JPH10319053A - 測定機器のための電圧絶縁回路 - Google Patents
測定機器のための電圧絶縁回路Info
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Abstract
た方法を有する電圧絶縁回路を提供する。 【解決手段】 LF経路は、光アイソレータを含み、低
周波数を通過させながら、入力信号の電圧絶縁を達成す
る。HF経路は、変圧器を含み、高周波数を通過させな
がら、入力信号の電圧絶縁を達成する。HF経路および
LF経路は、加算ノードにおいて組合わされ、絶縁され
た入力信号が得られる。平坦な周波数応答を得るために
は、LF経路とHF経路との間のクロスオーバ周波数は
厳密に一致している必要がある。LF経路の部分は、H
F経路の中に注入され、LF成分が遷移周波数の領域に
おいて相殺されるようにする。このように、HF経路に
おける変圧器の極周波数を補償して、組合わされたLF
およびHF経路に対して平坦な周波数応答を達成しても
よい。
Description
し、特に、並列の低周波数および高周波数信号経路を用
いて測定チャネルの電圧絶縁を提供するための回路に関
する。
および測定器具は、さまざまな応用において信号を測定
する。これらの応用の多くは、複数の測定チャネルを用
いて複数の信号を同時に測定することを必要とする。し
ばしば、これらの複数の信号は共通の接地を共有してお
らず、実質的に異なる基準レベルにあることがあり、そ
のため複数の信号に結合される測定チャネル間の電圧絶
縁を必要とし、また、測定チャネルの各々と測定機器の
残りの部分との間での電圧絶縁も必要とする。たとえ
ば、電源の出力電圧を測定すると同時に電力線入力を測
定することを必要とする測定の応用は、互いに電圧が絶
縁されている2つの測定チャネルによって行なわれなけ
ればならない。しかしながら、多くの測定機器では、複
数の測定チャネルが入力端子において共通の接地を共有
しており、そのため、先の電圧の例のような、一般的に
必要とされる測定を行なうことが難しくなっている。
な問題は、有効な測定値を得ることにある。信号の異な
る基準レベルのため、共通の接地を流れる差動電流から
複数の信号間に干渉が生じることがある。また、テスト
される回路ノード間を流れることがある差動電流のた
め、テストされる装置が損傷を受けることもあり得る。
高電圧では、共通の接地が危険な電圧レベルにまで「浮
動」することがあり、思いがけなく危険な電圧電位にあ
る共通の接地接続と接触するオペレータにとり安全性が
脅かされることになる。測定値を得るために機器の接地
を危険なレベルまで「浮動」させようとするよりは、機
器の接地を安全なレベルに保つことが重要である。
の共通の接地の問題に対する1つの解決策は、信号を差
動的に測定できる2つの測定チャネルを設け、電圧差を
接地に関して測定しないようにすることであった。この
ような差動モードの測定では、セットアップすること
も、許容できる精度の信号測定値を得ることも難しかっ
た。さらに、1つの電圧測定値を得るのに、2つの測定
チャネルを用いなければならない。すなわち、異なる基
準レベルを有する信号の測定値を2つ同時に得るため
に、合計4個の入力チャネルが必要となるため、この解
決策は比較的費用がかかり、その測定は部分的にしか成
功していない。
された測定チャネルには、いくつかの利点がある。ま
ず、正確な測定を確実にするには、測定チャネル間の信
号が、測定チャネル間の共通の接地接続を流れる差動電
流によって汚染されていないことが必要である。さら
に、入力チャネル間の共通の接地接続が絶縁されていな
いため、機器オペレータが危険な電圧源にさらされるこ
とがあり得る場合、オペレータの安全を考慮する必要が
ある。電圧絶縁では、入力信号を通過させる役割を果た
す電圧絶縁バリアを通して入力信号の各々を結合すると
同時に、各入力信号の基準電圧レベルの測定チャネルの
各々の間に絶縁を提供することが必要となる。
々の間で電圧を絶縁することで、機器の接地を介して思
いがけなく危険な電圧レベルに接続することを防ぐ。別
個の測定チャネル接地を備えた、電圧が絶縁された測定
チャネルでは、各信号の基準電圧レベルに関係なくユー
ザが各測定チャネルを各信号に簡単に結合できるため、
測定をセットアップする作業が簡略化される。
路(LF経路)および高周波数経路(HF経路)として
光学技術と変圧器技術とを組合わせ、所望の周波数の範
囲にわたって振幅応答の平坦さを改善することが公知で
ある。典型的には光アイソレータの形態をとる光学技術
は、より低い周波数において動作するが、その振幅応答
がより高い周波数においてロールオフするように帯域幅
が制限されている。逆に、変圧器は、より高い周波数に
おいて動作するが、その振幅応答はより低い周波数にお
いてロールオフする。並列のHFおよびLF経路として
2つの技術を組合わせることによって、より幅広い周波
数範囲にわたってより平坦な周波数応答が得られる。し
かしながら、実際には、測定機器におけるこのような電
圧絶縁回路は従来、広い周波数範囲にわたって平坦な周
波数応答を達成する能力が原因で悩まされてきた。これ
は、しばしば、許容できる平坦な周波数応答を得るため
に複雑な調節が必要となり、また振幅補償回路も必要と
なったからである。
圧絶縁を提供するための電圧絶縁回路10の簡略化され
たブロック図が示される。電圧絶縁は、LF経路および
HF経路を並列する。入力信号は、LF経路14および
HF経路12に与えられ、LF経路14およびHF経路
12は、入力信号の電圧絶縁を提供するように動作す
る。LF経路14およびHF経路12は、加算ノード1
6において再び組合わされ、絶縁された入力信号が得ら
れる。
よび組合わされたHFおよびLF経路の周波数応答の特
徴が示される。縦軸は、デシベル(dB)でH(f)と
して表わされる伝達関数である振幅応答であり、横の尺
度は、典型的には対数でスケーリングされる周波数であ
る。振幅応答とは、一般的に出力信号振幅の入力信号振
幅に対する比であると理解される。図2はボード線図で
あり、直線区分を用いて描かれ、区分の交差点は極また
はゼロの存在を示す。ボード線図は、当該技術において
振幅応答への極およびゼロの効果を分析するためのもの
として一般的に知られている。
と対応する周波数応答18および20を組合わせて、組
合わされたHFおよびLF経路に対する周波数応答22
を得ることができる。周波数応答20は、周波数Frに
おいて単一の極を含む。周波数応答18は、周波数Fr
において単一のゼロを含む。周波数応答22を可能な限
り平坦にするために、周波数応答18および20の平坦
な領域にわたっての利得は実質的に等しくなければなら
ず、周波数応答18および20の単一の極およびゼロは
両方とも、示されるように周波数Frになければなら
ず、すぐ近辺に他の極またはゼロがあってはならない。
周波数Frは一般的に、クロスオーバ周波数と呼ばれ
る。しばしば、許容できる平坦な周波数応答22を得る
ためには、数多くの調節が必要であり、複雑な周波数補
償回路を加える必要もある。
レイテッド(Tektronix, Inc. )のベイカー(Baker )
他への1996年5月14日発行の米国特許第5,51
7,154号において、HF経路において変圧器を用い
LF経路においてオプトカプラーを用いる電圧絶縁回路
が説明される。ベイカーらは、HF経路とLF経路と
を、HF経路内の変圧器の二次巻線内で組合わせ、平坦
な周波数応答を得ることを教示する。一次および二次巻
線からの変圧器内の磁束成分を用いて協働させることに
よって、クロスオーバ周波数の領域において平坦な周波
数応答が得られる。HF経路およびLF経路の利得は一
致させなければならず、LF経路でのオフセット電圧は
調節しなければならない。
節がより少なく部品数が減少した電圧絶縁回路を提供す
ることが望ましい。
いて、HF経路とLF経路とを組合わせる改善された方
法を有する電圧絶縁回路が提供される。LF経路は、光
アイソレータを含み、低周波数を通過させながら、入力
信号の電圧絶縁を達成する。HF経路は、変圧器を含
み、高周波数を通過させながら、入力信号の電圧絶縁を
達成する。HF経路およびLF経路は、加算ノードにお
いて組合わされ、絶縁された入力信号が得られる。
路とHF経路との間のクロスオーバ周波数は厳密に一致
している必要がある。変圧器の極周波数は変圧器によっ
てかなり変動があるため、このような一致を達成するこ
とは難しい。この発明では、交差経路注入を用いてLF
経路の部分をHF経路の中へ注入して、HF経路に印加
される入力信号内のLF成分が遷移周波数の領域におい
て相殺されるようにすることによって、この変動を解決
する。このように、HF経路における変圧器の極周波数
は、1組の限界の範囲内で変動することがあり、注入さ
れたLF減算信号のゼロによって補償され、LF経路と
一致した、HF経路における安定した既知の遷移周波数
を達成することができる。変圧器内に存在する極を補償
するためには、LF減算信号の利得のみを調節すればよ
い。HF経路におけるLF成分を取り除くことには、変
圧器におけるコア飽和の危険を減じるというさらなる利
点がある。LF減算信号は、この発明による経路間補償
信号の形態の1つである。
としてLF経路の中へ注入して、HF成分が遷移周波数
の領域において相殺されるようにしてもよい。このよう
に、LF経路の遷移周波数はHF経路によって制御さ
れ、必要とされるHF経路との一致を達成する。HF減
算信号は、この発明による経路間補償信号の別の形態で
ある。
答を有する電圧絶縁回路を提供することである。
させるために経路間補償信号を用いるHF経路およびL
F経路を有する電圧絶縁回路を提供することである。
一致させるために経路間補償信号を用いる、加算ノード
において組合わされるHF経路およびLF経路を有する
電圧絶縁回路を提供することである。
面と関連する以下の説明から当業者には明らかになるで
あろう。
用いるための電圧絶縁回路の概略図が示される。入力信
号は、測定機器の接地に対して高いコモンモード電圧を
有することがあり、そのため、入力電圧と測定機器との
間に電圧絶縁を提供する必要がある。
合される。増幅器100の出力は、変圧器102の入力
巻線の一方の側部に接続される。入力巻線は、出力巻線
に電磁的に結合されると同時に、入力巻線と出力巻線と
の間に電圧絶縁を提供する。入力巻線の他方の側部は、
測定チャネル接地に結合され、出力巻線は機器の接地に
結合される。変圧器102が電圧絶縁を提供するため、
測定チャネル接地と機器接地とは接続されておらず、全
く別の電位にあってもよい。
変圧器102の設計に関する他の数多くの考慮点は、コ
ア飽和を防ぎつつ、変圧器102の最小および最大の利
用可能な周波数と、許される最大信号レベルとを定める
上で重要である。変圧器102の出力巻線は、加算ノー
ド104に結合される。このように、HF経路は、増幅
器100、変圧器102および加算ノード104を通る
入力信号の経路を含む。変圧器102の振幅応答は、よ
り低い周波数において、典型的には遷移周波数における
単一の極に従ってロールオフする。
入力に結合される。増幅器108の出力は、光アイソレ
ータ112内の発光ダイオード(LED)110に結合
される。入力信号は光エネルギに変換され、これはLE
D110から発せられ、フォトダイオード114および
116に光学的に結合される。このように、オプトカプ
ラ112は、入力信号を低周波数において通過させる
間、LED110とフォトダイオード114および11
6との間に電圧絶縁バリアを提供する。オプトカラプ1
12の帯域幅は制限されており、オプトカプラ112の
振幅応答は、より高い周波数において、典型的には第2
の遷移周波数における単一のゼロに従ってロールオフす
る。
幅器118の反転入力に与えられる。抵抗器120は、
反転入力と出力との間に結合され、増幅器118が電流
−電圧コンバータとして動作するようにさせ、これはフ
ォトダイオード114の出力に比例するLF信号電圧を
生じる。LF信号電圧は、増幅器108の反転入力にフ
ィードバックされ、光フィードバックループを形成し、
LED110の直線性を制御する。LF信号電圧はさら
に、経路間補償信号として抵抗器124および126に
結合され、抵抗器124および126は、LF信号電圧
の利得を設定し、LF信号電圧はさらに、増幅器100
の非反転入力に結合され、LF SUBTRACT S
IGNALを形成する。
の反転入力に結合される。抵抗器130は、増幅器12
8の反転入力と出力との間に結合され、増幅器128を
電流−電圧コンバータとして動作させる。増幅器128
の出力からのLF信号は、加算ノード104の入力に結
合される。LF SUBTRACT SIGNALは経
路間補償信号として動作し、それぞれのHFおよびLF
経路の遷移周波数間の整列を達成する。
との間に絶縁を提供する能動増幅器を含んでもよい。H
F経路およびLF経路からの信号は線形の態様で加算さ
れ、入力信号にかなりの歪みを寄与することなく、所望
の帯域幅の量を有する絶縁された入力信号が得られる。
代わりに、加算ノード104は、抵抗器などの受動構成
要素のみを含み、直線性ではさらに利益を得るようにし
てもよいが、HF経路とLF経路との間での絶縁は幾分
か損なわれる。
BTRACT SIGNALは、入力信号に存在するL
F成分から反転され、オプトカプラ112から入手でき
る信号帯域幅に従ってこれらの成分を相殺するように動
作する。LF SUBTRACT SIGNALの利用
可能な帯域幅が変圧器102の極の周波数を超えている
限り、極は効果的に相殺され、HF経路の遷移周波数は
LF経路によって有効に定められる。このように、変圧
器102の極周波数にかなりの変動があったとしても、
HF経路およびLF経路の遷移周波数の一致を達成する
ことはできる。抵抗器124および126を用いてGA
IN素子において適当なレベルの利得を設定すること
で、変圧器102の極は、LF経路からのLF SUB
TRACTSIGNALによって導入されるゼロによっ
て効果的に相殺することができる。そこで、HF経路の
遷移周波数は、LF経路の遷移周波数によって定めら
れ、組合わされたHFおよびLF経路において平坦な周
波数応答を達成する。LFSUBTRACT SIGN
ALは、経路間補償信号として動作し、組合わされたH
FおよびLF経路の平坦な周波数応答が得られる。
完全に説明するための、周波数対伝達関数のボード線図
である。LF経路の伝達関数に対応する軌跡150の形
は、主に、光アイソレータ112の周波数応答によって
定められる。軌跡150は、LF経路の主たるロールオ
フ周波数である周波数F2において極を示す。
軌跡152の形は、変圧器102の周波数応答によって
主に定められる。製造および材料公差のため、変圧器1
02は、両方向矢印によって示されるように、遷移周波
数F1の周辺の範囲におけるどの周波数においても生じ
得る極を有することになる。この例では、極はちょうど
遷移周波数F1において生じている。さまざまな変圧器
にわたっての極周波数のこの変動性は、LF SUBT
RACT SIGNALを用いることによって補償さ
れ、下にさらに詳しく説明されるように所望の平坦さの
レベルが達成される。
関数に対応する軌跡154は、変圧器102の入力巻線
に存在する入力信号からのLF SUBTRACT S
IGNALの差動減算を提供する。軌跡154では、周
波数F1において生じているゼロが示されるが、これ
は、軌跡152の極周波数と一致させるように周波数を
上または下に調節することができ、これは抵抗器124
および126を含むGAIN素子を上または下に調節す
ることによってなされる。
軌跡156は、軌跡152と軌跡154とを組合わせる
ことによって得られる。補償されたHF経路はそこで、
LF経路のゼロ周波数に対応するF2における極周波数
を有する。
わされたものの伝達関数に対応する軌跡158は、入力
信号と絶縁された入力信号との間の電圧絶縁回路の全体
の周波数応答を示す。変圧器102の極を補償するため
には、LF経路における遷移周波数F2は遷移周波数F
1以上でなければならない。そのため、変圧器102の
変動による遷移周波数F1の変動の範囲は、経路間補償
信号による補償を確実に達成できるようにするために知
られていなければならない。
圧絶縁回路の概略図が示される。上に説明したように、
LF SUBTRACT SIGNALを作り出し、こ
れをLF経路からHF経路へ注入する代わりに、別の実
施例は、HF SUBTRACT SIGNALを作り
出し、これをLF経路の中へ注入して、補償されたLF
経路を類似の態様で得ることによって動作する。このよ
うに、HF SUBTRACT SIGNALは経路間
補償信号として動作し、それぞれのHF経路およびLF
経路の遷移周波数間での整列を達成する。
1に結合される。入力巻線は、1対の出力巻線202お
よび204に電磁的に結合され、1対の出力巻線202
および204は入力信号を同じ態様で受取るが、互いに
電圧が絶縁され、入力巻線201との間でも電圧が絶縁
される。出力巻線204は加算ノード206に結合さ
れ、加算ノード206はHF信号を受取る。HF信号の
複製は、抵抗器208および210に結合される出力巻
線202によって作り出され、抵抗器208および21
0は、HF SUBTRACT SIGNALの利得を
設定するように動作し、HF SUBTRACT SI
GNALは、増幅器212の反転入力に与えられる。入
力巻線201の端部と出力巻線202の端部とは、測定
チャネル接地に結合される。入力信号はさらに、増幅器
212の非反転入力に結合される。増幅器212の出力
は、抵抗器214を介して増幅器216の非反転入力に
結合される。増幅器216の出力は、オプトカプラ22
0のLED218に結合される。
LED218によって発生する光エネルギを受け、入力
信号を形成し、さらに電圧絶縁を提供する。フォトダイ
オード222からの信号は、増幅器216の反転入力に
与えられ、光フィードバックループを形成する。フォト
ダイオード224は、増幅器226の反転入力に結合さ
れる。フォトダイオード222および224は、それぞ
れ測定チャネル接地および機器接地に結合され、互いに
電圧が絶縁され、LED218からも電圧が絶縁されて
いる。抵抗器228は、増幅器226の反転入力と出力
との間に結合され、増幅器226が電流−電圧コンバー
タとして動作して入力信号の複製を生じさせ、入力信号
の複製は、加算ノード206の入力に与えられる。加算
ノード206は、HF信号とLF信号とを組合わせて絶
縁された入力信号を生じる。
のより広い局面におけるこの発明の精神から逸脱するこ
となく、この発明の上述の好ましい実施例の詳細におい
て数多くの変更がなされ得る。たとえば、付加的な形態
の経路間補償信号を用いてさまざまな極およびゼロの組
合せを補償してもよい。光ファイバリンクなど、電圧絶
縁を得るのに用いられる他の種類の技術を代わりに用い
て、必要に応じて他の種類のLFおよびHF経路を形成
し、なおかつこの発明による経路間補償信号から利益を
得ることもできる。そのため、この発明の範囲は上の特
許請求の範囲によって定められるべきである。
路を用いた電圧絶縁回路の簡略化されたブロック図であ
る。
るボード線図である。
の概略図である。
ド線図である。
略図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 測定機器のための電圧絶縁回路であっ
て、 (a) 入力信号を受取るための入力を有する高周波数
経路を含み、前記高周波数経路は、第1の遷移周波数に
従って高周波数信号を生じ、前記回路はさらに(b)
前記入力信号を受取るための入力を有する低周波数経路
を含み、前記低周波数経路は、第2の遷移周波数に従っ
て低周波数信号を生じ、前記回路はさらに(c) 前記
高周波数経路に結合され前記高周波数信号を受取り、か
つ前記低周波数経路に結合され前記低周波数信号を受取
るための加算ノードを含み、前記加算ノードは、絶縁さ
れた入力信号を生じ、前記HF経路および前記LF経路
のうちの一方からの経路間補償信号は、前記HF経路お
よび前記LF経路のうちの他方の入力に与えられ、前記
HF経路および前記LF経路の前記第1および第2の遷
移周波数を一致させる、回路。 - 【請求項2】 前記経路間補償信号はさらに低周波数減
算信号を含み、前記低周波数減算信号は、前記低周波数
経路から前記高周波数経路の前記入力へ結合され、補償
された高周波数経路を得る、請求項1に記載の測定機器
のための電圧絶縁回路。 - 【請求項3】 前記高周波数経路はさらに、入力巻線お
よび出力巻線を備えた変圧器を含み、前記入力巻線は前
記入力信号を受取るように結合され、前記出力巻線は、
前記入力巻線に電磁的に結合され、前記入力信号を受取
り、前記高周波数信号を生じる、請求項2に記載の測定
機器のための電圧絶縁回路。 - 【請求項4】 前記低周波数経路はさらにオプトカプラ
ーを含み、前記オプトカプラーは、前記入力信号を受取
るように結合される発光ダイオードと、前記発光ダイオ
ードに光学的に結合される第1および第2のフォトダイ
オードとを含み、前記第1および第2のフォトダイオー
ドのうちの1つは前記低周波数減算信号を生じる、請求
項2に記載の測定機器のための電圧絶縁回路。 - 【請求項5】 前記経路間補償信号は高周波数減算信号
を含み、前記高周波数減算信号は、前記高周波数経路か
ら前記低周波数経路の前記入力へ結合され、補償された
低周波数経路を得る、請求項1に記載の測定機器のため
の電圧絶縁回路。 - 【請求項6】 前記高周波数経路はさらに変圧器を含
み、前記変圧器は、入力巻線と、前記入力巻線に電磁的
に結合され前記入力信号を受取るための第1および第2
の出力巻線とを含み、前記第1および第2の出力巻線の
うちの1つは前記高周波数減算信号を生じる、請求項5
に記載の測定機器のための電圧絶縁回路。 - 【請求項7】 前記低周波数経路はさらにオプトカプラ
ーを含み、前記オプトカプラーは、前記入力信号を受取
るように結合される発光ダイオードと、前記発光ダイオ
ードに光学的に結合され前記低周波数信号を生じるため
の第1および第2のフォトダイオードとを含み、前記第
1および第2のフォトダイオードは、前記発光ダイオー
ドから電圧が絶縁されている、請求項5に記載の測定機
器のための電圧絶縁回路。 - 【請求項8】 測定機器のための電圧絶縁回路であっ
て、 (a) 入力信号を受取るための入力を有する高周波数
経路を含み、前記高周波数経路は、第1の遷移周波数に
従って高周波数信号を生じ、前記回路はさらに(b)
前記入力信号を受取るための入力を有する低周波数経路
を含み、前記低周波数経路は、低周波数信号を生じ、さ
らに第2の遷移周波数に従って低周波数減算信号を生
じ、これは前記高周波経路の前記入力に結合され、補償
された高周波数経路が得られ、前記回路はさらに(c)
前記高周波数経路に結合され前記高周波数信号を受取
り、かつ前記低周波数経路に結合され前記低周波数信号
を受取るための加算ノードを含み、前記加算ノードは絶
縁された入力信号を生じる、回路。 - 【請求項9】 前記高周波数経路はさらに、入力巻線お
よび出力巻線を備えた変圧器を含み、前記入力巻線は前
記入力信号を受取るように結合され、前記出力巻線は、
前記入力巻線に電磁的に結合され、前記入力信号を受取
り前記高周波数信号を生じ、前記出力巻線は、前記入力
巻線から電圧が絶縁されている、請求項8に記載の測定
機器のための電圧絶縁回路。 - 【請求項10】 前記低周波数経路はさらにオプトカプ
ラーを含み、前記オプトカプラーは、前記入力信号を受
取るように結合される発光ダイオードと、前記発光ダイ
オードに光学的に結合され前記低周波数信号を生じるた
めの第1および第2のフォトダイオードとを含み、前記
第1および第2のフォトダイオードは、前記発光ダイオ
ードから電圧が絶縁されている、請求項8に記載の測定
機器のための電圧絶縁回路。
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