JPS6244366Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体集積回路に好適な構造の電流測
定回路に関する。

一般工業用に使用される電流測定回路は、巻線
トランスを用いた交流器やホール素子を用いたも
のが多く、これらは何れも磁気回路結合の原理を
応用したものである。従つて、これらの電流測定
回路はコンパクト化や量産性などに不向きであ
り、さらに周波数特性に大きな制約がある。

本考案は上記実情にかんがみてなされたもの
で、コンパクト化および量産性にすぐれた構成と
し、また大電流を容易かつ正確に測定できる電流
測定回路を提供するものである。

以下、図面を参照して本考案の実施例を説明す
るにあたり、先ず本回路が如何なる点に着目して
実現したかについて述べる。一般工業用において
電流測定上問題になるのは大電流の測定時であ
る。即ち、０〜5A又は０〜10A，０〜30A等の大
電流を直接計器で測定することは困難な場合が多
いため、一担その電流に比例した小さな電流、例
えば０〜5mAとか、あるいは０〜10mA，０〜
30mAに分流して測定することが通例である。

本考案は以上のような分流という点に着目し、
これを半導体によつて実現して正確でかつ広い応
用性をもつ構成とし、電流の測定に用いようとす
るものである。

以下、第１図にて直流電流の測定回路について
説明する。同図においてIC_Dは集積回路構造に生
成したダイオード・アレイである。このダイオー
ド・アレイIC_Dの内部構造はトランジスタ構成と
なつているが、実質上は複数のダイオードD₁，
D₂…の各ベースおよび各エミツタをそれぞれ共
通接続するとともに、これらのベース・エミツタ
を順方向バイアスとする構成である。

A₁は高利得をもつ演算増幅器である。この演
算増幅器A₁は場合によつて変流器を構成するダ
イオード・アレイIC_Dと同一チツプで形成するこ
ともできるものである。なお、この演算増幅器
A₁を設けた理由は、電流を測定する順方向ダイ
オードD₁，D₂…の岐路に余分の電圧降下が生じ
ないで正確に分流器として動作させるためであ
る。

而して、以上のような電流測定回路においてダ
イオードD₁，D₂…の順方向電圧降下Ｖ_beは、 Ｖ_be＝（ＫＴ／ｑ）ln（Ｉ_ｃ／Ｉ_ｓ） …(1) となる。ここで、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対
温度、ｑは電荷素量、Ｉ_sはダイオードの形状で
決まる飽和電流、Ｉ_cはコレクタ電流（〓エミツ
タ電流）である。通常、順方向電圧降下Ｖ_beはシ
リコンPN構造で定まり約0.5Vである。シヨツト
キーバリア構造では0.3V位である。

ところで、第１図に示す各ダイオードD₁，D₂
…のパターンをほぼ同一特性、ほぼ同一形状とす
るとともに、各ダイオードD₁，D₂…の各ベース
および各エミツタをそれぞれ共通接続すれば、(1)
式のＩ_sが総て等しくなるため、順方向電圧降下
Ｖ_beも等しくすることができる。一般に高度の品
質工程で作られた素子のＶ_beのバラツキは２〜
4mV以下である。

従つて、電流源ｉ_rからみたダイオード・アレ
イIC_Dの各順方向ダイオードD₁，D₂，…は電圧降
下の等しい並列素子となり、各順方向ダイオード
D₁，D₂，…に流れる電流はｉ_r／ｎとなる。つま
り、ｎ個のダイオードD₁，D₂，…Ｄ_oを並列に設
けた同一形状の単一岐路電流i₁，i₂，…を測定す
れば、所望の値つまりｉ_r／ｎに分流した電流を
測定でき、ひいてはこのダイオードアレイIC_Dに
入力される電流を測定することができる。

次に、第２図にて各ダイオードD₁，D₂，…の
岐路に余分の電圧降下を生ずることなく正確に分
流電流を測定できることについて述べる。即ち、
第２図は第１図に示す出力段つまり演算増幅器
A₁の部分を抽出して示したものであり、同図に
おいて出力電圧ｅ_pは、ｅ_p＝ｅ_i・Ａ_p（但し、Ａ_p
増幅度）となるが、演算増幅器A₁における開ル
ープ電圧増幅度Ａ_pは事実上無限大であるため、
ｅ_i＝OVとなる。

また、同様に入力インピーダンスＺ_ioも無限に
大きいため、演算増幅器A₁自体の入力電流ｉ_b
は、ｉ_b《ｉ_oとなつて無視できるので、ｉ_f＝ｉ_o
となる。従つて、分流した電流を測定する場合に
は、演算増幅器A₁の帰還ループに測定器を接続
すれば、各ダイオードD₁，D₂，…の岐路に余分
の電圧降下を生じさせることなく、ｉ_r／ｎ電流
を正確に測定できることになる。例えば、帰還ル
ープに抵抗Ｒ_fを挿入すれば、 ｅ_p＝ｉ_o・Ｒ_f＝ｉ_ｒ／ｎ・Ｒ_f …(2) の電圧を生じ、入力電流ｉ_rに比例した電圧を測
定できる。なお、この電流−電圧の変換を演算増
幅器A₁で行なうことは公知である。

以上の説明から明らかなように、幾何学的に等
しく配列したダイオード・アレイICにより、そ
の岐路電流を入力電圧降下をOVにして演算増幅
器A₁で測定することができる。なお、温度変動
に関しても各ダイオードD₁，D₂，…のＶ_be自体は
−2mV／Ｃ位の特性で変動するが、総てのダイ
オードD₁，D₂，…が同一シリコン基板上にある
ため、きわめて高い温度相関性を有しており、各
岐路電流の分流比へは影響を与えることはない。
従つて、本構成の回路では例えば同一ICチツプ
内に、1000個の等しいダイオードD₁，D₂，…
D₁₀₀₀を生成し、その一端子の岐路電流を測定す
れば、入力電流ｉ_rを1/1000にして測定すること
ができ、ひいては大電流の測定が可能になる。

次に、第３図は第１図に示す回路の他の例を示
す図であつて、これは前記ダイオードD₁，D₂…
による電流測定手段に着目し同ダイオードD₁，
D₂…に代えてトランジスタ・アレイIC_Tを用いて
構成したものである。この場合もトランジスタ・
アレイIC_Tのチツプ内の各トランジスタT₁，T₂…
をほぼ同一特性およびほぼ同一形状にすれば(1)式
のＩ_cが総て等しくなるためベース・エミツタ間
の順方向電圧降下Ｖ_beは互いに等しい値となる。

そして、同図に示す如く複数のトランジスタ
T₁，T₂，…のうち、任意のトランジスタＴ_oにの
みコレクタバイアスｅを加らると、トランジスタ
Ｔ_oはベース接地回路（インピーダンス変換回
路）として動作し、ｉ_co＝β・ｉ_boより ∴ｉ_bo＝ｉ_ｃｏ／β となる。また、ｉ_co＝ｉ_eo−ｉ_boとなり、ここで
βを非常に大きくすると、 ∴ｉ_co＝ｉ_eo＝ｉ_o となる。ところで、各トランジスタT₁，T₂，…
の形状が等しくなつていれば、トランジスタＴ_o
の岐路電流ｉ_oは、 ∴ｉ_o＝ｉ_ｒ／ｎ であるから、トランジスタＴ_oのコレクタ電流ｉ_c
ｏを測定すれば、これが入力電流ｉ_rに比例した電
流として測定したことになる。

従つて、トランジスタＴ_oのコレクタ岐路に負
荷抵抗Ｒ_Lを挿入し、その電圧降下を測定すれ
ば、入力電流に比例した電圧Ｖ、つまり、Ｖ＝
ｉ_ｒ／ｎ・Ｒ_Lという値を測定することができる。

このように第３図に示す電流測定回路にあつて
は、各トランジスタT₁，T₂…のベースとコレク
タとを共通接続するとともに、これらのトランジ
スタT₁，T₂…の各ベースおよび各エミツタとを
共通ライン上に接続して複数のトランジスタ
T₁，T₂…がほぼ同一特性、ほぼ同一形状を有す
るように配列したのでその岐路電流をベース接地
回路でインピーダンス変換して測定することによ
り、入力電流に比例した値を知ることができる。

次に、第４図は同じく本考案の他の実施例であ
つて、これは第１図および第３図のように入−出
力間が絶縁されていないことによる不便を解消す
るためになした構成例である。即ち、同図はトラ
ンジスタ・アレイIC_T（ダイオード・アレイIC_D
も含む）の出力段にフオト・カプラＰを設けて入
−出力間を絶縁して電流を測定するようにしたも
のである。つまり、ベース接地接続したトランジ
スタＴ_oのコレクタ側にフオト・カプラＰの発光
素子を接続し、２次側の受光素子の電流ｉ_pを測
定すれば、入力側と絶縁した状態で電流の測定が
できる。

今、第４図においてフオト・カプラＰの発光素
子に流れる電流をｉ_coとすれば、上述したよう
に、ｉ_co＝ｉ_ｒ／ｎとなる。この結果、フオト・カプラ Ｐの受光素子側の電流ｉ_pは、 ｉ_p＝η・ｉ_co となり（但し、ηは伝送率）、ｉ_pとしてｉ_coに比
例した電流を測定することができる。

次に、第５図はダイオード・アレイIC_Dを双方
向性に接続して交流変流器として電流を測定する
例である。この場合、電流源ｉ_r側からみた等価
回路は第６図のようになる。これに対し、第１図
の直流変流器への適用の場合には第７図のような
等価回路となる。以上の等価回路から明らかなよ
うに、単にダイオードを互に逆極性に接続しただ
けでよい。

このことは同時に、第８図に示すように多数の
ダイオードの接続替えを行なえば、所望の分流比
が得られることになる。このダイオードD₁₁，
D₁₂，…，Ｄ_1o，D₂₁，D₂₂，…，Ｄ_2oを同一チツプ
に形成し、そのうち半分のダイオード例えば
D₂₁，D₂₂，…，Ｄ_2oだけ外部のスイツチS₁，S₂，
…Ｓ_oで接続替えを行なえば、交流変流器として
所望の分流比で電流を測定することができる。

なお、このダイオードD₂₁，D₂₂，…Ｄ_2oの接続
替えは、IC化した時のピンの余有によつて外部
へ取出して行なうことができるが、別方法として
例えば製造工程時に金属マスクによつてPN接合
部をつぶしてしまつてもよい。つまり、当初の生
成時にはできるだけ多くの素子をチツプ上に形成
し、製造最終段階で不要なダイオードをつぶして
しまうことも可能である。これによつて、例えば
1000個のダイオードを予め形成し1/1000の分流が
可能であつても、金属マスクで100個のダイオー
ドをつぶしてしまえば1/900の分流比へ変更する
ことが可能となる。

次に、第９図はトランジスタ・アレイIC_Tを用
いて交流変流器を構成した例である。この場合も
第５図と同じく直流変流器の構成を双方向性の形
態で接続すれば容易に実現できる。即ち、端子
Ｐ，Ｎにおいて正の半サイクルでＰ側のトランジ
スタT₁₁，T₁₂，…Ｔ_1oをオンし、フオト・タプラ
P₁を介してその受光素子側に電流ｉ_pを流し、ま
た負の半サイクルでＮ側のトランジスタT₂₁，
T₂₂，…，Ｔ_2oをオンし、フオト・カプラP₂を介
してその受光素子側に電流ｉ_p2を流し、これによ
つて２次側負荷抵抗Ｒ_Lに入力電流ｉ_rに比例した
電流を流すようにしたものである。

また、別の集積回路によるダイオードアレイの
構成として第１０図のようにエミツタの形状を等
しくし、各エミツタ岐路に流れる電流を等しくす
ることによつて分流した電流ｉ_oを測定するよう
にすることも可能である。

なお、本考案は上記実施例に限らずその要旨を
逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能であるこ
とは勿論である。

以上詳記したように本考案によれば、複数の半
導体素子を同一形状のパターンとして同一チツプ
上に変流器の構成をなすように形成可能にしたの
で、IC技術により集積回路として製造すること
ができる。この結果、製造の均一化によつて高精
度で電流を測定することができる。また、従来の
ように磁気回路の結合を採らずに単に半導体の組
合せで電流を測定するようにしたので、コンパク
トな構成によつてコストの低減化および量産性に
最適なものとすることができ、また周波数特性の
改善をも図ることができる。また、半導体によつ
て集積化すれば、相当多数の半導体を同一チツプ
上に形成でき、これによつて入力側の大電流を比
較的容易かつ正確に測定できる電流測定回路を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はダイオード・アレイを用いた本考案電
流測定回路の構成図、第２図は第１図の出力回路
を説明する図、第３図および第４図はトランジス
タ・アレイを用いた本考案回路の他の例を説明す
る構成図、第５図は交流分流器へ適用した他の例
を説明する構成図、第６図および第７図は第１図
および第５図の等価回路を示す図、第８図ないし
第１０図は本考案回路の他の実施例を説明する構
成図である。 IC_D……ダイオード・アレイ、D₁，D₂……ダイ
オード、A₁……演算増幅器、IC_T……トランジス
タ・アレイ、T₁，T₂……トランジスタ、Ｐ，
P₁，P₂……フオト・カプラ。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 外部から供給される入力電流を測定する回路
   において、それぞれのベースを共通としかつエ
   ミツタを共通ラインに接続し、この共通ベース
   ラインとエミツタ共通ライン間に入力する前記
   入力電流を１／ｎに分流するほぼ同一特性およ
   びほぼ同一形状のｎ個の半導体素子と、高い開
   ループ利得を持つ増幅器を有し、これらの半導
   体素子の１部に流れる電流を取り出して前記入
   力電流を測定可能にせしめる出力回路とを備え
   てなることを特徴とする電流測定回路。 (2) 出力回路をフオトカプラで接続し、分流電流
   を該出力回路に伝達するようにした実用新案登
   録請求の範囲第(1)項記載の電流測定回路。 (3) ベース共通の複数の半導体素子群を２組有
   し、これを互いに双方向性を有するように接続
   して交流の入力電流を分流するようにした実用
   新案登録請求の範囲第(1)項記載の電流測定回
   路。