(57)【要約】電流検知回路がトランスを具えており、被測定電流が磁気コア内に磁束を誘導する。磁気コアは、ＤＣから低周波電流信号用の磁電変換器と、高周波電流信号を検知する２次巻線とを具える。磁電変換器は、増幅器を介してトランスインピーダンス増幅器の非反転入力に結合する出力を発生する。トランスインピーダンス増幅器の反転入力は、トランスの２次巻線に結合される。トランスインピーダンス抵抗器を有する電流信号経路は、反転入力をトランスインピーダンス増幅器の出力に結合する。トランスインピーダンス増幅器は、ＤＣから低周波電流信号用として無効作用の電流をトランスに結合する電力増幅器として機能すると共に、高周波信号用のトランスインピーダンス利得増幅器としても機能する。
2009536741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体内の電流の流れを検出する電流検知装置であって、
上記導体と結合関係にある磁気コアを具え、上記導体内の電流の流れが上記コア内に磁束を生じ、
上記磁気コア内の磁束により結合された磁電変換器及び２次巻線を具え、上記磁電変換器が上記磁束にほぼ垂直な面で上記磁気コア内に配置され、磁電変換器出力を表す出力を発生する増幅器に結合された上記磁気コア内の磁束に応答して出力を発生し、上記２次巻線が上記磁気コア内の磁束に応答して交流出力を発生し、
上記２次巻線からの上記交流出力を受けるように結合された反転入力と、上記磁電変換器増幅器の出力を受けるように結合された非反転入力と、電流信号経路を介して上記反転入力に結合された出力を有するトランスインピーダンス増幅器を具え、上記電流信号経路が上記２次巻線内の上記交流を上記トランスインピーダンス増幅器の出力に結合すると共に、上記トランスインピーダンス増幅器の出力からの上記磁電変換器の出力を表す電流を上記２次巻線に結合する
電流検知装置。
【請求項２】
上記導体に結合され、上記磁気コアを上記導体内の上記電流の流れに結合する１次巻線を更に具えた電流検知装置。
【請求項３】
上記導体は、上記磁気コアを上記導体内の上記電流の流れに結合する１次巻線として機能することを特徴とする請求項１の電流検知装置。
【請求項４】
上記磁電変換器はホール効果素子であることを特徴とする請求項１の電流検知装置。
【請求項５】
上記トランスインピーダンス増幅器の非反転入力に結合されたオフセット電圧を更に具えた請求項１の電流検知装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
本発明は、一般に、電流測定プローブに関し、特に、電流測定プローブに用いる電流検知回路に関する。
【０００２】
電流プローブは、一般に、導体内の電流の流れにより発生する磁束を、電流検知回路を用いて検知して、導体内の電流の流れを測定する。電流検知回路は、検知した電流信号を電圧出力信号に変換して、この電圧出力信号を表示及び分析のためにオシロスコープなどの測定試験機器に結合する。トランスの１次巻線は、測定すべき電流の導体であり、リング形状の磁気コア内に配置される。１次巻線内の電流は、磁気コア内に磁束を誘導する。トランスの２次巻線は、磁気コアの周囲に巻回され、終端抵抗器に結合される。トランスの１次巻線を流れる交流は、２次巻線に電圧を誘導し、この電圧が順方向に交流を発生して、入力磁束と逆方向に起磁力又は磁束を生じる。２次巻線の交流が終端抵抗器に結合して、交流信号を電圧信号に変換する。
【０００３】
トランスは、ＡＣ信号結合素子であるため、トランスの遮断周波数の通過帯域幅は、ＤＣレベルの上である。電流検知回路が直流及び低周波電流信号を検知できるようにするため、トランスの磁気コアにホール素子を含める。ホール効果素子は、磁気コア内に位置決めされた半導体なので、磁気コア内の磁束は、ホール効果素子にほぼ垂直である。バイアスがホール面に供給されて、磁気コア内の磁束によるホール効果によって発生したその結果の電圧は、異なる増幅器の入力に結合される。増幅器のシングル・エンド出力は、電力増幅器に結合されてもよく、この電力増幅器は、ホール効果素子が発生した電圧に比例する電流出力を発生する。ホール素子増幅器又は別の電力増幅器の出力をトランスに２次巻線に結合するので、２次巻線を介して流れる増幅器からの出力電流が磁束を発生し、この磁束は、ホール効果素子の周波数通過帯域をわたって入力磁束と逆になる。ある実施においては、増幅器の出力が２次巻線の一方の側に結合して、この巻線の他方の側がトランス終端抵抗器及び増幅器階に結合される。他の実施において、増幅器の出力は、抵抗器を介して、増幅器回路としての２次の同じ側に結合される。コンデンサが増幅器回路内の広帯域増幅器の入力に結合されて、電流をホール効果増幅器からブロックする。帰還抵抗器を有する演算増幅器の入力にて、ホール効果増幅器の出力及び広帯域増幅器の出力を加算し、この演算増幅器がトランスの２次巻線内の合成電流に比例する電圧出力を発生する。演算増幅器の電圧出力は、磁気コア磁束のＡＣ及びＤＣ成分の尺度である。米国特許第３５２５０４１号、第５４７７１３５号及び第５４９３２１１号は、上述の電流検知回路を開示している。
【０００４】
上述の電流検知回路の感度は、トランスの巻き数比及びホール効果素子により制限される。２次巻線の巻き数が１次巻線に対して増えると、全体的な電流検知回路の感度が低下する。さらに、トランス終端抵抗器の包含、又はホール効果増幅器の出力をトランスの２次巻線に結合する抵抗器の利用により、トランス周波数応答の低周波遮断点がＬ／Ｒの関数で増加する。なお、Ｌが２次巻線のインダクタンスであり、Ｒが２次巻線及びトランス終端抵抗器の抵抗である。これは、ホール効果素子の直流及び低周波応答からトランスの高周波応答までスムースにクロスオーバーするために、ホール効果素子及び増幅器周波数応答を組合せた高周波遮断点がトランス周波数応答の低周波遮断点を超えて延びることが必要である。さらに、従来設計では、ホール効果増幅器が充分な電流を供給して、トランスの磁気コア内に発生したＤＣから低周波の磁束を無効にする必要がある。ホール効果素子増幅器は、電流出力を発生し、これは、数十アンペア・レンジでの最大電流レートの電流プローブ装置にとって、一般的には、電力増幅器を用いる必要がある。
【０００５】
上述の’１３５及び’２１１特許は、電流入力信号に応答して電圧出力を発生する代わりにトランスインピーダンス増幅器を利用できるので、トランス終端抵抗器を有する電圧増幅器回路をトランスインピーダンス増幅器と置換できることを示唆している。しかし、かかる電流検知回路は、トランスの２次巻線に供給するバッキング電流を発生するために、ホール効果増幅器及び電力増幅器を用いる必要が依然ある。
【０００６】
トランスの２次巻線に供給される電流信号をホール効果増幅器が発生しない電流検知回路が求められている。さらに、電力検知回路にとって、トランスの磁気コア内の直流から低周波磁束を無効にするためにバッキング電流を発生する電力増幅器を用いなければならないという必要性がある。かかる回路は、高電流対電圧利得で低入力抵抗でなければならず、これが電流検知回路の感度を増加させる。
【発明の概要】
【０００７】
よって、上述の必要性に合致し、導体内の電流の流れを検出する電流検知回路は、導体と結合関係にある磁気コアを有し、導体内の電流の流れがコア内に磁束を生じる。磁気コア内の磁束により磁電変換器及び検知巻線が結合しており、磁束にほぼ垂直な面で磁気コア内に電磁変換器が配置される。磁電変換器の出力を表す出力を発生する増幅器に結合された磁気コア内の磁束に応答して、磁電変換器が出力を発生する。２次巻線は、交流出力を生じるための磁気コア内の磁束に応答する。トランスインピーダンス増幅器は、２次巻線からの交流出力を受信するように結合された反転入力と、磁電変換器増幅器の出力を受信するように結合された非反転入力とを有する。トランスインピーダンス増幅器の反転入力は、電流信号経路を介してトランスインピーダンス増幅器の出力に結合されている。電流信号経路は、２次巻線の交流をトランスインピーダンス増幅器の出力に結合し、トランスインピーダンス増幅器の出力からの磁電変換器の出力を表す電流を２次巻線に結合する。
【０００８】
請求項１に記載した電流検知装置は、好ましくは、磁気コアを導体内の電流の流れに結合するために、導体に結合された１次巻線を有する。代わりに、導体は、この導体内の電流の流れに磁気コアを結合する１次巻線として機能する。磁電変換器は、好ましくは、ホール効果素子である。オフセット電圧を、トランスインピーダンス増幅器の非反転入力に結合してもよい。
【０００９】
本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添付の請求項及び添付図と関連して読むと、以下の詳細説明から理解できよう。
【発明の詳細な説明】
【００１０】
図１を参照すると、導体内の電流の流れを検出する電流検知回路１０の実施例を表す図を示している。電流検知回路１０は、電流測定プローブに用いることを意図しており、導体に流れる電流をこのプローブが測定する。電流検知回路１０は、開口を決める磁気材料のリング形状のコア１２を有する。電流伝送導体１４は、磁束結合関係にて、リング形状の磁気コア１２に結合している。電流伝送導体１２は、この電流伝送導体１４と直列に結合された多数巻回の１次巻線を介して、リング形状の磁気コア１４に好ましくは結合されている。代わりに、電流伝送導体１４は、リング形状の磁気コア１２内の開口を介して挿入されて、１次巻線１６として機能してもよい。電流伝送導体１４にて測定される電流は、磁気コア１２内に磁束を発生し、多数巻回の２次巻線１８に結合される。２次巻線１８の一端は、接地に結合され、他端は、トランスインピーダンス増幅器２０の反転入力端に結合される。トランスインピーダンス増幅器２０の反転入力端子は、トランスインピーダンス抵抗器２４を有する電流信号経路２２を介して、増幅器２０の出力端子に結合される。よって、１次巻線１６、又は電流伝送導体１４、磁気コア１２及び２次巻線１２は、トランス２６として機能する。磁電変換器２８は、磁気コア１２内の磁束線とほぼ垂直で、磁気コア１２内に配置される。磁電変換器２８は、好ましくは、バイアス源３０に結合された第１の１対の端子と、増幅器３２の異なる入力に結合された第２の１対の端子とを有する薄膜半導体ホール効果素子である。好適実施例において、増幅器３２は、低いノイズで高い同相抑圧の高利得差動増幅器である。差動増幅器３２のシングル・エンド出力は、トランスインピーダンス増幅器２０の非反転入力に結合される。電流検知回路の消磁に起因するオフセット制御信号は、オフセット電圧線３４を介して、差動増幅器３２に供給してもよい。
【００１１】
図２を参照すると、トランス２６と組合せたホール効果素子２８及び増幅器３２との各周波数応答曲線４０、４２が示されている。ホール効果素子２８及び増幅器の組合せは、ＤＣから１〜２ＭＨｚのレンジまでに拡大したオープン・ループ通過帯域を有する。好適実施例において、ホール効果素子２８及び増幅器３２の高域通過３ｄＢロールオフ周波数は、１〜２ＫＨｚのレンジ内である。トランス２６の周波数応答曲線の低域遮断３ｄＢ周波数は、１〜２ＫＨｚの同じレンジ内である。電流検知回路１０の設計では、組合せたホール効果素子２８及び増幅器３２からトランス２６の通過帯域までの滑らかな遷移が行われる。
【００１２】
トランス２６は、２次巻線１８から１次巻線１６への巻き数比が１０〜１であり、マイクロアンペア・レンジで電流信号に対する感度を増加させる。トランス２次巻線の巻回数が４８でインダクタンスが４ｍＨであるオレゴン州ビーバートンのテクトロニクス社が製造販売しているＴＣＰ３１２型電流プローブの如き既存の電流測定プローブに比較して、２次巻線１８のインダクタンスは約４４０μＨである。トランス抵抗を下げることなくトランス２６の２次巻線１８のインダクタンスを低下させることにより、図２の点線４４で表すように、トランスの低域遮断周波数を増加させる。この結果、組合せたホール効果素子２８及び増幅器３２とトランス２６との間のクロスオーバー領域に実質的な窪みが生じる。よって、既存の検知素子よりも小さな大きさである２次巻線インダクタンスを有するトランス２６を用いることにより、抵抗を２次巻線１８に結合する従来回路を用いることを避ける。トランスインピーダンス増幅器２０は、トランス２６に対する仮想短絡回路（ゼロ・オームの負荷）をほぼ与えて、トランス２６の低域遮断周波数を延ばし、トランスの大きさを小さくできる。
【００１３】
コネティカット州ウォリングフォードのAmphenal, Corp.が製造している部品番号MHC-201如き導体１４に取り付けられた接点３６を介して、電流検知回路１０は、電流伝送導体１４に結合してもよい。これら接点は、通常動作期間中、電流伝送導体１４を介して電流の流れの経路を提供する。トランス２６の１次巻線１６に結合された接触ピンを介して、電流検知回路１０を電流伝送導体１４に結合するとき、電流経路がトランス２６の１次巻線に迂回される。１次巻線１６内の電流は、トランス２６の磁気コア１２内に磁束を発生し、この磁束が２次巻線１８及びホール効果素子２８に結合される。１次巻線１６内に流れる電流のＤＣ又は低周波成分が、ホール効果素子２８の第２の対の端子間に電位差を生じる。ホール効果素子２８の電圧出力は、増幅器３２の差動入力に結合される。増幅器３２の出力は、トランスインピーダンス増幅器２０の非反転入力に結合される。ホール効果素子２８が発生した電圧により生じたトランスインピーダンス増幅器２０の非反転入力での変化する信号レベルは、トランスインピーダンス増幅器２０の出力電圧レベルでの対応する変化を起こす。トランスインピーダンス増幅器２０の出力における電圧の結果、トランス２６の２次巻線１８に結合された電流信号経路２２内に電流が生じる。２次巻線１８に流れる電流は、磁気コア１２内に磁束を生じる１次巻線１６に流れる電流と逆であり、１次巻線１６に流れる電流が発生する磁束を無効にする。このＤＣから低周波帰還ループは、電流信号経路２２の逆方向電流を維持し、この電流は、トランス２６の１次巻線１６内のＤＣ又は低域電流信号に等しい。
【００１４】
１次巻線１６を流れる電流の高周波数成分の結果、１次巻線１６の電流により生じた磁界に逆方向の磁気コア１２の磁界を発生する方向に、２次巻線１８内に電流が誘導される。２次巻線１８に誘導された電流は、トランスインピーダンス増幅器２０の反転入力に結合される。反転入力は仮想接地なので、２次巻線１８の電流は、トランスインピーダンス抵抗器２４を通じた電流信号経路２２を介して、トランスインピーダンス増幅器２０の出力に結合される。その結果、１次巻線１６を流れる電流の高周波成分を表す増幅された電圧出力となる。
【００１５】
トランスインピーダンス増幅器２０は、ＤＣから低域の電流周波数にて磁気コア１２内の磁束を無効にするバッキング電流を発生する電力増幅器と、高周波数用のトランスインピーダンス増幅器として機能する。トランスインピーダンス増幅器を用いた電流検知回路の回路設計は、ＤＣから低周波数の電流信号により生じる磁気コア１２内の磁束を無効にするバッキング電流を発生するための電力増幅器の必要性をなくす。これにより、電流測定プローブに用いる従来の電流検知回路に比較して、電流検知回路１０に必要な電力が減る。
【００１６】
上述の如く、電流伝送導体１４を電流検知回路１０内の１次巻線として用いることができる。電流伝送導体１４を磁気コア１２内の開口に挿入する。電流伝送導体１４を流れる電流は、ＤＣから低周波数にてホール効果素子２８が検知する磁束を磁気コア１２内に誘導すると共に、高周波数にて２次巻線１８に電流を誘導する。トランス２６の１次巻線１６として電流伝送導体１４を用いることにより、トランスの巻き数比が１０対１から３０対１に変化する。この結果、電流検知回路の全体の感度が低下する。しかし、電流検知回路１０は、ＤＣから低周波の無効電流を発生する電力増幅器として、また検知電流用の電圧利得増幅器としてのトランスインピーダンス増幅器２０を組み込むことにより、電流検知回路１０は、依然として電力節約を行う。
【００１７】
本発明の原理を逸脱することなく、本発明の上述の実施例の細部に種々の変更を行えることが当業者には理解できよう。よって、本発明の要旨は、請求項のみから判断される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明による電流検知回路の実施例を表す図である。
【図２】図２は、本発明による電流検知回路の実施例におけるトランスと、組合せたホール効果素子及び増幅器との各周波数応答曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2009536741.tif 000005
2009536741.tif 000006