JP2014153197A - 電力計 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成で精度の高い電力計を提供することを目的とする。
【解決手段】 変流器と、変圧器と、磁気抵抗効果素子とを備え、前記変圧器の出力を、前記磁気抵抗素子の入力端に接続し、前記変流器の出力電流を、前記磁気抵抗効果素子の近傍を通過させ、前記磁気抵抗素子から得られる出力に基づいて電力を計測することを特徴とする。本発明の電力計によれば、瞬時電力を測定することができ、出力を積分することにより積算電力計として使うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力計に関するものであり、詳細には、磁気抵抗型電流センサを利用した電力計に関する。

従来の電力計として、例えば、特許文献１に開示されるホール素子を利用した電力計や、特許文献２に開示されるＡ／Ｄ変換を利用した電力計がある。
ホール素子を利用した電力計の場合には、被測定電流を磁界に変換するために、特許文献１の図５に示されるように、コアに形成されたギャップ内にホール素子を配置する必要があるため構造が複雑となっていた。
一方、Ａ／Ｄ変換を利用した電力計の場合には、被測定電圧が分圧器を経由した後でＡ／Ｄ変換され、被測定電流は変流器及び電流−電圧変換器を経由した後でＡ／Ｄ変換され、これらの後で、電圧値及び電流値がデジタル乗算されることになり、デジタル乗算されるまでの間に経由する機器が多く、装置構成が複雑になるという問題があった。また、ＡＤ変換乗算方式の電流・電圧変換器は通常、抵抗器を使うが、ＣＴの特性上抵抗値が小さければ小さいほど性能がよくなることが知られている。しかし、特性を良くするために抵抗値を小さくすると出力電圧は小さくなってしまうので、目的により妥協点を見つける必要があった。
ところで、電流センサとして、例えば、特許文献３に記載されるようにＧＭＲ素子を利用したものが開示されているが、この電流センサを電力計として使用することについて特に示唆はされていない。また、変圧器の出力電圧を、電力計として使用するために、ＧＭＲ素子を乗算器として使用することも、また、可変抵抗器により調整することについて示唆もされていない。

特開平６−１７４７６５号公報 特開２０１１−１３７７８２号公報 特開２０１１−１９６７９８号公報

上記課題を解決するために、比較的簡単な構成で精度の高い電力計を提供することを目的とする。

本発明の電力計は、請求項１に記載の通り、変流器と、変圧器と、磁気抵抗効果素子とを備え、前記変圧器の出力を、前記磁気抵抗素子の入力端に接続し、前記変流器の出力電流を、前記磁気抵抗効果素子の近傍を通過させ、前記磁気抵抗素子から得られる出力に基づいて電力を計測することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記磁気抵抗素子は、対向する２対の磁気抵抗効果素子により構成されたブリッジ回路により構成し、前記変流器の出力電流を、１対の前記磁気抵抗効果素子の近傍を通過して、他の１対の前記抵抗素子の近傍を通過させるようにし、前記ブリッジ回路の中点から得られる出力に基づいて電力を計測することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記ブリッジ回路の中点から得られる出力を積分処理して積算電力とすることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発明において、前記出力電圧を、オペアンプに入力してオフセット調整及びゲイン調整をすることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記変圧器の差動出力を可変抵抗器の両端に接続し可変抵抗器の中間端子からの信号を調整し前記オペアンプに入力し、前記ブリッジのアンバランスを打ち消すことを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記オペアンプの出力を積分処理して積算電力とすることを特徴とする。

本発明によれば、コアに形成されたギャップ内にホール素子を配置したり、或いは、演算のために複数の機器乃至は素子を使用することなく、比較的簡単な構成で精度の高い電力計とすることができる。
また、本発明の電力計によれば、瞬時電力を測定することができ、出力を積分することにより積算電力計として使うことができる。

本発明の一実施の形態の回路構成の説明図 ブリッジ回路の出力特性を示すグラフ

次に、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施の形態である電力計の回路の概略構成を示すものである。
ブリッジ回路は、対向する２対（Ｒａ_１，Ｒａ_２とＲｂ_１，Ｒｂ_２）の磁気抵抗効果素子を集積回路化して構成される。また、この集積回路には、変流器２により所定の電流値まで低減された電流を通過させるための導体が、１対の対向する磁気抵抗効果素子Ｒａ_１，Ｒａ_２の近傍を通過させた後に、他の対向する磁気抵抗効果素子Ｒｂ_１，Ｒｂ_２の近傍を通過することができるように、配置されている。また、変圧器３は、センタタップを有し、このセンタタップは接地される。変圧器３の他の出力端子において、差動信号として低電圧に変換された電圧は、ブリッジ回路の入力端子Ａ，Ｂに接続される。変流器２及び変圧器３は、上記の減衰機能の役割を果たすとともに、電源ラインＬ，Ｎの１次側との絶縁を図る役割をしている。

磁気抵抗効果素子（Ｒａ_１，Ｒａ_２，Ｒｂ_１，Ｒｂ_２）は、それぞれ零磁界で同一の抵抗を有することが好ましく、また、同一の磁界に対して同一の抵抗変化率を示すことが好ましい。これらの磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を用いることができる。ＧＭＲ素子として、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバブル型のＧＭＲ素子を用いることもできる。

磁気抵抗効果素子を用いて導線に流れる電流を測定するためには、感度を高めるために導線から磁気抵抗効果素子の距離を小さくすることが望ましい。また、電流と磁気抵抗効果素子の間隔が変化すると感度が変化するため、基板上に集積回路化し感度を一定にすることが好ましい。ストリップラインは単なる導体なので抵抗値は極めて低く、変流器の性能を十分に引き出すことが可能となる。

上記変流器１を設ける理由は、集積化された前記ストリップラインに流すことができる電流の上限に制限があるためであり、一般的には、電流値を数１００ｍＡ程度にまで減衰させるようにする。また、磁気抵抗効果素子の特性によって、入力した電流に対してリニアな出力が得られる程度に減衰させるのが好ましい。

ブリッジ回路の中点Ｃ，Ｄからの出力電圧は、増幅するためにそれぞれ抵抗器Ｒ５及びＲ６を介してオペアンプ４の非反転入力端子及び反転入力端子に接続される。オペアンプの出力端子から非反転入力に抵抗器Ｒ８と直列接続された可変抵抗器ＶＲ３で負帰還が施される。非反転入力端子は前記不帰還抵抗値とほぼ同じ値の抵抗器Ｒ７を介して接地される。また、反転入力は電流制御抵抗Ｒ４を介してオフセット調整用の可変抵抗器ＶＲ２の中間端子に接続される。可変抵抗器ＶＲ２の両端はそれぞれ正電圧電源と負電圧電源に接続される。上記は、一般的なオペアンプを使用した増幅器の構成を示しており、オフセット調整及びゲイン調整を可能にしている。
ブリッジ回路の出力は、ブリッジ抵抗の不整合によって本来の動作中心点からずれが生じている。また、オペアンプの特性により出力が本来の動作中心点からずれることもある。可変抵抗器ＶＲ２は、オペアンプの入力に適切な直流を入力することによってこのオフセット誤差を補正する。
また、変圧器の両端出力はそれぞれ抵抗器Ｒ１及びＲ２を介して可変抵抗器である可変抵抗器ＶＲ１の両端に接続される。可変抵抗器ＶＲ１の中間端子は電流制御抵抗器Ｒ３を介してオペアンプの反転入力端子に接続される。これにより、ブリッジ回路の不整合（アンバランス）を調整（解消打消し）している。この調整は、測定電流が０の場合には出力電圧は０でなければならないが、ブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子の抵抗値には僅かな偏差があり、それによって電源供給端子に加えられている交流電圧が同相除去されずにわずかながら出力されてしまうことを防ぐためのものである。図示した例では、出力される誤差を打ち消すだけの成分を可変抵抗器で調整し、オペアンプ４に供給している。

上記構成において、端子Ｃと端子Ｄに測定電流を流すと、電流は、ブリッジを構成する４つの巨大磁気抵抗効果素子（Ｒａ_１，Ｒａ_２，Ｒｂ_１，Ｒｂ_２）の近傍を図１のように通過する。電流が生ずる磁気によって磁気抵抗効果素子（Ｒａ_１，Ｒａ_２，Ｒｂ_１，Ｒｂ_２）の抵抗値が変化するので、端子Ａと端子Ｂ間に電圧をかけると、ブリッジ出力端子ＣとＤに、図２に示すような電流の大きさに応じた差動出力電圧が得られる。このブリッジからの出力は、ある電流範囲内で電流に比例する。また、ブリッジの出力は抵抗値の変化分をブリッジ端子Ａ，Ｂに電圧をかけることによって得られる。通常、この端子Ａ，Ｂには直流電圧を供給し、電流値のみを測定するのが常であった。ブリッジの出力は、電圧をかけて初めて得られるが、単純に供給電圧に比例することは下記からも明らかである。
ブリッジを構成する磁気抵抗素子の抵抗値をＲ（オーム）、電流Ｉ（アンペア）に比例して変化する抵抗値の変化量をｒ（オーム）、端子Ａ・Ｂ間にかける電圧をＶｓ（ボルト）とすると、ブリッジ出力間の電位差Ｖｏ（ボルト）は、
Ｖｏ＝Ｖｓ・（Ｒ＋ｒ）／（Ｒ＋ｒ＋Ｒ−ｒ）−Ｖｓ・（Ｒ−ｒ）／（Ｒ＋ｒ＋Ｒ−ｒ）
＝Ｖｓ・ｒ／Ｒ
従って、出力Ｖｏはかけられる電圧Ｖｓと電流に比例して変化する抵抗ｒに比例する。
従って、電源供給端子に測定電圧を加えると、電流×電圧の値に比例するものとなり、この値に基づいて瞬時電力信号が得られる。これを適切な振幅に増幅し、例えば、ＡＤ変換するなどしてＣＰＵで演算し、各種の出力をさせることが可能になる。
本発明では、上記のように２対の磁気抵抗効果素子の近傍を通過させることにより、外来のノイズや温度変化の影響を低減することができる。
また、上記構成によれば、変流器により電流を減衰し、変圧器（電圧トランス）により電圧を減衰するだけで、電力を計測ができるので、従来の電流計と比べて構造が極めてシンプルとなる。また、変流器は、色々な種類のものが量産されて市場で流通しているので、容易に適切なものを入手できるため、電力計の製造のコストの低減化を図ることができる。
上記のオペアンプの回路構成は１例であって、同等の機能を実現する他の回路構成が存在することは明らかである。

尚、図１で示した例では、磁気抵抗素子を２対使用してブリッジ回路を構成したが、必ずしもブリッジ回路を構成しなくても、磁気抵抗素子は、単体でも、２個を直列に接続したものでも電力計を構成することができる。
また、オペアンプの出力は、例えば、アナログ・デジタル変換したのちにマイクロコンピュータなどで積算すれば電力量計に用いることができ、これらの変換、演算に使用される変換手段や演算手段は公知のものを利用することができる。

本発明の電力計は、瞬時電力を測定することができ、また、出力を積分することにより積算電力計として使うことができるため、産業上の利用可能性を有する。

Ｒａ_１，Ｒａ_２，Ｒｂ_１，Ｒｂ_２ 磁気抵抗効果素子
１ 基板
２ 変流器
３ 変圧器
４ オペアンプ

Claims (6)

1. 変流器と、変圧器と、磁気抵抗効果素子とを備え、前記変圧器の出力を、前記磁気抵抗素子の入力端に接続し、前記変流器の出力電流を、前記磁気抵抗効果素子の近傍を通過させ、前記磁気抵抗素子から得られる出力に基づいて電力を計測することを特徴とする電力計。
2. 前記磁気抵抗素子は、対向する２対の磁気抵抗効果素子により構成されたブリッジ回路により構成し、前記変流器の出力電流を、１対の前記磁気抵抗効果素子の近傍を通過して、他の１対の前記抵抗素子の近傍を通過させるようにし、前記ブリッジ回路の中点から得られる出力に基づいて電力を計測することを特徴とする請求項１に記載の電力計。
3. 前記ブリッジ回路の中点から得られる出力を積分処理して積算電力とすることを特徴とする請求項２に記載の電力計。
4. 前記出力電圧を、オペアンプに入力してオフセット調整及びゲイン調整をすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力計。
5. 前記変圧器の差動出力を可変抵抗器の両端に接続し可変抵抗器の中間端子からの信号を調整し前記オペアンプに入力し、前記ブリッジのアンバランスを打ち消すことを特徴とする請求項４に記載の電力計。
6. 前記オペアンプの出力を積分処理して積算電力とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の電力計。