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1-2-2021

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Sensoren

Sensoren Halleffekt-basierende Differentialstromsensoren Neuartige Lösung für die Strommessung Der belgische Hersteller Melexis hat mit dem MLX91220 bspw. einen kompakten und sehr robusten Stromsensor für die präzise Messung von Gleich- und Wechselströmen in Hochspannungs-Leistungsanwendungen auf den Markt gebracht. Die Funktionsweise basiert auf einem proprietären Melexis-Design. Wir digitalisieren, legen Wert auf Öko-Strom und tanken unser Auto in Zukunft wohl in der Garage. Wir arbeiten am Internet der Dinge, der Industrie 4.0 und dem autonomen Fahren - große Projekte, die einer ständig wachsenden Weltbevölkerung zur Verfügung gestellt werden müssen. Um das zu realisieren, benötigen wir Strom zukünftig aus der richtigen Quelle, in der richtigen Menge und an der richtigen Stelle. Stromsensoren helfen uns mit ihrer Flexibilität und Vielfalt dabei, den Energieverbrauch zu über wachen und zu regulieren. Allerdings gibt es auch hier Einschränkungen: Durch parallellaufende Stromflüsse und elektromagnetische Strahlung entstehen ungewollte Beeinträchtigungen, die Messergebnisse verfälschen oder stören. Ist ein Stromsensor jedoch in der Lage, diese Streufelder auszublenden, so erweitert sich das potenzielle Einsatzgebiet und öffnet Türen zu den Applikationen der Zukunft. Halleffekt-basierende Stromsensoren mit Streufeldunterdrückung sind in verschiedenen Varianten von wenigen Herstellern erhältlich. Ein Beispiel Nehmen wir als Beispiel den MLX91220. Der Stromsensor misst das Differenzmagnetfeld, das durch den Stromfluss im primären Kupfer-Leadframe des ICs in einem Standard-SMD- Gehäuse erzeugt wird. So erzielt er eine sehr kurze Ansprechzeit sowie eine hohe Immunität gegen externe Streufelder und Übersprechen. Damit eignet er sich ideal für kompakte Leistungs elektronik- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Ein zusätzlicher Überstromerkennungs- (Over Current Detection, OCD) Pin mit einer Ansprechzeit von 2 µs detektiert mögliche zerstörerische Überströme und/oder Kurzschlüsse, um die Leistungselektronik schnellstmöglich abzuschalten bzw. zu schützen. Werkskalibrierte Plugand-Play-Lösung mit Basisisolierung Der Sensorausgang jedes ICs ist werkseitig für einen spezifischen Strombereich kalibriert. Seine Kompensation sorgt über die gesamte Lebensdauer hinweg für optimale Stabilität, unter anderem hinsichtlich Temperatur und damit für Langzeitgenauigkeit. Die Stromsensoren geben ein lineares Analogsignal Autor: Jens Rheinstädter, Product Sales Manager Analog & Sensors Rutronik www.rutronik.com Bild 1: Blockdiagramm des Stromsensors MLX91220 (SOIC 16 pinout) (© Melexis) 28 PC & Industrie 1-2/2021

Sensoren Bild 2: Bipolarer und unipolarer Ausgang des MLX91220 (© Melexis) aus, das proportional zu dem Strom ist, der direkt durch den Leadframe des ICs fließt. Für Anwendungen mit unidirektionalem Strom lässt er sich so einstellen, dass er nur eine Strompolarität ausgibt. Dies ermöglicht einen höheren Ausgangsbereich und eine bessere Auflösung (Bild 2). Evaluation Boards Die Evaluation Boards (Bild 3) sind für 32 A rms Dauerstrom sowie Stromspitzen von 100 A und mehr ausgelegt. Sie stellen eine komplette Plug-and-Play-Anwendungslösung dar: Es sind weder externe Abschirmungen noch Kerne erforderlich. Zudem liegt keine ferromagnetisch induzierte Sättigung oder Hysterese vor und es ist keine Kalibrierung durch den Endkunden nötig. Die Boards sind sowohl im SOIC-8-Gehäuse mit einer Bemessungsisolation von 2,4 kV rms erhältlich als auch im breiten, oberflächenmontierbaren SOIC-16-Gehäuse mit einer Basisisolation von 4,8 kV rms gemäß IEC/UL62368. Stromsensoren für neue Mikrocontroller Um die neueren Mikrocontroller- Trends zu unterstützen, fokussiert die neue Generation integrierter Stromsensoren zusätzliche Funktionen wie OCDs und eine weitere Option der Versorgungsspannung (3,3 V). Ein erhöhtes Signal- Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-to- Noise Ratio) sorgt für höhere nutzbare Auflösung und Signalintegrität für die nachfolgenden ADCs in der Signalverarbeitungskette und erweitert gleichzeitig die Bandbreite um mehr als den Faktor vier im Vergleich zur ersten Generation. Fester und ratiometrischer Modus Dieser Stromsensor kann je nach Anwendung in einem von zwei Modi verwendet werden. Beide beruhen darauf, dass die Ausgangsspannung des Sensors proportional zum Stromfluss ist, die Differenz jedoch im Ausgangssignal liegt. Im ratiometrischen Modus steigt die Ausgangsspannung proportional zur Versorgungsspannung VDD. Der Offset beträgt bei bipolaren Anwendungen 50 % von V DD , bei unipolaren 10 %. Im festen Modus ist der Ausgang immun gegen Schwankungen der Versorgungsspannung. Die Ausgangsspannung entspricht stets dem Wert von V REF bei einem Stromfluss von 0 A durch den Primärleiter. Bei der 5-V-Version ist sie auf 2,5 V eingestellt, bei der 3,3-V-Version auf 1,65 V im bipolaren Modus bzw. 0,5 V im unipolaren Modus, unabhängig von V DD . Es ist jedoch auch möglich, für das Ausgangssignal ein externes Referenzsignal zu nutzen, das vom Applikationsboard kommt und vom Sensor verwendet wird. Bild 3: Evaluation Board für den MLX91220 SOIC-16 (© Melexis) für einfache Integration des Sensors Bild 4: Typisches eingangsbezogenes Rauschen für den MLX91220 mit 80 mV/A Empfindlichkeit bei 5 V. (© Melexis) PC & Industrie 1-2/2021 29

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