KR20030024732A - 보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서 - Google Patents

보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서 Download PDF

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KR20030024732A
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Abstract

본 발명은 개방 루프 타입 전류 센서의 구현에 있어서 발생되는 오프셋 신호의 기울림 현상, 온도변화에 따른 드리프트 특성 및 홀소자의 불평등 현상에서 발생되는 출력신호의 오프셋 편차를 보상할 수 있는 회로를 구비한, 개방 루프 타입 전류 센서를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 개방 루프 타입 전류 센서에 있어서, 측정전류(IF)가 흐르는 자성체(80)의 자력을 측정하기 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(330); 홀소자(90)의 안정된 동작을 위하여 정전류를 공급하기 위한 정전류 공급부(310); 자력 측정부(330)의 출력신호를 증폭하기 위한 차동 증폭부(340); 차동 증폭부의 온도변화 특성에 따른 드리프트 특성 및 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320); 및 차동 증폭부(340)의 연산증폭기(A1) 신호에 대해 직선적인 이득(GAIN) 조정이 가능하며, 차동 증폭부(340)의 이득을 전압신호로 출력하기 위한 이득 조정부(350)를 포함하며, 상기 이득 조정부(350)는, 출력신호의 위상변화를 보정하기 위한 위상보정 보상부(351)를 포함하고, 상기 자력 측정부(330)는, 출력 신호의 오프셋 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋 조정기(ZERO-OFFSET)(331)를 포함한다.

Description

보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서{OPEN LOOP TYPE CURRENT SENSOR INCLUDING COMPENSATION SERCUIT}
본 발명은 개방 루프 타입 전류 센서에 관한 것이다.
이러한 전류 센서는 일반적으로 전력장비로 취급될 수 있으며, 따라서 전기, 전자분야에서 널리 이용되고 있으나, 모든 기계의 구동과 제어는 전기적 시스템에 의존하고 있으므로 전류 센서는 산업 전 분야에서 다양하게 이용된다고 할 수 있다.
즉, 인버터, 정류기, UPS(무정전전원장치), 용접기, 엘리베이터, 무인반송차, 전동지게차, 전기자동차, 철도차량, FA 및 BA시스템, 항공, 선박, 군수용품 등 전류센서는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다.
한편, 종래에는 전류 센서로써 전류변환기(CURRENT TRANSFORMER)(CT) 및 션트(SHUNT)(전류측정을 위한 저항체) 등을 사용하였으나 CT의 경우 전자유도방식이므로 일정 주파수대역의 교류전류 측정에 국한되어 있고 오차율이 2 - 5%대로 성능이 떨어진다는 문제점이 있다.
또한, 션트의 경우 대용량에서는 부피가 매우 커지고 가격이 비싸지며, 자체 발열로 인한 오차가 커진다는 점과 측정전류와 출력신호의 전기적 절연이 이루어지지 않기 때문에 시스템에 치명적 손상이 미칠 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 개방 루프 타입 전류 센서가 이용되기도 하였는데 이에 대하여는 도 1 및 도 2 를 참조하여 그 구성 및 개념을 설명하도록 하겠다.
도 1 은 일반적인 개방 루프 타입 전류 센서의 일실시예 계략도이며, 도 2 는 일반적인 개방 루프 타입 전류 센서의 일실시예 구성도이다.
즉, 일반적인 개방 루프 타입(OPEN LOOP TYPE) 전류센서는 도 1 에 도시된 바와 같은 구성을 갖고 있으며, 그 기본 개념은, 측정전류(IF)와 비례하는 자성체(80)의 자속이 발생하면 자성체의 공극 양단에서는 자력에 상응하는 자극이 형성되는데 이의 자극과 자력을 홀소자(90)를 통해 전기적 신호로 변환/증폭하므로써 출력신호가 발생하도록 하는 것이다.
이를 위해, 일반적인 개방 루프 타입 전류 센서는 도 2 에 도시된 바와 같이 홀소자(90)의 안정된 동작을 위하여 정전류를 공급하기 위한 정전류 공급부(210), 자성체(80)의 자력 측정을 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(230), 자력 측정부의 출력신호를 증폭하기 위한 차동 증폭부(240) 및 차동 증폭부(240)의 연산증폭기 신호에 대해 직선적인 이득(GAIN) 조정이 가능한 이득 조정부(250)를 포함하여 구성되어 있다.
즉, 측정전류 IF가 흐를 때, 자성체(80)의 공극 사이에서 자력과 자극이 발생하면 이 공극 사이에 삽입되어진 홀소자(90)에서 이에 상응하는 기전력이 발생하여 저항을 통하여 차동 증폭부(240)의 연산증폭기에 입력된다. 이때 차동 증폭부(240)의 이득은 이득 조정부(250)의 T형 필터를 통해 전압신호로 출력된다.
한편, 상기와 같은 원리에 의해 개방 루프 타입 전류 센서를 구성할 경우, 아래에서 지적한 바와 같은 문제점이 발생하게 되며, 그에 대한 보상이 이루어져야 한다.
첫째, 1개의 연산증폭기로 이루어진 차동 증폭부(240)는, 홀소자의 오차분과 수동소자의 오차분 및 연산증폭기의 반전과 비반전입력단의 임피던스 차에 따른 동상차동이득분(CMRR)을 저하시키는 영향력을 크게 받게 되며, 이러한 현상으로 인해 전류측정이 이루어지지 않는 최초 출력신호인 오프셋(OFFSET) 출력신호의 기울림 현상 및 온도변화에 따른 드리프트 특성이 가속화되어 나타난다는 문제점이 있다.
둘째, 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋(OFFSET) 편차를 상쇄하기 위한 보상회로가 구현되어야 한다.
셋째, 차동증폭부(240)의 이득가변에서 오는 출력신호의 위상보정을 위한 보상회로가 구현되어야 한다.
그러나, 종래의 개방 루프 타입 전류센서는 상기한 바와 같은 문제점 및 그에 대한 보상회로를 고려하지 않고 구현되므로써, 전류센서로서의 완벽한 기능을수행할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 개방 루프 타입 전류 센서의 구현에 있어서 발생되는 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상, 온도변화에 따른 드리프트 특성 및 홀소자의 불평등 현상에서 발생되는 출력신호의 오프셋 편차, 이득가변에서 나타나는 위상의 보정을 보상할 수 있는 회로를 구비한, 개방 루프 타입 전류 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 일반적인 개방 루프 타입 전류 센서의 일실시예 계략도.
도 2 는 일반적인 개방 루프 타입 전류 센서의 일실시예 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서의 일실시예 회로도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 개방 루프 타입 전류 센서에 있어서, 측정전류(IF)가 흐르는 자성체(80)의 자력을 측정하기 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(330); 상기 홀소자(90)의 안정된 동작을 위하여 정전류를 공급하기 위한 정전류 공급부(310); 상기 자력 측정부(330)의 출력신호를 증폭하기 위한 차동 증폭부(340); 상기 차동 증폭부의 온도변화 특성에 따른 드리프트 특성 및 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320); 및 상기 차동 증폭부(340)의 연산증폭기(A1) 신호에 대해 직선적인 이득(GAIN) 조정이 가능하며, 상기 차동 증폭부(340)의 이득을 전압신호로 출력하기 위한 이득 조정부(350)를 포함하며, 상기 이득 조정부(350)는, 상기 차동 증폭부(340)와 이득 조정부(350)의 이득 가변에 따른 출력신호의 위상변화를 보정하기 위한 위상보정 보상부(351)를 포함하고, 상기 자력 측정부(330)는, 상기 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력 신호의 오프셋 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋 조정기(ZERO-OFFSET)(331)를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3 은 본 발명에 따른 보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서의 일실시예 회로도이다.
본 발명에 따른 보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서는 도 1 에 도시된 바와 같은 기본 구성 및 개념을 바탕으로 구현된 것으로서, 상기 종래의 기술에서 설명된 보완 사항들을 고려하여 보상회로들을 추가한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 개방 루프 타입 전류 센서는, 도면에 도시된 바와 같이 홀소자(90)의 안정된 동작을 위하여 정전류를 공급하기 위한 정전류 공급부(310), 자성체(80)의 자력 측정을 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(330), 자력 측정부의 출력신호를 증폭하기 위한 차동 증폭부(340), 차동 증폭부의 온도변화 특성에 따른 드리프트 특성을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320) 및 차동 증폭부(340)의 연산증폭기(A1) 신호에 대해 직선적인 이득(GAIN) 조정이 가능한 이득 조정부(350)로 구성되어 있으며, 상기 이득 조정부(350)는 이득가변에 따른 연속적인 위상의 보정을 위한 위상보정 보상부(351)를 포함하고, 상기 자력 측정부(330)는 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력 신호의 오프셋 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋 조정기(ZERO-OFFSET)(331)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 개방 루프 타입 전류 센서의 동작과정을 설명하면 다음과 같다
즉, 측정전류 IF가 흐를 때, 자성체(80)의 공극 사이에서 자력과 자극이 발생하면 이 공극 사이에 삽입되어진 홀소자(90)에서 이에 상응하는 기전력이 발생하여 저항 R5와 R6을 통하여 차동 증폭부(340)의 연산증폭기(A1)에 입력된다.
이때, 차동 증폭부(340)의 이득은((R7=R8)/(R5=R6))X K로 되어 이득 조정부(350)의 저항 R11, R12 및 커패시터 C4로 구성된 T형 필터를 통해 전압신호로 출력된다.
한편, 본 발명은 상기한 바와 같이 개방 루프 타입 전류 센서를 구성할 경우 발생할 수 있는 문제점을 다음과 같이 해결하였다.
첫째, 1개의 연산증폭기(A1)로 이루어진 차동 증폭부(340)는, 3개 이상의 연산증폭기로 구성된 차동 증폭부에 비해, 홀소자의 오차분과 수동소자의 오차분 및 연산증폭기(A1)의 반전과 비반전입력단의 임피던스 차에 따른 동상 차동 이득분(CMRR)을 저하시키는 영향력을 크게 받게 되며, 이러한 현상으로 인해 전류측정이 이루어지지 않는 최초 출력신호인 오프셋(OFFSET) 출력신호의 기울림 현상 및 온도변화에 따른 드리프트 특성이 가속화되어 나타난다는 문제점이 있다.
그러므로, 저항 R8과 R7의 접속 임피던스를 이상적인 조건에 맞추기 위하여 저항 R7에 A2의 버퍼 앰프로서 임피던스를 보완하며, A1의 차동증폭회로의 비대칭적인 임피던스 차를 다이오드 D1과 저항 R13으로 오프셋(OFFSET) 전류를 연산증폭기(A1)의 반전입력단에 인가함으로 보상시켜 주게 된다.
한편, 오프셋(OFFSET) 전압의 기울림 현상과 온도변화에 의한 드리프트 현상역시, 다이오드 D1과 저항 R13의 온도변화에 따른 특성변화의 성질이 반대인 것을이용하여 배치되어 없어지며, 정전류 공급부(310)와 홀소자(90) 사이에서 형성되는 전압성분은 연산증폭기(A1)의 온도드리프트 특성과 다시 한번 배치되어 상쇄되므로 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상을 개선하여 차동 증폭부(340)의 CMRR을 향상시키는 기능과 함께 온도변화에 따른 드리프트 특성을 함께 개선할 수 있다.
둘째, 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋(OFFSET)편차를 상쇄하기 위하여, 저항 R3, R4 및 VR1으로 구성된 제로 오프셋 조정기(331)를 자력 측정부(330)에 추가하므로써 차동 증폭부(340) 후단의 회로평형상태를 무너뜨리지 않고 조정할 수 있도록 하였다.
또한, 상기 자력 측정부(330)는 홀소자의 온도변화 특성과 저항 R3, R4 및 VR1의 온도변화특성이 서로 반대인 특성을 이용한 구성으로써 홀소자와 저항 R3, R4 및 VR1의 온도변화특성을 서로 상쇄하는 기능을 수행한다.
셋째, 차동증폭부(340)와 이득 조정부(350)의 이득가변에서 오는 출력신호의 위상변화에 대하여는, 가변저항 VR2과 커패시터 C3로 구성된 위상보정 보상부(351)를 통해 이득가변과 동시에 연속적인 위상보정이 동시에 이루어지도록 하였다.
이하에서는, 도 3 에 도시된 각 구성요소들에 대하여 상세히 설명하도록 하겠다.
먼저, 정전류 공급부(310)는, 홀소자 구동의 안정된 동작을 위하여 정전류를 공급하기 위한 것으로서, 홀소자(90)의 1번과 3번을 통해 일정 전류를 흘리는 기능을 수행한다.
다음으로, 드리프트 특성 보상부(320)는 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상과 온도변화에 따른 드리프트 특성을 개선하기 위한 것이다.
즉, 차동 증폭부(340)의 단일 앰프를 사용하는 차동증폭회로의 경우 이득이 상대적으로 높아지게 될 때, 앰프 A1의 반전과 비반전단 및 R7과 R8의 임피던스 차에 의한 동상차동이득분(CMRR)의 저하가 발생하며 온도변화 시 출력변화의 기울기가 비례적으로 변하는 문제점이 있다.
그러므로, 다이오드 D1 및 저항 R13을 통해 앰프의 반전입력단에 적절한 보상전류를 흘려 넣게 된다.
또한, 온도변화에 따른 변화특성 보상은, 홀소자(90), 정전류 공급부(310) 및 차동 증폭부(340)의 기울기가 저마다의 특성으로 다르게 나타나므로 회로를 조합한 상태에서는 그 모두를 보상한다는 것은 매우 까다로운 조건으로 나타난다. 한편, 이것은 회로를 구성함에 있어 비효율적인 구성이 되므로(보상을 위하여 저마다 보상회로를 구성하면 회로의 양이 많아지고 전력적으로도 불리한 조건이 된다.) 핵심적인 부분에서 보상을 취하므로써 전체의 보상효과가 이루어지도록 하여야 한다.
이를 위해, 정전류 공급부(310), 자력측정부(330) 및 차동 증폭부(340)의 온도변화특성에 맞추어 다이오드 D1 및 저항 R13을 배치하므로써 온도변화특성과 함께 전체 회로의 변화특성을 보상하도록 하였다.
다음으로, 자력 측정부(330)는 홀소자(90) 불평형전압 및 차동 증폭부(340)의 오프셋전압을 조정하는 기능으로 구성되어 있다.
즉, 홀소자(90)와 연결된 저항 R3, R4, VR1은 홀소자 불평형전압과 차동 증폭부(340)의 오프셋 편차분을 가변저항 VR의 조정을 통해 정확한 ‘0’값으로 조정하는 기능을 수행하며, 이를 제로 오프셋 조정기(331)라 한다.
다음으로, 차동 증폭부(340)는 홀소자(90)에 의한 자력에 의해 발생된 기전력을 증폭시키는 기능을 수행한다. 즉, 도 1 에 도시된 바와 같이 홀소자(90)가 코어의 공극 속에 있는 경우, 전류의 흐름에 따라 코어의 자속은 자력으로 나타나며, 이때 홀소자 2번과 4번을 통해 자력에 상당하는 기전력이 나타난다. 이 기전력은 저항 R5와 R6을 통해 차동 증폭부(340)의 A1앰프의 반전과 비반전단자에 입력되어 (R7 = R8/R5 = R6) x K 으로 차동증폭 된다.
마지막으로, 이득 조정부(350)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
즉, 앰프(A1)출력 신호는 저항 R11, R12 및 커패시터 C4로 구성된 T형 필터를 통해 전압으로 출력되며 가변저항 VR2와 저항 R9 및 R10 사이에서 만들어지는 전압분할비는 K상수가 되어 버퍼앰프인 A2의 비반전입력단에 인가되고 저항 R8의 임피던스와 이론적으로 동일한 A2의 출력단의 임피던스를 통해 차동회로의 안정화를 이루게 된다.
그러나, 단일 앰프를 사용한 차동증폭회로의 이득이 상대적으로 높아질 때, 주파수 대비 이득은 상대적으로 저하되므로 가변저항 VR2 + 커패시터 C3으로 가변적인 위상보상을 회로 전체의 이득가변과 연동하여 조정해주므로써 이를 보완할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 이득 조정부(350)에는 차동증폭부(340)와 이득 조정부(350)의 이득가변에서 오는 출력신호의 위상변화에 대한 위상보정을 위해 위상보정 보상부(351)를 추가하였다. 즉, 가변저항 VR2과 커패시터 C3로 구성된 위상보정보상부(351)를 통해 이득가변과 동시에 연속적인 위상보정이 동시에 이루어지도록 하였다.
이때, 상기 가변저항 VR2의 단자는 3단자로 되어 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 중심측과 좌측, 우측단으로 표현하여 중심측 단자는 저항 R11과 R12사이에 접속되어 있고 좌측단은 커패시터 C3에, 우측단은 저항 R9에 접속되어 있다. 즉, 중심측이 좌.우측으로 이동하면서 이득가변과 위상보정의 저항값이 서로 배치되어 증.감하므로서 조정 및 보정되도록 하였다.
이상의 본 발명은 상기에서 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
상기한 바와 같은 본 발명은 개방 루프 타입 전류 센서의 구현에 있어서 발생되는 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상, 온도변화에 따른 드리프트 특성 및 홀소자의 불평등 현상에서 발생되는 출력신호의 오프셋 편차, 이득가변에 따른 출력신호의 위상변화를 보상할 수 있는 회로를 구비하므로써 개방 루프 타입 전류 센서의 기능을 향상시킬 수 있다는 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전류파형의 전 영역(DC - AC, 비정형파형 등)에서 측정이 가능하고 직선성의 왜율에 있어서 0.1% - 1.0%대의 정밀한 측정이 가능하다는 우수한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 개방 루프 타입 전류 센서에 있어서,
    측정전류(IF)가 흐르는 자성체(80)의 자력을 측정하기 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(330);
    상기 홀소자(90)의 안정된 동작을 위하여 정전류를 공급하기 위한 정전류 공급부(310);
    상기 자력 측정부(330)의 출력신호를 증폭하기 위한 차동 증폭부(340);
    상기 차동 증폭부의 온도변화 특성에 따른 드리프트 특성 및 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320); 및
    상기 차동 증폭부(340)의 연산증폭기(A1) 신호에 대해 직선적인 이득(GAIN) 조정이 가능하며, 상기 차동 증폭부(340)의 이득을 전압신호로 출력하기 위한 이득 조정부(350)
    를 포함하며,
    상기 이득 조정부(350)는, 상기 차동 증폭부(340)와 이득 조정부(350)의 이득 가변에 따른 출력신호의 위상변화를 보정하기 위한 위상보정 보상부(351)를 포함하고,
    상기 자력 측정부(330)는, 상기 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력 신호의 오프셋 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋 조정기(ZERO-OFFSET)(331)
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 드리프트 특성 보상부(320)는,
    다이오드(D1) 및 저항(R13)의 직렬 회로로 구성되어, 상기 저항(R13)과 연결되지 않은 상기 다이오드(D1)의 일측은 상기 자력 측정부(330)와 정전류 공급부(310)의 연결단에 연결되어 있고, 상기 다이오드(D1)와 연결되지 않은 상기 저항(R13)의 일측은 상기 차동 증폭부(340)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 위상보정 보상부(351)는,
    콘덴서(C3) 및 가변저항(VR2)의 직렬 회로로 구성되어, 상기 가변저항(VR2)과 연결되지 않은 상기 콘덴서(C3)의 일측은 상기 차동증폭부(340)의 반전 입력단에 연결되어 있고, 상기 콘덴서(C3)와 연결되지 않은 상기 가변저항(VR2)의 중심측 단자는 상기 이득 조정부(350)의 저항 R11과 R12 사이에 연결되어 있으며, 상기 가변저항(VR2)의 또 다른 일측은 저항 R9에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 보상회로를 갖는 개방 루프 타입 전류 센서.
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