[0001] Die Neuerung betrifft einen magnetischen Gleichstromwandler zur Erfassung von Gleichströmen
in einem Stromleiter mit großem Querschnitt, welcher von einem Gleichstrom mit insbesondere
kurzzeitig und storßartig auftretenden hohen Werten durchflossen wird.
[0002] Bei magnetischen Wandlern ist es insbesondere zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit
bekannt, d.h. zur Erhöhung der am Ausgang zur Verfügung stehenden, auswertbaren Meßspannung,
den Stromleiter des zu erfassenden Stromes nicht nur einmal, sondern in Form von
mehreren um einen magnetischen Schenkel ge führten Windungen hindurchzuführen.
[0003] Bei einem Stromleiter mit einem großen Querschnitt, der einen Gleichstrom mit unter
Umständen kurzzeitig und stoßartig auftretenden hohen Werten führen kann, ist eine
derartige Wicklung um einen Schenkel des Wandlers dagegen in der Regel sehr aufwendig
bzw. nicht möglich. Vielfach werden derartige Stromleiter in Form von Schienen geradlinig
durch den Wandler hindurchgeführt. Es ist somit praktisch nicht möglich, in der bekannten
Weise eine Erhöhung des nutzbaren Signalpegels der Meßspannung am Ausgang des Wandlers
zu erreichen.
[0004] Aufgrund der hohen Gleichstromtragfähigkeit derartiger Stromleiter muß selbst bei
nur kurzzeitig und stoßartig auftretenden hohen Gleichstromwerten mit einer erheblichen
Erwärmung des Stromleiters, und damit des zur Erfassung des hindurchließenden Gleichstromes
dienenden magnetischen Wandlers gerechnet werden. In manchen Anwendungsfällen wird
der magnetische Gleichstromwandler auf bis zu 130° C erwärmt. Gegenüber einem z.B.
Umgebungstemperatur von ca. 25° C liegenden, angenomenen
[0005] Temperaturnullpunkt führt eine derartige Erwärmung in der Regel aber zu einer erheblichen
temperaturdriftabhängigen Verfälschung der nutzbaren Meßspannung am Ausgang des Wandlers.
Dabei wirkt sich besonders der Temperaturverlauf der Nullpunktsoffsetspannung aus.
Bei den Gleichstromwandlern mit einem insbesondere gradlinig als Stromschiene hindurchgeführten
Stromleiter großen Querschnitts besteht dabei das Problem, das die Amplitude der bei
einer großen Erwärmung auftretenden Nullpunktsoffsetspannung größer sein kann als
der Wert der ein Abbild des jeweils fließenden Gleichstromes darstellenden Meßspannung
am Wandlerausgang.
[0006] Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Gleichstromwandler zur
Erfassung von Gleichströmen anzugeben, deren unter Umständen vorübergehende und stoßartige
Erhöhung auf hohe Werte eine erhebliche Erwärmung des Gleichstromwandlers zur Folge
hat.
[0007] Die Aufgabe wird gelöst mit dem im Schutzanspruch angegebenen Gleichstromwandler.
[0008] Die Neuerung wird anhand der nachfolgend kurz angeführten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt:
FIG 1 eine vorteilhafte Ausführungsform des neuerungsgemäßen Gleichstromwandlers,
und
FIG 2 beispielhaft den Temperaturverlauf der Nullpunktsoff setspannung von zwei Hallgeneratoren.
[0009] Der neuerungsgemäße magnetische Gleichstromwandler besteht gemäß der Darstellung
von FIG 1 aus einem magnetischen Kern MK, durch den ein Stromleiter SL mit großem
Querschnitt hindurchgeführt ist. Bei dem in der FIG 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Stromleiter SL in Form einer geradlinigen und starren, den Gleichstrom I
L führenden Stromschiene ausgeführt. Der magnetische Kern MK ist nicht ringförmig geschlossen,
son dern verfügt über einen Luftspalt LS. In diesen sind neuerungsgemäß mindestens
zwei antiparallel zueinander angeordnete und thermisch leitend mit dem magnetischen
Kern MK verbundene Hallgeneratoren HG1, HG2 eingelegt. Beide Hallgeneratoren werden
in bekannter Weise von einer nicht dargestellten Versorgungsspannung über ebenfalls
nicht dargestellte Anschlußleitungen gespeist.
[0010] Gemäß der Darstellung von FIG 1 werden die Hallspannungen U
H(HG1), U
H(HG2) der beiden Mallgeneratoren einer zum Gleichstromwandler gehörigen Auswerteschaltung
AS zugeführt. Diese bildet bevorzugt mittels einer bekannten Differenzverstärkerschaltung
die Differenz zwischen den Hallspannungen, und stellt diese als Meßsignal Δ U
H am Ausgang des Gleichstromwandlers zur Verfügung. Die beiden Hallgeneratoren HG1,
HG2 zeichnen sich dadurch aus, daß deren Nullpunktsoffsetspannungen U
N(T)
HG1, U
N(T)
HG2, d.h. die am Ausgang der Generatoren ohne Anliegen eines Magnetfeldes allein aufgrund
der Versorgungsspannungen hervorgerufenen Spannungen, einen möglichst identischen
Temperaturverlauf aufweisen. Hallgeneratoren, deren Nullpunktsoffsetspannungen aufgrund
von üblichen Exemplarstreuungen stark voneinander abweichende Temperaturverläufe
aufweisen, sind nicht geeignet gemäß der Neuerung antiparallel im Luftspalt des magnetischen
Kernes des Gleichstromwandlers eingesetzt zu werden.
[0011] Der neuerungsgemäße Gleichstromwandler hat den besonderen Vorteil, daß zum einen
der Pegel der auswertbaren Differenzhallspannung Δ U
H am Ausgang aufgrund der Subtraktion der zwei Vorzeichen unterschiedlichen Hallspannungen
U
H der antiparallelen Generatoren doppelt so hoch ist als bei Verwendung eines einzigen
Hallgenerators. Diese Subtraktion der Hallspannungen von einen möglichst identischen
Temperaturverlauf der Nullpunktsoffsetspannungen verfügenden antiparallelen Hallgenratoren
hat den weiteren Vorteil, daß sich diese Temperaturverläufe nahezu vollständig kompensieren.
Dies wird desweiteren anhand der FIG 2 näher erläutert.
[0012] Das Diagramm der FIG 2 zeigt aufgetragen über der bevorzugt in °C angegebenen Temperatur
T den Verlauf der in Form von Geraden angenäherten Nullpunktsoffsetspannungen U
N(T). Diese entsprechen den Hallspannungen U
H (B=0) am Ausgang der Generatoren bei Fehlen eines Magnetfeldes B im Luftspalt LS.
Die beiden in der FIG 2 eingetragenen Temperaturverläufe der Nullpunktsoffsetspannungen
U
N(T)
HG1, U
N(T)
HG2 der beiden antiparallelen Mallgeneratoren weichen neuerungsgemäß nur geringfügig
voneinander ab. Sie verfügen somit über Steigungen mit identischen Vorzeichen und
annähernd gleichen Werten. In der FIG 2 sind zwei Temperaturbetriebspunkte bei Umgebungstemperatur
T0 = 25° und T1 = 100° C beispielhaft eingetragen.
[0013] So hat beispielsweise in dem als Temperaturnullpunkt angenommene Betriebspunkt T0
= 25° die Nullpunktsoffsetspannung U
N(T0)
HG2 des Hallgenerators HG2 den relativ großen, zwischen den exemplarstreuungsbedingten
Minimal- und Maximalwerten U
NMI, U
NMA liegenden Wert. Werden dagegen gemäß der Neuerung die Hallspannungen am Ausgang der
antiparallelen Generatoren voneinander subtrahiert, so reduziert sich die Nullpunktsoffsetspannung
im Wandlerausgangssignal Δ U
H auf den nahezu verschwindenden, zwischen den Kurven U
N(T)
HG1 und U
N(T)
HG2 im Temperaturnullpunkt T0 liegenden Wert U
N(T0)
HG2 - HG1.
[0014] Ist die Temperatur des Gleichstromwandlers z.B. auf den Wert T1 = 100° C erhöht,
so hat dies im Vergleich zum Temperaturnullpunkt bei T0 = 25° eine Erhöhung der Nullpunktsoffsetspannung
U
N(T)
HG2 z.B. des zweiten Hallgenerators um den Wert Δ U
N(T1)
HG2 zur Folge. Beim neuerungsgemäßen Gleichstromwandler tritt dagegen im Arbeitspunkt
T1 = 100° C lediglich ein dem Abstand zwischen den Temperaturverläufen U
N(T)
HG1 und U
N(T)
HG2 entsprechender, erheblich kleinerer absoluter Wert der Nullpunktsoffsetspannung
U
N(T1)
HG2 - HG1 auf.
[0015] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, bevorzugt im Temperaturnullpunkt
T0 = 25° C die Nullpunktsoffsetspannung U
N(T0)
HG2 - HG1 bevorzugt durch Parallelverschiebung einer der beiden Temperaturverläufe U
N(T)
HG1 bzw. U
N(T)
HG2 nahezu vollständig zu beseitigen. Eine derartige Verschiebung ist durch schaltungstechnische
Maßnahmen in der Auswerteschaltung AS auf bekannte Weise möglich. In der FIG 2 ist
am Beispiel von U

(HG2) ein derartiger, verschobener Temperaturverlauf für den Hallgenerator HG2 strichliert
dargestellt. Dies hat zur Folge, daß der Schnittpunkt SP zwischen den Temperaturverläufen
U
N(T)
HG1, U
N(T)
HG2 der Nullpunktsoffsetspannungen nun in einem vorgewählten Arbeitspunkt liegt, z.B.
in dem angenommenen Temperaturnullpunkt T0 = 25° C. In diesem Arbeitspunkt tritt
somit keine Nullpunktsoffsetspannung im Gleichstromwandlerausgangssignal Δ U
H mehr auf. Dementsprechend ist der bei einem anderen Arbeitspunkt, z.B. T1 = 100°
C, auftretende Wert der Nullpunktsoffsetspannung U
N(T1)
HG2 - HG1 um den Betrag von U
N(T0̸)
HG2 - HG1 weiter reduziert.
[0016] In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, vier Hallgeneratoren im Luftspalt
anzuordnen. Dabei sind jeweils zwei Generatoren paarweise parallel zueinander angeordnet,
während die Generatorpaare antiparallel zueinander angeordnet sind. Die Hallspannungen
der Generatoren eines jeden Paares werden dabei addiert und die sich so ergebenden
Summen substrahiert.
[0017] Der neuerungsgemäße Gleichstromwandler kann besonders vorteilhaft dann verwendet
werden, wenn der Gleichstrom I
L durch den Stromleiter SL zum einen unter Umständen kurzzeitig und stoßartig sehr
hohe Werte annehmen kann, zum anderen aber das Unterschreiten eines recht kleinen
Schwellwertes durch den Gleichstrom I
L detektierbar sein soll. Ein derartiger Fall kann z.B. bei der Stromversorgung eines
Bordnetzes in einem Flugzeug auftreten. Entspricht in einem solchen Fall der Gleichstrom
I
L dem aus einer Bordbatterie gezogenen Strom, so kann dieser z.B. beim Anlassen der
Flugzeugtriebwerke kurzzeitig und stoßartig einen Wert von ca. 1 000 A annehmen. Dies
führt zu einer erheblichen Erwärmung des Stromleiters SL und somit des Gleichstromwandlers.
Nach erfolgreichem Start der Triebwerke speist sich das Bordnetz insbesondere mittels
davon angetriebener Generatoren im Eigenbetrieb selbst. Es ist vorteilhaft und manchmal
notwendig, diesen Übergangsmoment zwischen Batterie- und Eigenspeisung zu detektieren.
Dieser Übergangsmoment kann beispielsweise dadurch definiert sein, daß der aus der
Bordbatterie entnommene Gleichstrom I
L von ursprünglich ca. 1 000 A auf weniger als 3 A zurückgegangen ist. Der neuerungsgemäße
Gleichstromwandler ist aufgrund der Addition der Hallspannungen der antiparallelen
Hallgeneratoren und der Kompensation des Temperaturverlaufes der Nullpunktsoffsetspannung
besonders geeignet, trotz vorangegangener starker Erhitzung eine derart niedrige Schaltschwelle
von ca. 3 A im Ausgangssignal Δ U
H mit relativ hoher Genauigkeit abzubilden.