JP4318320B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁心を有する電流センサであって、磁心の上に測定すべき電流が流れる一次巻線とならんで少なくとも１つの二次巻線が巻かれており、この二次巻線のなかに発生器回路により発生される交流電流が供給され、磁心を交互に少なくとも１つの方向に飽和させる電流センサに関する。
ドイツ特許第42 29 948 A1号明細書に、一次巻線および二次巻線を有する軟磁性の磁心が設けられた電流センサが記載されている。二次巻線に直列に、軟磁性の磁心を交互に正または負の飽和状態に制御する磁化電流を供給するための追加的な電流源が接続されている。軟磁性の磁心は、本質的に四角形の磁化特性曲線を有し、従って２つの飽和状態の間の磁化反転の際にそれぞれ一定の電流が流れる。なぜならば、磁化特性曲線のほぼ垂直な経過の結果として、誘導性インピーダンスが無限大に向かおうとするからである。この電流は、正または負の半波において磁化特性曲線のヒステリシスにより与えられている値により平均値と区別される。相異なる極性を有する２つの相続く半波の際の磁化反転の間に流れる定電流の平均値が形成されることによって、ヒステリシスの影響が磁化ループのなかで相殺されるので、二次巻線のなかに磁心の磁化反転の間に流れる電流を測定することにより、一次巻線のなかの測定すべき電流に直接に比例している電流の測定が行われる。しかし、特定の精度を達成するためには、比較的高い回路技術的費用が必要である。
従って、本発明の課題は、より低い費用で等しい精度を可能にし、または等しい費用において、より高い精度を可能にする電流センサを提供することである。
この課題は、本発明によれば、請求の範囲１による電流センサにより解決される。本発明思想の実施態様および実施例は従属する請求の範囲の対象である。
本発明によれば、冒頭にあげた形式の電流センサにおいて、上記の課題は、交流電流を発生するための発生器回路が自己振動する発生器回路であり、その際に発生器回路により発生される交流電流の極性が、二次巻線のなかを流れる電流およびこの電流に対する少なくともしきい値に関係して交互に切換わることにより解決される。その際に磁心材料の特性曲線の非線形特性が、電子的に交流電流の極性を切換える切換しきい値を定めることによって、電子的に利用される。ループ形状、飽和値そして特定の限度内では磁心材料のヒステリシスもまたさしたる意義を有さない。
本発明による電流センサの好ましい実施例では、発生器回路が２つの反転形増幅器（たとえばインバータ、論理ゲート、反転形スイッチング増幅器、コンパレータなど）の直列回路を有し、その際に二次巻線が一方の増幅器の入力端と出力端との間に接続されており、そして一方の増幅器の入力端がさらに第１の抵抗を介して他方の増幅器の出力端と接続される。パルス幅変調された出力信号が両増幅器の出力端に得られ、そしてそこから取り出される。この実施例では二次巻線は、二次巻線を通る電流が特定の値を越えるときに切換えられる矩形波電圧により駆動される。測定すべき電流の大きさに応じて特性曲線が変えられる。その結果として、正および負の半波はもはや等しい大きさではない。しかしそれによって、出力信号のパルス幅比が変化し、それがそれ自体または信号平均値として評価される。
他の好ましい実施例では、発生器回路が、第２の抵抗を第１の節点と二次巻線の第１の端子との間に、また第３の抵抗を第２の節点と二次巻線の第２の端子との間に接続するように構成されている。二次巻線の第２の端子は、入力端に直接に、またＮＯＲゲートの入力端に第１のインバータを介して接続されている。その際に、第１のＮＡＮＤゲートの第２の入力端およびＮＯＲゲートの第２の入力端は第２の節点と接続されている。さらに第２のＮＡＮＤゲートの入力端は二次巻線の第１の端子と、そしてその第２の入力端は第１のＮＡＮＤゲートの出力端と接続されている。最後にＮＯＲゲートおよび第１のＮＡＮＤゲートの出力端はＡＮＤゲートの入力端に接続されており、そのパルス幅変調された出力信号を導く出力端は第２の節点に直接に、また第１の節点に第２のインバータを介在させて接続されている。この実施例では両スイッチングエッジの一方のみが利用され、それによって有利な方法で、正および負のスイッチングエッジの相異なるスイッチングレベルにより生ずる高いオフセットが避けられる。
さらに、それぞれ第１の節点と二次巻線の第１の端子との間ならびに第２の節点と二次巻線の第２の端子との間に、それぞれフリーホィーリングダイオードが接続されていてよい。
本発明の実施例では、第１および第２の抵抗にそれぞれコンデンサが直列に接続される。それにより二次巻線が方形波状の電圧の代わりに近似的にのこぎり波状の電圧により駆動され、それによってセンサ特性曲線の感度が高められる。
好ましくはその際に、第１のＮＡＮＤゲートの第２の入力端の前に低域通過フィルタが接続される。さらに、第２のＮＡＮＤゲートの第１の入力端が、第４の抵抗を介して二次巻線の第１の端子と、第５の抵抗を介して第１の節点と、またクランプダイオードを介して供給電位とそれぞれ接続される。相応して第１のインバータの入力端ならびに第１のＮＡＮＤゲートの第１の入力端が、第６の抵抗を介して二次巻線の第２の端子と、第７の抵抗を介して第２の節点と、また別のクランプダイオードを介してそれぞれ供給電位と接続される。
さらに磁心は、評価回路により、二次巻線の信号から導き出された補償電流により駆動される補償巻線を有するものとして構成してもよい。評価回路はその場合に好ましくは、パルス幅変調された信号により駆動されるブリッジ増幅器回路を含んでいる。ブリッジ増幅器回路に基づいて小さい単極性の供給電圧における作動が保証され、またパルス幅変調された信号によるブリッジ増幅器回路のクロックされる動作に基づいて損失電力が非常にわずかですむ。
最後に非常に低コストですむ実施例では、二次巻線を抵抗と直列にしてシュミットトリガーの入力端と出力端との間に接続する。
本発明による電流センサでは、さらに三角波状の電流による駆動の際に生ずる電圧パルスまたは電流を、コイルにおける電圧ピークの間に評価することが可能である。
以下、図面に示されている実施例により本発明を一層詳細に説明する。図面を通じて等しい要素には等しい参照符号が付されている。
図１は本発明による電流センサの第１の実施例を、
図２は第２の実施例を、
図３は第３の実施例を、また
図４は第４の実施例を示す。
図１による実施例では、たとえばコンパレータ、論理インバータ、スイッチング増幅器、シュミットトリガーなどのような非常に高い増幅率を有する２つの反転形増幅器１、２が互いに直列に接続されている。増幅器１のスイッチング特性を一層改善するため、この増幅器１の後に、増幅器３、増幅器４そして最後に増幅器２が続くように、２つの別の増幅器３および４が接続されている。増幅器４と増幅器２の節点に二次巻線５の端子が接続されており、その他方の端子は抵抗６を介して増幅器２の出力端と、また抵抗７を介して増幅器１の出力端とそれぞれ接続されている。二次巻線５は軟磁性の磁心の上に巻かれており、その上に測定すべき電流ｉが流れる一次巻線９も巻かれている。
その高い増幅率に基づいて増幅器１ないし２はコンパレータのように作用し、従ってまた特定の切換しきい値を有し、その上側では特定の第１の信号レベルを出力端に導き、またその下側では特定の第２の信号レベルを出力端に導く。二次巻線５のなかを流れる電流の強さに応じて、増幅器１の出力端は第１または第２の信号レベルを導く。この信号レベルは後続の増幅器３および４によりそれぞれ反転され、また切換エッジの急峻度をそれぞれ高められる。その際に抵抗７は増幅器１に対する入力電流制限の役割をする。それによって、たとえば二次巻線５の一方の端子に第１の信号レベルが、また増幅器２による反転に基づいて第２の信号レベルが生ずる。抵抗６は、その際に増幅器２の出力電流制限の役割をする。いま二次巻線５のなかの電流が特定の値に到達すると、増幅器１が再び跳躍し、また二次巻線５におけるレベル関係が反転する。
本発明の実施例では、磁心８の上に補償巻線１０が巻かれており、その一方の端子は反転形増幅器１１の出力端と、またその他方の端子は反転形増幅器１２の出力端と接続されている。増幅器１２の入力端は、その際に増幅器１１の出力端に接続されており、その入力端は再び増幅器２の出力端と接続されている。増幅器１ないし４の出力端にそれぞれパルス幅変調された信号が生じており、それらのパルス幅比は測定すべき電流ｉに比例している。いまの実施例では増幅器１の出力端は電流センサ全体の出力端としての役割をし、他方においてインバータ２の出力端はブリッジ回路のなかの両増幅器１１および１２を駆動する役割をする。
図２による実施例では、二次巻線５の端子は、フリーホィーリングダイオード１５を並列に接続されている抵抗１４を介して、インバータ１６の出力端に接続されている。このインバータの入力端は、電流センサ回路の出力端１３と接続されている。二次巻線５の他方の端子は、抵抗１７およびそれに対して並列に接続されているフリーホィーリングダイオード１８を介して直接に出力端１３に接続されている。二次巻線５の第２の端子は、さらに一方ではインバータ１９の入力端と、また他方ではＮＡＮＤゲート２０の入力端と接続されている。インバータ１９の出力端はＮＯＲゲート２１の入力端と接続されている。ＮＯＲゲート２１およびＮＡＮＤゲート２０のそれぞれ他方の入力端は出力端１３と接続されている。さらにＮＡＮＤゲート２２が設けられており、その一方の入力端は二次巻線５の第１の端子と、またその他方の入力端はＮＡＮＤゲート２０の出力端と接続されている。ＮＡＮＤゲート２２およびＮＯＲゲート２１の出力端はＡＮＤゲート２３の入力端に導かれており、その出力端はセンサ回路の出力端１３を形成する。
図３による実施例は図２による実施例にくらべて、抵抗１４および１７に直列にそれぞれコンデンサ２４または２５が接続されている点で変更されている。さらにＮＡＮＤゲート２０の入力端の前に、直列に接続されている抵抗２６および並列に接続されており接地電位に通ずるコンデンサ２７から成る低域通過フィルタが接続されている。二次巻線５の第１の端子とＮＡＮＤゲート２２の第１の入力端との間に抵抗２８が接続されており、その際に抵抗２８とＮＡＮＤゲート２２との間の節点は、一方では抵抗２９を介してインバータ１６の出力端と、また他方ではクランプダイオード３０を介して供給電位Ｕ_Bと接続されている。等しい方法で、インバータ１９の入力端ならびにＮＡＮＤゲート２０の第１の入力端は、抵抗３１を介して二次巻線５の第２の端子と、抵抗３２を介して第２の節点と、またクランプダイオード３３を介して供給電位Ｕ_Bとそれぞれ接続されている。
図４に示されている実施例では、発生器回路は最も簡単な場合にはシュミットトリガー３４から成っており、その際に二次巻線５の一方の端子はシュミットトリガー３４の入力端に接続されており、また他方の端子は抵抗３５を介してシュミットトリガーの出力端と接続されている。図面中に破線で示されているこの簡単な形態は、双極性の電圧供給による作動のために用いられる。それに対して単極性の電圧供給による場合には、シュミットトリガー３４の後に２つの増幅器、たとえば直列に２つの反転形スイッチング増幅器３６および３７を接続する必要がある。その際にシュミットトリガー３４の出力端はスイッチング増幅器３６の入力端と接続されており、その出力端は、一方ではスイッチング増幅器３７の入力端と、また他方では抵抗３５を介して二次巻線５の第２の端子と接続されている。スイッチング増幅器３７の出力端は、その際に二次巻線５の第１の端子に、従ってまたシュミットトリガー３４の入力端に接続されている。
本発明の利点は、補償原理により動作するｍＡ範囲から１００Ａ範囲までの電流に対する電流センサの実現が可能にされ、しかも単に組み合わされたセンサ-および補償巻線で間に合うことである。その際に磁界検出器に対する種々の駆動形式が使用可能である。等しい方法で補償電流センサに対する磁界検出器の駆動も、ｍＡ範囲から１０００Ａ範囲までの電流に対して分離された磁心および巻線において実現される。最後に、磁界検出器の種々の駆動方式を使用し、ｍＡ範囲から１００Ａ範囲までの電流に対する補償電流センサにおいて、磁界検出器および補償巻線に対して共通の磁心および分離された巻線が使用される実施例も可能である。
磁界検出器は、たとえば巻線を施された環状磁心または非常に小さい空隙および非常に小さい断面無しまたは有りの任意の形態の閉じられた磁心から成っている。しかし環状磁心は開いたものとして構成され、測定のために初めて導体を覆うように閉じられてもよい（洗濯ばさみ型）。巻線は部分的に設けてもよい。たとえば１つまたはそれ以上の層巻線が施されてよく、また続いて延性、非晶質、軟磁性の帯または線から成る磁心が巻かれてよい。好ましくは、本発明による電流センサは、たとえばヨーロッパ特許第0 294 590号明細書に記載されているような補償電流センサにおいて使用される。
磁界を検出するためには、軟磁性の磁心の磁化ループの特別な形状と、このループが軟磁性の磁心により囲まれている導体のなかの電流により線形にずらされるという事実とが利用される。センサ要素（たとえば二次巻線）を駆動するためには軟磁性の磁心が、サイクリックにパルスによっても行われ得る交互飽和駆動をされる。この駆動は巻線のなかのセンサ電流を用いて行われる。磁心材料の非線形な特性曲線により対称性が照会され、またそれによって磁心が磁化されているか否かが確かめられる。磁気的な零点からの偏差が生じたときは、磁心を再び零点に戻す補償電流が発生される。相応のフィルタにより、センサの照会信号が再び補償電流に等しい出力信号に重畳されないように配慮しなければならない。ループ形状および飽和の値そしてまた制限付きで磁心材料のヒステリシスも、その際にさしたる意義を有していない。
自己振動性のセンサ原理とならんで、外部からトリガーされる発生器により交流駆動される原理も利用可能である。外部からトリガーされる発生器により固定的に予め定められた駆動周波数において、交流電圧（正弦波、方形波または鋸歯状波）または交流電流（正弦波または三角波）により駆動することができる。応用目的に応じて、その際に低い周波数により（いわばクロックされて）、または個別パルスにより動作させられる。たとえば交流電圧駆動の際には、正および負のピーク電流の和が評価される。ピーク電流評価は、サンプル-アンド-ホールド回路により、もしくはダイオードを介してのキャパシタンスの充電により行われる。別の評価方法として、補償されている場合には零に等しくなければならない磁化反転の間における二次巻線のなかの電流の測定による評価も可能である。交流電流による駆動の際には、同じく磁化反転の間の制御電流が評価される。この際には、およその零通過の時点がセンサ巻線において生ずる電圧ピークにより容易に確認可能、従ってまた評価可能である。

Claims (9)

1. 磁心（８）を有する電流センサであって、磁心の上に測定すべき電流（ｉ）が流れる一次巻線（９）とならんで少なくとも１つの二次巻線（５）が巻かれており、この二次巻線のなかに自己振動する発生器回路（１ないし７；１４ないし２９）により発生される交流電流が供給され、磁心（８）を交互に少なくとも１つの方向に飽和させ、その際に
   二次巻線（５）のなかを流れる電流と、この電流に対する少なくとも１つのしきい値とに関係して発生器回路（１ないし７；１４ないし２９）により発生される交流電流の極性が交互に切換わる電流センサにおいて、
   発生器回路（１ないし７；１４ないし２９）が２つの反転形増幅器（１、２）の直列回路を有し、前記反転形増幅器の切換しきい値が前記少なくとも１つのしきい値を定め、
   二次巻線（５）が第１の抵抗（６、１４）を介して一方の増幅器（２、１６）の入力端と出力端との間に接続されており、また
   一方の増幅器（２）の入力端が他方の増幅器（１）の出力端と接続されており、更に
   両増幅器（１、２）の少なくとも一方の出力端から測定すべき電流（ｉ）に相応するパルス幅変調された出力信号（１３）が取り出し可能であることを特徴とする電流センサ。
2. 発生器回路（１ないし７；１４ないし２９）において第２の抵抗（１４）が第１の節点と二次巻線（５）の第１の端子との間に、また第３の抵抗（１７）が第２の節点と二次巻線（５）の第２の端子との間にそれぞれ接続されており、
   二次巻線（５）の第２の端子が第１のＮＡＮＤゲート（２０）の第１の入力端と直接に、またＮＯＲゲート（２１）の第１の入力端と第１のインバータ（１９）を介して接続されており、その際に第１のＮＡＮＤゲート（２０）およびＮＯＲゲート（２１）のそれぞれ第２の入力端が第２の節点と接続されており、
   第２のＮＡＮＤゲート（２２）の第１の入力端が二次巻線（５）の第１の端子と、また第２のＮＡＮＤゲート（２２）の第２の入力端が第１のＮＡＮＤゲート（２０）の出力端と接続されており、そして
   ＮＯＲゲート（２１）の出力端および第２のＮＡＮＤゲート（２２）の出力端が他のＮＡＮＤゲート（２３）の第１および第２の入力端にそれぞれ接続されており、他のＮＡＮＤゲート（２３）のパルス幅変調された出力信号（１３）を導く出力端が第２の節点と直接に、そして第１の節点と第２のインバータ（１６）を介して接続されていることを特徴とする請求の範囲１による電流センサ。
3. それぞれ第１の節点と二次巻線（５）の第１の端子との間そして第２の節点と二次巻線（５）の第２の端子との間に、それぞれフリーホィーリングダイオード（１５、１７）が接続されていることを特徴とする請求の範囲２による電流センサ。
4. 第１および第２の抵抗（１４、１７）に直列にそれぞれコンデンサ（２４、２５）が接続されていることを特徴とする請求の範囲２または３による電流センサ。
5. 第１のＮＡＮＤゲート（２０）の第２の入力端の前に低域通過フィルタ（２６、２７）が接続されていることを特徴とする請求の範囲２ないし４の１つによる電流センサ。
6. 第２のＮＡＮＤゲート（２２）の第１の入力端が第４の抵抗（２８）を介して二次巻線（５）の第１の端子と、第５の抵抗（２９）を介して第１の節点と、そしてクランプダイオード（３０）を介して供給電位Ｕ_Bとそれぞれ接続されており、さらに第１のインバータ（１９）の入力端ならびに第１のＮＡＮＤゲート（２０）の第１の入力端が第６の抵抗（３１）を介して二次巻線（５）の第２の端子と、第７の抵抗（３２）を介して第２の節点と、また別のクランプダイオード（３３）を介して供給電位Ｕ_Bとそれぞれ接続されていることを特徴とする請求の範囲２ないし５の１つによる電流センサ。
7. 発生器回路がシュミットトリガー（３４）から成っており、二次巻線（５）の一方の端子がシュミットトリガー（３４）の入力端に接続されており、前記二次巻線（５）の他方の端子が抵抗（３５）を介してシュミットトリガー（３４）の出力端と接続されていることを特徴とする請求の範囲１から６の１つによる電流センサ。
8. 磁心（８）が、評価回路（１１、１２）により、二次巻線（５）の信号から導き出されている補償電流により駆動される補償巻線（１０）を有することを特徴とする請求の範囲１ないし７の１つによる電流センサ。
9. 評価回路がブリッジ増幅器回路（１１、１２）を有することを特徴とする請求の範囲８による電流センサ。

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