JPH04106677A - アナログ乗算・平均回路及び該回路を使用した電力計回路 - Google Patents

アナログ乗算・平均回路及び該回路を使用した電力計回路

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JPH04106677A
JPH04106677A JP2224671A JP22467190A JPH04106677A JP H04106677 A JPH04106677 A JP H04106677A JP 2224671 A JP2224671 A JP 2224671A JP 22467190 A JP22467190 A JP 22467190A JP H04106677 A JPH04106677 A JP H04106677A
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松本 喜光
Toshiaki Kamitsukuri
神作 俊明
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    • G01R21/001Measuring real or reactive component; Measuring apparent energy

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明はアナログ乗算・平均回路及び該回路を使用した
電力計回路に関し、さらに詳しくは広帯域で、微小な平
均電力の検出にも好適するアナログ乗算・平均回路及び
該回路を使用した電力計回路に関するものである。
[従来の技術] 例えば、交流の平均電力の計測には2人力v (t) 
、  i  (t)の乗算が欠かせない。従来は、電流
力針形電力計があるが、固定コイルと可動コイルとから
成っており、メカニカルな乗算作用をする上にこの電力
計内部のりアクタンスのために誤差が生じ、それが負荷
の力率や周波数によって変化するので小形、広帯域のも
のは到底得られない。
また従来は、所謂アナログ乗算器ICなるものを使用し
てv (t)xi  (t)に対応する瞬時電圧e (
t)を出力するものがあるが、回路が複雑、高価となる
上に平均電力P=lVIIICOSθを知りたいときは
外部で別途に、P=−jτe (t) dt の演算を行わなくてならない。
[発明が解決しようとする課題] 上記のような従来の電力計測は以上のように行われ、広
帯域で、微小検出ができ、小形で簡便に平均電力が得ら
る回路はなかった。
この発明はかかる課題を解決するためになされたもので
、広帯域で、微小検出ができ、小型で簡便に2人力の乗
算・平均が得らるアナログ乗算・平均回路及び該回路を
使用した電力計回路の提供を目的としている。
U課題を解決するための手段] 本発明のアナログ乗算・平均回路は上記の目的を達成す
るために、差動増幅回路の一方のトランジスタ回路のベ
ースに第1の電圧信号かつそのコレクタに第2の電圧信
号を入力し、他方のトランジスタ回路のベースとコレク
タとを信号的に接地するよう構成したことをその概要と
する。
また本発明の電力計回路は上記の目的を達成するために
、差動増幅回路の一方のトランジスタ回路のベースに第
1の電圧信号かつそのコレクタに第2の電圧信号を入力
し、他方のトランジスタ回路のベースとコレクタとを信
号的に接地するよう構成したアナログ乗算・平均回路と
、差動増幅回路の一方のトランジスタ回路のベースを信
号的に接地しかつそのコレクタに前記第2の電圧信号を
人力し、他方のトランジスタ回路のベースとコレクタと
を信号的に接地するよう構成した打消電圧発生回路と、
前記アナログ乗算・平均回路及び打消電圧発生回路の各
他方のトランジスタ回路のコレクタ電圧の差分に比例し
た信号を取り出す出力取出回路とを備えることをその概
要とする。
[作 用] この発明におけるアナログ乗算・平均回路は、差動増幅
回路の一方のトランジスタ回路のベースに第1の電圧信
号かつそのコレクタに第2の電圧信号を入力することで
該コレクタに前記2人カ信号の乗算・平均に相当する電
力を供給し、また他方のトランジスタ回路のベースとコ
レクタとを信号的に接地するよう構成したことで前記一
方のトランジスタ回路と他方のトランジスタ回路との間
に接合温度差を生ぜしめ、この接合温度差に対応するD
Cコレクタ電圧を他方のトランジスタ回路のコレクタか
ら取り出すものである。
またこの発明における電力計回路において、アナログ乗
算・平均回路はその一方のトランジスタ回路のコレクタ
に(IVI I I 1cosθ+f (IVI))の
形の平均電力を供給して該一方のトランジスタ回路と他
方のトランジスタ回路との間に生じた接合温度差に対応
するDCコレクタ電圧を該他方のトランジスタ回路のコ
レクタから取り出すとともに、打消電圧発生回路はその
一方のトランジスタ回路のコレクタに(f(IVI)、
)の形の平均電力を供給して該一方のトランジスタ回路
と他方のトランジスタ回路との間に生した接合;温度差
に対応するDCコレクタ電圧を該他方のトランジスタ回
路のコレクタから取り出し、そして出力取出回路は前記
取り出した両DCコレクタ電圧の差分な増幅することで
両供給電力の差分(IVIITcosθ)に比例したD
C電圧信号を取り出すものである。
[実施例の説明] 以下、添付図面に従って本発明をバイポーラトランジス
タに応用した実施例を詳細に説明する。
第1図は本発明による実施例の電力計回路の回路図で、
図においてi  (t)は被測定電力の電流又はこれに
比例した電流、v(t)は同じく被測定電力の電圧又は
これに比例した電圧、lは入力電流i (t)を電圧源
(Rt 1 (t) )に変換する電流電圧変換回路(
CVC)、2は入力端子v (t)と同一の電圧源v 
(t)を出力するボルテージフォロア(VF)、3はト
ランジスタT1のベースblに電圧源(Rt i (t
))の信号かつそのコレクタclに電圧源v (t)の
信号を夫々入力し、かつトランジスタT2のベースb2
とコレクタc2とを信号的に接地するよう構成したコレ
クタ乗算回路(アナログ乗算・平均回路)、4はトラン
ジスタT4のベースb4を信号的に接地しかつそのコレ
クタc4に電圧源v (t)の信号を入力し、かつトラ
ンジスタT5のベースb5とコレクタc5とを信号的に
接地するよう構成した打消電圧発生回路、5はコレクタ
乗算回路3及び打消電圧発生回路4の各トランジスタT
 2 、 T sのDCコレクタ電圧VC2Vcsの差
分に比例したDC電圧信号■2を取り出す出力取出回路
である。
なお、このようなトランジスタ回路T1〜T6は例えば
シリコンの同−ICチップ上に構成されて電気的にも熱
的にも同一特性を有することが好ましい。
第2図はコレクタ乗算回路3の差動弁等価回路を示す図
、第12図及び第13図は第2図の導出を説明する図で
、以下に第2図の差動弁等価回路の導出を説明する。ま
ず、第1図のC6は結合コンデンサ、Cゎはバイパスコ
ンデンサで、これらは信号に対して短絡とみなせ、従っ
てT1のベースblには信号電圧(Rri(t))、コ
レクタc1には信号電圧V (t)が夫々印加され、ま
た下2のベースb2及びコレクタc2は信号的に接地電
位である。
次にこれをhパラメータで表すととも(二a ” 1 
、 h rb= Oとすると第12図の等価回路が得ら
れ、ここでReはT3のエミッタ回路が示す高抵抗であ
る。ところで、第12図の(−Rli(t))は電圧源
であるから、図の点線の部分にも同一の電圧源(R,i
 (t))があると考えて良く、従ってこの回路は図の
X印の部分で切り離せる。
そこで、第12図の一点鎖線で囲まれた部分を切り出し
てこれを書き直すと第13図の等価回路が得られるが、
ここで電圧源(Rt 1  (t) )と電圧源(C1
゜+/ h ob)の大きさを比較すると、まず第12
図においてり、b<R,より、1 @l=  Rt  
l  (j) / 2 h 、t、であるから、の関係
が成り立つ。ところで、このり。ゎり、bは実際上例え
ば10−4程度と極めて小さいオーダであるから、結局
、第13図の電圧源(−R2i(t))は電圧源(a 
l s r/ h ob)に比べて極めて小さいことに
なり、これを無視できる。
そこで、第13図の電圧源(Re 1(t))を無視し
てこれを書き直すと第2図のT1のコレクタC1の部分
の等価回路が得られる。
なお、i  (t)=Oのときは(Rli(t))=0
であるから当然に第2図のT、のコレクタc1の部分の
等価回路が成り立つ。
さらに、ベース端子bl、b2の各入力電圧■l、l、
vb2については、一般にこれらを同相分と差動弁との
和、 で表せるが、同相分は高抵抗R,のため増幅されないと
して良いから、差動弁のみを考えて、Rtx It) vb+  ”  −−一一一一一一一一R,x (t) Vb2  ” とすれば良い。
さらに、第12図の高抵抗Reについては、差動弁に関
しては短絡とみなせるから、以上によって第2図の差動
弁等価回路が得られる。
次に第2図の差動弁等価回路に基づきT1におけるコレ
クタ乗算作用を説明する。図において■ゎ1=−騒Rt
  1  (t)によりT1のエミッタelには信号電
流ia =  Rfi (t)/2h+bか流れ、また
α二1としたので、T1のコレクタC1からは同一の電
流i。が引き込まれる。
一方、T1のコレクタc1には信号電圧v (t)が印
加されており、従ってT1のコレクタc1に供給される
瞬時電力pc+(t)は、 R1 である。かくして(1)式の右辺第1項によりT1にお
けるコレクタ乗算作用が示された。
なお、右辺第2項については余分なので後述の打消電圧
発生回路4において同一の電力損失を発生せしめ、第2
項・の分を打ち消すことにする。
一方、T2のコレクタc2には信号電圧v (t)が印
加されていないのでT2のコレクタc2に供給される瞬
時電力pc2(t)=Oである。
ここで、各入力信号をv (t)=V、ncosωt、
i  (t)=Im cos (ωを十〇)で表すと、 t pc l ft) ” −VmImcosωtcos(
ωを十〇)2h、b + 11obVm”cO321jj         
   T2)となり、さらにこれを三角公式で整理する
と、が得られる。この(3)式の右辺第1行の項はDC
成分であるからT1のコレクタに平均電力を与えるか、
第2行の項は2ω成分であるので平均としてはT、のコ
レクタに電力を与えない。
第3図は打消電圧発生回路4の差動分等価回路を示す図
で、第1図よりT、、T5の各ベース入力は共に接地電
位であるから、第3図において差動人カニ〇であり、従
って信号電流l、に係る部分もOである。一方、T4の
コレクタC4には信号電圧v (t)か印加されている
からT4のコレクタc4に供給される瞬時電力pe4(
t)は、 pc4(t)=hobv(t12(41である。またT
5のコレクタc5には信号電圧V (t)が印加されて
いないのでT5のコレクタc5に供給される瞬時電力p
Cs(t)=0である。
さらに上記と同様にして、入力信号をv (t)=v、
ncosωtで表し、整理をすると、と表せ、(5)式
の右辺第1項はDC成分であるからT4のコレクタに平
均電力を与えるが、第2項は2ω成分であるから平均と
してはT4のコレクタに電力を与えない。
かくして、(3)式によりT1のコレクタclには信号
(平均)電力△P c +、 が供給され、また(5)式によりT4のコレクタC4に
は信号(平均)電力△Pc4、 が供給される。そして、この信号電力△PetによりT
、、T2の接合温度が変化し、T、、T2間の電力損失
の差による熱の流れが発生し、この接合温度の変化に対
応するDCコレクク電圧V C2がT2のコレクタc2
に現れる。また同様にして信号電力△Pc4によりT4
.T、iの接合温度が変化し、T、、T5間の電力損失
の差による熱の流れが発生し、この接合温度の変化に対
応するDCコレクタ電圧■。5がT5のコレクタc5に
現れる。そこで、V C2とVC5の差分を検出するこ
とで△P C1と△P C4の差分に対応する真の平均
電力を知ることができ、以下にこの過程を説明する。
第4図はT、、T2の熱等価回路を示す図で、図におい
て△P C1+ ΔPc2は信号電力、Δ丁、1゜△T
 j2は信号電力による接合温度の変化分、θ□は接合
間の熱抵抗、θJaは接合と周囲間の熱抵抗である。上
記により△Pc2:0であるから、信号電力の同相分は
ΔPc、/2、差動分は±ΔPc、/2で表せ、これに
より第4図の熱等価回路は第5図の同相分熱等価回路と
第6図の差動分熱等価回路とに分けて考えられる。
第5図の同相分熱等価回路を解くと接合温度の変化分△
T j &は、 ΔPct Δ丁、、a・    θ、&(8 であり、第6図の差動分熱等価回路を解くと接合温度の
変化分△TJd/2は、 である。
そこで、(9)式の△Po1に(6)式を代入して整理
をするとT、、T2間の接合温度差△T jdは、 で表せる。
第11図はT、、T2の接合の位置と接合温度の関係を
示すグラフ図で、図においてT、は周囲温度、■、。は
無信号時の接合温度で、TJo=Ta十〇j a P 
C PC9無信号時のコレクタ損失 で表される。これに信号電力による接合温度の変化か加
わるから、TI、T2の接合温度T j l +TJ2
は、 6丁。
Tjl” TjO+△TJ!+(11)△Tea TI2”  ’rJo+△Tj、  −(12)で表せ
る。
かくして、T、、T2の接合温度が変化するとT 1.
 T 2のベースーエミッタ電圧が変化し、これに対応
するT2のDCコレクタ電圧V (2を求める過程を以
下に説明する。
第7区は実施例の電力計回路の直流動作を示す図で、図
においてIE、1.、Tcは直流電流、vEはエミッタ
電圧、VBEはベース−エミッタ間の電圧である。
まず、第7図のコレクタ乗算回路3よりT2のコレクタ
損失V C2は、 VC2” VCC−R−IC2−Re△IC2f13)
で与えられ、この△I2は接合温度変化によるT2のコ
レクタ電流の変化分であり、以下のように求められる。
一般にトランジスタのベース−エミッタ電圧は接合温度
、エミッタ電流、ベースーコレクク電圧の関数であるか
ら、 VaE、=f1(TJl、IE+、Vcn+1VaEz
=f2fT、2+IE2+Vca2)の関係があり、そ
の変化分に着目すると、近似的に、 で表せる。ここではT、、T2の特性が同一であること
により、 a VBEl   a VBE2 とおくと、 (14)式から、 △VIlt+−ΔVaE□;K (△’r、 +−ΔT
;2)+h:b lIt+−1tz)の関係か得られ、
これはT、、T2の温度特性を記述している。
一方、第7図のコレクタ乗算回路3では、VBE、= 
−R訂B + −VE VBE2・−RbIB2−VE(17)の関係か成り立
ち、この(I7)式から、V、、、−V8E2= −R
b(IB、−IB21       −(18)の関係
が得られ、その変化分に着目すると、ΔVB!□−ΔV
Bpz=−Rb(Δ工、□−△■6□)      (
19)の関係が得られる。これを(16)式に代入する
と、 −R1,(Δ■8ビΔ■B2)・K(△T、ビΔT、2
1+h、l、fΔI、ビΔ■E2)の関係が得られ、こ
れはコレクタ乗算回路3の温度依存性を記述している。
さらに、T、、T2には夫々、 △■I]1=△Io1/hFE ΔIB2=△Ic2/hrt の関係かあり、またα=1としており、かつ■cB。=
0.hob:0とすれば、夫々△I C+”△■50.
△I C2”△I E2とみなせるから、これらを〔2
0)式に適用して(△ICl−△工。2)について解く
と、 が得られる。
さらに、△T 、I−△TJ□:△T Jlll、また
下3の十分な定電流動作により△ICI”−△I C2
であるから、T2のコレクタ電流の変化分△rczは、 て表せる。
さらに被測定電力すなわち平均電力を、ン とおき、(22)式の△T jdに(10)式を代入す
ると、 て表せる。
一方、第7図の打消電圧発生回路4よりT5のコレクタ
電位V。5は、 Vo5=V、C−R訂C5−RCΔIcs      
    (25)で与えられ、またT4に供給される信
号電力は(7)式となるから、上記と同様にして△I 
csは、 で表せる。
次に出力取出回路5は■。2とV csを差動増幅し、
その出力電圧■2は、 V、= (Vc5−〜C21−(27)で与えられる。
また下1〜T6の特性は同一に選んであるからIcz”
Ic5であり、よって、VP= Ro(ΔIC2−ΔI
c51−となる。そこで、この(28)式に(24)。
(26)式を代入すると、 と定義すると、出力DC電圧■2は、 VP=S    P              (3
0)と表せ、出力DC電圧■2は被測定電力Pに比例す
ることが明瞭になる。
第8図は入力AC電圧対出出力C電圧を示すグラフ図、
第9図は入力AC電流対出出力C電圧を示すグラフ図で
、図においてIVI、IIIは実効値である。両図より
、入力AC電圧IVIは5v以下、入力AC電流III
は15LLA以下で入出力特性はほぼ直線とみなせ、そ
の傾斜より感度Sを求めると表19表2のようになる。
と表せる。さらに感度Sを、 表1 表2 表11表2より感度Sの値はどの場合でもほぼ一致して
おり、感度Sの実測値はO139mV/μWである。
第10図はIVI、IIIの位相差対出力DC電圧を示
すグラフ図で、IVI、IIIの位相差についてもVp
=100cosθ [mV]の形で表すことができ、出
力DC電圧■2はCOSθに比例している。従って、こ
の電力計回路は位相差計測、力率計測にも利用できる。
なお、上述実施例ではコレクタ乗算回路3及び打消電圧
発生回路4が同一の条件で動作しているのでトランジス
タ特性の非直線領域においてもかなりの打ち消し効果か
見られた。
また上述実施例では信号1 (t)の検出に電流電圧変
換回路(CvC)1を採用しているので、その入力イン
ピーダンスは0(01Ω以下)とみなせ、極めて微小な
負荷電流でも正確に検出できる効果かある。
また上述実施例では信号v (t)の検出にボルテージ
フォロア(VF)2を採用しているので、その入力イン
ピーダンスは例えば109Ωと極めて大きく、負荷に影
響を与えることなく電圧を正確に検出できる効果かある
なお、上述実施例では入力信号として1 (t)v (
t)を採用したが、他のどのような種類の信号であって
も電圧源に変換すれば本発明を適用できる。
[発明の効果] 以上述べた如く本発明によれば、差動増幅回路の一方の
トランジスタ回路のベースに第1の電圧信号かつそのコ
レクタに第2の電圧信号を入力し、他方のトランジスタ
回路のベースとコレクタとを信号的に接地するよう構成
したので、前記一方のトランジスタ回路のコレクタでは
2人力の乗算作用が得られるとともに、前記他方のトラ
ンジスタ回路のコレクタからは乗算・平均に対応するD
C電圧が連続的に取り出せる効果があり、よって広帯域
で、微小検出ができ、小形で簡便なアナログ乗算・平均
回路を提供できる。
また本発明によれば、アナログ乗算・平均回路はその一
方のトランジスタ回路のコレクタに(IVI I I 
l cosθ+f(IVI))の形の平均電力を供給し
て該一方のトランジスタ回路と他方のトランジスタ回路
との間に生じた接合温度差に対応するDCコレクタ電圧
を該他方のトランジスタ回路のコレクタから取り出すと
ともに、打消電圧発生回路はその一方のトランジスタ回
路のコレクタに(f(IVI))の形の平均電力を供給
して該一方のトランジスタ回路と他方のトランジスタ回
路との間に生じた接合温度差に対応するDCコレクタ電
圧を該他方のトランジスタ回路のコレクタから取り出し
、そして出力取出回路は前記取り出した両DCコレクタ
電圧の差分を増幅することで両供給電力の差分(IV1
1cosθ(に比例したDC電圧信号を取り出すので、
広帯域で、微小検出ができ、小形で精密な電力計を安価
に提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による実施例の電力計回路の回路図、第
2図はコレクタ乗算回路3の差動分等価回路を示す図、
第3図は打消電圧発生回路4の差動分等価回路を示す図
、第4図はT1.T2の熱等価回路を示す図、第5図は
T1.T2の同相分熱等価回路を示す図、第6図はTI
 T2の差動分熱等価回路を示す図、第7図は電力計回
路の直流動作を示す図、第8図は入力AC電圧対出出力
C電圧を示すグラフ図、第9図は入力AC電流対出出力
C電圧を示すグラフ図、第10図はlVi  IIIの
位相差対出力DC電圧を示すグラフ図、第11図はT、
、T2の接合の位置と接合温度の関係を示すグラフ図、
第12図及び第13図は第2区の差動分等価回路の導出
を説明する区である。 図中、■・・・電流電圧変換回路(CVC)、2・・・
ボルテージフォロア(VF)、3・・・コレクタ乗算回
路(アナログ乗算・平均回路)、4・・・打消電圧発生
回路、5・・・出力取出回路である。 第4図 ■a 第5図 a 第6図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)差動増幅回路の一方のトランジスタ回路のベース
    に第1の電圧信号かつそのコレクタに第2の電圧信号を
    入力し、他方のトランジスタ回路のベースとコレクタと
    を信号的に接地するよう構成したことを特徴とするアナ
    ログ乗算・平均回路。
  2. (2)差動増幅回路の一方のトランジスタ回路のベース
    に第1の電圧信号かつそのコレクタに第2の電圧信号を
    入力し、他方のトランジスタ回路のベースとコレクタと
    を信号的に接地するよう構成したアナログ乗算・平均回
    路と、 差動増幅回路の一方のトランジスタ回路の ベースを信号的に接地しかつそのコレクタに前記第2の
    電圧信号を入力し、他方のトランジスタ回路のベースと
    コレクタとを信号的に接地するよう構成した打消電圧発
    生回路と、 前記アナログ乗算・平均回路及び打消電圧 発生回路の各他方のトランジスタ回路のコレクタ電圧の
    差分に比例した信号を取り出す出力取出回路と、 を備えることを特徴とする電力計回路。
JP2224671A 1990-08-27 1990-08-27 アナログ乗算・平均回路及び該回路を使用した電力計回路 Expired - Lifetime JPH0632061B2 (ja)

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