(57)【要約】【課題】  負荷に高電圧を印加し、この負荷に流れる電流を測定する電圧印加／電流測定装置において、電流を測定する電流測定部の電圧降下のために負荷に正確な電圧を印加することができず、また負荷短絡等のトラブルのときに過大電流が流れて回路を破壊してしまうという課題を解決する。【解決手段】  電流測定部の出力電圧を入力側に帰還するバッファを介して負荷に電圧を印加すると共に、このバッファの電源をフローティング電源によって供給するようにした。また、バッファと電流測定部の間に保護用ダイオードを挿入し、出力側にインダクタを挿入するようにした。電流測定部の電圧降下がバッファによって補償されるので、正確な高電圧を負荷に印加することができる。また、負荷の短絡時等に過大電流が流れることを防止できる。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧が入力され、この入力された高電圧を出力すると共に、そのとき負荷に流れる電流値を測定する電流測定部と、
この電流測定部の出力側の電圧が帰還されるバッファと、
直流的に絶縁され、前記高電圧を基準電位とする電源を前記バッファに供給するフローティング電源と、
を具備したことを特徴とする電圧印加／電流測定装置。
【請求項２】
互いに逆方向に並列接続された第１のダイオードを、前記バッファの入力側と前記電流測定部の出力側との間に接続したことを特徴とする請求項１記載の電圧印加／電流測定装置。
【請求項３】
前記電流測定部の出力側に接続されたインダクタを具備したことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の電圧印加／電流測定装置。
【請求項４】
前記インダクタに並列に、抵抗と第２のダイオードの直列回路を接続したことを特徴とする請求項３記載の電圧印加／電流測定装置。
【請求項５】
前記第２のダイオードは、複数のダイオードを同方向に直列接続し、この複数のダイオードの各々に抵抗を並列接続した構成を具備したことを特徴とする請求項４記載の電圧印加／電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧を負荷に印加し、この負荷に流れる電流を測定する装置において、数ｋＶの高電圧を印加することができ、かつ負荷が短絡した際の保護回路を具備した電圧印加／電流測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４に、負荷に直流電圧を印加し、この負荷に流れる電流を測定する電圧印加／電流測定装置の構成を示す。この電圧印加／電流測定装置は、複数の負荷に順番に高速で電圧を印加して、そのときの電流を測定する装置であるが、図４では簡単にするために１チャンネルのみを記載している。
【０００３】
図４において、１０は電圧印加／電流測定装置であり、抵抗１１とこの抵抗１１の両端電圧が入力される電流測定回路１２、この電流測定回路１２の出力が入力される演算回路１３で構成されている。１４は入力端子であり、電圧源２０が接続される。また、１５は出力端子であり、負荷２１が接続される。
【０００４】
このような電圧印加／電流測定装置は、電源２０によって所定の直流電圧を負荷２１に印加して、そのときに負荷２１に流れる電流を抵抗１１で検出し、電流測定回路１２で電流値を測定する。この測定値は演算回路１３に入力されて所定の演算を行うことにより、負荷２１の特性を測定する装置である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０７７１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような電圧印加／電流測定装置には次のような課題があった。抵抗１１は負荷２１に直列に接続されるので、電圧印加／電流検出装置１０の出力インピーダンスが大きくなり、負荷２１に正確な電圧を印加することができず、電流が変化してしまうという課題があった。
【０００７】
また、負荷２１に数ｋＶの高電圧を印加しなければならない場合には、電流測定回路１２および演算回路１３をこの高電圧に耐える回路にしなければならないが、このような回路を製作することは困難であり、また高価になってしまうという課題もあった。
【０００８】
さらに、何らかの原因で負荷２１が短絡、開放になった場合、過渡的に大きな電流が流れて装置を破壊してしまうことあるという課題もあった。このために抵抗１１に直列に電流制限用抵抗を挿入することも考えられるが、装置の出力インピーダンスがさらに増加してしまうという課題もあった。
【０００９】
従って本発明の目的は、簡単な回路構成で負荷に正確な高電圧を印加することができ、また負荷が短絡状態になっても装置が破壊されることがない電圧印加／電流測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
高電圧が入力され、この入力された高電圧を出力すると共に、そのとき負荷に流れる電流値を測定する電流測定部と、
この電流測定部の出力側の電圧が帰還されるバッファと、
直流的に絶縁され、前記高電圧を基準電位とする電源を前記バッファに供給するフローティング電源と、
を具備したものである。負荷に正確な高電圧を印加することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
互いに逆方向に並列接続された第１のダイオードを、前記バッファの入力側と前記電流測定部の出力側との間に接続したものである。バッファ等に過電圧が印加されることを防止できる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２記載の発明において、
前記電流測定部の出力側に接続されたインダクタを具備したものである。負荷が短絡したときに、過電流が流れることを防止できる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記インダクタに並列に、抵抗と第２のダイオードの直列回路を接続したものである。このインダクタとコンデンサが共振することを防止できる。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、
前記第２のダイオードは、複数のダイオードを同方向に直列接続し、この複数のダイオードの各々に抵抗を並列接続した構成を具備したものである。特定のダイオードに過電圧が印加されることを防止できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３、４および５発明によれば、バッファを介して高電圧を負荷に供給し、このバッファの出力側に電流測定部を接続してこの電流測定部の出力電圧を前記バッファに帰還すると共に、このバッファの電源を、前記高電圧を基準電圧としたフローティング電源から供給するようにした。
【００１６】
電流測定部の電圧降下がバッファによって補償されるので、正確な電圧を負荷に供給することができるという効果がある。また、バッファの電源として直流的に絶縁されたフローティング電源を用いたので、数ｋＶの高電圧をバッファに印加する場合でも、耐電圧が低いバッファを用いることができるという効果がある。
【００１７】
また、バッファの入力側と電流測定部の出力側の間に、互いに逆接続した第１のダイオードを挿入することにより、入力側または出力側が短絡した場合でもバッファ等に過大電圧が印加されることがなくなるので、これらの回路が破壊されることがないという効果もある。
【００１８】
また、出力側にインダクタを挿入することにより、負荷が短絡したときでも過大電流が流れて回路が破壊されることがなくなるという効果もある。さらに、このインダクタに並列に、抵抗とダイオードの直列回路を接続することにより、インダクタに蓄積された電磁エネルギーを放散して、このインダクタとコンデンサが共振することがなくなるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る電圧印加／電流測定装置の一実施例を示す構成図である。なお、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、３０は電圧印加／電流測定装置であり、その入力端子３７には電源２０から１００〜１０ｋＶ程度の直流高電圧が印加される。２２は電源２０の出力容量、２３は平滑フィルタの容量を表している。
【００２０】
３１はバッファであり、その非反転入力端子には電源２０から入力された高電圧が入力される。３２は直流的に絶縁された正負の電源Ｖｐ、Ｖｎを出力するフローティング電源であり、バッファ３１、電流測定回路１２、演算回路１３に電源を供給する。このフローティング電源３２の基準電位は、電源２０の出力電圧の電位とされる。
【００２１】
バッファ３１の出力端子は抵抗１１の一端に接続され、その他端はインダクタ３４を介して出力端子３８に接続される。出力端子３８には負荷２１が接続される。また、抵抗１１の他端の電圧はバッファ３１の反転入力端子に入力される。抵抗１１と電流測定回路１２で電流測定部を構成している。
【００２２】
このような構成において、バッファ３１、電流測定回路１２、演算回路１３の電源はフローティング電源３２から供給されるので、接地電位から絶縁されており、かつその基準電位は電源２０の出力電圧の電位になっている。従って、電源２０の出力電圧が数ｋＶの高電圧であっても、バッファ３１、電流測定回路１２、演算回路１３にはこの高電圧に耐える回路である必要はなく、通常の回路を使用することができる。
【００２３】
電源２０の出力はバッファ３１を介して負荷２１に供給される。抵抗１１のインダクタ３４が接続されている側の電圧はバッファ３１の反転入力端子に帰還されているので、抵抗１１の電圧降下はバッファ３１によって補償され、負荷２１には電源２０の出力電圧と同じ電圧が印加される。従って、負荷２１に印加される電圧が出力電流によって変動することはなくなる。
【００２４】
なお、インダクタ３４のインダクタンスおよび直流抵抗は測定に支障のない値が選択される。従って、測定に関しては、インダクタ３４はない（短絡されている）と考えてよい。電流測定回路１２、演算回路１３の電源は、抵抗１１の両端電圧の信号を絶縁すれば必ずしもフローティング電源３２から電力を供給する必要はない。
【００２５】
この実施例は入力が短絡したときの保護回路が内蔵されている。出力が短絡するとバッファ３１と電流測定部に過大な電圧が印加され、バッファ３１および電流測定部が破壊されることがある。また、入力が短絡した場合も、負荷側に負荷容量が存在するので、前記と同様な現象が起こる。このようなトラブルを避けるために、ダイオード３３を設ける。ダイオード３３は第１のダイオードに相当する。
【００２６】
ダイオード３３は互いに逆方向に並列接続された２個のダイオードで構成される。このダイオード３３は、バッファ３１の反転入力端子と、抵抗１１とインダクタ３４の接続点の間に接続される。正常時は、バッファ３１の反転入力端子と非反転入力端子間の電圧はほぼ０になる。そのため、ダイオード３３はオフになっている。バッファ３１の２つの入力端子間に過大電圧が印加されるとダイオード３３が導通し、その電圧をダイオードの順方向電圧に制限する。
【００２７】
負荷２１が短絡すると過大電流が流れ、ダイオード３３が破壊されることがある。特に電源２０の出力電圧が数ｋＶと高いと非常に大きな電流が流れ、ダイオード３３だけでなく周辺部も破壊されることがある。電源２０には設定値以上の電流が出力されると出力をシャットダウンする保護回路が内蔵されているが、この保護回路が動作するためには若干の時間が必要である。この短い時間の間にダイオード３３および周辺部が破壊される場合がある。
【００２８】
このようなトラブルを防止するために、負荷２１に供給される電流が流れる経路にインダクタ３４を配置する。負荷２１が短絡すると、インダクタ３４に流れる電流は急激に増加する。このときダイオード３３はオンになるので、この電流はバッファ３１から供給されるだけでなく、ダイオード３３を経由して電源２０から直接供給される。
【００２９】
インダクタ３４のインピーダンスは、流れる電流の変化率に比例する。インダクタ３４に流れる電流が急激に増加するとそのインピーダンスは急激に増加し、電流のピーク値を抑える。このため、ダイオード３３およびその周辺部は保護される。
【００３０】
出力電流の経路にインダクタ３４を配置すると、負荷２１が短絡したときに、このインダクタ３４とコンデンサ２２（電源２０の出力容量やフィルタの容量）が共振を起こし、出力電流がなかなか減衰しないことが発生する。このとき、負荷が突然オープンになった場合、インダクタ３４間に非常に大きな逆起電力が発生し、バッファ３１、電流測定回路１２、演算回路１３を破壊する恐れがある。
【００３１】
この共振を防止するために、インダクタ３４に並列に、抵抗３５とダイオード３６の直列回路を接続する。ダイオード３６の方向は、通常使用時に電流が流れる方向とは逆方向とする。ダイオード３６は第２のダイオードに相当する。
【００３２】
負荷２１が短絡すると、インダクタ３４に流れる電流は急激に増加する。前述したように、この電流はバッファ３１から供給されるだけでなく、ダイオード３３を経由して電源２０から直接供給される。インダクタ３４のインピーダンスは増加し、ピーク電流を抑える。
【００３３】
若干の時間の後、電源２０内の保護回路が働いて電源２０はシャットダウンする。コンデンサ２２に充電された電荷はダイオード３３、インダクタ３４の経路で放電される。コンデンサ２２に充電された電荷が０になると、インダクタ３４には逆方向の電圧が発生し、ダイオード３６はオンになる。このとき、負荷２１に流れる電流は０になる。
【００３４】
ダイオード３６がオンするので、インダクタ３４に蓄積された電磁エネルギーは抵抗３５を流れ、熱エネルギーに変換される。このようにして、インダクタ３４に蓄積されたエネルギーは放散され、インダクタ３４とコンデンサ２２が共振することはなくなる。
【００３５】
図２に基づいて、インダクタ３４に並列接続される抵抗３５とダイオード３６の効果を示す。図２は負荷２１が短絡したときの電圧と電流の変化を表したシミュレーション結果のグラフである。なお、電源２０の出力電圧を２ｋＶ、インダクタ３４のインダクタンスを１ｍＨ、コンデンサ２２の容量を０．４７μＦとした。
【００３６】
図２（Ａ）は抵抗３５とダイオード３６が接続されていない場合のシミュレーション結果であり、４０は出力側に流れる電流、４１は入力側の電圧である。電圧、電流共に正弦波状に変化し、インダクタ３４とコンデンサ２２が共振していることを表している。電圧と電流は徐々に減衰しているが、２ｍ秒を経過しても０にはならない。なお、このときに負荷２１が開放されると、非常に大きな逆起電力が発生する。
【００３７】
図２（Ｂ）は抵抗３５とダイオード３６を挿入した場合のシミュレーション結果であり、４２は出力側に流れる電流、４３は入力側の電圧である。なお、抵抗３５の抵抗値を１０Ωとした。電流、電圧共に最初は高くなるが、０．２ｍ秒以内にほぼ０になる。この図からわかるように、抵抗３５とダイオード３６を挿入することにより、共振をほぼ０にして、負荷短絡後に流れる電流を大幅に少なくすることができる。
【００３８】
図３に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。負荷２１が短絡した瞬間には、ダイオード３６にそれまで負荷２１に印加されていた電圧が逆バイアス方向に印加されるので、ダイオード３６の定格を越えてしまう場合がある。これを避けるためには、ダイオード３６として複数のダイオードを同方向に直列接続した回路を用いればよい。
【００３９】
しかしながら、複数のダイオードを直列接続すると、ダイオードの特性のばらつきによっては、特定のダイオードに集中して電圧が印加され、やはり定格を越えるおそれがある。この実施例は、この課題を解決したものである。
【００４０】
図３において、５０は電圧印加／電流測定装置であり、ダイオード３６を除いて図１の電圧印加／電流測定装置３０と同じ構成を有している。５１〜５３は抵抗、５４〜５６はダイオードである。ダイオード５４〜５６は同方向に直列接続され、この直列回路のアノードはインダクタ３４と出力端子３８の接続点に、カソードは抵抗３５の一端に接続される。また、抵抗５１〜５３はそれぞれダイオード５４〜５６に並列に接続される。抵抗５１〜５３の抵抗値は同じとする。
【００４１】
抵抗５１〜５３に流れる電流は等しく、かつこれらの抵抗の抵抗値が同じなので、その両端電圧も等しくなる。このため、ダイオード５４〜５６に印加される逆電圧は等しくなり、特定のダイオードに大きな電圧が印加されて定格を越えることはなくなる。なお、抵抗５１〜５３の抵抗値は、定格を越えない範囲であれば等しくなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施例の動作を示す特性図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】従来の電圧印加／電流測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１  抵抗
１２  電流測定回路
１３  演算回路
２０  電源
２１  負荷
２２、２３  コンデンサ
３０、５０  電圧印加／電流測定装置
３１  バッファ
３２  フローティング電源
３３  ダイオード
３４  インダクタ
３５、５１〜５３  抵抗
３６、５４〜５６  ダイオード
３７  入力端子
３８  出力端子
【図１】
2009121843.tif 000003
【図２】
2009121843.tif 000004
【図３】
2009121843.tif 000005
【図４】
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