JPH0211109B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高速磁率の磁心とオペアンプによつ
て自励回路を構成し、この回路の自励動作によつ
て電流を検出する電流センサに関する。

従来技術の電流測定方法の代表とされる環状磁
心を用いた磁気変調器は、「計測用磁気増幅器」
（電気学会磁気増幅器専門委員会編・昭和43年12
月１日電気書院発行）76頁の「変調器の励振方
法」において記述されているように、交流励磁電
源を別回路とする他励式であつた。このため、基
本構成では、前掲書94頁の「各方式の具体的付属
回路例」にみられるように、環状磁心を用いた磁
気感応部（前掲書では変調器MM）、磁心を数Ｋ
Hzから数10KHzの励磁周波数で励磁する交流励
磁電源を内蔵する駆動回路部、磁心の倍周波
（2）成分を増巾し、位相検波する同期整流部、
励磁周波数より2成分の参照信号を作りだし、
同期整流部に入力するための逓倍回路部が必ず必
要でありさらに電流の強さを表示する表示回路部
などから成り立つため、回路構成が複雑で部品点
数が多く、全体装置の形状の小型化及び各回路部
の一部の削除は基本的に困難な問題であつた。そ
のため特に、限られた局小部空間に電流センサを
設置することは困難であつた。

本発明は、従来の欠点を解消し、非常に簡単な
回路方式により部品点数を大幅に削減し、限られ
た局小部空間においても使用を可能にした自励発
振形電流センサを提供する。

すなわち本発明は、環状方向に磁路を生じさせ
る単孔磁心と、該磁心を励磁するためのオペアン
プと、該磁心に巻装される励磁用の第１巻線およ
びオペアンプ入力用の第２巻線と、該磁心の孔部
に被測定電流が貫通するように配置した第３巻線
とからなり、前記第１巻線をオペアンプの出力端
子側回路に、また第２巻線をオペアンプの入力端
子側回路の反転端子および非反転端子側にそれぞ
れ接続し、該オペアンプにおいて被測定電流値に
よつて定まる値を起点とする正の励磁時間と負の
励磁時間をオペアンプの正負両極性を有する飽和
直流電圧の正の半サイクル励磁時間と負の半サイ
クル励磁時間にそれぞれ変換し、この飽和直流電
圧を第１巻線に帰還して単孔磁心を自励状態とす
ることにより正負励磁時間の期間長比から被測定
電流値を測定するように構成し、また第２巻線の
端子間にコンデンサを並列接続した自励発振形電
流センサである。まず、第１の特徴は、駆動回路
部から磁気感応部へ送る電流は直流伝送とし、磁
心とオペアンプそれ自体で自励回路を構成し、ま
た、電流感応部からの出力信号は入力電流によつ
て発生する印加磁界によつて正負半サイクル期間
の比率が可変する方形波交流信号とし、これを積
分して得られる直流信号を電流検出の対象信号と
することによつて電流感応部と駆動回路部を数
10m〜数100m離しても電流検出信号を取り出せ
るDC−DC伝送方式を実現した点である。

第２の特徴は、電流感応部に使用する磁心とし
てフエライト、アモルフアス材料、パーマロイ等
の高透率材料を使用することにより非常に安定し
た電流感応型自励回路を構成したことである。こ
の結果、高周波交流励磁電源、交流振巾安定化回
路部が不要になり、伝送路途上での交流励磁電流
の減衰防止対策、信号電圧の減衰防止対策が全く
不要になつた。

第３の特徴は、入力電流の流れる方向と強さ
を、位相検波や振巾検波回路を使用せずに、出力
電圧の極性と電圧値に直接変換し、信号処理を電
流感応部自体で処理してしまう機能を持たせたこ
とである。

第４の特徴は、２つの正負直流安定化電源によ
つて電流感応部を駆動させるもので、信号処理回
路に使用されるオペアンプ用電源が共用でき、か
つ、コモンアースを可能にしたことである。

第５の特徴は、電流感応部は、消費電力が非常
に小さいため、リニアICレベルのプリント基板
上で共存可能にした、実用性と汎用性の高い電流
センサ方式であるといえる。すなわち、磁心を励
磁する電流値は10mA以下でオペアンプの出力で
充分であり、外付けパワートランジスタによる励
磁電流増巾回路を付加しなくても動作しうるよう
にした点である。

以下、図面において詳細に説明する。

第１図ａ〜ｃは本発明に使用する単孔磁心の磁
性材料からなる単孔磁心１の材料構成例を示す。
ａは打抜き、あるいは焼成、あるいはエツチング
加工された磁心、ｂはテープ状磁性体を巻いたも
の、ｃはリボン細線あるいは線材を巻いた磁心の
例を示す。いずれの形状、構成であつても本発明
の目的は達成されるので別にこれを限定しない。
磁心１は、単孔であるが、その形状も限定しな
い。また使用材料も、純鉄、硅素鋼、パーマロ
イ、アモルフアス、フエライト等これを限定しな
い。スパツターなどの製造によつて得られる薄膜
状のものを使用することも勿論可能である。

第２図は、本発明における電流センサの磁心に
巻装される巻線の基本構成を示している。第２図
ａは本発明の基本構成で、モールドなどで励磁巻
線、オペアンプ入力用巻線を固定した磁心５は単
孔磁心で、その外側には端子２ａ，２ｂの励磁用
の第１巻線２と、オペアンプ入力用の第２巻線３
と、端子４ａ，４ｂである被測定電流入力用の第
３巻線４が貫通されている。第３の巻線４の巻線
数は図では１ターンであるが一般には、電磁的に
疎結合の条件を満たす範囲で何ターンでもよい。
コンデンサ６はオペアンプのスイツチングタイミ
ングの調整と磁心より発生する雑音成分を吸収さ
せるとともに、自励発振を安定化させる目的で付
加したもので、端子３ａ，３ｂの巻線端子に接続
され共振回路を構成している。第２図ｂ，ｃは測
定電流Iinの一部を単孔内の入力巻線４に、残り
を単孔外の単一あるいは複数本の分流導体４０に
流すようにした入力回路の例を示す。この回路の
特徴は、電流をバイパスさせて、所定の電流の大
きさに分流されたIexだけを測定することにより、
小型の磁心で被測定大電流Iinの測定を可能にす
ることである。すなわち、この磁心を貫通する入
力電流Iexで作る磁界より換算してIinを測定しう
るようにしたものである。このような入力回路構
成では、磁心より第２巻線３に誘導する交流分
は、導体４０によつて短絡されるため、入力回路
への電磁誘導分を阻止するという大きな利点があ
る。

第３図は、本発明の動作原理を磁心５のＢ−
Iex特性を用いて説明するための図である。第３
図ａは、入力電流Iexが零（Iex＝０）の時におけ
る磁心５のＢ−Iex特性を示したものである。磁
心５にはヒステリシスが存在するため、励磁の１
サイクルでは、図示されているように→→
→→の経路をたどることになる。ここで、
Iex＝０の状態の時に、正の直流電圧を高抵抗に
接続された励磁巻線２に印加し、正の励磁界によ
つて磁心５を最大磁束密度Bmまで励磁させる
と、図示の通りその磁束密度変化巾は△B₁₂とな
る。そして、磁心５の磁束密度がBmに達すると
同時に直流電圧を零にすれば、磁心５に印加して
いる磁界はなくなるので磁束密度レベルは点か
ら点のレベルに急速に戻る。今度は、負の直流
電圧を印加して、負の励磁界によつて磁心５を負
の最大磁束密度−Bmまで励磁させると、その磁
束密度変化巾は△B₃₄となり、｜△B₁₂｜＝｜△
B₃₄｜が成立することになる。ところが、第３図
ｂに示すごとく、正の入力電流I′ex（＞０）によ
つて発生する磁界が磁心５に印加している状態か
ら、この状態を起点としての励磁サイクルをくり
かえす場合を考えてみると、まず、正励磁界の印
加時における磁束密度変化巾は△B′₁₂、負励磁界
の印加時では△B′₃₄となり△B′₁₂と△B′₃₄の間に
は、明らかに｜△B′₁₂｜＜｜△B′₃₄｜が成立す
る。いいかえれば、励磁用の直流電圧が零状態か
ら、磁心５を正あるいは負の最大磁束密度レベル
にまで励磁するのに要する正励磁期間t′＋と負励
磁期間t′−の間に、t′＋＜t′−の関係式が成立する
ことになる。

次に、第３図ｃに示すごとく、負の入力電流
I″ex（＜０）によつて発生する磁界が磁心５に印
加している状態を起点として前述の励磁サイクル
をくりかえすと、正励磁時に△B″₁₂、負励磁時に
△B″₃₄の磁束密度変化がみられ、正励磁期間t″＋
と負励磁期間t″−の間に、t″＋＞t″−が成立する
ことになる。そこで、磁心５に前述の励磁サイク
ル時に印加する励磁直流電圧値が磁心５の最大磁
束密度レベルにおいても低下あるいは変動しない
ように、第４図の電流検出回路に示すごとく第１
巻線２と直列に可変抵抗７を接続し、この可変抵
抗によつてインピーダンス調整をする。また、磁
心５の磁束レベルが最大磁束密度レベルあるい
はに達すると同時に自動的に直流電圧Vc，−
Vcの極性が切り換えられる場合を考えると、端
子８における電圧波形ｅは、正負両極性を有する
方形波電圧波形として観測されることになる。第
５図は、このような仮定のもとに、Iex＝０、
I′ex＞０、I″ex＜０の各場合における端子８にお
ける電圧波形ｅを図示したものである。図からわ
かるように、両極性方形波の正の半サイクル持続
期間ｔ＋，t′＋，t″＋と、負の半サイクル持続期
間ｔ−，t′−，t″−は、入力電流Iex，I′ex，I″ex
によつて制御されることがわかる。それ故、ｅを
積分し、その電圧積分値Eo，E′o，E″oの符号と
電圧値から被測定電流Iinの極性と強さに対応さ
せて換算表示することにより、電流測定を可能に
することができることがわかる。

次に、本発明の動作原理を、具体的回路におい
て説明する。

第６図は、本発明の動作原理を自動的に遂行す
る回路例であつて、磁心５を励磁する直流電圧を
自動的に切り換えるようにした電流感応部１０
０、正負駆動直流電源Ｓを内蔵する駆動回路部２
００、電流感応部１００の出力を積分増巾する表
示回路部３００から成り立つ。

まず、電流感応部１００について説明すれば、
オペアンプ９の反転端子１０ａはアースＧされ、
非反転端子１０ｂには、オペアンプ入力用の第２
巻線３の端子３ａが接続され、端子３ｂは、アー
スＧされている。コンデンサ６は、巻線３の両端
に接続され、磁心５より発生する雑音成分を吸収
するとともに、回路構成上では巻線３に対する共
振回路を構成し、直流電圧切換え時のタイミング
動作を安定化するのに寄与している。オペアンプ
９の出力端子８には、可変抵抗７が接続され、こ
の抵抗によつて出力端子８の電圧波形の調整、い
いかえれば、可変抵抗７と第１巻線２を含めた負
荷インピーダンスの調整を行い、出力端子電圧波
形が極力方形波になるようにする。

次に、自励動作の原理について説明すれば、今
仮りに、オペアンプ９が正に飽和していて、端子
８の電圧が飽和電圧V_S（＞０）であるとすれば、
励磁電流は抵抗７を通つて巻線２を流れ、アース
Ｇへ流れ込む。この時、巻線３では、磁心５を介
して誘起電圧が発生する。この誘起電圧の極性
は、３ａ端子側で正となるので、オペアンプ９の
非反転端子１０ｂには正電圧が入力され、その結
果、オペアンプ９は正の飽和電圧出力V_Sを出し
つづける。そして、この間にも磁心５は励磁され
ており、やがて最大磁束密度レベルBmに達する
まで励磁される間に、磁心５の透磁率は次第に低
下し、誘起電圧の低下とともに巻線３のコイルイ
ンピーダンスも極端に低下する。この時、これま
で、コンデンサ６に誘起電圧によつて充電されて
いた電荷は放電することになる。ところが、コン
デンサ６と巻線３は、共振回路を構成しているの
で、巻線３の３ａ端子側の電圧は、いままで正で
あつたものが負電圧に変り、オペアンプ９の非反
転端子１０ｂには負電圧信号が入力され、出力端
子８の出力電圧e_pは自動的に負の直流飽和電圧−
V_Sに切り換わる。そして次の瞬間には、磁心５
における磁束密度レベルは入力電流Iexで規定さ
れるレベルまで一旦急速に戻り、次いで負の飽和
電圧−V_Sによつて、磁心５における磁束密度変
化は負の最大磁束密度レベル−Bmに向かつて変
化することになる。この時巻線３の３ａ端子の電
圧は、勿論、負となつているため、オペアンプ９
の出力電圧e₀は−V_Sを保持しつづけ、コンデン
サ６には、誘起電圧によつて電荷が充電されるこ
とになる。そして磁心５の磁束密度レベルが負の
最大磁束密度レベル−Bmに到達する頃には、コ
ンデンサ６の放電が開始され、次いで共振現象に
よつてオペアンプ９の非反転端子１０ｂには、極
性反転した入力電圧信号（＞０）が入力され、出
力端子電圧e_pは正の直流飽和電圧V_Sに切り換わる
のである。

このようにして、オペアンプ９に印加されてい
る駆動直流電圧±Vcは、磁心５のオペアンプ入
力用巻線に誘起する電圧信号を受けて、オペアン
プ９の出力端子８に飽和電圧±V_Sを交互に出力
するとともに、この両極性を有する飽和電圧波形
（出力電圧波形）の正期間と負期間との期間長比
（デユーテイ比）は、被測定電流Iinによつて制御
されることになるのである。

尚、コンデンサ６の機能代行は、巻線間に存在
する浮遊容量をもつて代行させるように、磁心５
に巻装される巻線線経、巻線数を適切に選択する
ことによつて可能である。この場合、コンデンサ
６は、あえて取付けなくてもよいことは自明であ
る。第６図において、３００は表示回路部で、方
形波出力電圧e_pは、バツフア１２の非反転端子１
１に入力するか、あるいは抵抗１３とコンデンサ
１４からなる積分回路あるいはローパスフイルタ
ー（図示せず）を経て、ゲイン調整用のオペアン
プ１６の非反転端子１５に入力され、増巾され
る。オペアンプ１６の増巾度は、被測定電流Iex
の強さによつて選択できるように、抵抗１７〜２
０がオペアンプ１６の出力端子と反転端子、アー
ス端子間に接続されている。また、抵抗１３、コ
ンデンサ１４からなる回路の直後にオペアンプ１
６をコンパレータとして動作させるように回路構
成し、被測定電流の存在の有無をＨあるいはＬレ
ベルの出力電圧Eoとしてとりだすことも可能で
ある。２１はコンデンサで、不用な交流雑音成分
を除去する目的で挿入されている。２２は、増巾
度Ａ，Ｂ，Ｃを任意に選択するための切換えスイ
ツチである。２３は、指示計で、電流の極性と強
さを表示する機能を有するものである。２４は、
可変抵抗で、指示計２３へ流れ込む電流値を調整
する。２００は、駆動回路部で、オペアンプ用の
正負直流電圧±Vcの供給源である。第７図は、
第６図で示した電流感応部１００の自励動作を、
強磁界印加後においても安定に実行させるための
変形回路実施例である。

第７図ａにおけるインピーダンス２５は抵抗、
またはコンデンサ、または抵抗とコンデンサから
なる並列接続回路を意味する。オペアンプ９の反
転端子１０ａは、第１巻線２の端子２ｂに接続さ
れ、強磁界印加によつて発生する自励停止現象の
復起は、この２５の端子電圧の負帰還作用よつて
実施している。

第７図ｂでは、インピーダンス２５による負帰
還作用を第１巻線２から分離して、可変抵抗２６
との直列回路によつて実施している。

第８図は、本発明の応用例を示す。電流センサ
１０００の回路構成としては、電流感応部１００
のあとに積分回路を接続し、その後段にコンパレ
ータを接続して、LEDで表示する場合を示す。
すなわち積分回路の出力電圧を入力信号とするコ
ンパレータを接続し、あらかじめ設定された基準
電圧値に対して入力信号レベルをチエツクし、こ
れをハイレベルあるいはローレベルの信号電圧に
変換して出力する。ここで使用するコンパレータ
は、公知のコンパレータ（ウインドコンパレータ
を含む）で十分でそれぞれの用途に応じその特性
を生かして使用するだけで十分である。そしてコ
ンパレータの出力に応じて、たとえば警報音を発
生させるリレーを動作させたり、LEDを表示さ
せる。

第８図ａは電磁リレーにおけるメイク状態
（ON）で、確実に電流が流れていることを検出
するために使用する例を示す。電流センサ全体を
電磁リレーに内蔵させ各接点に流れる電流の有無
をチエツクすることにより、動作の異常を検知す
る自己診断型電磁リレーの構成が可能になる。こ
の場合、単電源（たとえば24V）での使用も可能
で、第６図、第７図におけるアースＧを、単電源
の２分の１の電圧レベルに引き上げるように、
ICあるいは抵抗などによる分圧回路を用いて中
間電位点を作れば簡単に実現できることは自明で
ある。第８図ｂはランプなどの断線状況を知るた
めの応用例である。自動車における各種のランプ
Ｌの点灯状況は、運転席から直接チエツクできな
いところもある。そこで、運転席に警報ランプ付
の電流センサ１０００を配置しておけばランプの
点灯状態を確認することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に使用する単孔状の磁性材料
からなる単孔磁心１の材料構成例を示す図、第２
図は、本発明における電流センサの磁心に巻装さ
れる巻線の基本構成を示す図、第３図は、本発明
の動作原理を磁心４のＢ−Iex特性を用いて説明
するための図、第４図は、電流検出部の回路図、
第５図は第３図に於てIex＝０、I′ex＞０、I″ex
＜０の各場合の端子における電圧波形e_pの図、第
６図は磁心を励磁する直流電圧を自動的に切り換
えるようにした電流感応部、正負駆動直流電源を
内蔵する駆動部、電流感応部の出力を積分増巾す
る表示回路から成る全体回路の一例を示す図、第
７図は第６図の電流感応部の自励動作を強磁界印
加後においても安定に実行できる変形回路の一例
を示す図、第８図は、応用例を示す図である。 １……単孔磁心、２……励磁用の第１巻線、３
……オペアンプ入力用の第２巻線、２ａ，２ｂ，
３ａ，３ｂ……端子、４……被測定電流入力用の
第３巻線、５……巻線を固定した磁心、６……コ
ンデンサ、７……可変抵抗、８……出力端子、９
……オペアンプ、１０ａ……反転端子、１０ｂ…
…非反転端子、４０……分流導体、１００……電
流感応部、２００……駆動部、３００……表示回
路部、Ｇ……アース。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 環状方向に磁路を生じさせる単孔磁心と、該
   磁心を励磁するためのオペアンプと、該磁心に巻
   装される励磁用の第１巻線およびオペアンプ入力
   用の第２巻線と、該磁心の孔部に被測定電流が貫
   通するように配置した第３巻線とからなり、前記
   第１巻線をオペアンプの出力端子側回路に、また
   第２巻線をオペアンプの入力端子側回路の反転端
   子および非反転端子側にそれぞれ接続し、該オペ
   アンプにおいて被測定電流値によつて定まる値を
   起点とする正の励磁時間と負の励磁時間をオペア
   ンプの正負両極性を有する飽和直流電圧の正の半
   サイクル励磁時間と負の半サイクル励磁時間にそ
   れぞれ変換し、この飽和直流電圧を第１巻線に帰
   還して単孔磁心を自励状態とすることにより正負
   励磁時間の期間長比から被測定電流値を測定する
   ように構成した自励発振形電流センサ。 ２ 第２巻線の端子間にコンデンサを並列接続し
   た特許請求の範囲第１項記載の自励発振形電流セ
   ンサ。