JPH1056356A

JPH1056356A - 信号伝達装置

Info

Publication number: JPH1056356A
Application number: JP23146296A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Yamagishi; 君彦山岸
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁用のトランスの結合容量に起因してのコ
モンモード電圧の一次回路側から二次回路側への漏洩量
を低減することができる信号伝達装置を提供することを
目的とする。【解決手段】互いに絶縁された入力巻線２ａと出力巻
線２ｂとの間に静電シールド手段２ｃが設けられた絶縁
用のトランス２を備え、入力巻線２ａ側の一次回路３に
入力した入力信号をトランス２を介して出力巻線２ｂ側
の二次回路４に伝達させる信号伝達装置１において、一
次回路３を介して出力巻線２ｂおよび静電シールド手段
２ｃからそれぞれ出力されるコモンモード電圧を互いに
打ち消すためのコモンモード電圧打消手段４を備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電圧計および電力
計などの計測器に適用可能な信号伝達装置に関し、詳し
くは、互いに絶縁されている一次回路側から二次回路側
に入力信号を伝達するための信号伝達装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】計測器の分野では、一次回路側の測定対
象物である電圧信号などを、一次回路とは絶縁されてい
る計測系としての二次回路側に伝達するために、絶縁用
トランスが用いられている。このような絶縁用トランス
を使用した信号伝達装置として、図３に示す信号伝達回
路４１が従来から知られている。

【０００３】同図に示す信号伝達回路４１は、入力巻線
２ａ側の一次回路３と出力巻線２ｂ側の二次回路４２と
を互いに絶縁するためのトランス２と、入力巻線２ａに
それぞれ接続され一次回路部品を構成する抵抗１１，１
２と、出力巻線２ｂの一端に接続され二次回路部品を構
成しバッファアンプとして機能するオペアンプ２１とを
備えている。なお、トランス２には、両巻線２ａ，２ｂ
間に銅テープなどの導体２ｃを介在させることによっ
て、静電シールドが施されている。

【０００４】この信号伝達回路４１では、例えば、図示
しないプローブを介して抵抗１１，１２に入力信号Ｓ_IN
が入力されると、抵抗１１、入力巻線２ａおよび抵抗１
２を含む閉ループに入力信号が印加されることによっ
て、トランス２の巻線比に応じた電圧の出力信号が出力
巻線２ｂから出力される。出力巻線２ｂの出力信号はオ
ペアンプ２１の非反転入力部に入力された後、緩衝増幅
されて出力信号Ｓ_OUT として出力される。これにより、
互いに絶縁された一次回路３側から二次回路４２側に入
力信号Ｓ_INが伝達されている。この場合、一次回路３お
よび二次回路４２のそれぞれの接地グランド（以下、単
に「グランド」という）が共通接続されていない場合に
は、両グランド間に、いわゆるコモンモード電圧が発生
し、このコモンモード電圧が両巻線２ａ，２ｂ間の静電
容量を介して一次回路３から二次回路４２に出力され
る。このため、この信号伝達回路４１では、トランス２
の導体２ｃをグランドに接地することにより、両巻線２
ａ，２ｂ間の静電結合、およびトランス２と外部との静
電結合を少なくし、これにより、コモンモード電圧の二
次回路４２への漏洩量を低減している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
信号伝達回路４１には、以下の問題点がある。すなわ
ち、抵抗１１，１２を介してトランス２の入力巻線２ａ
の両端に入力される入力信号Ｓ_INが０Ｖのときであって
も、一次回路３側のグランドＧ₁ と二次回路４２側のグ
ランドＧ₂ とが共通接続されていないことに起因して、
両グランドＧ₁ ，Ｇ₂ 間にコモンモード電圧Ｖ_C が発生
しているときには、信号伝達回路４１は、図４に示す等
価回路で表される。この等価回路によれば、信号伝達回
路４１は、抵抗１１，１２のそれぞれの入力側の一端同
士が短絡されると共に、その短絡部分がグランドＧ₁ に
接続され、かつ、コモンモード電圧Ｖ_C の発生源Ｓ
_VCが、両グランドＧ₁ ，Ｇ₂ 間に接続されているものと
みなすことができる。一方、導体２ｃなどの静電シール
ド手段を両巻線２ａ，２ｂ間に介在させた場合、入力巻
線２ａと導体２ｃ間には結合容量Ｃ₁ が存在するが、入
力巻線２ａと出力巻線２ｂ間にも、結合容量Ｃ₁ よりは
小容量ではあるが、少なからずの結合容量Ｃ₂ が存在す
る。

【０００６】この場合、コモンモード電圧Ｖ_C に基づく
信号電流は、コモンモード電圧Ｖ_Cの発生源Ｓ_VC、抵抗
１１，１２、結合容量Ｃ₁ 、導体２ｃおよびグランドＧ
₂ からなる経路Ｒ₁₁で流れる。したがって、信号電流が
この経路Ｒ₁₁でのみ流れているときには、出力巻線２ｂ
側にはコモンモード電圧Ｖ_C が出力されることはない。
ところが、結合容量Ｃ₂ があるため、コモンモード電圧
Ｖ_C は、同図の経路Ｒ₁₂で示すように、発生源Ｓ_VCか
ら、抵抗１１，１２、入力巻線２ａおよび結合容量Ｃ₂
を介して、オペアンプ２１の非反転入力部に入力する。
この場合、結合容量Ｃ₂ が小容量のため、商用電源など
の低周波領域のコモンモード電圧Ｖ_C の一次回路３から
二次回路４２への漏洩は、ある程度阻止することはでき
る。しかし、高周波領域のコモンモード電圧Ｖ_C の一次
回路３から二次回路４２への漏洩を阻止することができ
ない結果、コモンモード電圧Ｖ_C が出力信号Ｓ_OUT とし
て出力されてしまう。このため、この信号伝達回路４１
を計測器の一部の回路として用いたときには、正確な測
定を行うことができないという問題点がある。

【０００７】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、絶縁用のトランスの結合容量に起因しての
コモンモード電圧の一次回路側から二次回路側への漏洩
量を低減することができる信号伝達装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載の信号伝達装置は、互いに絶縁された入力巻
線と出力巻線との間に静電シールド手段が設けられた絶
縁用のトランスを備え、入力巻線側の一次回路に入力し
た入力信号をトランスを介して出力巻線側の二次回路に
伝達させる信号伝達装置において、一次回路を介して出
力巻線および静電シールド手段からそれぞれ出力される
コモンモード電圧を互いに打ち消すためのコモンモード
電圧打消手段を備えていることを特徴とする。

【０００９】コモンモード電圧は、上記した両結合容量
を介して、静電シールド手段および出力巻線にそれぞれ
出力される。この場合、コモンモード打消手段は、出力
された両コモンモード電圧を互いに打ち消し合わせる。
ここで、コモンモード打消手段としては、コモンモード
電圧が電流信号として静電シールド手段および出力巻線
からそれぞれ出力された場合には、電圧信号に一端変換
した後に、互いの位相が逆になるようにして加算するこ
とによって互いに打ち消し合わせる構成を採用すること
ができ、電流信号として出力された場合には、その電流
の向きが互いに逆向きになるようにして加算することに
よって互いに打ち消し合わせる構成を採用することがで
きる。一方、通常の入力信号が入力した場合、両結合容
量を介して入力される信号については、コモンモード電
圧打消手段によって互いに打ち消し合わされるが、トラ
ンスの入力巻線を介して出力巻線から出力される本来の
入力信号は、その出力レベルがコモンモード電圧打消手
段によって何等影響を与えられることなく出力される。
このように、この信号伝達装置によれば、入力信号に何
等影響を与えることなく、絶縁用のトランスの結合容量
に起因してのコモンモード電圧の一次回路側から二次回
路側への漏洩量を低減することができる。

【００１０】請求項２記載の信号伝達装置は、請求項１
記載の信号伝達装置において、コモンモード電圧打消手
段は、出力巻線の出力信号を所定の利得で増幅する第１
の増幅回路と、静電シールド手段からの出力電流を電流
−電圧変換する第２の増幅回路と、第１の増幅回路の出
力信号と第２の増幅回路の出力信号とを差動増幅する第
３の増幅回路とを備えていることを特徴とする。この場
合、第１の増幅回路における所定の利得とは、値１でも
よいし、それ以上またはそれ未満であってもよい。ま
た、第１の増幅回路における「増幅」の概念は、一般的
な電圧増幅または電流増幅の概念を含むだけでなく、い
わゆる電流−電圧変換機能を有した増幅や、電圧−電流
変換機能を有した増幅、および、いわゆるバッファアン
プとして機能する増幅の概念も含む。

【００１１】この信号伝達装置では、第３の増幅回路
が、第１の増幅回路によって増幅された出力信号と、第
２の増幅回路によって増幅された増幅信号とを差動増幅
する。このため、コモンモード電圧が、第３の増幅回路
によって互いに打ち消し合わされるように増幅される結
果、絶縁用のトランスの結合容量に起因してのコモンモ
ード電圧の一次回路側から二次回路側への漏洩量を低減
することができる。

【００１２】請求項３記載の信号伝達装置は、請求項２
記載の信号伝達装置において、第２の増幅回路は、差動
増幅回路であって、反転入力部が静電シールド手段に接
続されると共に非反転入力部が二次回路側のグランドに
接続されていることを特徴とする。

【００１３】静電シールド手段が二次回路側のグランド
に接地されていない場合であっても、コモンモード電圧
打消手段がコモンモード電圧を互いに打ち消し合わせる
ことによって、コモンモード電圧の二次回路側への漏洩
は阻止される。一方、この信号伝達装置では、コモンモ
ード電圧に基づく信号電流は、静電シールド手段を介し
て、二次回路側のグランドに仮想接地されている差動増
幅回路の反転入力部に流れ込む。この結果、この信号伝
達装置では、静電シールド手段がグランドに接地される
ことにより、外来ノイズなどに対する静電シールド手段
の静電シールド機能を損なうことなく、コモンモード電
圧の一次回路側から二次回路側への漏洩量を低減するこ
とができる。

【００１４】請求項４記載の信号伝達装置は、請求項２
または３記載の信号伝達装置において、第２の増幅回路
は、利得を調整するための利得調整手段を備えているこ
とを特徴とする。

【００１５】一般的に、入力巻線および静電シールド手
段の間に存在する結合容量の方が、入力巻線および出力
巻線の間に存在する結合容量よりも大きい容量値を有し
ている。この信号伝達装置では、第２の増幅回路の利得
を調整することによって、入力巻線および静電シールド
手段間の結合容量を介して入力し第２の増幅回路によっ
て増幅されたコモンモード電圧の電圧値を、入力巻線お
よび出力巻線間の結合容量を介して入力し第１の増幅回
路によって増幅されたコモンモード電圧の電圧値と同電
圧にすることができる。これにより、両結合容量を介し
てそれぞれ入力されたコモンモード電圧を完全に打ち消
し合わせることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る信号伝達装置の実施の形態について説明する。
なお、従来の信号伝達回路４１と同一の構成要素につい
ては、同一の符号を付して詳細説明は省略する。

【００１７】図１は、本発明に係る信号伝達装置を電圧
計の一部の回路である信号伝達回路に適用した回路図を
示している。同図に示す信号伝達回路１は、例えば、一
次回路側のグランドに対して所定の電圧値を有している
抵抗などの測定対象電圧を、演算部（図示せず）などの
二次回路側に伝達する。

【００１８】信号伝達回路１は、絶縁用のトランス２を
備えており、トランス２は、入力巻線２ａ側の一次回路
３と出力巻線２ｂ側の二次回路４とを互いに絶縁すると
共に入力巻線２ａを介して入力した入力信号Ｓ_INを二次
回路４側に伝達する。また、トランス２は、両巻線２
ａ，２ｂ間に銅テープなどの導体２ｃを介在させると共
に、その導体２ｃを端子２ｄに接続して構成されてい
る。この場合、端子２ｄは、後述するオペアンプ２２の
反転入力部に接続されており、その反転入力部が仮想接
地されているため、導体２ｃは二次回路４のグランドＧ
₂ に等価的に接続されている。この結果、導体２ｃは、
入力巻線２ａと出力巻線２ｂとの間を静電シールドする
と共に、装置外部とトランス２との間を静電シールドす
ることによって、外来ノイズなどの飛び込みを阻止す
る。

【００１９】一次回路３は、入力巻線２ａにそれぞれ接
続された抵抗１１，１２で構成されている。一方、二次
回路４は、本発明におけるコモンモード電圧打消手段と
して機能するものであって、出力巻線２ｂからの出力信
号をバッファ増幅するオペアンプ（本発明における第１
の増幅回路に相当する）２１と、導体２ｃからの出力電
流を電流−電圧変換するオペアンプ（本発明における第
２の増幅回路に相当する）２２と、オペアンプ２１の出
力信号およびオペアンプ２２の出力信号を差動増幅する
オペアンプ（本発明における第３の増幅回路に相当す
る）２３と、各種抵抗２４〜２７と、オペアンプ２２の
利得を調整するための可変抵抗器（本発明における利得
調整手段に相当する）２８とを備えている。この場合、
オペアンプ２２の非反転入力部は、二次回路側のグラン
ドＧ₂ に接続されている。

【００２０】次に、信号伝達回路１の動作について、図
１を参照して説明する。

【００２１】まず、通常の測定対象電圧である入力信号
Ｓ_INの信号伝達動作について説明する。入力信号Ｓ_INが
抵抗１１，１２の両一端間に入力されると、入力巻線２
ａの両端に印加される電圧とトランス２の巻数比とに基
づく信号電圧Ｖ_S が出力巻線２ｂの両端に誘起する。誘
起した信号電圧Ｖ_S は、オペアンプ２１の非反転入力部
に入力され、利得１で緩衝増幅された後、オペアンプ２
３の反転入力部に出力される。オペアンプ２３は、信号
電圧Ｖ_S を所定の利得で反転増幅し、出力信号Ｓ_OUT と
して出力する。このように、信号伝達回路１は、トラン
ス２の入力巻線２ａおよび出力巻線２ｂを介して二次回
路４側に入力する通常の入力信号Ｓ_INに対しては、所定
の利得で増幅した後に出力信号Ｓ_OUT として出力する。

【００２２】次に、信号伝達回路１においてコモンモー
ド電圧の漏洩量の低減、つまりＣＭＲＲ（Common Modo
Rejection Ratio ）が向上する原理について、図１，２
を参照して説明する。

【００２３】一次回路３側のグランドＧ₁ と二次回路４
側のグランドＧ₂ とが共通接続されていない場合、両グ
ランドＧ₁ ，Ｇ₂ 間にコモンモード電圧Ｖ_C （図１参
照）が発生する。この場合、トランス２の入力巻線２ａ
の両端に入力される入力信号Ｓ_INが０Ｖであるとすれ
ば、同図の破線で示すように、抵抗１１，１２の入力側
の一端同士が短絡され、その短絡部分がグランドＧ₁ に
接続されると共に、コモンモード電圧Ｖ_C の発生源Ｓ_VC
が、両グランドＧ₁ ，Ｇ₂ 間に接続されているものとみ
なすことができる。一方、入力巻線２ａと導体２ｃ間、
および入力巻線２ａと出力巻線２ｂ間には、同図の破線
で示すように、結合容量Ｃ₁ および結合容量Ｃ₂ がそれ
ぞれ存在する。

【００２４】この場合、発生源Ｓ_VCのコモンモード電圧
Ｖ_C は、同図の経路Ｒ₂ が示すように、結合容量Ｃ₂ を
介して、オペアンプ２１の非反転入力部に入力される。
オペアンプ２１は、コモンモード電圧を緩衝増幅し、電
圧値Ｖ_C2のコモンモード電圧を抵抗２４を介してオペア
ンプ２３の反転入力部に出力する。一方、コモンモード
電圧Ｖ_C に基づく信号電流は、発生源Ｓ_VC、抵抗１１，
１２、入力巻線２ａおよび結合容量Ｃ₁ からなる経路Ｒ
₁ で流れ、オペアンプ２２の反転入力部に入力される。
オペアンプ２２は、入力した信号電流を電流−電圧変換
することによって、電圧値Ｖ_C1のコモンモード電圧を抵
抗２６を介してオペアンプ２３の非反転入力部に出力す
る。

【００２５】なお、結合容量Ｃ₁ ，Ｃ₂ の容量値は、ト
ランス２の構造によって一義的に決定される。このた
め、結合容量Ｃ₁ ，Ｃ₂ に基づいてオペアンプ２１およ
び２２から出力されるコモンモード電圧の周波数に対す
る電圧値Ｖ_C1，Ｖ_C2は、図２（ａ），（ｂ）にそれぞれ
示すように、各周波数において、絶対値が互いに異な
り、電圧比（Ｖ_C1／Ｖ_C2）が一定となる関係を有してい
る。したがって、可変抵抗器２８によってオペアンプ２
２の利得を調整することによって、オペアンプ２２から
出力されるコモンモード電圧の電圧値Ｖ_C1を、オペアン
プ２１から出力されるコモンモード電圧の電圧値Ｖ_C2と
等しくすることができる。一方、オペアンプ２３は、抵
抗２４〜２７の抵抗値を所定の関係に規定することによ
り、電圧値Ｖ_C1，Ｖ_C2の両コモンモード電圧を互いに打
ち消し合うように差動増幅することができる。これによ
り、信号伝達回路１は、コモンモード電圧の二次回路４
への漏洩を阻止する。この結果、結合容量Ｃ₁ ，Ｃ₂ の
大小に拘わらず、可変抵抗器２８を調整することによっ
て、トランス２の結合容量Ｃ₁ ，Ｃ₂ に起因してのコモ
ンモード電圧Ｖ_C の一次回路３側から二次回路４側への
漏洩量の低減、つまりＣＭＲＲを向上させることができ
る。

【００２６】なお、本実施形態では、入力信号Ｓ_INを電
圧伝達するタイプのトランス（Potential Transformer
）を使用した信号伝達回路１の構成について説明した
が、本発明は、これに限らず、入力信号Ｓ_INを電流伝達
するタイプのトランス（Current Transformer ）を使用
した構成を採用することもできる。

【００２７】また、本発明に係る信号伝達装置は、本実
施形態において説明した電圧計に適用できるばかりでな
く、電力計、積算電力計などの計測器に適用できるのは
勿論のこと、互いに絶縁された一次回路から二次回路に
入力信号を伝達するためのすべての装置に適用可能であ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上のように請求項１記載の信号伝達装
置によれば、コモンモード電圧打消手段が、出力巻線か
ら出力されるコモンモード電圧および静電シールド手段
から出力されるコモンモード電圧を互いに打ち消すた
め、通常の入力信号に何等影響を与えることなく、絶縁
用のトランスの結合容量に起因してのコモンモード電圧
の一次回路側から二次回路側への漏洩量を低減すること
ができる。

【００２９】また、請求項２記載の信号伝達装置によれ
ば、第３の増幅回路が、第１の増幅回路によって増幅さ
れた出力信号と、第２の増幅回路によって増幅された増
幅信号とを差動増幅するため、コモンモード電圧が、第
３の増幅回路によって互いに打ち消し合わされるように
増幅される結果、絶縁用のトランスの結合容量に起因し
てのコモンモード電圧の一次回路側から二次回路側への
漏洩量を低減することができる。

【００３０】さらに、請求項３記載の信号伝達装置によ
れば、コモンモード電圧に基づく信号電流が、静電シー
ルド手段を介して、二次回路側のグランドに仮想接地さ
れている差動増幅回路の反転入力部に流れ込むため、静
電シールド手段の静電シールド機能を損なうことなく、
コモンモード電圧の一次回路側から二次回路側への漏洩
量を低減することができる。

【００３１】また、請求項４記載の信号伝達装置によれ
ば、利得調整手段によって第２の増幅回路の利得を調整
することにより、入力巻線および静電シールド手段間の
結合容量を介して入力し第２の増幅回路によって増幅さ
れたコモンモード電圧の電圧値を、入力巻線および出力
巻線間の結合容量を介して入力し第１の増幅回路によっ
て増幅されたコモンモード電圧の電圧値と同電圧にする
ことができるため、両結合容量を介してそれぞれ入力さ
れたコモンモード電圧を完全に打ち消し合わせることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る信号伝達回路の回路
図である。

【図２】（ａ）は本発明の実施の形態に係る信号伝達回
路におけるトランスの入力巻線および導体の間の静電容
量を介してオペアンプから出力されるコモンモード電圧
の周波数特性図であり、（ｂ）は本発明の実施の形態に
係る信号伝達回路におけるトランスの入力巻線および出
力巻線の間の静電容量を介してオペアンプから出力され
るコモンモード電圧の周波数特性図である。

【図３】従来の信号伝達回路の回路図である。

【図４】従来の信号伝達回路の等価回路図である。

【符号の説明】

１信号伝達回路２トランス２ａ入力巻線２ｂ出力巻線３一次回路４二次回路２１オペアンプ２２オペアンプ２３オペアンプＧ₂ グランド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに絶縁された入力巻線と出力巻線と
の間に静電シールド手段が設けられた絶縁用のトランス
を備え、前記入力巻線側の一次回路に入力した入力信号
を当該トランスを介して前記出力巻線側の二次回路に伝
達させる信号伝達装置において、前記一次回路を介して前記出力巻線および前記静電シー
ルド手段からそれぞれ出力されるコモンモード電圧を互
いに打ち消すためのコモンモード電圧打消手段を備えて
いることを特徴とする信号伝達装置。
【請求項２】前記コモンモード電圧打消手段は、前記
出力巻線の出力信号を所定の利得で増幅する第１の増幅
回路と、前記静電シールド手段からの出力電流を電流−
電圧変換する第２の増幅回路と、前記第１の増幅回路の
出力信号と前記第２の増幅回路の出力信号とを差動増幅
する第３の増幅回路とを備えていることを特徴とする請
求項１記載の信号伝達装置。
【請求項３】前記第２の増幅回路は、差動増幅回路で
あって、反転入力部が前記静電シールド手段に接続され
ると共に非反転入力部が前記二次回路側のグランドに接
続されていることを特徴とする請求項２記載の信号伝達
装置。
【請求項４】前記第２の増幅回路は、利得を調整する
ための利得調整手段を備えていることを特徴とする請求
項２または３記載の信号伝達装置。