CN101438173B - 在电流测量探头中使用的电流感测电路 - Google Patents

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Abstract

一种电流感测装置具有变压器，其中待测量电流感生磁芯(12)内的磁通量。磁芯具有用于感测DC到低频电流信号的磁-电转换器(28)和用于感测更高频率电流信号的次级绕组(18)。磁-电转换器生成输出，该输出通过放大器耦合到跨阻放大器(20)的非反相输入。跨阻放大器的反相输入耦合到变压器的次级绕组。具有跨阻电阻器(24)的电流信号通路将反相输入耦合到跨阻放大器的输出。跨阻放大器用作将抑制电流耦合到DC到低频率电流信号的变压器的功率放大器和更高频率信号的跨阻增益放大器。

Description

在电流测量探头中使用的电流感测电路
技术领域
本发明一般涉及电流测量探头并且更具体而言涉及在电流测量探头中使用的电流感测(sensing)电路。
背景技术
电流探头一般通过使用电流感测电路来感测导体中的电流流动生成的磁通量来测量导体中的电流。电流感测电路将经感测电流信号转换成耦合到例如示波器等等的测量测试仪器的电压输出信号以便显示和分析。电流感测电路一般具有变压器输入，其中变压器具有磁性材料的环形磁芯(ringsha ped core)。变压器的初级绕组是导体，在该导体中，电流被测量并被置于环形磁芯内。在初级绕组中的电流感生磁芯中的磁通量。变压器的次级绕组环绕磁芯并且被耦合到端接电阻。在变压器的初级绕组中流动的交流电感生次级绕组中的电压，该次级绕组在引起与输入通量相反的方向上的磁动势或通量的方向产生交流电。次级绕组中的交流电被耦合到将交流电信号转换成电压信号的端接电阻。
由于变压器是AC信号耦合装置，变压器的通带(passband)的截止频率在DC水平之上。为了允许电流感测电路感测DC和低频电流信号，将霍尔(Hall)效应装置包含在变压器的磁芯内。霍尔效应装置是被安置在磁芯中使得磁芯中的磁通量基本上与霍尔效应装置垂直的半导体。将偏压(bias)施加到霍尔板并且由磁芯中的磁通量引起的霍尔效应生成的结果电压被耦合到差动(differential)放大器的输入。可将放大器的单端输出耦合到功率放大器，该功率放大器输出与霍尔效应装置生成的电压成比例的电流。将霍尔装置放大器或可选地将功率放大器的输出耦合到变压器的次级绕组以便使源自放大器的流经次级绕组的输出电流产生通量，该通量在霍尔效应装置的整个频率通带上与输入磁通量相反。在一实施例中，将放大器的输出耦合到次级绕组的一侧，绕组的另侧耦合到变压器端接电阻器和放大器电路。在另一实施例中，将放大器的输出通过电阻器耦合到次级绕组的相同侧作为放大器电路。在放大器电路中将电容耦合到宽带放大器的输入以便阻塞源自霍尔效应放大器的电流。在运算放大器的输入处对霍尔效应放大器的输出和宽带放大器的输出求和(sum)，该运算放大器具有提供与变压器的次级绕组中的经组合电流成比例的电压输出的反馈电阻器。运算放大器的电压输出是对磁芯通量的AC和DC分量(component)的测量。美国专利3,525,041、5,477,135和5,493,211描述了以上电流感测电路。
上述电流感测电路的灵敏度受限于变压器的匝数比和霍尔效应装置。随着次级绕组中的匝数的数量相对于初级绕组增长，总的电流感测电路的灵敏度下降。此外，变压器端接电阻器的包含或将霍尔效应放大器的输出耦合到变压器的次级绕组的电阻器的使用导致变压器频率响应的低频截止点作为L/R的函数增加，其中L是次级绕组的电感而R是次级绕组和变压器端接电阻器的电阻。这要求经组合霍尔效应装置的高频截止点和放大器频率响应延长(extend)以超过(past)变压器频率响应的低频截止点用于从DC到霍尔效应装置的低频响应到变压器的高频响应的平滑交叉(smooth crossover)。此外，现有技术设计要求霍尔效应放大器提供充足的电流以便将DC抑制(null)为在变压器的磁芯中生成的低频通量。霍尔效应装置提供电流输出，该电流输出一般要求使用用于电流探测装置的功率放大器，该电流探测装置具有在几十安培范围内的最大电流额定值。
由于可以使用跨阻放大器代替响应于电流输入信号产生电压输出，‘135和‘211专利建议可以用跨阻放大器来代替具有变压器端接电阻器的电压放大器电路。然而，这种电流感测电路将仍然要求霍尔效应放大器和功率放大器的使用以生成被施加到变压器的次级绕组的屏蔽电流(bucking current)。
因此，需要电流感测电路，其中霍尔效应放大器不生成被施加到变压器的次级绕组的电流信号。此外，需要电流感测电路，该电流感测电路要求使用功率放大器以便生成屏蔽电流以将DC抑制(null)为在变压器的磁芯中的低频通量。这种电路应具有低输入阻抗和高电流对电压增益，该低输入阻抗增加了电流感测电路的灵敏度。
发明内容
因此，满足上述需求的用于检测导体中的电流的电流感测电路具有与导体成链接关系的磁芯，由此导体中的电流的流动产生芯中的磁通量。磁-电转换器和次级绕组通过磁芯中的磁通量链接，其中磁-电转换器在与磁通量基本垂直的平面中置于磁芯内。磁-电转换器响应于磁芯中的磁通量生成输出，该输出被耦合到生成表示磁-电转换器输出的输出的放大器。次级绕组响应于响应于磁芯中的磁通量以便产生交电流输出。跨阻放大器具有被耦合以从次级绕组接收交流电输出的反相输入、被耦合以接收磁-电转换器放大器的输出的非反相输入。跨阻放大器的反相输入通过电流信号通路被耦合到跨阻放大器的输出。电流信号通路将次级绕组中的交流电耦合到跨阻放大器的输出并将表示磁-电转换器输出的电流从跨阻放大器的输出耦合到次级绕组。
如权利要求1所述的电流感测装置优选地具有耦合到导体的初级绕组，用于将磁芯与导体中的电流流动链接。可选地，导体起用于将磁芯与导体中的电流流动链接的初级绕组的作用。磁-电转换器优选地是霍尔效应装置。偏置电压可耦合到跨阻放大器的非反相输入。
当连同所附权利要求书和所附附图一起来阅读时，从以下详细描述中，本发明的目的、优点和新的特征是明显的。
附图说明
图1是依据本发明的电流感测电路实施例的示意性表示。
图2例示了在依据本发明的电流感测电路实施例中的变压器、经组合的霍尔效应装置和放大器的各自频率响应曲线。
具体实施方式
参见图1，示出了用于检测导体中的电流流动的电流感测电路10实施例的示意性表示。电流感测电路10被预期用在通过探头测量在导体中流动的电流的电流测量探头中。电流感测电路10具有限定了孔径的磁性材料的环形磁芯12。用通量链接关系将载流导体14与环形磁芯12耦合。优选地通过多匝数初级绕组16来将载流导体14链接到环形磁芯12，该初级绕组16与载流导体14串联耦合。可选地，可以通过孔将载流导体14插入环形磁芯12并作为初级绕组16。在载流导体14中的待测量电流产生磁芯12中的磁通量并且被链接到多匝数次级绕组18。将次级绕组18的一端耦合到地，其中将另端耦合到跨阻放大器20的反相输入端。将跨阻放大器20的反相输入端通过具有跨阻电阻器24的电流信号通路22耦合到放大器20的输出端。从而，初级绕组16或可选地载流导体14、磁芯12和次级绕组18起到变压器26的作用。将磁-电转换器28置于基本上与磁芯12中的通量线垂直的磁芯12内。优选地，磁-电转换器28是具有耦合到偏压源30的第一对终端和连接到放大器32的差动输入的第二对终端的薄膜半导体霍尔效应装置。在优选实施例中，放大器32是具有低噪声和高共模抑制的高增益差动放大器。将差动放大器32的单端输出耦合到跨阻放大器20的非反相输入。可以将由电流感测电路的消磁产生的偏置(offset)控制信号通过偏置电压线路34施加给差动放大器32。
参见图2，例示了变压器26、经组合的霍尔效应装置28和放大器32的各自频率响应曲线40、42。霍尔效应装置28和放大器组合具有从DC延长到1～2MHZ的开环通带。在优选实施例中，霍尔效应装置28和放大器32的高通3dB衰减频率(roll off frequency)处于1～2KHZ。变压器26的频率响应曲线具有在相同的1～2KHZ中的低截止3dB频率。电流感测电路10的设计提供了从经组合的霍尔效应装置28和放大器32的通带到变压器26的通带的平滑过渡。
变压器26优选地具有从次级绕组18到初级绕组16的10比1的匝数比以便提供在微安范围内的电流信号的经增加敏感度。与例如TCP312电流探头的现有电流测量探头相比，次级绕组18具有约440μH的电感，该TCP312电流探头由俄勒冈州比弗顿(Beaverton)的Tektronix，Inc制造和销售，具有48的变压器次级绕组匝数和4mH的电感。在不降低变压器电阻的情况下减少变压器26的次级绕组18的电感增加了如由图2中的虚线所表示的变压器的低(lower)截止频率。这将导致在经组合的霍尔效应装置28与放大器32和变压器26之间的交叉区域的大幅度下降(substantial dip)。因此，具有数量级比现有电流感测装置小的次级绕组电感的变压器26的使用防止了将电阻耦合到次级绕组18的现有技术电路的使用。跨阻放大器20几乎呈虚短路(0ohm负载)，从而使变压器26延长低截止频率并使变压器的尺寸小型化。
可以通过被安装在导体14上的触点36来将电流感测电路10耦合到例如由Wallingford，CT的Amphenal，Corp.依据零件号码(partnumber)MHC-201制造的载流导体14。触点在正常运行期间提供了电流流经载流导体14的通路。当通过被耦合到变压器26的初级绕组16的触点引线(pin)将电流感测电路10耦合到载流导体14时，电流通路被转到变压器26的初级绕组。初级绕组16中的电流产生链接到次级绕组18和霍尔效应装置28的在变压器26的磁芯12中的磁通量。在初级绕组16中流动的电流的DC或低频分量生成在霍尔效应装置28的第二对终端之间的电势差。将霍尔效应装置28的电压输出耦合到放大器32的差动输入。将放大器32的输出耦合到跨阻放大器20的非反相输入。在跨阻放大器20的非反相输入上由霍尔效应装置28生成的电压导致的变化信号水平产生跨阻放大器20的输出电压水平相应变化。在跨阻放大器20的输出处的电压产生在耦合到变压器26的次级绕组18的电流信号通路22中生成的电流。在次级绕组18中流动的电流与产生磁芯12中磁通量的在初级绕组16中流动的电流相反，在次级绕组18中流动的电流抑制在初级绕组16中流动的电流产生的磁通量。该DC到低频反馈回路维持了等于变压器26初级绕组16中的DC或低电流信号的经过电流信号通路22的反向电流。
在初级绕组16中流动的电流的高频分量生成在次级绕组18中在例如产生磁芯12中的磁场的方向上感生的电流，该磁场与初级绕组16中的电流产生的场方向相反。在次级绕组18中感生的电流被耦合到跨阻放大器20的反相输入。由于反相输入是虚接地(virtua1 ground)的，在次级绕组18中的电流通过电流信号通路22经过跨阻电阻器24耦合到跨阻放大器20的输出，该跨阻放大器20产生表示在初级绕组16中流动的电流的高频分量的经放大电压输出。
跨阻放大器20用作生成抑制DC到低电流频率处的磁芯12中的磁通量的屏蔽电流的功率放大器和更高频率的跨阻放大器。采用跨阻放大器的电流感测电路的电路设计消除了对功率放大器的需要以便生成屏蔽电流以抑制由DC到低频率电流信号导致的磁芯12中的磁通量。与在电流测量探头中使用的先前电流感测电路相比，这减少了电流感测电路10的功率要求。
如先前所陈述的，载流导体14可被用作电流感测装置10中的初级绕组16。通过孔将载流导体14插入环形磁芯12。在载流导体14中流动的处于DC到低频率的电流感生由霍尔效应装置28感测的磁芯12中的磁通量并感生在次级绕组18中的处于更高频率的电流。作为变压器26的初级绕组16的载流导体14的使用将变压器的匝数比从10比1改变为30比1。这导致电流感测电路的总灵敏度的下降。然而，电流感测电路10通过采用作为用于生成DC到低频率抑制电流的功率放大器和作为所感测电流的电压增益放大器的跨阻放大器20仍然节省了功率。
对于本领域技术人员来说明显可以对本发明的上述实施例的细节进行许多改变而不脱离其基本原理。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书确定。

Claims (5)

1.一种用于检测导体中的电流的电流感测装置，包括：
与导体成链接关系的磁芯，从而使导体中的电流的流动产生磁芯中的磁通量；
通过磁芯中的磁通量链接的磁-电转换器和次级绕组，其中磁-电转换器在与磁通量垂直的平面中被置于磁芯内并且产生响应于磁芯中的磁通量的输出，该输出被耦合到产生表示磁-电转换器输出的输出的放大器，并且次级绕组响应于磁芯中的磁通量产生交流电输出；
跨阻放大器，其具有被耦合以从次级绕组接收交流电输出的反相输入、被耦合以接收磁-电转换器放大器的输出的非反相输入和通过电流信号通路被耦合到反相输入的输出，其中电流信号通路将次级绕组中的交流电耦合到跨阻放大器的输出并将表示磁-电转换器输出的电流从跨阻放大器的输出耦合到次级绕组。
2.如权利要求1所述的电流感测装置，还包括耦合到导体的初级绕组，用于将磁芯与导体中的电流的流动链接。
3.如权利要求1所述的电流感测装置，其中导体用作将磁芯与导体中的电流的流动链接的初级绕组。
4.如权利要求1所述的电流感测装置，其中磁-电转换器是霍尔效应装置。
5.如权利要求1所述的电流感测装置，还包括耦合到跨阻放大器的非反相输入的偏置电压。
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