JPS6114576A

JPS6114576A - 交流電圧検出器

Info

Publication number: JPS6114576A
Application number: JP13617384A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Abu; 阿武　伸昭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1986-01-22

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】この発明は、静電誘導現象を利用することによって、電
気回路に印加された交流電圧を検出するための検出器に
関する。

従来より、電圧測定を行なう場合、被測定回路（電圧を
、Ｍｉ１１定したい回路）上の２点に対し。

その内の１点を基準電位を与える点すなわち測定器の接
地側の入力端子が接続される点とし。

他の１点の基準電位に対する電位差を求める。

ところで、多くの電気回路においては、大地と同一電位
の「アース」と呼ばれる導線が存在する。

従って、電圧測定においても、アース（接地線）の電位
を基準電位とすることが多い。また、信頼度と精度のた
めに、電圧測定器は次の条件を満足しなければならない
。

（ａ）　　測定器の入力端子から被測定回路側を見たイ
ンピーダンスが、測定器の入力インピーダンスよりも十
分に小さくなければならない。

ただし、場合によって条件（ａ、）が満足されなくとも
理論的に被測定回路の電圧が求まる。しかし、一般的に
は、測定器が接続されることで。

被測定回路に大きな影響を与えることは問題である。従
って１条件（ａ）は電圧測定に不可欠の条件と考えるべ
きである。

ところで、静電誘導現象を利用して交流電圧を検出する
場合には、非常に小さな静電容量を介して被測定回路の
電圧を検出することになる。

この場合、測定器の入力端ｒ−から被測定回路を見たイ
ンピーダンスは非常に大きい。特に、５０Ｈｚ程度の低
周波ではインピーダンスは非常に大きい。従って、増幅
器の入力端子に電極を取付けただけの従来の検電器では
次のような欠点がある。

（イ）　周波数が異なれば検出感度が異なる。

（ロ）　内蔵する増幅器の人力インピーダンスの変化に
よって検出感度が変化する。

また、従来の検電器は簡易的構造であるため。

に）　基準電位が測定者の電位になるようになっている
から、測定精度および汎用性に問題を生じやすい。

などの問題点がある。ところで１本発明と検電器を比較
する理由は、静電誘導現象を利用して電圧信号を検出す
る技術が従来より存在してこれが検電器に利用されてい
るからである。本発明を検電器に利用すれば上記の問題
を解決できる。しかし１本発明は検電器として利用され
るだけでなく、これを電圧計と組合せたり、ブラウン管
オシロスコープと組合せることにより広い応用分野を開
拓できるものである。

さて９本発明において、非常に小さな静電容量を介して
電圧を検出するため、とのような対策を行なったかを述
べると。

（ｂｌ　　被測定回路の電圧を分圧して増幅器Ａに適し
た電圧とする。

ＣＣ）　　電圧を分圧するために、容量分圧器を構成し
た。ゆえに１周波数に僚関係な一定比率で分圧が行なえ
る。

（ｄ）　　容量分圧器を構成する静電容量として、電極
Ｐと被測定回路間の静電容量Ｃ８を利用した。

（ｅｌ　　容量分圧器を構成する静電容量として、（ｄ
）項記載の静電容量Ｃ０に直列にコンデンサＣを接続し
、このコンデンサＣの両端をそれぞれ増幅器Ａの入力端
子ＩとＧに接続した。

（ｆ）　　コンデンサＣの容量リアクタンスが増幅器Ａ
の入力抵抗Ｒｉｎよりも十分に小さくした。

のようになる。　上記（ｂ）〜（ｆ）の対策によって。

本発明を用いれば１周波数に関係なく一定比率で電圧を
検出できる。しかし、（ｄ）の対策によって２分圧比が
２被測定回路と電極Ｐの関係によって変化する。これは
、電圧測定上問題であるが１次のような対策を行なえば
解決される。

（ｇ）電極Ｐは、被測定回路を構成する部品（たとえば
電線）に一定距離まで接近する。

（ｈ）　　電極Ｐは、被測定回路を構成する部品（たと
えば電線）に同一姿勢で接近する。たとえば平行な姿勢
で接近する。

（１）被測定回路を構成する部品と同一規格の製品と電
極Ｐによって事前に交流電圧検出器の感度を校正してお
（。

上記の対策（ｇ）ｉｈ）は、電極Ｐを取付ける冶具を考
えることにより解決できる。その冶具とはたとえば、第
６図に示すように、電気的絶縁材料で作られた中空容器
４の内部に電極Ｐを固定し、中空容器４の１端を被測定
回路の電線に接触させることにより電極Ｐが電線に平行
な一定距離に接近できることを可能にしたものである。

また、対策（ｇ）における一定Ｗ１」離とは　１・分に
接近した距離であって、必要以外の場所から誘導を受け
ない距離である。

ところで、コンデンサＣを用いれば上記以外に次のよう
な利点がある。

（ｊ）　　電極Ｐと増幅器Ａを同軸ケーブルで接続した
場合、同軸ケーブルの静電容量の影響をコンデンサＣを
用いて補償できる。

（ｋ）　　コンデンサＣの容量を大きくすることによっ
て、増幅器Ａの入力容量や浮遊容量の影響を小さくでき
る。

さて、第１図は本発明の交流電圧検出器を被測定回路に
接近させた場合を示す。図中の記号を下記のように定義
する。

Ｐ：電圧を検出するだめの電極。

ｉ４：被測定回路を構成する電線または電気部品であっ
て、電極Ｐが接近することによって電圧測定を行なうこ
とができる部分。以下の記述では導線ノとする。

■、導線ノに印加された電圧の等測的な交流電圧電源。

Ｃ；コンデンサＡ；増幅器Ｇ：増幅器Ａの接地側の入力端子。原則として、導線に
よって被測定回路に接続される。

′ただし、測定者と電気的に結合・されることによって
、被測定回路に接続する場合も考えられる。

１；増幅器Ａの接地側でない入力端子。電極Ｐに接続さ
れる。

２および３．増幅器Ａの出力端子。

交流電圧計１オシロスコープ等の各種の計器の入力端子
に接続される。場合によっては、一定電圧で動作するア
ラームに接続される。

ところで、第１図において、被測定回路を導線ノと交流
電圧電源によって表現した理由は。

被測定回路から交流電圧検出器を見た場合のインピーダ
ンスが非常に高いのて、導線ノと端子Ｇに接続された被
測定回路」二の点から被測定回路を見た場合には、これ
を交流電圧電源（定電圧電源）で表現しても問題を生じ
ないからである。

第２図は第１図の等価回路を示す。第２図において新た
に記載した記号を下記に示す。

■：交流電圧電源■の電圧。

ω：交流電圧電源■の角周波数。

Ｉ；電極Ｐに流入する電流。

ＣＯ：電極Ｐと導線ノ間の静電容量。

ａ；電極Ｐおよび電極Ｐと増幅器Ａを接続する導線が持
つ対地容量であっで１等価的に増幅器Ａの入力端子Ｉと
Ｇの間に入るものとする。

Ｃ８：コンデンサＣの容量。

Ｃｉｎ　：増幅器Ａの人力容量。

Ｒ８゜；増幅器Ａの入力抵抗。

一；増幅器Ａの電圧利得。

Ｍｎ；増幅器Ａの入力電圧。

さて、第２図において、■とＶ。の関係を求めれば交流
電圧検出器の電圧検出特性を知ることができ、同時にコ
ンデンサＣの効果を検削できる。

そこで、数式の簡単化のために。

Ｃｓｓ　＝　Ｃｍ　＋　Ｃｓ　＋　Ｃｉｎ　　　　　　
　　ｌ）と置くならば、電極Ｐに流入する電流■はとな
る。ゆえに、増幅器Ａの入力電圧Ｖｉｎはとなる。もし
、ここでなる関係が成立するならば、（４）式は。

と書くことができる。

従って　増幅器Ａの入力電圧Ｖｉｎは、被測定回路の導
線ノの電圧■を静電容量Ｃ０とＣｓｓで決まる一定比率
で分圧したものになることがわかる。

ところが、少なくとも、コンデン→Ｊ′Ｃの容量りアク
タンスが増幅器Ａの人力抵抗Ｒ１゜よりも十分に小さい
という条件があるならば（４）式が成立する。それゆえ
に、自由にその値を選択できるコンデンサＣの容量が大
きければ（５）式を満足させることができることがわか
る。一方、コンデンサＣの容量ＣｓはＣ８に比較して十
分に大きいと考えられるので、（５）式はと書くことができる。（５）式および（６）式から理解
されるように、ａやＣｉｎの変動の影響を小さくするた
めにはＣｓの値をできるだけ大きくすればよいっこのと
き、（４）式より、　　Ｃｓの値が大きくなれば＋　Ｒ
ｍの値が小さくとも（５）式の成立条件を満足する。Ｒ
ｌｎの値が小さくなれば増幅器Ａの設計が容易となる。

ところで、もし。

なる関係が成立するならば、Ｖｉｎ　＋　ｊ（ｔ）　Ｃｏ　Ｒｉｎ　Ｖｚ　　　　　
　　　　（８’なる関係を得る。この関係はＣｓｓが小
さし１場合。

特にコンデンサＣの容量Ｃｓの値が小さい場合に起りや
すい。

ところで＋　Ｃｉｎ　＋　Ｒｉｎおよび錫は回路設計だ
けでなく、製作における寸法精度や部品の公差や各素子
の特性のゆえに一定値にすることができない場合が多い
。それゆえに、（４）式を満足することによって（５）
式を成立させることは１周波数特性改善だけでなく測定
精度上も大事になるので、コンデンサＣの存在が意味を
持つことになる。

ところで、増幅器Ａの特性も、交流電圧検出器の特性に
対して重要な意味を持っている。それゆえ１増幅器Ａは
次の条件を満足しなければならない。

（Ａ）　　増幅器Ａの入力抵抗は、できるだけ大きいこ
と。

（噂　増幅器Ａの電圧利得Ａｍは、必要な周波数帯域で
一定な値であること。

（ｎｌ　　増幅器Ａの入力容量Ｃｉｎは、できるだけ小
さく、その変動量が小さいこと１゜ −１−記の三条性を満足する増幅器ならば本発明に利用
できるが、小型で安価に製作することを考えれば、電界
効果トランジスタやオペレーショナルアンプを用いて増
幅器Ａを作ればよい。ただし、オペレーショナルアンプ
のように開ループ−ゲインが大きい増幅器を利用する場
合には帰還回路の設計に注意しなければ増幅器Ａの動作
が不安定となる。

以上の説明によって１本発明を構成する各要素間の関係
式や特質について記述した。しかし２具体的に本発明を
実施しようとすれば、電極とはどのような形状のもので
、そのときの増幅器への入力抵抗は何ρであり、コンデ
ンサＣの容量は具体的に何ｐＦであり、電圧の分圧比は
どうという数値を参照して考えると便利である。従って
３次に示す例は参考とすべき１例であるので、これより
も電極の寸法を太きくすべきである場合や分圧比を大き
くしたい場合などには。

例に習って計算すればよい。

（０）　　次のように仮定する。

一：　’；ｌ　Ｉ）Ｆ　、　ｃｉｌ　＝　３　＋）Ｆ、
　Ｃｏ二〇、５　ｐＦ（１）　＝　２−７ＣＸ　５０　
（５０Ｈｚ）ただし、実際にはＧおよびＣｉｎは上記の
値よりも小さくできる。また、ｃｏを０．５Ｔ１Ｆとし
た理由は１次のような仮定をしたからである。

電極Ｐが長さ３０　ｍｍで直径２ｍｍの円柱状導体であ
り、電極Ｐから４ｍｍ程度離れた位置に直径２ｍｍで十
分に長い導線ノが電極に対して平行に存在する。（第３
図参照）このときの近似計算によって０．５ｐＦを得る
。

＜ｐｉ　　コンデンサＣを用いない場合。（４）式より
（ｑ）　　コンデンサＣを用いて１分圧比が百分の１に
なるようにした場合。（１）式と（５）式よりＣａ＝４
４．５ｐＦ一方（４）式より。

Ｒｉｎ　＞　６４　ＭＱとなる。ｆｐ）と（ｑｌを比較すればわかるように。

コンデンサＣを用いれば、大きな分圧比を得るだけでな
く増幅器Ａの入力抵抗Ｒ３゜に対する条件も大幅に緩和
される。一般に知られた交流増幅器では入力抵抗が千Ｍ
Ｑ以上という条件はなかなか満足されないが、数百ＭＱ
の入力抵抗ならばそれほど困難ではないから、（ｇ）の
場合は実現性が大きいが（ｐ）の場合は実現性が少ない
。増幅器の入力抵抗が条件を満足しなければ、（８）式
に示すように、交流電圧検出器の感度は周波数によって
変化するだけでなく、増幅器の入力抵抗の変化も感度に
大きく影響を及ぼすことがわかる。（ｐ）の場合は、た
とえ条件が満足されても。

変化しゃすいＣｉｎや−の影響を無視できない。

以上の結果からも、コンデンサＣの有効性が理解される
。

ところで、従来の検電器の欠点を（イ）〜に）に記述し
たが、従来の検電器はコンデンサＣを用いない上に＜ｐ
）の条件を満足していないと考えられる。

第４図は、電界効果トランジスタを用いた増幅器を増幅
器Ａとする交流電圧検出器の回路例である。

第５　図ハ、　オペレーショナルアンプを用いり増幅器
を増幅器Ａとする交流電圧検出器の回路例である。特に
、第５図においては１電極Ｐと増幅器Ａの入力端子は同
軸ケーブルで接続され。

同軸ケーブルの有する静電容量をコンτンサＣで補正し
ている。なお、Ｇ′は電極Ｐに接近した位置に取付けた
端子で、増幅器Ａの接地のため用いる。

ところで、コンデンサＣに用いるコンデンサはフィルム
コンデンサやマイカコンデンサのヨー５に温度特性や周
波数特性が良いものがよ（、容器を可変にするためには
、トリマーコンデンサやバリアプルコンデンサ等がよい
。コンデンサとスイッチ回路を組み合せれば、検出感度
を段階的に可変することも可能である。

なお１本発明において交流電圧の検出感度を調節する方
法は、コンデンサＣの容量を変化させるだけでな（、増
幅器Ａの電圧利得島を変化させることによって行なうこ
とができる。

この発明は、以−にの説明で理解されるように静電誘導
現象を利用しながら、広い周波数帯域に対し同一な検出
感度で交流電圧を検出でき。

その検出感度も目的に応じて可変できるため１交流電圧
計やオシロスコープのアダプターとして場合によっては
、検電器としても応用できる。

なお増幅器Ａが高入力抵抗で低雑音であれば。

本発明は数ボルト以下の電圧にまで利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の交流電圧検出器を導線〕に近づけた場
合。第２図は第１図の等価回路。第３図は導線ノと電極
Ｐの関係の１例。第４図は電界効果トランジスタを用い
た交流電圧検出器の１例。第５図はオペレーショナルア
ンプヲ用いた交流電圧検出器の１例。第６図は電極Ｐの
取付手法の例Ｃはコンデンサ。Ｐは電極。Ａは増幅器。■およびＧは
増幅器Ａの入力端子。２および３は増幅器Ａの出力端子
。４は電気的絶縁材料で作られた容器。ノは導線。Ｃ，
Ｌは同軸ケーブル。 ■は交流電圧電源。−は増幅器Ａの電圧利得。Ｒｉｎは増幅器Ａの入力抵抗。Ｃｉｎは増幅器Ａの入力
容量。ｃｏは電極Ｐと被測定回路（導線１）間の静電容
量。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）増幅器Ａの接地側でない入力端子１と電圧を検出
するための電極Ｐを接続し、入力端子１と増幅器Ａの接
地側の入力端子Ｇを増幅器Ａの入力抵抗Ｒｉｎより十分
に小さい容量リアクタンスを有するコンデンサＣによっ
て短絡したことを特徴とする交流電圧検出器。
（２）増幅器Ａが電界効果トランジスタを用いた増幅器
である特許請求の範囲第１項の交流電圧検出器。
（３）増幅器Ａがオペレーショナルアンプを用いた増幅
器である特許請求の範囲第１項の交流電圧検出器。
（４）増幅器Ａの電圧利得Ａｍを可変にした特許請求の
範囲第１項の交流電圧検出器。
（５）電極Ｐと入力端子１をシールド線で接続した特許
請求の範囲第１項の交流電圧検出器。
（６）特許請求の範囲第５項のシールド線が同軸ケーブ
ルである交流電圧検出器。
（７）電極Ｐと入力端子１をコンデンサで結合した特許
請求の範囲第１項の交流電圧検出器。
（８）コンデンサＣが可変容量コンデンサである特許請
求の範囲第１項の交流電圧検出器。
（９）コンデンサＣをスイッチと複数のコンデンサで構
成した特許請求の範囲第８項の交流検出器。
（１０）コンデンサＣの容量が増幅器Ａの入力容量より
も十分大なる特許請求の範囲第１項の交流電圧検出器。