(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの信号インタフェースチャンネルを有する電流センサにおいて、
該信号インタフェースチャンネルが、一次巻線、二次巻線および帰還巻線を有する変成器と、
前記一次巻線、前記二次巻線および前記帰還巻線を磁気結合する磁気コアと、
前記二次巻線のＡＣ信号に応答して、前記帰還巻線に帰還信号を供給する帰還発生回路とを有し、
前記帰還信号は、極性反転の影響を受けず、前記磁気コアの磁束をほぼゼロ近くに維持するのに有効であり、
前記帰還発生手段が、
ＤＣオフセット電圧が生じうる第１および第２の差動入力ポートと、第１および第２の差動出力ポートとを有する演算増幅器と、
前記帰還巻線を前記第１および第２の差動出力ポートに結合し、前記ＤＣオフセット電圧から補償用ＡＣ信号を発生するようになっているスイッチングアセンブリとを有し、
前記補償用ＡＣ信号が前記一次及び二次巻線を介して前記演算増幅器の第１および第２の差動入力ポートに結合され、
前記スイッチングアセンブリは、第１のスイッチング期間の間、前記第１の入力ポートを前記二次巻線に結合すると共に前記第２の入力ポートを所定のアースに結合し、また第２のスイッチング期間の間、前記第２の入力ポートを前記二次巻線に結合すると共に前記第１の入力ポートを所定のアースに結合する第１および第２の入力スイッチと、第１のスイッチング期間の間、前記第１の出力ポートを前記帰還巻線に結合し、また第２のスイッチング期間の間、前記第２の出力ポートを前記帰還巻線に結合する出力スイッチとを有することを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記帰還発生回路は単一のモノリシック集積回路チップから構成される請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記集積回路チップは、前記少なくとも１つの信号インタフェースチャンネルに対して３つの接続ピンからなる１組のピンを有する請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】
前記３つの接続ピンの第１のピンは、前記二次巻線のＡＣ信号を通過させるように接続され、前記３つの接続ピンの第２のピンは、前記帰還巻線の帰還信号を通過させるように接続され、前記３つの接続ピンの第３のピンは、所定の測定信号を通過させるように接続されている請求項３記載の電流センサ。
【請求項５】
前記集積回路チップは、前記電流センサの別の信号インタフェースチャンネル用の別の帰還発生回路を有し、前記集積回路チップは、別の信号インタフェースチャンネル当り３つの接続ピンから成る別の組のピンを有する請求項３記載の電流センサ。
【請求項６】
前記演算増幅器は、該演算増幅器の周波数応答特性を所定の通りに補償する少なくとも１つの帰還コンデンサを有する請求項５記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電流センサに関し、更に詳しくは、電流センサの変成器に帰還補償を行うために使用される増幅器のオフセット電圧を克服するための差動技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力およびエネルギ使用量を計量するための誘導式および電子式電力量計のような多くの電気および電子装置は、導体に流れる電力線路電流成分または負荷電流成分を検知し、広範囲の大きさの負荷電流に対して正確に比例する電流測定信号を発生する手段を必要としている。
【０００３】
負荷電流は典型的には電子式計量装置に使用するのに適切な電流測定信号の値の何倍も大きい。システムによっては、負荷電流は所望の電流測定信号よりも１０，０００倍も大きい。そこで、変流器のような変成器を使用することが都合がよく、変流器では、トロイダルコアの周りの比較的少ない巻回数（例えば、１または２ターン）が負荷電流の流れる一次巻線として作用する。多巻回数の二次巻線は、負荷電流に比例しているが変流器の一次対二次巻線比によって低減された電流を誘導する。
【０００４】
変成器は負荷電流が大きいときコアが飽和しやすい。コアの飽和は、一般に大きなコアを使用し、コアを高品質の材料で作ることにより避けることができる。しかし、大きさを大きくし、材料を高品質にすることにより、価格が高くなるという不利益がある。
コアの飽和を回避する従来の技術では、コアの周りに帰還巻線を設けて、該帰還巻線にコアの磁束をゼロ近くに維持するのに十分な帰還電流信号を流すようにしている。コアの磁束をゼロ近くに制限することにより、より小さなコアを使用することができ、コアの材料をより安価なものにすることができる。負荷電流が変化するとき、帰還電流信号もコアの磁束をゼロ近くに維持するのに十分なように変化して、変成器のコアの飽和を誘起することなく種々の異なるレベルの負荷電流に対処することが出来る。
【０００５】
上述した技術に使用されている能動帰還は、変成器の二次巻線の出力を受ける演算増幅器によって行われる。典型的な高利得の演算増幅器はコアの磁束をゼロ近くに維持することができる出力電流を容易に発生することができる。しかしながら、高利得の演算増幅器は別の問題を招く。本技術分野に専門知識を有する者に理解されるように、変成器の二次巻線と帰還巻線との結合は交流（ＡＣ）に対して有効なだけである。演算増幅器の入力への直流（ＤＣ）帰還結合はない。例えば、１ミリボルト未満のＤＣオフセット電圧が演算増幅器の入力に現れ又は生じることがある。典型的な演算増幅器は数百万のオーダのＤＣ利得を有する。この結果、演算増幅器の入力におけるオフセット電圧が１ミリボルト未満であっても、演算増幅器は飽和状態に駆動されることがある。
【０００６】
ここに引用する米国特許第４，７６１，６０５号には、ＤＣ補償を行うために、シングルエンド型演算増幅器およびチョッピングスイッチを使用してＤＣオフセット電圧をＡＣ成分に変換し、このＡＣ成分を変成器の二次巻線と帰還巻線との間に結合する帰還回路が記載されている。この米国特許第４，７６１，６０５号に記載のものは所望のＤＣ補償を行うのには有効であるが、そこに使用されている帰還回路は所望の測定信号に不連続な極性反転を生じ、測定信号からこのような不連続な極性反転を濾波または除去するために、別の同期化または信号極性「ブックキーピング（ｂｏｏｋｋｅｅｐｉｎｇ）」を必要とする。更に、帰還回路は集積回路チップで構成され、電流センサは多数の電流および／または電圧インタフェースチャンネルを扱わなければならないので、電流センサにおける信号インタフェースチャンネル当たりの必要な接続ピンの数を低減することが好ましい。
【０００７】
【発明の概要】
一般的に言えば、上述した要望を達成するため、本発明は、一次巻線、二次巻線および帰還巻線を持つ変成器を含む少なくとも１つの信号インタフェースチャンネルを有する電流センサを提供する。磁気コアが一次巻線、二次巻線および帰還巻線を磁気結合する。電流センサは更に、二次巻線のＡＣ信号に応答して、帰還巻線に供給するための実質的に連続な帰還信号を発生する帰還発生回路を有する。帰還信号は磁気コアの磁束をほぼゼロ近くに維持するのに有効である。帰還発生回路は、演算増幅器、例えば第１および第２の差動入力ポートと第１および第２の差動出力ポートとを有する増幅器と、ＤＣオフセット電圧から補償用ＡＣ信号を発生するようになっているスイッチングアセンブリとを有する。補償用ＡＣ信号は磁気コアを介して演算増幅器に結合される。
【０００８】
本発明ではまた電流センサの信号補償方法が提供され、該方法は、磁気コアを使用して一次巻線、二次巻線および帰還巻線を磁気結合し、帰還巻線に供給されて磁束をほぼゼロ近くに維持するのに有効なほぼ連続な帰還信号を発生し、ＤＣオフセット電圧から補償用ＡＣ信号を発生するステップを有する。補償用信号は磁気コアを介して所定の通りに結合される。
【０００９】
新規であると考えられる本発明の特徴は、特許請求の範囲に特に記載されている。しかしながら、本発明自身は構成および動作の方法について、その別の目的および利点とともに、添付図面を参照した以下の説明により一層良く理解され得ることであろう。全図面において、同じ符号は同じ構成部品を示している。
【００１０】
【詳しい説明】
図１および２は、変流器１４のような変成器における磁気コアの飽和の問題を克服した帰還発生回路１２を有する従来の電流センサ１０を示している。この変成器は、共通のコア２１上に巻回された一次巻線１６、二次巻線１８および帰還巻線２０を有している。二次巻線１８の２つの端部すなわち端子は、それぞれ接続ピンＰ1 およびＰ2 を介して一対の単極双投（ＳＰＤＴ）サンプリングスイッチ２２1 および２２2 からなる第１のスイッチングユニット２２に接続されている。この一対のスイッチは実際には半導体スイッチング素子で具体化されるが、図示の簡単化のために機械的なスイッチとして示されている。
【００１１】
図１は、第１のスイッチング期間の間、スイッチ２２1 および２２2 がそれぞれ二次巻線１８の２つの端子のそれぞれを演算増幅器２６の２つの入力ポートのそれぞれに接続していることを図示している。例えば、図１に示すように、第１のスイッチング期間の間、黒点を記した二次巻線の端部は入力抵抗２８を介して演算増幅器２６の反転入力ポートに接続され、黒点を記してない二次巻線の端部は演算増幅器２６の非反転入力ポートに接続されている。説明のためにここに使用される、変成器１４における黒点と極性の取り決めは次の通りである。すなわち、電流が二次巻線１８のような一つの巻線の黒点を記した端部に流れ込んだ瞬間、帰還巻線２０のような他の巻線の黒点を記した端部から電流が流れ出るようになっている。必要により入力抵抗２８とともに帰還コンデンサ３０を用いて、演算増幅器２６が積分動作を行うようにし、これにより帯域外信号を濾波するようにしてもよい。
【００１２】
図２は、第２のスイッチング期間の間、スイッチ２２1 および２２2 はそれぞれ二次巻線１８の２つの端部と演算増幅器２６の２つの入力ポートとの間の接続を図１に示した接続と逆にしている。例えば、図２に示すように、第２のスイッチング期間の間、二次巻線１８の黒点を記した端部は演算増幅器２６の非反転入力ポートに接続され、二次巻線１８の黒点を記してない端部は演算増幅器２６の反転入力ポートに接続されている。
【００１３】
いずれの場合も、演算増幅器２６の出力信号は帰還巻線２０に接続され、帰還巻線２０の出力信号は接続ピンＰ4 およびＰ3 を介して第２のスイッチングユニット２４を通って出力増幅器３２に接続されている。スイッチングユニット２４は一対の単極双投（ＳＰＤＴ）サンプリングスイッチ２４1 および２４2 から構成されている。上述したように、この一対のスイッチは実際には半導体スイッチング素子で具体化されるが、図示の簡単化のため機械的スイッチとして示されている。
【００１４】
図１は、第１のスイッチング期間の間、スイッチ２４2 が帰還巻線２０の２つの端部の一方を出力増幅器３２の反転入力ポートに接続し、スイッチ２４1 が演算増幅器２６からの出力信号を受信するように帰還巻線２０の２つの端部の他方を接続することを示している。例えば、図１に示すように、第１のスイッチング期間の間、帰還巻線２０の黒点を記した端部は演算増幅器２６からの出力信号を受信するように接続され、帰還巻線２０の黒点を記してない端部は出力増幅器３２の反転入力ポートに接続される。
【００１５】
図２は、第２のスイッチング期間の間、スイッチ２４1 および２４2 がそれぞれ帰還巻線２０の２つの端部と演算増幅器２６の出力ポートおよび出力増幅器３２の反転入力ポートとの間の接続を図１に示した接続と逆にすることを示している。例えば、図２に示すように、第２のスイッチング期間の間、帰還巻線２０の黒点を記した端部は出力増幅器３２の反転入力ポートに接続され、帰還巻線２０の黒点を記してない端部は演算増幅器２６からの出力信号を受信するように接続される。出力増幅器３２は接続ピンＰ5 およびＰ6 の間に接続された帰還抵抗３４を有する。出力増幅器３２からの出力信号は所望の測定信号を構成しており、この測定信号は必要に応じてアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器（図示せず）に都合よく入力され、ディジタル化される。
【００１６】
本技術に専門知識を有する者に明らかなように、演算増幅器２６におけるＤＣオフセット電圧成分（演算増幅器２６の非反転入力ポートに接続されている電圧源ＶOSによって表されている）は、図１および２のそれぞれのスイッチング構成により対応するＡＣ信号に変換される。ＤＣオフセット電圧から得られるＡＣ信号は、ＤＣオフセットの影響を実質的にゼロ近くに維持して、演算増幅器２６が飽和状態に駆動されるのを防止するための補償信号を発生するように、変流器１４を介して演算増幅器２６に戻される。図１および２においてそれぞれの矢印の方向で示すように、第１のスイッチング期間の間、出力増幅器３２からの電流の流れは第２の期間の間の電流の流れと逆であることが明らかであろう。この反対方向の電流の流れは好ましくないことに所望の測定信号に不連続な極性反転を生じ、これはこのような不連続な極性反転を測定信号から濾波または除去するために別の同期化または信号極性「ブックキーピング」を必要とする。
【００１７】
図３および４は、本発明による少なくとも１つの信号インタフェースチャンネルを有する改良された電流センサ１００を示している。この電流センサ１００は所望の測定信号における上述した好ましくない極性反転を克服するための帰還発生回路１０２を有する。図３は図１に関連して記載した第１のスイッチング期間に対応し、図４は図２に関連して記載した第２のスイッチング期間に対応する。コア２１（図１および２）は図３および４に示されていないが、電流センサ１００における磁気結合は図１および２の説明で変流器１４について記載した通りのものである。帰還発生回路１０２は有利なことにほぼ連続した帰還信号を発生する。すなわち好ましくない極性反転を受けず、その結果所望の測定信号の余分な同期化または信号極性「ブックキーピング」を必要としない信号を発生する。
【００１８】
スイッチングアセンブリが（図１および２に関連して記載したＳＰＤＴサンプリングスイッチのような）第１および第２の入力スイッチ１０４1 および１０４2 を有し、これらのスイッチはそれぞれ二次巻線１８の黒点を記した端部のＡＣ信号を第１の接続ピンＰ1 を介して演算増幅器１１０の第１および第２の差動入力ポートに供給するように接続される。演算増幅器１１０は好ましくは完全差動演算増幅器、すなわち差動入力信号が演算増幅器の２つのそれぞれの入力ポートに供給されたとき互いにほぼ１８０゜位相がずれている各ＡＣ信号を２つのそれぞれの出力ポートに発生する演算増幅器である。図３および４に示すように、所与のスイッチング期間の間、２つの入力ポートの一方は二次巻線１８の黒点を記した端部に結合され、他方の入力ポートは所定のアースに接続されている。スイッチングアセンブリは更に（図１および２に関連して説明したＳＰＤＴサンプリングスイッチのような）出力スイッチ１０６を有し、この出力スイッチは周期的に演算増幅器１１０の第１および第２の差動出力ポートを帰還巻線２０の黒点を記した端部に結合し、その帰還信号を第２の接続ピンＰ2 を介してする。第３の接続ピンＰ3 は測定信号を適当な縮尺（ｓｃａｌｉｎｇ）用抵抗１１２を介して上述したように適当なＡ／Ｄ変換器（図示せず）に供給するように都合よく接続されている。
【００１９】
本技術に専門知識を有する者に明らかなような、演算増幅器１１０のＤＣオフセット電圧成分は図３および４のそれぞれのスイッチング構成により対応するＡＣ信号に変換される。ＤＣオフセット電圧から得られるＡＣ信号は、補償信号を発生してＤＣオフセットの影響を実質的にゼロ近くに維持することにより、演算増幅器１１０が飽和状態に駆動されるのを防止するように、変成器１４（図１および２）を介して演算増幅器１１０に戻される。図３および４においてそれぞれの矢印の方向で示すように、スイッチング期間に関係なく、帰還巻線を通る電流の流れは一方向であることが明らかである。本発明の主要な利点によれば、この一方向の電流の流れは所望の測定信号内の不連続な極性反転を都合よく除去し、図１および２の電流センサで必要であったような余分な同期化または信号極性「ブックキーピング」を必要としない。本発明の他の利点では、帰還発生回路１０２は、図３および４の１つの信号インタフェースチャンネルに対して接続ピンＰ1 ，Ｐ2 およびＰ3 のようなたった３つの接続ピンを使用した１組のピンを有する単一のモノリシック集積回路チップとして構成することができる。これは図１および２に関連して説明した従来の電流センサに利用されている６つのピンに比べてかなりの削減である。このピンの削減により、別のインタフェースチャンネルを集積回路チップ内に収容することが可能となる。この別の信号インタフェースチャンネルの各々には、チャンネル当り３つの接続ピンしか必要としない。
【００２０】
図５および６は、電流センサの別の典型的な実施例を示している。図５は図１および３に関連して説明した第１のスイッチング期間に対応し、図６は図２および４に関連して説明した第２のスイッチング期間に対応している。この実施例では、演算増幅器１１０は帰還コンデンサ１２０のような帰還コンデンサ手段および入力抵抗１２２を有し、それぞれの値は演算増幅器１１０において所望の周波数応答特性を有するように選択される。例えば、周波数応答特性は帰還発生回路が実質的に安定に動作するように都合よく補償することが出来る。オプションとして、本実施例は第２の接続ピンＰ2 と出力スイッチ１０６との間にバッファ増幅器１２４を有する。コンデンサ１３０は一端がバッファ増幅器１２４の非反転端子に接続され、他端がアースに接続されている。図５および６に示す追加の構成部品は特定の設計に応じて帰還発生回路の全体の安定性を改良するための便宜な手段を提供しているものであることを理解されたい。
【００２１】
電流センサにおける信号補償方法は、磁気コアを使用して一次巻線、二次巻線および帰還巻線を磁気結合するステップを有する。ほぼ連続した帰還信号が発生され、実効的に磁束をほぼゼロ近くに維持するように帰還巻線に供給される。補償用ＡＣ信号がＤＣオフセット電圧から発生される。補償用信号は磁気コアを通して所定の通りに結合される。ほぼ連続した帰還信号を発生するステップでは、第１および第２の差動入力ポートおよび第１および第２の差動出力ポートを有する演算増幅器を作動させる。例えば、第１のスイッチング期間の間、第１の入力ポート（例えば、演算増幅器１１０の反転入力ポート）が黒点を記した端部を介して二次巻線に結合され、第２の入力ポート（例えば、演算増幅器１１０の非反転入力ポート）が所定のアースに結合される。反対に、第２のスイッチング期間の間、第１の入力ポートは所定のアースに結合され、第２の入力ポートは二次巻線の黒点を記した端部に結合される。更に、演算増幅器を作動させるステップでは、第１のスイッチ期間の間、第１の出力ポート（例えば、出力スイッチ１０６に接続された図３に示されている出力ポート）を黒点を記した端部を介して帰還巻線に結合し、第２のスイッチング期間の間、第２の出力ポート（例えば、出力スイッチ１０６に接続された図４に示されている出力ポート）を黒点を記した端部を介して帰還巻線に結合する。
【００２２】
本発明のある特徴のみについて図示し説明したが、本技術に専門知識を有する者には多くの変更、置き換え、改変および等価物が考えられよう。従って、特許請求の範囲は本発明の真の精神内に入るこのようなすべての変更および改変を包含するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電流センサの回路図であり、第１のスイッチング期間におけるスイッチング構成を示す。
【図２】第２のスイッチング期間におけるスイッチング構成を示す従来の電流センサの回路図である。
【図３】本発明の典型的な一実施例による電流センサの回路図であり、第１のスイッチング期間におけるスイッチング構成を示す。
【図４】第２のスイッチング期間におけるスイッチング構成を示す本発明の一実施例の電流センサの回路図である。
【図５】本発明の典型的な他の実施例による電流センサの回路図であり、第１のスイッチング期間におけるスイッチング構成を示す。
【図６】第２のスイッチング期間におけるスイッチング構成を示す本発明の他の実施例の電流センサの回路図である。
【符号の説明】
１４    変流器
１６    一次巻線
１８    二次巻線
２０    帰還巻線
１００    電流センサ
１０２    帰還発生回路
１０４1   第１のスイッチ
１０４2   第２のスイッチ
１０６    出力スイッチ
１１０    演算増幅器
１２４    バッファ増幅器
【図１】
0003992760.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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