JP2016194510A - 電流検知装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この特許文献1に記載された従来例では、図24(a)に示す構成を有する。すなわち、軟質磁性体製の同形、等大に構成された円環状をなすコア101及び102と、各コア101及び102に等しい回数巻回された励磁コイル103と、各コア101及び102にわたるよう一括して巻回された検出コイル104とを備えている。
励磁コイル103はこれに通電したとき両コア101及び102に生じる磁場が逆相であって互いに打ち消し合うようコア101及び102に巻回されている。
ここで、両コア101及び102に生じた磁束密度Bの変化を正弦波(起電力に対応)で表現すると図24(c)に示すようになる。この図24(c)では、前述した図24(b)で実線図示の台形波に対応して実線図示のように180°位相がずれた周波数fの正弦波(起電力)が表れるが、これらは180°ずれているため互いに打ち消し合う。一方、図24(b)で破線図示の台形波に対応して図24(c)には破線図示のような2倍の周波数2fの2次高調波が表れる。この2次高調波は位相が180°ずれていないため、相互に重畳すると図24(c)の最下段に示すような正弦波信号となり、これが検出コイル104で検出される。
また、特許文献2では、環状の磁性体コアと、磁性体コア上に巻回された励起コイルと、磁性体コア上に巻回された補助励磁コイルと、励起コイルに交流励起電圧を印加する第1の励起回路と、励起電圧の立ち上がり及び立ち下がりに同期し、補助励起コイルに励起コイルが発生する磁界の方向と同じ方向の磁界を発生させるパルス状の電圧を印加する第2の励起回路と、励起コイルに流れる電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路と、磁性体コアの交流磁場が正及び負の方向に飽和するタイミングをそれぞれ検出する検出手段を有する電流センサが提案されている。この電流センサの検出手段は、電流/電圧変換回路の出力側に接続されたコンパレータと、このコンパレータの出力が供給された低域通過フィルタとこの低域通過フィルタの出力を増幅するアンプとを備えている。
上記特許文献2に記載された従来例にあっては、1つの磁気コアで電流検知を実現しているものの発振回路で磁気コアを励磁し、励磁電流を電圧に変換した直後にコンパレータで二値化する構成のため、インバータなどのノイズの多い負荷を接続した場合に測定電流にノイズが重畳し、励磁電流にも重畳したノイズはコンパレータを誤動作させることで、正確な電流測定ができないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、検出電流を広範囲に渡って高精度で検知することができる電流検知装置を提供することを目的としている。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
本発明の一態様である電流検知装置1は、図1に示すように、微小な検出電流(例えば数十mA〜数百mA)が流入し得る導線2の回りにリング状の磁気コア3が配設されている。つまり、磁気コア3内に導線2が挿通されている。
磁気コア3には、電気的に絶縁し磁気的に結合するように励磁コイル4が所定巻数で巻回されている。この励磁コイル4の一端には、励磁部としての励磁回路5が接続されており、この励磁回路5から励磁コイル4に矩形波電圧Vaを印加して磁気コア3を飽和状態又はその近傍の状態にする励磁電流を供給する。
fV=1/(2・C1・R1・ln(1+2・R3/R2)) …………(1)
ここで、オペアンプ5aで励磁コイル4に励磁電流を十分に供給できない場合には、必要に応じて図示しない電流ブースターをオペアンプ5aの出力側に接続することで励磁電流を増加させることが可能である。
すなわち、励磁コイル4にパルス状の矩形波電圧Vaを印加すると、最初に磁気コア3のインダクタンスで決まる電流が流れ、磁気コア3のインダクタンスが飽和すると(図4(b)中のF点)、励磁コイル4の抵抗で決まる励磁電流Iexが流れる。
したがって、励磁コイル4の励磁電流Iexの、インダクタンスが消失することによるデューティ比変化を検出することにより、導線2に流入する検出電流Cの検知が可能となる。
この励磁電圧Vbは、シャント抵抗6aの抵抗値をRSHとすると、下記(2)式のように抵抗値RSHと励磁電流Iexとの積で表される。
Vb=Iex・RSH …………(2)
このフィルタ回路7は、図6に示すように、正帰還形とされた二次の低域通過フィルタ7aで構成されている。この低域通過フィルタ7aは、電流−電圧変換回路6から出力される励磁電圧Vbが抵抗7b及び7cを介して非反転入力側に入力されるとともに、出力側と反転入力側とが直接接続されたオペアンプ7dと、抵抗7cとオペアンプ7dの非反転入力側の接続点とグランド間に接続されたコンデンサ7eと、抵抗7b及び7cの接続点とオペアンプ7dの反転入力側との間に接続されたコンデンサ7fとを備えている。
fc=1/(2・π・Rf・Cf) …………(3)
ここで、抵抗値Rf及び容量Cfを除去したいノイズ成分の下限周波数に応じて設定することにより、高周波のノイズ成分を確実に除去することができる。しかも、二次の低域通過フィルタを適用しているので、急峻な遮断特性を得ることができる。
Vhy=Vc・(R8c+R8d)/R8c …………(4)
このように、二値化回路8をヒステリシス付コンパレータ8aで構成することにより、フィルタ回路7から出力されるフィルタ出力にノイズが残留している場合でも、ヒステリシス幅Vhyの範囲内でのノイズの影響を除去した矩形波電圧Vcを出力することができる。
このように、上記第1の実施形態によると、励磁部としての励磁回路5から所定周波数の矩形波電圧Vaを磁気コア3に巻装した励磁コイル4に印加して磁気コア3を飽和状態又はその近傍の状態にするための励磁電流Iexを供給する。この励磁電流Iexが磁気コア3を挿通する導線2に流入する検出電流によって、インダクタンスが消失するタイミングが、図4に示すように変化することにより、励磁電流Iexのデューティ比が変化する。
しかも、上述したように、二値化回路8をヒステリシス付コンパレータ8aで構成することにより、フィルタ回路7から出力されるフィルタ出力にノイズ成分が残留する場合でも、ヒステリシス機能によってノイズ成分の影響を確実に除去した矩形波電圧Vcを形成することができる。
このため、特許文献2に記載された従来例のように電流−電圧変換回路の出力電圧を直接コンパレータに供給した場合にはコンパレータが高周波ノイズによって誤動作することになるが、本実施形態では、電流−電圧変換回路6の出力電圧をフィルタ回路7に供給して高周波ノイズを除去することができる。そのため誤動作を確実に防止して、高精度な電流検知を行うことができる。
なお、上記第1の実施形態においては、励磁回路5として無安定マルチバイブレータを構成する発振回路を適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、励磁コイル4に矩形波電圧を印加可能な発振回路であれば、任意の発振回路を適用することができる。
この第2の実施形態では、導線2に過大電流が流入した場合に、この過大電流を検知する回路構成を付加したものである。
すなわち、第2の実施形態では、前述した第1の実施形態における第1電流検知回路9が、図10に示すように、絶対値回路9bから出力される測定電圧Vdを比較回路9cに供給して電流検知閾値Vref1と比較し、測定電圧Vdが電流検知閾値Vref1以上であるときにハイレベルとなる電流検知信号Saを出力するように構成されている。
第2電流検知回路12は、図12に示すように、全波整流値形成回路11の積分回路11bから出力される全波整流電圧Veが入力される比較器12aで構成されている。この比較器12aは、例えばオペアンプで構成され、全波整流値形成回路11から出力される全波整流電圧Veが非反転入力側に入力され、反転入力側に分圧抵抗12b及び12cによって分圧された過大電流閾値Vref2が入力され、全波整流電圧Veが過大電流閾値Vref2以上となったときに、ハイレベルの過大電流検知信号Sbを出力する。
このため、全波整流値形成回路11の絶対値回路11aで絶対値化し、これを積分回路11bで積分したときに、積分回路11bの積分出力電圧は時間の経過とともに増加することになる。この積分出力電圧が第2電流検知回路12を構成する比較器12aに供給されるので、積分出力電圧が過大電流閾値Vref2以上となったときに比較器12aからハイレベルの過大電流検知信号Sbが出力される。この過大電流検知信号Sbが論理和回路13に供給されるので、この論理和回路13からハイレベルとなる電流検知信号Scが出力される。
一方、導線2に流入する検出電流が過大電流であるときには、第2電流検知回路12によって過大電流閾値Vref2以上の過大電流を検知したときにハイレベルとなる過大電流検知信号Sbが論理和回路13を介して出力される。
しかも、第1電流検知回路9及び第2電流検知回路12の出力側に比較器を配置して、設定電流値以上の検出電流が流入したときにハイレベルの電流検知信号を出力するようにしたので、簡易な構成で電流検知を正確に行うことができる。
この第3実施形態では、第1電流検知回路9に対する周囲環境の影響による測定値変動を抑制するようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、図14に示すように、励磁回路5の出力側に電圧制限部としての電圧制限回路15を接続するとともに、第1電流検知回路9に温度変化による測定値変化を補正する温度補正部としての第1補正回路9dを設けるようにしている。
ところで、励磁回路5は、温度依存特性を有し、周囲温度が変化することで、矩形波電圧Vaが、図18(a)で点線図示のように、正側の電圧減少幅に比較して負側の電圧減少幅が大きくなる場合が生じる。このように、矩形波電圧Vaの正側及び負側で電圧減少幅が異なる場合には、第1電流検知回路9の低域通過フィルタ9aで平均化したときに、導線2に測定電流を生じた場合と同等の0より大きなフィルタ出力Vfが出力される。このフィルタ出力Vfを第1補正回路9dで反転増幅することにより、図18(b)に示すように、図17(a)に示す導線2に微小な検出電流Cが生じた場合の図17(b)に示す測定電圧Vdと同等の測定電圧Vdが出力されることになり、周囲温度変化による誤検知が発生してしまう。
しかしながら、電圧制限回路15を構成するツェナーダイオードで構成される第1定電圧ダイオード16及び第2定電圧ダイオード17自体も温度の上昇に伴って順方向電圧が上昇する温度依存特性を有することから、周囲温度が高くなるにつれて制限電圧も高くなり、周囲温度の上昇による電圧変動が矩形波電圧Vaに影響することになる。この矩形波電圧Vaの変動が第1電流検知回路9で測定電圧Vdの変動として現れ、誤検出の要因となる。
したがって、第1補正回路9dで、電圧制限回路15を構成する第1定電圧ダイオード16及び第2定電圧ダイオード17の温度依存性による第1補正回路9dから出力される測定電圧Vdの減少を補償することができ、図19(b)に示すように正確な測定電圧Vdを得ることができる。
また、上記第3の実施形態においては、電圧制限回路15として第1定電圧ダイオード16及び第2定電圧ダイオード17のアノード同士を接続した場合について説明したが、これに限定されるものではなくカソード同士を接続するようにしてもよい。
この第4実施形態では、励磁回路5で発生する矩形波電圧の、周囲環境の影響による変動を抑制するようにしたものである。
すなわち、第4の実施形態では、図20に示すように、第1の実施形態における励磁回路5において、さらに電流増幅部としての電流増幅回路5fを設けるようにしている。電流増幅回路5fは、オペアンプ5aの出力側に設けられ、オペアンプ5aの出力を増幅し矩形波電圧Vaとして出力する。つまり、オペアンプ5a、帰還抵抗5b、分圧抵抗5c及び5d、コンデンサ5eからなる矩形波電圧を発生する発振回路5oscの出力を、電流増幅回路5fで増幅するようにしている。
なお、電流増幅部5fから出力される矩形波電圧Vaは、前記(1)式で表される、発振回路5oscの出力の発振周波数fと同一であり、電流増幅部5fは、発振周波数は同一で、励磁コイル4に対して、より大きな励磁電流を供給し得る矩形波電圧Vaを出力することができる。
なお、上記第4の実施形態においては、nチャネルMOSFET51とpチャネルMOSFET52とを用いて電流増幅回路5fを構成した場合について説明したが、これに限るものではない。例えばバイポーラトランジスタを用いて電流増幅回路5fを構成することも可能である。
また、上記第4の実施形態では、第1の実施形態において、さらに電流増幅回路5fを設けた場合について説明したが、第2の実施形態、また、第3の実施形態において、電流増幅回路5fを設けることも可能である。
この第5実施形態では、第4実施形態において、二値化回路8から出力される矩形波電圧Vcの、周囲環境の影響による変動を抑制するようにしたものである。
第5の実施形態では、図21に示すように、第1電流検知回路9は、低域通過フィルタ9aと、絶対値回路9bとの間に、周囲環境の影響による低域通過フィルタ9aの出力である矩形波電圧Vcの変化を補正する第2補正回路9jを設けるようにしている。
第2補正回路9jは、図22に示すように、分圧抵抗61及び62と、分圧抵抗61と分圧抵抗62との間に設けられたダイオード63と、差動回路64と、を備える。
ダイオード63は、例えばツェナーダイオードで構成され、ダイオード63のアノードが高電位側の分圧抵抗61に接続され、カソードが分圧抵抗62に接続される。
つまり、第2補正回路9jは、差動回路64によって、低域通過フィルタ9aの出力である矩形波電圧Vcと周囲環境の変化に伴うダイオード63の出力特性の変動分との差分をとることにより、矩形波電圧Vcから周囲環境の変化に伴う変動成分を除去し、これを絶対値回路9bに出力する。
また、抵抗65、66、68、69と、オペアンプ67からなる差動回路64と、抵抗61、62及びダイオード63とを備えた簡易な構成で、第2補正回路9jを実現することができる。
なお、上記第1〜第5の実施形態においては、電流−電圧変換回路6の出力側に接続したフィルタ回路7を二次の低域通過フィルタで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、一次の低域通過フィルタで構成したり、必要な信号成分のみを通過させる帯域通過フィルタで構成したりしてもよい。
以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例又は実施形態も網羅すると解すべきである。
Claims (19)
- 検出電流が流入し得る導線を囲む磁気コアに、電気的に絶縁し磁気的に結合するように巻回した励磁コイルと、
矩形波電圧を印加して前記磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態にする励磁電流を前記励磁コイルに供給する励磁部と、
前記励磁コイルに流れる励磁電流を、電圧に変換して出力する電流−電圧変換部と、
該電流−電圧変換部から出力される出力電圧の大きさが変化するタイミングに基づいて矩形波電圧に変換する二値化部と、
該二値化部から出力される矩形波電圧に基づいて前記検出電流の流入を検知する第1電流検知部と、
前記電流−電圧変換部から出力される電圧の全波整流値を出力する全波整流値形成部と、
該全波整流値形成部の全波整流値に基づいて前記検出電流の流入を検知する第2電流検知部と
を備えたことを特徴とする電流検知装置。 - 前記第1電流検知部及び前記第2電流検知部からそれぞれ前記検出電流の流入を検知した際に出力される第1電流検知信号及び第2電流検知信号が入力され、当該第1電流検知信号及び第2電流検知信号の論理和信号を出力する論理和回路をさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の電流検知装置。
- 前記全波整流値形成部は、前記電流−電圧変換部から出力される電圧を絶対値化する絶対値回路と、該絶対値回路の絶対値出力を積分する積分回路とで構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電流検知装置。
- 検出電流が流入し得る導線を囲む磁気コアに、電気的に絶縁し磁気的に結合するように巻回した励磁コイルと、
矩形波電圧を印加して前記磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態にする励磁電流を前記励磁コイルに供給する励磁部と、
前記励磁コイルに流れる励磁電流を、電圧に変換して出力する電流−電圧変換部と、
該電流−電圧変換部から出力される電圧に重畳するノイズ成分を除去するフィルタ部と、
該フィルタ部から出力される出力電圧の大きさが変化するタイミングに基づいて矩形波電圧に変換する二値化部と、
該二値化部から出力される矩形波電圧に基づいて前記検出電流の流入を検知する第1電流検知部と
を備えたことを特徴とする電流検知装置。 - 前記フィルタ部は、ノイズ周波数成分を遮断する低域通過フィルタで構成されていることを特徴とする請求項4に記載の電流検知装置。
- 前記励磁部は、前記矩形波電圧を発生する発振回路で構成されていることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の電流検知装置。
- 前記励磁部は、前記発振回路で発生する矩形波電圧の振幅を制限する電圧制限部を備えていることを特徴とする請求項6に記載の電流検知装置。
- 前記電圧制限部は、前記発振回路の出力側とグランドとの間に接続された定電圧ダイオードで構成されていることを特徴とする請求項7に記載の電流検知装置。
- 前記励磁部から出力される前記矩形波電圧を入力し前記励磁コイルに供給する前記励磁電流を増幅する電流増幅部を備えていることを特徴とする請求項1から請求項8の何れか1項に記載の電流検知装置。
- 前記電流増幅部は、スイッチング素子を含むことを特徴とする請求項9に記載の電流検知装置。
- 前記スイッチング素子は、MOSFETであることを特徴とする請求項10に記載の電流検知装置。
- 前記電流−電圧変換部は、シャント抵抗で構成されていることを特徴とする請求項1から11の何れか1項に記載の電流検知装置。
- 前記二値化部は、閾値電圧が入力された比較器で構成されていることを特徴とする請求項1から12の何れか1項に記載の電流検知装置。
- 前記第1電流検知部は、前記矩形波電圧のデューティ比を検知して前記検出電流に応じた検知信号を出力することを特徴とする請求項1から13の何れか1項に記載の電流検知装置。
- 前記第1電流検知部は、前記二値化部から出力される矩形波電圧の温度補正を行う温度補正部を備えていることを特徴とする請求項1から14の何れか1項に記載の電流検知装置。
- 前記温度補正部は、周囲温度によって抵抗値が変化するサーミスタを備えていることを特徴とする請求項15に記載の電流検知装置。
- 前記温度補正部は、ダイオードと差動回路とを備えることを特徴とする請求項15に記載の電流検知装置。
- 前記温度補正部は、前記サーミスタを含む反転増幅器で構成されていることを特徴とする請求項16に記載の電流検知装置。
- 前記温度補正部は、前記サーミスタと差動回路とを備えることを特徴とする請求項16に記載の電流検知装置。
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