CN105807117B - 用于电流测量探头的电流感测电路及其电流测量探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于电流测量探头的电流感测电路以及电流测量探头，电流感测电路包括第一变压器、第二变压器和第一放大器，第一变压器包括第一初级线圈、第一次级线圈、第一磁芯和磁电转换器，第二变压器包括第二初级线圈、第二次级线圈和第二磁芯，磁电转换器通过第一磁芯中的一缝隙安装在第一磁芯中，磁电转换器的输出端与第一放大器的输入端连接，第一初级线圈和第二初级线圈串联连接在电流感测电路的第一输入端和第二输入端之间，第一次级线圈和第二次级线圈串联连接在第一放大器的输出端和电流感测电路的输出端之间。本发明所述的电流感测电路，通过用没有缝隙的磁芯检测高频信号，解决了高频性能受磁芯缝隙结构限制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及探头领域，特别涉及用于电流测量探头的电流感测电路及其电流测量探头。
背景技术
电流测量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的电流。电流感测电路将感测电流信号转换成耦合到例如示波器等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。变压器的初级线圈是导体，在该导体中，电流被测量并被置于环形磁芯内。在初级线圈中的电流感生磁芯中的磁通量。变压器的次级线圈环绕磁芯并且被耦合到端接电阻。在变压器的初级线圈中流动的交流电感生次级线圈中的电压，该次级线圈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。
专利号为200780016687.6，专利名称为“在电流测量探头中使用的电流感测电路”的专利说明书中揭示了一种在电流测量探头中使用的电流感测电路10，如图1所示，电流感测电路10具有限定了孔径的磁性材料环形磁芯12；待测电流通过导电触点36耦合到初级绕组16；该初级绕组16与待测电流串联耦合；待测电流通过初级绕组16与环形磁芯12耦合；待测电流在环形磁芯12中产生磁通量并被链接到次级绕组18；将次级绕组18的一端耦合到地，其中将另一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、磁芯12和次级绕组18当作变压器26。将磁电转换器28置于与磁芯12中的通量线路基本垂直的磁芯12内。将差分放大器34的单端输出耦合到跨阻放大器20的非反相输入。还可以将由电流感测电路10的消磁产生的偏置控制信号通过偏置电压线路34施加给差分放大器32。
初级绕组16中的电流在变压器26的磁芯12中产生链接到次级绕组18和磁电转换器28的磁通量；在初级绕组16中流动的电流的DC或低频分量在磁电转换器28的第二对端之间产生电位差。将磁电转换器28的电压输出耦合到放大器34的差分输入。将放大器34的输出耦合到跨阻放大器20的非反相输入。磁电转换器28产生的电压使在跨阻放大器20的非反相输入上引起的变化信号电平(level)能在跨阻放大器20的输出产生相应变化的电压电平；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中产生的电流。在次级绕组18中流动的电流与在磁芯12中产生的磁通量在初级绕组16中流动的电流相反，在次级绕组18中流动的电流使在初级绕组16中流动的电流产生的磁通量趋零。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的相反电流。
在初级绕组16中流动的电流的高频分量产生在次级绕组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中的电流产生的磁场相反。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(virtualground)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表示。跨阻放大器20当作用于产生屏蔽电流以便使在DC到低电流频率处的磁芯12中的磁通量趋零的功率放大器和当作更高频率的跨阻放大器二者。跨阻放大器20的输出为电流检测输出。
现有技术中的电流检测电路20，通过磁电转换器28解决了普通变压器不能检测直流和低频电流的问题，并且通过使用跨阻放大器20解决了降低变压器次级绕组的负载阻抗，改善了变压器低频频率响应。
但是，由于为了实现直流和低频磁场检测，必须在磁芯12中留有安装磁电转换器28的气隙。而这个气隙的存在使得整个变压器28的高频性能降低。因此不利于实现更好的高频响应。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种既可以检测直流和低频磁场，又不会影响高频性能的电流感测电路、以及具有该电路的电流测量探头。
本发明提出了一种用于电流测量探头的电流感测电路，包括第一变压器、第二变压器和第一放大器，第一变压器包括第一初级线圈、第一次级线圈、第一磁芯和磁电转换器，第二变压器包括第二初级线圈、第二次级线圈和第二磁芯，磁电转换器通过第一磁芯中的一缝隙安装在第一磁芯中，磁电转换器的输出端与第一放大器的输入端连接，第一初级线圈和第二初级线圈串联连接在电流感测电路的第一输入端和第二输入端之间，第一次级线圈和第二次级线圈串联连接在第一放大器的输出端和电流感测电路的输出端之间。
在本发明所述的电流感测电路中，还可以包括一与第一次级线圈并联连接的高频电流旁路单元，用于降低高频信号在第一次级线圈产生的阻抗。
在本发明所述的电流感测电路中，所述的高频电流旁路单元可以由串联连接的电阻和电容组成。
在本发明所述的电流感测电路中，所述高频电流旁路单元的电阻的阻值和电容的容量的乘积可以小于所述的磁电转换器的最高响应频率的6.18倍的倒数。
在本发明所述的电流感测电路中，所述的第一初级线圈可以是一根穿过第一磁芯内孔的导线，和/或第二初级线圈是一个穿过第二磁芯的导线。
在本发明所述的电流感测电路中，还可以包括一电流电压转换电阻，连接在电流感测电路的输出端与地之间。
在本发明所述的电流感测电路中，还可以包括一电流电压转换电路,串联连接在所述的第二次线圈与电流感测电路的输出端之间，所述的电流电压转换电路包括一第二放大器和一电阻，所述第二放大器的正向输入端与地连接，所述第二放大器的反向输入端与第二次级线圈连接，所述电流电压转换电路的电阻连接在第二放大器的反向输入端与第二放大器的输出端之间。
在本发明所述的电流感测电路中，第一初级线圈与第一次级线圈的匝数比可以等于第二初级线圈与第二次级线圈的匝数比。
在本发明所述的电流感测电路中，还可以包括一第三放大器，串联连接在第二次级线圈与电流感测电路的输出端之间，第三放大器的输入端与所述电流电压转换电阻的非接地端连接，所述第三放大器用于隔离电流感测电路的负载对电流感测电路的输出端的影响。
在本发明所述的电流感测电路中，还可以包括与磁电转换器连接的偏压源，用于为磁电转换器提供能量。
本发明还提出了一种电流测量探头，具有如上所述的电流感测电路。
与现有技术相比，本发明所述的电流感测电路，采用两个变压器的结构，其中一个包括磁电转换器的变压器用于检测直流和低频信号，另一个不包括磁电转换器的变压器用于检测高频信号，从而避免了高低频公用一个变压器，导致整个电流检测电路的高频性能下降的问题，提高了电流检测电路的测量带宽。
附图说明
图1是现有技术中电流感测电路10的结构示意图。
图2是本发明实施例中电流感测电路2的结构示意图。
图3是本发明实施例的一种举例说明中电流感测电路2的结构示意图。
图4是本发明实施例的又一种举例说明中电流感测电路2的结构示意图。
图5是本发明实施例的又一种举例说明中电流感测电路2的结构示意图。
图6是本发明实施例的又一种举例说明中电流感测电路2的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点清楚明白，下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细说明。
参考图2，是本发明实施例中用于电流测量探头的电流感测电路2的结构示意图。
在本实施例中，电流感测电路2包括第一变压器201、第二变压器202和第一放大器203。
在本实施例中，第一变压器201包括第一初级线圈204、第一次级线圈205、第一磁芯206和磁电转换器207；磁电转换器207通过第一磁芯206中的一缝隙安装在第一磁芯206中；
磁电转换器207的两个输出端a、b分别与第一放大器203的正相输入端c和反相输入端d连接；
作为本实施例的举例说明，磁电转换器207可以采用霍尔元件、磁阻元件、巨磁阻元件或者隧道磁阻元件；
如果磁电转换器207采用霍尔元件，则磁电转换器207安装在与磁通量垂直的磁芯平面上；如果磁电转换器207采用磁阻元件，则磁电转换器207安装在与磁通量平行的磁芯平面上。
在本实施例中，第二变压器202包括第二初级线圈208、第二次级线圈209和第二磁芯210；
第一初级线圈204和第二初级线圈208串联连接在电流感测电路2的第一输入端e和第二输入端f之间；
第一次级线圈205和第二次级线圈209串联连接在第一放大器203的输出端g和电流感测电路2的输出端h之间；
作为本实施例的一种举例说明，第一初级线圈204是一根穿过第一磁芯206内孔的导线，或者第二初级线圈208是一根穿过第二磁芯210内孔的导线；
作为本实施例的又一种举例说明，第一初级线圈204是一根穿过第一磁芯206内孔的导线，并且第二初级线圈208也是一根穿过第二磁芯210内孔的导线；
由于导线可以穿入或者移出磁芯内孔，所以采用上述结构的电流测量探头(例如钳形电流表)可以实现非侵入式的电流测量。
在本实施例中，电流感测电路2还包括一电流电压转换电阻211，其连接在电流感测电路2的输出端h与地之间。
下面根据电流感测电路2的结构介绍其工作原理。
在本实施例中，当电流感测电路2进行电流检测时，
待测电流通过第一输入端e和第二输入端f耦合到第一初级线圈204和第二初级线圈208中；
待测电流再通过第一初级线圈204在第一磁芯206中产生磁场，待测电流再通过第二初级线圈208在第二磁芯210中产生磁场；
磁电转换器207检测磁场中的恒定磁场和低频磁场，并进行磁电转换后生成直流和低频电信号，输出给第一放大器203；
第一放大器203对磁电转换器207输出的信号进行放大后，产生屏蔽电流，并将屏蔽电流输出给串联连接的第一次级线圈205和第二次级线圈209；
第一次级线圈205在第一磁芯206中产生的磁场与第一初线圈204在第一磁芯206中产生的磁场方向相反；
第一放大器203产生的屏蔽电流使第一次级线圈205在第一磁芯206中产生的磁场与第一初级线圈204在第一磁芯206中产生的磁场相互抵消，使磁通量趋于零；
第二次级线圈209在第二磁芯210中产生的磁场与第二初级线圈208在第二磁芯210中产生的磁场方向也相反；
作为本实施例中的一种举例说明，当第一初级线圈204与第一次级线圈205的匝数比与第二初级线圈208与第二次级线圈209的匝数比相等时，流过第二次级线圈209的屏蔽电流在第二磁芯210内产生的磁场也跟第二初级线圈208在第二磁芯210中产生的磁场相互抵消，使磁通量趋于零；
使两个磁芯的磁通量趋于零，可以防止磁芯进入饱和状态，提高变压器的线性度；
在本实施例中，第一放大器203产生的屏蔽电流仅包括直流和低频部分，第一初级线圈204和第二初级线圈208在第一次级线圈205和第二次级线圈209感生的高频电流依然存在，该高频电流与第一放大器203输出的直流和低频电流进行叠加，得到的总电流流过电流电压转换电阻211后，产生一个从直流到高频的高压，最后从电流感测电路2的输出端h输出。
作为本实施例中的一种举例说明，第一放大器203采用低噪声、高增益和高共模抑制比的差动放大器和高功率放大器的组合，采用这种结构的放大器可以更好地检测磁电转换器207输出的弱信号，并可以产生足够大的屏蔽电流来驱动第一次级线圈205和第二次级线圈209。
在本实施例中，第一变压器201用于检测直流和低频信号，第二变压器202用于检测高频信号，由于第二变压器202无需安装磁电转换器，所以磁芯上不需要设置缝隙，因此减小了漏磁，从而提高了变压器的高频性能。
参考图3，作为本实施例的一种举例说明，本实施例中的电流电压转换电阻211可以替换为电流电压转换电路212,该电流电压转换电路212串联连接在第二次级线圈209的连接端I与电流感测电路2的输出端h之间，电流电压转换电路2包括第二放大器213和电阻214，第二放大器213的正向输入端与地连接，第二放大器213的反向输入端与第二次级线圈的连接端I连接，电阻214连接在第二放大器213的反向输入端与第二放大器213的输出端之间。在本举例说明中，第二放大器213和电阻214组成有源电流电压转换电路，将第二次级线圈209输出的电流信号转换成电压信号从电流感测电路2的输出端h输出。
在本举例说明中，第二放大器213采用低噪声宽带运算放大器。电阻214的取值取决于测量灵敏度，一般电阻214的取值越大测量灵敏度越高，电阻214取值越小测量灵敏度越低。
参考图4，作为本实施例的又一种举例说明，该举例说明中的电流感测电路2还包括与第一次级线圈205并联连接的高频电流旁路单元215。由于第一变压器201存在缝隙，会影响高频性能，为了避免第一次级线圈205产生的高频电流对第二次级线圈209产生的高频电流产生影响，在第二次级线圈209之间并联一个高频电流旁路单元215，用于降低高频信号在第一初级线圈205两端产生的阻抗，从而使得电流感测电路2产生的高频电流以第二次级线圈209产生的高频电流为主。因为第二变压器202没有缝隙，所以其高频性能较好，因此加入高频电流旁路单元215后，电流感测电路2的高频频响进一步得到了改善。
作为一种举例说明，高频电流旁路单元215由串联连接的电阻和电容组成。或者取仅由电容组成。
作为一种举例说明，高频电流旁路单元215中电阻的阻值和电容的容量的乘积小于磁电转换器207的最高响应频率的6.18(2*π的近似数)倍的倒数。根据上述关系设置电阻和电容的取值，使得电阻和电容组成的电路的特征频率要高于磁电转换器件207的最高响应频率，对低频电流的损耗最小，因此对整个电流测量探头的低频频响特性影响最小。
参考图5，作为本实施例的又一种举例说明，本举例说明中的电流感测电路2还包括第三放大器216，第三放大器216串联连接在第二次级线圈209的连接端I与电流感测电路2的输出端h之间，第三放大器216的输入端与电流电压转换电阻211的非接地端j连接，第三放大器216用于隔离电流感测电路2的负载对电流感测电路2的输出端h的影响。
作为一种举例说明，第三放大器216采用低输入偏流、低输入电容的直流耦合宽带放大器，采用这种类型的放大器可以减小第三放大器216对其自身电流至电压转换结果的影响，同时不影响整体带宽。
参考图6，作为本实施例的又一种举例说明，本举例说明中的电流感测电路2还包括与磁电转换器207连接的偏压源217，用于为磁电转换207器提供能量。偏压源217可以采用恒压源或者恒流源。
本实施例中还提出了一种电流测量探头，该电流测量探头包括上面所述所有实施方式中的任何一种电流感测电路2。
本发明所述的电流感测电路2，采用第一变压器201和第二变压器202，其中第一变压器201包括磁电转换器，用于检测直流和低频信号，第二变压器202不包括磁电转换器，用于检测高频信号，这样的结构设计避免了高低频公用一个变压器，导致整个电流检测电路的高频性能下降的问题，提高了电流检测电路的测量带宽。
Claims (11)
1.一种用于电流测量探头的电流感测电路，其特征在于，
包括第一变压器、第二变压器和第一放大器，
第一变压器包括第一初级线圈、第一次级线圈、第一磁芯和磁电转换器，
第二变压器包括第二初级线圈、第二次级线圈和第二磁芯，
磁电转换器通过第一磁芯中的一缝隙安装在第一磁芯中，磁电转换器的输出端与第一放大器的输入端连接，
第一初级线圈和第二初级线圈串联连接在电流感测电路的第一输入端和第二输入端之间，
第一次级线圈和第二次级线圈串联连接在第一放大器的输出端和电流感测电路的输出端之间。
2.根据权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，还包括一与第一次级线圈并联连接的高频电流旁路单元，用于降低高频信号在第一次级线圈产生的阻抗。
3.根据权利要求2所述的电流感测电路，其特征在于，所述的高频电流旁路单元由串联连接的电阻和电容组成。
4.根据权利要求3所述的电流感测电路，其特征在于，所述高频电流旁路单元的电阻的阻值和电容的容量的乘积小于所述的磁电转换器的最高响应频率的6.18倍的倒数。
5.根据权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，所述的第一初级线圈是一根穿过第一磁芯内孔的导线，和/或第二初级线圈是一根穿过第二磁芯内孔的导线。
6.根据权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，还包括一电流电压转换电阻，连接在电流感测电路的输出端与地之间。
7.根据权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，还包括一电流电压转换电路,串联连接在所述的第二次级线圈与电流感测电路的输出端之间，所述的电流电压转换电路包括一第二放大器和一电阻，所述第二放大器的正向输入端与地连接，所述第二放大器的反向输入端与第二次级线圈连接，所述电流电压转换电路的电阻连接在第二放大器的反向输入端与第二放大器的输出端之间。
8.根据权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，第一初级线圈与第一次级线圈的匝数比等于第二初级线圈与第二次级线圈的匝数比。
9.根据权利要求6所述的电流感测电路，其特征在于，还包括一第三放大器，串联连接在第二次级线圈与电流感测电路的输出端之间，第三放大器的输入端与所述电流电压转换电阻的非接地端连接，所述第三放大器用于隔离电流感测电路的负载对电流感测电路的输出端的影响。
10.根据权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，还包括与磁电转换器连接的偏压源，用于为磁电转换器提供能量。
11.一种电流测量探头，其特征在于，具有如权利要求1至权利要求10中任一权利要求所述的电流感测电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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