CN1950708A - 对寄生磁场灵敏度小的电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流传感器，该传感器包括多个设置在支撑上的磁场灵敏元件(6)，从而将这些磁场灵敏元件分布在由电流流过的导体(4)的周围，以及一个接收所述磁场灵敏元件(6)的输出信号的处理电路(9)，每一个磁场灵敏元件(6)包括至少一个第一端子(6a)和第二端子(6b)，第一端子通过求和电阻(7)与求和点(8)连接，第二端子与公共点(16)连接，所有电阻(7)与连接到求和点(8)的第一导体(13)相连，所有第二端子(6b)与连接到公共点的第二导体(14)相连，所述支撑由印刷电路构成，所述两个导体(13、14)由印刷电路的导电轨迹构成，这些轨迹以之字形形成在印刷电路上，从而形成扭转或编织导体。

Description

对寄生磁场灵敏度小的电流传感器
本发明涉及用于测量流过导体的电流值的电流传感器。
具体地说，本发明涉及无磁芯的电流传感器，它包括一个可以处在待测电流流过的导体的周围的支撑，多个设置在所述支撑上的磁场灵敏元件，从而将这些磁场灵敏元件分布在所述导体的周围，以及一个接收所述磁场灵敏元件的输出信号的处理电路。每一个磁场灵敏元件包括至少一个第一和一个第二端子。所有这些磁场灵敏元件的第一端子通过各个求和电阻与求和点连接，求和点与处理电路的第一输入端子连接。所有这些磁场灵敏元件的第二端子与处理电路的第二输入端子连接。磁场灵敏元件例如可以是霍尔效应探头、磁阻或其他能在磁场中时产生电信号的元件。这种传感器例如从文献ER-A-2789763和US-A-4625166中知道。
无磁芯的电流传感器相对于有磁芯的传感器有很多优点。确切地说是因为没有磁芯，所以无磁芯传感器就是要比有磁芯传感器轻许多。此外，不论是从高频率来看还是从它们可以测量的最大电流强度来看无磁芯的电流传感器适用范围更广，其原因是没有磁芯饱和。另外，无磁芯的电流传感器的优点还在于不发热，所以可以将它们做得更紧凑。此外，这些电流传感器能够不受损地测量由待测电流通过的导体中的瞬时电涌。这是由于磁场灵敏元件能够测量由导体中流过的大强度电流产生的强磁场，而且处在元件输出处的处理电路会在不受损的情况下饱和。
然而，无磁芯的电流传感器的缺点在于对寄生或不均匀磁场很灵敏，而且对磁场变化也很灵敏。
因而，本发明旨在提供一种本文开头所限定的这种电流传感器，该传感器对寄生或不均匀磁场较小程度地灵敏，而且对磁场变化也较小程度地灵敏。
为此，本发明的目的就是能够测量导体中流过的电流值的电流传感器，该传感器包括一个可以处在待测电流流过的导体的周围的支撑，多个设置在所述支撑上的磁场灵敏元件，从而将这些磁场灵敏元件分布在所述导体的周围，以及一个接收所述磁场灵敏元件的输出信号的处理电路，每一个磁场灵敏元件包括至少一个第一和一个第二端子，所有这些磁场灵敏元件的第一端子通过各个求和电阻与求和点连接，求和点与处理电路的第一输入端子连接，所有这些磁场灵敏元件的第二端子与处理电路的第二输入端子连接，其特征在于所有求和电阻与连接到求和点的第一导体相连，磁场灵敏元件的所有第二端子与连接到处理电路的第二输入端子的第二导体相连，所述支撑由印刷电路构成，第一和第二导体分别由印刷电路的第一和第二导电轨迹构成，这些轨迹以之字形形成在印刷电路上，从而形成扭转或编织。
本发明的电流传感器还有下面的一个或多个特征：
-印刷电路有两个印刷面，将导电轨迹形成在印刷电路的这两个面上；
-第一和第二轨迹中的任一个都完全围绕着印刷电路中设置的开口形成闭合环，该开口以便让由待测电流流过的导体通过；
-每一个求和电阻有两个端子，将这两个端子分别连接到离相应的磁场灵敏元件的第一端子的最近处和离第一导电轨迹最近处；
-在印刷电路的两个面中的至少一个面上有一个接地平面，该平面紧紧地围住印刷电路的导电轨迹；
-接地平面形成完全围绕着所述开口的闭合环；
-将第二导电轨迹连接到接地平面的一个点上，该点与第一导电轨迹相邻，与第一导电轨迹相连的所述求和点与接地平面的连接到第二导电轨迹上的所述点相邻；
-磁场灵敏元件是霍尔效应探头；
-每个霍尔效应探头包括第三和第四端子，所有霍尔效应探头的第三端子与印刷电路的第三导电轨迹相连，第三导电轨迹与第一固定电位的一个点连接，该轨迹以之字形形成在所述印刷电路上，以便与第一和第二导电轨迹形成扭转或编织；
-第三导电轨迹形成完全围绕着所述开口的闭合环；
-霍尔效应探头的第二和第四端子一起与印刷电路的第二导电轨迹相连，而该第二导电轨迹连接到第二固定电位上或接地电位上：
-与第三导电轨迹相连的所述第一固定电位的点位于印刷电路上，处在所述求和点和接地平面的第二连接的旁边。
下面结合附图通过对非限定例子作出的描述将会更清楚地理解本发明，其中：
图1是表示本发明的电流传感器的透视图，该传感器设置在一组待测电流流过的导电杆周围；
图2是图1的电流传感器的简化电路图；
图3是表示印刷电路的一部分的透视图，该印刷电路上带有按之字形形成的导电轨迹；
图4是可以说明本发明的电流传感器为什么对寄生磁场不太灵敏的原理图；
图5是本发明电流传感器的印刷电路的正视图；
图6是电流传感器的印刷电路的后视图；
图7是同时表示图5和6的印刷电路的正反面的导电轨迹的示意图，印刷电路的基板是透明的，而且没有接地平面；
图8以比例放大方式表示图7的印刷电路的一部分，该部分处在其中一个磁场灵敏元件的安置区。
首先参见图1，可以发现本发明的电流传感器1包括一个由绝缘材料制成的壳体2，在该壳体中装有电流传感器的有源和/或功能元件(图1中未示出)。
壳体2的形状通常为平行六面体，其两个相对的主面2a和2b的形状通常为正方形或矩形，并且有圆角。壳体2包括一个大的中心开口3，该开口从壳体的一面2a到另一面2b地贯穿该壳体，由于该中心开口，电流传感器1可以处在待测电流I流过的电导体4的周围。
在图1中，导体4由一组导电杆例如三个导电杆4a，4b和4c构成。当然，导电杆的数量可以少于三个，也可以多于三个，这要视壳体2的开口3的尺寸所允许的极限而定。此外，可以用一个或多个由待测电流流过的电缆代替该组导电杆4。
如图1所示，壳体2包括四个孔5，该四个孔从壳体2的一面2a到另一面2b地贯穿该壳体，以便接收能将立着或躺着的电流传感器1固定在合适支撑上的固定螺丝(未示出)，可以直接固定，也可以通过安装元件间接固定，这些均是公知的(例如参见文献FR-A-2793884)。
现在参见图2的电路图，可以发现电流传感器1包括多个磁场灵敏元件6，磁场灵敏元件的输出信号通过求和电阻7分别传送到求和点8，而该求和点本身与处理电路9的第一输入端9a电连接，处理电路的输出端10可以构成电流传感器1的输出端。
磁场灵敏元件6例如可以由霍尔效应探头构成。用一个支撑(图2中未示出)进行支撑，从而将这些探头分布在待测电流流过的所述导体4的周围。
所述支撑由一个印刷电路11构成，其具体实施例示于图5-8中，下面将会详细进行描述。现在只要注意印刷电路11的中部包括一个形状和尺寸与壳体2的开口3的形状与尺寸相应的开口12。
在图2中，为使该图清楚起见，只示出四个探头6，但本领域技术人员很清楚，本发明不限于含四个探头6或四个磁场灵敏元件的传感器。例如如图5-7所示，传感器1可以包括14个霍尔效应探头，在这些图中没有示出探头，但用标号P1-P14分别示出了它们在印刷电路11上的位置。
如图2所示，每一个探头6包括四个端子6a-6b。发送探头6的有效输出信号的所有端子6a通过电阻7与第一导体13相连，而该第一导体本身与上述求和点8相连。每个探头6的两个端子6b和6d彼此连接在一起，而且与第二导体14相连，该第二导体是所有探头6的公共导体，而且其本身在图2中最好只用一个公用点16与接地15相连。可以由运算放大器构成的处理电路9的另一个端子9b也与接地15连接，这如图2所示。最后，探头6的所有端子6c与第三导体17连接，第三导体本身与点18相连。点18处在第一固定电位上，例如+5V，而接地15处在第二固定电位上，该第二固定电位用作测量电流的基准电位。
为了使电流传感器1对寄生磁场和对磁场变化不太灵敏，将这三个导体13，14和17扭转或编织在一起，现在将参考图3和5-8进行描述。
印刷电路11包括一个由绝缘塑料板材或片材构成的基板19(图3，7和8)，也可以用纤维例如玻璃纤维对其加固。利用公知的光刻技术将例如铜的导电轨迹形成在基板19的两个面上。
具体地说，上述三个导体13，14和17中的每一个都由导电轨迹构成，在图7和8中它们都用相同的标号13，14或17表示，将导电轨迹以之字形形成，图3中示出的是导电轨迹13。在比例放大的图3中示出的是一小部分印刷电路11，为使附图清楚只示出导电轨迹13。如图所示，在霍尔效应探头6的各位置之间的印刷电路11的区域中，轨迹13由一系列导电段构成，这些导电段交替用13a和13b表示。例如导电段13a是单数段，它们位于印刷电路11的正面11a上(图3和5)，而例如导电段13b是双数段，它们位于印刷电路11的反面11b上(图3和6)。利用导电连接件21将导电段13a和导电段13b串联连接。
类似地，导电轨迹14和17由位于印刷电路11正面11a的导电段14a和17a(图5)及位于印刷电路11反面11b的导电段14b和17b(图6)构成，导电段14b和17b利用与导电连接件21类似的导电连接件分别与导电段14a和17a串联连接，这可以看图8。
如图5和8清楚地看到的那样，与接地15连接的导电轨迹14的每个导电段14a最好处在导电轨迹13的导电段13a和导电轨迹17的导电段17a之间。同样，如图6和8看到的那样，导电轨迹14的每个导电段14b处在导电轨迹13的导电段13b和导电轨迹17的导电段17b之间。
在图7中，导电轨迹13，14和17的导电段13a，14a和17a用黑粗线表示，导电轨迹13，14和17的导电段13b，14b和17b用灰线表示，就象透过印刷电路11的基板19看到的那样。
这样，就使三个导电轨迹13，14和17具有扭转结构，这种结构可以使电流传感器1对寄生磁场的变化不太灵敏甚至不灵敏。事实上，被扭转的导电轨迹的之字形路径可以建立模型，这如图4示出的导电轨迹13和14的模型(用轨迹14和17可以实现类似的模型)。在将电流传感器放到“严重的”磁环境中时，也就是不均匀磁环境中时，例如在一组导电杆4的导电杆形成一个角度或弯头时并且传感器1离该角度很近时，也可以是在传感器1处在与待测电流流过的该组杆4相邻的寄生导体很近时，由寄生导体产生的磁通变化或穿过传感器1的不均匀磁通线在霍尔效应探头6的电连接内感应出电压。这些电压干扰霍尔效应探头6发出的信号，因而传感器发送错误信息。
然而如图4所示，由于导电轨迹13，14和17的扭转结构，流过该扭转结构的相继两个环或圈的磁通变化dΦ/dt会在第一个圈22中感应出正电压24，在第二个圈23中感应出负电压25，因为后面的圈接收与第一圈相反方向的磁通。如果两个圈22和23的表面相同，则电压24和25具有相同的绝对值，但符号相反，所以这两个电压互相抵消。因而发现，通过对由导电轨迹13和14以及导电轨迹14和17形成的扭转结构中提供偶数个圈，就可以使由连接霍尔效应探头6的电连接内的寄生或不均匀磁场的变化感应的寄生电压消失。如果导电轨迹13，14和17以之字形布置以形成编织结构，则得到相同的结果，但该设计较为复杂，并且需要更多数量的导电连接件21。
在传感器1的壳体2的开口3有闭合周边时，印刷电路11的开口12也有闭合周边时，三个导电轨迹13，14和17中的每一个最好形成闭环，因而处于短路状态，这如图2和5-7所示。如果由导电轨迹13，14和17形成的环路断开，则磁通变化在由各导电轨迹13，14和17形成的开环端部之间产生电动势。这就造成测量误差，因为探头6沿导电轨迹分布。
印刷电路11的两个面11a，11b上最好分别有一个接地平面15a或15b，例如是铜的接地平面，接地平面紧围印刷电路的导电轨迹。在图5和6中，用黑的大范围区域表示这两个接地平面15a和15b，在图2中这两个接地平面总体上用标号15表示。利用至少一个导电连接件(未示出)将这两个接地平面15a和15b相互电连接，所述连接件处在印刷电路11的基板19中，其方式与图3所示的导电连接件21的类似。
两个接地平面15a和15b中的至少一个，最好是这两个接地平面形成一个闭合环，其原因与上面为导电轨迹13，14和17描述的原因类似。这样，就可以免于接地平面中感应的寄生电压。
最好导电轨迹14与接地平面15仅连接在接地平面15的一个点16上(图7)，该点与导电轨迹13相邻，与导电轨迹13相连的求和点8在上述点16的旁边。同样，处在第一固定电位(+5V)上并与导电轨迹17相连接的点18位于印刷电路11上，在求和点8及与接地平面15相连的连接点16的旁边。这种布置的作用在于防止在导电轨迹中和/或印刷电路11的接地平面中有可能感应出的局部电压添加到霍尔效应探头6提供的信号中，因而防止扰乱电流测量。
最后，每一个求和电阻7有两个端子，这两个端子分别连接到离相应霍尔效应探头6的端子6a的最近处以及离导电轨迹13最近处。在比例放大的图8中很清楚地示出了与其中一个更确切地说在位置P7处的霍尔效应探头对应的一部分印刷电路11。在图8中，印刷电路11的导电区26a-26d就是分别被焊接有霍尔效应探头6的端子6a-6d的区域，所述霍尔效应探头处在位置P7中，而印刷电路11的导电区27a-27d就是被焊接有相应的求和电阻7的两个端子的区域。正如图8所示，霍尔效应探头6的端子6b-6d连接到离导电轨迹14和17最近处，因为用作连接端子6b和6d的导电区域26b和26d处在轨迹14上，并且因为用作连接端子6c的导电区域26c处在轨迹17上。
现有的霍尔效应探头的壳体只包括三个连接端子或扁脚。印刷电路11靠近与位置P1-P14相邻的位置P1’-P14’最好还可以包括导电区26’a，26’b和26’c(图8)，带有三个端子的探头的端子可以焊接到这些导电区中。
显然，上面描述的本发明的实施模式仅是作为非限定性说明的例子给出的，在不超出本发明范围的前提下本领域技术人员可以很容易做出许多改进。例如，虽然本发明是对含有霍尔效应探头的传感器进行描述的，但是，这些探头可以用其他能对磁场灵敏的元件代替，例如磁阻。
另外，虽然导电轨迹13，14和17以及接地平面15最好形成完全围绕着印刷电路11开口12的闭合环(短路)(电流传感器11的壳体2具有开口3为闭合周边的情况)，但如果导电轨迹13，14和17以及接地平面15不形成闭合环，例如可以是电流传感器的壳体包括不闭合开口时的情况，以便在传感器相对于所述导体的纵向进行横向移动时使该传感器跨骑地置于导体4上，并不需要断路，这也不超出本发明的范围。
还可以考虑将电流传感器做成能彼此分开的两部分，以便能够在待测电流流过的导体周围设置传感器，因而配备能够对电流传感器的两部分进行机械连接的设备，还有在将电流传感器的这两部分彼此组装在一起时能够在这两部分之间进行电连接的设备，从而为连接磁场灵敏元件6的导电轨迹13，14和17建立闭合环。
此外，虽然上面描述的导体或导电轨迹13，14和17的扭转形结构和形状通过使用具有两个印刷面11a和11b的印刷电路11得到，但通过使用只在一个面上印刷的电路也可以得到所述导电轨迹的之字形路径和扭转或编织形结构。在这种情况下，每个导电轨迹13，14和17的一部分(两个导电段中的一个)由搭在其他导电轨迹的导电段上的的U形座(本领域技术人员还称作“跨接”)形成。
根据另一个变型实施方案，导电轨迹的之字形路径和扭转或编织形结构还可以通过使用多层印刷电路得到，所述多层印刷电路包括在多层基板的至少一个外表面上和所述基板的至少一个中间层上的导电轨迹。

Claims (12)

1.一种电流传感器，用于测量导体(4)中流过的电流值，该传感器包括一个可以处在待测电流流过的导体周围的支撑(11)，多个设置在所述支撑(11)上的磁场灵敏元件(6)，从而将这些磁场灵敏元件分布在所述导体(4)的周围，以及一个接收所述磁场灵敏元件(6)的输出信号的处理电路(9)，每一个磁场灵敏元件包括至少一个第一和一个第二端子，所有这些磁场灵敏元件(6)的第一端子(6a)通过各个求和电阻(7)与求和点(8)连接，求和点与处理电路(9)的第一输入端子(9a)连接，所有这些磁场灵敏元件(6)的第二端子(6b)与处理电路的第二输入端子(9b)连接，其特征在于，所有求和电阻(7)与连接到求和点(8)的第一导体(13)相连，磁场灵敏元件(6)的所有第二端子(6b)与连接到处理电路(9)的第二输入端子(9b)的第二导体(14)相连，所述支撑(11)由印刷电路构成，所述第一和第二导体(13和14)分别由印刷电路的第一和第二导电轨迹构成，这些轨迹以之字形形成在印刷电路(11)上，从而形成扭转或编织结构。
2.根据权利要求1的电流传感器，其特征在于，所述印刷电路(11)有两个印刷面(11a，11b)，导电轨迹(13，14)形成在印刷电路的这两个面(11a和11b)上。
3.根据权利要求1或2的电流传感器，其特征在于，第一和第二导电轨迹(13和14)中的任一个都完全围绕着印刷电路(11)中设置的开口(12)形成闭合环，该开口用于让由待测电流流过的导体(4)通过。
4.根据权利要求1-3之一的电流传感器，其特征在于，每一个求和电阻(7)有两个端子，将这两个端子分别连接到离相应的磁场灵敏元件(6)的第一端子(6a)的最近处和离第一导电轨迹(13)的最近处。
5.根据权利要求1-4之一的电流传感器，其特征在于，印刷电路(11)在其两个面(11a和11b)中的至少一个面上包括至少一个接地平面(15a，15b)，该平面紧紧地围住所述印刷电路(11)的导电轨迹(13，14)。
6.根据权利要求3和5的电流传感器，其特征在于，接地平面(15a，15b)形成完全围绕着所述开口(12)的闭合环。
7.根据权利要求5或6的电流传感器，其特征在于，第二导电轨迹(14)连接到接地平面(15a，15b)的一个点(16)上，该点与第一导电轨迹(13)相邻，与第一导电轨迹(13)相连的所述求和点(8)与接地平面的连接到第二导体轨迹(14)上的点(16)相邻。
8.根据权利要求1-7之一的电流传感器，其特征在于，磁场灵敏元件(6)是霍尔效应探头。
9.根据权利要求8的电流传感器，其特征在于，每个霍尔效应探头(6)包括第三和第四端子(6c，6d)，所有霍尔效应探头(6)的第三端子(6c)与印刷电路(11)的第三导电轨迹(17)相连，第三导电轨迹与第一固定电位的一个点(18)连接，该轨迹以之字形形成在所述印刷电路上，以便与第一和第二导电轨迹(13，14)形成扭转或编织结构。
10.根据权利要求3和9的电流传感器，其特征在于，第三导电轨迹(17)形成完全围绕着所述开口(12)的闭合环。
11.根据权利要求9或10的电流传感器，其特征在于，霍尔效应探头(6)的第二和第四端子(6b，6d)一起与印刷电路(11)的第二导电轨迹(14)相连，而该第二导电轨迹连接到第二固定电位上或接地电位(15)上。
12.根据权利要求10或11的电流传感器，其特征在于，与第三导电轨迹(17)相连的所述第一固定电位的点(18)位于印刷电路(11)上，处在所述求和点(8)和连接接地平面(15)的所述点(16)的旁边。
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