Experten-Guide zu Hall-Effekt-Stromsensoren: Open-Loop & Closed-Loop Konfigurationen

Lernen Sie die Grundlagen von Hall-Effekt-Stromsensoren in diesem technischen Artikel.

Stromsensoren finden breite Anwendung. Eine gängige Technik ist resistive Strommessung, bei der der Spannungsabfall über einem Shunt-Widerstand gemessen wird, um den unbekannten Strom zu bestimmen. Shunt-basierte Lösungen bieten keine galvanische Isolation und sind nicht powereffizient, besonders bei großen Strömen.

Eine weitere weit verbreitete Technik basiert auf dem Hall-Effekt. Ein Hall-Effekt-Stromsensor bietet höheres Sicherheitslevel durch galvanische Isolation zwischen Sensor und zu messendem Strom. Er vermeidet auch die beträchtliche Leistungsdissipation des Shunt-Widerstands bei resistiver Messung.

In diesem Artikel betrachten wir die Basics von Hall-Effekt-Stromsensoren.

Open-Loop Strommessung

Die Struktur eines Hall-Effekt-basierten Open-Loop-Stromsensors ist in Abbildung 1 gezeigt.

Der zu messende Strom fließt durch einen Leiter, der in einem magnetischen Kern liegt. Dadurch erzeugt der Strom ein Magnetfeld im Kern. Dieses Feld wird von einem Hall-Sensor im Kern-Luftspalt gemessen.

Der Output des Hall-Sensors ist eine Spannung proportional zum Kern-Magnetfeld, das auch proportional zum Input-Strom ist. Das Signal des Hall-Devices wird meist durch Signal-Konditionierungs-Schaltung verarbeitet – eine einfache Amplifikationsstufe oder ein komplexerer Circuit zur Elimination von Hall-Device-Drift-Error etc.

Warum brauchen wir einen magnetischen Kern?

Angenommen, es gibt keinen magnetischen Kern. Das Magnetfeld in Distanz r von einem unendlich langen, geraden Leiter mit Strom I ist:

\[B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

Für I=1 A, r=1 cm erhalten wir:

\[B = 2 \times 10^{-5}~Tesla = 0,2~Gauss\]

Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld beträgt ca. 0,5 Gauss. Es ist also sehr herausfordernd, einen 1-A-Strom durch Messung seines Magnetfelds im Freiraum zu erfassen. Um dies zu lösen, nutzen wir einen magnetischen Kern, der das Magnetfeld kanalisiert und konzentriert. Der Kern bietet einen Pfad hoher Permeabilität und wirkt als Feldkonzentrator. Das Magnetfeld im Kern kann hunderte- bis tausendmal größer sein als das, den ein gegebener Strom im Freiraum erzeugen kann.

Der Luftspalt

Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist der magnetische Kern mit einem Luftspalt designed, in dem der Hall-Sensor platziert wird. Der Luftspalt kann Fringing-Flux-Phänomene verursachen, wo einige Flux-Linien von ihrem geraden Pfad abweichen und nicht wie erwartet durch den Sensor gehen. Dieser Fringing-Effekt ist in Abbildung 2 gezeigt.

Wegen des Fringing-Effekts kann die vom Hall-Device gesense Magnetflussdichte kleiner sein als die im Kern. Der Luftspalt kann also die Effizienz des Kerns reduzieren, Primärstrom in starkes Magnetfeld zu konvertieren. Wenn die Spaltlänge jedoch klein im Vergleich zur Spalt-Querschnittsfläche ist, ist der Fringing-Effekt relativ gering.

Wir brauchen den Luftspalt, um das Magnetfeld im Kern messen zu können. Zudem erlaubt er uns, die Gesamt-Reluktanz des Kerns zu modifizieren. Ein hoher Strom kann ein großes Magnetfeld im Kern erzeugen und diesen sättigen, was den maximal messbaren Strom limitiert. Durch Anpassung der Luftspaltlänge können wir den Kernsättigungsgrad ändern. Abbildung 3 zeigt, wie die gesensete Magnetflussdichte sich mit der Luftspaltlänge für einen gegebenen Kern ändert.

Mit kleineren Luftspalten erreichen wir größeren magnetischen Gain (Gauss-per-Ampere Gain). Allerdings kann ein kleinerer Luftspalt den Kern bei relativ kleinerem Strom sättigen. Die Spaltlänge beeinflusst also direkt den maximal messbaren Strom. Zusätzlich bestimmen Kernmaterial, -dimensionen und -geometrie die Effizienz eines magnetischen Kerns. Für Infos zu Kernen für High-Current-Applikationen (>200 A) siehe Application Note von Allegro.

Limitierungen von Open-Loop Strommessung

Bei Open-Loop-Konfiguration können nicht-ideale Effekte wie Linearitäts- und Gain-Errors die Messgenauigkeit beeinflussen. Beispiel: Ändert sich die Sensitivität des Sensors mit Temperatur, erscheint ein temperaturabhängiger Error am Output. Zudem ist der Kern bei Open-Loop der Sättigung ausgesetzt. Auch der Offset des Hall-Sensors und die Koerzitivität des Kerns können zu Errors beitragen.

Closed-Loop Strommessung

Die Closed-Loop Hall-Effekt Strommesstechnik ist in Abbildung 4 illustriert.

Wie der Name andeutet, basiert diese Technik auf negativer Rückkopplung. Hier gibt es eine Sekundärwicklung, die vom Output des Feedback-Pfads getrieben wird. Der Feedback-Pfad sensed das Magnetfeld im Kern und justiert den Strom durch die Sekundärwicklung so, dass das totale Magnetfeld des Kerns null wird. Sehen wir, wie dieser Circuit funktioniert.

Der zu messende Strom fließt durch den Primärleiter und erzeugt ein Magnetfeld im Kern. Dieses wird vom Hall-Sensor im Luftspalt gemessen. Der Output des Hall-Sensors – eine Spannung proportional zum Kern-Magnetfeld – wird amplifiziert und in ein Stromsignal konvertiert, das durch die Sekundärwicklung fließt. Das System ist so designed, dass der Strom durch die Sekundärwicklung ein Magnetfeld erzeugt, das dem des Primärstroms entgegengesetzt ist. Mit totalem Magnetfeld gleich null haben wir:

\[N_p I_p = N_s I_s\]

wobei N_p und N_s die Windungszahlen der Primär- und Sekundärwicklung sind; I_p und I_s die Primär- und Sekundärströme. In Abbildung 4 haben wir N_p=1 und \[V_{out} = R_m \times I_s\]. Damit erhalten wir:

\[V_{out} = R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

Dies gibt eine Spannung proportional zum Primärstrom. Der Proportionalitätsfaktor \[R_m \times \frac{1}{N_s}\] ist Funktion von Windungszahl und Shunt-Widerstandswert. Die Windungszahl ist konstant und Widerstände sind sehr linear.

Open-Loop vs. Closed-Loop Strommessung

Die negative Rückkopplung in Closed-Loop-Architektur erlaubt Reduktion nicht-idealer Effekte wie Linearitäts- und Gain-Errors. Deshalb ist Closed-Loop – im Gegensatz zu Open-Loop – nicht von Drift in der Sensor-Sensitivität betroffen. Closed-Loop bietet höhere Genauigkeit. Ein Closed-Loop-Stromsensor ist robuster gegen Kernsättigung, da die Magnetflussdichte im Kern sehr klein ist.

Bei Closed-Loop wird die Sekundärspule aktiv von einem High-Power-Amplifier getrieben. Die zusätzlichen Komponenten führen zu größerem PCB-Areal, höherem Stromverbrauch und höherem Preis.

Stabilitätsissues sind ein weiterer Nachteil. Bei Closed-Loop muss die System-Transferfunktion hergeleitet und Stabilität sichergestellt werden. Ein instabiles System kann Overshoot oder Ringing bei schnellen Input-Änderungen zeigen. Für Stabilität muss man meist Bandbreite limitieren – was Response Time erhöht und das System unfähig macht, auf schnelle Änderungen zu reagieren. Open-Loop-Konfigurationen zeigen typischerweise schnellere Response Time.

Beachten Sie: Der Offset des Hall-Sensors kann zu Errors sowohl in Closed- als auch Open-Loop beitragen. Der Offset eines qualitativen Indium-Antimonid (InSb) Hall-Elements beträgt typischerweise ±7 mV.

Moderne integrierte Lösungen

Erwähnenswert: Moderne Hall-Effekt-basierte Stromsensoren nutzen innovative Techniken, um obige Limitierungen zu adressieren. Beispiel: Der DRV411 von TI ist ein Signal-Konditionierungs-IC für Closed-Loop, der Current Spinning nutzt, um Hall-Element-Offset und Drift-Errors zu eliminieren (Abbildung 5).

Ein weiteres Beispiel: Der ACS720 [PDF Download] von Allegro für Open-Loop nutzt On-Chip-Temperaturkompensation zur Optimierung der Genauigkeit über Temperatur.

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