JP2010197324A - 絶縁型計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アナログ信号計測を行う計測回路と、ディジタル制御回路との間の浮遊容量を小さくして、ディジタル制御回路、ひいては、計測装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】電圧や電流等のアナログ信号をディジタル側で電気的に絶縁して計測する絶縁型計測装置１０は、アナログ側に電力を供給する電源信号にディジタル側からの計測制御信号を重畳してアナログ側に供給するための絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ１４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁型計測装置に係り、特にアナログ回路とディジタル回路間を電気的に絶縁して計測を行う絶縁型計測装置に関する。

従来、電圧や電流などのアナログ信号を電気的に絶縁してディジタル側で計測するには、絶縁アンプなどを用い、アナログ側で絶縁して計測する方式と、アナログ量を一旦ディジタル量に変換し、ディジタル側で絶縁して計測する方式と、が知られている。
アナログ側で絶縁して計測する方式では、アナログ絶縁により精度が低下してしまう不具合があり、精度が要求される計測においては、高精度であるが高価な絶縁アンプが必要となるという問題点があった。

一方、ディジタル側で絶縁して計測する方式では、ディジタル値に変換した後に信号絶縁を行うため、計測値への影響が少なく、良好な精度が得られることとなっていた（例えば、特許文献１参照）。
従来のディジタル側で絶縁して計測を行う絶縁型計測回路においては、マイクロコンピューターとして構成されたコントローラーから計測用のＡ／Ｄコンバーターに対して計測コマンドを出力する出力系統側に設けた第１のフォトカプラーと、計測用のＡ／Ｄコンバーターからコントローラーに対して計測データを入力する入力系統側に設けた第２のフォトカプラーと、を備えていた。
また、計測用のＡ／Ｄコンバーターに絶縁を確保しつつ電力を供給するためにＤＣ／ＤＣコンバーターが設けられていた。

特開２００７−０４２５０１号公報

上記従来の絶縁型計測装置においては、ディジタル側であるコントローラーからみて出力系統側と、入力系統側とにそれぞれ信号絶縁用素子（フォトカプラー）が必要であった。
ところで、信号絶縁素子の入出力間には少ないながらも浮遊容量が存在し、入出力系統間に高い周波数の電圧や高い電圧を有する信号が印加された場合には、浮遊容量を介してアナログ側からディジタル側に信号がノイズとして流れ込み、ディジタル側であるコントローラーの誤動作の原因となっていた。
そこで、本発明の目的は、互いに絶縁されたアナログ側と、ディジタル側との間の浮遊容量を小さくして、ディジタル側の信頼性、ひいては、絶縁型計測装置の信頼性を向上させることが可能な絶縁型計測装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１態様は、電圧や電流等のアナログ信号をディジタル側で電気的に絶縁して計測する絶縁型計測装置において、アナログ側に電力を供給する電源信号に前記ディジタル側からの計測制御信号を重畳して前記アナログ側に供給するための絶縁型のコンバーターを備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、絶縁型のコンバーターは、アナログ側に電力を供給する電源信号にディジタル側からの計測制御信号を重畳してアナログ側に供給する。
本発明の第２態様は、第１態様において、絶縁型のコンバータは、前記電源信号の安定化を図る電源安定回路を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、アナログ側に電力を供給する電源信号にディジタル側からの計測制御信号を重畳してアナログ側に供給するので、計測制御信号を送信するための信号伝送用の絶縁素子（フォトカプラー）を削減することができ、アナログ側−ディジタル側間の浮遊容量を効果的に削減でき、アナログ側からディジタル側へのノイズ侵入を抑制することが可能となり、安定した計測を行うことが可能となる。
また、高価な信号絶縁用素子の個数の削減ができ、コストダウンが可能となる。

絶縁型計測回路の概要構成ブロック図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの回路説明図である。 パルス生成回路の出力するパルス信号と出力電圧との関係説明図である。 計測制御データの生成状態の説明図である。

次に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
次に本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、絶縁型計測装置の概要構成ブロック図である。
絶縁型計測装置１０は、図示しないセンサー、センサー回路などから計測対象のアナログ信号が入力され、アナログ／ディジタル変換を行ってディジタル計測データを出力するＡ／Ｄコンバーター１１と、入力されたディジタル計測データに基づいて、ディジタル計測データの処理、管理や計測結果の表示制御を行うコントロール部１２と、ＬＥＤおよびフォトディテクターを有し、ディジタル計測信号を絶縁状態でコントロール部に出力するフォトカプラー１３と、コントロール部１２の制御下で計測用の電源信号をＡ／Ｄコンバーター１１の電源端子ＴＰに供給する絶縁型のコンバーターとしてのＤＣ／ＤＣコンバーター１４と、コントロール部１２の制御下でＤＣ／ＤＣコンバーター１４の出力電圧を制御するためのパルス信号を生成するためのパルス生成回路１５と、ＤＣ／ＤＣコンバーター１４の出力する計測用電源の電圧を所定の基準電圧と比較して計測制御データを生成し、Ａ／Ｄコンバーター１１の制御入力端子ＴＣに出力する電圧比較回路１６と、を備えている。

図２は、ＤＣ／ＤＣコンバーターの回路説明図である。
ＤＣ／ＤＣコンバーター１４は、いわゆるフライバック型変換方式の絶縁型電源回路構成を採っている。
ＤＣ／ＤＣコンバーター１４は、大別すると、電圧変換を行うトランス（フライバックトランス）２１と、トランス２１の一次側に接続されたスイッチングトランジスター２２と、トランス２１の二次側に接続された逆流防止ダイオード２３と、電圧安定化用のコンデンサー２４と、出力電圧検出用の分圧回路２５と、基準電圧を生成する基準電圧生成回路２６と、を備えている。
この場合において、逆流防止ダイオード２３と、コンデンサー２４とは、共働して電圧安定回路を構成している。

分圧回路２５は、高電位側電源と低電位側電源との間に直列接続された二つの抵抗素子２７、２８を有し、両抵抗素子２７、２８の中間接続点が電圧比較回路１６の一方の入力端子に接続されている。
基準電圧生成回路２６は、一端が高電位側電源に接続された分圧抵抗素子２９と、低電位側電源にアノード端子が接続され、カソード端子が分圧抵抗素子２９の他端に接続された定電圧ダイオード３０と、を備え、分圧抵抗素子２９と定電圧ダイオード３０との中間接続点が電圧比較回路１６の他方の入力端子に接続されている。

次に実施形態の動作を説明する。
計測を行うために電源が投入されると、コントロール部１２は、Ａ／Ｄコンバーター１１に計測制御信号が重畳されていない電源信号を駆動電力として供給する。
このため、コントロール部１２は、計測制御信号が重畳されていない電源信号の電圧である基準出力電圧に相当するデューティー比（パルス幅）を有するパルス信号をパルス生成回路１５に出力させるためのパルス制御信号をパルス生成回路に出力する。これにより、パルス生成回路１５は、基準出力電圧に相当するデューティー比（パルス幅）を有するパルス信号をＤＣ／ＤＣコンバーター１４に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバーター１４のスイッチングトランジスター２２は、基準出力電圧を有する電源信号をＡ／Ｄコンバーター１１の電源端子ＴＰに出力する。
これにより、Ａ／Ｄコンバーターは、駆動状態となる。
この駆動状態において、コントロール部１２は、アナログ側に供給する電源信号に計測制御信号を重畳した電源信号ＭＰとする場合に、計測制御信号（制御データ）ＣＤを"Ｈ"レベルとしたい期間だけ、"Ｈ"レベル時電圧に相当するデューティー比（パルス幅）を有するパルス信号をパルス生成回路１５に出力させる。

このため、コントロール部１２は、"Ｈ"レベル時電圧に相当するパルス制御信号をパルス生成回路１５に出力する。この場合において、"Ｈ"レベル時電圧は、基準出力電圧よりも所定電圧だけ高い電圧に設定されているが、“Ｈ”レベル時電圧であっても、Ａ／Ｄコンバーター１１の許容入力電圧範囲となっており、Ａ／Ｄコンバーター１１の基本的な動作には影響がないようにされている。
これにより、パルス生成回路１５は、"Ｈ"レベル時電圧に相当するデューティー比（パルス幅）を有するパルス信号をＤＣ／ＤＣコンバーター１４に出力する。

図３は、パルス生成回路の出力するパルス信号と出力電圧との関係説明図である。
図３に示すように、計測制御信号ＣＤを“Ｈ”レベルとしたい期間においては、基準出力電圧よりオンデューティーの高いパルス信号がパルス生成回路１５から出力され、ＤＣ／ＤＣコンバーター１４から出力される電源信号の電圧（出力電圧）は、所定の“Ｈ”レベル時電圧まで上昇する。
より具体的には、パルス信号によりスイッチングトランジスター２２がオンになると、トランス２１には磁気エネルギーが蓄えられ、スイッチングトランジスター２２がオフになると、蓄えた磁気エネルギーを電力（電気エネルギー）として逆流防止ダイオード２３を介してコンデンサー２４に供給する。

これによりコンデンサー２４は、逆流防止ダイオード２３と共働して供給された電力を平滑化して電源信号の電圧を安定させ、スイッチングトランジスター２２のオン時間、すなわち、入力されたパルス信号のパルス幅に相当する電圧を有する出力電圧（この場合には、“Ｈ”レベル時電圧）をＡ／Ｄコンバーター１１に出力する。
この場合において、出力側の負荷が同一である場合には、スイッチングトランジスター２２のオン時間に比例して電圧が増加することとなる。

図４は、計測制御データの生成状態の説明図である。
この結果、電圧比較回路１６は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１４の出力する計測制御信号ＣＤが重畳された電源信号の電圧を所定の基準電圧と比較し、計測制御信号ＣＤが重畳された電源信号の電圧よりも高い場合には、計測制御データの信号レベルを“Ｈ”レベルとして、Ａ／Ｄコンバーター１１の制御入力端子ＴＣに出力することとなる。
これらの結果、Ａ／Ｄコンバーター１１の制御入力端子ＴＣには、計測制御信号ＣＤの所定のパターンが入力されることとなるので、Ａ／Ｄコンバーター１１は、当該パターンに応じて動作モードや、計測レンジの変更などを行うこととなる。

以上の説明のように、本実施形態によれば、絶縁型電源回路であるＤＣ／ＤＣコンバーター１４を介して、アナログ側のＡ／Ｄコンバーター１１を制御するための計測制御信号ＣＤを絶縁状態でディジタル側のコントロール部１２からアナログ計測回路であるＡ／Ｄコンバーター１１に伝送することができる。
したがって、電源系統とは別個に計測制御データ伝送用の絶縁素子（フォトカプラー）を設ける必要がないので、絶縁素子を削減することができ、浮遊容量を効果的に削減でき、アナログ信号入力側である計測回路から制御回路側へのノイズ侵入を抑制することが可能となり、安定した計測を行うことができる。
また、高価な信号絶縁用素子の個数の削減ができ、絶縁型計測装置のコストダウンを図ることができる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
以上の説明においては、絶縁型電源回路として、フライバック型のＤＣ／ＤＣコンバーター１４）を用いていたが、絶縁型のコンバーター（電源回路）であって、電源電圧を所定範囲で変更可能な電源であれば、同様に適用が可能である。

以上の説明においては、制御データを"Ｈ"レベルとしたい期間だけ、"Ｈ"時電圧に相当するデューティー比（パルス幅）を有するパルス信号をパルス生成回路１５に出力させる構成としていたが、制御データを"Ｌ"レベルとしたい期間だけ、"Ｌ"時電圧に相当するデューティー比（パルス幅）を有するパルス信号をパルス生成回路１５に出力させる構成とすることも可能である。
以上の説明においては、絶縁型計測装置の計測対象について具体的に説明しなかったが、電池（蓄電池）、直流電源装置などの電源装置の電流、電圧、抵抗値（インピーダンス）、静電容量などの各種アナログ量を計測する場合に適用が可能である。特に入力アナログ信号として、高周波信号、高電圧信号を計測対象として取り扱う場合に、アナログ回路側からディジタル回路側へのノイズの侵入を抑制して、信頼性の高い計測値を得ることが可能となる。

１０ 絶縁型計測回路
１１ Ａ／Ｄコンバーター（アナログ側）
１２ コントロール部（ディジタル側）
１３ フォトカプラー（絶縁素子）
１４ ＤＣ／ＤＣコンバーター（絶縁型のコンバーター）
１５ パルス生成回路
１６ 電圧比較回路
２１ トランス（フライバックトランス）
２２ スイッチングトランジスター
２３ 逆流防止ダイオード
２４ コンデンサー
２５ 分圧回路
２６ 基準電圧生成回路
３０ 定電圧ダイオード
ＴＣ 制御入力端子
ＴＰ 電源端子

Claims (2)

1. 電圧や電流等のアナログ信号をディジタル側で電気的に絶縁して計測する絶縁型計測装置において、
   アナログ側に電力を供給する電源信号に前記ディジタル側からの計測制御信号を重畳して前記アナログ側に供給するための絶縁型のコンバーターを備えたことを特徴とする絶縁型計測装置。
2. 請求項１記載の絶縁型計測装置において、
   前記絶縁型のコンバーターは、前記電源信号の安定化を図る電源安定回路を備えたことを特徴とする絶縁型計測装置。

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