JP2018066689A

JP2018066689A - 絶縁測定フローティング側システム

Info

Publication number: JP2018066689A
Application number: JP2016206464A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　勇; Isamu Sato; 勇佐藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp; Yokogawa Test and Measurement Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp; Yokogawa Test and Measurement Corp
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-04-26

Abstract

【課題】絶縁型パッシブプローブと絶縁回路とを組み合わせた場合に、絶縁モード除去比の悪化を防ぐ。【解決手段】Ｈ側信号経路とＬ側信号経路とを有する絶縁型パッシブプローブと、絶縁型パッシブプローブと接続する絶縁回路のフローティング回路とを含んだ絶縁測定フローティング側システムであって、絶縁型パッシブプローブは、Ｈ側信号経路のインピーダンス特性と、Ｌ側信号経路のインピーダンス特性とが整合されており、フローティング回路は、差動増幅器を備え、Ｈ側信号経路の信号とＬ側信号経路の信号とを差動増幅器を用いて差動増幅して後段回路に絶縁伝送する。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁型パッシブプローブと、絶縁回路のフローティング回路とを含む絶縁測定フローティング側システムに関する。

電圧等のフローティング測定では、差動プローブ装置や、絶縁回路を備える絶縁測定器（絶縁アンプを含む）が用いられる。一般に、絶縁測定器を用いる場合には、絶縁型のパッシブプローブが組み合わされる。絶縁型のパッシブプローブを用いることで、一層高電圧の測定が可能となるとともに、被測定回路に与える影響を抑制することができる。

図６は、従来の絶縁型のパッシブプローブ４００と絶縁測定器の絶縁回路部分５００の構成を示すブロック図である。本図に示すように、絶縁測定器の絶縁回路５００は、アイソレーションバリアで隔てられたフローティング回路５１０と接地回路５２０とを備えている。フローティング回路５１０と接地回路５２０との間の信号のやり取り、接地回路５２０からフローティング回路５１０への電源の供給は、絶縁トランス、フォトカプラ、コンデンサ等が用いられる。

フローティング回路５１０と接続される絶縁型パッシブプローブ４００は、信号をピックアップするＨ側リードと、Ｌ側リードとを備えている。Ｈ側リードには、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とが並列に接続されており、絶縁型パッシブプローブ４００は不平衡な回路構成となっている。一般に、抵抗Ｒ１は高抵抗であり、コンデンサＣ１は低容量である。

特開平１１−０７２５１５号公報

絶縁性能を表すパラメータのひとつに絶縁モード除去比（ＩＭＲＲ：Isolation Mode Rejection Ratio）がある。ＩＭＲＲは、周波数に対する絶縁の程度を示す重要な指標であり、正／負入力に同一信号を印加したときの入力振幅に対する出力振幅の割合で規定される。

正／負入力に同一信号を印加した場合、理想的には出力信号はゼロになるが、実際には、入力信号の影響が出力信号に現れる。ＩＭＲＲは、その程度を示している。

一般に、絶縁測定器は、低・中域でのＩＭＲＲに優れている。しかしながら、絶縁型パッシブプローブと組み合わせて使用すると、図７に示すように、ＩＭＭＲが悪化する問題がある。

この要因について図８、図９を参照して説明する。図８は、絶縁型のパッシブプローブ４００と絶縁測定器のフローティング回路５１０の入力から見たインピーダンスに特化した回路図である。フローティング回路５１０の入力抵抗をＲｉｎとし、入力容量をＣｉｎとしている。また、フローティング回路５１０の対接地容量をＣｙ、絶縁型パッシブプローブ４００の対接地容量をＣｘとして模擬している。

図９（ａ）は、絶縁測定器を単体で使用した場合のＩＭＲＲを説明する図であり、図９（ｂ）は、絶縁型パッシブプローブ４００を組み合わせたときのＩＭＲＲを説明する図である。両者は、入力のＨ側、Ｌ側から見たインピーダンスと、対接地容量（Ｃｘ、Ｃｙ）において大きく異なっている。

絶縁測定器を単体で使用した場合には、終端に対して、Ｈ側とＬ側とは直接繋がっている状態となり、それぞれのインピーダンスＺｈ、Ｚｌはほぼ同じと見ることができる。両インピーダンスに差がなければ、その間に不整合は生じないので、結果的にＩＭＲＲの悪化は生じない。

一方、パッシブプローブと組み合わせた場合は、Ｈ側には、高抵抗の抵抗Ｒ１と低容量のコンデンサＣ１があるが、Ｌ側にはない。また、パッシブプローブの対接地容量Ｃｘが付加されてしまう。

Ｌ側のインピーダンスＺｌには帯域に依存する成分が無いのに対し、Ｈ側のインピーダンスＺｈは帯域に依存する成分を含んでいるため、周波数によってインピーダンスＺｈが変化する。これにより、Ｈ側とＬ側とで不整合が生じ、図７に示したように、パッシブプローブを使用した場合に、容量性部分（数ＫＨｚ〜）でＩＭＲＲが悪化することになる。

そこで、本発明は、絶縁型パッシブプローブと絶縁回路とを組み合わせた場合に、絶縁モード除去比の悪化を防ぐ技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の絶縁測定フローティング側システムは、Ｈ側信号経路とＬ側信号経路とを有する絶縁型パッシブプローブと、前記絶縁型パッシブプローブと接続する絶縁回路のフローティング回路とを含んだ絶縁測定フローティング側システムであって、前記絶縁型パッシブプローブは、前記Ｈ側信号経路のインピーダンス特性と、前記Ｌ側信号経路のインピーダンス特性とが整合されており、前記フローティング回路は、差動増幅器を備え、前記Ｈ側信号経路の信号と前記Ｌ側信号経路の信号とを前記差動増幅器を用いて差動増幅して後段回路に絶縁伝送することを特徴とする。
ここで、前記絶縁型パッシブプローブは、前記Ｈ側信号経路、前記Ｌ側信号経路とも抵抗とコンデンサの並列回路を備えていることができる。

本発明によれば、絶縁型パッシブプローブと絶縁回路とを組み合わせた場合に、絶縁モード除去比の悪化を防ぐことができる。

本実施形態に係る絶縁型のパッシブプローブと絶縁測定器の絶縁回路部分の構成を示すブロック図である。絶縁型のパッシブプローブとフローティング回路の入力から見たインピーダンスに特化した回路図である。絶縁型のパッシブプローブとフローティング回路を有する絶縁測定フローティング側システムのＩＭＲＲを説明する図である。本実施形態によるＩＭＲＲ例を示す図である。インピーダンスを調整可能とする構成を説明する図である。従来の絶縁型のパッシブプローブと絶縁測定器の絶縁回路部分の構成を示すブロック図である。従来構成のＩＭＲＲ例を示す図である。絶縁型のパッシブプローブと絶縁測定器のフローティング回路の入力から見たインピーダンスに特化した回路図である。絶縁測定器を単体で使用したときと、絶縁型パッシブプローブと組み合わせたときのＩＭＲＲ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、本実施の形態に係る絶縁型のパッシブプローブ１００と絶縁測定器の絶縁回路部分２００の構成を示すブロック図である。

本図に示すように、絶縁測定器の絶縁回路２００は、アイソレーションバリアで隔てられたフローティング回路２１０と接地回路２２０とを備えている。フローティング回路２１０と接地回路２２０との間の信号のやり取り、接地回路２２０からフローティング回路２１０への電源の供給は、絶縁トランス、フォトカプラ、コンデンサ等が用いられる。絶縁信号伝送は、アナログ伝送でもディジタル伝送でもよい。

フローティング回路２１０と接続される絶縁型パッシブプローブ１００は、信号をピックアップするＨ側リード１１１と、Ｌ側リード１１２とを備えている。なお、絶縁型パッシブプローブ１００とフローティング回路２１０とを組み合わせて絶縁測定フローティング側システムと称する。

絶縁型パッシブプローブ１００のＨ側リード１１１には、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１１とが並列に接続されており、Ｈ側リード１１１の入力信号は同軸ケーブル等の抵抗線１０２でフローティング回路２１０のＨ側端子に導かれる。また、Ｈ側信号経路とフローティング側基準電位との間にダンピング抵抗Ｒ２１と接地容量Ｃ２１とを有している。

絶縁型パッシブプローブ１００のＬ側リード１１２にも、抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ１２とが並列に接続されており、Ｌ側リード１１２の入力信号は同軸ケーブル等の抵抗線１０４でフローティング回路２１０のＬ側端子に導かれる。また、Ｌ側信号経路とフローティング側基準電位との間にダンピング抵抗Ｒ２２と接地容量Ｃ２２とを有している。

すなわち、本実施形態の絶縁型パッシブプローブ１００は、Ｈ側とＬ側ともにパッシブプローブを使用したペアパッシブ構成としている。Ｈ側リード１１１から見たインピーダンスとＬ側リード１１２から見たインピーダンスとが同じなるように各値を設計、調整し、絶縁型パッシブプローブ１００が平衡な回路構成となるようにする。

絶縁回路２００のフローティング回路２１０は、Ｈ側信号経路とフローティング側基準電位との間に入力抵抗Ｒ３１と入力容量Ｃ３１とを有し、Ｌ側信号経路とフローティング側基準電位との間に入力抵抗Ｒ３２と入力容量Ｃ３２とを有している。そして、差動増幅器２１２を用いて、Ｈ側信号とＬ側信号の差動増幅を行ない、その出力信号を接地回路２２０に絶縁伝送する。

図２は、絶縁型のパッシブプローブ１００とフローティング回路２１０の入力から見たインピーダンスに特化した回路図である。絶縁型パッシブプローブ１００のＨ側Ｌ側それぞれの対接地容量をＣｘ、フローティング回路２１０の対接地容量をＣｙとして模擬している。図３は、絶縁型のパッシブプローブ１００とフローティング回路２１０を有する絶縁測定フローティング側システムのＩＭＲＲを説明する図である。

上述のように本実施形態では、絶縁型のパッシブプローブ１００のＨ側のインピーダンスＺｈと、Ｌ側のインピーダンスＺｌとが同じになるように設計、調整されている。すなわち、Ｈ側リード１１１から高抵抗Ｒ１１と低容量Ｃ１１が見え、Ｌ側リード１１２からも高抵抗Ｒ１２と低容量Ｃ１２が見えており、周波数に依存したインピーダンス特性が揃っている。

さらに、絶縁型パッシブプローブ１００と接続するフローティング回路２１０では差動増幅器２１２を用いてＨ側信号とＬ側信号の差動増幅を行なっている。これにより、図４に示すように、絶縁型パッシブプローブ１００と絶縁回路２００とを組み合わせた場合の、絶縁モード除去比の悪化を防ぐことができる。

また、本実施形態の絶縁型パッシブプローブ１００は、インピーダンス整合により広帯域化されており、Ｈ側リード１１１とＬ側リード１１２とを長くすることができる。この点において、リード長に制限のある差動プローブ装置に比して有利である。

なお、部品にはそれぞれ特性や精度があるため、絶縁型パッシブプローブ１００の実装に際してはある程度調整できることが必要となる。例えば、図５に示すように、ダンピング抵抗Ｒ２１、Ｒ２２や対接地容量Ｃ２１、Ｃ２２、直列接続される抵抗Ｒ３１、Ｒ３２などを可変とすることが好ましい。

また、本実施形態の絶縁型パッシブプローブ１００は、絶縁側的に接続する場合のみならず、絶縁回路を備えた絶縁アンプを介して接地型測定器に接続する場合にも有効である。

１００…絶縁型パッシブプローブ、１０２…抵抗線、１０４…抵抗線、１１１…Ｈ側リード、１１２…Ｌ側リード、２００…絶縁回路、２１０…フローティング回路、２１２…差動増幅器、２２０…接地回路

Claims

Ｈ側信号経路とＬ側信号経路とを有する絶縁型パッシブプローブと、前記絶縁型パッシブプローブと接続する絶縁回路のフローティング回路とを含んだ絶縁測定フローティング側システムであって、
前記絶縁型パッシブプローブは、
前記Ｈ側信号経路のインピーダンス特性と、前記Ｌ側信号経路のインピーダンス特性とが整合されており、
前記フローティング回路は、
差動増幅器を備え、前記Ｈ側信号経路の信号と前記Ｌ側信号経路の信号とを前記差動増幅器を用いて差動増幅して後段回路に絶縁伝送することを特徴とする絶縁測定フローティング側システム。
前記絶縁型パッシブプローブは、
前記Ｈ側信号経路、前記Ｌ側信号経路とも抵抗とコンデンサの並列回路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁測定フローティング側システム。