CN101949965A - 电流传感器 - Google Patents

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CN101949965A CN2010102247119A CN201010224711A CN101949965A CN 101949965 A CN101949965 A CN 101949965A CN 2010102247119 A CN2010102247119 A CN 2010102247119A CN 201010224711 A CN201010224711 A CN 201010224711A CN 101949965 A CN101949965 A CN 101949965A
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余孔惠
小林正和
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Abstract

一种电流传感器，包括：环形的磁性材料磁芯；缠绕在磁性材料磁芯上的激励线圈；缠绕在磁性材料磁芯上的补偿激励线圈；第一激励电路，对激励线圈施加交流激励电压；第二激励电路，施加与激励电压的上升沿和下降沿同步的脉冲电压，该脉冲电压使得补充线圈产生与激励线圈产生的磁场具有相同方向的磁场；电流到电压转换器，将流过激励线圈的电流转换为电压；以及检测单元，检测当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向和负方向上饱和时的各个时间。

Description

电流传感器
技术领域
本发明涉及一种磁通门(fluxgate)型电流传感器，其用作检测电子设备，例如太阳能发电系统或空调中的漏电的传感器。
背景技术
常规地，从安全操作观点来看(例如，检测漏电)，电流传感器用于测量使用直流电的电子设备中的直流电流。磁通门型电流传感器(此后简称为“电流传感器”)被经常使用，因为其可以用在常温下，而且可以容易地被缩小尺寸和超敏(super-sensitized)，而且对于极小的电磁场，其具有高磁化率。这样的电流传感器已被公开，例如在临时公开号为HEI 07-128373A和2000-2738A的日本专利申请中。
图6示出了常规的电流传感器的示意性结构。通常，电流传感器包括：环形软磁性材料的磁芯21，磁芯21由高磁导率材料制成，例如透磁合金(permalloy)；激励线圈22，其缠绕在磁芯21的圆周上；振荡电路23，其在激励线圈22上施加激励电压；电流到电压转换器24，其将流过激励线圈22的电流转换为电压；以及比较器25。导线30布置为穿过磁芯21，导线30上流有待测量的电流。
图7是图示了图6中所示的电流传感器的操作的时序图。图7分别显示了当没有电流流过导线30时，激励电压、检测到的电流以及比较器的输出的波形。另外，图7的右上部所示的图形是显示了激励线圈22的B-H特征的磁滞回线(magnetic hysteresis loop)。振荡电路23在激励线圈22上施加预定频率的矩形交流信号来作为激励电压。此时，磁芯21被激励，以使具有图7中所示的B-H特征的磁芯21充分地磁饱和。电流到电压转换器24检测流过激励线圈22的电流，将检测到的电流转换为电压，并将电压输出到比较器25。这里，因为激励线圈22在磁芯21未饱和的区域具有感应系数，因此检测到的电流基本上线性地增加或减少。在磁芯21饱和的区域，因为激励线圈22的感应系数减小，大的电流流过并且波形基本上变成脉冲(峰值)波。比较器25从电流到电压转换器24的输出，检测指向加号方向的脉冲的位置以及指向减号方向的脉冲的位置。也就是，当比较器25检测到正脉冲的上升沿时，比较器25将其输出从加号转换为减号。接着，当比较器25检测到负脉冲的下降沿时，比较器25将其输出从减号转换为加号。因此，当在导线30上没有电流时，从正脉冲到负脉冲的时间t1等于从负脉冲到正脉冲的时间t2。比较器25的输出是矩形波信号，其占空比为50％，具有与激励电压相同的频率。
图8为图示了图6中的电流传感器的操作的时序图。图8显示了当电流在正方向上(图6中的箭头所示方向)流过导线30时的各个波形。当电流在正方向上流过导线30时，磁芯21的B-H曲线显示了B-H曲线移动了由导线30产生的正磁场+ΔH。即，当振荡电路23对激励线圈22施加预定频率的矩形交流信号来作为激励电压时，磁芯21显示了这样的特征，即如果在正方向上施加磁场，则磁芯21容易饱和，如果在负方向上施加磁场，则磁芯21不容易饱和。因此，从正脉冲到负脉冲的时间t1大于从负脉冲到正脉冲的时间t2。因此，比较器25的输出与激励电压的频率相同并且具有t2/(t1+t2)的占空比(其中t1＞t2)。另外，由于产生的磁场+ΔH与流过导线30的电流成比例，比较器25的输出信号的占空比示出了流过导线30的电流的量和方向。
图9是图示了图6中所示的电流传感器的操作的时序图。图9显显示了当电流在负方向上(与图6中的箭头所示方向相反的方向)流过导线30时的各个波形。当电流在负方向上流过导线30时，磁芯21的B-H曲线显示了B-H曲线移动了由导线30产生的负磁场-ΔH。即，当振荡电路23对激励线圈22施加预定频率的矩形交流信号来作为激励电压时，磁芯21显示了这样的特征，即如果在正方向上施加磁场，则磁芯21不容易饱和，如果在负方向上施加磁场，则磁芯21容易饱和。因此，从正脉冲到负脉冲的时间t1小于从负脉冲到正脉冲的时间t2。因此，比较器25的输出与激励电压的频率相同并且具有t2/(t1+t2)的占空比(其中t1＜t2)。另外，由于产生的磁场-ΔH与流过导线30的电流成比例，比较器25的输出信号的占空比示出了流过导线30的电流的量和方向。
如上所述，通过利用磁芯21的B-H曲线根据流过导线30的电流所产生的磁场移动的特征，电流传感器可以输出流过导线30的电流的方向和值。
发明内容
磁通门型电流传感器主要用于检测直流电流，但未广泛用于检测交流电流。为此可构造这样的电流传感器，其基于磁芯21在正方向上饱和所需的时间与磁芯21在负方向上饱和所需的时间的时间差，来检测流过导线30的电流的方向和值。激励电压的频率不能上升到能够检测到交流电流的高频率。电流传感器的磁芯21具有主要由材料所决定的预定的B-H特征。当使用具有低斜度(即，具有低磁导率)的B-H曲线的磁芯21时，施加激励电压的时间和磁芯21饱和的时间之间的时间延迟变大。因为该时间延迟控制激励电压的频率，当使用具有低斜度的B-H曲线的磁芯21时，激励电压的频率不能升高到能检测到交流电流的高频率。另外，可以使用具有完美矩形形状特征的B-H曲线的磁性材料磁芯，例如钴基非晶态合金(cobalt base amorphous alloy)。然而，具有完美矩形形状特征的磁性材料通常很昂贵。
本发明致力于解决上述问题。本发明的优点在于其提供了一种电流传感器，通过用一个简单的结构升高激励电压的频率，以使得该电流传感器能够检测交流电流和直流电流。
根据本发明的一个方面，提供了一种电流传感器，用于检测流过导线的待测电流的方向和量，该电流传感器包括：环形的磁性材料磁芯，在磁性材料磁芯的中心部具有开口，导线穿过该开口；缠绕在磁性材料磁芯上的激励线圈；缠绕在磁性材料磁芯上的补偿激励线圈；第一激励电路，对激励线圈施加预定频率的矩形波形的交流激励电压，该交流激励电压引起激励线圈使得磁性材料磁芯中的磁场在正方向和负方向上都饱和；第二激励电路，对补充线圈施加正脉冲电压和负脉冲电压，该正脉冲电压和负脉冲电压分别与交流激励电压的上升沿和下降沿同步，以便使补充线圈产生的磁场方向与通过对激励线圈施加交流激励电压所产生的磁场的方向一致；电流到电压转换器，将流过激励线圈的激励电流转换为电压，并输出检测电压；以及检测单元，基于该检测电压来分别检测当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向上饱和时的时间，以及当磁性材料磁芯上的交流磁场在负方向上饱和时的时间。在该结构中，当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向和负方向上饱和时的时间对应于待测量电流的方向和量。利用该结构，可以用简单的结构来升高激励电压的频率，从而能够提供能够检测交流电流和直流电流的电流传感器。
在至少一个方面，施加到补充激励线圈上的正脉冲电压和负脉冲电压可以具有比当只用激励线圈使得磁性材料磁芯中的交流磁场饱和时所需的饱和时间短的脉冲宽度。利用该结构，使得磁芯饱和所需的时间的确可以被缩短，而不会干扰电流传感器的敏感度。
在至少一个方面，第二激励电路可以包括：第一开关元件，其施加正脉冲电压；第二开关元件，其施加负脉冲电压；以及切换电路。在该情况中，切换电路控制第一开关元件，并且当切换电路检测到交流激励电压的上升沿时产生正脉冲电压，切换电路控制第二开关元件，并且当切换电路检测到交流激励电压的下降沿时产生负脉冲电压。利用该结构，可以用简单的结构来升高激励电压的频率。
在至少一个方面，检测单元可以包括比较器，该比较器基于当磁性材料磁芯中的交流磁场在正方向上饱和时的时间，以及当磁性材料磁芯中的交流磁场在负方向上饱和时的时间，来转换输出状态。利用该结构，可以确定地检测饱和时间。
在至少一个方面，电流传感器还可以包括低通滤波器，其平均所述比较器的输出信号。利用该结构，使得后续处理更容易。
在至少一个方面，电流传感器还可以包括放大器，其确定所述低通滤波器的输出和预定参考电压之间的差。利用该结构，使得后续处理更容易。
附图说明
图1为图示了根据本发明的实施例的电流传感器的总体结构的框图。
图2为根据本发明的实施例的电流传感器的电路图。
图3为图示了当没有电流流过导线时电流传感器的操作的时序图。
图4为图示了当电流在正方向上流过导线时电流传感器的操作的时序图。
图5为图示了当电流在负方向上流过导线时电流传感器的操作的时序图。
图6为图示了常规的电路传感器的结构的框图。
图7为图示了当没有电流流过导线时常规电流传感器的操作的时序图。
图8为图示了当电流在正方向上流过导线时常规电流传感器的操作的时序图。
图9为图示了当电流在负方向上流过导线时常规电流传感器的操作的时序图。
具体实施方式
下面描述根据本发明的一实施例的电流传感器。图1为图示了根据本发明实施例的电流传感器1的总体结构的框图。图2为电流传感器1的电路图。图3为图示了当没有电流流过图1中的导线10时的各个波形的时序图。这里，给各图中每个相同结构赋予相同的附图标记。
根据本发明的实施例的电流传感器1包括：磁芯11、激励线圈12、振荡电路13、电流到电压转换器14、比较器15、滤波器16、放大器17、触发线圈(shot coil)控制电路18和触发线圈19。其上流有待测电流的导线10布置为使得导线10穿过磁芯11。
磁芯11是环形软磁性材料的磁芯，由高磁导率材料制成(例如透磁合金)。磁芯11在其中心部分具有开口，导线10穿过该开口。
激励线圈12缠绕(3000-5000匝)在磁芯11上以形成螺旋管形。激励线圈12的一端连接到振荡电路13上，激励线圈12的另一端连接到电流到电压转换器14。当由振荡电路13施加交流激励电压到激励线圈12时，交流激励电流流过，从而激励磁芯11。
振荡电路13(第一激励电路)是将预定频率(例如2kHZ-4kHZ)的矩形交流信号施加到激励线圈12上作为交流激励电压的电路。取决于磁芯11的B-H特征，交流激励电压具有足够大的幅度来使得磁芯11的正方向和负方向上的磁场(交流磁场)被充分地磁饱和(图3)。另外，振荡电路13连接到触发线圈控制电路18，矩形交流信号也被提供给触发线圈控制电路18。在该实施例中，振荡电路13配置有运算放大器。
触发线圈19缠绕(例如，3-5匝)在磁芯11上以形成螺旋管形，触发线圈19的一端连接到触发线圈控制电路18中的NPN晶体管TR1的发射极和PNP晶体管TR2的发射极，触发线圈19的另一端连接到地电势。当触发线圈19被施加来自触发线圈控制电路18的脉冲形电压(触发脉冲)时，触发线圈19在磁芯11中产生磁场。即，触发线圈19的功能是补充激励线圈。
触发线圈控制电路18(第二激励电路)包括NPN晶体管TR1(第一开关元件)、PNP晶体管TR2(第二开关元件)以及开关控制电路CPU。该开关控制电路CPU接收来自振荡电路13的矩形交流信号并产生与该矩形交流信号同步的同步脉冲。开关控制电路CPU利用同步脉冲来控制NPN晶体管TR1和PNP晶体管TR2，并在触发线圈19上施加正或负触发脉冲。具体地，开关控制电路CPU产生正同步脉冲，该正同步脉冲与矩形交流信号的上升沿同步，该正同步脉冲的持续时间与20％的占空比相对应。开关控制电路CPU将正同步脉冲输入到NPN晶体管TR1的基极，因而将NPN晶体管TR1设为导通(ON)。当NPN晶体管TR1导通时，连接到NPN晶体管TR1的集电极的电压(+12V)被施加到触发线圈19来作为正触发脉冲。另外，触发线圈控制电路18产生负同步脉冲，该负同步脉冲与矩形交流信号的下降沿同步，该负同步脉冲的持续时间与20％的占空比相对应。触发线圈控制电路18将负同步脉冲输入到PNP晶体管TR2的基极，因而将PNP晶体管TR2设为导通。当PNP晶体管TR2导通时，连接到PNP晶体管TR2的集电极的电压(-12V)被施加到触发线圈19来作为负触发脉冲。因此，在激励电压上升之后与占空比的20％的持续时间相对应的时间段内，激励线圈12和触发线圈19同时在正方向上在磁芯11中激励出磁场。在激励电压下降之后与占空比的20％的持续时间相对应的时间段内，激励线圈12和触发线圈19同时在负方向上在磁芯11中激励出磁场。因此，使磁芯11的正方向上的磁场饱和的时间(timing)以及使磁芯11的负方向上的磁场饱和的时间被缩短。流过激励线圈12的电流，即检测到的电流，在常规电流传感器的检测电流的情况下，基本上是脉冲波形。但是该检测到的电流被观测到为这样的波形：当检测到的电流从负向正转换时在正方向上偏移，当检测到的电流从正向负转换时在负方向上偏移(参见图3)。
电流到电压转换器14检测流过激励线圈12的电流并将电流转换为电压，例如通过电阻器。检测到的电压输出到比较器15。
比较器15(检测单元)检测来自电流到电压转换器14的输出上的正方向上的脉冲的位置和负方向上的脉冲的位置，即，当磁芯11中的交流磁场在正方向上饱和时的时间以及当磁芯11中的交流磁场在负方向上饱和时的时间。当比较器15检测到正脉冲的上升沿时(当磁场在正方向上饱和)，比较器的输出从正切换到负，当比较器15检测到负脉冲的下降沿时(当磁场在负方向上饱和)，比较器的输出从负切换到正。比较器15的输出信号的占空比为表示了流过导线10的电流的量和方向的信号，如同常规的电流传感器的情况一样。在图3的情况中，因为没有电流流过导线10，输出信号具有占空比为50％的波形。在该实施例中，比较器15为由运算放大器制成的比较器，并且比较器15具有滞后特性。
滤波器16为低通滤波器，用于平均(积分)比较器15的输出。在该实施例中，滤波器16为包括运算放大器、电阻和电容的二阶低通滤波器。电阻和电容的值决定了低通滤波器的截止频率，这些值取决于电流传感器1是如何使用的而不同。选择相对长的时间常数来检测直流电流，选择响应于交流波形的频率短的时间常数来检测交流电流，以便能够充分采样待检测的交流波形。滤波器16将流过导线10的电流转换为交流电压，从而能容易地执行后续处理。
放大器17确定滤波器16的输出和参考电压(例如0V)之间的差，然后对滤波器16的输出施加预定的增益并输出结果。在该实施例中，放大器17包括用于确定输入电压和参考电压(0V)之间的差的误差放大器，以及用于转换和放大误差放大器的输出的转换放大器。放大器17将流过导线10的电流转换为模拟电压，该模拟电压具有与预定的参考电压相对应的预定幅度，从而能容易地执行后续处理。
在该实施例中，比较器15的输出信号的占空比表示流经导线10的电流的方向和量，如同常规电流传感器的情况一样。因此，后续的滤波器16的输出和放大器17的输出实际为表示电流的方向和量的信号。用未在图中示出的外部电路或设备来操作和处理放大器17的输出，从而能够测量电流的值。另外，在图3中，由于没有电流流过导线10，滤波器16的输出和放大器17的输出观测为以0V为中心的小的三角波。
图4为图示了当电流在正方向上(图1中箭头所示方向)流过图1中所示的导线10时各个波形的时序图。
当电流在正方向上流过导线10时，磁芯的B-H特征显示了移动了由导线10产生的正磁场+ΔH的特征。即，当振荡电路13在激励线圈12上施加预定频率的矩形交流信号作为激励电压时，特征变为，当在正方向施加磁场时磁场容易饱和，当在负方向上施加磁场时磁场不容易饱和。因此，从正脉冲到负脉冲的时间t1比从负脉冲到正脉冲的时间t2长。比较器15的输出具有与激励电压相同的频率并且占空比为t2/(t1+t2)(其中t1＞t2)。滤波器16的输出，其为比较器15的输出的平均值，观测到为在负电压范围内振荡的锯齿波。另外，滤波器16的输出被放大器17转换和放大，观测到为在正电压范围内振荡的锯齿波。
图5为图示了当电流在负方向上(图1所箭头所示方向的反方向)流过图1中所示的导线10时，各个波形的时序图。
当电流在负方向上流过导线10时，磁芯11的B-H特征显示了移动了由导线10产生的负磁场-ΔH的特征。即，当振荡电路13在激励线圈12上施加预定频率的矩形交流信号作为激励电压，特征变为，当在正方向施加磁场时磁场不容易饱和，当在负方向上施加磁场时磁场容易饱和。因此，从正脉冲到负脉冲的时间t1比从负脉冲到正脉冲的时间t2短。比较器15的输出具有与激励电压相同的频率并且占空比为t2/(t1+t2)(其中t1＜t2)。滤波器16的输出，其为比较器15的输出的平均值，观测到为在正电压范围内振荡的锯齿波。另外，滤波器16的输出被放大器17转换和放大，观测到为在负电压范围内振荡的锯齿波。
如上所述，在根据该实施例的电流传感器1中，激励线圈12和触发线圈10在预时间同时在磁芯中激励磁场，从而缩短了使磁芯11饱和所需的时间。因此，激励电压的频率可以升高与磁芯11饱和所需时间的缩短量相对应的量，从而使得不仅能够检测直流电流还能检测交流电流。另外，可以利用具有相比于常规电流传感器所用的磁芯的B-H曲线的斜度更小的B-H曲线的不昂贵的磁芯(即具有低磁导率)。
在该实施例中，触发脉冲的脉冲宽度被描述成相对于矩形交流信号的频率为占空比20％，但是脉冲宽度不限于该实施例。触发脉冲的脉冲宽度可以是比当磁芯11中的磁场仅通过激励线圈12饱和时，输入激励电压后使磁芯11中的磁场饱和所需的饱和时间的最小值更短的任何时间段。即，所需的饱和时间取决于流过导线10的电流的量而不同。所需的最小饱和时间(例如，对应于占空比25％)为当检测到用于电流传感器1的最大允许电流值时所需的饱和时间。如果触发脉冲的脉冲宽度比所需的最小饱和时间短，饱和所需的时间可以被一定地缩短，而不会干扰电流传感器1的原始敏感度。另外，取决于所使用的磁芯的B-H曲线的斜度，触发脉冲的脉冲宽度可以在上达最小所需饱和时间的范围内被适当改变。因为当触发脉冲的脉冲宽度被拉长时磁芯更快速地饱和，这有利于当使用不昂贵的磁芯时拉长触发脉冲的脉冲宽度。
另外，根据该实施例的触发脉冲被描述为与矩形交流信号的上升沿同步的正触发脉冲和与矩形交流信号的下降沿同步的负触发脉冲，但是触发脉冲不限于该实施例。即，如果激励线圈12产生的磁场的方向和触发线圈19产生的磁场的方向相同即可。例如的，当激励线圈12的缠绕方向和触发线圈19的缠绕方向不同时，触发脉冲为与矩形交流信号的下降沿同步的正触发脉冲和与矩形交流信号的上升沿同步的负触发脉冲。
根据该实施例的触发线圈控制电路18包括NPN晶体管TR1、PNP晶体管TR2和开关控制电路CPU，但是触发线圈控制电路18不限于该实施例。例如，可以使用模拟开关而不是晶体管。时间切换电路CPU可以配置为具有计时电路和模拟开关。
另外，根据该实施例的滤波器16被描述为二阶低通滤波器，但是滤波器16不限于该实施例。滤波器16可以是包括电阻和电容的一阶低通滤波器。

Claims (6)

1.一种电流传感器，用于检测流过导线的待测电流的方向和量，包括：
环形的磁性材料磁芯，在磁性材料磁芯的中心部具有开口，所述导线穿过该开口；
缠绕在磁性材料磁芯上的激励线圈；
缠绕在磁性材料磁芯上的补偿激励线圈；
第一激励电路，对激励线圈施加预定频率的矩形波交流激励电压，该交流激励电压导致激励线圈使磁性材料磁芯中的磁场在正方向和负方向上都饱和；
第二激励电路，对补充激励线圈施加正脉冲电压和负脉冲电压，该正脉冲电压和负脉冲电压分别与交流激励电压的上升沿和下降沿同步，以便使补充线圈产生的磁场方向与通过对激励线圈施加交流激励电压所产生的磁场的方向一致；
电流到电压转换器，将流过激励线圈的激励电流转换为电压，并输出检测电压；以及
检测单元，基于该检测电压来分别检测当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向上饱和时的时间，以及当磁性材料磁芯上的交流磁场在负方向上饱和时的时间，
其中当磁性材料磁芯上的交流磁场在正方向和负方向上饱和时的时间对应于待测量电流的方向和量。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，正脉冲电压和负脉冲电压具有比当只用激励线圈使得磁性材料磁芯中的交流磁场饱和时所需的饱和时间短的脉冲宽度。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，
其中第二激励电路包括：
第一开关元件，其施加正脉冲电压；
第二开关元件，其施加负脉冲电压；
切换电路，
其中该切换电路控制该第一开关元件，并且当该切换电路检测到交流激励电压的上升沿时产生正脉冲电压，并且该切换电路控制该第二开关元件，并且当该切换电路检测到交流激励电压的下降沿时产生负脉冲电压。
4.根据权利要求1至3中任一项中所述的电流传感器，其中检测单元包括比较器，该比较器基于当磁性材料磁芯中的交流磁场在正方向上饱和时的时间，以及当磁性材料磁芯中的交流磁场在负方向上饱和时的时间，来转换输出状态。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，还包括低通滤波器，其平均所述比较器的输出信号。
6.根据权利要求4所述的电流传感器，还包括放大器，其确定所述低通滤波器的输出和预定参考电压之间的差。
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