JP2012049955A - 電流電圧変換回路および電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電流を正確に検出する。
【解決手段】一対の外部入力端子２ａ，２ｂのうちの一方に第１電路１１を介して一端が接続されると共に他端がグランド電位Ｇに接続された第１抵抗回路３と、他方の外部入力端子２ｂに第２電路１２を介して一端が接続された第２抵抗回路４と、非反転入力端子が第１抵抗回路３の一端に直接接続され、かつ反転入力端子が第２抵抗回路４の一端に直接接続され、かつ出力端子が第２抵抗回路４の他端に接続された演算増幅器９とを備え、第１抵抗回路３および第２抵抗回路４の各抵抗値が共に値Ｒに規定され、演算増幅器９は、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間に流れる電流値Ｉの入力電流Ｉｄを、グランド電位Ｇを基準として電圧値の絶対値が（２×Ｒ×Ｉ）となる出力電圧Ｖｏに変換して出力端子１０ａ，１０ｂから出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カレントトランスを使用した電流電圧変換回路に関するものである。

この種の電流電圧変換回路として、下記非特許文献１に開示された電流電圧変換回路が知られている。この電流電圧変換回路は、カレントトランス、演算増幅器および電流電圧変換用の帰還抵抗を備え、演算増幅器の反転入力端子と基準電位（グランド電位）との間にカレントトランスが接続されている。また、演算増幅器は、その非反転入力端子が基準電位に接続され、反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗が接続されている。

この電流電圧変換回路では、測定対象体に測定対象電流が流れたときに、測定対象体と磁気的に結合するカレントトランスに測定対象電流に比例した検出電流が流れるため、この検出電流を入力電流として入力して、演算増幅器がこの入力電流を帰還抵抗で電圧（測定対象電流の電流値に比例した電圧値の電圧）に変換して出力電圧として出力する。この場合、入力電流（つまり、検出電流）Ｉｄの電流値Ｉを、帰還抵抗の抵抗値をＲとしたときに、出力電圧Ｖｏは、式（−Ｒ×Ｉ）で表される。

下間憲行、「交流電流を絶縁して安全に測れるセンサ」、トランジスタ技術、ＣＱ出版株式会社、２００７年７月号、ｐ．１７６

ところが、この従来の電流電圧変換回路には、以下の解決すべき課題が存在している。すなわち、この電流電圧変換回路では、カレントトランスの一端を基準電位（グランド電位）に直接接続する構成のため、電流電圧変換回路においてコモンモードノイズ成分を除去することができない。これにより、この電流電圧変換回路では、カレントトランスに流れる検出電流にコモンモードノイズ成分が重畳しているときには、入力電流にもこのノイズ成分が重畳する結果、出力電圧Ｖｏにもコモンモードノイズ成分に起因した電圧成分が含まれることになる。このため、この電流電圧変換回路には、入力電流にコモンモードノイズ成分が重畳しているときには、この入力電流を正確に検出できないという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を改善すべくなされたものであり、入力電流を正確に検出し得る電流電圧変換回路を提供することを主目的とする。また、この電流電圧変換回路を用いた電流検出装置を提供することを他の主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の電流電圧変換回路は、一対の外部入力端子のうちの一方に第１電路を介して一端が接続されると共に他端が基準電位に接続された第１抵抗回路と、前記一対の外部入力端子のうちの他方に第２電路を介して一端が接続された第２抵抗回路と、非反転入力端子が前記第１抵抗回路の一端に直接接続され、かつ反転入力端子が前記第２抵抗回路の一端に直接接続され、かつ出力端子が当該第２抵抗回路の他端に接続された演算増幅器とを備え、前記第１抵抗回路および前記第２抵抗回路の各抵抗値が共に値Ｒに規定され、前記演算増幅器は、前記一対の外部入力端子間に流れる電流値Ｉの入力電流を、前記基準電位を基準として電圧値の絶対値が（２×Ｒ×Ｉ）となる出力電圧に変換して前記出力端子から出力する。

また、請求項２記載の電流電圧変換回路は、一対の外部入力端子のうちの一方に第１電路を介して一端が接続されると共に他端が基準電位に接続された第１抵抗回路と、前記一対の外部入力端子のうちの他方に第２電路を介して一端が接続された第２抵抗回路と、非反転入力端子が前記第１抵抗回路の一端に接続されると共に反転入力端子が前記第２抵抗回路の一端に接続され、かつ出力端子が当該第２抵抗回路の他端に接続された演算増幅器とを備え、前記第１抵抗回路および前記第２抵抗回路の各抵抗値が共に値Ｒに規定され、前記非反転入力端子と前記第１抵抗回路の前記一端との間、および前記反転入力端子と前記第２抵抗回路の前記一端との間のうちの少なくとも一方に抵抗回路が接続され、前記演算増幅器は、前記一対の外部入力端子間に流れる電流値Ｉの入力電流を、前記基準電位を基準として電圧値の絶対値が（２×Ｒ×Ｉ）となる出力電圧に変換して前記出力端子から出力する。

また、請求項３記載の電流電圧変換回路は、前記第１電路内に介装された抵抗回路と、前記第２電路内に介装された抵抗回路とを備えている。

上記目的を達成すべく請求項４記載の電流検出装置は、上記のいずれかの電流電圧変換回路、および当該電流電圧変換回路の前記一対の外部入力端子間に接続されたカレントトランスを備えている。

請求項１記載の電流電圧変換回路および請求項４記載の電流検出装置では、電流電圧変換回路が差動型の電流電圧変換回路として構成されている。したがって、この電流電圧変換回路によれば、一対の外部入力端子に入力される入力電流にコモンモードノイズが含まれている場合であっても、このコモンモードノイズをキャンセルすることができるため、入力電流を正確に電圧に変換して出力電圧として出力することができる。また、この電流検出装置によれば、カレントトランスを介して一対の外部入力端子間に流れる電流値Ｉの入力電流を、基準電位を基準として電圧値の絶対値が（２×Ｒ×Ｉ）となる出力電圧に変換し、この出力電圧に基づいてカレントトランスが装着された電線に流れる電流を検出することができる。したがって、この電流検出装置によれば、電流電圧変換回路を構成する演算増幅器の第２抵抗回路（帰還抵抗回路）の抵抗値を同じ抵抗値とする条件下において、従来よりも高い電圧値（２倍の電圧値）の出力電圧に基づいて電線に流れる電流を検出できるため、検出感度を２倍に高めることができる。

請求項２記載の電流電圧変換回路および請求項４記載の電流検出装置によれば、上記した効果を奏すると共に、電流電圧変換回路を構成する演算増幅器の非反転入力端子および反転入力端子のうちの少なくとも一方に抵抗回路が接続されているため、例えば、一対の外部入力端子間にインパルス状の高電圧が印加された場合であっても、抵抗回路が保護回路として機能して、演算増幅器を保護することができる。

請求項３記載の電流電圧変換回路および請求項４記載の電流検出装置によれば、第１電路内に抵抗回路が介装されると共に、第２電路内に抵抗回路が介装されているため、例えば、一対の外部入力端子間にインパルス状の高電圧が印加された場合であっても、各抵抗回路が保護回路として機能して、演算増幅器を一層確実に保護することができる。

電流電圧変換回路１およびこの電流電圧変換回路１を備えた電流検出装置５０の回路図である。 電流電圧変換回路１およびこの電流電圧変換回路１を備えた他の電流検出装置５０Ａの回路図である。

以下、添付図面を参照して、電流電圧変換回路１および電流検出装置５０の実施の形態について説明する。

最初に、電流電圧変換回路１の構成について、図１を参照して説明する。

電流電圧変換回路１は、図１に示すように、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ、第１抵抗回路３、第２抵抗回路４、第３抵抗回路５、第４抵抗回路６、第５抵抗回路７、第６抵抗回路８、演算増幅器９および一対の外部出力端子１０ａ，１０ｂを備えている。

第１抵抗回路３は、一対の外部入力端子２ａ，２ｂのうちの一方の外部入力端子２ａに第１電路１１を介して一端が接続されると共に、他端が基準電位（本例ではグランド電位）Ｇに接続されている。第２抵抗回路４は、第１抵抗回路３と同じ抵抗値Ｒに規定されて（第１抵抗回路３および第２抵抗回路４共に抵抗値Ｒに規定されて）、一対の外部入力端子２ａ，２ｂのうちの他方の外部入力端子２ｂに第２電路１２を介して一端が接続されている。

第３抵抗回路（第１保護回路）５は、第１抵抗回路３の一端と演算増幅器９の非反転入力端子との間に接続されている。第４抵抗回路６（第２保護回路）は、一例として第３抵抗回路５と同じ抵抗値に規定されて、第２抵抗回路４の一端と演算増幅器９の反転入力端子との間に接続されている。第３抵抗回路５および第４抵抗回路６は、保護用抵抗回路であって、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間にインパルス状の高電圧が印加されたときに、演算増幅器９の非反転入力端子および反転入力端子に接続されている演算増幅器９の内部回路をこの高電圧から保護するために配設されている。なお、第３抵抗回路５および第４抵抗回路６の各抵抗値を異なる値に規定することもできる。また、第３抵抗回路５を省略して、第１抵抗回路３の一端と演算増幅器９の非反転入力端子とを直接接続する構成、および第４抵抗回路６を省略して、第２抵抗回路４の一端と演算増幅器９の反転入力端子とを直接接続する構成のいずれかを採用することもできる。

第５抵抗回路（第３保護回路）７は、第１電路１１内に介装されている。つまり、第５抵抗回路７は、外部入力端子２ａと第１抵抗回路３の一端との間に接続されている。第６抵抗回路（第４保護回路）８は、第５抵抗回路７と同じ抵抗値に規定されて、第２電路１２内に介装されている。つまり、第６抵抗回路８は、外部入力端子２ｂと第２抵抗回路４の一端との間に接続されている。この第５抵抗回路７および第６抵抗回路８は、保護用抵抗回路であって、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間に上記の高電圧が印加されたときに、演算増幅器９の非反転入力端子および反転入力端子に接続されている演算増幅器９の内部回路をこの高電圧から保護するために配設されている。このように、第５抵抗回路７および第６抵抗回路８は、上記した第３抵抗回路５および第４抵抗回路６と同様の目的（演算増幅器９を高電圧から保護する目的）で配設されるものであるため、第３抵抗回路５および第４抵抗回路６の組、並びに第５抵抗回路７および第６抵抗回路８の組のうちの少なくとも１つの組を配設すればよい。

また、上記の各第１抵抗回路３〜第６抵抗回路８は、いずれも、１つの抵抗で構成することもできるし、複数の抵抗で構成することもできる。

演算増幅器９は、上記したように、非反転入力端子が第３抵抗回路５を介して第１抵抗回路３の一端に接続され、かつ反転入力端子が第４抵抗回路６を介して第２抵抗回路４の一端に接続されている。また、演算増幅器９は、出力端子が第２抵抗回路４の他端に接続されると共に、一対の外部出力端子１０ａ，１０ｂのうちの一方の外部出力端子１０ｂに接続されている。また、他方の外部出力端子１０ａは、基準電位Ｇに接続されている。また、演算増幅器９は、発明の理解を容易にするため、正負の両電源（例えば、±１５ボルトの電源）で作動する理想の演算増幅器（理想オペアンプ）として機能するものとする。

以上の構成により、電流電圧変換回路１は、差動型の電流電圧変換回路として構成されている。この電流電圧変換回路１では、図１において一点鎖線で示すように、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間に入力電流Ｉｄ（電流値Ｉ）が外部入力端子２ａから外部入力端子２ｂの向きで流れたときには、第１抵抗回路３の抵抗値がＲであることから、第１抵抗回路３の一端（つまり、第１抵抗回路３の一端と第１電路１１との接続点）Ａには、電圧（−Ｒ×Ｉ）が発生する。

この場合、上記したように演算増幅器９は理想的な演算増幅器であって、各入力端子の入力インピーダンスは無限大である。このため、非反転入力端子に接続されている第３抵抗回路５には電流が流れないことから、演算増幅器９の非反転入力端子の電圧は、接続点Ａに発生する電圧（−Ｒ×Ｉ）と一致する。また、演算増幅器９の両入力端子がバーチャルショート状態にあるため、演算増幅器９の反転入力端子の電圧は非反転入力端子の電圧と一致する。さらに、反転入力端子に接続されている第４抵抗回路６にも電流が流れないことから、演算増幅器９の反転入力端子の電圧と第２抵抗回路４の一端（つまり、第２抵抗回路４の一端と第２電路１２との接続点）Ｂに発生する電圧とが一致する。以上のことから、接続点Ｂの電圧は、接続点Ａに発生する電圧（−Ｒ×Ｉ）と一致した状態となる。

したがって、演算増幅器９は、接続点Ｂの電圧（−Ｒ×Ｉ）を基準として、抵抗値がＲの第２抵抗回路４に入力電流Ｉｄが流れることによる電圧降下分（Ｒ×Ｉ）だけ低い電圧（−２×Ｒ×Ｉ）を出力電圧Ｖｏとして、出力端子から外部出力端子１０ｂに出力する。一方、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間に上記の向きとは逆の向きで入力電流Ｉｄ（電流値Ｉ）が流れたときには、接続点Ａに発生する電圧は（Ｒ×Ｉ）となり、これに伴い、接続点Ｂに発生する電圧もまた（Ｒ×Ｉ）となる。したがって、演算増幅器９は、接続点Ｂの電圧（Ｒ×Ｉ）を基準として、第４抵抗回路７での電圧降下分（Ｒ×Ｉ）だけ高い電圧（２×Ｒ×Ｉ）を出力電圧Ｖｏとして、出力端子から外部出力端子１０ｂに出力する。つまり、電流電圧変換回路１は、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間に流れる入力電流Ｉｄ（電流値Ｉ）を、従来の構成の電流電圧変換回路と比較して、絶対値が２倍の電圧に変換して出力する。

次いで、電流検出装置５０の構成について、図１を参照して説明する。

電流検出装置５０は、電流電圧変換回路１、およびこの電流電圧変換回路１の一対の外部入力端子２ａ，２ｂに接続されたカレントトランス２１を備えて構成されている。カレントトランス２１の一対の出力端子２２ａ，２２ｂのうちの出力端子２２ａは、電流電圧変換回路１の外部入力端子２ａに接続され、他の出力端子２２ｂは、電流電圧変換回路１の他の外部入力端子２ｂに接続されている。この構成により、一例として電線３１に流れる交流電流Ｉ１を検出するためにカレントトランス２１が電線３１に装着されたときには、カレントトランス２１は、電流源として機能して、交流電流Ｉ１の電流値に比例した電流値の検出電流Ｉ２を一対の出力端子２２ａ，２２ｂから出力する。したがって、電流電圧変換回路１の一対の外部入力端子２ａ，２ｂには、このカレントトランス２１を介して、検出電流Ｉ２が上記の入力電流Ｉｄとして流れる。

次に、電流電圧変換回路１および電流検出装置５０の動作について、図１を参照して説明する。なお、カレントトランス２１の巻線数はｎターン（ｎは正の数）であり、電線３１は、このカレントトランス２１に同図に示すように貫通されて、１ターンのコイルとして機能するものとする。

電流検出装置５０では、カレントトランス２１が、電線３１に流れている交流電流Ｉ１を検出すると共に、検出電流Ｉ２を一対の出力端子２２ａ，２２ｂから出力する。この場合、検出電流Ｉ２の電流値は、交流電流Ｉ１の電流値をＩ１ａとしたときに、（Ｉ１ａ／ｎ）で表される。このため、一対の出力端子２２ａ，２２ｂと接続された電流電圧変換回路１の一対の外部入力端子２ａ，２ｂには、電流値が（Ｉ１ａ／ｎ）の検出電流Ｉ２が、入力電流Ｉｄとして入力される。

電流電圧変換回路１は、上記したように動作して、電流値Ｉ（＝Ｉ１ａ／ｎ）の入力電流Ｉｄを電圧に変換することにより、従来の電流電圧変換回路と比較して電圧値が２倍の出力電圧Ｖｏ（絶対値：２×Ｒ×Ｉ＝２×Ｒ×Ｉ１ａ／ｎ）として出力する。この場合、電流電圧変換回路１は上記したように差動型の電流電圧変換回路として構成されているため、検出電流Ｉ２（つまり、入力電流Ｉｄ）にコモンモードノイズが含まれている場合であっても、このコモンモードノイズは電流電圧変換回路１においてキャンセルされる。

このように、この電流電圧変換回路１および電流検出装置５０では、電流電圧変換回路１が差動型の電流電圧変換回路として構成されている。したがって、この電流電圧変換回路１によれば、一対の外部入力端子２ａ，２ｂに入力される入力電流Ｉｄにコモンモードノイズが含まれている場合であっても、このコモンモードノイズをキャンセルすることができるため、入力電流Ｉｄを正確に電圧に変換して出力電圧Ｖｏとして出力することができる。また、電流検出装置５０によれば、カレントトランス２１を介して一対の外部入力端子間に流れる電流値Ｉの入力電流Ｉｄを、基準電位を基準として電圧値の絶対値が（２×Ｒ×Ｉ）となる出力電圧Ｖｏに変換し、この出力電圧Ｖｏに基づいてカレントトランス２１が装着された電線３１に流れる交流電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａを検出することができる。したがって、この電流検出装置５０によれば、電流電圧変換回路１を構成する演算増幅器９の第２抵抗回路４（帰還抵抗回路）の抵抗値を同じ抵抗値Ｒとする条件下において、従来よりも高い電圧値（２倍の電圧値）の出力電圧Ｖｏに基づいて電線３１に流れる電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａを検出できるため、検出感度を２倍に高めることができる。

また、この電流電圧変換回路１および電流検出装置５０によれば、電流電圧変換回路１を構成する演算増幅器９の非反転入力端子に第３抵抗回路５が接続されると共に、反転入力端子に第４抵抗回路６が接続されているため、例えば、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間にインパルス状の高電圧が印加された場合であっても、第３抵抗回路５および第４抵抗回路６が保護回路として機能して、演算増幅器９（具体的には、演算増幅器９の非反転入力端子および反転入力端子に接続されている入力段の回路）を保護することができる。また、演算増幅器９の非反転入力端子および反転入力端子のうちの高電圧の印加に対する保護が必要ないずれか一方（一方の端子）にのみ抵抗回路を接続したときには、演算増幅器９におけるこの一方の端子に接続されている入力段の回路を保護することができる。

また、この電流電圧変換回路１および電流検出装置５０によれば、第１電路１１内に第５抵抗回路７が介装されると共に、第２電路１２内に第６抵抗回路８が介装されているため、例えば、一対の外部入力端子２ａ，２ｂ間にインパルス状の高電圧が印加された場合であっても、第５抵抗回路７および第６抵抗回路８が第３抵抗回路５および第４抵抗回路６と共に保護回路として機能して、演算増幅器９を一層確実に保護することができる。また、第３抵抗回路５および第４抵抗回路６に代えて、第５抵抗回路７および第６抵抗回路８が配設される構成においては、第５抵抗回路７および第６抵抗回路８が第３抵抗回路５および第４抵抗回路６に代わって保護回路として機能して、演算増幅器９を保護することができる。

なお、上記の電流電圧変換回路１では、演算増幅器９を高電圧から保護するため、演算増幅器９の非反転入力端子および反転入力端子に、第３抵抗回路５および第４抵抗回路６の組、並びに第５抵抗回路７および第６抵抗回路８の組のうちの少なくとも１つの組を接続する構成を採用しているが、一対の外部入力端子２ａ，２ｂにインパルス状の高電圧が印加される虞の極めて少ないときには、第３抵抗回路５および第４抵抗回路６の組、並びに第５抵抗回路７および第６抵抗回路８の組を省略することもできる。つまり、外部入力端子２ａを第１電路１１を介して第１抵抗回路３の一端および演算増幅器９の非反転入力端子に直接接続すると共に、外部入力端子２ｂを第２電路１２を介して第２抵抗回路４の一端および演算増幅器９の反転入力端子に直接接続する構成を採用することもできる。

また、電流電圧変換回路１の応用例として、電流源としてのカレントトランス２１を電流電圧変換回路１の外部入力端子２ａ，２ｂに接続して構成された電流検出装置５０について上記したが、電流電圧変換回路１に接続し得る電流源はカレントトランス２１に限定されるものではなく、種々の電流源を接続することができる。例えば、図２に示すように、フォトカプラ４１を構成するフォトトランジスタ４２を電流源として電流電圧変換回路１に接続して、電流電圧変換回路１が、このフォトトランジスタ４２に流れる電流Ｉ３を入力電流Ｉｄとして入力することにより、電流Ｉ３の電流値を検出する電流検出装置５０Ａとして構成することもできる。

１ 電流電圧変換回路
２ａ，２ｂ 外部入力端子
３ 第１抵抗回路
４ 第２抵抗回路
５ 第３抵抗回路
６ 第４抵抗回路
７ 第５抵抗回路
８ 第６抵抗回路
９ 演算増幅器
１１ 第１電路
１２ 第２電路
２１ カレントトランス
５０ 電流検出装置
Ｇ 基準電位
Ｉｄ 入力電流
Ｖｏ 出力電圧

Claims (4)

1. 一対の外部入力端子のうちの一方に第１電路を介して一端が接続されると共に他端が基準電位に接続された第１抵抗回路と、
   前記一対の外部入力端子のうちの他方に第２電路を介して一端が接続された第２抵抗回路と、
   非反転入力端子が前記第１抵抗回路の一端に直接接続され、かつ反転入力端子が前記第２抵抗回路の一端に直接接続され、かつ出力端子が当該第２抵抗回路の他端に接続された演算増幅器とを備え、
   前記第１抵抗回路および前記第２抵抗回路の各抵抗値が共に値Ｒに規定され、
   前記演算増幅器は、前記一対の外部入力端子間に流れる電流値Ｉの入力電流を、前記基準電位を基準として電圧値の絶対値が（２×Ｒ×Ｉ）となる出力電圧に変換して前記出力端子から出力する電流電圧変換回路。
2. 一対の外部入力端子のうちの一方に第１電路を介して一端が接続されると共に他端が基準電位に接続された第１抵抗回路と、
   前記一対の外部入力端子のうちの他方に第２電路を介して一端が接続された第２抵抗回路と、
   非反転入力端子が前記第１抵抗回路の一端に接続されると共に反転入力端子が前記第２抵抗回路の一端に接続され、かつ出力端子が当該第２抵抗回路の他端に接続された演算増幅器とを備え、
   前記第１抵抗回路および前記第２抵抗回路の各抵抗値が共に値Ｒに規定され、
   前記非反転入力端子と前記第１抵抗回路の前記一端との間、および前記反転入力端子と前記第２抵抗回路の前記一端との間のうちの少なくとも一方に抵抗回路が接続され、
   前記演算増幅器は、前記一対の外部入力端子間に流れる電流値Ｉの入力電流を、前記基準電位を基準として電圧値の絶対値が（２×Ｒ×Ｉ）となる出力電圧に変換して前記出力端子から出力する電流電圧変換回路。
3. 前記第１電路内に介装された抵抗回路と、
   前記第２電路内に介装された抵抗回路とを備えている請求項１または２記載の電流電圧変換回路。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電流電圧変換回路、および当該電流電圧変換回路の前記一対の外部入力端子間に接続されたカレントトランスを備えている電流検出装置。

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