JP4748676B2 - 電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は被測定系の電流を検出する電流検出装置に関する。

従来より、外部の電流を検出し電気信号に変換する電流検出装置が電力量計、電力計、電流計等の測定器に使用されてきている。当該電流検出装置は電流を磁界に変換する電流−磁界変換部と、磁界を電気信号に変換する磁気センサ部とを具備している。また、磁気センサに半導体素子であるホール素子を用いたものがある。（例えば特許文献１）
特開２０００−２４９７２６号公報（第８頁、図１）

電流を磁界に変換する電流−磁界変換部と、磁界を電気信号に変換する磁気センサ部とを具備した電流検出装置が普及していることは前述のとおりである。従来の電流検出装置において、当該磁気センサ部に半導体センサであるホール素子等が使用されている。当該ホール素子は半導体素子であるため磁界を電圧に変換する感度の温度変化が大きいという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑み、磁界を電圧に変換する磁気センサが持つ感度の温度勾配を補償し、高精度の電流検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る電流検出装置は、外部電流に正比例した磁界を発生する電流・磁界変換手段と、前記電流・磁界変換手段により発生された磁界を検出する磁気センサとしてのホール素子と、正転入力端子を接地電位とし、反転入力端子が前記ホール素子の第一の電圧出力端子に接続され、出力が前記ホール素子の第一の電流端子に接続された演算増幅器と、一定の直流電圧を発生し、かつ、温度によりその抵抗値が変わる温度勾配を有する温度抵抗器からなる温度補償手段を備えた電圧発生手段と、前記ホール素子の第二の電流入力端子と前記電圧発生手段との間に接続され、前記ホール素子の持つ温度勾配を軽減する抵抗値を有する抵抗器と、を具備したことを特徴とする。
また、請求項２に係る電流検出装置は、請求項１記載の電流検出装置において、前記ホール素子の第一の出力端子に接続された第一の増幅手段と、前記ホール素子の第二の出力端子に接続された第二の増幅手段と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、磁界を電圧に変換する磁気センサが持つ感度の温度勾配を補償し、高精度の電流検出装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明による電流検出装置の実施例１につき図１を参照して説明する。

図１（ａ）は電流・磁界変換手段の概観図であって、１１０は電流線で、銅等の導電性のある金属により構成されており、端子Ａ１、Ａ２を介し被測定系の電流を導通する。

１２０はコアで、フェライト等の磁性材料にて構成されており、電流線１１０に流れる電流に正比例した磁界Ｂ１を発生する。

図１（ｂ）は電流検出装置であって、１３０はホール素子で、シリコン等の半導体により構成されており、コア１２０のエアギャップ部分に挟持され、コア１２０が発生した、被測定電流に正比例した磁界Ｂ１を検出する。なお、ホール素子１３０は電流端子Ｔ１、Ｔ２ならびに電圧出力端子Ｔ３，Ｔ４を有している。

１４０は定電圧回路で演算増幅器１４１、基準電圧源１４２、温度抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ２、Ｒ３により構成されており、一定の直流電圧Ｅ１を出力する。なお演算増幅器１４１は温度抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ２、Ｒ３とともに正相増幅器を構成している。

Ｒ４は抵抗器で、一端を定電圧回路１４０に、他端をホール素子１３０の一の電流端子Ｔ１に接続され、ホール素子１３０に流れる電流を制限する。

１６０は演算増幅器で、正転入力端子（＋端子）は接地電位に、反転入力端子（−端子）はホール素子１３０の一の電圧出力端子Ｔ４に、出力はホール素子１３０の一の電流端子Ｔ２に接続され、ホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ４が、略接地電位となるように制御する。

１７０は増幅器で、演算増幅器１７１、抵抗器Ｒ５、Ｒ６により構成されており、ホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ３に現れる電圧を増幅する。なお演算増幅器１７１は抵抗器Ｒ５、Ｒ６とともに正相増幅器を構成している。

１８０は増幅器で、演算増幅器１８１、抵抗器Ｒ７、Ｒ８により構成されており、ホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ４に現れる電圧を増幅する。なお演算増幅器１８１は抵抗器Ｒ７、Ｒ８とともに正相増幅器を構成している。

１９１、１９２は出力端子で、被測定系の電流に正比例した電圧を出力する。

次に、本実施例の動作を図１、図２、図３を参照しつつ説明する。

コア１２０は電流線１１０に流れる被測定系の電流を、正比例した磁界Ｂ１に変換し、ホール素子１３０に印加する。ホール素子１３０は出力端子Ｔ３、Ｔ４間に電圧Ｖｏｕｔを出力する。当該Ｖｏｕｔは次式で表わされる。

Ｖｏｕｔ＝Ｋ＊・Ｖｉｎ・Ｂ１ ・・・・・・（１）
ここでＫ＊は温度２０℃でのホール素子の感度、Ｖｉｎはホール素子１３０の電流端子Ｔ１、Ｔ２間に印加される電圧、Ｂ１はコア１２０により変換された被測定系の電流に正比例した磁界である。

ところで、ホール素子１３０の内部は図２に示すような等価回路となっている。つまり抵抗器Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄがブリッジ状に組合された等価回路となっている。また、演算増幅器１６０と抵抗器Ｒ４を含む等価回路を図３に示す。

各抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄは印加される磁界Ｂ１により変動し、印加される磁界Ｂ１に正比例した電圧を電圧出力端子Ｔ３、Ｔ４に出力する。しかしその抵抗値の変化分は微量でありＲａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄの各抵抗値は温度２０℃で略Ｒｏである。ホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ４は演算増幅器１６０により接地電位になるよう制御されており、ホール素子１３０のＴ１、Ｔ２間に流れる電流Ｉｉｎは以下のようになる。

Ｉｉｎ＝Ｅ１／（Ｒ４＋Ｒｏ／２） ・・・・・・・・・（２）
よって、ホール素子１３０の電流端子Ｔ１、Ｔ２間に印加される電圧Ｖｉｎはホール素子１３０の電流端子Ｔ１、Ｔ２間の抵抗値がＲｏであることより以下のようになる。

Ｖｉｎ＝Ｉｉｎ・Ｒｏ＝Ｅ１・Ｒｏ／（Ｒ４＋Ｒｏ／２） ・・・（３）
よって、ホール素子１３０が出力端子Ｔ３、Ｔ４間に出力する電圧Ｖｏｕｔは以下のようになる。

Ｖｏｕｔ＝Ｋ＊・Ｖｉｎ・Ｂ１
＝Ｋ＊・Ｂ１・Ｅ１・Ｒｏ／（Ｒ４＋Ｒｏ／２） ・・・・（４）
また、ホール素子１３０の感度は温度に対してｐなる勾配を有しており、その感度Ｋ＊ｔは以下の式で表わされる。

Ｋ＊ｔ＝Ｋ＊・（１＋ｐ（ｔ−２０）） ・・・・（５）
ここでＫ＊は温度２０℃時のホール素子１３０の感度、ｔは温度（摂氏）である。なお、実際のｐは−０．００５程度である。

またホール素子１３０の電流端子Ｔ１、Ｔ２間の抵抗値は温度に対してｑなる勾配を有しており、その抵抗値Ｒｔは以下の式で表わされる。

Ｒｔ＝Ｒｏ・（１＋ｑ（ｔ−２０）） ・・・・（６）
ここでＲｏは温度２０℃時のホール素子１３０の電流端子Ｔ１、Ｔ２間抵抗値、ｔは温度（摂氏）である。なお実際のｑは＋０．００８程度である。温度を考慮し上記（４）式に（５）式（６）式を代入すると
Ｖｏｕｔ＝Ｋ＊ｔ・Ｖｉｎ・Ｂ１
＝Ｋ＊ｔ・Ｂ１・Ｅ１・Ｒｔ／（Ｒ４＋Ｒｔ／２）
＝Ｋ＊・（１＋ｐ（ｔ−２０））・Ｂ１・Ｅ１・Ｒｏ・（１＋ｑ（ｔ−２０））
／（Ｒ４＋Ｒｏ・（１＋ｑ（ｔ−２０））／２ ・・・・（７）
となる。

分子は温度勾配ｐとｑが逆であるため相殺する方向であるが、ｐよりｑの絶対値のほうが大きく、依然として、分子の積は全体として温度に対して正方向の勾配を持つ。一方分母は温度勾配を持たないＲ４を含んでおり、その大きさを選択することにより、分母におけるＲｏの温度勾配の影響を制御することができる。よってＲ４の値を大小させることによりＶｏｕｔ全体の温度勾配を抑制することが可能である。

例えば、上記のごとくｐ＝−０．００５、ｑ＝＋０．００８の場合、Ｒ４を２．３５７Ｒｏなる値とすれば２０℃と６０℃での温度勾配を軽減することができる。なお前述のｐならびにｑの値は一例であり、素子ごとに異なるため、実験等によりｐ、ｑを求め適切なＲ４を選定することが必要とされる。

定電圧発生回路１４０は基準電圧源１４２の出力電圧を演算増幅器１４１、温度抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、Ｒ３からなる正相増幅器にて増幅し、抵抗器Ｒ４を介しホール素子１３０の電圧端子Ｔ１にＥ１なる電圧を印加している。基準電圧源１４２の出力電圧をＶｒｅｆとすると定電圧回路１４０の出力電圧Ｅ１は
Ｅ１＝Ｖｒｅｆ・（１＋（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ３） ・・・・（８）
で表わされる。ここでＲ１は温度によりその抵抗値が変わる温度勾配を有する温度抵抗器である。前述の抵抗Ｒ４の選定にておおまかな温度補償を行うことが可能であるが、さらに温度勾配の微調節を行う場合、当該Ｒ１の抵抗値の温度勾配を選択することにより、よりきめ細かな温度補償を行うことが可能である。

演算増幅器１６０の正転入力端子（＋端子）は接地電位に、反転入力端子（−端子）はホール素子１３０の一の電圧出力端子Ｔ４に、出力はホール素子１３０の一の電流端子Ｔ２に接続され、ホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ４は、略接地電位となるように制御される。ホール素子１３０の出力電圧は電圧出力端子Ｔ３、Ｔ４から出力されるが、これにより、Ｔ４の電位を接地電位近傍に保つことができる。

増幅器１７０はホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ３の出力電圧Ｖｔ３を増幅している。演算増幅器１７１は抵抗器Ｒ５、Ｒ６と正相増幅器を構成しておりその出力電圧Ｖｏｕｔ１は
Ｖｏｕｔ１＝Ｖｔ３・（１＋Ｒ５／Ｒ６） ・・・・・・・（９）
である。

増幅器１８０はホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ４の出力電圧Ｖｔ４を増幅している。演算増幅器１７１は抵抗器Ｒ７、Ｒ８と正相増幅器を構成しておりその出力電圧Ｖｏｕｔ２は
Ｖｏｕｔ２＝Ｖｔ４・（１＋Ｒ７／Ｒ８） ・・・・・・・（１０）
である。ここでＲ７の抵抗値はＲ５と、Ｒ８の抵抗値はＲ６と等しくすれば
Ｖｏｕｔ２＝Ｖｔ４・（１＋Ｒ５／Ｒ６） ・・・・・・・（１１）
となる。

演算増幅器１６０のオフセット電圧がゼロであるならホール素子１３０の出力電圧端子Ｔ４の電位は接地電位となりＶｏｕｔ２は接地電位となる。しかし、演算増幅器１６０は現実にはオフセット電圧を有する。また、演算増幅器１６０はホール素子１３０を駆動するにあたり、比較的大きな電流を出力するため、オフセット電圧をさらに増大させる。その結果、ホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ４は接地電位とはならない。このため増幅器１８０にてこのオフセット電圧を増幅している。

出力端子１９１、１９２間に現れる電圧をＶｏｕｔとすると、当該出力電圧Ｖｏｕｔは
Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２
＝Ｖｔ３・（１＋Ｒ５／Ｒ６）−Ｖｔ４・（１＋Ｒ５／Ｒ６）
＝（１＋Ｒ５／Ｒ６）・（Ｖｔ３−Ｖｔ４） ・・・・・・（１２）
となりホール素子電圧出力端子Ｔ３−Ｔ４間の電圧を増幅したものとなる。なお、演算増幅器１６０、増幅器１７０ならびに増幅器１８０は接地電位に対し±５Ｖ等の正負両電源にて動作している。

本実施例を用いれば、抵抗器Ｒ４の値を選定することによりホール素子の持つ感度の温度勾配を軽減することができるので高精度の電流検出装置を供給することができる。また、定電圧回路１４０中の温度抵抗Ｒ１を選定することにより、さらに緻密な温度補償を行うことができる。

さらに増幅器１８０によりホール素子１３０の電圧出力端子Ｔ４側に発生するオフセット電圧が増幅器１７０と同等の増幅率にて増幅されるため、オフセット電圧が除去された高精度の電流検出装置を供給することができる。

以上のように、本実施例を用いれば、温度による誤差発生を軽減することができ、高精度な電流検出装置を供給することが可能となる。

本発明による電流検出装置の実施例１の構成を示す構成図 ホール素子１３０の等価回路を示す図 ホール素子１３０ならびに周辺回路の等価回路を示す図

符号の説明

１１０ 電流線
Ａ１、Ａ２ 端子
１２０ コア
１３０ ホール素子
Ｔ１、Ｔ２ 電流端子
Ｔ３、Ｔ４ 電圧出力端子
１４０ 定電圧回路
１４１ 演算増幅器
１４２ 基準電圧源
Ｒ１ 温度抵抗器
Ｒ２、Ｒ３ 抵抗器
Ｒ４ 抵抗器
１６０ 演算増幅器
１７０ 増幅器
１７１ 演算増幅器
Ｒ５、Ｒ６ 抵抗器
１８０ 増幅器
１８１ 演算増幅器
Ｒ７、Ｒ８ 抵抗器
１９１ 出力端子
１９２ 出力端子
Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ 等価抵抗

Claims (2)

1. 外部電流に正比例した磁界を発生する電流・磁界変換手段と、
   前記電流・磁界変換手段により発生された磁界を検出する磁気センサとしてのホール素子と、
   正転入力端子を接地電位とし、反転入力端子が前記ホール素子の第一の電圧出力端子に接続され、出力が前記ホール素子の第一の電流端子に接続された演算増幅器と、
   一定の直流電圧を発生し、かつ、温度によりその抵抗値が変わる温度勾配を有する温度抵抗器からなる温度補償手段を備えた電圧発生手段と、
   前記ホール素子の第二の電流入力端子と前記電圧発生手段との間に接続され、前記ホール素子の持つ温度勾配を軽減する抵抗値を有する抵抗器と、
   を具備したことを特徴とする電流検出装置。
2. 前記ホール素子の第一の出力端子に接続された第一の増幅手段と、
   前記ホール素子の第二の出力端子に接続された第二の増幅手段と、
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の電流検出装置。

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