Stromwandler Hall-Effekt-Messwandler für Ströme von mA bis 1500 Ampere

Wenn die Messgröße nicht direkt erfasst werden kann, setzt man dazu Stromwandler ein. Die Serie CUR 315x mit Analog- oder PWM-Ausgang nutzt den Hall-Effekt und hat maximal 1% Messfehler.

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RECOM Power GmbH

Micronas Semiconductor Holding AG

Die präzise Messung hoher Ströme ist entscheidend für hochwertige Regelungen der Leistungselektronik, beispielsweise bei elektrischen Antriebssystemen oder in Wechselrichtersystemen von PV-Anlagen. Wenn die Messgröße nicht direkt erfasst werden kann, setzt man dazu Stromwandler ein.

Generell funktionieren solche Wandler (Messwandler) wie ein Transformator. Der wechselstromdurchflossene Leiter induziert über das Magnetfeld in einer Sekundärwicklung einen entsprechenden Strom. Je nach Windungszahl-Verhältnis ist das das Abbild des zu messenden Stromes. Zur Messung von Gleichstrom sind solche Wandler nicht geeignet. Dazu gibt es Stromsensoren auf Basis von Transduktoren (Magnetfeldverstärker) oder Hall-Sensoren, die ebenfalls Gleichstrom messen können. Letztere werden oft auch als Stromwandler, Strommesswandler oder Messwandler bezeichnet.

Der Halbleiterhersteller Micronas ist Spezialist für Hall-Sensorik zum Einsatz in Industrie- und Automobilelektronik. Einer der zahlreichen Meilensteine in der Produktentwicklung war der Hall-Effekt-Stromwandler CUR 31xy zur kontaktlosen AC/DC-Messung. Zu dieser Produktgruppe gehören die aktuellen Bausteine CUR 3105 und CUR 3115.

Micronas hat das Funktionsprinzip dieser Bauteile auf Hall-Effekt-Basis für eine sehr präzise Strommessung entwickelt. Die Ausgangsspannung der Stromsensoren ist proportional zum gemessenen elektrischen Strom und zur Versorgungsspannung (ratiometrischer Ausgang). Hauptkennwerte wie Magnetfeldbereich, Empfindlichkeit, Ausgangsruhespannung (Ausgangsspannung bei B = 0 mT) und Ausgangsspannungsbereich sind programmierbar und werden im internen EEPROM gespeichert.

CUR 3105 und CUR 3115 integrieren ein temperaturkompensiertes Hall-Element mit getakteter Offsetkompensation, einen A/D-Wandler, digitale Signalverarbeitung, einen D/A-Wandler mit Ausgangstreiber, ein EEPROM mit Redundanz- und Verriegelungsfunktion, eine serielle Programmierschnittstelle sowie Schutzschaltungen an allen Anschlüssen. Die bauteilinterne digitale Signalverarbeitung bietet große Vorteile, weil dadurch analoge Offsets, Temperaturdrift und mechanischer Stress nicht die Genauigkeit des Strom-Messwandlers herabsetzen.

Programmierbar über die Modulation der Spannung

Beide Modelle lassen sich über die Modulation der Versorgungsspannung des Sensors programmieren, weshalb ein zusätzlicher Programmier-Pin entfällt. Eine individuelle Anpassung eines jeden Sensors in der Kundenproduktion ist möglich. Bei diesem Kalibrierungsvorgang werden in der Endmontage die Toleranzen des Sensors, des Magneten und der mechanischen Positionierung kompensiert.

Entwickelt wurden diese Strom-Messwandler für Anwendungen im Automobil, in weißer Ware und in der Industrie. Sie arbeiten mit einer typischen Versorgungsspannung von 5 V in einem weiten Temperaturbereich T_j von -40 bis + 170 °C. Es gibt beide Bausteine im sehr kleinen, bedrahteten TO92UT-Gehäuse und als SMD-Variante (SOIC8).

Weitere Eigenschaften sind: 12-Bit-Analogausgang, Leitungsbrucherkennung (Masse und Versorgungsspannung) mit 5 kΩ-Pull-Up- und Pull-Down-Widerstand, Über- und Unterspannungserkennung, programmierbare Klemmfunktion, EMV- und ESD-optimiertes Design. Die magnetischen Kennwerte bleiben bei Gehäusestress sehr stabil.

Auch die Funktion der Strom-Messwandler CUR 3150 und 3155 basiert auf dem Hall-Effekt. Das PWM-Ausgangssignal ist proportional zum gemessenen elektrischen Strom. CUR 3150 besitzt eine Genauigkeit der Empfindlichkeitsdrift über die Temperatur von +/-3% und der CUR 3155 von +/-1%.

Beide Bauelemente haben einen PWM-Ausgang mit einstellbarer Anstiegsgeschwindigkeit, wodurch eine schnelle und robuste Datenübertragung in rauen Umgebungen möglich ist. Das PWM-Signal lässt sich von jeder Einheit direkt dekodieren, die auch den Tastgrad eines Rechtecksignals messen kann (üblicherweise ist das die Timer/Capture-Einheit in einem Mikrocontroller). Die höchste verfügbare PWM-Frequenz ist 2 kHz bei einer Auflösung von 12 Bit. Diese PWM-Frequenz ist mit einer definierten Auflösung in einem Bereich zwischen 31 Hz und 2 kHz durch den Anwender einstellbar. Der Open-Drain-Ausgang mit programmierbarer Anstiegsgeschwindigkeit sorgt für ein exzellentes EMV-Verhalten des Gesamtsystems.

Alle Transducer der CUR 315x-Serie haben ein Hall-Element mit getakteter Offset-Kompensation und integrieren einen hochgenauen Temperatursensor, der zur Temperaturkompensation des Messwandlers hinsichtlich Empfindlichkeit und Offset genutzt wird.

Die interne digitale Signalverarbeitung bietet, wie bei den anderen Bauteilen bereits erwähnt, Vorteile, weil analoge Offsets, Temperaturdrift, und mechanischer Stress nicht die Genauigkeit des Strom-Messwandlers herabsetzen. Hauptkennwerte wie Magnetfeldbereich, Empfindlichkeit, Offset, Ausgangspolarität, Klemmspannung und PWM-Frequenz können durch Programmierung des nichtflüchtigen Speichers an den Magnetkreis angepasst werden. Es gibt die CUR 3150 und 3155 im löt- und schweißbaren TO92UT-Gehäuse.

Weitere wesentliche Eigenschaften in Stichpunkten : Temperaturbereich T_j von -40 bis + 140 °C, integrierter Temperatursensor, Onboard-Diagnose-Funktionen für z.B. Übertemperatur und Überstrom, Auflösung bis 16 Bit, Sample-genaue Übertragung (jede PWM-Periode überträgt einen neuen Hall-Wert).

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