JP4325811B2 - 電流センサ - Google Patents
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Description
1次側 被測定電流=200(A)、巻き数N1=1(ターン)
2次側 出力電流=0.05(A)、巻き数N2=4,000(ターン)
となる。
V(drop)=50(Ω)×0.05(A)=2.5(V)
また、(N2の抵抗)+(検出抵抗)=50+40=90(Ω)となるから、
合計の電圧ドロップ=90(Ω)×0.05(A)=4.5(V)
となってしまい、上記表1の(b)の結果となる。しかし、上記表1(b)の出力電圧は、単電源電圧Vcc=5Vであるから、演算増幅器出力の能動範囲が0.5〜4.5Vとすれば、不可能であり、0A付近では出力があるが、−200A+200A付近では出力が飽和してしまい、正常な出力を示さなくなってしまうという欠点があった。
単電源で作動し、1次側被測定電流が貫通しかつ2次側出力巻線が設けられた磁心と、前記磁心のギャップ内に配置された磁気検出素子と、前記磁気検出素子の出力電圧が印加される負帰還用差動増幅器とを有し、前記1次側被測定電流が流れた時に、前記磁気検出素子の出力電圧がゼロとなるように、前記負帰還用差動増幅器の出力電流を前記2次側出力巻線に流して、前記磁心のギャップ内磁束をゼロに制御する電流センサであって、
前記負帰還用差動増幅器の出力端に接続された前記2次側出力巻線の一端、又は前記2次側出力巻線の他端を反転増幅器の反転入力端に接続し、
前記反転増幅器の非反転入力端に基準電圧を印加し、
前記反転増幅器の出力端をコモン・グランドとし、
前記2次側出力巻線の他端を電流経路を通して前記コモン・グランドに接続して、前記電流経路に前記出力電流を流すことを特徴としている。
1次側被測定電流が貫通する磁心に対して1個の2次側出力巻線を設ければ足り、2個の出力巻線が必要な特許文献1の場合と比較して、小型化できる。そして、単電源動作であっても、1個の2次側出力巻線だけで、両極性の被測定電流をセンサ出力電圧の基準電位となるコモン・グランド(COM.GND)を基準として、センサ出力電圧が正又は負となることにより、1次側被測定電流の向きを判別可能となる。
電源電圧が比較的低電圧(例えば+5V単電源)の場合に、2次側出力巻線の巻き数が多く使用導線の長さが長くなって直流抵抗が無視できない大きさとなっても、前記コモン・グランドが電源グランド(電源GND)に対して自動的に電源電圧が不足しないように変化するため、電源電圧の低電圧化が可能である。
コモン・グランドの制御は反転増幅器を用いて行うことができ、回路構成が簡素であり、コスト低減が可能である。
(4) 検出感度の向上
2次側出力巻線の直流抵抗成分と、前記2次側出力巻線とコモン・グランド間の電流経路となる電流−電圧変換用抵抗との直列回路の電圧降下を利用して前記反転増幅器を作動させる場合、検出感度の向上が可能である。
(5) 高精度基準電圧の不要化
センサ出力はコモン・グランドを基準として出力されるため、電源グランドを基準とした高精度で高価な基準電源を必要とせず、ローコスト化が可能である。
電源グランドを基準としたセンサ出力及びコモン・グランドの2出力をA/D変換し、(センサ出力−電源グランド)−(コモン・グランド−電源グランド)=センサ出力−コモン・グランドの演算を行う構成とした場合、センサ出力とコモン・グランドに重畳するコモンモードノイズを減算時にキャンセルでき、ノイズ低減が可能である。
特許文献1の従来例では2個の出力巻線が必要なため、図10(b)に示すように、巻線断面積が2S1であったのが、本実施の形態では出力巻線は1個で済み、図10(a)のように巻線断面積はS1となり、断面積を1/2に小型化できる。1個の2次側出力巻線だけで、両極性の1次側被測定電流をCOM.GNDを基準として、センサ出力電圧が正又は負となることにより、前記被測定電流の向きを判別可能となる。
電源電圧が比較的低電圧(本例では+5V単電源)の場合、2次側出力巻線が4,000ターンと巻き数が非常に多くなり、銅線の長さが長くなることにより、直流抵抗が例えば50Ωと大きくなるが、COM.GND電位が電源GNDに対して自動的に電源電圧が不足しないように変化するため、電源電圧の低電圧化が可能である。
COM.GNDの電位制御を、2次側出力巻線L2と検出抵抗RLの直列回路の電圧降下で動作する反転増幅器30で行う構成であり、部品点数が少なく回路構成が簡素である。また、これによりコスト低減が可能である。
2次側出力巻線L2の直流抵抗成分Rsと、検出抵抗RLとの直列回路の電圧降下を利用して反転増幅器30を作動させており、RsとRLの一方のみを利用する場合に比較して検出感度の向上が可能である。また、RsとRLの設定は任意であり、多様な条件の電流センサに適用できる。
センサ出力電圧はCOM.GNDを基準として出力されるため、電源GNDを基準とした高精度で高価な基準電源を必要とせず、ローコスト化が可能である。
Vout=VRL×(R15/R13)+Vref
となる(但し、R13=R14、R15=R16)。
(センサ出力端子電位−電源GND)−(COM.GND−電源GND)=センサ出力端子電位−COM.GND=センサ出力電圧
をデジタル値で算出している。この場合にも、図4のセンサ出力特性が得られる。
(センサ出力端子電位−電源GND)−(COM.GND−電源GND)=センサ出力端子電位−COM.GND
の演算をCPU50で行い、差動出力するため、センサ出力端子電位とCOM.GNDにそれぞれ重畳しているコモンモードノイズを減算時にキャンセルでき、ノイズ低減化が可能である。
2 磁心カバー
3 ホール素子
5 単電源
10 負帰還用差動増幅器
20A,40 差動増幅器
30 反転増幅器
50 CPU
51,52 A/D変換器
G エアギャップ
L1 電線
L2 2次側出力巻線
OP1,OP2,OP2A,OP3 演算増幅器
R1〜R6,R11〜R16 抵抗
RL 検出抵抗
Rs 直流抵抗成分
Claims (4)
- 単電源で作動し、1次側被測定電流が貫通しかつ2次側出力巻線が設けられた磁心と、前記磁心のギャップ内に配置された磁気検出素子と、前記磁気検出素子の出力電圧が印加される負帰還用差動増幅器とを有し、前記1次側被測定電流が流れた時に、前記磁気検出素子の出力電圧がゼロとなるように、前記負帰還用差動増幅器の出力電流を前記2次側出力巻線に流して、前記磁心のギャップ内磁束をゼロに制御する電流センサであって、
前記負帰還用差動増幅器の出力端に接続された前記2次側出力巻線の一端、又は前記2次側出力巻線の他端を反転増幅器の反転入力端に接続し、
前記反転増幅器の非反転入力端に基準電圧を印加し、
前記反転増幅器の出力端をコモン・グランドとし、
前記2次側出力巻線の他端を電流経路を通して前記コモン・グランドに接続して、前記電流経路に前記出力電流を流すことを特徴とする電流センサ。 - 前記2次側出力巻線の他端と前記コモン・グランド間に前記電流経路となる電流−電圧変換用抵抗を挿入し、前記電流−電圧変換用抵抗の両端に発生する電圧を検出出力用差動増幅器によって、前記単電源の電源グランド電位と供給電圧電位間でリニアに変化する特性の検出電圧に変換する請求項1記載の電流センサ。
- 前記2次側出力巻線の他端と前記コモン・グランド間に前記電流経路となる電流−電圧変換用抵抗を挿入し、前記単電源の電源グランド電位を基準とした、前記電流−電圧変換用抵抗の2次側出力巻線側接続端の電位のアナログ値、及び前記コモン・グランドの電位のアナログ値をそれぞれデジタル値に変換し、演算器により前記2次側出力巻線側接続端の電位のデジタル値と前記コモン・グランドの電位のデジタル値とを減算処理して検出電圧のデジタル値を算出することを特徴とする請求項1記載の電流センサ。
- 前記基準電圧は前記単電源の電源電圧を分圧回路で分圧した電圧である請求項1,2又は3記載の電流センサ。
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