KR19990064069A - Ac전류 감지기 - Google Patents

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게리 케이. 헤버트
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    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers

Abstract

본 발명은 전기회로의 부하 임피던스(14)를 통하여 흐르는 AC전류를 검출하기 위한 전류감지기(10)에 관한 것이다. 감지기 구성요소는 다층기판 내에 구성된다(도3). 감지기는 전기회로의 전류경로(16, 18)과 직렬로 결합된 1차 코일(32)을 포함하는 트랜스 포머회로를 포함한다. 1차 코일(32)은 전도성 스트립의 형태인 전류경로요소(20A, 20B)를 포함한다. 트랜스포머 2차측(30)은 전류경로에 유도결합된 제 1 및 제 2 전도성 코일(30a, 30b)로 구성된다. 2차 코일은 서로 직렬이 되게 전기적으로 연결되어 전류경로의 전류에 응답하여 코일을 통해 발생된 전압이 부가되는 반면에 외부지계나 동일 기판의 인접한 감지기 사이의 누화에 의하여 코일에서 유도되는 간섭전압이 제거된다.

Description

ＡＣ전류 감지기
도 1은 본 발명의 전류감지기를 이용한 전기회로의 개략 다이아그램.
도 2A는 본 발명의 전류감지기의 일부로서 두 전류경로를 형성하고 전력원과 부하에 연결된 것을 보인 다층 코넥터 기판의 1차층을 보인 평면도.
도 2B는 도 2A의 다층 코넥터 기판의 다른 1차층을 보이고 본 발명의 전류 감지기의 일부로서 두 전류경로를 형성하는 것을 보인 평면도.
도 2C는 한 쌍의 전류감지기 코일이 도 2A에서 보인 코넥터 기판의 1차층의 전류경로를 통하여 흐르는 AC전류에 의하여 형성된 자계내에 각각 배치된 것을 보인 다층 코넥터 기판의 2차층의 평면도.
도 2D는 다른 쌍의 전류 감지기 코일이 도 2B에서 보인 코넥터 기판의 1차층의 전류경로를 통하여 흐르는 AC전류에 의하여 형성된 자계내에 배치된 것을 보인 다층 코넥터 기판의 다른 2차층의 평면도.
도 3은 본 발명의 전류감지기를 사용한 다층 전기회로가 제조되는 코넥터 기판을 보인 도 2A-도 2D의 3-3선 단면도.
도 4는 감지기의 여러부분의 상호 연결상태를 보인 도 1의 회로의 개략도.
도 5는 전류감지기의 2차 코일의 출력의 출력신호에 따라 주파수를 제거하기 위한 부가회로를 포함하는 도 1의 회로의 개략도.
도 6은 인접한 감지기로부터 간섭회로를 소거하기 위한 부가회로를 포함하는 도 5의 회로의 개략도.
본 발명은 전기회로의 부하 임피던스를 통하여 흐르는 교류(AC)의 진폭을 검출하고 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
전기회로의 부하 임피던스를 통하여 흐르는 교류의 진폭을 측정할 수 있는 것이 바람직할 때가 있다.
전도체를 통하여 흐르는 AC전류는 전도체의 주위에 교번자계를 만들어 내고 여기에서 자속밀도는 전도체로부터의 방사상 거리가 증가하면 감소하는 것이 알려져 있다. 순간자계강도는 순간전류진폭에 비례한다. 이러한 자계는 자계내에 전도성 개방루우프 또는 코일을 배치하므로서 검출될 수 있다. 교류전압은 자계의 강도에 비례하는 개방루우프의 단자를 통하여 유도된다. 전도성 루우프에 의하여 둘러싸인 자계가 전도체를 통한 전류에 의하여 형성되는 한 루우프 양단의 전압은 루우프의 전류에 비례할 것이다. 따라서 전도체를 흐르는 전류는 루우프의 전압을 측정하므로서 측정될 수 있다.
이러한 전류 검출기의 감도는 전도체의 일부를 하나 이상의 권수를 갖는 근접 권취코일처럼 형성하므로서 증가될 수 있다(권수는 자계를 감지하기 위하여 사용된 감지기의 요구된 감도에 따라 좌우된다). 잘 알려진 바와 같이, 권수가 크면 클 수록 주어진 전류에 대하여 형성된 자계의 크기가 커진다. 전류가 코일의 각 턴을 통하여 흐를 때에 자계가 형성되고 이는 상기 언급된 바와 같이 검출될 수 있다.
측정된 자계를 형성토록 코일에서 측정되는 전류를 반송하는 전도체의 일부를 형성하는 것의 한가지 결점은 코일이 측정전류의 전류경로에서 부가적인 임피던스를 부가하므로서 전류의 위상과 전류의 값에 영향을 주는 것이다. 대부분의 경우에 전류에 현저한 영향을 주지 아니하고 부하를 흐르는 전류를 측정하는 것이 바람직하며, 감지기의 임피던스가 매우 작은 것이 요구된다.
전류에 영향을 주지 않고 도선을 통하여 흐르는 전류를 감지하기 위한 홀-효과 감지기와 환상 감지코일과 같은 강제성이 낮은 장치가 알려져 있다. 예를 들어 환상 감지코일은 도선의 둘레에 형성된 자계의 적어도 일부를 위한 원형경로를 형성하기 위하여 전류 반송도체의 둘레에 배치된 환상 자기코아를 이용한다. 개방코일은 도체를 통하여 흐르는 AC 전류에 응답하여 코아에 형성된 자속을 감지하기 위하여 코아의 둘레에 권취된다. 도선을 통하여 흐르는 전류에 영향을 주지 아니하고 이러한 전류에 비례하는 전압이 개방코일의 양단에 유도된다. 그러나, 이러한 전류 감지장치는 부피가 크고 고가이어서 이들이 인쇄회로기판이나 공간 제한영역 또는 비강제성 전류감지기를 제공하는 것이 바람직한 일부의 분야에서는 사용이 적합치 않도록 한다.
예를 들어, 정확히 작동되는 것이어야 하는 대형빌딩의 비상경보 시스템에 사용된 전력 증폭기의 다수채널을 통하여 흐르는 AC 전류를 모니터하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 비상경보 시스템에 있어서는 중앙관제소에서 다중채널을 통하여 원격한 장속에 배치된 다수의 라우드 스피커에 음성 메시지가 전달된다. 어느 한 장소에서의 화재와 같은 장애가 발생하는 경우에 음성신호가 이러한 장소에 전달되지 않는다는 사실을 아는 것이 유리하다. 라우드 스피커에 의하여 재생된 소리의 충실도는 전력증폭기와 라우드 스피커 사이의 낮은 임피던스 연결에 따라 달라지며, 음성신호는 AC 전압 과/또는 전류로 구성되므로 전력증폭기와 각 원격장소 사이로 흐르는 AC 전류를 저렴한 방법과 비강제적인 방법으로 모니터 하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 전류경로의 임피던스에 현저한 영향을 주지 않는 콤팩트 하고 비강제형이며 고도로 정밀한 AC 전류 검출장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 인쇄회로기판과 같이 경제적으로 제조될 수 있는 전류감지기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 음성주파수 범위의 신호에너지를 갖는 전류를 검출하는데 사용될 수 있는 전류감지기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 감지기를 통과하는 측정전류에 대하여 낮은 임피던스를 갖는 전류감지기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 주파수와 관계 없이 전기회로를 통하여 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류감지기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다층기판 상에 구성되어 감지기 사이의 누화가 최소화 되거나 제거되는 다수의 감지기를 포함하는 전류 감지기 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 관점에 따라서, 본 발명은 부하에 현저한 영향을 주지 않고 전기회로의 부하 임피던스에 제공된 전류를 검출하기 위한 비강제형 전류 감지기를 제공한다. 이 회로는 전력원과, 이 전력원과 부하 임피던스 사이에 전류를 전도하는 전류경로를 포함한다. 감지기는 전류경로의 일부를 형성하고 트랜스포머 회로의 1차 코일을 형성토록 감지기를 전기회로의 부하 임피던스에 연결하기 위한 하나 이상의 전류요소, 전류경로요소의 부근에서 1차 코일에 자기적으로 근접하게 결합되도록 배치된 트랜스포머 회로의 하나 이상의 2차 코일과, 전류경로 요소를 통하여 흐르는 전류에 응답하여 부하 임피던스를 통하여 흐르는 전류를 나타내는 출력신호를 제공하기 위하여 상기 2차 코일에 결합된 한 쌍의 출력단자를 포함하고, 전류 경로요소는 상기 전기회로에 대하여 감지기에 의해 부가된 저항과 인덕턴스를 최소화 하도록 전력원과 부하 임피던스에 직렬로 결합된 전도성 물질의 짧은 체장형 세그먼트이다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 감지기의 구성부분은 다층기판에 구성된다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 균일한 외부자계에 의하여 감지기에 유도된 간섭신호를 소거하기 위한 수단이 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 다중 감지기의 구성부분이 동일 다층기판에 제공되고, 다른 감지기에 의하여 형성된 자계로부터의 누화에 의하여 각 감지기에 유도된 간섭신호를 소거하기 위한 수단이 제공된다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 전류감지기는 인쇄회로기판(PCB) 기술을 이용하여 다층기판의 일부로서 구성된다. 인쇄회로기판 기술은 전류감지기의 기본 구성부분이 기판의 일부로서 그리고 기판과 일체가 되게 제조될 수 있도록 하므로서 회로와 감지기 구성부분의 코스트를 낮출 수 있도록 하고 비강제형 장치를 제공토록 한다. 이와 같이 하므로서 다중감지기의 구성부분이 예를 들어 원격장소의 다중 라우드 스피커에 다중음성채널을 각각 연결하기 위한 단일 기판에서 결합될 수 있다.
도 1에서 보인 바와 같이, 본 발명의 전류감지기를 채택하는 전기회로는 전력원(12), 부하 임피던스(14)와 이들 둘을 연결하는 전류경로(16)(18)를 포함한다. 전류경로(16)(18)는 전력원을 부하에 연결한다. 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 전기회로는 전류를 반송하고 사용시에 감지기의 적어도 일부를 형성하는 코아레스 트랜스포머의 1차 측으로서 작용하는 루우프를 제공한다.
이러한 1차 루우프에 전류가 흐르므로서 전류경로의 둘레에 동심원 상으로 연장된 적어도 하나의 자계(이후 설명됨)가 형성된다. 본 발명에 따라서, 1차 측의 전류경로의 적어도 한 부분, 좋기로는 두 부분이 도 1의 전류경로요소(20A)(20B)로 보인 바와 같이 코넥터 기판(22)의 일부를 통과한다.
비록 1차의 단일 전류경로요소가 본 발명의 목적을 달성하는데 충분하다 하여도 둘 이상의 전류경로가 이후 상세히 설명되는 바와 같이 감지기의 출력을 증가시키기 위하여 다수의 2차 감지기 코일과 함께 사용된다.
본 발명의 전류 감지기는 교류의 흐름에 의하여 발생된 자계내 전도체의 개방 루우프를 배치하므로서 AC전류의 흐름에 응답하여 루우프의 단자에 전압이 유도되는 관측 가능한 현상에 기초하여 작동한다. 전류감지기는 도 1에서 부호 20A와 20B로 보인 바와 같이 1차 측의 전류경로요소에 유도결합된 하나 이상의 전도성 2차 코일에 유도된 전압을 측정하므로서 작동한다. 각 감지기의 2차 코일이 전기회로의 전류경로요소(20A)(20B)를 통하여 AC전류가 흐르는 동안에 형성되는 자계의 자취 내에 배치된다. 감지기의 코일은 전기회로의 각 전류경로요소(20A)(20B)를 통하여 AC전류가 흐르므로서 감지기의 2차 코일에서 유도된 모든 전압이 부가되게 구성된다. 유도된 전압의 합은 부하 임피던스를 통하여 흐르는 전류의 크기를 나타내고 이에 비례한다.
도 2A-도 2D와 도 3은 본 발명에 따른 적어도 하나의 전류감지기(24)를 이용한 다층기판(22)의 우선 실시형태를 보인 것이다. 도 2A와 도 2B는 각각 다층기판의 전도물질인 1차층(26a)(26b)의 평면을 보인 것이다. 이들 1차층은 각각 트랜스포머의 1차 코일의 전류경로 요소(20A)(20B)를 형성하고 예를 들어 전도층의 에칭 과/또는 플레이팅에 의하여 형성되는 감지기에 대한 구성요소와 와이어 연결부분을 포함한다. 도 2C와 도 2D는 대조적으로 다층기판의 전도물질인 2차층(28a)(28b)를 보인 것으로, 이들 각각은 트랜스포머의 하나 이상의 2차 전류감지기 코일(30)을 포함하고, 역시 예를 들어 전도물질의 층을 에칭 과/또는 플레이팅 하여 구성될 수 있다. 도 3은 다층 코넥터기판(22)의 우선 실시형태의 측면을 보인 것이다.
다시 도 1에서, AC전류는 양측 전류경로요소(20A)(20B)를 통하여 전력원(12)과 부하(14) 사이로 흐른다. 도 2A와 도 2B에서 보인 바와 같이, 우선 실시형태에서, 각 전류경로요소(20A)(20B)는 각각 양단부에서 본 발명에 따라서 기판을 통하여 외부 구성요소를 전기적으로 연결하기 위한 연결핀, 와이어 또는 유사한 장치가 삽입되기 위한 두 전도성 코넥터(38)에 전기적으로 연결된 전도성 물질의 각 1차층(26a)(26b)의 비교적 넓은 전도성 스트립(32)으로 형성된다. 이들 각 폭넓은 전도성 스트립(32)은 회로를 통하여 흐르는 전류에 대하여 낮은 임피던스 경로를 제공하여 이러한 회로를 통하여 흐르는 전류의 위상이나 진폭에 최소의 영향을 준다. 도시한 바와 같이, 이후 상세히 설명되는 이유로 전도성 스트립(32a)(32c)은 전류가 흐르는 두 병렬경로를 형성토록 양단에서 동일 코넥터(38)에 연결된다. 마찬가지로 요소(20B)는 이러한 요소를 통하여 흐르는 전류애 대한 두 병렬경로를 형성토록 양단에서 동일 코넥터(38)에 연결된 두 전도성 스트립(32b)(32d)을 포함한다. 그러나, 각 전류경로 요소가 보다 큰 감도를 제공하기 위한 다중 전류경로를 포함하는 반면에 본 발명의 목적을 달성하는데에는 단일 전류경로만으로도 충분하다.
비록 도 2A-도 2D가 분리 도시되어 있으나 이들은 도 3에서 보인 바와 같이 도 2A에 도시된 1차 회로층(26a)이 상부에 놓이고 도 2B에서 보인 1차 회로층(26b)이 하부에 놓이도록 상하 중첩되는 것이다. 각각 도 2C와 도 2D에서 보인 바와 같이 2차 회로층(28a)(28b)는 1차 회로층 사이에 개재되어 있다,
회로 연결상태를 용이하게 이해하기 위하여, 도 2A-도 2D에는 1차 연결부 1, 2, 3 및 4와 단자 A-H가 표시되어 있고 도 4에는 감지기의 구성부분의 연결부가 도시되어 있다. 각 코일(30)의 내부단자는 "I"로 표시한 반면에 외부단자는 "O"로 표시되어 있다. 도 4에서 보인 바와 같이, 접속부 A-H는 출력단자이고 이로부터 감지기 코일(30)을 통하여 유도된 전체 전압의 측정이 이루어질 수 있다. 제 1 전류 감지기 코일(30a)은 단자 A와 B 사이에 배치된다. 이 감지기 코일(30a)은 전도성 스트립(32a)(32c)에 유도결합되어 있다. 도시된 실시형태에서, 제 2 전류 감지기 코일(30b)가 단자 C와 D 사이에 배치된다. 이 감지기 코일(30b)는 전도성 스트립(32a)(32c)에 유도결합되고 전류 감지기 코일(30a)에 직렬로 연결되며 코일(30a)의 내부단자 "I"가 코일(30b)의 외부단자 "O"에 연결된다.
제 3 전류 감지기 코일(30c)이 단자 E와 F 사이에 배치된다. 이 감지기 코일(30c)은 전도성 스트립(32b)(32d)에 유도결합되고 제 1 세트의 코일(30a)(30b)에 직렬로 연결된다. 예시된 실시형태에 있어서, 제 4 전류 감지기 코일(30d)이 단자 G와 H 사이에 배치된다. 이 감지기 코일(30d)은 전도성 스트립(32b)(32d)에 유도결합되고 전류 감지기 코일(30c)에 직렬로 연결되며, 코일(30c)의 외부단자 "O"가 코일(30d)의 내부단자 "I"에 연결된다.
접속부 B-C, D-E와 F-G는 도 2A와 도 2B에서 부호 34로 보인 바와 같이 각 감지기 코일(30a-d) 사이으 전기연결부이다. 이들 전기연결부는 도 2A와 도 2B에서 보인 바와 같이 1차 회로층(26a)(26b)에 배치되고 예를 들어 에칭 과/또는 플레이팅으로 구성된다. 이들은 2차 회로층에서 감지기 코일(30a-d)를 서로 연결하는데 유용한 목적으로 사용된다.
2차 감지기 코일(30)은 전력원(12), 부하(14) 및 전류경로(16)(18)로 구성되는 1차 전기회로에 전기적으로 연결되지는 아니한다. 이들은 다만 전류경로에 유도결합되어 이들이 전류가 흐르는 동안에 전류경로요소(20A)(20B)의 둘레에 형성된 자계를 검출할 수 있도록 되어 있다. 따라서, 이들 코일은 회로의 임피던스에 n의 영향을 주지 아니한다. 다른 한편으로, 회로의 전류경로요소가 코아레스 트랜스포머의 1차측을 형성하여 연결부에 의하여 형성된 개방루우프가 단자 A-단자 H로부터 형성되며, 여기에서 4개의 코일(32)이 직렬로 연결되어 상기 트랜스포머의 2차측을 형성한다.
도 3은 다층 코넥터 기판의 4개 층의 단면을 보이고 하나의 전류경로 요소(20A)와 전류감지기의 코일을 보이고 있다. 요소(20B)와 그 코일은 실질적으로 동일하다. 각 회로층은 절연물질의 층(36)에 의하여 분리되는 것이 좋다. 상부 1차 회로층(26a)은 절연물질 층(36a)에 직접 구성되는 전도성 스트립(32b)을 포함한다. 절연층(36a)의 하측의 2차 회로층(28a)은 전도성 스트립(32b)(32d)에 유도결합된 감지기 코일(30d)을 포함한다. 감지기 코일(30d)는 코일을 전류경로로부터 분리하고 회로 내에 포함된 부가 감지기 코일로부터 분리하는 다른 절연층(36b)에 직접 형성되어 있다. 예시된 실시형태에서, 다른 2차 회로층(28b)는 절연층(36b)의 하측에 놓여 있고 선행 2차 회로층의 감지기 코일(30d)에 전기적으로 직렬로 연결된 부가 감지기 코일(30c)을 포함한다. 선행 2차층의 경우와 같이, 감지기 코일(30c)은 전도성 스트립(32b)(32d)에 유도결합되어 있다. 감지기 코일(30c)은 절연층(36c)에 직접 형성된다. 부가 감지기코일을 포함하는 부가 2차 회로층은 1차 회로층 사이의 다층 코넥터 기판에 결합될 수 있다. 끝으로, 저면층(26b)은 전도성 스트립(32b)과 함께 전류경로 요소(20A)를 형성하는 전도성 스트립(32d)을 포함한다. 전자 구성요소의 리드선과 코넥터기판의 도금통공(38) 사이의 전기적인 납땜연결은 1차층(26a)(26b)에서 이루어진다.
각 전도성 코일(30)은 개방루우프 트랜스포머 2차측의 코일을 구성한다. 해당 전도성 스트립(32)을 통하여 그리고 코일과 멀리 떨어져 있는 부가전도성 스트립을 통하여 교류전류가 흐르므로서 형성된 자계에 응답하여 각 코일을 통해 전압이 발생된다. 적어도 하나의 코일이 회로의 전류경로의 각 전도성 스트립(32)의 부근에 배치된다. 각 전도성 스트립 부근의 코일이 스트립에 의하여 형성된 전류경로에 유도적으로 밀착결합되어 있으나 동일회로에 다른 전도성 스트립에 의하여 형성된 다른 전류경로에 대하여서는 다소 느슨하게 유도결합되어 있다. 환언컨데, 코일은 스트립 또는 스트립들을 통하여 전류가 흐르는 동안에 형성된 자계의 자취 내에 놓인다. 이에 관하여 도 2A-도 2D와 도 3에서 보인 바와 같이, 각 코일은 사각형의 형태로 구성되어 코일의 개방부가 길이는 길고 폭은 좁게 되어 있다. 아울러, 결합되는 전도성 스트립 또는 스트립들이 코일의 장측부와 직접 수직으로 정렬된 코일의 상부 또는 하부에 배치된다. 개방부의 긴 길이는 전류가 흐를때에 전도성 스트립(32)의 둘레에 형성된 자계(40A)(도 3에서 보임)의 상당부분이 교차할 수 있도록 한다.
코일(30a)(30b)(30c)(30d)는 2차 코일이 어느 정도 유도결합된 전류경로에 전류가 흐르므로서 코일에서 유도된 모든 전압이 부가되게 구성되어 있다. 특히 도 3에서 보인 바와 같이, 자속라인(40A)은 전도성 스트립(32b)을 통하여 흐르는 전류에 의하여 형성된 자계에 의하여 형성되고 자속라인(40B)는 전도성 스트립(32d)를 통하여 흐르는 전류에 의하여 형성된 자계에 의하여 형성된다. 이들이 도 3에서 시계방향으로 연장되는 것으로 도시되어 있다(즉, 전류가 도면의 평면으로 향하는 방향으로 스트립에서 흐를 때에). 따라서 두 코일을 통하여 생성도니 전압은 극성이 동일하다. 코일(30c의 외부단자가 F에서 코일(30d)의 내부단자에 연결되게 코일(30c)(30d)이 연결되므로서 두 코일전압이 부가될 것이다. 유사한 효과가 전도성 스트립(32a)(32c)을 통하여 흐르는 동일한 전류에 의하여 나타나서 모든 4개의 2차 코일을 통한 전압이 부가될 것이다. 그 결과로서 감지기 코일의 유도전압은 부하를 통하여 흐르는 전류의 크기를 나타내고 다음 등식에 따라서 각 감지기 코일의 각 루우프에 대하여 계산될 수 있다.
(1) Vout= Ef(μlIo/2 W)
이 등식에서,
E는 그 값이 1차 전도성 경로와 감지기 코일의 구조와 이들 상호간의 공간관계에 따라 변하는 상수이다.
Vout은 감지기 코일의 각 루우프에서 유도된 전압의 순간 값이다.
μ는 자계가 형성되는 매체의 투자율이다.
l은 전류가 흐르는 전류경로의 길이(그리고 또한 감지기 코일의 일부를 형성하는 하나의 전도성 루우프의 길이)이다.
Io는 부하 임피던스를 통한 피크전류이다.
W는 전류경로의 폭이다.
f는 헬츠(㎐) 단위인 교류전류의 주파수이다.
감지기는 전류경로를 통하여 흐르는 순간전류를 나타내는 순간전압 출력을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 순간전압의 측정값으로부터 평균전압(즉, 전압의 rms 값), 또는 피크전압과 같은 전압의 다른 값을 용이하게 측정할 수 있다.
본 발명의 감지기는 주파수 증가에 비례하여 증가하는 주파수 응답을 갖는다. PCB 트랜스포머가 최대 및 최소 주파수의 비율이 매우 낮은 음숭 주파수 회로와 함께 사용되는 예를 들어 80M㎐와 120M㎐ 사이의 매우 높은 주파수에서, 주파수 종속성이 한정될 필요는 없다. 그러나, 최대 및 최소 주파수의 비율이 1000:1인 음성범위(20㎐-20K㎐)의 비교적 낮은 주파수에서, 이러한 주파수의 종속성은 현저하다. 감지기의 주파수 종속성을 제거하고 높은 음성주파수에서 응답을 정규화하기 위하여 2차 코일로부터의 출력신호는 주파수의 역수에 비례하는 주파수 응답을 갖는 증폭기에 공급되는 것이 좋다. 도 5에서 보인 바와 같이, 2차 코일의 일측단부는 입력저항(50)을 통하여 연산 증폭기 O1의 반전입력에 연결되는 반면에 2차 코일의 타측단부는 저항(52)을 통하여 증폭기 O1의 비반전 입력에 연결된다. 또한 증폭기의 비반전 입력은 저항(54)과 캐패시터(56)를 통하여 시스템 접지에 연결된다. 피드백 저항(58)과 피드백 캐패시터(60)가 증폭기 O1의 출력 및 반전입력 사이에 병렬로 연결되어 구조가 적분 증폭기를 구성한다. 우선 실시형태에서 저항(50)(52)은 동일 값(R1)을 가지고, 저항(54)(58)도 동일 값(R2)을 가지며 캐패시터(56)(60)도 동일 값(C1)을 갖는다. 증폭기 O1, 입력저항(50) 및 피드백 저항(58)과 피드백 캐패시터(60)가 -1/(2πR1C1)과 같은 주파수 응답 k를 갖는 적분기를 구성한다. 증폭기 O1으로부터 출력전압 U1X는 다음과 같이 표현된다.
(2) UIX= (Vout)(-1/(2πR1C1f))
Vout= Ef(μlIo/2 W) 이므로, 출력전압은 다음과 같이 표현된다.
(3) UIX= -EμlIo/(4 WπR1C1f)
이와 같이 출력신호 UIX는 주파수 f와 무관하다. 이후 언급되는 이유로 출력신호 UIX의 반전값은 증폭기 O1의 출력이 공급되도록 연결된 것으로 보인 반전증폭기 O3의 출력에 의하여 나타내는 바와 같이 출력신호 -UIX를 제공토록 유도된다.
회로에서 4개의 2차 감지기 코일(30)은 이미 언급된 바와 같이 직렬로 연결된다. 이러한 코일구성 으로부터 얻는 다른 잇점은 회로의 감지기의 코일을 통과하는 균일한 외부자계의 효과가 실질적으로 제거되는 점이다. 이러한 자계는 예를 들어 인접한 트랜스포머 또는 다른 유사한 장치에 의하여 형성된다. 예를 들어 도 3에서 자속라인(42)으로 보인 이들 외부자계는 통상 잡음 또는 힘으로 불리는 불필요한 간섭신호로 이 회로에서 명백하게 나타나는 표유전압이 감지기 코일에서 발생할 수 있다. 실제로 이러한 외부자계의 크기와 강도는 회로부근에서 균일한 것으로 고려된다. 그러나, 본 발명에 따라 구성된 코일로서 이들 외부자계에 의하여 각 쌍의 감지기(30a-30b)와 감지기(30c-30d)(도 3에서 점선의 화살표로 보임)를 통하여 발생된 전압은 두 코일(30a)(30b)과 두 코일(30c)(30d)가 형태가 동일하고 크기가 동일하며 동일한 권수로 구성되고 상하 배치된 경우에 실제로 소거되어 한 셋트의 양측 코일이 외부자계로부터 동일한 양의 자속을 감지한다. 이와 같이 코일(30a)(30d)(또는 코일 30b와 30c를 통하여)을 통하여 지나는 외부자계로부터의 자속이 직렬로 연결된 두 코일이 서로 반대로 권취도어 있으므로 서로 효과적으로 소거되는 전압이 두 코일을 통하여 유도될 것이다.
이에 관하여 도 4에서 전도성 스트립(32b)(32d)로부터의 일부 자속이 코일(30a)(30b)에 의하여 감지될 수 있고 코일(30a)(30b)을 통하여 외부에러 전압을 유도할 것이며, 이는 전도성 스트립(32a)(32c) 둘에의 자계에 의하여 형성된 자속으로부터 유도된 전압으로부터 감산될 것이다. 그러나, 코일(30a)(30b)이 전도성 스트립(32a)(32c)로부터의 거리보다 더 큰 방사상 거리에서 전도성 스트립(32b)(32d)로부터 간격을 두고 있어 감지된 에러자계는 전도성 스트립(32a)(32c)로부터 감지된 자계보다 작을 것이다. 이는 간판(22)의 전도성 층의 제공을 위한 이유를 제공하므로서 코일(30c)(30d)가 전도성 스트립(32b)(32d) 사이에 놓인다.
전기회로 내에서 감지기 코일의 이러한 구성의 효과는 회로에 AC 전류가 흐르므로서 감지기 코일에서 유도된 전압으로부터 전류가 정확히 측정되는 반면에 외부자계의 존재로부터 나타나는 간섭신호가 효과적으로 제거된다.
이와 같이, 도 2A-도 2D의 예신된 실시형태에서, 단자 A와 H 사이에는 4개의 전류 감지기(30a-30d)가 있다. 그러나, 적어도 하나의 감지기 코일이 각 전류전도요소(20)의 적어도 하나의 전도성 스트립에 유도결합된 경우에 이 보다 많거나 적은 감지기 코일이 사용될 수 있다. 예를 들어 감지기가 외부자계에 의하여 현저한 영향을 받지 아니하고 하나의 감지코일(30)에 의하여 제공된 신호가 적합한 경우(예를 들어 코넥터 기판이 충분히 차폐된 경우와 같이), 단 하나의 전도성 스트립과 이에 유도결합된 하나의 코일(30)이 사용될 수 있다. 더우기 유사한 상황하에서 단 하나의 전류경로요소(20)는 하나의 코일과 함께 사용될 수 있다. 감지기는 예를 들어 코일을 통하여 유도된 전압이 부가되는 한 전도성 요소(20)를 형성하는 코일과 전도성 스트립을 증가시키므로서 보다 민감하게 할 수 있다. 감지기의 수와 단일 드중층 코넥터 기판에 일체로 형성된 감지기당 코일 및 전도성 스트립의 수는 코넥터 기판의 코스트와 유효높이, 폭 및 두께의 함수이다. 예를 들어 코일수가 많으면 다이나믹 레인지와 검출감도가 증가할 수 있으나 기판의 제조코스트가 증가할 것이므로 최적화가 요구된다.
이상으로 설명된 장치는 전류경로의 임피던스에 현저한 영향을 주지 않고 콤팩트하고 비강제형이며 고도로 정밀한 전류검출용 감지기를 제공하므로서 감지기를 통한 전류의 낮은 임피던스 경로를 제공한다. 감지기는 음성 주파수 범위내의 신호 에너지를 갖는 전류를 검출하는데 특별히 유용하다. 중요한 것은 전류감지기는 회로인쇄기판의 일체부품으로서 용이하게 제조될 수 있다는 것이다. 예를 들어 많은 감지기가 예를 들어 비상경보 시스템의 다중 전력증폭 채널을 갖는 단일 코넥터 기판에 저렵하게 결합될 수 있다. 이러한 구성에서 8개의 독립된 감지기가 8곳의 원격한 장소로 흐르는 전류를 모니터 하기 위하여 전력증폭기의 단일 코넥터 기판에 집적된다.
본 발명의 감지기와 전류경로 구성의 다른 잇점은 기판의 인접한 감지기에서 유도된 에러자계 전압에 의하여 발생된 간섭신호(소위 "누화")가 제거되는 것이다. 주어진 감지기의 출력신호에 대한 어떠한 감지기로부터의 간섭신호의 효과가 측정되고 적당한 보정신호가 기판에서 다른 감지기 에 의한 간섭신호를 제거하도록 주어진 감지기로부터의 출력에 가하여진다. 비록 보정신호의 크기가 경험적으로 결정되어야 하나 이는 1차 신호의 주파수에 비례하고 기판의 1차 전도성 경로와 감지기 코일의 구조적이고 내부공간적 관계로부터 결정될 수 있다.
신호보정 방식이 도 6에 도시되어 있다. UIX는 주어진 감지기 코일 SX로부터의 출력전압(도 5의 연산증폭기로부터의 출력전압)이다. Ux+1, Ux+2, …, Ux+a는 주어진 감지기 Sx의 일측에서 각 부가적인 감지기 Sx+1, Sx+2, …, Sx+a로부터의 출력전압을 나타낸다. 출력전압 Ux-1, Ux-2, …, Ux-b는 주어진 감지기 Sx의 타측에서 각 부가적인 감지기 Sx-1, Sx-2, …, Sx-b로부터의 출력전압을 나타낸다. 등식(3)으로부터의 출력신호 U1x는 감지기와 각 원격전류경로 사이의 2차 유도결합의 결과로서 간섭 또는 누화신호를 포함하고 다음과 같이 표현될 수 있다.
(4) U1x= c[Iox+mx-1Iox-1+…+mx-bIox-b+mx+1Iox+1+…+mx+aIox+a]
여기에서 c는 kμl/2 W와 같은 상수이다(k는 -1/2πR1C1과 동일함). 모든 감지기로부터의 출력신호 U2x는 U1x의 값과 모든 다른 감지기로부터의 모든 간섭신호의 합과 동일하다. 이러한 관계가 다음과 같이 표현될 수 있다.
(5) U2x= -(R3/R4)CIox+(R3/R4)Cmx-1Iox-1+…+(R3/R4)Cmx-bIox-b
-(R3/R4)mx+1Iox+1-…-(R3/R4)mx+aIox+a
-(R3/Rx-1)Ux-1-…-(R3/Rx-b)Ux-b
+(R3/Rx+1)Ux+1+…+(R3/Rx+a)Ux+a
등식(5)의 제 1 및 제 2 행은 채널 x에서 감지기 Sx로부터의 요구된 신호와 요구되지 않은(즉, 간섭) 신호성분을 나타낸다. 제 3 및 제 4행은 보정신호를 나타내는 다른 감지기 Sx-1, …Sx-b와 Sx+1, …Sx로부터의 간섭신호으 합을 나타낸다. 용어 mx-1은 각 채널 x-i로부터 채널 x까지 간섭신호의 상대 크기에 대한 스케일 팩터이다. 채널의 총수는 a+b+1 이다.
Rx-1, …Sx-b와 Rx+1, …Sx+a(경험적으로 측정됨)에 대한 적당한 저항값을 선택하므로서 각 보정신호는 감지기 Sx의 일측에서 감지기로부터의 간섭신호 Ux-1, …Ux-b에 대하여, 그리고 감지기 Sx의 타측에서 감지기로부터의 간섭신호 Ux+1, …Ux+2에 대하여 크기는 같고 극성이 반대일 수 있다. 그 결과로 기판의 인접한 감지기에 의하여 발생된 간섭신호가 소거되고 다음과 같이 표현되는 감지기 Sx에 의하여 감지된 신호중에서 요구된 "실" 신호만이 남게 된다.
(6) U2x= -(R3/R4)cIox
도 6에서 보인 바와 같이, 도 5의 주파수 보상회로로부터의 모든 출력전압이 연산증폭기 O2의 부입력단자에 공급된다.
이미 언급된 바와 같이, 본 발명의 전류감지기의 코일구성은 회로의 다른 부분으로부터의 신호에 대하여 반대극성을 가지므로 회로의 부분으로부터 신호를 식별한다. 이와 같이, 예를 들어 코일(30a)(30b)와 코일(30c)(30d)를 통과하는 균일한 외부자계에 의하여 감지기(30a)(30b)에서 유도된 간섭신호에 의하여 상쇄되고 소거된다. 이와 같이, 상기 언급된 바와 같이, 어떠한 감지기 Sx로부터의 출력신호 U2x는 입력신호에 비례하고 주파수에 무관하며 균일한 외부자계에 의하거나 인접한 감지기로부터의 누화간섭에 의한 외부 신호성분을 포함하지 아니한다.
이상의 본 발명은 그 범위를 벗어남이 없이 상기 장치에 대하여 어느 정도의 변경이 있을 수 있으므로 상기 설명내용과 첨부도면은 어떠한 제한을 두고자 한 것이 아니고 다만 본 발명의 설명을 위한 것으로 이해되어야 한다.

Claims (9)

  1. 부하에 현저한 영향을 주지 아니하고 전기회로의 부하 임피던스에 가하여진 전류를 검출하기 위한 것으로, 이 회로가 전력원과 이 전력원과 부하 임피던스 사이로 전류를 전도하기 위한 전류경로를 포함하는 전류감지기에 있어서, 감지기가 전류경로의 일부를 형성하고 트랜스포머회로의 1차 코일을 형성토록 전기회로의 부하 임피던스에 감지기를 연결하기 위한 하나 이상의 전류요소, 전류경로요소 가까이에서 1차 코일에 근접하게 자기적으로 결합되도록 배치된 트랜스포머회로의 하나 이상의 2차 코일과, 상기 2차 코일에 결합되어 전류경로요소를 통하여 흐르는 전류에 응답하여 부하 임피던스를 통한 전류를 나타내는 출력신호를 제공하기 위한 한 쌍의 출력단자를 포함하고, 전류경로요소는 상기 감지기에 의하여 상기 전기회로에 부가된 저항과 인덕턴스를 최소화 하도록 전력원과 부하 임피던스에 직렬로 결합된 전도성 물질의 짧은 체장형 세그먼트임을 특징으로 하는 AC전류 감지기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 코일과 상기 전류경로의 상기 부분이 상기 전류경로의 상기 부분과 상기 2차 코일을 형성하는 전기적인 전도성 물질을 포함하는 다층기판상에 배치됨을 특징으로 하는 전류감지기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전류경로의 상기 부분과의 사이에 최소한으로 자기적으로 결합되도록 상기 1차 코일의 상기 전류경로의 상기 부분으로부터 간격을 두도록 배치된 하나 이상의 다른 2차 코일을 포함하고, 상기 2차 코일이 상기 2차 코일을 통하여 통과하는 균일한 자속에 응답하여 상기 출력단자에 이상 신호성분을 제공토록 전기적으로 결합되어 상기 이상 신호성분이 상호 소거됨을 특징으로 하는 전류감지기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 2차 코일과 상기 전류경로가 상기 전류경로와 상기 2차 코일을 형성하는 전기적인 전도성 물질을 포함하는 다중층 기판상에 배치됨을 특징으로 하는 전류감지기.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 다른 2차 코일이 상기 전류경로의 하나 이상의 다른 부분에 근접한 상기 1차 코일에 근접하여 자기적으로 결합되도록 배치되고 상기 하나의 다른 2차 코일이 상기 전류경로의 제 1의 언급된 부분에 최소한으로 자기결합 되며, 상기 전류경로의 양측부분을 통하여 흐르는 전류에 응답하여 상기 출력단자에서의 신호성분이 서로 부가되고 상기 전류경로의 상기 다른 부분이 감지기에 의하여 상기 전기회로에 부가된 저항과 임피던스를 최소화 하도록 상기 전력원과 상기 부하 임피던스에 직렬로 결합된 전도성 물질의 짧은 체장형 세그먼트임을 특징으로 하는 전류감지기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 2차 코일과 상기 출력단자 사이에 결합되어 주파수에 관계없이 상기 출력신호를 발생하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 전류감지기.
  7. 부하 임피던스와 이에 대하여 연결된 전류경로를 포함하는 전기회로의 상기 부하 임피던스를 통하여 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류감지기 시스템에 있어서, 전류감지기 시스템이 상기 전류경로와 부하 임피던스에 전기적으로 직렬 결합된 1차 코일, 일측코일이 상기 전류경로의 일부분에 근접하여 상기 1차 코일에 자기적으로 결합되도록 배치되고 타측코일이 상기 일측의 다른 2차 코일과 상기 전류경로의 상기 부분 사이에 최소한으로 자기결합 되도록 상기 1차 코일의 상기 전류경로의 상기 부분으로부터 간격을 두고 배치된 두개의 2차 코일과, 상기 전류경로를 통하여 흐르는 전류에 응답하여 부하 임피던스를 통한 전류를 나타내는 출력신호를 제공하기 위하여 상기 2차 코일에 결합된 한 쌍의 출력단자를 갖는 트랜스포머를 포함하는 하나 이상의 감지기로 구성되고, 상기 2차 코일과 상기 전류경로의 상기 부분이 상기 전류경로의 상기 부분과 상기 2차 코일을 형성하는 전도성 물질을 포함하는 다층기판상에 배치됨을 특징으로 하는 전류감지기 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 2차 코일과 상기 각 감지기의 상기 전류경로의 상기 부분이 상기 전류경로의 상기 부분과 상기 2차 코일을 형성하는 전도성 물질을 포함하는 상기 다층기판상에 배치됨을 특징으로 하는 전류감지기 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 다층기판에 배치된 상기 타측 감지기의 1차 코일에 의하여 발생된 자계에 영향을 주는 각 감지기의 출력단자에서의 누화를 최소화 하거나 제거하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 전류감지기 시스템.
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