JP2009517681A - 負荷を通過する電流の回線外測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１導体（１１）、第２導体（１２）及びシールディング（２）を有するケーブル（１）を備える負荷測定回路に関し、前記二つの導体の端部は負荷（３）に接続されており、シールディングの前記端部はアースされておらず、導体の他方の端部は発電機（１９）に接続されており、変圧器（３）は、ケーブルの他方の端部で一の導体に接続された第１巻線を備え、第２巻線はアースと、ケーブルの他方の端部のシールディングとの間に接続されており、第３巻線は電流測定部材（１４）に接続されている。

Description

本発明は、３００Ｖを上回る電圧を有し、周波数が１ＭＨｚより高い共振負荷への電力供給に関し、特にそのような負荷を通って流れる電流の測定に関する。

特に自動車のプラズマ点火用として、共振周波数が１ＭＨｚより高い共振器をスパークプラグに配置し、一般的に３００Ｖを上回る電圧を供給し、５Ａを超える電流を流す。このような使用例には、Ｑ値の高い無線周波数共振器及び高電圧発電機の使用が必要となり、このような発電機の動作周波数は共振器の共振周波数に非常に近い。共振器の共振周波数と発電機の動作周波数との差が小さくなる程、共振器の増幅定数（入力電圧に対する出力電圧の比率）は増大する。Ｑ値が増大する程、発電機の動作周波数はその共振周波数に近づかなければならない。
多数のパラメータが共振周波数に影響する。それらパラメータは、製造公差、燃焼室内又は冷却回路内の温度、或いは共振器部材のエージングドリフトである。従って、共振周波数の変化は予測又は制御することが困難である。

サーボ制御技術は、供給電圧を、共振器の共振周波数に近い一の周波数に維持することができる。一の技術では、特に、共振器に電力供給しながら電流と電圧の測定を行う。共振器の出力における電流と電圧の間の位相角を測定することにより、サーボ制御を行うことができる。

図１に示す既知の装置は、発電機を共振器３に接続するケーブル１を備える。ケーブル１は、導体８及びシールド２を備える。共振器３は、インダクタ４、コンデンサ５及び抵抗器６を備える。共振器と発電機の間の導体の数を制限するために、電流測定装置は発電機に配置される。しかしながら、ケーブル１は寄生キャパシタンスを導入する。これは、図１の等価回路中のコンデンサ７に示されている。このような場合、ケーブルに漏れ電流が現れ、これにより発電機の出力で測定される電流の波形が大きく変化する。
図２に示すように、発電機の出力における測定信号２２は、共振器の入力３における電流２１に対して位相が偏移している。加えて、この信号２２は、共振器とケーブル１の寄生キャパシンタンスの結合による高周波数の寄生共振による影響を受ける。すると、サーボ制御の性能は大きく低減する。周波数がそのような値になる場合に発電機における測定信号の精度を向上させる既知の解決法は存在しない。

本発明は、これらの欠点のうちの一又は複数を排除することを目的とする。従って、本発明は、負荷を通って流れる電流を測定する回路を提案し、本回路は、
−第１端と第２端の間に第１導体、第２導体及びシールドを有するケーブルであって、二つの導体の第１端は負荷に、第２端は発電機にそれぞれ接続することができ、シールドの第一端はアースされない、ケーブルと、
−少なくとも第１、第２及び第３の巻線を有する変圧器であって、第１巻線はケーブルの第２端で導体に接続され、第２巻線はケーブルの第２端でシールドとアースの間に接続され、第３巻線は電流測定装置に接続することができる、変圧器と
を備える。

本発明の他の特徴と利点は、添付図面を参照し、例示を目的とする非限定的な後述の説明から自明である。

本発明は、シールドされたケーブルによって共振負荷に送達される電流を測定することを提案する。測定は、三つの巻線を有する変圧器により、ケーブルの発電機への接続部分で実行する。ケーブルのシールドを流れる電流を使用する。これらの電流は、ケーブルの寄生キャパシタンスに比例する。変圧器の巻線の一つは、シールドを流れる電流を回復することにより、測定装置においてケーブルの寄生キャパシタンスに起因する漏れを補償する。
このようにして、共振負荷に送達される電流の正確な測定を、負荷に測定プローブを配する必要なく、且つこの信号を発電機に伝達するための追加ケーブルを必要とすることなく行うことができる。

図３は、第１端が共振器３に、第２端で発電器１９に接続されているケーブル１を示す。ケーブル１は、発電機１９の高電圧端子に接続される第１導体１１と、アースされる第２導体１２と、シールドとを有する。発電機は１ＭＨｚより高い周波数で供給電圧を送達することができ、共振器の共振周波数も５ＭＨｚより高い。
キャパシタンスＣｃｂは、シールディングに対する導体１１及び１２それぞれの単位長さ当たりのキャパシタンスから得られる。キャパシタンスＣｃｃは、導体１１と１２の間の単位長さ当たりのキャパシタンスから得られる。ケーブルの長さに対して波長が非常に大きい（自動車のイグニション用ケーブルの場合、ケーブルの長さは通常１００〜１５００ｍｍである）ことを考慮することにより、以下の等式が導かれる。
Ｉｇ＝Ｉｃｍ＋Ｉｂ
Ｉｃｍ＝Ｉｒ＋Ｉｃｃ
Ｉｂ＝Ｉｃｂ＝Ｉｃｃ×Ｃｃｃ／Ｃｃｂ
Ｉｒ＝Ｉｃｍ−Ｉｃｃ＝Ｉｇ−Ｉｂ×Ｃｃｂ／Ｃｃｃ−Ｉｂ
＝Ｉｇ−（１＋Ｃｃｂ／Ｃｃｃ）×Ｉｂ
ここで、Ｉｇは発電機によって導体１１に送達される電流であり、Ｉｃｍはケーブルの第２端側で導体１２を出る電流であり、Ｉｂはシールドとアースの間の電流であり、Ｉｒは共振器の入力に注入される電流であり、ＩｃｃはキャパシタンスＣｃｃの電流であり、ＩｃｂはキャパシタンスＣｃｂの電流である。

Ｉｇ＝Ｉｃｍ＋Ｉｂという関係は、スパークプラグのキャップから直接アースに流れる電流が無いことを意味する。この結果は、例えば、電流Ｉｇ、Ｉｃｍ及びＩｂがコネクタの上流に流れる導体を取り囲む磁気回路を追加することにより得られる。この結果はまた、ケーブルの周囲にフェライトリングを追加することによっても得ることができる。

図４は、ケーブルの第２端で行われる電流測定を修正するために電流Ｉｂを使用する、本発明による測定回路の一実施形態を示す。この測定回路は、上述のケーブル１と三つの巻線を有する変圧器１３とを含む。特に、シールドされたツイストペアケーブルを使用することができる。導体１１及び１２は、ケーブルの第１端で共振器に、同第２端で発電機に接続される。
変圧器１３の第１巻線３１は、発電機の高電圧出力と、ケーブル１の第２端における導体１１との間に接続される。巻線３１を流れる電流は、共振器を流れる電流と、ケーブル１の寄生キャパシタンスによって生じる電流との合計である。変圧器の第２巻線３２は、アースと、ケーブルの第２におけるのシールド２の間に接続される。シールド２は、ケーブルの第１端では電気的に接続されない。第２巻線３２を流れるのは、ケーブルの寄生キャパシタンスによって生じる電流に相当する電流である。第３巻線３３は、電流測定装置１４、通常はＲＣ回路の端子に接続される。図示の測定装置１４は、キャパシタ１５及び抵抗器１６を備えている。インダクタ３４は、変圧器の漏れインダクタンスを表わす。

巻線３３は、既知の方法による電流測定において機能する。巻線３１と３２の巻きの方向は互いに反対であり、よって電流Ｉｂは、測定された信号における電流Ｉｒと電流Ｉｇとの差異を補償する。従って、第３巻線３３を流れる電流は、共振器を流れる電流Ｉｒの方に近い。
周波数制御回路を有する共振器の電力供給装置を形成するには、測定装置１４によって供給される測定信号を回復する周波数制御装置を備えた発電機を測定回路に平行に配置する。既知の方法で、サーボ制御装置は、例えば、まず測定信号と供給電圧の間の位相を決定することにより、この測定信号の関数として供給電圧の周波数を修正する。

有利には、電力供給装置を、二つの電極を備える共振器を備えたプラズマ発生システムの形成に使用する。電力供給装置は、１ＭＨｚより高い周波数を有する共振器にも供給することができ、供給電圧の存在下でこれら二つの電極間にはプラズマが形成される。共振器は特に、自動車のイグニションのスパークプラグコイルとすることができる。

図５は、補償を最適化し、且つ巻線３２の巻数による制限なく所望の補償率を獲得するように設計された測定回路の別の変形例を示す。この変形例では、抵抗性ブリッジが、補償ブリッジからの電流の一部を直接アースへと流す。図示の実施例では、抵抗接続１７及び１８の適正な値Ｒ１７及びＲ１８によって最適な補償が得られる。
実際には、計算と測定により、巻線３１及び３２の巻数を同じとした場合も、寄生電流の補償は完全でないと推論することができる。この現象は、導体間の単位長さ当たりのキャパシタンスと、導体とシールドとの間の単位長さ当たりのキャパシタンスの差異により説明することができる。実際、比Ｒ１８／（Ｒ１７＋Ｒ１８）は、比Ｉｃｂ／（Ｉｃｃ＋Ｉｃｂ）を巻線３１と巻線３２の変圧比で除した値にほぼ等しい。巻線３２は実際には分岐しており、一方巻線３１は分岐しないとすると、補償は、電流Ｉｃｃが電流Ｉｃｂに等しい場合にのみ正確であり、これは単位長さ当たりのキャパシタンスの差異により実証されない。従って、抵抗ブリッジを使用してこの比を調節する。抵抗ブリッジの設計は、ケーブルの単位長さ当たりのキャパシタンスに基づいて実行することができる。

補償を最適化するために、適切な方法で、巻線３２の巻数を巻線３１に関連して適合させることが可能である。
更に、抵抗性の接続１７及び１８と、ケーブルの寄生キャパシタンスとは、ＲＣフィルタリングにより巻線３２の帯域幅を狭くすることがあり、これにより使用する周波数での補償が変化する。従って、測定回路の動的作動を最適化するために、接続１７及び１８が十分な能動素子を含むと有利である。

ＲＣ回路の構成は、有利には、共振器の共振周波数を中心とする帯域幅を有するフィルタを形成するような漏れインダクタンス３４を有し、この構成では、抵抗器端子における電圧がサーボ制御装置の電圧範囲から逸脱することがない。
巻線３１のインダクタンスは、オープンループの電力供給装置の作動に影響を与えることがないよう、大きすぎてはならない。実際には、変圧器１３は、動作周波数でその特性を維持するフェライト４Ｃ６５等の磁性材料からなる小型トロイド（外径約２０ｍｍ）を有することができる。巻線３１が巻数１の場合、インダクタンスは３０ｎＨに制限することができる。巻線３３を流れる電流を制限するために、巻線３３の巻数は巻線３１の巻数より遥かに大きく、例えば前実施例では２０回転とすると好都合である。

ケーブルによる共振器の接続と、その等価回路を示す。 共振器の入力電流及び発電機で測定される信号を示す。 接続ケーブルの寄生キャパシタンス及び電流を示す。 本発明の一実施形態による接続ケーブル及び測定装置を示す。 本発明の一変形例による接続ケーブル及び測定装置を示す。

Claims (9)

1. 負荷を通って流れる電流を測定するための回路であって、
   −第１端と第２端の間に、第１導体（１１）、第２導体（１２）及びシールド（２）を有するケーブル（１）であって、導体の第１端は負荷（３）に、第２端は発電機（１９）にそれぞれ接続可能で、シールドの第１端はアースされないケーブルと、
   −少なくとも第１、第２、及び第３の巻線（３１〜３３）を有する変圧器（１３）であって、第１巻線がケーブルの第２端で導体に接続されており、第２巻線がアースとケーブルの第２端側のシールドとの間に接続されており、第３巻線が電流測定装置（１４）に接続可能である、変圧器と
   を備えることを特徴とする、電流測定回路。
2. 第３巻線（３３）の末端に接続された電流測定装置（１４）を備える、請求項１に記載の電流測定回路。
3. 電流測定装置（１４）がＲＣ回路である、請求項２に記載の電流測定回路。
4. 負荷に電力を供給するための装置であって、
   −請求項３に記載の電流測定回路と
   −ケーブル（１）の第２端で第１導体（１１）及び第２導体（１２）に接続されて、それらの導体に１ＭＨｚを超える周波数で電圧を供給することができる発電機（１９）であって、前記電流測定装置に接続される周波数制御回路を備え、該電流測定装置によって供給される信号の関数として供給電圧の周波数を修正する発電機と
   を備える電力供給装置。
5. 第１巻線（３１）が発電機の高電圧出力と第１導体（１１）の間に接続される、請求項４に記載の電力供給装置。
6. 第１巻線（３１）の巻きの方向と第２巻線（３２）の巻の方向が互いに反対である、請求項５に記載の電力供給装置。
7. シールド（２）と第２端側の第２導体（１２）の間に接続された抵抗器（１７、１８）を備える、請求項５又は６に記載の電力供給装置。
8. シールドと第２端側の第２導体の間に接続された能動素子を備える、請求項７に記載の電力供給装置。
9. −請求項４ないし８のいずれか一項に記載の装置と、
   −第１端でケーブルの導体に接続され、二つの電極を有し、発電器から供給電圧が送達されるとき、二つの電極の間にプラズマを発生させることができる、１ＭＨｚより高い共振周波数を有する負荷と
   を備えるプラズマ発生システム。

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