Richi´s Lab

Sensitec CDS4000 et al.

CDS4000

CDS4000

Sensitec bietet einige Stromsensoren an, die auf dem GMR-Effekt beruhen, wie er im Rahmen des GLM712 beschrieben ist. Eine Stromsensor Modellreihe trägt die Bezeichnung CDS4000. Die Bausteine dieser Modellreihe bieten einen Nennstrombereich von 6A bis 150A. Das Datenblatt gibt eine typische Genauigkeit von 0,8% an. Die Grenzfrequenz liegt bei 400kHz.

 

CDS4000 Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das zeigt wie die Stromsensoren aufgebaut sind. Grundlage ist eine Messbrücke aus GMR-Elementen, die das umgebende Magnetfeld in eine Spannung wandelt. Der Strompfad ist hier nicht abgebildet. Er führt auf einer Seite der Messbrücke nach oben und auf der anderen Seite wieder nach unten. Durch diesen Aufbau erzeugt der Strom eine Art differentielles Magnetfeld in der Messbrücke. Externe Störfelder wirken sich kaum auf die Schaltung aus.

Die Stromsensoren arbeiten nach dem Kompensationsprinzip. Das über die Messbrücke ausgegebene Signal durchläuft eine gewisse Offsetkorrektur und steuert dann einen Push-Pull-Treiber, der eine Spule innerhalb der Messbrücke treibt. Das so generierte Magnetfeld kompensiert das Magnetfeld, dass der zu bestimmende Strom erzeugt. Hat sich die Regelschleife eingeschwungen, so ist das Steuersignal des Push-Pull-Treibers proportional zum zu bestimmenden Stromwert. Das Steuersignal wird verstärkt und als proportionaler Stromwert ausgegeben.

Der CDS4000 enthält außerdem einen Spannungsregler für die Messbrücke, eine 2,5V-Referenzspannungsquelle und einen konfigurierbaren Überstromsignalausgang.

 

CFS1000

Eine aktuellere Variante der GMR-Stromsensoren ist der CFS1000. Es handelt sich dabei um ein SMD-Package, das auf der Leiterschleife platzieren werden muss, deren Strom vermessen werden soll. Das Datenblatt zeigt den inneren Aufbau des Sensors. Den öffentlich verfügbaren Dokumenten nach zu schließen, ist dieser Aufbau in sehr vielen von Sensitec vertriebenen Stromsensoren zu finden.

 

CDS4000 Hybrid

Hier ist ein noch nicht vereinzelter Stromsensor zu sehen, der im Großen und Ganzen den oben beschriebenen Stromsensoren entspricht.

Auf einem Keramikträger befinden sich zwei Dies, der kleinere Magnetfeldsensor und die größere Auswerteeinheit. Die schwarzen Quader sind Magnete. Sie erzeugen ein Offset-Magnetfeld, das es ermöglicht positive und negative Ströme zu bestimmen. Über die rechte Kante wird der Baustein kontaktiert.

 

CDS4000 Hybrid Detail

Der Magnetfeldsensor ist ausschließlich mit der Auswerteeinheit verbunden.

 

CDS4000 GMR Die

Der Magnetfeldsensor trägt das Sensitec-Logo und die Bezeichnung ADK769. Mit dieser Bezeichnung finden sich weiterführende Informationen, unter anderem der IEEE-Artikel "High accuracy, high bandwidth magnetoresistive current sensors for spacecraft power electronics". Der Artikel ermöglicht es unter anderem die Kontakte zuzuordnen. Über die rechten beiden Bondpads Ik1/Ik2 wird demnach das Kompensationsfeld eingestellt. Die Versorgung der Messbrücke erfolgt über die Kontakte Us1/Us2. Das Ausgangssignal kann über Uo1/Uo2 abgegriffen werden.

 

CDS4000 GMR Die Detail

CDS4000 GMR Die Detail

Auf dem Die sind zwei Lagen direkt erkennbar. Die obere, dunklere Lage ist höchstwahrscheinlich eine Metallschicht, die hauptsächlich dazu dient das Kompensationsmagnetfeld einzustellen. Die violetten Leitungen sind wahrscheinlich mit Polysilizium aufgebaut.

Die eigentlichen GMR-Elemente befinden sich unter den schrägen Streifen. Die schrägen Streifen bestehen üblicherweise aus einem gut leitenden Metall, das auf dem GMR-Element aufliegt. Durch diesen Aufbau fließt der Strom schräg durch das GMR-Material, was im relevanten Magnetfeldbereich zu einer Linearisierung der Widerstandskennlinie führt. Als vorteilhafter Nebeneffekt ergibt sich eine höhere Empfindlichkeit bei geringen Feldstärken.

 

CDS4000 GMR Die Detail

Der Strom, der das Kompensationsfeld erzeugt, wird in Schleifen über die Sensorflächen geführt.

 

CDS4000 GMR Stromlaufplan

Eine Messbrücke ist von Natur aus sehr robust gegenüber Störungen, hier hat man die Widerstände zusätzlich in vier Elemente aufgeteilt.

 

CDS4000 GMR Die Stromlaufplan

CDS4000 GMR Die Stromlaufplan

Die Verschaltung der GMR-Elemente ist sicherlich so gewählt, dass sich Störfelder und Drifts möglichst ideal kompensieren.

 

CDS4000 Auswertung Die

Das Die zur Auswertung des Magnetfeldsensors ist verhältnismäßig komplex. Die obere Hälfte enthält zum Großteil analoge Schaltungsteile, in der unteren Hälfte befinden sich digitale Elemente.

 

CDS4000 Auswertung Die Detail

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CDS4000 Auswertung Die Detail

Das Die besitzt einige ungenutzte Kontaktpads. Der optischen Erscheinung nach stellen nur vier davon zusätzliche Bondpads dar. Die anderen 14 Kontakte scheinen mit Fuses verbunden zu sein. Wahrscheinlich lässt sich darüber die Auswertung an die verschiedenen Sensorvarianten anpassen.

 

CDS4000 Auswertung Die Detail

In der oberen rechten Ecke des Dies befinden sich größere Strukturen. Man kann die Transistorflächen erahnen, die die Kompensationsspulen treiben.

Es könnte sein, dass die größeren Strukturen im linken Bereich den Spannungsregler darstellen, der die Messbrücke versorgt.

 

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