JP4769883B2 - 直流電流センサー - Google Patents

Description

この発明は、被測定電流線を流れる電流量を精度良く測定することができる直流電流センサーに関し、特に電流センサーの定格電流領域を超えた過大電流の許容範囲を拡張させることができる直流電流センサーに関する。

被測定電流線を流れる電流量を、前記電流線を切断せずに測定する手段として、貫通型の電流センサーが知られている。これは被測定電流線をリング状にして一部に磁気ギャップを形成した磁性体コアで囲み、前記電流線から発生した磁界を前記磁性体コアよる磁路で磁束として収束するように構成されている。そして、前記磁気ギャップ内に配置された磁電変換素子、例えばホール素子の出力に基づいて前記被測定電流線を流れる電流量を測定するものである。

前記した貫通型の電流センサーにおいては、前記ホール素子の温度特性、磁性体コアの磁気飽和や残留磁束等の影響を大きく受けるために、被測定電流線を流れる電流量の測定精度を上げることが難しい。

そこで、前記被測定電流線に流れる電流により前記磁性体コアに生ずる磁束を打ち消すように作用するフィードバックコイルを前記磁性体コアに備えたサーボ型直流電流センサーが提案されている。

図２は、その構成を示したものであり、リング状に形成された磁性体コア１内に、被測定電流線２が貫通するようにして通される。前記磁性体コア１には磁気ギャップ３が形成されており、この磁気ギャップ３内に磁電変換素子としてのホール素子４が配置されている。なお前記ホール素子４には、直流電源＋Ｖより抵抗Ｒ１およびツェナーダイオードＺＤ３により定電圧化した動作電源が与えられる。

前記ホール素子４により得られるホール出力電圧は、オペレーショナルアンプによる誤差増幅器ＯＰ１により電圧増幅される。なお、図に示す例においては、前記誤差増幅器ＯＰ１の非反転入力端はアース接続され、その反転入力端に前記ホール出力が供給される。

誤差増幅器ＯＰ１からの電圧増幅出力はトランジスタＱ１，Ｑ２による電流供給手段として機能する電流増幅器５によって電流増幅される。前記トランジスタＱ１，Ｑ２はｎｐｎ型とｐｎｐ型の各トランジスタをエミッタフォロアー型のプッシュプル接続により構成され、この例においては、±１２Ｖの動作電源で直流増幅動作が成されるように構成されている。

一方、前記磁性体コア１には、フィードバックコイル６が巻回されており、トランジスタＱ１，Ｑ２による電流増幅器５の出力は、前記コイル６の一端に供給され、その他端はサンプル抵抗ＲＬを介して接地されている。前記フィードバックコイル６には、前記被測定電流線２に流れる電流Ｉｏによって前記磁性体コア１内に生成される磁束を打ち消す方向に電流増幅器５より出力電流ｉが流される。

そして、前記フィードバックコイル６に流される前記電流増幅器５からの電流ｉに比例した電圧値（以下、出力電圧ともいう。）Ｅｏを、前記サンプル抵抗ＲＬの端子電圧として取り出すことで、被測定電流線２に流れる電流値Ｉｏを検出することができる。

前記したサーボ型直流電流センサーによると、被測定電流線２に流れる電流Ｉｏによって前記磁性体コア１内に生成される磁束を、前記フィードバックコイル６によって打ち消すように作用するので、磁性体コア１内の磁束は負帰還作用により限り無くゼロに近くなるように制御され、前記コア１の磁路内は磁気的に平衡状態に成される。

これにより、冒頭において例示した電流センサーにおいて生ずるホール素子の温度特性、磁性体コアの磁気飽和や残留磁束等の影響を受ける度合いを極端に少なくすることができ、被測定電流線２に流れる電流Ｉｏの測定精度を向上させることができる。なお、前記したサーボ型直流電流センサーについては、次に示す先行技術文献に開示されている。

特開平４−３５３７７２号公報 特開平４−１９８７６２号公報

ところで、前記したサーボ型直流電流センサーによると、被測定電流線２に流れる電流Ｉｏが増大した場合には、負帰還動作により前記したトランジスタＱ１，Ｑ２からなる電流増幅器５の出力も同様に増大する。しかしながら、電流増幅器５が動作する電源電圧（図２に示す例では±１２Ｖ）によって、前記したサーボ型直流電流センサーの正常な負帰還動作領域も制限を受けることになる。

図４は、その動作例を説明するものであり、横軸は被測定電流Ｉｏの電流値を示し、縦軸は出力電圧Ｅｏの値を示している。そして、直流電流センサーの定格電流領域（図４に符号ａ１で示す。）において被測定電流Ｉｏを測定することになるが、この種のサーボ型直流電流センサーにおいては、一般的に定格電流を２倍以上超える電流領域（図４に符号ｂ１で示す。）まで、動作が保障されるように設定されている。

すなわち、定格電流が５０Ａである例によると、図４に示されたように５０Ａの電流Ｉｏを測定した場合の出力電圧Ｅｏは、例えば５Ｖ程度となるように設定される。したがって、前記した電流増幅器５が駆動される電源電圧が±１２Ｖであるとすれば、Ｉｏ＝１００Ａ以上の領域まで、前記した負帰還によるサーボ動作が保障されることになる。

前記したサーボ動作が保障される範囲内、すなわち許容できる定格以上の電流領域内（図４に符号ｂ１で示す。）においては、前記したとおり被測定電流電流Ｉｏにより磁性体コア１に生成される磁束を、フィードバックコイル５によって打ち消すように作用し、磁性体コア１を帯磁させるという問題は生じない。しかしながら、前記した符号ｂ１で示す範囲を超える電流Ｉｏが流れた場合には、電流増幅器５の出力は電源電圧（±１２Ｖ）の不足によりリミットされ、前記した負帰還によるサーボ動作は不能になる。

これにより、磁性体コア１は帯磁状態になり、その後においては磁性体コア１の残留磁束を消磁させる作業を行わない限り、電流センサーの測定精度を保障することができないことになる。

この発明は、前記した技術的な背景に基づいてなされたものであり、許容できる定格以上の電流領域（図４に示す符号ｂ１の領域）を大幅に拡張することができる直流電流センサー、すなわち、負帰還によるサーボ動作の保障範囲を拡張することができるサーボ型直流電流センサーを提供することを課題とするものである。

前記した課題を解決するためになされたこの発明にかかる直流電流センサーは、一部に磁気ギャップが設けられると共に、被測定電流線を包囲して当該電流線に流れる電流量に応じて発生する磁界を収束する磁性体コアと、前記磁性体コアの前記磁気ギャップ内に配置された磁電変換素子と、前記磁電変換素子の出力に基づいて、前記磁性体コアに捲装されたフィードバックコイルに流す電流量を、前記被測定電流線により生成される磁性体コア内の磁束を打ち消すように制御する電流供給手段とを備えた直流電流センサーであって、前記フィードバックコイルに直列に接続されたサンプル抵抗に対して並列に定電圧ダイオードが接続され、前記サンプル抵抗の両端間電圧を、出力電圧として利用するようにしたことを特徴とする。

この場合、少なくとも２つの定電圧ダイオードにおけるそれぞれのアノードおよびカソード端子が互いに逆方向となるように直列接続され、前記定電圧ダイオードの直列接続体が、前記サンプル抵抗に対して並列に接続された構成とすることが望ましい。

前記した構成の直流電流センサーによると、サンプル抵抗に対して並列に定電圧ダイオードが接続され、直流電流センサーの定格電流領域を超えたときの出力電圧により、定電圧ダイオードとしての例えばツェナーダイオードが降伏動作する。

したがって、直流電流センサーの定格電流領域を超える場合においては、電流供給手段（電流増幅器）からのサーボ出力電圧Ｅａの上昇分は、フィードバックコイルの内部抵抗に発生する電圧の増加分に抑制される。このために、前記電流増幅器は動作電源電圧の不足によるリミット作用を受けることなく、前記した負帰還によるサーボ動作の保障範囲を拡張させることができる。

したがって、被測定電流線に過大電流が流れた場合において、磁性体コアの残留磁束を消磁させる作業を行わざるを得ない発生頻度は大幅に低減される。これにより、許容できる定格以上の電流領域を大幅に拡張することができる直流電流センサーを提供することが可能となる。

この発明にかかる直流電流センサーの構成を示した模式図である。 従来の直流電流センサーの構成を示した模式図である。 図１に示すこの発明にかかる直流電流センサーの被測定電流に対する出力電圧等の関係を示した特性図である。 図２に示す従来の直流電流センサーの被測定電流と出力電圧との関係を示した特性図である。

以下、この発明にかかる直流電流センサーについて図１に基づいて説明する。なお、図１に示す直流電流センサーについては、すでに説明した図２に示した電流センサーの各部と同一の機能を果たす部分を同一の符号で示しており、したがって、その詳細な説明は適宜省略する。また、以下においては図２に示した従来の電流センサーの作用の説明をそのまま引用して説明する。

図１に示すように、この発明にかかる直流電流センサーは、図２に示したサーボ型電流センサーとその基本構成は同一であり、この発明にかかる直流電流センサーにおいては、フィードバックコイル６に直列に接続されたサンプル抵抗ＲＬに対して並列に、定電圧ダイオード、例えばツェナーダイオードが接続されている点で図２に示した構成と相異がある。

すなわち、図１に示す実施の形態においては、同一のツェナー電圧特性を有する２つのツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２が、それぞれのアノードおよびカソード端子が互いに逆方向となるように直列接続され、前記ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の直列接続体を、前記サンプル抵抗ＲＬに対して並列に接続した構成にされている。これは、電流の方向がいずれであっても、定電圧特性が発揮できるように作用させるためである。

そして、この実施の形態においては、前記ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２は、直流電流センサーの定格電流領域を超える場合の出力電圧Ｅｏと同等の降伏電圧特性を有するもの、すなわちＥｏ＝５Ｖを若干超える降伏電圧特性のものが用いられている。

なお、この実施の形態においてはフィードバックコイル６の内部抵抗をＲｃとした場合、これに直列接続されるサンプル抵抗ＲＬの値よりも、前記Ｒｃの抵抗値が比較的低い場合において有効に作用する。

図３は、図１に示すこの発明にかかる直流電流センサーの被測定電流Ｉｏに対する出力電圧Ｅｏ等の関係を示したものであり、その縦軸と横軸の関係はすでに説明した図４に示すものと同様である。

すなわち、被測定電流Ｉｏが定格電流領域内（図３に符号ａ１で示す５０Ａ以内の場合。）においては、図３に示す従来の電流センサーの動作と同様に、出力電圧Ｅｏは被測定電流Ｉｏの上昇に伴って、ほぼ比例関係で上昇する。したがって、定格電流領域内において、前記出力電圧Ｅｏから被測定電流Ｉｏを測定することができる。

そして、被測定電流Ｉｏが定格電流領域ａ１を超える領域ｂ２においては、前記したツェナーダイオードが作用して、出力電圧Ｅｏはリミッター作用を受け、その値は一定に保たれることになる。

一方、前記定格電流領域ａ１を超える領域ｂ２においては、前記したフィードバックコイル６の内部抵抗Ｒｃに発生する電圧分が上昇し、電流増幅器５の出力端電圧Ｅａは、概ね図３にＥａとして示すように上昇することになる。しかしながら、この上昇特性はフィードバックコイル６の内部抵抗Ｒｃによるものであるために、その勾配は比較的小さくなされる。

これは、被測定電流Ｉｏが定格電流領域を超えても、電流増幅器５の出力電圧Ｅａの上昇分が押さえられることになり、電流増幅器５の出力電圧Ｅａの値が、動作電源である±１２Ｖに近づくまで電流センサーのサーボ動作が保障されることになる。

換言すれば、前記作用は電流センサーの負帰還によるサーボ動作の保障範囲を拡張することができることになり、たとえ過大な被測定電流Ｉｏが流れた場合においても、前記サーボ動作が働いて、磁性体コア１内の磁束は限り無くゼロに近くなるように制御されることになる。

したがって、この発明にかかる電流センサーによると、負帰還によるサーボ動作の保障範囲を拡張することができ、前記した発明の効果の欄に記載したとおり、過大な被測定電流Ｉｏが流れた場合において、磁性体コアの残留磁束を消磁させる作業を行わざるを得ない発生頻度を大幅に減らすことができる。

１ 磁性体コア
２ 被測定電流線
３ 磁気ギャップ
４ 磁電変換素子（ホール素子）
５ 電流供給手段（電流増幅器）
６ フィードバックコイル
Ｅｏ 出力電圧
Ｉｏ 被測定電流
ＯＰ１ 誤差増幅器
Ｑ１，Ｑ２ トランジスタ
ＲＬ サンプル抵抗ＲＬ
ＺＤ１〜ＺＤ３ 定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）

Claims (2)

1. 一部に磁気ギャップが設けられると共に、被測定電流線を包囲して当該電流線に流れる電流量に応じて発生する磁界を収束する磁性体コアと、前記磁性体コアの前記磁気ギャップ内に配置された磁電変換素子と、前記磁電変換素子の出力に基づいて、前記磁性体コアに捲装されたフィードバックコイルに流す電流量を、前記被測定電流線により生成される磁性体コア内の磁束を打ち消すように制御する電流供給手段とを備えた直流電流センサーであって、
   前記フィードバックコイルに直列に接続されたサンプル抵抗に対して並列に定電圧ダイオードが接続され、前記サンプル抵抗の両端間電圧を出力電圧として利用することを特徴とする直流電流センサー。
2. 少なくとも２つの定電圧ダイオードにおけるそれぞれのアノードおよびカソード端子が互いに逆方向となるように直列接続され、前記定電圧ダイオードの直列接続体が、前記サンプル抵抗に対して並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載された直流電流センサー。

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