bereiche mit unterschiedlichen Fixierungshilfen zur Führung des später einzulegenden stromführenden Leiters M bereitgestellt werden. Bei der Messwerterfassung können sich durch die unterschiedlichen Leiterquerschnitte jedoch Messfehler ergeben. Die Messwerte lassen sich exakt bei den für den Sensor optimierten Leiterquerschnitten für die beiden im Kunststoff realisierten Formen des Abstandshalters erfassen. Bei abweichenden Leiterdurchmessern / Leiterquerschnitten kann sich eine Messabweichung ergeben.

Diese Sensoranordnung S1 bietet jedoch alternativ den Vorteil, dass sich über die unterschiedlichen Abstände der zwei Seiten des Stromsensorgehäuses ohne Aufwand verschiedene Sensibilitäten des Stromsensors realisieren lassen. So kann z.B. die eine Seite des Stromsensorgehäuses für große Ströme, die andere Seite für niedrige Ströme ausgelegt werden. D.h. der Anwender kann entweder eine präzise Messung oder unterschiedliche Sensitivitäten realisieren.

Dieses korreliert häufig auch mit dem eingesetzten Kabelquerschnitt des stromführenden Leiters M. Weiterhin ergeben sich hier kleinere Stromsensorgrößen im Vergleich zum Durchführungssensor, so dass der Stromsensor auch für kleine Kabelquerschnitte gut geeignet ist. In diesem Fall kann der Stromsensor z.B. mit Hilfe von Kabelbindern fixiert werden, wofür Führungen am Kunststoffteil, z.B. Führungsöffnungen am Außenrand oder Einkerbungen / seitliche Aufwölbungen, vorgesehen werden können.

Beispielsweise kann der Stromsensor in räumlich definierter Position zu einem Leiter M positioniert sein. Der Leiter kann in diesem Fall ein beliebiges stromführendes Teil sein. Hierbei ergibt sich für die Anordnung ein definierter Abstand zwischen stromführenden Leiter M und Stromsensor. Die Messwerterfassung kann hier definierter und präziser erfolgen, da die magnetische Kopplung bekannt ist.

Die Auswertung der Signale der Stromsensoren S1 , S2, S3 erfordert die zeitliche Integration, um ein Signal zu erhalten, das proportional zum Stromfluss ist.

Die Integration kann analog oder digital erfolgen. Die entsprechenden Schaltungen können auf dem Träger PCB oder abgesetzt hiervon erfolgen.

Zudem erlaubt die Stromsensoranordnung auch den Einsatz als richtungsunabhängiger Sensor. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von mehreren in jeweils einer Achse ausgerichteten Luftspulen auf dem Sensor, um die Richtungsabhängigkeit des Magnetfelds zu messen.

Ein richtungsunabhängiger Sensor weist mindestens zwei in unterschiedlichen Achsen ausgerichteten Einzelsensoren auf. Die Kombination dieser Sensoren erlaubt die Bestimmung des Magnetfeld vektors und damit auch die Bestimmung des Betrags des Magnetfelds, wodurch ein richtungsunabhängiger Sensor realisiert werden kann.

Dies kann relevant sein, um den Einfluss mehrerer nebeneinander liegender Leitungen zu bestimmen und kompensieren zu können. Hier eignet sich ein mehrlagiger Träger PCB, auf dem die Spulen übereinander / nebeneinander in mehreren Lagen angeordnet sein können.

Der zuvor vorgestellte Stromsensor S1 erlaubt eine Strommessung im elektrischen Leiter M. Allerdings kann es von Vorteil sein auch andere Einflüsse, die z.B. das Messergebnis verfälschen könnten, zu messen. Hierfür kann der zuvor vorgestellte eindimensionale Stromsensor um eine weitere Dimension ergänzt werden, wie nachfolgend aufgezeigt werden wird.

Ein zweidimensionaler Stromsensor weist zumindest einen ersten zuvor beschriebenen Stromsensor S1 , sowie einen weiteren Stromsensor S2 auf. Der weitere Stromsensor S2 ist dabei zunächst als elektrisch unabhängig vom ersten Stromsensor S1 angenommen. Lediglich in Bezug auf die relative Lage zueinander bzw. auf die damit einhergehende Lage relativ zu einem elektrischen Leiter M wird im Folgenden eingegangen.

Der weitere Stromsensor S2 weist ebenfalls einen Träger PCB auf. Dieser Träger PCB kann in gleicher Weise wie der Träger PCB des ersten Stromsensors S1 ausgeführt sein. Insbesondere ist es möglich, den weiteren Stromsensor S2 und den ersten Stromsensor S1 auf einem gemeinsamen Träger PCB anzuordnen. Dabei können die einzelnen Elemente in getrennten und/oder gemeinsamen Ebenen angeordnet sein. Je nach Ausrichtung des zweiten Sensors S2 kann es sich bei diesem um einen Sensor wie oben beschrieben, oder um eine Planarspule auf dem Träger handeln.

Auch beim zweiten Stromsensor S2 sind auf oder im Träger PCB eine erste strukturierte elektrische Ebene E1 bzw. auf oder im Träger eine zweite strukturierte elektrische Ebene E2 angeordnet.

Wiederum ist ein erster strukturierter Abschnitt L1 der ersten strukturierten elektrischen Ebene mittels einer elektrischen Kontaktierung mit einem zweiten strukturierten Abschnitt L2 der zweiten strukturierten elektrischen Ebene verbunden, so dass eine Schleife S gebildet wird.

Der weitere Stromsensor S2 ist nun jedoch im Wesentlichen senkrecht zum ersten Stromsensor S1 angeordnet, wobei der Träger PCB des ersten Stromsensors S1 und der Träger PCB des Weiteren Stromsensors S2 in einer gleichen oder einer parallelen Ebene zueinander angeordnet sind.

Insbesondere kann der weitere Stromsensor S2 als Planarspule ausgeführt sein.

Mit einer derartigen Anordnung können Magnetfeldkomponenten in einer Ebene parallel zum elektrischen Leiter M, aber in Richtung des elektrischen Leiters M durch den weiteren Stromsensor S2 erfasst werden, siehe Figur 6.

Natürlich kann dieses Konzept noch weiter ausgebaut werden.

Der zuvor vorgestellte zweidimensionale Stromsensor erlaubt eine Strommessung im elektrischen Leiter M und einer weiteren Richtung. Allerdings kann es von Vorteil sein, auch andere Einflüsse, die z.B. das Messergebnis verfälschen könnten, zu messen. Hierfür kann der zuvor vorgestellte zweidimensionale Stromsensor um eine weitere Dimension ergänzt werden, wie nachfolgend aufgezeigt wird.

Ein dreidimensionaler Stromsensor kann dann einen zuvor beschriebenen zweidimensionalen Stromsensor aufweisen. Weiterhin kann der dreidimensionale Stromsensor einen dritten Stromsensor S3 aufweisen, wobei der dritte Stromsensor wiederum einen Träger PCB aufweist. Dieser Träger PCB kann in gleicher Weise wie der Träger PCB des ersten Stromsensors S1 oder des zweiten Stromsensors S2 ausgeführt sein. Insbesondere ist es möglich, den dritten Stromsensor S3 und den ersten Stromsensor S1 sowie den zweiten Stromsensor S2 auf einem gemeinsamen Träger PCB anzuordnen. Dabei können die einzelnen Elemente in getrennten und/oder gemeinsamen Ebenen angeordnet sein.

Der dritte Stromsensor (S3) kann z.B. als Planarspule ausgeführt sein, wenn nicht bereits S2 als Planarspule ausgeführt ist.

Beispielhaft ist dies in Fig. 7 aufgezeigt, in der eine Anordnung in einer Ebene (analog zu Figur 1 ) gezeigt ist.

Mit einer derartigen Anordnung können Magnetfeldkomponenten in allen Raumachsen erfasst werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Stromsensor zur Detektion von Stoßströmen verwendet.

Zudem erlaubt die Stromsensoranordnung auch den Einsatz innerhalb eines Überspannungsschutzelementes. Hierbei kann der Stromsensor in einem definierten Abstand zum stromführenden Leiter innerhalb des Basiselementes oder eines ggf. vorhandenen Steckers positioniert werden.

Bezeichnunqsliste

S1 , S2, S3 Stromsensor

PCB Träger

E1 erste strukturierte elektrische Ebene

E2 zweite strukturierte elektrische Ebene

L1 erster strukturierter Abschnitt L1

L2 zweiter strukturierten Abschnitt

S Schleife

M elektrischer Leiter

A1 , A2 Abstandshalter