KR200315300Y1 - 보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서 - Google Patents

보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서 Download PDF

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Abstract

본 고안은 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 구현에 있어서 발생되는 출력신호의 위상 보상, 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상, 온도변화에 따른 드리프트 특성 및 홀소자의 불평등 현상에서 발생되는 출력신호의 오프셋 편차를 보상할 수 있는 회로를 구비한 폐쇄 루프 타입 전류 센서를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 고안은 폐쇄 루프 타입 전류 센서에 있어서, 자성체(80)의 자력을 측정하기 위한 자력측정부(310); 자력측정부(310)의 출력신호를 증폭하기 위한 연산 증폭부(330); 연산 증폭부(330)의 출력신호를 증폭하기 위한 드라이빙부(340); 드라이빙부(340)를 통해서 출력되는 전류를 측정전류(IF)와 동일한 궤환량으로 만들어 주기 위한 궤환코일부(350); 및 연산 증폭부(330)의 온도변화 특성에 따른 드리프트 특성 및 오프셋 신호의 기울림 현상을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320)를 포함하며, 연산 증폭부(230)는 연산 증폭기(331)의 무한대 GAIN과 출력 드라이빙부(340)의 시차에서 오는 출력신호의 위상을 보상하는 기능을 수행하고; 자력 측정부(310)는 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋(ZERO OFFSET) 조정기(311)를 포함한다.

Description

보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서{CLOSED LOOP TYPE CURRENT SENSOR INCLUDING COMPENSATION SERCUIT}
본 고안은 폐쇄 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, 폐쇄 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 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 일실시예 계략도이며, 도 2 는 일반적인 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 일실시예 구성도이다.
즉, 일반적인 폐쇄 루프 타입(CLOSED LOOP TYPE) 전류센서는 도 1 에 도시된 바와 같은 구성을 갖고 있으며, 그 기본 개념은, N-TURN의 궤환코일에 측정전류 IF와 비례하는 전류가 역으로 흐르게하여 자성체(80)의 자속밀도가 발생하지 않는 제로 플럭스 포인트(ZERO FLUX POINT)에서 출력신호가 발생하도록 하는 것이다.
이를 위해, 일반적인 폐쇄 루프 타입 전류 센서는, 도 2 에 도시된 바오 ㅏ같이 자성체(80)의 자력 측정을 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력 측정부(210)와, 그 출력신호를 증폭하기 위한 연산 증폭부(230), 연산 증폭부의 출력신호를 증폭하기 위한 드라이빙부(240)와 드라이빙부를 통해서 출력되는 전류를 측정전류와 동일한 궤환량으로 만드는 궤환코일부(250)로 구성되어 있다.
즉, 측정전류(If)가 흐를 때, 자성체(80)의 공극 사이에서 자력이 발생하면 이 공극 사이에 삽입되어진 홀소자(Hall)(90)에서 자력에 상응하는 기전력이 발생하여 연산 증폭부(230)의 연산증폭기에 입력된다.
이때, 상기 연산증폭기의 GAIN은 무한대에 가까우며, 연산증폭기로부터 출력된 신호는 곧바로 드라이빙부(240)의 트랜지스터를 통해 전력증폭된 전류신호로 궤환코일부(250)의 코일을 통해 순간 흐르게 되고, 이는 측정전류 If와 역방향(출력신호 X N Turn)으로 흐르게 되어 자성체(80)의 자속밀도를 '0'으로 유도하여 연산증폭기의 컴퍼레이트 기능을 통해 홀소자(90)의 측정 자속과 코일을 통해 흐르는 전류의 양이 항상 평행한 상태를 유지하도록 한다.
이때, 평행한 상태를 유지하기 위하여 코일을 통해 흐르는 전류가 측정전류와 동일한 형상과 비례한 값으로 되어 전류측정 목적에 부합되는 출력신호를 형성하게 되는 것이다.
한편, 상기와 같은 원리에 의해 폐쇄 루프 타입 전류 센서를 구성할 경우, 아래에서 지적한 바와 같은 문제점이 발생하게 되며, 그에 대한 보상이 이루어져야 한다.
우선 첫째로, 연산증폭부(230) 내에 구비된 연산증폭기의 무한대 이득(GAIN)과 출력 드라이빙부(240)의 시차에서 오는 출력신호의 위상보상이 이루어져야 한다.
둘째, 상기 첫번째 보상은 궤환저항으로 구현될 수 있는데, 이 경우 궤환저항의 영향에 따라 전류측정이 없는 최초의 출력신호 즉 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상이 나타나며 이를 보상하기 위한 회로가 구현되어야 한다. 한편, 상기 보상을 위한 회로는 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상뿐만 아니라 온도변화에 따른 드리프트 특성을 함께 개선할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
셋째, 홀소자의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋(OFFSET) 편차를 상쇄하기 위한 보상회로가 구현되어야 한다.
그러나, 종래의 폐쇄 루프 타입 전류센서는 상기한 바와 같은 문제점 및 그에 대한 보상회로를 고려하지 않고 구현되므로써, 전류센서로서의 완벽한 기능을 수행할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 구현에 있어서 발생되는 출력신호의 위상 보상, 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상, 온도변화에 따른 드리프트 특성 및 홀소자의 불평등 현상에서 발생되는 출력신호의 오프셋 편차를 보상할 수 있는 회로를 구비한, 폐쇄 루프 타입 전류 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 일반적인 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 일실시예 계략도.
도 2 는 일반적인 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 일실시예 구성도.
도 3 은 본 고안에 따른 보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 일실시예 회로도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 폐쇄 루프 타입 전류 센서에 있어서, 측정전류(IF)가 흐르는 자성체(80)의 자력을 측정하기 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(310); 상기 자력측정부(310)의 출력신호를 증폭하기 위한 연산 증폭부(330); 상기 연산 증폭부(330)의 출력신호를 증폭하기 위한 드라이빙부(340); 상기 드라이빙부(340)를 통해서 출력되는 전류를 상기 자성체로인가된 측정전류(IF)와 동일한 궤환량으로 만들어 주기 위한 궤환코일부(350); 및 상기 연산 증폭부(330)의 온도변화 특성에 따른 드리프트 특성 및 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320)를 포함하며, 상기 연산 증폭부(230)는, 연산 증폭기(331)의 무한대 GAIN과 출력 드라이빙부(340)의 시차에서 오는 출력신호의 위상을 보상하는 기능을 수행하고; 상기 자력 측정부(310)는, 상기 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋(OFFSET) 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋(ZERO OFFSET) 조정기(311)를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3 은 본 고안에 따른 보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 일실시예 회로도이다.
본 고안에 따른 보상회로를 갖는 폐쇄 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, 도 3 에 도시된 바와 같이 본 고안에 따른 폐쇄 루프 타입 전류 센서는, 자성체(80)의 자력 측정을 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(310)와 그 출력신호를 증폭하기 위한 연산 증폭부(330), 연산 증폭부의 출력신호를 증폭하기 위한 드라이빙부(340)와 드라이빙부를 통해서 출력되는 전류를 측정전류와 동일한 궤환량으로 만들어 주기 위한 궤환코일부(350) 및 연산 증폭부(330)의 온도변화 특성에따른 드리프트 특성을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320)를 포함하여 구성되어 있으며, 이때, 상기 연산 증폭부(230)는 연산 증폭기(331)의 무한대 이득(GAIN)과 출력 드라이빙부(340)의 시차에서 오는 출력신호의 위상을 보상하는 기능을 수행하고, 상기 자력 측정부(310)는 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋(OFFSET) 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋(ZERO OFFSET) 조정기를 포함하고 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 고안에 따른 폐쇄 루프 타입 전류 센서의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
즉, 측정전류(If)가 흐를 때, 자성체(80)의 공극 사이에서 자력이 발생하면 이 공극 사이에 삽입되어진 홀소자(Hall)(90)에서 자력에 상응하는 기전력이 발생하여 저항 R5와 R6을 통하여 연산 증폭부(330)의 연산 증폭기(331)에 입력된다.
이때, 상기 연산 증폭기(331)의 이득(GAIN)은 무한대에 가까우며, 연산 증폭기로부터 출력된 신호는 곧바로 드라이빙부(340)의 트랜지스터를 통해 전력증폭된 전류신호로 궤환코일부(350)의 코일을 통해 순간 흐르게 되고, 이는 측정전류 If와 역방향(출력신호 X N Turn)으로 흐르게 되어 자성체(80)의 자속밀도를 '0'으로 유도하여 연산 증폭기(331)의 컴퍼레이트 기능을 통해 홀소자(90)의 측정 자속과 코일을 통해 흐르는 전류의 양이 항상 평행한 상태를 유지하도록 한다.
이때, 평행한 상태를 유지하기 위하여 코일을 통해 흐르는 전류가 측정전류와 동일한 형상과 비례한 값으로 되어 전류측정 목적에 부합되는 출력신호를 형성한다.
한편, 본 고안은 상기한 바와 같이 폐쇄 루프 타입 전류 센서를 구성할 경우 발생할 수 있는 문제점을 다음과 같이 해결하였다.
우선 첫째로, 연산 증폭기(331)의 무한대 GAIN과 출력 드라이빙부(340)의 시차에서 오는 출력신호의 위상보상이 이루어 져야 하는데 이의 보상은 저항 R8과 커패시터 C1에 의해서 보상된다.
둘째, 상기 첫번째 보상을 위해 추가된 궤환저항 R8의 영향에 따라 전류측정이 없는 최초의 출력신호 즉 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상이 나타나는데 이를 보완하는 것이 다이오드 D1 및 저항 R9이다. 즉, 상기 다이오드 D1 및 저항 R9를 통해 오프셋(OFFSET) 전류를 연산증폭기 반전 입력단에 인가함으로써 기울림 현상을 보완한다. 또한, 온도변화에 의한 드리프트 현상은, 상기 다이오드 D1 및 저항 R9의 온도변화에 따른 특성변화의 성질이 반대인 것을 이용하여 배치되어 없어지며, 저항 R1과 홀소자(90) 사이에서 형성되는 전압성분은 연산 증폭기(231)의 온도 드리프트 특성과 다시 한번 배치되어 상쇄하므로 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상과 온도변화에 따른 드리프트 특성을 함께 개선할 수 있다.
셋째, 홀소자의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋(OFFSET) 편차를 상쇄하기 위하여, 저항 R3, R4 및 VR1으로 구성된 제로 오프셋 조정기(311)를 자력 측정부(310)에 추가하므로써 연산 증폭부(330) 후단의 회로평형상태를 무너뜨리지 않고 조정할 수 있도록 하였다.
이하에서는, 도 3 에 도시된 각 구성요소들에 대하여 상세히 설명하도록 하겠다.
먼저, 자력 측정부(310)는, 홀소자(90)의 구동과 홀소자 불평형전압 및 연산 증폭부(330)의 오프셋전압을 조정하는 기능으로 구성되어 있다.
즉, 홀소자(90)와 연결된 저항 R1, R2는 정격저항값을 통해 홀소자가 지정하는 정격전류를 홀소자 1번과 3번을 통해 흘리므로 홀소자의 구동조건이 되며, 홀소자는 전원전압의 VCC와 VEE의 가상적인 중간점에 놓이므로 홀소자 2번과 4번의 출력은 ‘0’에 가까운 값으로 출력된다.
이때, 저항 R3, R4, VR은 홀소자 불평형전압과 연산 증폭부(330)의 오프셋 편차분을 VR의 조정을 통해 정확한 ‘0’값으로 조정하는 기능을 수행한다.
다음으로, 드리프트 보상부(320)는 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상과 온도변화에 따른 드리프트 특성을 개선하기 위한 것이다.
즉, 연산 증폭부(330)의 저항 R8의 영향에 의해 앰프의 평형조건이 이상적인 ‘0’의 값에 있지 않고 기우는 현상이 나오는데, 이 경우 동상차동이득분(CMRR)의 저하가 발생하며 온도변화 시 출력변화의 기울기가 비례적으로 변하는 문제점이 있다. 그러므로, 다이오드 D1 및 저항 R9를 통해 앰프의 반전입력단에 적절한 보상전류를 흘려 넣게 된다.
또한, 온도변화에 따른 변화특성 보상은, 홀소자(90), 저항 R1, R2, 및 연산 증폭부(330)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, 자력 측정부(310), 연산 증폭부(330) 및 드라이빙부(340)부의 온도변화특성에 맞추어 다이오드 D1 및 저항 R9을 배치하므로써 온도변화특성과 함께 전체 회로의 변화특성을 보상하도록 하였다.
다음으로, 연산 증폭부(330)는 일반적인 신호 증폭기능 뿐만 아니라 연산 증폭기(331)의 무한대 GAIN과 출력 드라이빙부(340)의 시차에서 오는 출력신호의 위상을 보상하는 기능을 수행한다.
즉, 홀소자(90)가 도 1 에 도시된 것처럼 코어의 공극 속에 있고, 전류의 흐름에 따라 코어의 자속은 자력으로 나타나며, 홀소자 2번과 4번을 통해 자력에 상당하는 기전력이 나타나는데, 이 기전력은 이상적인 조건에서 이득이 무한대인 컴퍼레이트 회로를 저항 R5와 R6을 통해 앰프의 반전과 비반전단자에 입력되어 출력의 HI, LOW 상.하강 신호에서 드라이빙부(340)의 트랜지스터 TR1, TR2의 동작이 이루어지도록 한다.
이러한 컴퍼레이트 동작은 이상적인 조건과 실제 부품이 지니는 조건이 달라서 신호의 상.하강시에 채터링을 수반하게 되는데 이를 상쇄하는 것이 궤환저항 R8이다. 즉, 궤환저항 R8을 통해 이득을 감소시킴으로 히스테리시스폭을 형성하여 이상적인 조건과 실제 부품간의 차이점을 해결한다. 또한, 위상의 오버슛현상은 커패시터 C1을 통해 보상을 취한다.
다음으로, 드라이빙부(340)는 연산 증폭부(330)의 출력신호를 증폭하기 위한것이다. 즉, 연산 증폭부(330)의 앰프출력 신호는 보호저항 R7을 통해 트랜지스터 TR1, TR2의 베이스단에 공통으로 인가되어 동작되면 콜렉터로부터 전류증폭된 출력전류는 에미터단을 통해 궤환 코일부(350)의 코일로 흘러가게 되는데, 이때 전원전압 이상의 과도전압은 다이오드 D2, D3를 통해 전원전압으로 흘러나게 되어 TR의 보호 역할을 한다.
다음으로, 궤환코일부(350)는 드라이빙부(340)를 통해서 출력되는 전류를 측정전류(IF)와 동일한 궤환량으로 만들어 주기 위한 것이다. 즉, 측정전류 If가 흐르면 자력 측정부(310)의 홀소자(90)가 유기되어 궤환코일부(350)의 궤환코일을 통해 역으로 전류가 지나감으로서 코어의 자속은 순간 감소하는 결과가 된다.
이는 연산 증폭부(330)의 컴퍼레이트와 반대되는 동작형태를 지니므로 폐쇄 루프 타입(CLOSED LOOP TYPE) 전류센서 회로 전체로 보아 코어의 자속이 '0'이 되는 지점에서 회로 동작이 이루어지며 이때 '0'포인트의 유지를 위해 흐르는 궤환코일의 전류가 곧 출력신호로서 활용되는 것이다.
이상의 본 고안은 상기에서 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 고안의 취지와 범위에 포함된다.
상기한 바와 같은 본 고안은 코어의 자속이 '0'이 되는 지점에서 모든 동작이 이루어지므로 코어의 온도특성이 상쇄되며, 앰프의 동작이 일정 이득분에 대한 동작이 아니므로 회로가 지니는 드리프트 특성 및 온도특성이 현저히 개선된다는우수한 효과가 있다.
또한, 코어가 지니는 주파수에 대한 변화특성(자속밀도의 변화, 고주파수에 대한 발열현상 등)이 현저히 개선된다는 우수한 효과가 있다.
또한, 본 고안에 따른 폐쇄 루프 타입(CLOSED LOOP TYPE) 전류센서는 직선성 오차율이 0.1% 대 정도로써 우수한 성능을 갖고 있다.
즉, 전력장비의 고품질을 유도하기 위해서는 전류측정의 안정성, 신뢰성 및 정밀성이 확보되어야 하는데, 본 고안은 상기한 조건들을 모두 만족시킬 수 있다는 우수한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 폐쇄 루프 타입 전류 센서에 있어서,
    측정전류(IF)가 흐르는 자성체(80)의 자력을 측정하기 위한 홀소자(90)를 포함하는 자력측정부(310);
    상기 자력측정부(310)의 출력신호를 증폭하기 위한 연산 증폭부(330);
    상기 연산 증폭부(330)의 출력신호를 증폭하기 위한 드라이빙부(340);
    상기 드라이빙부(340)를 통해서 출력되는 전류를 상기 자성체로 인가된 측정전류(IF)와 동일한 궤환량으로 만들어 주기 위한 궤환코일부(350); 및
    상기 연산 증폭부(330)의 온도변화 특성에 따른 드리프트 특성 및 오프셋(OFFSET) 신호의 기울림 현상을 보상하기 위한 드리프트 특성 보상부(320)
    를 포함하며,
    상기 연산 증폭부(230)는, 연산 증폭기(331)의 무한대 GAIN과 출력 드라이빙부(340)의 시차에서 오는 출력신호의 위상을 보상하는 기능을 수행하고;
    상기 자력 측정부(310)는, 상기 홀소자(90)의 불평등 현상에서 오는 출력신호의 오프셋(OFFSET) 편차를 상쇄하기 위한 제로 오프셋(ZERO OFFSET) 조정기(311)
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 증폭부(230)는,
    상기 드라이빙부(340)의 시차에서 오는 출력신호의 위상을 보상하기 위하여 상기 연산 증폭기(331)의 출력단 및 입력단 사이에 연결된 커패시터(C1); 및
    상기 연산 증폭기(331)의 무한대 이득(GAIN)을 보상하기 위하여 상기 커패시터(C1)의 일측 및 드라이빙부(340)와 연결된 궤환저항(R8)
    을 포함하는 보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 드리프트 특성 보상부(320)는,
    다이오드(D1) 및 저항(R9)의 직렬 회로로 구성되며, 상기 저항(R9)과 연결되지 않은 상기 다이오드(D1)의 일측은 상기 자력 측정부(310)와 연결되어 있으며, 상기 다이오드(D1)와 연결되지 않은 상기 저항(R9)의 일측은 상기 연산 증폭부(330)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 보상회로를 갖는 폐쇄 루프 타입 전류 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111175685A (zh) * 2020-01-19 2020-05-19 合肥工大高科信息科技股份有限公司 一种自动功率补偿标定工装及标定方法

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