JP2011038964A

JP2011038964A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2011038964A
Application number: JP2009188374A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Haga; 憲一朗はが
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-24

Abstract

【課題】安定な直流特性と広帯域とを両立させた電流センサを提供する。
【解決手段】測定電流に対応した電圧値を出力する電流センサであって、測定電流を第１周波数帯域成分と、第１周波数帯域よりも低く、直流を含む第２周波数帯域成分とに分ける分波器と、カレントトランスを有し、第１周波数帯域成分に分けられた電流に対応した電圧値を出力するカレントトランス電流センサ部と、シャント抵抗を有し、第２周波数帯域成分に分けられた電流に対応した電圧値を出力するシャント抵抗電流センサ部と、カレントトランス電流センサ部およびシャント抵抗電流センサ部が出力する電圧値を合成して出力する加算合成器とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに係り、特に、安定な直流特性と広帯域とを両立させた電流センサに関する。

従来、電流センサとして、シャント抵抗型電流センサと、ホール素子とカレントトランスの組合わせによる電流センサとが広く用いられている。

図３を参照してシャント抵抗型電流センサについて説明する。本図に示すように、シャント抵抗型電流センサ２００は、電流端子１と電流端子２との間に接続されたシャント抵抗２１０に測定電流を流し、シャント抵抗２１０の両端に生じる電圧降下Ｖｄを差動増幅器２２０で増幅して、電圧出力端子Ｖｏｕｔから測定器に出力することで電流値の測定を行なう。

次に、図４を参照してホール素子とカレントトランスの組合わせによる電流センサについて説明する。本図に示すようにホール素子とカレントトランスの組合わせによる電流センサ３００は、カレントトランスが基本回路となっており、電流端子１と電流端子２との間を流れる測定電流をフェライトコア３１０内に貫通させて１次コイルを形成し、２次コイル３２０に誘起される電流を終端抵抗３３０によって電圧変換する。そして、この電圧を高周波パス用増幅器３４０で増幅し、測定電流の高周波成分と等価な電圧とする。

一方、カレントトランスは直流電流に対する感度がなく、また、直流電流を流し続けるとフェライトコア３１０が飽和する可能性がある。このため、本図に示すようにホール素子３５０を組み合わせている。すなわち、フェライトコア３１０にギャップを設けてホール素子３５０を挿入し、直流から低周波にかけての電流は、ホール素子３５０によって磁界から電圧に変換する。そして、この電圧を低周波パス用増幅器３６０で増幅する。

低周波パス用増幅器３６０の出力は、測定電流の直流・低周波成分と等価な電圧として、カレントトランスによって得られた高周波電流成分と等価な電圧と加算合成器３８０によって合成され、直流から高周波までの測定電流に対応した等価電圧として電圧出力端子Ｖｏｕｔから測定器に出力される。

また、低周波パス用増幅器３６０の出力は、帰還用電流増幅器３７０を介して、フェライトコア３１０の内部磁束がゼロになるように逆位相で帰還する。これにより、フェライトコア３１０が飽和することを防いでいる。

特開２００２−２３６１３４号公報

シャント抵抗型電流センサ２００は、簡便で直流特性は安定しているが、高周波電流では、シャント抵抗の寄生インダクタンスおよび寄生容量の影響が無視できなくなるため、高周波電流計測には不向きである。

一方、ホール素子とカレントトランスの組合わせによる電流センサ３００は、高周波まで透磁率の高いフェライトコアを選定することで、高周波まで良好な周波数特性を得ることができる。しかしながら、ホール素子は、本質的に温度ドリフトが大きく、フェライトコアの磁損等による発熱で、測定中に直流オフセットがずれてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、安定な直流特性と広帯域とを両立させた電流センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電流センサは、測定電流に対応した電圧値を出力する電流センサであって、測定電流を第１周波数帯域成分と、前記第１周波数帯域よりも低く、直流を含む第２周波数帯域成分とに分ける分波器と、カレントトランスを有し、前記第１周波数帯域成分に分けられた電流に対応した電圧値を出力するカレントトランス電流センサ部と、シャント抵抗を有し、前記第２周波数帯域成分に分けられた電流に対応した電圧値を出力するシャント抵抗電流センサ部と、前記カレントトランス電流センサ部および前記シャント抵抗電流センサ部が出力する電圧値を合成して出力する加算合成器とを備える。

本発明の電流センサでは、ホール素子を用いることなく直流成分を検出できるため、従来のホール素子とカレントトランスの組合わせによる電流センサにおける問題点であった温度ドリフトに起因する直流オフセットを改善することができる。

また、本発明の電流センサは、シャント抵抗型電流センサの問題点であった高周波帯域特性を、カレントトランス電流センサ部で補償している。これにより、シャント抵抗型電流センサの安定した直流特性と、カレントトランス型の電流センサの広帯域性とを併せ持つことが可能となる。

より具体的には、前記分波器は、測定電流の前記第１周波数帯域成分を通過させるキャパシタと、前記第２周波数帯域成分を通過させるインダクタとを備えて構成することができる。

また、前記カレントトランス電流センサ部は、終端抵抗を含み、前記第１周波数帯域成分に分けられた電流を前記カレントトランスの１次コイルに流し、２次コイルに誘起された電流を前記終端抵抗に流すことで前記電流に対応した電圧値を生成することができる。

さらに、前記シャント抵抗電流センサ部は、前記第２周波数帯域成分に分けられた電流を前記シャント抵抗に流すことで前記電流に対応した電圧値を生成することができる。

本発明によれば、安定な直流特性と広帯域とを両立させた電流センサが提供される。

本実施形態に係る電流センサの構成を示す図である。本実施形態に係る電流センサの具体的な構成例を示す図である。シャント抵抗型電流センサを説明する図である。ホール素子とカレントトランスの組合わせによる電流センサを説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電流センサの構成を示す図である。本図に示すように、電流センサ１００は、電流端子１と電流端子２との間に測定電流を流し、測定電流に対応した電圧を電圧出力端子Ｖｏｕｔから取り出す構成となっており、カレントトランス１２０と、シャント抵抗１４０とを有している。

電流端子１から流入した測定電流は、分波器１１０により、周波数成分によって高周波電流と、直流・低周波電流とに分けられる。ここで、分波器１１０は、例えば、数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度をカットオフ周波数として、高周波電流と、直流・低周波電流とに分けるようにすることができる。

分波器１１０で分けられた高周波電流は、カレントトランス１２０の１次コイル側に導かれる。この高周波電流によってカレントトランス１２０の２次コイル側に誘起される電流は、終端抵抗１３０によって電圧変換される。そして、この電圧を高周波信号用増幅器１６０で適切な信号レベルに増幅し、高周波電流と等価な電圧とする。

このように、カレントトランス１２０と終端抵抗１３０と高周波信号用増幅器１６０とで、カレントトランス電流センサ部を構成する。

分波器１１０で分けられた直流・低周波電流は、シャント抵抗１４０に導かれる。この直流・低周波電流によって、シャント抵抗１４０の両端に生じる電圧降下Ｖｄを直流・低周波信号用増幅器１５０で適切な信号レベルに増幅し、直流・低周波電流と等価な電圧とする。

このように、シャント抵抗１４０と直流・低周波信号用増幅器１５０とで、シャント抵抗電流センサ部を構成する。

高周波信号用増幅器１６０の出力電圧と、直流・低周波信号用増幅器１５０の出力電圧は、加算合成器１７０によって合成され、直流から高周波までの電流に対応した電圧の電流検出信号として電圧出力端子Ｖｏｕｔから外部の測定器に出力される。

このように、本実施形態によれば、ホール素子を用いることなく、直流から高周波電流まで精度よく検出できる電流センサを実現できる。これにより、従来のホール素子とカレントトランスの組合わせによる電流センサにおける問題点であった温度ドリフトに起因する直流オフセットを改善することができる。

また、本実施形態の電流センサは、シャント抵抗型電流センサの問題点であった高周波帯域特性を、カレントトランス型の電流センサで補償している。これにより、シャント抵抗型電流センサの安定した直流特性と、カレントトランス型の電流センサの広帯域性とを併せ持つことが可能となる。

図２は、本実施形態の電流センサのより具体的な構成例を示す図である。図１と同じ部位については同じ符号を付している。本図の例では、分波器１１０を、インダクタ１１０ａとキャパシタ１１０ｂの組合わせで構成し、ある周波数以下の電流はインダクタ１１０ａを通過させ、それ以上の周波数の電流はキャパシタ１１０ｂを通過させることで、測定電流を周波数成分によって選択的に分流している。

なお、インダクタ１１０ａは、並列のキャパシタ１１０ｂとの共振を避けるために、高周波チョーク等の抵抗性のインダクタを使用することが望ましい。また、本例では、簡易なフィルタ構成としているが、実装上は、次数の高いフィルタを構成してＬＰＦ側とＨＰＦ側の遮断特性を揃えることが望ましい。

本図において、インダクタ１１０ａを通過した直流・低周波電流は、シャント抵抗１４０にて電圧変換され、直流・低周波信号用増幅器１５０で適切な信号レベルおよび周波数特性に加工される。また、キャパシタ１１０ｂを通過した高周波電流によりカレントトランス１２０の２次コイルに電流が誘起される。この電流が終端抵抗１３０にて電圧変換され、高周波信号用増幅器１６０で適切な信号レベルおよび周波数特性に加工される。

直流・低周波信号用増幅器１５０および高周波信号用増幅器１６０が出力する信号を加算合成器１７０で合成することにより、直流から高周波まで平坦な周波数特性を実現するとともに、安定な直流ドリフト特性を実現することができる。

１００…電流センサ
１１０…分波器
１１０ａ…インダクタ
１１０ｂ…キャパシタ
１２０…カレントトランス
１３０…終端抵抗
１４０…シャント抵抗
１５０…直流・低周波信号用増幅器
１６０…高周波信号用増幅器
１７０…加算合成器
２００…シャント抵抗型電流センサ
２１０…シャント抵抗
２２０…差動増幅器
３００…電流センサ
３１０…フェライトコア
３２０…２次コイル
３３０…終端抵抗
３４０…高周波パス用増幅器
３５０…ホール素子
３６０…低周波パス用増幅器
３７０…帰還用電流増幅器
３８０…加算合成器

Claims

測定電流に対応した電圧値を出力する電流センサであって、
測定電流を第１周波数帯域成分と、前記第１周波数帯域よりも低く、直流を含む第２周波数帯域成分とに分ける分波器と、
カレントトランスを有し、前記第１周波数帯域成分に分けられた電流に対応した電圧値を出力するカレントトランス電流センサ部と、
シャント抵抗を有し、前記第２周波数帯域成分に分けられた電流に対応した電圧値を出力するシャント抵抗電流センサ部と、
前記カレントトランス電流センサ部および前記シャント抵抗電流センサ部が出力する電圧値を合成して出力する加算合成器とを備えたことを特徴とする電流センサ。
請求項１に記載の電流センサであって、
前記分波器は、測定電流の前記第１周波数帯域成分を通過させるキャパシタと、前記第２周波数帯域成分を通過させるインダクタとを備えて構成されることを特徴とする電流センサ。
請求項１または２に記載の電流センサであって、
前記カレントトランス電流センサ部は、終端抵抗を含み、前記第１周波数帯域成分に分けられた電流を前記カレントトランスの１次コイルに流し、２次コイルに誘起された電流を前記終端抵抗に流すことで前記電流に対応した電圧値を生成することを特徴とする電流センサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサであって、
前記シャント抵抗電流センサ部は、前記第２周波数帯域成分に分けられた電流を前記シャント抵抗に流すことで前記電流に対応した電圧値を生成することを特徴とする電流センサ。