JP2020153801A - 直流電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で直流電流を検出する。【解決手段】直流電流検出装置は、電流線Ｌに流れる直流電流の通流および遮断に応じて、プラス側のパルス信号Ｓ１およびマイナス側のパルス信号Ｓ２を出力する交流センサ１と、交流センサ１からプラス側のパルス信号Ｓ１が入力されるとオンし、マイナス側のパルス信号Ｓ２が入力されるとオフするスイッチ３０と、スイッチ３０のオンおよびオフに応じて、直流電流の通流を示す検出信号と直流電流の遮断を示す検出信号を切り換えて出力する信号出力回路３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電流検出装置に関する。

電流線を流れる直流電流は直流センサにより検出することができるが、直流センサは高価なものであるため、安価な交流センサを用いて直流電流を検出する直流電流検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

交流センサには、電流線における直流電流の通流時と遮断時に、プラス側とマイナス側で大きな電圧が発生する。直流電流検出装置において、コンパレータによってプラス側とマイナス側の電圧をそれぞれ閾値と比較し、コンパレータの出力に応じてフリップフロップをセットおよびリセットさせることで、直流電流の通流と遮断を検出することができる。

特開２００５−８３８７９号公報

しかしながら、前記した構成では、フリップフロップやコンパレータ等のＩＣ（Integrated Circuit）を必要とするため、直流電流検出装置において、より簡易な構成で直流電流の遮断および通流を検出することが求められている。

本発明に係る直流電流検出装置は、
電流線に流れる直流電流の通流および遮断に応じて一方の振幅方向の信号および他方の振幅方向の信号を出力する変流器と、
前記変流器から前記一方の振幅方向の信号が入力されるとオンし、前記他方の振幅方向の信号が入力されるとオフするスイッチと、
前記スイッチのオンおよびオフに応じて、前記直流電流の通流を示す検出信号と前記直流電流の遮断を示す検出信号を切り換えて出力する信号出力回路と、を備える。

本発明によれば、簡易な構成で直流電流の通流および遮断を検出することができる。

実施の形態に係る直流電流検出装置の構成を示す図である。 （ａ）は直流回路を流れる直流電流の電流波形を示す図であり、（ｂ）は交流センサの出力波形を示す図であり、（ｃ）は増幅回路の出力波形を示す図であり、（ｄ）はサイリスタのゲートへの入力波形を示す図であり、（ｅ）は信号反転回路の出力波形を示す図であり、（ｆ）は、信号出力線の出力波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る直流電流検出装置を、図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態に係る直流電流検出装置の構成を示す図である。
実施の形態に係る直流電流検出装置は、直流回路の直流電流を検出するものである。直流回路は、例えば、建物等に設置された機器に組み込まれたものである。漏電等で直流回路に設置されたリレーが開閉することによって、直流回路における直流電流の通流および遮断が切り換えられる。

図１に示すように、直流電流検出装置は、交流センサ１、増幅回路２および信号出力回路３を備える。
交流センサ１は変流器（ＣＴ）であり、直流回路を構成する電流線Ｌを流れる直流電流を検出する。
交流センサ１は、例えば、クランプ式または貫通式のセンサコイルを用いることができる。交流センサ１は、コンデンサ４を介して増幅回路２に接続している。交流センサ１とコンデンサ４の間には抵抗５の一端側が接続し、コンデンサ４と増幅回路２の間には抵抗６の一端が接続している。抵抗５、６の他端側はそれぞれ接地に接続している。

増幅回路２は、それぞれオペアンプで構成された増幅器２１および増幅器２２を備え、交流センサ１から入力される信号を増幅する。増幅回路２は、一例として、１２Ｖの電源に接続されている。

増幅器２１の非反転入力端子は抵抗６の出力端子に接続され、反転入力端子は抵抗２３を介して接地に接続している。増幅器２１の出力端子と反転入力端子の間には抵抗２４が接続している。

増幅器２１の出力端子は、抵抗２５を介して増幅器２２の非反転入力端子に接続している。抵抗２５と増幅器２２の間にはコンデンサ２６の一端側が接続し、コンデンサ２６の他端側は接地に接続している。増幅器２２の反転入力端子は抵抗２７を介して接地に接続している。増幅器２２の出力端子と反転入力端子の間には抵抗２８が接続している。

信号出力回路３は、増幅回路２で増幅された交流センサ１の信号に応じて、直流電流の通流または遮断を示す検出信号を切り換えるスイッチ３０と、外部機器に検出信号を出力する信号出力線５０を備える。スイッチ３０は、緩衝増幅器３１、サイリスタ３２、信号反転回路３３およびトランジスタ３４から構成される。

緩衝増幅器３１および信号反転回路３３は、それぞれオペアンプで構成される。
増幅回路２の増幅器２２の出力端子は分岐し、一方は信号出力回路３の緩衝増幅器３１の非反転入力端子に接続し、他方はダイオード３５および抵抗３６を介して信号反転回路３３の反転入力端子に接続している。

緩衝増幅器３１の出力端子には、サイリスタ３２のゲートがダイオード３７を介して接続している。サイリスタ３２のアノードは、抵抗３８および発光ダイオード３９を介して電源（５Ｖ）に接続している。サイリスタ３２のカソードは、接地に接続している。
なお、緩衝増幅器３１の設置を省略して、増幅器２２の出力端子をダイオード３７を介してサイリスタ３２のゲートに接続しても良い。

信号出力線５０は、一端がサイリスタ３２のアノードと抵抗３８の間に接続し、他端は不図示の外部機器に接続している。サイリスタ３２は、信号出力線５０とサイリスタ３２のカソード側に接続された接地との電気的な接続および非接続を切り換える。信号出力線５０が接続する外部機器は、例えば監視システムや警報システムを構成する端末や、遠隔地にある端末に検出信号を送信する通信機器とすることができる。

信号反転回路３３の反転入力端子と出力端子の間には、抵抗４０が接続されている。信号反転回路３３の非反転入力端子は、抵抗４１を介して接地に接続している。

トランジスタ３４はサイリスタ３２に並列に接続している。具体的には、トランジスタ３４のコレクタがサイリスタ３２のアノードに、トランジスタ３４のエミッタがサイリスタ３２のカソードに接続している。トランジスタ３４のベースは、抵抗４２を介して信号反転回路３３の出力端子に接続している。

以上の構成を備えた直流電流検出装置の動作を、図１と共に図２を参照して説明する。
図２の（ａ）〜（ｆ）は、直流電流検出装置における電流波形の変化を説明する図である。
図２の（ａ）は、直流回路を流れる直流電流の電流波形を示す図である。
図２の（ｂ）は、交流センサ１の出力波形を示す図である。
図２の（ｃ）は、増幅回路２の出力波形を示す図である。
図２の（ｄ）は、サイリスタ３２のゲートへの入力波形を示す図である。
図２の（ｅ）は、信号反転回路３３の出力波形を示す図である。
図２の（ｆ）は、信号出力線５０の出力波形を示す図である。

直流回路において不図示のリレーが閉じられている間は、図２の（ａ）に示すように、一定の直流電流が流れる。漏電等が発生してリレーが開くと、直流電流が遮断される。
交流センサ１では、電流線Ｌに直流電流が通流すると、プラス側に大きな電圧が自己誘導作用により発生し、直流電流が遮断されると、マイナス側に大きな電圧が自己誘導作用により発生する。これによって、図２の（ｂ）に示すように、交流センサ１の出力波形は、直流電流の通流時にプラス側のパルス信号Ｓ１が発生し、直流電流の遮断時にマイナス側のパルス信号Ｓ２が発生することとなる。
このプラス側とマイナス側のパルス信号Ｓ１、Ｓ２はそれぞれ交流センサ１から増幅回路２に入力される。

図２の（ｃ）に示すように、増幅回路２に入力されたプラス側およびマイナス側のパルス信号Ｓ１、Ｓ２は、増幅回路２の増幅器２１および増幅器２２で増幅して出力される。
増幅器２２の出力端子は分岐して信号出力回路３の緩衝増幅器３１の非反転入力端子と信号反転回路３３の反転入力端子にそれぞれ接続している。
そのため、増幅回路２から出力されたパルス信号Ｓ１、Ｓ２のうち、プラス側のパルス信号Ｓ１は緩衝増幅器３１の非反転入力端子に入力される。
一方、増幅回路２から出力されたマイナス側のパルス信号Ｓ２は、信号反転回路３３の反転入力端子に入力される。

図２の（ｄ）に示すように、スイッチ３０を構成するサイリスタ３２のゲートには、緩衝増幅器３１から出力されたプラス側のパルス信号Ｓ１が入力される。
サイリスタ３２のゲートに入力されたプラス側のパルス信号Ｓ１は、ゲートのトリガ電流として作用するため、サイリスタ３２のアノードおよびカソード間が導通してサイリスタ３２がオンとなる。

サイリスタ３２がオンすることによって、信号出力線５０は接地電位となり、図２の（ｆ）に示すように、信号出力線５０は外部機器にＬｏｗ信号を出力する。このＬｏｗ信号は、直流電流が電流線Ｌを通流した際に、交流センサ１が出力するプラス側のパルス信号Ｓ１に応じて出力される。すなわち、このＬｏｗ信号は電流線Ｌにおける直流電流の通流を示す検出信号である。

サイリスタ３２は一旦オンになると、ゲートに入力される電流が切れてもオン状態が維持される。そのため、信号出力線５０は、プラス側のパルス信号Ｓ１の入力後、以下に述べるマイナス側のパルス信号Ｓ２の入力までＬｏｗ信号の出力を継続する。

前記したように、交流センサ１が直流電流の遮断に応じて出力したマイナス側のパルス信号Ｓ２は、増幅回路２で増幅された後、信号反転回路３３の反転入力端子に入力される。
図２の（ｅ）に示すように、信号反転回路３３は、入力されたマイナス側のパルス信号Ｓ２をプラス側に反転した反転信号Ｓ２’を出力する。プラス側の反転信号Ｓ２’は、信号反転回路３３の出力端子から、トランジスタ３４のベースに入力される。

反転信号Ｓ２’の入力によってトランジスタ３４のベースに電流が流れ、トランジスタ３４のコレクタおよびエミッタ間が導通する。前記したように、トランジスタ３４のコレクタおよびエミッタは、それぞれサイリスタ３２のアノード側とカソード側に接続されている。そのため、トランジスタ３４のコレクタおよびエミッタ間が導通すると、サイリスタ３２のアノードおよびカソード間を短絡させる。すなわち、信号反転回路３３とトランジスタ３４は、マイナス側のパルス信号Ｓ２に応じてサイリスタ３２を短絡させる短絡部として動作する。

サイリスタ３２が短絡してオフすることによって、信号出力線５０は接地と切り離される。信号出力線５０に電源から５Ｖの電圧が出力されることによって、図２の（ｆ）に示すように、信号出力線５０は外部機器にＨｉｇｈ信号を出力する。

このＨｉｇｈ信号は、電流線Ｌにおいて直流電流が遮断された際に、交流センサ１が出力するマイナス側のパルス信号Ｓ２に応じて出力される。すなわち、このＨｉｇｈ信号は電流線Ｌにおける直流電流の遮断を示す検出信号である。

また、電源から５Ｖの電圧が出力されることによって、電源とサイリスタ３２の間に設置された発光ダイオード３９に電流が流れて、発光ダイオード３９は発光する。この発光ダイオード３９の発光によって、直流回路の電流線Ｌにおいて直流電流が遮断されたことを、外部から視認することができる。

交流センサ１から再びプラス側のパルス信号Ｓ１が入力されてサイリスタ３２がオンになるまで、信号出力線５０はＨｉｇｈ信号の出力を継続する。

以上の通り、実施の形態に係る直流電流検出装置は、
（１）電流線Ｌに流れる直流電流の通流および遮断に応じて、プラス側のパルス信号Ｓ１（一方の振幅方向の信号）およびマイナス側のパルス信号Ｓ２（他方の振幅方向の信号）を出力する交流センサ１（変流器）と、
交流センサ１からプラス側のパルス信号Ｓ１が入力されるとオンし、マイナス側のパルス信号Ｓ２が入力されるとオフするスイッチ３０と、
スイッチ３０のオンおよびオフに応じて、Ｌｏｗ信号（直流電流の通流を示す検出信号）とＨｉｇｈ信号（直流電流の遮断を示す検出信号）を切り換えて出力する信号出力線５０と、を備える。

直流電流検出装置は、直流電流の通流および遮断に応じて出力される交流センサ１のパルス信号の、プラス側またはマイナス側の振幅方向に応じてスイッチ３０のオンおよびオフを切り換える。そして、スイッチ３０のオン及びオフに応じて信号出力回路３が通流または遮断を示す検出信号であるＬｏｗ信号またはＨｉｇｈ信号を出力する。スイッチ３０を用いることで、交流センサ１のパルス信号Ｓ１、Ｓ２を閾値と比較するコンパレータやコンパレータの出力結果に応じて検出信号を切り換えるフリップフロップ等のＩＣを不要とすることができ、簡易な構成で直流電流を検出することができる。

既存の建物に対して、この直流電流検出装置を設置し、検出信号を外部の端末に出力することで、機器の監視システムや漏電等の警報システムや監視システムを、コストを低減しつつ容易に追加することができる。

（２）信号出力線５０は、電源および接地の間に接続され、
スイッチ３０は、接地と信号出力線５０の電気的な接続および非接続を切り換えるものであり、
スイッチ３０がオンすると、信号出力線５０は、直流電流の通流を示す検出信号としてＬｏｗ信号を出力し、スイッチ３０がオフすると、信号出力線５０は、直流電流の遮断を示す検出信号としてＨｉｇｈ信号を出力する。

このような構成によって、交流センサ１のプラス側およびマイナス側のパルス信号Ｓ１、Ｓ２に応じてスイッチ３０がオンおよびオフすると、信号出力線５０のＬｏｗ信号とＨｉｇｈ信号の出力が切り換えられるため、直流電流の通流または遮断を検出することができる。

（３）スイッチ３０は、プラス側のパルス信号Ｓ１の入力によってオンするサイリスタ３２と、マイナス側のパルス信号Ｓ２の入力によってサイリスタ３２を短絡させてオフさせる短絡部（信号反転回路３３およびトランジスタ３４）とを備える。

サイリスタ３２は、ゲートにプラス側の電流が流れるとオンとなり、アノードおよびカソード間の電圧がゼロになるとオフするため、通常は交流回路で使用されるスイッチ素子である。電圧がゼロにならない直流回路ではゲート電流が切れた後もサイリスタ３２はオン状態を維持するため、交流センサ１からのマイナス側のパルス信号Ｓ２の入力では、サイリスタ３２をオフさせることができない。しかしながら、実施の形態ではマイナス側のパルス信号Ｓ２の入力によってサイリスタ３２を短絡させる短絡部を設けることで、直流電流の通流または遮断に応じてサイリスタ３２をオンオフさせることができる。これによって、直流回路では通常は使用されないサイリスタ３２を用いた簡易な構成で、直流電流の通流または遮断を検出することができる。

（４）短絡部は、
マイナス側のパルス信号Ｓ２が入力されると、マイナス側のパルス信号Ｓ２の反転信号Ｓ２’を出力する信号反転回路３３と、
コレクタおよびエミッタがサイリスタ３２と並列に接続し、ベースが信号反転回路３３に接続するトランジスタ３４と、を備え、
トランジスタ３４は、信号反転回路３３から反転信号Ｓ２’がベースに入力されると、コレクタおよびエミッタ間が導通して、サイリスタ３２を短絡させる。

マイナス側のパルス信号Ｓ２を信号反転回路３３で反転させ、反転信号Ｓ２’をサイリスタ３２と並列に接続したトランジスタ３４に入力することによって、直流電流の遮断に応じてトランジスタ３４がサイリスタ３２を短絡させてオフさせることができる。すなわち、信号反転回路３３とトランジスタ３４からなる簡易な構成の短絡部により、Ｈｉｇｈ信号とＬｏｗ信号の出力を切り換えることができる。

本発明に係る直流電流検出装置は、前記の実施の形態で説明した回路構成に限定されるものではなく、適宜回路部品の追加、削除および置き換えを行っても良い。
また、実施の形態では、直流電流検出装置が検出信号を外部機器に出力する例を説明したが、直流電流検出装置を、監視装置や警報装置自体に組み込んでも良い。

１ 交流センサ
２ 増幅回路
３ 信号出力回路
４ コンデンサ
５、６ 抵抗
２１、２２ 増幅器
２３、２４、２５ 抵抗
２６ コンデンサ
２７、２８ 抵抗
３０ スイッチ
３１ 緩衝増幅器
３２ サイリスタ
３３ 信号反転回路
３４ トランジスタ
３５ ダイオード
３６ 抵抗
３７ ダイオード
３８ 抵抗
３９ 発光ダイオード
４０、４１、４２ 抵抗
５０ 信号出力線
Ｌ 電流線

Claims (4)

1. 電流線に流れる直流電流の通流および遮断に応じて一方の振幅方向の信号および他方の振幅方向の信号を出力する変流器と、
   前記変流器から前記一方の振幅方向の信号が入力されるとオンし、前記他方の振幅方向の信号が入力されるとオフするスイッチと、
   前記スイッチのオンおよびオフに応じて、前記直流電流の通流を示す検出信号と前記直流電流の遮断を示す検出信号を切り換えて出力する信号出力線と、を備えることを特徴とする直流電流検出装置。
2. 前記信号出力線は、電源および接地の間に接続され、
   前記スイッチは、前記接地と前記信号出力線の電気的な接続および非接続を切り換えるものであり、
   前記スイッチがオンすると、前記信号出力線は、前記直流電流の通流を示す検出信号としてＬｏｗ信号を出力し、前記スイッチがオフすると、前記信号出力線は、前記直流電流の遮断を示す検出信号としてＨｉｇｈ信号を出力することを特徴とする請求項１記載の直流電流検出装置。
3. 前記スイッチは、前記一方の振幅方向の信号の入力によってオンするサイリスタと、前記他方の振幅方向の信号の入力によって前記サイリスタを短絡させてオフさせる短絡部とを備えることを特徴とする請求項２記載の直流電流検出装置。
4. 前記短絡部は、
   前記他方の振幅方向の信号が入力されると、当該他方の振幅方向の反転信号を出力する信号反転回路と、
   コレクタおよびエミッタが前記サイリスタと並列に接続し、ベースが前記信号反転回路に接続するトランジスタと、を備え、
   前記トランジスタは、前記信号反転回路から前記反転信号が前記ベースに入力されると、前記コレクタおよびエミッタ間が導通して、前記サイリスタを短絡させることを特徴とする請求項３記載の直流電流検出装置。

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