Hall-Stromsensor xr

NTB Sensordatenbank / Labor Elektronische Messsysteme
Sensor No. 8 Seite 1
Hall-Stromsensor
Bezeichnungen: Hall-Stromwandler, Current Transducer, Open Loop Hall Effect Transducer,
Kompensations-Stromwandler, Closed Loop Hall Effect Transducer, LEM-Wandler
Messprinzip / Physikalisches Gesetz
Jeder stromführende Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben (Bild 1). Die Grösse dieser Magnetfeldstärke H ist im
freien Raum direkt proportional zum Strom I des Leiters und umgekehrt proportional zum Abstand r, entsprechend der
Fromel: H = I / 2rπ . Aus diesem Grund ist es naheliegend einen Hall-Sensor zur Messung des Magnetfeldes
einzusetzen, um so den Strom im Leiter zu messen, der dieses Magnetfeld verursacht.
H
I
x
r
H
Bild 1: Prinzipdarstellung Magnetfeld eines geraden stromführenden Leiters
Prinzip des Hall-Effekts
Bringt man einen stromführenden Leiter in ein Magnetfeld, so werden die Elektronen durch die Lorentzkraft senkrecht
zur Stromrichtung und zum magnetischen Flussdichtevektor B abgelenkt.
r
r r
FL = Q ⋅ v × B
Nur die Komponente des Magnetfeldes Bz, die senkrecht zur Richtung des Driftstrom ICont (entspricht der Richtung von
v) liegt, liefert einen Beitrag zur Lorentzkraft. Die in jedem Halbleiter vorhanden Elektronen und Löcher werden durch
die Lorentzkraft in die gleiche Richtung abgelenkt, da die Bewegungsrichtung und Ladung jeweils unterschiedliches
Vorzeichen haben. Da jedoch im dotierten Halbleiter die Konzentration an Elektronen und Löcher sich typisch um
einige Grössenordnungen unterscheiden, überwiegt an den Kontakten ein Ladungsträgertyp wodurch das elektrisches
Feld EH entsteht. Diesem elektrischen Feld hat eine Coulombkraft zur Folge, die im Gleichgewicht mit obiger
Lorentzkraft steht [1]:
r
r
r
FCoulomb = Q ⋅ E H = − FL daraus folgt
r
r r
r r
− E H = v × B = RH j × B
mit der materialspezifischen Hall-Konstanten RH =1/n·e (e=1.602 10-19 As und n der Dichte der Majorität-Ladungsträger pro Volumeneinheit typisch n=10-16 cm-3 ) und der Stromdichte j=ICont/A. Angewandt auf die Geometrie nach
Bild. 2 folgt daraus für die an den Kontakten zu messende Hallspannung VH = RH·ICont·Bz/d wobei d die Dicke der
Halbleiterschicht sei (typisch d=0.5µm).
Bild 2: Prinzipdarstellung der Geometrie des Halleffekts aus [2]
Der Entdecker des Hall-Effekts war der Physiker Edwin Herbert Hall (1855-1938).
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2001-01-31
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Sensor No. 8 Seite 2
Skizze mechanisch / elektrisch
Prinzip / Bauform
Bild 3: Prinzipskizze des einfachen Hall-Stromwandlers (Open Loop Hall Transducer) aus[3]
Bild 4: Prinzipskizze des Kompensationsstromwandler (Closed Loop Hall Transducer) aus[3]
Funktionsweisen / Produktvarianten
Grundsätzlich kann das Magnetfeld des zu messenden Stromes direkt mit einem Hallsensor im freien Raum bestimmt
werden. Zur Verminderung der Streueffekte sollte das Magnetfeld noch mit magnetisch leitfähigem Material (z. B. mit
einem Ferritring für hoher Grenzfrequenz) gebündelt werden. Diese einfache Variante hat jedoch mehrere Nachteile:
Der Zusammenhang zwischen H der magnetischen Feldstärke und der Flussdichte B in einem magnetisch leitfähigem
Material ist nichtlinear, da ab einer bestimmten Stromstärke das Material in Sättigung geht. Zusätzlich ist zu beachten,
dass der Hallsensor nur ungefähr von 0 T - 0.5 T linear ist.
Das Kompensationsprinzip hat diese Nachteile nicht. Dabei wird durch die Sekundärwicklung, die um den Ferritkern
angeordnet ist, ein Strom geschickt der dem Primärstrom exakt entgegenwirken soll, sodass das Magnetfeld im
Luftspalt des Ferritkerns verschwinden soll. Der Wert des verschwindenden Magnetfeldes wird über einen Hallsensor
gemessen und dem Regelkreis als Istwert zur Verfügung gestellt. Bei Versorgung mit Konstantstrom wandelt das HallElement den magnetischen Fluss in eine proportionale Spannung um. Beim Kompensationsprinzip dient diese
Spannung nun zur Regelung des Sekundärstroms und somit zur Einstellung des Kompensationsflusses. Die Grösse des
eingestellten Sekundärstromes in der Wicklung ist dann direkt proportional zum messenden Primärstrom. Die Regelung
funktioniert bei Gleichstrom und bei Wechselströmen bis zur Grenzfrequenz der Elektronik und des Ferritkerns von
mehreren 100 kHz (siehe auch [6,7]). Bei Wechselstrom arbeitet der Stromwandler wie ein normaler Transformator mit
Primär- und Sekundärwicklung und kann so Ströme potentialfrei messen.
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Sensor No. 8 Seite 3
Technische Daten kommerzieller Produkte
Mit dem Hallstromwandler können Gleich- und Wechselströme von einigen wenigen Ampere bis einigen tausend
Ampere einfach und potentialfrei gemessen werden. Beim praktischen Einsatz können Abweichungen durch
Schwankungen der Temperatur (Änderung der Hall-Konstanten) aber auch durch eine nicht parallele mechnische
Durchführung durch den Ferritkern auftreten.
Hall-Sensoren können auch zur direkten Messung des Momentanwerts der Leistung und über deren Integration zur
Bestimmung der Wirkleistung eingesetzt werden. Dabei kann die Grundgleichung des Hall-Effekts (siehe Seite 1)
herangezogen werden in der ersichtlich ist, dass die Hallspannung das Produkt aus Strom und Magnetfeldstärke ist. In
solchen Hall-Leistungssensoren wird die zu messende Spannung zuerst in eine proportionales Magnetfeld umgewandelt
mit dem der Hall-Sensor betrieben wird. Der Speisestrom ICont des Hallsensors ist dann proportional zum Messstrom
sodass die resultierende Hall-Spannung proportional zur Momentanleistung ist. [4,5]
je nach Typ, grösster Bereich : IRMS=0 - 10000 A,
Bei gewissen Typen kann man zwischen verschiedenen Messbereichen auswählen
(Einstellung über Anzahl Windungen), z.B.. I·N : 8A/ 12A/ 25A
Frequenzbereich: 0 ... 100 kHz mit einer Dämpfung < 0.5dB : Fehler kleiner 2%
Frequenzbereich: : 0 ... 200 kHz mit einer Dämpfung < 1.0dB
Gesamtgenaugkeit bei T=25° C (0,2% + 0.5%
Genauigkeit / Fehler
( Streuung vom Mess-widerstand ) : ± 0,7% von I·N,
Temperaturdrift von VOUT ( IP = 0) : < 150 ppm/K,
Temperaturdrift vom Messwiderstand (R=83.33W):< 50 ppm/K
Temperatur /Umgebung Betriebstemperatur : ca. –10° C bis 80° C
Dimensionen : Fläche : einige cm2; Dicke : ca. 1cm
Bauformen
Masse : ca. 10g - 300g
Versorgungsspannung : je nach Typ von 5 VDC bis 60 VDC
typisch ca. SFr 40.- pro Einzelstück (Bandbreite zw. SFr 25 und SFr 300)
Kosten
sehr gute Linearität ( viel besser als ohne Komp. );grössere Genauigkeit; kleine
Vorteile
Temperatur-Drift; grosser Frequenz-bereich ( grösser als ohne Komp. )
Allgemein : galvanische Trennung durch Halleffekt; gute EMV-Störfestigkeit
kleinerer Messbereich, grösserer Energieverbrauch, teurer, etwas grösseres Volumen (als
Nachteile
Stromwandler ohne Kompensation )
Allgemein : Hallspannung VH abhängig von mechanischen Spannungen und von der
Umgebungstemeperatur;
Messgeräte, Zangenmultimeter, Gleich- & Wechselstrommotor-Regelungen; ServomotorAnwendungsbereiche
steuerungen; unterbrechungsfreie Stromversorgungen; Stromversorgungen für
Schweissanlagen; Netzteile;Einfache Steuerungs- und Ueberwachungsfunktionen wie
Motor einschalten, Ueberlast ausschalten, Ventil öffnen, auf Erdschluss prüfen u.s.w.
Messbereich
Quellen, Links
Literatur / Normen
[1] J.Niebuhr, G.Lindner; Physikalische Messtechnik mit Sensoren; ISBN 3-486-23614-8; Auflage 1996
[2] Informationsschrift Hallsensoren, Siemens Technische Mitteilungen vom 1998-05-15
[3] Galvanisch getrennte Strom- und Spannungswandler Eigenschaften - Anwendungen – Dimensionierung LEM
Unternehmens-Kommunikation Ó LEM Genf, Schweiz 1999;
Strom- und Spannungwandler für industrielle Anwendungen; Frimenunterlagen Druckschrift CH 98100D (11.98 11 GKD)
Stand 1998; LEM Components, CH-1228 Plan-les Quates;
[4] W. D. Schmidt; Sensorschaltungstechnik; Vogel Fachbuch, ISBN 3-8023-1574-X, 1. Auflage 1997; S 148
[5] Helmut Lemme ; Sensoren in der Praxis; ISBN 3-7723-6182-X; Auflage 1990
[6] M. Hoffmann; ASIC-Kompensations-Stromwandler; elektro forum 10/1999, Seite 26
[7] J. Pankau et al.; High Frequency Modeling of Current Sensors;IEEE – APEC 1999, Dallas, TX March 14-18, 1999;
Rockwell Automation, Standard Drives Division; Mequon, WI 53092
Hersteller / Distributoren
Firmen
Produkte
Links
Strom-/Spannungswander http://www.lem.com/ Navigation: Deutsch/Produkte/Wandler/Stromwandler
http://195.126.219.140/eng/products/transducers_current.html
Zangenmessgeräte usw.
1999-02-18 von Simon Tischhauser
2001-02-01 von F. Baumgartner / FH-Buchs / Labor Elektronische Messtechnik
LEM-ELMS, Pfäffikon,
CH; Distributor: Simpex
Erstellt:
Überarbeitet:
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Sensor No. 8 Seite 4
Ergänzungen
Auswahl von Hall-Stromwandlern für die spezielle Anwendung bei LEM
Datenblatt des Kompensationsstromwandlers LTS 6-NP von LEM : LTS 6-NP.
( drei Nennströme je nach Windungszahl : IPN = 2 - 4 - 6 A; Kosten Einzelstück etwa SFr 26 )
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