JP3766855B2 - 変流器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変流器（カレント トランスフォーマ、以下ＣＴという）、特にホール素子を使用する閉ループＣＴに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホール素子（又はホール効果素子）を使用する閉ループＣＴは周知である。例えば、米国特許第３，５７３，６１６号には、斯るＣＴの１例が開示されているので、ここに参考文献として引用することとする。優れた閉ループＣＴは、Ｓ／Ｎ比が良好であること、換言すると大きい信号が出力されることが必要である。斯るＣＴは、インジウム アンチモン（ＩｎＳｂ）で製造可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
斯るインジウム アンチモンで製造したＣＴは、直線性（リニアリティ）が悪く且つその主ターミナル抵抗が大きい負の温度係数を有する。ホール素子を電圧源で駆動する場合、負温度係数であると、電圧を一定に維持すると温度上昇につれてパワーが増加し、所謂サーマルランナラエイ（熱暴走）を生じる危険がある。そこで、ＣＴデバイスへ送られるピーク電流を制限する必要がある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、Ｓ／Ｎ比が良好であり、外部温度センサを使用することなく、ホール素子の動作温度がモニタ可能であるホール素子使用の閉ループＣＴを提供することである。
【０００５】
本発明の他の目的は、デバイスの温度変化により生じるデバイスの駆動電圧のオフセットが実質的に除去可能であるＣＴを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の変流器は、空隙を有し且つ導体を包囲してこの導体に電流が流れると空隙に磁束を生じさせる磁気コアと、この磁気コアの空隙に配置され、温度係数を有するホール素子と、このホール素子に接続され空隙の自足によりホール素子が誘起する電圧信号を受ける演算増幅器と、この演算増幅器に接続され且つ磁気コアに巻回され、電圧信号により演算増幅器が生じさせる電流を受け電圧信号を０にする導電性巻線と、ホール素子に固定電圧を印加するレギュレーション増幅器と、このレギュレーション増幅器およびホール素子間の抵抗とを備え、ホール素子が動作中の抵抗の両端電圧は、ホール素子の動作温度を指示する手段となることを特徴とする。
【０００７】
本発明の変流器の好適実施形態によると、ホール素子は、動作温度の変化に応じて変化する入力抵抗を有し、更に動作温度に関連する電圧信号を演算増幅器に入力して入力抵抗の変動を補償する電圧信号入力手段を備える。ホール素子は、インジューム アンチモンにより形成され、入力抵抗は、ホール素子の動作温度の上昇に応じて減少する。電圧信号入力手段は、入力として抵抗の両端電圧を受ける。電圧信号入力手段は、演算増幅器に入力される電圧信号を提供する差動増幅回路である。更に、差動増幅回路と組み合わせて固定された温度非依存性電圧信号を提供し、演算増幅器に入力された電圧信号がミックスされホール素子のスタチックオフセットを収容する手段を備えている。
【０００８】
また、本発明の変流器は、空隙および胴体を受ける開口が形成され、導体に電流が流れるとき空隙に磁束を生じさせる磁気コアと、この磁気コアに巻回された巻線と、空隙内に配置され磁束に比例する第１信号を出力するホール素子と、第１信号を受け巻線に第２信号を出力して第１信号を減少させる第１増幅器と、ホール素子に固定電圧を出力する第２増幅器と、この第２増幅器およびホール素子間に接続され、両端間の電圧がホール素子の温度を示す抵抗とを備えることを特徴とする。本発明の好適実施形態によると、ホール素子は、温度と共に変化する入力抵抗を有する。入力抵抗は、温度上昇につれて減少する。第２増幅器は、ホール素子の入力抵抗の変動に応じて変化する電流を出力し、ホール素子の固定電圧を維持する。抵抗の抵抗値は、電流がホール素子を破壊する前に第２増幅器を飽和させる。更に抵抗および第１増幅期間に接続され、抵抗両端電圧に基づく第３信号を発生し、第３信号を第１増幅器に提供してホール素子による第１信号のエラーを補償する差動増幅回路を含んでいる。ホール素子は、温度により変化する入力抵抗を有し、この入力抵抗の変化は第１信号にエラーを生じさせる。第３信号は調整可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＣＴの好適実施例の構成及び動作を、添付図を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明のＣＴの好適実施形態例の構成を示す回路図である。このＣＴは、ホール素子１０、このホール素子10に動作電圧を供給するレギュレーション増幅器２０、この増幅器２０のバイアス調整回路３０、増幅器２０とホール素子１０間に接続された直列抵抗１８、この抵抗１８の電圧降下を検出する差動増幅器４０、ホール素子１０の出力を増幅する増幅器５０、カレントバッファ６０、巻線７２及びコア（鉄芯）７４を有する被検出デバイス７０及びリミタ回路８０より構成される。ここで、ホール素子１０は、磁界を検出する為に、デバイス７０のコア７４の空隙に埋込まれ、コア７４と磁気的に結合されているものとする。
【００１１】
このホール素子１０は、例えばインジウム アンチモン製であり、上述の如く、デバイス７０のコア７４と磁気的に結合され、その磁界を検出し、磁束密度に比例する電圧を出力するよう構成されている。尚、図１中、ホール素子１０とデバイス１２とは、図示の便宜上、相互に離れた位置に示す。
【００１２】
ホール素子１０の出力電圧は、増幅器５０の演算増幅器５１、５２を介して増幅され、多数の並列接続されたバッファ増幅６１〜６４及び出力抵抗６５〜６８を有するカレントバッファ（又はパワーステージ）６０に入力される。また、このカレントバッファ６０の出力は、デバイス７０の巻線７２に供給される。この巻線７２は、コア７４の周囲に巻回され、コア７４内の磁界を補正する。このカレントバッファ６０は、巻線７２に必要な補正電流を供給する為であり、更に大きい出力電流を必要とする場合には、カレントバッファ６０に、別のカレントバッファ６０´を付加することが可能である。この付加カレントバッファ６０´も、図示の特定例では４個のバッファ増幅器６１´〜６４´と出力抵抗６５´〜６８´を含んでいる。
【００１３】
ホール素子１０には、レギュレーション増幅器２０の出力電圧が直列抵抗１８を介して供給される。レギュレーション増幅器２０は、非反転入力端子と反転入力端子とを備える演算増幅器２１を有する。非反転入力端子には、バイアス調整回路３０からの可変バイアス電圧が入力されると共にキャパシタ２２を介して接地される。他方、反転入力端子は、直列抵抗１８とホール素子１０との共通接続点に接続される。斯る構成により、直列抵抗１８を流れる負荷電流が例えばホール素子１０の温度特性等により変動しても、直列抵抗１８とホール素子１０との接続点、即ちホール素子１０への印加電圧が演算増幅器２１の非反転入力端子に入力されるバイアス電圧と等しくなるよう動作する。
【００１４】
バイアス調整回路３０は、上述したレギュレーション増幅器２０の演算増幅器２１の非反転入力端子への可変バイアス電圧を発生する回路であり、抵抗３１及ツェナーダイオード３２の直列回路と、ツェナーダイオード３２と並列接続されるポテンショメータ（可変抵抗器）３３より構成される。このポテンショメータ３３の摺動子に得られる可変電圧がレギュレーション増幅器２０にバイアス電圧として入力される。
【００１５】
次に、差動増幅器４０は、１対の演算増幅器４１、４２を含んでいる。演算増幅器４１の非反転入力端子には、ホール素子１０の入力電圧（バイアス調整回路３０の出力と等しい）が入力され、出力端子は反転入力端子に接続されると共にポテンショメータ４３を介して接地し、また１対の抵抗４４、４５を介して接地される。他方、演算増幅器４２の非反転入力端子は抵抗４４、４５を介して接地し、また１対の４４、４５を介して接地される。他方、演算増幅器４２の非反転入力端子は抵抗４４、４５の接続点に接続され、反転入力端子は抵抗４６を介してレギュレーション増幅器２０の演算増幅器２１の出力端子又は直列抵抗１８のホール素子１０から遠い端に接続される。演算増幅器４２の出力端子は抵抗４７を介してその反転入力端子に接続され、更にポテンショメータ４８を介して演算増幅器２１の出力端子に接続される。
【００１６】
従って、差動増幅４０の演算増幅器４１は、バッファ増幅器として作用し、演算増幅器４２は、直列抵抗１８の電圧降下に対応する信号を出力する差動増幅器として作用する。この場合の利得（ゲイン）は、実質的に抵抗４６と４７の比で決定されること周知のとおりである。
【００１７】
次に、増幅器５０は、１対の演算増幅器５１、５２を含み、ホール素子１０が誘起する電圧を増幅する差動増幅回路として作用する。即ち、ホール素子１０の一方の電極の信号電圧は、バッファ増幅器として作用する演算増幅器５１に入力され、その出力とホール素子１０の他方の電極の信号電圧を、夫々演算増幅器５２の非反転及び反転入力端子に入力して、差信号をカレントバッファ６０に入力する。尚、この演算増幅器５１の反転入力端子には、ポテンショメータ４３、４８を介して差動増幅器４０からの信号を入力し、その出力電圧を差動増幅器４０の出力、即ち直列抵抗１８の電圧降下に応じてオフセットしている。
【００１８】
ここで、バイアス調整回路３０は、ホール素子１０の特性の変動（ばらつき）を補正する為の補正回路として作用する。また、実質的にこのバイアス電圧に対応する電圧が、差動増幅器４０の演算増幅器４１からポテンショメータ４３及び入力抵抗５３を介して、増幅器５０の演算増幅器５１に入力される。この演算増幅器５１の出力端子と反転入力端子間には帰還抵抗５４が接続される。また、ポテンショメータ４８の出力電圧は、入力抵抗５５を介して演算増幅器５１の反転入力端子に入力される。
【００１９】
ホール素子１０の出力は、出力回路を構成する増幅器５０及びカレントバッファ６０を介して、デバイス７０の巻線７２に供給される。この巻線７２には、４個のダイオード８１〜８４を含むリミッタ回路８０が並列接続され、過大な電圧が巻線７２に生じ、これを破損する虞れを防止する。
【００２０】
上述の如く、ホール素子１０には、レギュレーション増幅器２０により、例えば２Ｖの一定電圧が印加される。しかし、ホール素子１０を製造する材料（インジウム アンチモン）の特性上、ホール素子１０に一定動作電圧を印加し、動作電流が流れると温度が上昇し、その抵抗も変化する。しかし、この動作温度に起因する抵抗の変化は、直列抵抗１８により効果的にモニタされる。即ち、ホール素子１０の動作電流は、直列抵抗１８を介して供給されるので、例えばホール素子１０の電流が増加すると、直列抵抗１８の電圧降下が増加する。そこで、差動増幅器４０の演算増幅器４２及びポテンショメータ４８を介して増幅器５０の演算増幅器５１への入力が低下する。
【００２１】
ポテンショメータ４８からの入力信号は、増幅器５１で反転され、増幅器５２への入力電圧を上昇させ、カレント バッファ６０の入力を減少する。そこで、デバイス７０の巻線７２に供給される電流を減少させ、ホール素子１０の出力を低下させる。これにより、ホール素子１０の入力抵抗の低下により生じるエラーを排除し、ホール素子１０が熱暴走する危険を効果的に防止することが可能である。
【００２２】
以上、本発明のホール素子を使用する変流器（ＣＴ）の好適実施形態例の構成及び動作を説明した。しかし、本発明は斯る特定例のみに限定されるべきではなく、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が可能であることが当業者には容易に理解できよう。
【００２３】
【発明の効果】
上述の説明から理解される如く、本発明の変流器によると、ホール素子には調整可能な一定電圧を供給し且つ動作温度の変動による動作電流の変化を直列抵抗に生じる電圧降下によりモニタして補正するので、ホール素子の温度特性によるエラーが効果的に除去でき、しかもその熱暴走の危険を排除することが可能である。また、その為の回路構成は比較的簡単であり、安価且つ高信頼性である。更に、ホール素子を使用するので、直流から比較的高周波にわたる広帯域の変流器がえられるという実用上の顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変流器の好適実施形態例の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ ホール素子
１８ 直列抵抗
２０ レギュレーション増幅器
３０ バイアス調整回路
４０ 差動増幅器
５０ 増幅器
６０ カレント バッファ
７０ デバイス
７２ 巻線
７４ コア

Claims (13)

1. 閉ループホール効果の変流器であって、
   空隙を有する磁気コアであって、導体を包囲して該導体に電流が流れると該空隙に磁束を生じさせる磁気コアと、
   該磁気コアの該空隙に配置されたホール効果素子と、
   該ホール効果素子に接続された演算増幅器であって、該空隙内の磁束によって誘導される該ホール効果素子からの電圧信号を受け取る演算増幅器と、
   該演算増幅器に接続され、かつ、該磁気コアに巻回された導電性巻線であって、該電圧信号に応答して該演算増幅器によって生成された電流を受け取る導電性巻線と、
   固定された電圧を該ホール効果素子に印加するレギュレーション増幅器と、
   該レギュレーション増幅器と該ホール効果素子との間の抵抗と
   を備え、
   該電流は、該電圧信号を０に駆動するように作用し、該ホール効果素子は、動作温度係数を有しており、該ホール効果素子が動作中の該抵抗の両端電圧は、該ホール効果素子の動作温度を示す手段として作用し、該抵抗は、該電流が該ホール効果素子を破壊する前に該レギュレーション増幅器を飽和させるように選択された抵抗値を有している、変流器。
2. 該ホール効果素子は、該動作温度が変化するにつれて変化する入力抵抗を有しており、該変流器は、該動作温度に関連する電圧信号を該演算増幅器に入力して該入力抵抗の変化を補償する手段をさらに備えている、請求項１に記載の変流器。
3. 該ホール効果素子は、インジューム アンチモンにより形成されており、該入力抵抗は、該ホール効果素子の動作温度が上昇するにつれて減少する、請求項２に記載の変流器。
4. 該電圧信号を入力する手段は、該抵抗の両端電圧を入力として受け取る、請求項２または３に記載の変流器。
5. 該電圧信号を入力する手段は、該演算増幅器に入力された該電圧信号を提供する差動増幅回路である、請求項２から４のいずれかに記載の変流器。
6. 該差動増幅回路と組み合わせられて、固定された温度非依存の電圧信号を提供することにより、該演算増幅器に入力された該電圧信号とミックスされた該ホール効果素子の静的なオフセットを調整する手段をさらに備えている、請求項５に記載の変流器。
7. 閉ループの変流器であって、
   空隙と、導体を受け取る開口とを形成するコアであって、該導体に電流が流れると該導体が該空隙に束を生成する、コアと、
   該コアの周りに延びる巻線と、
   該空隙に配置されたホール効果素子であって、該束に比例する第１の信号を出力するホール効果素子と、
   該第１の信号を受け取り、該第１の信号を減少させるように該巻線に第２の信号を出力する第１の増幅器と、
   固定された電圧を該ホール効果素子に出力する第２の増幅器と、
   該第２の増幅器と該ホール効果素子との間に接続された抵抗と
   を備え、
   該抵抗の両端電圧は、該ホール効果素子の温度を示し、該抵抗は、該電流が該ホール効果素子を破壊する前に該第２の増幅器を飽和させるように選択された抵抗値を有している、変流器。
8. 該ホール効果素子は、温度とともに変化する入力抵抗を有している、請求項７に記載の変流器。
9. 該入力抵抗は、温度が上昇するにつれて減少する、請求項８に記載の変流器。
10. 該第２の増幅器は、該ホール効果素子の入力抵抗の変化に応じて変化する電流を出力し、これにより、該ホール効果素子に対して固定された電圧を維持する、請求項８または９に記載の変流器。
11. 該抵抗と該第１の増幅器との間に接続された差動増幅回路をさらに備えており、該差動増幅回路は、該抵抗の両端電圧に基づいて第３の信号を生成し、該第３の信号を該第１の増幅器に提供することにより、該ホール効果素子の温度によって生じる該第１の信号におけるエラーを補償する、請求項７から１０のいずれかに記載の変流器。
12. 該ホール効果素子は、温度により変化する入力抵抗を有しており、該入力抵抗の変化は、該第１の信号にエラーを生じさせる、請求項１１に記載の変流器。
13. 該第３の信号は、調整可能である、請求項１１に記載の変流器。

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