JP2016125863A - Current detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、漏電検知等に用いる高透磁率材料の非線形な特性を利用する電流検知装置に関する。 The present invention relates to a current detection device that uses the non-linear characteristics of a high magnetic permeability material used for leakage detection and the like.
この種の電流検知装置としては、種々の構成を有するものが提案され、実施されているが、構造的に簡単で微小電流の検知が可能なものとしてフラックスゲート型の電流センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1に記載された従来例では、図10(a)に示す構成を有する。すなわち、軟質磁性体製の同形,等大に構成された円環状をなすコア101および102と、各コア101および102に等しい回数巻回された励磁コイル103と、各コア101および102にわたるよう一括して巻回された検出コイル104とを備えている。
As this type of current detection device, devices having various configurations have been proposed and implemented, but a flux gate type current sensor is known as a device that is structurally simple and capable of detecting a minute current. (For example, refer to Patent Document 1).
The conventional example described in
励磁コイル103には図示しない交流電源が、また検出コイル104には図示しない検出回路が接続されている。そして、両コア101および102の中心に電流を測定する対象物たる被測定導線107が挿通されている。
励磁コイル103はこれに通電したとき両コア101および102に生じる磁場が逆相であって互いに打ち消し合うようコア101および102に巻回されている。
An AC power supply (not shown) is connected to the
The
そして、励磁コイル103に励磁電流iexを通電したとき、各コア101および102に生じる磁束密度Bの経時変化は、図10(b)に示すようになる。軟質磁性体製のコア101および102の磁気特性は磁場の大きさHが所定の範囲内では磁場の大きさHと磁束密度Bとは直線的な関係にある。しかしながら、磁場の大きさHが所定値を超えると、磁束密度Bが変化しない磁気飽和の状態となる関係にあることから、励磁コイル103に励磁電流iexを通電すると、各コア101および102に発生する磁束密度Bは実線図示のように上下対称の台形波状に変化し、しかも相互に180°位相がずれた状態となる。
When the exciting current iex is supplied to the
今、被測定導線107に矢印で示す如く下向きに直流電流値Iが通電しているものとすると、この直流分に相当する磁束密度が重畳される結果、磁束密度Bは図10(b)に破線で示す如く、台形波のうち、上方の台形波はその幅が拡大され、一方下方の台形波はその幅が縮小された状態となる。
ここで、両コア101および102に生じた磁束密度Bの変化を正弦波(起電力に対応)で表現すると図10(c)に示すようになる。この図10(c)では、前述した図10(b)で実線図示の台形波に対応して実線図示のように180°位相がずれた周波数fの正弦波(起電力)が表れるが、これらは180°ずれているため互いに打ち消し合う。
Assuming that a direct current value I is energized downward as shown by an arrow in the
Here, when the change in the magnetic flux density B generated in both the
一方、図10(b)で破線図示の台形波に対応して図10(c)には破線図示のような2倍の周波数2fの2次高調波が表れる。この2次高調波は位相が180°ずれているため、相互に重畳すると図10(c)の最下段に示すような正弦波信号となり、これが検出コイル104で検出される。
この検出コイル104で捉えられた検出信号は被測定導線107を流れる直流の電流値Iに対応しており、これを処理することで電流値Iを検出することができる。
On the other hand, corresponding to the trapezoidal wave shown by the broken line in FIG. 10B, the second harmonic of the double frequency 2f as shown by the broken line appears in FIG. 10C. Since the second harmonics are 180 ° out of phase, if they are superimposed on each other, a sine wave signal as shown in the lowermost stage of FIG. 10C is obtained, and this is detected by the
The detection signal captured by the
また、フラックスゲート形の他の電流センサとして、特許文献2に示された構成が知られている。図11は、特許文献2に示された電流センサの動作を説明するためのブロック図である。
図において、感知される電流201は、ソフトフェライトのトロイダルコアを有する小型変成器でなる可飽和コア磁気検知素子204の一次巻線を通って流れる。この変成器の二次巻線は一端が電力スイッチ203に接続され、この電力スイッチ203は、電源202から二次巻線に供給される電圧の極性を交互に切り替える。また、二次巻線の他端は、検知装置205に接続されている。
Moreover, the structure shown by patent document 2 is known as another flux gate type current sensor. FIG. 11 is a block diagram for explaining the operation of the current sensor disclosed in Patent Document 2. In FIG.
In the figure, a
電力スイッチ203が正極性を有する電流を供給すると、可飽和コア磁気検知素子204の二次巻線に流れる電流によりコアを飽和させる。コアが飽和すると、検知装置205の両端の電圧が急激に上昇し、検知装置205から出力される制御信号207はヒステレシススイッチ206に供給される。制御信号207があるレベルに到達したとき電力スイッチ203を反転させることで、可飽和コア磁気検知素子204の二次巻線に流れる電流の極性を切り替える。
When the
これにより、可飽和コア磁気検知素子204には負極性の電流が供給され、コアの磁化は減少し、反対方向にコアが飽和される。すると、検知装置205の両端の電圧は、急速に負方向に上昇し、ヒステレシススイッチ206を介して電力スイッチ203は極性を切替え、二次巻線に供給されている電圧の極性を反転させる。このように、このシステムは、安定して周期的パターンで動作を繰り返す。
As a result, a negative current is supplied to the saturable core
感知される電流201に比例する出力を得るために、ローパスフィルタ208が電力スイッチ203の出力に接続されて、混在する磁化電流成分の大部分を除去する。このローパスフィルタ208の出力線209における信号は、感知される電流201の高周波成分が小型変成器である可飽和コア磁気検知素子204の二次巻線に誘起されるので、変成器211の出力信号212は、出力線209における信号を電力増幅器210で増幅した直流成分を含む非常に低い周波数成分と高周波成分を含んでいる。これにより、広い周波数帯域にわたって電流の測定ができる。
In order to obtain an output proportional to the sensed
しかしながら、上記特許文献1に記載された電流センサは、2つのコア101および102を使用するため、実際にはコア101および102の磁気特性を完全に一致させることは困難であり、磁気特性の違いにより励磁電流Iexによる電圧が完全に打ち消されることなく発生してしまう。これが2次高調波成分に対応した検出電圧のS/N比を悪化させ、微小電流の検知が難しいという課題がある。
However, since the current sensor described in
また、少なくとも2つのコアを使用するので、小型化や低コスト化を実現し難いという課題もある。
さらに、コア101,102を飽和領域まで励磁する必要があるので、大きな励磁電流が必要となり、センサの消費電流が大きいという課題がある。
また、特許文献2に記載された電流センサは、直流成分を含む非常に低い周波数成分の大電流を測定した場合、可飽和コア磁気検知素子204が可飽和する前に電力スイッチ203が切り替わってしまうので、ローパスフィルタ208の出力線209における信号はゼロに近づく。このために、特許文献2の電流センサでは、微小電流から大電流までの広い電流範囲の測定ができないという課題がある。さらに、少なくとも2つの変成器を使用するので、小型化や低コスト化を図ることが難しいという課題がある。
Further, since at least two cores are used, there is a problem that it is difficult to realize downsizing and cost reduction.
Furthermore, since it is necessary to excite the
Further, in the current sensor described in Patent Document 2, when a large current having a very low frequency component including a DC component is measured, the
そこで、本発明は、周囲環境条件により影響を受けることが少なく、小型、低コストで、微小電流から大電流までの広い電流範囲の検知を行うことができる電流検知装置を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a current detection device that can be detected in a wide current range from a minute current to a large current with a small size and low cost, which is less affected by ambient environmental conditions. Yes.
上記目的を達成するために、本発明に係る電流検知装置の一態様は、測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに巻回した1つの励磁コイルと、設定した閾値に応じて、磁気コアを飽和状態またはその近傍の状態で、励磁コイルに供給する励磁電流の極性を反転させる矩形波電圧を発生する発振回路と、この発振回路から出力される矩形波電圧のデューティ変化に基づいて小電流領域の測定電流を検出する第1電流検出部と、発振回路から出力される矩形波電圧の周波数を検出して前記小電流領域より大きな大電流領域の測定電流を検出する第2電流検出部と、励磁コイルおよび発振回路に印加されるノイズをバイパスして除去するノイズ除去用コンデンサとを備えている。 In order to achieve the above object, one aspect of the current detection device according to the present invention is to saturate a magnetic core in accordance with a single excitation coil wound around a magnetic core surrounding a conducting wire through which a measurement current flows and a set threshold value. An oscillation circuit that generates a rectangular wave voltage that inverts the polarity of the excitation current supplied to the excitation coil in a state near it, and a small current region based on a duty change of the rectangular wave voltage output from the oscillation circuit. A first current detection unit for detecting a measurement current; a second current detection unit for detecting a frequency of a rectangular wave voltage output from the oscillation circuit to detect a measurement current in a large current region larger than the small current region; And a noise removing capacitor that bypasses and removes noise applied to the coil and the oscillation circuit.
本発明の一態様によれば、微小電流から大電流までの検知を1つの磁気コアで実現できるので、より広範囲な電流監視等が可能な電流検知装置を小型化、低コストで提供できる。
さらに、磁気センサや集磁コア等を使用する必要がないので、堅牢で、周囲環境温度により影響を受けることが少ない高信頼性を有する電流検知装置を提供できる。
しかも、耐ノイズ性を向上できるので、耐環境性に優れた電流検知装置を提供できる。
According to one embodiment of the present invention, detection from a very small current to a large current can be realized by a single magnetic core, so that a current detection device capable of monitoring a wider range of currents can be reduced in size and provided at low cost.
Furthermore, since it is not necessary to use a magnetic sensor, a magnetic flux collecting core, or the like, it is possible to provide a highly reliable current detection device that is robust and less affected by the ambient temperature.
Moreover, since the noise resistance can be improved, it is possible to provide a current detection device with excellent environmental resistance.
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope defined by the claims described in the claims.
本発明の一態様である電流検知装置1は、図1に示すように、例えば漏電検知等の対象物に設けられた例えば10A〜800Aの往復の電流Iが流れる導線2a,2bの微小な差異電流を検知する。ここで、健全状態では導線2a,2bに流れる電流の和はゼロであるが、漏電や地絡などで導線2a,2bに流れる電流の和が零にならず、検出対象とする例えば15mA〜500mA程度の微小な差異電流が流れる。これら導線2a,2bの回りには導線2a,2bを一次巻線とするようにリング状の磁気コア3が配設されている。つまり、磁気コア3内に導線2a,2bが一次巻線として挿通されている。
As shown in FIG. 1, the
磁気コア3には、二次巻線としての励磁コイル4が所定巻数で巻回されている。この励磁コイル4には発振回路5が接続され、この発振回路5から励磁電流Ibが励磁コイル4に供給される。
ここで、励磁コイル4の一端と発振回路5との接続点およびグランド間には、励磁コイル4や発振回路5あるいは両者間の接続線に印加されるノイズをグランドにバイパスして除去するノイズ除去用コンデンサNC1が接続されている。同様に、励磁コイル4の他端と発振回路5の接続点およびグランド間には励磁コイル4や発振回路5あるいは両者間の接続線に印加されるノイズをグランドにバイパスして除去するノイズ除去用コンデンサNC2が接続されている。
An exciting coil 4 as a secondary winding is wound around the
Here, between the connection point between one end of the excitation coil 4 and the
これらノイズ除去用コンデンサNC1およびNC2は、励磁コイル4や発振回路5あるいは両者間の接続線に印加されるノイズをグランドにバイパスする場合に限らず、電源側にバイパスすることもできる。要は、励磁コイル4や発振回路5あるいは両者間の接続線に印加されるノイズを除去して耐ノイズ性を向上できればよいものである。
また、発振回路5の出力側には、発振回路5から出力される出力電圧のデューティ比を検出して小電流領域の測定電流を検出する第1電流検知部としての第1電流検出回路6と、発振回路5から出力される出力電圧の周波数を検出して小電流領域より大きな大電流領域の測定電流を検出する第2電流検出部としての第2電流検出回路7が接続されている。そして、2つの電流検出回路6および7の出力側には出力判定部としての出力判定回路8が接続されている。
These noise removing capacitors NC1 and NC2 are not limited to bypassing noise applied to the exciting coil 4, the
Further, on the output side of the
発振回路5は、図2に示すように、コンパレータとして動作し、矩形波電圧Vaを出力するオペアンプ51を備えている。このオペアンプ51の出力側がコイル接続端子tc1および出力端子to1に接続されている。また、オペアンプ51の反転入力側は第1低域通過フィルタ52を介してコイル接続端子tc2に接続されている。また、コイル接続端子tc2および第1低域通過フィルタ52間の接続点とグランドとの間に電流検出用抵抗53が接続されている。
As shown in FIG. 2, the
さらに、オペアンプ51の出力側とグランドとの間に分圧抵抗54および55が直列に接続されている。これら分圧抵抗54および55間の接続点は、オペアンプ51の非反転入力側に接続され、オペアンプ51の非反転入力側に閾値電圧Vthを供給する。
この閾値電圧Vthは、分圧抵抗54の抵抗値をR1、分圧抵抗55の抵抗値をR2とし、オペアンプ51の出力電圧をVaとすると下記(1)式で表される。
Further,
This threshold voltage Vth is expressed by the following equation (1), where R1 is the resistance value of the
Vth=Va{R2/(R1+R2)} …………(1)
また、第1低域通過フィルタ52は、図2に示すように、オペアンプ51の反転入力端子とコイル接続端子tc2との間に接続された抵抗52aと、この抵抗52aとオペアンプ51の反転入力端子との接続点と分圧抵抗54および55間の接続点との間に接続されたコンデンサ52bとから一次の低域通過フィルタとして構成することができる。
Vth = Va {R2 / (R1 + R2)} (1)
Further, as shown in FIG. 2, the first low-
この発振回路5では、分圧抵抗54および55の接続点Eの閾値電圧Vthがオペアンプ51の非反転入力側に供給されており、この閾値電圧Vthと、励磁コイル4および抵抗53との接続点Dの電圧を第1低域通過フィルタ52で高域成分を除去した電圧Fとが比較される。そして、発振回路5から図6(a)に示す矩形波となる矩形波電圧Vaとして出力される。
In this
また、コイル接続端子tc1およびtc2間に励磁コイル4が接続され、この励磁コイル4の両端側にそれぞれ前述したノイズ除去用コンデンサNC1およびNC2が接続されている。
第1電流検出回路6は、図3に示すように、発振回路5から出力される矩形波電圧Vaを平均化する第2低域通過フィルタ61と、この第2低域通過フィルタ61のフィルタ出力を絶対値化する絶対値回路62とから構成することができ、発振回路5の矩形波電圧Vaのデューティ変化に応じた小電流領域の測定電流値に対応する電圧出力を得ることができる。
Further, the exciting coil 4 is connected between the coil connection terminals tc1 and tc2, and the above-described noise removing capacitors NC1 and NC2 are connected to both ends of the exciting coil 4, respectively.
As shown in FIG. 3, the first current detection circuit 6 includes a second low-
第2電流検出回路7は、図3に示すように、発振回路5から出力される矩形波電圧vaを周波数−電圧変換して電圧信号を出力する高域通過フィルタ71と絶対値回路72とから構成することができ、発振回路5の矩形波電圧Vaの周波数増加を検出して小電流領域より大きい大電流領域の測定電流を検出することができる。
さらに、出力判定回路8は、第1電流検出回路6および第2電流検出回路7の出力が個別に供給される第1比較回路81および第2比較回路82と、これら2つの比較回路81および82の出力が入力される論理和回路83とから構成することができる。
As shown in FIG. 3, the second
Further, the
第1比較回路81の一態様は、図4に示すように、例えばオペアンプで構成される比較器90を備えている。この比較器90の非反転入力側には絶対値回路62が接続され、反転入力側には直流電源91と接地との間に接続された可変抵抗器92の可動子が接続されている。したがって、比較器90では、絶対値回路62から入力される電流検出電圧Vi1が可変抵抗器92の可動子から出力される第1設定信号としての閾値電圧Vth2未満であるときにローレベルを維持し、電流検出電圧Viが閾値電圧Vth2以上となったときにハイレベルとなる比較信号Sc1を出力する。
As shown in FIG. 4, one mode of the
また、第1比較回路81の他の態様は、図5に示すように、比較器90の反転入力側に供給する閾値電圧Vth2を可変抵抗器92に代えて閾値電圧設定回路95で設定することもできる。すなわち、閾値電圧設定回路95は、CPU等の演算処理装置96と、この演算処理装置96に接続されたROM、EEPROM、フラッシュメモリ等の不揮発性記憶素子97と、演算処理装置96の出力側に接続されたDAコンバータ98と、DAコンバータ98の出力側と接地との間に直列に接続された分圧抵抗99aおよび99bとで構成することができる。
In another mode of the
この閾値電圧設定回路95では、演算処理装置96で不揮発性記憶素子97に記憶された閾値電圧指令値Vtを読み出し、DAコンバータ98でアナログ電圧に変換し、このアナログ電圧を分圧抵抗99aおよび99bに供給することにより、これら分圧抵抗99aおよび99bで分圧された第1設定信号としての閾値電圧Vth2を比較器90の非反転入力側に供給する。
In the threshold
この図5に示すように第1比較回路81を構成することにより、不揮発性記憶素子97に記憶された記憶値である閾値電圧指令値Vtを読み出して分圧抵抗99aおよび99bに供給するだけで、閾値電圧Vth2の設定を行うことができる。したがって、第1比較回路81として図5の構成を採用することにより、図4に示す可変抵抗器92のように抵抗値の手動での調整が不要となり、第1比較回路81の低コスト化、高精度化を実現することができる。
By configuring the
また、第2比較回路82についても、図4および図5に示す構成を適用することができ、比較器90で絶対値回路72から出力される電流検出電圧Vi2と可変抵抗器92または閾値電圧設定回路95で設定される第2設定信号としての閾値電圧Vth3とを比較する。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
4 and 5 can also be applied to the
Next, the operation of the above embodiment will be described.
今、図6(a)に示すように、時点t1で、オペアンプ51の出力側の矩形波電圧Vaがハイレベルとなると、これが励磁コイル4に印加される。このため、励磁コイル4を矩形波電圧Vaと抵抗53の抵抗値とに応じた励磁電流Ibで励磁する。このとき、励磁電流Ibは、図6(b)に示すように、矩形波電圧Vaの立ち上がり時点から比較的急峻に立ち上がり、その後緩やかに増加する放物線状となる。
As shown in FIG. 6A, when the rectangular wave voltage Va on the output side of the
このとき、オペアンプ51の非反転入力側に矩形波電圧Vaを分圧抵抗54および55の接続点Eで得られる分圧抵抗54および55の抵抗値R1およびR2で分圧された比較的小さな閾値電圧Vthが入力されている。
一方、オペアンプ51の反転入力側の励磁コイル4および抵抗53の接続点Dの電圧Vdは、励磁コイル4の励磁電流Ibの増加に応じて増加し、さらに、抵抗52aおよびコンデンサ52bからなる第1低域通過フィルタ52で高周波成分を除去した電圧Fが時点t2で非反転入力側の閾値電圧Vth、すなわち図6(b)の+Ith1を上回ると、オペアンプ51から出力される矩形波電圧Vaが図6(a)に示すように、ローレベルに反転する。これに応じて励磁コイル4を流れる励磁電流Ibの極性が反転し、励磁電流Ibは最初は急峻に低下し、その後、緩やかに低下する放物線状に減少する。
At this time, a relatively small threshold obtained by dividing the rectangular wave voltage Va to the non-inverting input side of the
On the other hand, the voltage Vd at the connection point D between the exciting coil 4 on the inverting input side of the
このとき、閾値電圧Vthは、矩形波電圧Vaがローレベルとなっていることにより、閾値電圧Vth1も低い電圧となっている。そして、オペアンプ51の反転入力側の励磁コイル4および抵抗53の接続点Dの電圧が、励磁コイル4の励磁電流Ibの減少に応じて減少し、電圧Fが時点t3で非反転入力側の閾値電圧Vth、すなわち図6(b)の−Vth1を下回ると、オペアンプ51の矩形波電圧Vaが図6(a)に示すように、時点t1と同様にハイレベルに反転する。
At this time, the threshold voltage Vth is also a low voltage because the rectangular wave voltage Va is at a low level. Then, the voltage at the connection point D between the excitation coil 4 on the inverting input side of the
このため、矩形波電圧Vaは、図6(a)に示すように、ハイレベルおよびローレベルを繰り返す矩形波電圧となり、発振回路5が非安定マルチバイブレータとして動作する。そして、励磁コイル4の励磁電流Ibは、図6(b)に示すように増加および減少を繰り返す波形となる。
ところで、磁気コア3は、図7(a)に示すように角型比の大きな磁束密度Bと磁界の強さHとの関係を表すB−H特性を有し、高透磁率材料の非線型な特性を有する。このB−H特性を有する磁気コア3のインダクタンスは、導線2a,2bの差電流が零であるときに、図7(b)に示すように飽和電流付近Gで急激に消失する。磁気コア3を貫通する導線2a,2bに任意の検出対象となる微小な差電流Cが生じると、図7(b)のインダクタンス特性は、破線図示のように差電流Cに応じてインダクタンスが消失するタイミングが変化する。
Therefore, as shown in FIG. 6A, the rectangular wave voltage Va becomes a rectangular wave voltage that repeats a high level and a low level, and the
By the way, the
このため、電流が零のときにインダクタンスが飽和する電流(図7(b)のG)と励磁電流Ibの極性が切り換わる電流(図6(b)のP)とを一致させる。そうすると、インダクタンスが飽和する電流(図7(b)のJ)が導線2a,2bの差電流の電流値Cに応じて変化するので、励磁電流Ibの極性が切り換わる電流(図6(b)のH)も同様に変化することになる。
For this reason, the current at which the inductance is saturated when the current is zero (G in FIG. 7B) and the current at which the polarity of the excitation current Ib switches (P in FIG. 6B) are matched. Then, since the current at which the inductance is saturated (J in FIG. 7B) changes according to the current value C of the difference current between the
この励磁電流Ibの極性が切り換わる電流値が変化することにより、フィルタ出力電圧Vfが閾値電圧Vthを上回るタイミングが遅れることになり、オペアンプ51から出力される矩形波電圧Vaの立ち下がり時点が導線2a,2bの差電流の電流値Cに応じて図6(a)で破線図示のように遅れる。この結果、矩形波電圧Vaのデューティ比が導線2a,2bの差電流の電流値Cに応じて変化する。
By changing the current value at which the polarity of the excitation current Ib changes, the timing at which the filter output voltage Vf exceeds the threshold voltage Vth is delayed, and the falling time of the rectangular wave voltage Va output from the
ここで、励磁コイル4の両端と発振回路5のコイル接続端子tc1およびtc2との接続点と、グランドまたは電源側との間に、ノイズ除去用コンデンサNC1およびNC2が設けられている。このため、励磁コイル4および発振回路に印加されるノイズをノイズ除去用コンデンサNC1およびNC2によってグランドまたは電源側にバイパスすることができ、ノイズが発振回路5の矩形波電圧Vaの生成に影響することを確実に防止することができる。
Here, noise removing capacitors NC1 and NC2 are provided between a connection point between both ends of the exciting coil 4 and the coil connection terminals tc1 and tc2 of the
したがって、発振回路5の出力端子to1およびto2にデューティ比を検出する第1電流検出部としての第1電流検出回路6を接続し、この第1電流検出回路6で、矩形波電圧Vaのハイレベル状態を維持している時間とローレベル状態を維持している時間とを計測することにより、デューティ比を検出することができ、数アンペア以下の微小電流を含む小電流領域を検出することができる。なお、小電流領域とは、図8(a)において、第1電流検出回路6の出力が線形に推移する電流を示す。
Therefore, the first current detection circuit 6 as the first current detection unit for detecting the duty ratio is connected to the output terminals to1 and to2 of the
本実施形態では、第1電流検出回路6は、図3に示すように、矩形波電圧Vaの平均化を行う第2低域通過フィルタ61と絶対値回路62とから構成することができる。
次に、数アンペア以上の大電流領域の検出について、図1と図8とを用いて説明する。ここで、大電流領域とは図8(a)において、第1電流検出回路6の出力が飽和し始める電流よりも大きい電流領域を示す。
In the present embodiment, the first current detection circuit 6 can be configured by a second low-
Next, detection of a large current region of several amperes or more will be described with reference to FIGS. Here, the large current region indicates a current region larger than the current at which the output of the first current detection circuit 6 starts to be saturated in FIG.
図1において、本実施形態では、発振回路5に第2電流検出部としての第2電流検出回路7を接続し、図2に示す発振回路5の出力端子to1およびto2から出力される矩形波電圧Vaを、第2電流検出回路7にも供給するようにしている。
第2電流検出回路7は、図3に示すように、高域通過フィルタ71と絶対値回路72とから構成することができ、発振回路5から出力される矩形波電圧Vaの周波数増加を検出するものである。
In FIG. 1, in the present embodiment, a rectangular current voltage output from the output terminals to1 and to2 of the
As shown in FIG. 3, the second
ここで、第1電流検出回路6と、第2電流検出回路7の出力電圧を図8に基づいて説明する。図8は、本実施形態の各検出回路の出力電圧波形を示す模式図であり、(a)は第1電流検出回路6の出力波形図、(b)は第2電流検出回路7の出力波形図である。
図において、第1電流検出回路6の出力電圧は、図8(a)に示すように、最初線形に推移するが、電流の増加とともに一旦飽和し、その後減少を続け、最終的にゼロとなる。これは測定電流の大きさに比較して図6(b)の励磁電流Ibも大きくなることで、磁気コア3が十分飽和する前に閾値電圧(+Ith1、−Ith1)に達してしまうためである。
Here, output voltages of the first current detection circuit 6 and the second
In the figure, the output voltage of the first current detection circuit 6 changes linearly as shown in FIG. 8A, but first saturates as the current increases, then continues to decrease, and finally becomes zero. . This is because the excitation current Ib shown in FIG. 6B also becomes larger than the magnitude of the measurement current, so that the threshold voltage (+ Ith1, −Ith1) is reached before the
これにより、発振回路5の矩形波電圧Vaの周波数も急激に増加し、最終的には発振は停止する。
また、第2電流検出回路7の出力電圧は、図8(b)に示すように、第1電流検出回路6の出力が飽和し始めると同時に急激に増加し始め、ある電流以上でほぼ一定の周波数を維持する。
As a result, the frequency of the rectangular wave voltage Va of the
Further, as shown in FIG. 8B, the output voltage of the second
そこで、第1電流検出回路6および第2電流検出回路7の出力をもとに、下記表1に示すように電流検出を行うことで、微小電流から大電流までの広い電流範囲の電流検知が可能になる。表1は測定電流と2つの電流検出回路6および7との関係を示したものである。
Therefore, by detecting the current based on the outputs of the first current detection circuit 6 and the second
この表1において、測定電流が図8(a)に示すように、ある電流値+I1、−I1を越えないXの領域にあるときには、第1電流検出回路6の出力電圧の大きさを検知する。
また、測定電流が図8(b)に示すように、ある電流値+I1、−I1より大きい領域Yでは、第2電流検出回路7の出力電圧がある値、すなわち、ある電流値+I1、−I1に対応した電圧V1よりも大きいことを検知することで、+I1、−I1より大きい電流値を検知できる。
In Table 1, as shown in FIG. 8A, when the measured current is in the region X not exceeding a certain current value + I1, −I1, the magnitude of the output voltage of the first current detection circuit 6 is detected. .
Further, as shown in FIG. 8B, in the region Y where the measured current is larger than a certain current value + I1, −I1, the output voltage of the second
このように、図8のXおよびYの領域に応じて、第1電流検出回路6および第2電流検出回路7の出力電圧を検知することで、小電流から大電流までの広い電流領域の電流を検知することができる。
すなわち、測定電流がXの領域であるときは、第1電流検出回路6で発振回路5の矩形波電圧Vaのデューティ比を検出することで、+I1〜−I1の微小電流を含む小電流領域の測定電流を検出する。また、測定電流がYの領域であるときは、第2電流検出回路7で周波数−電圧変換を行い、発振回路5の矩形波電圧Vaの周波数増加を検出して+I1、−I1より大きい電流値となる大電流領域の測定電流を検出する。
Thus, by detecting the output voltages of the first current detection circuit 6 and the second
That is, when the measured current is in the X region, the duty ratio of the rectangular wave voltage Va of the
ここで、出力判定回路8を、図3に示すように、第1電流検出回路6の絶対値回路62および第2電流検出回路7の絶対値回路72から出力される出力電圧Vi1およびVi2を個別に第1比較回路81および第2比較回路82に供給して、第1電流検出回路6についても出力電圧Vi1が所望の閾値電圧Vth2以上であるときに小電流領域の測定電流が生じていることを簡易に検出することができる。
Here, as shown in FIG. 3, the
このように、上記実施形態によると、励磁コイル4と発振回路5との間にノイズ除去用コンデンサNC1およびNC2を接続したので、これらノイズ除去用コンデンサNC1およびNC2によって、励磁コイル4および発振回路に印加されるノイズをグランドまたは電源側にバイパスすることにより除去することができる。したがって、発振回路5のオペアンプ51でノイズを増幅することを確実に抑制して、発振回路5からノイズの影響を除去した矩形波電圧Vaを出力することができる。よって、簡易な構成で広い電流範囲の測定電流を正確に検知することができる。
As described above, according to the embodiment, since the noise removing capacitors NC1 and NC2 are connected between the exciting coil 4 and the
しかも、発振回路5内にも第1低域通過フィルタ52を配置し、この第1低域通過フィルタ52によって励磁コイル4を通過した励磁電流Ibに応じた接続点Dの電圧の高域成分を除去してオペアンプ51の反転入力側に供給するので、このオペアンプ51でノイズを確実に除去した電圧Fと閾値電圧Vthとの比較が行われる。このため、オペアンプ51から出力される矩形波電圧Vaへのノイズの影響を確実に除去することができる。したがって、矩形波電圧Vaに基づく測定電流の検知をより正確に行うことができる。
In addition, the first low-
さらに、発振回路5から出力される矩形波電圧Vaを第1電流検出回路6および第2電流検出回路7に供給し、第1電流検出回路6で矩形波電圧Vaのデューティ比に基づいて微小電流を含む小電流領域の測定電流を検出し、第2電流検出回路で矩形波電圧Vaの周波数の増加に基づいて小電流領域より高い高電流領域の測定電流を検出するので、広範囲の測定電流を検知することができる。
Further, the rectangular wave voltage Va output from the
ここで、第1電流検出回路6は第2低域通過フィルタ61によって構成することが可能であり、第2電流検出回路7は高域通過フィルタ71によって構成することが可能であるので、ともに簡易な構成で測定電流を検出することができる。
また、第1電流検出回路6および第2電流検出回路7の出力信号を、第1比較回路81および第2比較回路82を有する出力判定回路8に供給するようにしたので、簡易な構成で広範囲の測定電流の検知を行うことができる。
Here, since the first current detection circuit 6 can be configured by the second low-
Further, since the output signals of the first current detection circuit 6 and the second
なお、上記実施形態においては、出力判定回路8に論理和回路83を設けたので、第1比較回路81の比較出力がローレベルとなる大電流領域で第2比較回路82から出力される比較出力がハイレベルとなるように閾値電圧Vth3を設定することにより、第1比較回路81で設定した微小電流を含む小電流領域内の閾値電圧Vth2以上の測定電流を検知することができる。
In the above embodiment, since the
しかしながら、第1電流検出回路6の第2低域通過フィルタ61から出力されるフィルタ出力Vi1が、図8(a)に示すように正弦波状となるので、出力判定回路8の第1比較回路81に供給する閾値電圧Vth2を図8(a)に示すように0より大きい微小電流値に対応する電圧に設定したときに、この第1比較回路81から出力される比較出力はX領域を超えた場合でもハイレベルを維持することになる。このため、論理和回路83の論理和出力だけでは、測定電流が小電流領域Xであるか大電流領域Yであるかを判別することはできない。
However, since the filter output Vi1 output from the second low-
一方、第2比較回路82に供給する閾値電圧Vth3を、図8(b)に示すように、Y領域の電流検知が可能な閾値電圧に設定すると、この第2比較回路82からY領域の電流を検知することが可能となる。
すなわち、測定電流が小電流領域であるか高電流領域であるかを判別する場合には、第2比較回路82の比較出力がローレベルで、第1比較回路81の比較出力のみがハイレベルであるときに小電流領域であり、第1比較回路81の比較出力にかかわらず、第2比較回路82の比較出力がハイレベルとなったときに、高電流領域であると判断することができる。
On the other hand, when the threshold voltage Vth3 supplied to the
That is, when determining whether the measurement current is a small current region or a high current region, the comparison output of the
この結果、出力判定回路8を、図9に示すように、論理和回路83を省略して、第1比較回路81の比較出力を論理積回路86の一方の入力側に供給し、第2比較回路82の比較出力をインバータ85でレベル反転して論理積回路86の他方の入力側に供給することにより、論理積回路86から小電流領域Xの測定電流が検知されたことを表す小電流領域検知出力SSを得ることができ、第2比較回路82の出力をそのまま出力することにより、大電流領域検知出力SLを得ることができる。
As a result, the
また、上記実施形態においては、出力判定回路8を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第1電流検出回路6および第2電流検出回路7の出力信号をAD変換してディジタル値に変換し、このディジタル値をマイクロコンピュータ等の演算処理装置に供給して測定電流値を算出するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、2本の導線2aおよび2bの差電流を検知する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、1本の導線に流れる微小電流を検出することもできる。
In the above embodiment, the case where the
Moreover, in the said embodiment, although the case where the difference electric current of the two
1…電流検知装置、2a,2b…導線、3…磁気コア、4…励磁コイル、5…発振回路、6…第1電流検出回路、7…第2電流検出回路、8…出力判定回路、NC1,NC2…ノイズ除去用コンデンサ、51…オペアンプ、52…第1低域通過フィルタ、53〜55…抵抗、61…第2低域通過フィルタ、62…絶対値回路、71…高域通過フィルタ、72…絶対値回路、81…第1比較回路、82…第2比較回路、83…論理和回路、90…比較器,92…可変抵抗、96…演算処理装置、97…不揮発性メモリ、98…DAコンバータ、99a,99b…分圧抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (7)
設定した閾値に応じて、前記磁気コアを飽和状態またはその近傍の状態で、前記励磁コイルに供給する励磁電流の極性を反転させる矩形波電圧を発生する発振回路と、
該発振回路から出力される前記矩形波電圧のデューティ変化に基づいて小電流領域の前記測定電流を検出する第1電流検出部と、
前記発振回路から出力される前記矩形波電圧の周波数を検出して前記小電流領域より大きな大電流領域の前記測定電流を検出する第2電流検出部と、
前記励磁コイルおよび前記発振回路に印加されるノイズをバイパスして除去するノイズ除去用コンデンサと
を備えていることを特徴とする電流検知装置。 One exciting coil wound around a magnetic core surrounding the conducting wire through which the measurement current flows;
In accordance with a set threshold value, an oscillation circuit that generates a rectangular wave voltage that reverses the polarity of the excitation current supplied to the excitation coil in a state where the magnetic core is saturated or in the vicinity thereof,
A first current detection unit that detects the measurement current in a small current region based on a duty change of the rectangular wave voltage output from the oscillation circuit;
A second current detection unit that detects a frequency of the rectangular wave voltage output from the oscillation circuit and detects the measurement current in a large current region larger than the small current region;
A current detection device comprising: a noise removing capacitor that bypasses and removes noise applied to the exciting coil and the oscillation circuit.
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