Stromsensoren für hohe Leistungsdichte-Anforderungen
Magnetoresistive (MR)-Sensoren können auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen, haben aber die Gemeinsamkeit, dass sich der elektrische Widerstand des Sensorelements unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert.
Die inneren Strukturen der MR-Sensoren können die Hersteller in mannigfaltigen Anordnungen realisieren, wodurch sich die Sensortechnologie für unterschiedliche Anwendungen adaptieren lässt. So können die Sensoren beispielsweise Magnetfeld-Stärke oder Magnetfeld-Gradienten erfassen.
Der anisotrope magnetoresistive (AMR)-Effekt ist seit über 150 Jahren bekannt. 1857 entdeckte ihn Lord Kelvin erstmals. Der AMR-Effekt tritt in ferromagnetischen Werkstoffen auf wie etwa Nickel-Eisen Schichten, die als Streifenelemente angelegt sind und deren spezifischer Widerstand sich mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung ändert. Durch eine geschickte Anordnung der Strukturen im Sensor können Hersteller so sehr unterschiedliche Sensoren konstruieren, um beispielsweise einen Magnetfeld-Gradienten oder einen Magnetfeld-Winkel zu erfassen.
Erst von rund 30 Jahren machte die Dünnschichttechnik den AMR-Effekt für die sensorische Nutzung zugänglich. MR-Sensoren erobern seitdem ständig neue Applikationsfelder in der Magnetfeldmessung. Die Einsatzgebiete sind jedoch nicht auf „irdische” Anwendungen begrenzt – sie kommen auch zum Steuern der elektrischen Antriebe an Bord von „Curiosity” zum Einsatz, dem Fahrzeug, das im August 2012 erfolgreich auf dem Mars landete. MR-Sensoren eignen sich insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen wie etwa Raddrehzahlsensoren für das ABS-System oder Lenkwinkelsensoren für das ESP-System in Automobilen. Der magnetoresistive Effekt ist zudem besonders interessant für den Bereich Strommessung. Die äußerst hohe Empfindlichkeit stellt sicher, dass kein Eisenkern nötig ist, um das Magnetfeld zu konzentrieren, das der stromdurchflossene Leiter erzeugt. Das bedeutet, dass MR-basierte Stromsensoren kaum Hysterese aufweisen und eine wesentlich höhere Bandbreite haben. Im Vergleich zu Shunt-Lösungen bieten MR-Sensoren zudem den Vorteil der galvanischen Trennung bei geringeren Verlusten. Dies ist besonders wichtig in Hochspannungs-Anwendungen und dort, wo die gesamte Leistungseffizienz ein wichtiger Design-Treiber ist wie bei der Elektromobilität. Der MR-Effekt bietet eine einzigartige Kombination aus Bandbreite, Auflösung, Miniaturisierung und Robustheit und ist besonders für kompakte, schnelle Stromsensoren geeignet. Die Verlustleistung ist deutlich geringer als bei Shunt-Widerständen und die Responsezeit fast eine Größenordnung schneller als bei Hall-Effekt basierenden Stromsensoren. Darüber hinaus verfügen MR-Stromsensoren über eine sehr hohe Bandbreite, die für den Einsatz von neuen leistungselektronischen Technologien wie etwa SiC-Schalter und Dioden eine Bedingung darstellt.
Dieser Beitrag ist in der emobility tec, dem technischen und technologischen Fachmedium für Hybridfahrzeuge und Elektromobilität, erschienen.