JP2010256125A - Voltage detection apparatus and line voltage detecting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出対象体の電圧を検出する電圧検出装置、およびこの電圧検出装置を備えた線間電圧検出装置に関するものである。 The present invention relates to a voltage detection device that detects the voltage of a detection object, and a line voltage detection device that includes the voltage detection device.
この種の電圧検出装置として、特公平7−58297号公報に開示された非接触型電圧測定装置(以下、「電圧検出装置」ともいう)が知られている。この電圧検出装置は、検出対象体(試料)の電位の変化を非接触で読み取る非接触電位測定装置であって、先端が尖った金属針、この金属針を通してフィールドエミッション電流またはトンネル電流を検出してこの電流が一定になるように金属針に電圧を印加するフィードバック回路、および金属針の電圧を読み出す回路を備えている。この電圧検出装置では、金属針を検出対象体に近接させて保持すると、フィードバック回路により、フィールドエミッション電流またはトンネル電流が一定となるように金属針への印加電圧が制御される。したがって、このときの金属針の電圧は、検出対象体の電圧に追従するので、金属針の電圧を読み取ることにより検出対象体の電圧の変化を読み取ることが可能となっている。この場合、この電圧検出装置では、フォードバック回路の一部に電流電圧変換器が使用され、フィールドエミッション電流またはトンネル電流を電流電圧変換器で電圧信号に変換する構成が採用されている。 As this type of voltage detection device, a non-contact voltage measurement device (hereinafter also referred to as “voltage detection device”) disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-58297 is known. This voltage detection device is a non-contact potential measurement device that reads changes in potential of a detection target (sample) in a non-contact manner, and detects a field emission current or a tunnel current through a metal needle with a sharp tip and this metal needle. A feedback circuit for applying a voltage to the metal needle so that the current of the lever is constant and a circuit for reading the voltage of the metal needle are provided. In this voltage detection device, when the metal needle is held close to the object to be detected, the voltage applied to the metal needle is controlled by the feedback circuit so that the field emission current or the tunnel current is constant. Therefore, since the voltage of the metal needle at this time follows the voltage of the detection object, it is possible to read the change in the voltage of the detection object by reading the voltage of the metal needle. In this case, this voltage detection device employs a configuration in which a current-voltage converter is used as a part of the Fordback circuit, and a field emission current or a tunnel current is converted into a voltage signal by the current-voltage converter.
ところが、上記の電圧検出装置には、以下のような問題点がある。すなわち、この電圧検出装置では、フィードバック回路の出力が印加される金属針は電流電圧変換器に接続されており、一般的に電流電圧変換器の入力インピーダンスは低い値であることから、フィードバック回路の負荷が重い状態となっている。したがって、この電圧検出装置には、フィードバック回路の負荷が重いことに起因して、検出対象体の電位の変化がゆっくりとしているとき(変動の周期が長いとき)には、金属針に印加する電圧を検出対象体の電位の変動に追従させることができるものの、検出対象体の電位の変化が速いとき(変動の周期が短いとき)には、金属針に印加する電圧を検出対象体の電位の変動に追従させることが困難となるという解決すべき課題が存在している。 However, the above voltage detection device has the following problems. That is, in this voltage detection device, the metal needle to which the output of the feedback circuit is applied is connected to the current-voltage converter, and generally the input impedance of the current-voltage converter is a low value. The load is heavy. Therefore, in this voltage detection device, when the change in the potential of the detection object is slow (when the fluctuation period is long) due to the heavy load on the feedback circuit, the voltage applied to the metal needle Can follow the fluctuation of the potential of the detection object, but when the change of the potential of the detection object is fast (when the fluctuation cycle is short), the voltage applied to the metal needle is There is a problem to be solved that it is difficult to follow the fluctuation.
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、検出対象体の変化の速い電圧についても検出し得る広帯域の電圧検出装置を提供することを主目的とする。また、電路間の線間電圧を検出し得る線間電圧検出装置を提供することを他の主目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its main object to provide a wide-band voltage detection device that can detect even a voltage whose detection object changes rapidly. Another main object is to provide a line voltage detecting device capable of detecting a line voltage between electric circuits.
上記目的を達成すべく請求項1記載の電圧検出装置は、検出対象体に生じている検出対象交流電圧を検出する電圧検出装置であって、前記検出対象体に対向して配設されて当該検出対象体と容量結合する検出電極と、基準電圧を基準として生成されたフローティング電源で作動して、前記検出対象交流電圧と当該基準電圧との間の交流の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するブートストラップ回路と、前記検出信号を入力すると共に電気的に絶縁して絶縁検出信号として出力する絶縁回路と、前記電位差が減少するように前記絶縁検出信号を増幅して前記基準電圧を生成する電圧生成回路とを備えている。
In order to achieve the above object, a voltage detection device according to
また、請求項2記載の電圧検出装置は、請求項1記載の電圧検出装置において、前記絶縁回路は、光絶縁素子および/またはトランスを備えて構成されている。
The voltage detection device according to
また、請求項3記載の電圧検出装置は、請求項1または2記載の電圧検出装置において、前記基準電圧に規定されたガード電極を備え、前記ブートストラップ回路および前記絶縁回路の一次側回路が前記ガード電極によって覆われている。
The voltage detection device according to
また、請求項4記載の電圧検出装置は、請求項3記載の電圧検出装置において、前記ガード電極に開口部が形成され、前記検出電極は、前記ガード電極内における前記開口部を臨む位置に、当該開口部から突出しない状態で配置されている。
The voltage detection device according to
また、請求項5記載の電圧検出装置は、請求項1から4のいずれかに記載の電圧検出装置において、前記検出電極における前記検出対象体と対向する表面全体を覆う絶縁物を備えている。 A voltage detection device according to a fifth aspect is the voltage detection device according to any one of the first to fourth aspects, further comprising an insulator that covers the entire surface of the detection electrode facing the detection object.
また、請求項6記載の線間電圧検出装置は、前記検出対象体としての対応する複数の電路に前記検出電極が対向可能に構成されて当該各電路に生じている交流電圧を前記検出対象交流電圧としてそれぞれ検出可能な複数の請求項1から5のいずれかに記載の電圧検出装置と、前記複数の電圧検出装置のうちの一対の電圧検出装置によって検出された2つの前記電路の前記交流電圧の差分電圧を算出して当該2つの電路間の線間電圧を求める算出部とを備えている。
The line voltage detection device according to claim 6 is configured such that the detection electrode can be opposed to a plurality of corresponding electric circuits as the detection object, and an AC voltage generated in each electric circuit is detected as the detection target AC. A plurality of voltage detection devices according to any one of
請求項1記載の電圧検出装置では、検出電極を検出対象体に対向させて配置した状態において、ブートストラップ回路が、交流電圧および基準電圧の電位差に基づいて、この電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力し、絶縁回路が、この検出信号を電気的に絶縁して絶縁検出信号として出力し、電圧生成回路が絶縁検出信号を増幅して基準電圧を生成する。この電圧検出装置では、検出電極に接続される回路が入力インピーダンスの極めて高いブートストラップ回路であるため、検出電極のインピーダンスが高インピーダンスに維持されて、電圧生成回路の負荷となるフローティング回路部全体のインピーダンスも高インピーダンスとなっている(電圧生成回路の負荷が軽い状態になっている)。
In the voltage detection device according to
したがって、この電圧検出装置によれば、電圧生成回路が、出力している基準電圧を周期の短い(周波数の高い)検出対象交流電圧に対しても良好に追従させることができる結果、広い周波数帯域に亘って検出対象交流電圧を精度良く検出することができる。 Therefore, according to this voltage detection device, the voltage generation circuit can satisfactorily follow the output reference voltage even with a detection target AC voltage having a short cycle (high frequency), resulting in a wide frequency band. It is possible to accurately detect the AC voltage to be detected over the entire range.
また、請求項2記載の電圧検出装置によれば、絶縁回路を光絶縁素子および/またはトランスを使用して構成したことにより、ブートストラップ回路と本体回路部とを簡易に電気的に絶縁する(分離する)ことができる。また、光絶縁素子を使用した場合には、広い周波数範囲に亘って周波数特性が良好なため、広い周波数範囲に亘る検出対象体の交流電圧をより精度良く検出することができる。また、トランスを絶縁回路として使用した場合には、一般的にトランスは光絶縁素子よりも高い周波数域で良好な周波数特性を有しているため、検出対象交流電圧を検出し得る周波数帯域の上限周波数をより高めることができる。また、光絶縁素子およびトランスを並列に接続して絶縁回路を構成した場合には、低周波数域側では光絶縁素子が主として作動し、高周波数域側ではトランスが主として作動することにより、絶縁回路の周波数特性を一層広帯域化することができる結果、広い周波数範囲に亘る検出対象交流電圧の検出精度をより高めることができる。 According to the voltage detecting device of the second aspect, the bootstrap circuit and the main body circuit unit are easily electrically insulated by configuring the insulating circuit using the optical insulating element and / or the transformer ( Can be separated). In addition, when an optical insulating element is used, since the frequency characteristics are good over a wide frequency range, the AC voltage of the detection object over a wide frequency range can be detected with higher accuracy. In addition, when a transformer is used as an insulating circuit, the transformer generally has good frequency characteristics in a higher frequency range than the optical insulating element, so the upper limit of the frequency band in which the detection target AC voltage can be detected. The frequency can be further increased. In addition, when an insulation circuit is configured by connecting an optical insulation element and a transformer in parallel, the optical insulation element mainly operates on the low frequency side and the transformer mainly operates on the high frequency side. As a result, it is possible to further increase the detection accuracy of the detection target AC voltage over a wide frequency range.
また、請求項3記載の電圧検出装置によれば、ブートストラップ回路および絶縁回路の一次側回路をガード電極内に収容して、これらをガード電極で覆う構成としたことにより、外部からの電界の影響をこれら回路が受けにくくすることができる結果、検出対象交流電圧の検出精度を向上させることができる。 According to the voltage detection device of the third aspect, the primary side circuit of the bootstrap circuit and the insulating circuit are accommodated in the guard electrode, and these are covered with the guard electrode. As a result of making it difficult for these circuits to be affected, the detection accuracy of the detection target AC voltage can be improved.
また、請求項4記載の電圧検出装置によれば、ガード電極内であって、ガード電極に形成された開口部を臨む位置に、開口部から突出しない状態(非突出状態)で検出電極を配置したことにより、外部の電界の影響を検出電極が受けにくくすることができる結果、検出対象交流電圧の検出精度を一層向上させることができる。
According to the voltage detection device of
また、請求項5記載の電圧検出装置によれば、検出電極における検出対象体と対向する表面全体を絶縁物で覆う構成としたことにより、検出対象体と検出電極との短絡を確実に防止することができる。 According to the voltage detection device of the fifth aspect, the entire surface of the detection electrode facing the detection target body is covered with the insulating material, thereby reliably preventing a short circuit between the detection target body and the detection electrode. be able to.
また、請求項6記載の線間電圧検出装置によれば、ブートストラップ回路を有して構成された上記の電圧検出装置を使用したことにより、広い周波数帯域に亘って各電路の交流電圧を精度良く検出することができるため、各線間電圧についても広い周波数帯域に亘って精度良く測定することができる。 Further, according to the line voltage detecting device of the sixth aspect, the use of the voltage detecting device having the bootstrap circuit makes it possible to accurately measure the AC voltage of each electric circuit over a wide frequency band. Since it can be detected well, each line voltage can be measured with high accuracy over a wide frequency band.
以下、添付図面を参照して、電圧検出装置および線間電圧検出装置の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a voltage detection device and a line voltage detection device will be described with reference to the accompanying drawings.
最初に、電圧検出装置1について、図面を参照して説明する。
First, the
電圧検出装置1は、非接触型の電圧検出装置であって、図1に示すように、フローティング回路部2および本体回路部3を備え、検出対象体4に生じている交流電圧V1(検出対象交流電圧)を非接触で検出(測定)可能に構成されている。
The
フローティング回路部2は、図1,2,3に示すように、ガード電極21、検出電極22、ブートストラップ回路27、駆動回路25および絶縁回路26を備えている。絶縁回路26は、本例では一例としてフォトカプラ(以下、「フォトカプラ26」ともいう)で構成されている。ガード電極21は、導電性材料(例えば金属材料)を用いて、フローティング回路部2における基準電圧部として構成されて、一例としてその内部にブートストラップ回路27、駆動回路25およびフォトカプラ26が収容されている。これにより、ブートストラップ回路27からフォトカプラ26までがガード電極21に覆われた構成となっている。なお、ガード電極21で覆うべき部位は、ブートストラップ回路27からフォトカプラ26の一次側回路(後述する発光ダイオード)まででよい。このため、フォトカプラ26の二次側回路(後述するフォトトランジスタ)については、ガード電極21で覆われない構成とすることもできる。一例として、樹脂材料で一次側回路と二次側回路とが1つのパッケージに封止されて構成されたフォトカプラ26のような光絶縁素子の場合には、パッケージにおける一次側回路が含まれる部位(パッケージの発光ダイオード側の半分)がガード電極21の内部に位置し、二次側回路が含まれる部位(パッケージのフォトトランジスタ側の半分)がガード電極21の外部に突出(露出)するように、ガード電極21に対してフォトカプラ26を配置する。また、ガード電極21には開口部(孔)21aが形成されると共に、本例では、さらに、図2,3に示すように、ガード電極21全体が絶縁層(絶縁物の一例)21bで覆われている。検出電極22は、例えば、平板状に形成されて、ガード電極21内における開口部21aを臨む位置に、開口部21aからガード電極21の外側に突出しない状態(つまり、検出電極22の表面をガード電極21の表面から凹ませた非突出状態)で配設されている。このようにガード電極21全体が絶縁層21bで覆われ、かつ検出電極22が開口部21aを臨む位置に配置されている構成のため、絶縁層21bが検出電極22における検出対象体4と対向する表面全体を覆う構成となっている。
The
ブートストラップ回路27は、一例として、図1に示すように、演算増幅器27a、演算増幅器27aの非反転入力端子とガード電極21との間に互いに直列に接続された状態で配設された2つの抵抗27b,27c、演算増幅器27aの反転入力端子と2つの抵抗27b,27cの接続点との間に配設されたコンデンサ27d、および演算増幅器27aの反転入力端子と出力端子との間に配設された抵抗27eを備えている。また、演算増幅器27aの非反転入力端子に検出電極22が接続されている。このブートストラップ回路27は、演算増幅器27aが後述する正電圧Vf+および負電圧Vf−の供給を受けて作動して、検出電極22に発生する電圧を入力して、検出対象体4の交流電圧V1とガード電極21の電圧(基準電圧)との電位差Vdiに応じた電圧の検出電圧信号(検出信号)V2を出力する。この場合、検出電圧信号V2は、その振幅が電位差Vdiの振幅に比例して変化する。
As an example, as shown in FIG. 1, the
駆動回路25は、フォトカプラ26と共にブートストラップ回路27の後段に配置されている。また、駆動回路25は、一例としてベース端子が入力抵抗25aを介して演算増幅器27aの出力端子に接続され、コレクタ端子がフォトカプラ26に接続され、かつエミッタ端子が負電圧Vf−に接続されたトランジスタ(本例では一例としてNPN型のバイポーラトランジスタ)25bで構成されている。フォトカプラ26は、絶縁回路の一例である光絶縁素子に含まれるものであって、その一次側回路としての発光ダイオードは、カソード端子がトランジスタ25bのコレクタ端子に接続され、アノード端子が正電圧Vf+に接続されている。また、フォトカプラ26の二次側回路としてのフォトトランジスタは、配線W1を介して本体回路部3と接続されている。この構成により、フォトカプラ26が駆動回路25で駆動されてリニア領域で作動することにより、検出電圧信号V2の電圧値に応じて(ほぼ比例して)フォトカプラ26におけるフォトトランジスタの抵抗値が変化する。したがって、このフォトカプラ26が、後述する本体回路部3の抵抗33と相俟って、ブートストラップ回路27から入力した検出電圧信号V2を、この検出電圧信号V2と電気的に絶縁された新たな検出電圧信号(絶縁検出信号)V2aに変換する。また、フォトカプラ26に代えて、同じ光絶縁素子である光MOS−FETを使用することもできる。この場合、光MOS−FETは、その一次側回路としての発光ダイオードが上記したフォトカプラ26の発光ダイオードと同様にしてトランジスタ25b等に接続され、その二次側回路としてのFET対が配線W1を介して本体回路部3と接続される。
The
本体回路部3は、図1に示すように、一例として、主電源回路31、DC/DCコンバータ(以下、単に「コンバータ」ともいう)32、電流電圧変換用の抵抗33、電圧生成回路34および電圧計35を備えている。主電源回路31は、例えば、バッテリーを備えて構成されて、本体回路部3の各構成要素32,34を作動させるための正電圧Vddおよび負電圧Vss(グランドG1の電位を基準として生成される絶対値が同じで、互いの極性の異なる直流電圧)をそのバッテリーの直流電圧から生成して出力する。コンバータ32は、一例として互いに電気的に絶縁された一次巻線および二次巻線を有する絶縁型のトランスと、このトランスの一次巻線を駆動する駆動回路と、トランスの二次巻線に誘起される交流電圧を整流平滑する直流変換部(いずれも図示せず)とを備えて、一次側に対して二次側が電気的に絶縁された絶縁型電源として構成されている。このコンバータ32では、入力した正電圧Vddおよび負電圧Vssに基づいて駆動回路が作動して、正電圧Vddが印加された状態にあるトランスの一次巻線を駆動して二次巻線に交流電圧を誘起させる。また、直流変換部が、この交流電圧を整流して平滑する。これにより、内部基準電位(内部グランド)を基準として、上記電圧(正電圧Vf+および負電圧Vf−)がフローティング状態(グランドG1、正電圧Vddおよび負電圧Vssと電気的に分離された状態)で生成される。このようにして生成された正電圧Vf+および負電圧Vf−は、上記の内部グランドがガード電極21に電気的に接続された状態で、フローティング回路部2に供給される。なお、正電圧Vf+および負電圧Vf−は、絶対値がほぼ同一で、極性が互いに異なる直流電圧として生成される。
As shown in FIG. 1, the main
抵抗33は、一端が正電圧Vddに接続されると共に、他端がフォトカプラ26におけるフォトトランジスタのコレクタ端子に接続されている。これにより、抵抗33とフォトトランジスタとが正電圧Vddと負電圧Vssとの間に直列に接続された状態となる。このため、フォトトランジスタの抵抗値が検出電圧信号V2の電圧値に応じて変化したときには、正電圧Vddおよび負電圧Vssの電位差(Vdd−Vss)が抵抗33の抵抗値とフォトトランジスタの抵抗値とで分圧されることにより、上記した検出電圧信号V2aがフォトトランジスタのコレクタ端子に発生する。
The resistor 33 has one end connected to the positive voltage Vdd and the other end connected to the collector terminal of the phototransistor in the
電圧生成回路34は、検出電圧信号V2aを入力して増幅することにより、電圧信号V4(つまり基準電圧)を生成して、ガード電極21に印加する。この場合、電圧生成回路34は、フローティング回路部2のガード電極21、検出電極22、ブートストラップ回路27、駆動回路25およびフォトカプラ26と共にフィードバックループを形成して、電位差Vdiを減少させるように検出電圧信号V2aを増幅する増幅動作を行うことにより、電圧信号V4を生成する。本例では、一例として、電圧生成回路34は、交流増幅回路34a、位相補償回路34bおよび昇圧回路34cを備えて構成されている。ここで、交流増幅回路34aは、検出電圧信号V2aを入力して増幅することにより、電圧信号V4aを生成する。この場合、交流増幅回路34aは、検出電圧信号V2aの電圧値についての絶対値の増加・減少に対応して、電圧値の絶対値が変化する電圧信号V4aを増幅動作によって生成する。位相補償回路34bは、フィードバック制御動作の安定化(発振防止)を図るため、電圧信号V4aを入力してその位相を調整して電圧信号V4bとして出力する。昇圧回路34cは、一例として昇圧トランスを用いて構成されて、電圧信号V4bを所定の倍率で昇圧することにより(極性は変えずに絶対を増加させることにより)、電圧信号V4を生成してガード電極21に印加する。電圧計35は、この電圧信号V4の実効値を検出(測定)して出力する(一例として自らの表示部(不図示)に表示させる)。
The
次いで、電圧検出装置1による検出対象体4の交流電圧V1についての検出動作(測定動作)について説明する。
Next, the detection operation (measurement operation) for the AC voltage V1 of the
まず、検出電極22が非接触の状態で検出対象体4に対向するように、フローティング回路部2(または電圧検出装置1全体)を検出対象体4の近傍に位置させる。これにより、図1に示すように、検出電極22と検出対象体4との間に静電容量C0が形成された状態となる。この場合、静電容量C0の容量値は、検出電極22と検出対象体4の距離に反比例して変化するが、フローティング回路部2を一旦配設した後は、温度などの環境が一定の条件下においては一定の(変動しない)値となる。静電容量C0の容量値は、一般的に数pF〜数十pF程度の容量となる。
First, the floating circuit unit 2 (or the entire voltage detection device 1) is positioned in the vicinity of the
次いで、電圧検出装置1の起動状態において、検出対象体4の交流電圧V1と、ガード電極21の電圧(基準電圧。電圧信号V4の電圧)との電位差Vdiが増加しているとき(例えば、交流電圧V1の上昇に起因して電位差Vdiが増加しているとき)には、ブートストラップ回路27は、この電位差Vdiの増加に応じて、出力している検出電圧信号V2の電圧値を上昇させる。また、この検出電圧信号V2の電圧上昇に伴い、駆動回路25のトランジスタ25bが深いオン状態に移行する。これにより、フォトカプラ26では、その発光ダイオードに流れる電流が増加し、フォトトランジスタの抵抗が減少する。したがって、抵抗33の抵抗値とフォトトランジスタの抵抗値とで電位差(Vdd−Vss)が分圧されて生成される検出電圧信号V2aは、その電圧値が低下する。電圧生成回路34は、この検出電圧信号V2aに基づいて、生成している電圧信号V4の電圧値を上昇させる。この電圧検出装置1では、このようにしてフィードバックループを構成するブートストラップ回路27、駆動回路25、フォトカプラ26および本体回路部3が、検出対象体4の交流電圧V1の上昇を検出して、電圧信号V4の電圧値を上昇させるフィードバック制御動作を実行することにより、ガード電極21の電圧(電圧信号V4の電圧)を交流電圧V1に追従させる。
Next, in the activated state of the
また、交流電圧V1の低下に起因して電位差Vdiが増加したときには、フィードバックループを構成するブートストラップ回路27等が上記のフィードバック制御動作とは逆の動作を実行して、電圧信号V4の電圧を低下させることにより、ガード電極21の電圧(電圧信号V4の電圧)を交流電圧V1に追従させる。このようにして、電圧検出装置1では、ガード電極21の電圧(電圧信号V4の電圧)を交流電圧V1に追従させるフィードバック制御動作が短時間に実行されて、ガード電極21の電圧(演算増幅器27aのバーチャルショートにより、検出電極22の電圧でもある)が交流電圧V1に一致させられる。電圧計35は、電圧信号V4の実効値(基準電圧。ガード電極21の電圧)をリアルタイムで計測(検出)して表示する。したがって、この電圧計35に表示される数値を観測することにより、検出対象体4の交流電圧V1が検出(測定)される。
Further, when the potential difference Vdi increases due to the decrease in the AC voltage V1, the
このように、この電圧検出装置1では、検出電極22を検出対象体4に対向させて配置した状態において、ブートストラップ回路27が、交流電圧V1および電圧信号V4(基準電圧)の電位差Vdiに基づいて、この電位差Vdiに応じて振幅が変化する検出電圧信号(検出信号)V2を生成し、フォトカプラ26が、この検出電圧信号V2を電気的に絶縁された検出電圧信号(絶縁検出信号)V2aに変換し、電圧生成回路34が検出電圧信号V2aに基づいて電圧信号V4を生成してガード電極21に印加する。また、この電圧検出装置1では、検出電極22に接続される回路が入力インピーダンスの極めて高いブートストラップ回路27であるため、検出電極22のインピーダンスが高インピーダンスに維持されて、電圧生成回路34の負荷となるフローティング回路部2全体のインピーダンスも高インピーダンスとなっている(電圧生成回路34の負荷が軽い状態になっている)。
As described above, in this
したがって、この電圧検出装置1によれば、電圧生成回路34が、出力している電圧信号V4の電圧値を周期の短い(周波数の高い)交流電圧V1に対しても良好に追従させることができる結果、広い周波数帯域に亘って(広帯域で)交流電圧V1を精度良く検出(測定)することができる。
Therefore, according to the
また、この電圧検出装置1によれば、絶縁回路としてフォトカプラ26を使用したことにより、フローティング回路部2と本体回路部3とを簡易に電気的に絶縁する(分離する)ことができる。また、広い周波数範囲に亘ってフォトカプラ26の周波数特性が良好なため、広い周波数範囲に亘る検出対象体4の交流電圧V1を精度良く検出(測定)することができる。なお、フォトカプラ26等の光絶縁素子に代えてトランス(例えばパルストランス)を用いて絶縁回路を構成することもできるし、フォトカプラ26とトランスとを並列に接続して絶縁回路を構成することもできる。この構成においては、トランスの一次巻線が絶縁回路の一次側回路として機能し、二次巻線が二次側回路として機能する。この場合、前者の構成では、一般的にトランスがフォトカプラ26よりも高い周波数域で良好な周波数特性を有しているため、トランスを使用することで、交流電圧V1を検出し得る周波数帯域の上限周波数をより高めることができる。また、後者の構成では、低周波数域側ではフォトカプラ26が主として作動し、高周波数域側ではトランスが主として作動することにより、絶縁回路の周波数特性を広帯域化することができる結果、広い周波数範囲に亘る検出対象体4の交流電圧V1をより精度良く検出(測定)することができる。
Further, according to the
また、この電圧検出装置1によれば、ブートストラップ回路27、駆動回路25およびフォトカプラ26をガード電極21内に収容して、これらをガード電極21で覆う構成としたことにより、外部からの電界の影響をこれら回路が受けにくくすることができる結果、交流電圧V1の検出精度を向上させることができる。
Further, according to the
また、この電圧検出装置1によれば、ガード電極21内であって、ガード電極21に形成された開口部21aを臨む位置に、開口部21aから突出しない状態(非突出状態)で検出電極22を配置したことにより、外部の電界の影響を検出電極22が受けにくくすることができる結果、交流電圧V1の検出精度を一層向上させることができる。
Further, according to the
また、この電圧検出装置1によれば、検出電極22における検出対象体4と対向する表面全体を絶縁物としての絶縁層21bで覆う構成としたことにより、検出対象体4と検出電極22との短絡を確実に防止することができる。
In addition, according to the
なお、上記の電圧検出装置1では、ガード電極21内であって、ガード電極21に形成された開口部21aを臨む位置に、開口部21aから突出しない状態(ガード電極21の表面から凹ませた状態)で検出電極22を配置する構成を採用したが、外部からの電界の影響が少ない場合には、検出電極22を開口部21a内にガード電極21とほぼ面一の状態または一部が突出する状態で取り付ける構成や、検出電極22をガード電極21の外表面に開口部21aを覆うようにして取り付ける構成を採用することもできる。また、いずれの構成においても、検出電極22とガード電極21とを電気的に絶縁するのは勿論である。また、ガード電極21全体を絶縁層21bで覆う構成について上記したが、検出対象体4との接触の可能性の高い検出電極22だけを絶縁層21bで覆い、他の部位を覆わない構成を採用することもできる。
In the
また、主電源回路31が外部から交流電圧の供給を受けて正電圧Vddおよび負電圧Vssを生成する構成の場合には、コンバータ32は、正電圧Vddおよび負電圧Vssの供給を受けて正電圧Vf+および負電圧Vf−を生成する構成(DCからDCを生成する構成)に代えて、主電源回路31と同様に外部から交流電圧の供給を受けて正電圧Vf+および負電圧Vf−を生成する構成とすることもできる。なお、この構成(ACからDCを生成する構成)においても、コンバータ32は、上記した例と同様にトランスを使用することにより、一次側に対して二次側が電気的に絶縁された絶縁型電源として構成する。
In the case where main
また、電圧信号V4の実効値を電圧計35で検出(測定)して出力する構成と共に、またはこの構成に代えて、例えば電圧信号V4をサンプリングして、その波形データを生成するDSP(デジタル信号処理部)を備える構成を採用することもできる。この構成を採用することにより、この波形データを電圧検出装置1の外部へ出力したり、この波形データに基づいて電圧検出装置1に設けた表示部に交流電圧V1の波形として表示させたりすることが可能となる。
Further, a DSP (digital signal) that generates the waveform data by sampling, for example, the voltage signal V4 together with the configuration in which the effective value of the voltage signal V4 is detected (measured) by the
また、上記した図1に示すブートストラップ回路27では、演算増幅器27aの反転入力端子と出力端子との間に抵抗27eを配置して、ゲインを持たせた構成としているが、この構成に代えて、図4に示す構成を採用して実現することもできる。同図に示すブートストラップ回路27では、抵抗27eを設けずに、演算増幅器27aの反転入力端子と出力端子とを短絡させることで、バッファ(倍率が1倍の増幅器)として機能させている。
In the
次に、上記した電圧検出装置1を複数利用した線間電圧検出装置51について説明する。
Next, a line
最初に、線間電圧検出装置51について、図面を参照して説明する。なお、以下では、三相(R相、S相およびT相)三線式の交流電路(以下、「電路」ともいう)R,S,Tの線間電圧を検出(測定)する例について説明する。
First, the line
線間電圧検出装置51は、一例として、図5に示すように、電路R,S,Tの数と同数(3つ)の電圧検出装置1(以下、各電路R,S,Tに対応させて電圧検出装置1r,1s,1t(以下、特に区別しないときには「電圧検出装置1」ともいう)、算出部52、および表示部53を備え、電路R,S間の線間電圧Vrs、電路S,T間の線間電圧Vst、および電路R,T間の線間電圧Vrtを非接触で検出可能(測定可能)に構成されている。
As an example, the line
各電圧検出装置1は、図5に示すように、上記したフローティング回路部2および本体回路部3をそれぞれ備えて同一に構成されて、各電路R,S,Tを検出対象体としてこれらの交流電圧Vr,Vs,Vt(検出対象交流電圧)に自らの電圧信号V4をフィードバック制御動作を実行して一致させる。また、本例の各電圧検出装置1r,1s,1tでは、電圧計35が、検出(測定)した電圧信号V4の波形を示す電圧データDva,Dvb,Dvcを出力する。以下、電圧データDva,Dvb,Dvcについては、特に区別しないときには「電圧データDv」ともいう。
As shown in FIG. 5, each
算出部52は、CPUおよびメモリ(いずれも図示せず)を備えて構成されて、各電圧検出装置1から出力された電圧データDvに基づいて、線間電圧を求める(算出)する線間電圧算出処理を実行する。また、算出部52は、線間電圧算出処理の結果を表示部53に表示させる。表示部53は、本例では、液晶ディスプレイなどのモニタ装置で構成されている。なお、プリンタなどの印字装置で構成することもできる。また、各本体回路部3は、後述するように互いのグランドG1同士が接続される。また、算出部52および表示部53は、3つの本体回路部3のうちのいずれか1つの本体回路部3に含まれている主電源回路31から正電圧Vddおよび負電圧Vssの供給を受けて作動する。この構成により、各フローティング回路部2、各本体回路部3、算出部52および表示部53は、大地からフローティングされた状態となっている。
The
次いで、線間電圧検出装置51の検出動作(測定動作)について説明する。
Next, the detection operation (measurement operation) of the line
まず、検出(測定)に際して、図5に示すように、電圧検出装置1rで電路Rの交流電圧Vrを検出(測定)するため、そのフローティング回路部2を電路Rに近づけると共に、その検出電極22を対応する電路Rに対向させる。同様にして、他の電圧検出装置1s,1tについても、電路S,Tの交流電圧Vs,Vtを検出(測定)するため、各フローティング回路部2の検出電極22を対応する電路S,Tにそれぞれ対向させる。これにより、各検出電極22と各電路R,S,Tとの間に静電容量C0(図1参照)がそれぞれ形成された状態となる。この場合、各静電容量C0の容量値は、各検出電極22と電路R,S,Tの芯線の距離に反比例して変化するが、フローティング回路部2を配設し終えた後は、湿度などの環境条件が一定のもとでは一定となる(変動しない)。また、各電圧検出装置1のグランドG1同士を接続(短絡)することにより、各電圧検出装置1のグランドG1の電位を共通化する。
First, at the time of detection (measurement), as shown in FIG. 5, in order to detect (measure) the AC voltage Vr of the electric circuit R with the
次いで、線間電圧検出装置51の起動状態において、電圧検出装置1rでは、フィードバックループを構成するブートストラップ回路27、駆動回路25、フォトカプラ26および本体回路部3が、電路Rの交流電圧Vrの変化に対応させて、電圧信号V4の電圧値を変化させるフィードバック制御動作を実行することにより、ガード電極21の電圧(電圧信号V4の電圧および検出電極22の電圧でもある)を交流電圧Vrに追従させる。また、他の電圧検出装置1s,1tでも、フィードバックループを構成するブートストラップ回路27、積分回路24、駆動回路25、フォトカプラ26および本体回路部3が、電路S,Tの交流電圧Vs,Vtの変化に対応させて、電圧信号V4の電圧値を変化させるフィードバック制御動作を実行することにより、それぞれのガード電極21の電圧(電圧信号V4の電圧および検出電極22の電圧でもある)を交流電圧Vs,Vtに追従させる。また、各電圧検出装置1の電圧計35は、検出(測定)した電圧信号V4の電圧、すなわち各電路R,S,Tの交流電圧Vr,Vs,Vtの波形を示す電圧データDva,Dvb,Dvcを連続して出力する。
Next, in the activated state of the line
算出部52は、各電圧検出装置1から出力された各電圧データDva,Dvb,Dvcを入力してメモリに記憶する。次いで、算出部52は、線間電圧算出処理を実行する。具体的には、算出部52は、各電圧データDva,Dvbの差分電圧を算出することにより、各電路R,S間の線間電圧Vrsを求める(算出する)。また、算出部52は、同様にして、各電圧データDvb,Dvcの差分電圧を算出することにより、各電路S,T間の線間電圧Vstを求め(算出し)、各電圧データDva,Dvcの差分電圧を算出することにより、各電路R,T間の線間電圧Vrtを求める(検出する)。この場合、前述したように、各電圧検出装置1は共通化されたグランドG1を基準として各電路R,S,Tの交流電圧Vr,Vs,Vtを検出(測定)するため、基準電位がどのような電位であったとしても、各交流電圧Vr,Vs,Vtの差分電圧を算出することにより、各線間電圧Vrs,Vst,Vrtが正確に求められる(算出)される。また、算出部52は、算出した線間電圧Vrs,Vst,Vrtを表示部53に表示させる。
The
このように、この線間電圧検出装置51によれば、ブートストラップ回路27を有して構成された電圧検出装置1を使用したことにより、広い周波数帯域に亘って各交流電圧Vr,Vs,Vtを精度良く検出することができるため、線間電圧Vrs,Vst,Vrtについても広い周波数帯域に亘って精度良く検出(測定)することができる。
As described above, according to the line
なお、主電源回路31およびコンバータ32をそれぞれ備えた同一構成の電圧検出装置1を複数使用した例について上記したが、複数の電圧検出装置1のうちの1つに主電源回路31およびコンバータ32を配置し、この電圧検出装置1から残りの電圧検出装置1に対して正電圧Vdd、負電圧Vss、正電圧Vf+および負電圧Vf−を供給する構成を採用することもできる。
In addition, although the example using a plurality of
1,1r,1s,1t 電圧検出装置
2 フローティング回路部
3 本体回路部
4 検出対象体
21 ガード電極
21a 開口部
21b 絶縁層
22 検出電極
26 フォトカプラ
27 ブートストラップ回路
34 電圧生成回路
51 線間電圧検出装置
52 算出部
R,S,T 電路
V1,Vr,Vs,Vt 交流電圧
V2 検出電圧信号
Vdi 電位差
Vrs,Vrt,Vst 線間電圧
1, 1r, 1s, 1t
Claims (6)
前記検出対象体に対向して配設されて当該検出対象体と容量結合する検出電極と、
基準電圧を基準として生成されたフローティング電源で作動して、前記検出対象交流電圧と当該基準電圧との間の交流の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するブートストラップ回路と、
前記検出信号を入力すると共に電気的に絶縁して絶縁検出信号として出力する絶縁回路と、
前記電位差が減少するように前記絶縁検出信号を増幅して前記基準電圧を生成する電圧生成回路とを備えている電圧検出装置。 A voltage detection device for detecting a detection target alternating voltage generated in a detection target body,
A detection electrode disposed opposite to the detection object and capacitively coupled to the detection object;
A bootstrap circuit that operates with a floating power source generated with reference to a reference voltage, and outputs a detection signal whose amplitude changes according to an AC potential difference between the detection target AC voltage and the reference voltage;
An insulation circuit that inputs the detection signal and electrically insulates it and outputs it as an insulation detection signal;
A voltage detection device comprising: a voltage generation circuit that amplifies the insulation detection signal so as to reduce the potential difference and generates the reference voltage.
前記検出電極は、前記ガード電極内における前記開口部を臨む位置に、当該開口部から突出しない状態で配置されている請求項3記載の電圧検出装置。 An opening is formed in the guard electrode;
The voltage detection device according to claim 3, wherein the detection electrode is disposed at a position facing the opening in the guard electrode so as not to protrude from the opening.
前記複数の電圧検出装置のうちの一対の電圧検出装置によって検出された2つの前記電路の前記交流電圧の差分電圧を算出して当該2つの電路間の線間電圧を求める算出部とを備えている線間電圧検出装置。 The plurality of corresponding electric circuits as the detection object are configured so that the detection electrodes can be opposed to each other, and an AC voltage generated in each electric circuit can be detected as the detection object AC voltage, respectively. Any one of the voltage detection devices;
A calculating unit that calculates a differential voltage between the AC voltages of two electric circuits detected by a pair of voltage detecting devices out of the plurality of voltage detecting devices, and obtains a line voltage between the two electric circuits; Line voltage detection device.
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