JP2009281773A - Current sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ホール素子を用いたホールセンサを備える電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor including a Hall sensor using a Hall element.
従来より、ホール素子を利用した電流センサを用いて、各種電気機器のライン電流の電流値を検出することが行われている。
この電流センサは、具体的には、ギャップを有するコアを用意し、このコアの中心軸上を測定対象となるライン電流が通過するように、このコアを配置する。そして、このギャップの間にホール素子を配置し、このホール素子に制御電流を流す。
この電流センサによれば、電流に比例して発生する磁力は、コアで収束されて、ホール素子を通過する。すると、このホール素子は、磁力を電圧に変換して、検出信号として出力する。
Conventionally, current values of line currents of various electric devices are detected using a current sensor using a Hall element.
Specifically, this current sensor prepares a core having a gap, and the core is arranged so that a line current to be measured passes through the central axis of the core. A Hall element is disposed between the gaps, and a control current is passed through the Hall element.
According to this current sensor, the magnetic force generated in proportion to the current is converged by the core and passes through the Hall element. Then, this Hall element converts the magnetic force into a voltage and outputs it as a detection signal.
ところで、以上の電流センサを構成するホール素子には、部品較差、固体差等に伴う固有のオフセット電圧が存在する。
そこで、ホール素子のオフセット電圧を測定して、この測定結果に基づいて、オフセット電圧を除去する手法がある(例えば、特許文献1参照)。具体的には、この補正回路は、プロセッサ、D/Aコンバータを含んで構成され、プロセッサから出力したデジタルデータをD/Aコンバータでアナログ信号に変換し、このアナログ信号を基準として、オフセット電圧のレベルを調整する。これにより、オフセット電圧を自動的に補正する。
Therefore, there is a method of measuring the offset voltage of the Hall element and removing the offset voltage based on the measurement result (see, for example, Patent Document 1). Specifically, the correction circuit includes a processor and a D / A converter, converts digital data output from the processor into an analog signal by the D / A converter, and uses the analog signal as a reference to calculate the offset voltage. Adjust the level. Thereby, the offset voltage is automatically corrected.
しかしながら、このオフセット電圧は、周囲温度の変化や時間の経過に伴って変化するという特性があるため、一度設定したオフセット電圧のレベルが変化する場合があった。
また、D/Aコンバータを用いる手法は、オフセット電圧のレベルを確定するまでに時間がかかる。よって、このオフセット電圧のレベルを確定するまでの期間、電流値の測定を一時的に中断する必要があった。
However, since this offset voltage has a characteristic that it changes with changes in ambient temperature or with time, the level of the offset voltage once set may change.
Further, the method using the D / A converter takes time to determine the level of the offset voltage. Therefore, it is necessary to temporarily interrupt the measurement of the current value until the offset voltage level is determined.
本発明は、電流値の測定を中断することなく、オフセットを動的に調整でき、かつ、応答性が高い電流センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a current sensor that can dynamically adjust an offset without interrupting measurement of a current value and has high responsiveness.
本発明の電流センサ(例えば、後述の電流センサ1)は、測定対象となる電流が流れる出力導線(例えば、後述の出力導線2)に直列で接続されたシャント抵抗(例えば、後述のシャント抵抗21)を用いて前記出力導線に流れる電流を検出するシャント抵抗センサ(例えば、後述のシャント抵抗センサ20)と、ホール素子(例えば、後述のホール素子12)を用いて前記出力導線に流れる電流を非接触で検出するホール素子センサ(例えば、後述のホール素子センサ10)と、を備える電流センサであって、前記ホール素子センサから出力されるセンサ信号と基準電圧との差分をアナログ信号として出力する差動アンプ(例えば、後述の差動アンプ31)と、当該差動アンプの出力信号を保持するサンプルアンドホールド回路(例えば、後述のサンプルアンドホールド回路32)と、当該サンプルアンドホールド回路から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換を実行し、このデジタル信号を記憶し、この記憶したデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換を実行するデジタル記憶手段(例えば、後述のデジタル記憶回路40)と、前記サンプルアンドホールド回路の出力信号および前記デジタル記憶手段の出力信号のうち一方をオフセット量として選択して出力する切換手段(例えば、後述のスイッチ33)と、当該切換手段から出力されるオフセット量に基づいて、前記ホール素子センサのセンサ信号からオフセットを除去するオフセット除去手段(例えば、後述の減算器34)と、これらを制御する制御手段(例えば、後述の制御部35)と、を備え、前記制御手段は、前記シャント抵抗センサから出力されるセンサ信号が所定値以下になると、前記切換手段により前記サンプルアンドホールド回路の出力信号をオフセット量として選択するとともに、前記デジタル記憶手段の駆動を開始し、その後、前記デジタル記憶手段の記憶が完了すると、前記切換手段により前記デジタル記憶手段の出力信号をオフセット量として選択することを特徴とする。
A current sensor (for example, a
この発明によれば、シャント抵抗センサから出力されるセンサ信号が所定値以下になると、切換手段によりサンプルアンドホールド回路の出力信号をオフセット電圧として選択するとともに、デジタル記憶手段の駆動を開始する。その後、デジタル記憶手段の記憶が完了すると、切換手段によりデジタル記憶手段の出力信号をオフセット量として選択する。 According to the present invention, when the sensor signal output from the shunt resistance sensor becomes equal to or less than the predetermined value, the output signal of the sample and hold circuit is selected as the offset voltage by the switching means and the driving of the digital storage means is started. Thereafter, when the storage of the digital storage means is completed, the output signal of the digital storage means is selected as the offset amount by the switching means.
よって、シャント抵抗センサにより、出力導線に電流が流れていない状態を確実に検出し、デジタル記憶手段によりオフセット量を記憶する期間は、サンプルアンドホールド回路から出力されるオフセット量を用いて、オフセットを除去する。その後、デジタル記憶手段によりオフセット量の記憶が完了したら、この記憶したオフセット量を用いてオフセットを除去する。このため、電流値の測定を中断することなく、オフセット量を動的に調整できる。 Therefore, the period when the current is not flowing through the output lead wire is surely detected by the shunt resistance sensor, and the offset amount is stored by the digital storage means, the offset is output using the offset amount output from the sample and hold circuit. Remove. Thereafter, when the storage of the offset amount is completed by the digital storage means, the offset is removed using the stored offset amount. For this reason, the offset amount can be adjusted dynamically without interrupting the measurement of the current value.
また、サンプルアンドホールド回路は、放電などの要因により、オフセット量を長期間に亘って保持できないが、デジタル記憶手段は、オフセット量を長期間に亘って保持できる。よって、サンプルアンドホールド回路からのオフセット量を用いることで、応答性が高くなり、デジタル記憶手段からのオフセット量を用いることで、オフセット量を長期間に亘って確保できる。 Further, the sample and hold circuit cannot hold the offset amount for a long period of time due to factors such as discharge, but the digital storage means can hold the offset amount for a long period of time. Therefore, by using the offset amount from the sample and hold circuit, the responsiveness is improved, and by using the offset amount from the digital storage means, the offset amount can be secured over a long period of time.
この場合、前記制御手段は、前記デジタル記憶手段のD/A変換の出力が確定すると、前記切換手段により、前記デジタル記憶手段の出力信号をオフセット量として選択することが好ましい。 In this case, when the D / A conversion output of the digital storage means is determined, the control means preferably selects the output signal of the digital storage means as an offset amount by the switching means.
この場合、前記デジタル記憶手段は、デジタル信号を出力するカウンタ回路(例えば、後述のカウンタ回路44)と、当該カウンタ回路から出力されたデジタル信号を記憶する記憶部(例えば、後述のデジタルメモリ42)と、前記記憶部で記憶したデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換部(例えば、後述のD/Aコンバータ43)と、
前記サンプルアンドホールド回路の出力信号と、前記D/A変換部の出力信号と、を比較するコンパレータ(例えば、後述のコンパレータ45)と、を備え、前記カウンタ回路は、前記D/A変換部の出力信号の信号レベルが前記サンプルアンドホールド回路の出力信号の信号レベルに一致するまで、デジタル信号の信号レベルを増減することが好ましい。
In this case, the digital storage means includes a counter circuit that outputs a digital signal (for example, a
A comparator (for example, a
この発明によれば、カウンタ回路およびコンパレータを含んで構成したので、回路を安価に構成できる。 According to the present invention, since the counter circuit and the comparator are included, the circuit can be configured at low cost.
本発明によれば、シャント抵抗センサにより、出力導線に電流が流れていない状態を確実に検出し、デジタル記憶手段によりオフセット量を記憶する期間は、サンプルアンドホールド回路から出力されるオフセット量を用いてオフセットを除去する。その後、デジタル記憶手段によりオフセット量の記憶が完了したら、この記憶したオフセット量を用いてオフセットを除去する。このため、電流値の測定を中断することなく、オフセット量を動的に調整できる。また、サンプルアンドホールド回路からのオフセット量を用いることで、応答性が高くなり、デジタル記憶手段からのオフセット量を用いることで、オフセット量を長期間に亘って確保できる。 According to the present invention, the offset amount output from the sample-and-hold circuit is used for the period in which the state in which no current flows through the output conductor is reliably detected by the shunt resistance sensor and the offset amount is stored by the digital storage means. Remove the offset. Thereafter, when the storage of the offset amount is completed by the digital storage means, the offset is removed using the stored offset amount. For this reason, the offset amount can be adjusted dynamically without interrupting the measurement of the current value. Further, by using the offset amount from the sample and hold circuit, the responsiveness is improved, and by using the offset amount from the digital storage means, the offset amount can be secured for a long period of time.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態に係る電流センサ1の信号処理回路の構成を示す図である。
電流センサ1は、ホール素子センサ10、シャント抵抗センサ20、差動アンプ31、サンプルアンドホールド回路32、デジタル記憶手段としてのデジタル記憶回路40、切換手段としてのスイッチ33、オフセット除去手段としての減算器34、および、これらを制御する制御手段としての制御部35を備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the embodiments, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a signal processing circuit of the
The
ホール素子センサ10は、出力導線2に流れるライン電流を非接触で検出するものであり、ギャップ111を有する円環状のコア11と、ホール素子12と、を備える。
コア11は、出力導線2が中心軸を通るように配置される。
ホール素子12は、コア11のギャップ111に配置される、制御電流が印加される。
このホール素子センサ10では、出力導線2を流れるライン電流に比例して磁力が発生すると、この発生した磁力は、コア11で収束されて、ホール素子12を通過する。すると、このホール素子12は、磁力を電圧に変換して、センサ信号として出力する。
The
The
A control current is applied to the
In the
差動アンプ31は、ホール素子センサ10からのセンサ信号と基準電圧refとの差分を、アナログ信号として出力する。
サンプルアンドホールド回路32は、差動アンプ31の出力信号を一定期間保持する。
The
The sample and
デジタル記憶回路40は、A/Dコンバータ41、デジタルメモリ42、および、D/Aコンバータ43を備える。
このデジタル記憶回路40は、A/Dコンバータ41により、サンプルアンドホールド回路32から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換を実行し、デジタルメモリ42により、このデジタル信号を記憶し、その後、D/Aコンバータ43により、この記憶したデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換を実行する。
The
The
スイッチ33は、サンプルアンドホールド回路32の出力信号およびデジタル記憶回路40の出力信号のうち一方を、オフセットとして選択して出力する。
減算器34は、スイッチ33から出力されるオフセット量に基づいて、ホール素子センサ10のセンサ信号からオフセットを除去する。
The switch 33 selects and outputs one of the output signal of the sample and hold
The
シャント抵抗センサ20は、出力導線2に流れるライン電流を検出するものであり、出力導線2に直列で接続されたシャント抵抗21と、このシャント抵抗21の両端の電位差を測定するコンパレータ22と、このコンパレータ22と制御部35とを絶縁するアイソレータ23と、を備える。
The
シャント抵抗21の抵抗値は、抵抗損失を少なくするために小さくなっている。しかしながら、抵抗値を小さくすると、アンプゲインを向上する必要があったり、SN比(信号対雑音比)が小さくなったりする。そこで、本実施形態では、シャント抵抗21の抵抗値は小さくし、シャント抵抗21の両端の電位差を測定することで、電流の有無のみを判定することする。
The resistance value of the
アイソレータ23は、高圧電流が流れる出力導線2と、低圧電流が流れる制御部35と、を絶縁するためのものである。このアイソレータ23は、フォトカップラ、コイル、コンデンサなどを利用して構成される。
The
以上のシャント抵抗センサ20によれば、コンパレータ22により、シャント抵抗21の両端の電位差を測定して、センサ信号として出力する。
According to the above
制御部35は、出力導線2に電流が流れて、シャント抵抗21で検出された電流が所定値以下になると、スイッチ33によりサンプルアンドホールド回路32の出力信号をオフセット量として選択するとともに、デジタル記憶回路40の駆動を開始し、その後、デジタル記憶回路40の記憶が完了すると、スイッチ33によりデジタル記憶回路40の出力信号をオフセット量として選択する。
When a current flows through the
以上の電流センサ1の動作を、図2のフローチャートを参照しながら説明する。
ステップS1では、制御部35により、シャント抵抗センサ20からのセンサ信号を検出する。
ステップS2では、シャント抵抗センサ20からのセンサ信号に基づいて、出力導線2にライン電流が流れているか否かを判定する。具体的には、シャント抵抗センサ20からのセンサ信号が所定値以上であるか否かを判定する。
この判定がYESの場合には、ライン電流が流れていると判断できるから、ホール素子センサ10のセンサ信号をオフセット量として採用できないため、ステップS6に移る。一方、この判定がNOの場合には、ライン電流が流れていないと判断できるので、ホール素子センサ10のセンサ信号をオフセット量として採用できるから、ステップS3に移る。
The operation of the
In step S <b> 1, the
In step S <b> 2, it is determined based on the sensor signal from the
If this determination is YES, it can be determined that the line current is flowing, so the sensor signal of the
ステップS3では、ホール素子センサ10のセンサ信号を検出して、サンプルアンドホールド回路32で保持する。
In step S <b> 3, the sensor signal of the
ステップS4では、スイッチ33により、サンプルアンドホールド回路32からのセンサ信号をオフセット量として選択する。そして、減算器34により、ホール素子センサ10のセンサ信号から、このオフセット量を除去する。
In step S4, the sensor signal from the sample and hold
ステップS5では、デジタル記憶回路40を駆動して、オフセット量をデジタル信号で記憶する。
In step S5, the
ステップS6では、デジタル記憶回路40のD/Aコンバータ43の出力が確定すると、デジタル記憶回路40の記憶が完了したと判断し、スイッチ33により、再び、デジタル記憶回路40からの出力信号をオフセット量として選択して、ホール素子センサ10からのセンサ信号から、このオフセット量を除去する。
以上より、デジタル記憶回路40により記憶処理を実行している期間は、サンプルアンドホールド回路32からの出力信号をオフセット量として選択することになる。
In step S6, when the output of the D /
As described above, the output signal from the sample and hold
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(1)デジタル記憶回路40によりオフセット量を記憶している期間は、サンプルアンドホールド回路から出力されるオフセット量を用いてオフセットを除去する。その後、デジタル記憶手段によりオフセット量の記憶が完了したら、この記憶したオフセット量を用いてオフセットを除去する。このため、デジタル記憶手段の駆動中でもオフセット量を確保できるから、電流値の測定を中断することなく、オフセットを動的に調整できる。
According to this embodiment, there are the following effects.
(1) During the period in which the offset amount is stored in the
(2)サンプルアンドホールド回路32は、放電などの要因により、オフセット量を長期間に亘って保持できないが、デジタルメモリ42は、オフセット量を長期間に亘って保持できる。よって、サンプルアンドホールド回路32からのオフセット量を用いることで、応答性が高くなり、デジタル記憶回路40からのオフセット量を用いることで、オフセット量を長期間に亘って確保できる。
(2) The sample and hold
〔第2実施形態〕
本実施形態では、デジタル記憶回路40の構成が、第1実施形態と異なる。
図3は、本発明の第2実施形態に係るデジタル記憶回路40Aの構成を示す図である。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, the configuration of the
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a
すなわち、本実施形態では、A/Dコンバータ41の代わりに、カウンタ回路44およびコンパレータ45を設ける点が、第1実施形態と異なる。
すなわち、デジタル記憶回路40は、カウンタ回路44、記憶部としてのデジタルメモリ42、D/A変換部としてのD/Aコンバータ43、および、コンパレータ45を備える。
That is, this embodiment is different from the first embodiment in that a
That is, the
コンパレータ45は、サンプルアンドホールド回路32の出力信号と、D/Aコンバータ43の出力信号と、を比較する。
カウンタ回路44は、コンパレータ45の比較結果に基づいて、D/Aコンバータ43の出力信号の信号レベルがサンプルアンドホールド回路32の出力信号の信号レベルに一致するまで、デジタル信号の信号レベルを増減する。
The
Based on the comparison result of the
本実施形態によれば、上述の(1)、(2)と同様の効果に加えて、以下の効果がある。
(3)A/Dコンバータ41の代わりに、カウンタ回路44およびコンパレータ45を設けたので、回路を安価に構成できる。
According to the present embodiment, in addition to the same effects as the above (1) and (2), the following effects can be obtained.
(3) Since the
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、デジタルメモリ42としては、EEPROM、Flashなどを用いれば、電流センサ1の電源をオフしても、オフセット量を保持できる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, if an EEPROM, Flash, or the like is used as the
1 電流センサ
2 出力導線
10 ホール素子センサ
12 ホール素子
21 シャント抵抗
20 シャント抵抗センサ
31 差動アンプ
32 サンプルアンドホールド回路
33 スイッチ(切換手段)
34 減算器(オフセット除去手段)
35 制御部(制御手段)
40、40A デジタル記憶回路(デジタル記憶手段)
42 デジタルメモリ(記憶部)
43 D/Aコンバータ(D/A変換部)
44 カウンタ回路
45 コンパレータ
DESCRIPTION OF
34 Subtractor (offset removal means)
35 Control unit (control means)
40, 40A Digital storage circuit (digital storage means)
42 Digital memory (storage unit)
43 D / A converter (D / A converter)
44
Claims (3)
前記ホール素子センサから出力されるセンサ信号と基準電圧との差分をアナログ信号として出力する差動アンプと、
当該差動アンプの出力信号を保持するサンプルアンドホールド回路と、
当該サンプルアンドホールド回路から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換を実行し、このデジタル信号を記憶し、この記憶したデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換を実行するデジタル記憶手段と、
前記サンプルアンドホールド回路の出力信号および前記デジタル記憶手段の出力信号のうち一方をオフセット量として選択して出力する切換手段と、
当該切換手段から出力されるオフセット量に基づいて、前記ホール素子センサのセンサ信号からオフセットを除去するオフセット除去手段と、
これらを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記シャント抵抗センサから出力されるセンサ信号が所定値以下になると、前記切換手段により前記サンプルアンドホールド回路の出力信号をオフセット量として選択するとともに、前記デジタル記憶手段の駆動を開始し、その後、前記デジタル記憶手段の記憶が完了すると、前記切換手段により前記デジタル記憶手段の出力信号をオフセット量として選択することを特徴とする電流センサ。 A shunt resistance sensor that detects the current flowing through the output lead using a shunt resistor connected in series to the output lead through which the current to be measured flows, and the current flowing through the output lead using a Hall element are detected in a non-contact manner. A current sensor comprising:
A differential amplifier that outputs a difference between a sensor signal output from the Hall element sensor and a reference voltage as an analog signal;
A sample and hold circuit for holding the output signal of the differential amplifier;
A / D conversion is performed to convert an analog signal output from the sample and hold circuit into a digital signal, the digital signal is stored, and a D / A conversion is performed to convert the stored digital signal into an analog signal. Digital storage means;
Switching means for selecting and outputting one of the output signal of the sample and hold circuit and the output signal of the digital storage means as an offset amount;
Offset removing means for removing the offset from the sensor signal of the Hall element sensor based on the offset amount output from the switching means;
Control means for controlling these, and
When the sensor signal output from the shunt resistance sensor falls below a predetermined value, the control means selects the output signal of the sample and hold circuit as an offset amount by the switching means and starts driving the digital storage means Then, when the storage of the digital storage means is completed, the output signal of the digital storage means is selected as an offset amount by the switching means.
前記制御手段は、前記デジタル記憶手段のD/A変換の出力が確定すると、前記切換手段により、前記デジタル記憶手段の出力信号をオフセット量として選択することを特徴とする電流センサ。 The current sensor according to claim 1.
When the output of the D / A conversion of the digital storage means is determined, the control means selects the output signal of the digital storage means as an offset amount by the switching means.
前記デジタル記憶手段は、デジタル信号を出力するカウンタ回路と、
当該カウンタ回路から出力されたデジタル信号を記憶する記憶部と、
前記記憶部で記憶したデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換部と、
前記サンプルアンドホールド回路の出力信号と、前記D/A変換部の出力信号と、を比較するコンパレータと、を備え、
前記カウンタ回路は、前記D/A変換部の出力信号の信号レベルが前記サンプルアンドホールド回路の出力信号の信号レベルに一致するまで、デジタル信号の信号レベルを増減することを特徴とする電流センサ。 The current sensor according to claim 1.
The digital storage means includes a counter circuit that outputs a digital signal;
A storage unit for storing a digital signal output from the counter circuit;
A D / A converter that converts the digital signal stored in the storage unit into an analog signal;
A comparator for comparing the output signal of the sample and hold circuit and the output signal of the D / A converter;
The current sensor characterized in that the counter circuit increases / decreases the signal level of the digital signal until the signal level of the output signal of the D / A converter matches the signal level of the output signal of the sample and hold circuit.
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