JP6123275B2 - 電流検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、高透磁率材料の非線形特性を利用した電流検知装置に関し、より詳細には、直流電源を用いた設備の漏電検知に適用可能で、環境条件により影響を受けることが少なく、微小電流検知が可能な電流検知装置に関する。

従来から、この種の電流検知装置として、種々のものが提案されているなかで、簡素な構成で微小電流の検知が可能なものとして、フラックスゲート型の電流センサが知られている(例えば、特許文献１参照)。
図５は、従来例に係る電流検知装置を示す説明図であって、図５（ａ）はセンサ部の構成図であり、図５（ｂ）は励磁コイルに励磁電流を流した時の各磁気コアの磁束密度を示す図であり、図５（ｃ）は各磁気コアの磁束密度を正弦波で表現した図である。なお、図５（ｂ），（ｃ）において、縦軸は磁束密度Ｂ、横軸は時間ｔを示している。図５（ａ）に示すように、この電流検知装置のセンサ部は、第１，第２の磁気コア（以下、単にコアともいう）１０１，１０２と、励磁コイル１３と、検出コイル１４とを備えて構成されている。

コア１０１は、軟磁性体により円環状に構成されている。コア１０２は、コア１０１と同等であり、そのコア１０１に対して同軸上に所定幅だけ離間して平行に配置されている。励磁コイル１３は、各コア１０１，１０２に分けて、それぞれ等しく半分ずつ巻回された２組のコイルを直列接続して構成されている。検出コイル１４は、各コア１０１，１０２の両方に挿通して掛け渡すように巻回されている。なお、両コア１０１，１０２は、材質、形状、寸法及び磁気特性の全てを同等にすることを目標に製造されている。

励磁コイル１３には三角波の励磁電流Ｉｗを流すため、三角波発振器Ｗが接続されている。この励磁コイル１３は、これに励磁電流Ｉｗを流した時、両コア１０１，１０２に、互いに逆相の磁場が発生して相殺するような巻線形態で巻回されている。図５（ｂ）上のグラフは、三角波の励磁電流Ｉｗにより、上側のコア１０１に生じる磁束密度Ｂの経時変化を示している。同様に、図５（ｂ）下のグラフは、三角波の励磁電流Ｉｗにより、下側のコア１０２に生じる磁束密度Ｂの経時変化を示している。また、検出コイル１４には不図示の検出回路が接続されている。そして、両コア１０１，１０２の中心部に被測定導線２が挿通されている。

コア１０１，１０２の材質は、その磁気特性が、いわゆるＢ−Ｈ曲線で示される軟質磁性体である。すなわち、磁場Ｈが所定範囲内では、磁場Ｈと磁束密度Ｂとは直線的な関係にある。また、磁場Ｈが所定範囲を超えると、磁束密度Ｂが変化しない磁気飽和の状態となる。したがって、励磁コイル１３に三角波の励磁電流Ｉｗを流すと、各コア１０１，１０２に発生する磁束密度Ｂは、図５（ｂ）に実線で示すように上下対称の台形波状に変化する。そして、上述した相殺するような巻線形態のため、相互位相が１８０°ずれた状態となる。つまり、逆相である。

ここで、被測定導線２に矢印で示す下向きに直流の測定電流Ｉが流れている時、この測定電流Ｉに相当する磁束密度Ｂが重畳される。その結果、図５（ｂ）に破線で示すように、磁束密度Ｂは、凸部が上向きの台形の幅が拡大され、凸部が下向きの台形の幅が縮小された波形となる。すなわち、測定電流Ｉが流れることで、各コア１０１，１０２に発生する磁束密度Ｂは、破線で図示するように上下非対称に変化する。そのため、検出コイル１４には、図５（ｃ）に破線で示すように、励磁電流Ｉｗの２次高調波成分の電圧が誘起される。

図５（ｃ）上段のグラフは、図５（ｂ）上段に示したコア１０１の磁束密度Ｂを、説明の便宜上、台形波から正弦波（起電力に対応）に矯正した図である。同様に、図５（ｃ）中段の波形は、図５（ｂ）下段に示したコア１０２の磁束密度Ｂを、台形波から正弦波に矯正した図である。図５（ｃ）上・中段の波形は、図５（ｂ）上・下段に示した相互に逆位相の台形波に基づいているので、逆位相である。すなわち、各コア１０１，１０２に発生する起電力は、逆位相で打ち消し合っている。

一方、図５（ｂ）に破線で図示した台形波に対応し、図５（ｃ）に破線で図示するような、２倍の周波数の２次高調波が表れる。２つの基本波は１８０°ずれた逆位相のため相殺していたが、２次高調波の位相は３６０°ずれて同位相となり一致する。また、検出コイル１４は、両コア１０１，１０２に挿通して掛け渡すように巻回されているため、各コア１０１，１０２それぞれの磁束変化により発生する誘起電圧は、各コア２つ分が加算されて検出される。したがって、図５（ｃ）の最下段に示すように、検出コイル１４は、各コアから誘起される２次高調波成分の２倍相当の正弦波信号を検出する。この検出コイル１４で捉えられた検出信号は、被測定導線２を流れる測定電流Ｉに対応している。したがって、この検出コイル１４の検出信号を処理することで、測定電流Ｉを検出することができる。なお、被測定導線２が複数であれば、それらの方向性を考慮した合計電流値、すなわち、微小差電流値を検出することができる。

特開２０００−１６２２４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、第１のコアと同等の第２のコアを使用する。すなわち、第１と第２との２つのコアを必要とするため、小型化及びコストダウンが困難である。さらに、これら２つのコアの磁気特性がわずかでも異なると、出力に誤差を生じるため、微小電流の検出が困難であるという問題がある。さらに、この方法では、検出範囲及び検出感度の点で電流検出特性が一定であるため、一定の利用条件にしか適用できないという問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、コアを１つにして、小型化及びコストダウンを可能とし、かつ、両コアの磁気特性の差異による出力誤差も生じることなく微小電流の検出を可能とし、しかも、検出範囲及び検出感度の点で使用条件に応じて任意に電流検出特性を設定することにより、１台の使用範囲を広げることが可能な電流検知装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電流検知装置は、測定電流が流れる被測定導線と、該被測定導線から電気的に絶縁された磁気コアにより前記被測定導線と磁気的に結合されている励磁コイルとを備えた電流検知装置において、前記磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態で、前記励磁コイルに供給する励磁電流の向きを反転させる矩形波電圧を発生する矩形波発振回路と、該矩形波発振回路から出力される前記矩形波電圧のデューティ変化に基づいて前記測定電流を検知するデューティ検出回路と、前記励磁コイルに直列接続された可変抵抗部と、前記励磁コイルの巻数を切り替え可能な巻数切替手段と、を備え、前記可変抵抗部と前記巻数切替手段とは、電流検出感度重視の電流検出特性と、電流検出範囲重視の電流検出特性とを選択可能に連動されている。

また、本発明の一態様に係る電流検知装置は、前記矩形波発振回路が、コンパレータとして動作するオペアンプを備え、前記励磁コイルと直列接続された可変抵抗部との接続点に発生する電圧が、前記オペアンプの反転入力部に入力されることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る電流検知装置は、前記可変抵抗部が、複数の抵抗と、該複数の抵抗を切り替え接続可能な抵抗切替スイッチとを備えたことを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る電流検知装置は、前記巻数切替手段が、前記励磁コイルの有する前記複数の抵抗と同数のタップを切り替えるタップ切替スイッチを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、コアを１つにして、小型化及びコストダウンを可能とし、かつ、両コアの磁気特性の差異による出力誤差も生じることなく微小電流の検出を可能とし、しかも、検出範囲及び検出感度の点で使用条件に応じて任意に電流検出特性を設定することにより、１台の使用範囲を広げることが可能な電流検知装置を実現できる。

本発明に係る電流検知装置の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る電流検知装置の実施形態における励磁コイルの巻数に対する、電流検出感度及び電流検出範囲を示す図である。 矩形波発振回路の基本動作を説明するため、出力電圧波形と励磁コイルの電流波形とを示す模式図である。 Ｂ−Ｈ特性線図、及びコアのインダクタンス特性を示す特性線図である。 従来例を示す説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る電流検知装置の実施形態を示す概略構成図である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の電流検知装置の要部回路図である。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、電流検知装置１００は、被測定導線２と、磁気コア（単にコアともいう）３と、励磁コイル４０と、矩形波発振回路５と、デューティ検出回路６と、可変抵抗部８と、タップ切替スイッチ（巻数切替手段）２４と、を備えて構成されている。

被測定導線２が複数であれば、それら被測定導線２ａに流れる電流Ｉａと被測定導線２ｂに流れる電流Ｉｂとの微小差を測定電流Ｉとして、電流検知装置１００が検出する。一般的な設備であれば、正常に動作している時は、Ｉ＝Ｉａ−Ｉｂ＝０である。なお、被測定導線２が１本でも検出可能である。したがって、以下の説明では、被測定導線２は、本数に関わらず、単に被測定導線２という。

円環状のコア３は、被測定導線２から電気的に絶縁されており、コア３の中心を被測定導線２が挿通されている。励磁コイル４０は、コア３を介して被測定導線２と磁気的に結合されている。矩形波発振回路５は、矩形波電圧Ｖａを発生する。矩形波電圧Ｖａは、コア３を飽和状態又はその近傍の状態で、励磁コイル４０に供給する励磁電流Ｉｅｘの向きを反転させる。デューティ検出回路６は、矩形波発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａのデューティ変化に基づいて測定電流Ｉを検知する。励磁コイル４０と可変抵抗部８とは直列接続され、矩形波発振回路５の出力端子ＶＡからグランドＧＮＤの間に介挿されている。可変抵抗部８は、複数の抵抗Ｒａ〜Ｒｄと、これら複数の抵抗Ｒａ〜Ｒｄを切り替え接続可能な抵抗切替スイッチ１６とを備えている。なお、可変抵抗部８に含まれる各抵抗値は、Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃ＜Ｒｄであり、抵抗切替スイッチ１６で選択された抵抗をＲＸとする。つまり、直列抵抗ＲＸの値を加減したい場合は、抵抗切替スイッチ１６により、Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃ＜Ｒｄのなかから適宜選択する

巻数切替手段を構成するタップ切替スイッチ２４は、励磁コイル４０の有する複数のタップ１５を切り替えて、矩形波発振回路５の出力端子ＶＡに接続することが可能である。すなわち、励磁コイル４０の巻数に応じて配置したタップ１５を、タップ切替スイッチ２４で切り替えることにより、励磁コイル４０の巻数を変化させることが可能である。このタップ切替スイッチ２４と、抵抗切替スイッチ１６とは、それぞれの切り替え動作が連動可能である。電流検知装置１００は、測定電流Ｉを検出する際、コア３に巻回された励磁コイル４０の巻数によって、電流検出特性が変化する。その変化する電流検出特性とは、電流検出範囲及び電流検出感度である。つまり、タップ切替スイッチ２４と、抵抗切替スイッチ１６とを適宜操作することにより、電流検知装置１００の電流検出範囲及び電流検出感度を任意に設定することが可能である。

以下、電流検知装置１００について、より詳しく説明する。
直流電流検知装置１００は、測定電流Ｉが流れる被測定導線２に対して電気的絶縁を保ちながら測定電流Ｉを検知するものである。この直流電流検知装置１００は、コア３と、励磁コイル４０と、矩形波発振回路５と、デューティ検出回路６と、可変抵抗部８と、タップ切替スイッチ２４とを備えている。コア３は、測定電流Ｉが流れる被測定導線２に対して電気的絶縁を保ちながら磁気的結合するように、被測定導線２を囲むように配置されている。励磁コイル４０は、コア３に対して電気的絶縁を保ちながら磁気的結合するように、コア３に巻回されている。

矩形波発振回路５は、非反転入力部Ｅ、反転入力部Ｄ及び出力端子ＶＡを有するオペアンプ５１と、そのオペアンプ５１が適切に動作できる設定をするように、抵抗Ｒ１，Ｒ３，ＲＸを備えて配線されている。励磁コイル４０は、オペアンプ５１の反転入力部Ｄと出力端子ＶＡとを結ぶ負帰還経路に接続されている。矩形波発振回路５は、設定した閾値に応じて、コア３を飽和状態又はその近傍の状態で、励磁コイル４０に供給する励磁電流Ｉｅｘの極性を繰り返し反転することにより、矩形波電圧Ｖａを発生する。デューティ検出回路６は、矩形波発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａのデューティ変化に基づいて測定電流Ｉを検知する。

図１（ｂ）に示すように、矩形波発振回路５は、コンパレータとして動作するオペアンプ５１を備えている。このオペアンプ５１の出力部ＶＡは、矩形波発振回路５の出力端子ＶＡに接続されているので、同一符号ＶＡを付して出力端子ＶＡともいう。このオペアンプ５１の出力端子ＶＡと反転入力部Ｄとの間には、励磁コイル４０が接続されている。また、オペアンプ５１の非反転入力部Ｅは、抵抗Ｒ１を介してグランドＧＮＤに接続されている。そして、オペアンプ５１の出力端子ＶＡとグランドＧＮＤと間には、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ１が直列に介挿されている。これら分圧抵抗Ｒ３と分圧抵抗Ｒ１との接続点Ｅは、オペアンプ５１の非反転入力部Ｅに接続されている。したがって、これらに同一符号Ｅを付している。

オペアンプ５１の非反転入力部Ｅには、分圧抵抗Ｒ３と分圧抵抗Ｒ１との分圧比によって生成された閾値電圧Ｖｅが入力されている。一方、オペアンプ５１の反転入力部Ｄには、励磁コイル４０と抵抗ＲＸとの接続点Ｄに発生する電圧Ｖｄが入力される。なお、オペアンプ５１の反転入力部Ｄは、励磁コイル４０と抵抗ＲＸとの接続点Ｄに接続されているので、同一の符号Ｄを付している。オペアンプ５１は、コンパレータとして機能する。すなわち、閾値電圧Ｖｅと電圧Ｖｄとを比較した結果、矩形波電圧Ｖａを出力端子ＶＡから出力する。

矩形波発振回路５は、設定した閾値Ｖｅに応じて、コア３を飽和状態又はその近傍の状態で、励磁コイル４０に供給する励磁電流Ｉｅｘの増減方向を反転させる矩形波電圧Ｖａを発生する。すなわち、オペアンプ５１の出力端子ＶＡと、グランドＧＮＤとの間で、発振出力が出力される。デューティ検出回路６は、矩形波発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａのデューティ変化に基づいて、測定電流Ｉを検知する。なお、矩形波発振回路５と、デューティ検出回路６と、可変抵抗部８と、タップ切替スイッチ２４とについては、さらに詳しく説明する。

図２は、本発明に係る電流検知装置の実施形態における励磁コイルの巻数に対する、電流検出感度及び電流検出範囲を示す図である。図２において、横軸は励磁コイル４０の巻数、縦軸は電流検出感度及び電流検出範囲を示している。より詳細には、励磁コイル４０の巻数に対する電流検出範囲を、２種類の破線で示しており、どちらも、巻数が増えるとともに電流検出範囲も大きくなる。また、太実線及び太破線は、励磁電流Ｉｅｘが小さい（直列抵抗大）時の特性２１である。そして、細実線及び細破線は、励磁電流Ｉｅｘが大きい（直列抵抗小）時の特性２２を示している。

図１に示した可変抵抗部８は、直列抵抗を大きくして励磁電流Ｉｅｘを小さくすることによって、図２に太実線及び太破線で示す特性２１を実現する。逆に、直列抵抗を小さくして励磁電流Ｉｅｘを大きくすることによって、図２に細実線及び細破線で示す特性２２を実現する。

図２に示すように、励磁コイル４０の巻数を増やすことで、電流検出範囲は拡大するが、電流検出感度は低下する。逆に、励磁コイル４０の巻数を減らすことで、電流検出範囲は縮小するが、電流検出感度は高くなる。図２における、特性２１，２２の差異は、抵抗Ｒａ〜Ｒｄを、抵抗切替スイッチ１６により切り替えて、励磁電流Ｉｅｘを変化させることにより生じる。すなわち、励磁電流Ｉｅｘが小さい時の特性２１と、励磁電流Ｉｅｘが大きい時の特性２２との差異を示すように、電流検出感度と、電流検出範囲に違いが生じる。また、励磁コイル４０の巻数に応じて配置したタップ１５を、タップ切替スイッチ２４で、切り替えることにより、巻数を変化させる。それと同時に、抵抗Ｒａ〜Ｒｄを、抵抗切替スイッチ１６切り替えて、励磁電流Ｉｅｘも変化させることができる。

このように、電流検知装置１００は、その用途に応じて、タップ切替スイッチ２４と、抵抗切替スイッチ１６とを連動して切り替え操作することができる。例えば、電流検出範囲は狭くても良いが高感度で検出したい場合と、その逆に、感度は低くても良いが広範囲の電流を検出したい場合とに区別して対応することができる。このように、１台の電流検知装置１００で、使用条件に応じた電流検出特性の切り替え設定ができる。また、電流検出特性ばかりでなく、抵抗Ｒａ〜Ｒｄを抵抗切替スイッチ１６により切り替えて励磁電流Ｉｅｘを変化させることにより、電流検知装置１００の消費電流を低化させることも可能になる。つまり、用途に応じて、必要最小限の消費電流に設定して用いることも可能である。

図１において、電流検知装置１００は、被測定導線２の電流Ｉを検出する。例えば、漏電検知等の対象物に設けられ、往復の電流が１０Ａ〜８００Ａ程度で流れる被測定導線２ａ，２ｂの微小な差異電流を検知する。漏電検知等の対象物が、健全状態では被測定導線２ａ，２ｂに流れる電流の和はゼロである。しかし、漏電や地絡などの事故時には、被測定導線２ａ，２ｂに流れる電流の和がゼロにならない。したがって、検出対象とする１５ｍＡ〜５００ｍＡ程度の微小な差異電流、すなわち、測定電流Ｉが流れる。これら被測定導線２ａ，２ｂを取り巻いてリング状のコア３が設けられている。つまり、コア３内に被測定導線２ａ，２ｂが挿通されている。コア３には、励磁コイル４０が巻回されている。この励磁コイル４０に矩形波発振回路５から励磁電流Ｉｅｘが供給される。

図３は、矩形波発振回路の基本動作を説明するため、出力電圧波形と励磁コイルの電流波形とを示す模式図である。図３（ａ）において、横軸は時間ｔ、縦軸はオペアンプ５１の出力端子ＶＡにおける矩形波電圧Ｖａを示している。図３（ｂ）において、横軸は時間ｔ、縦軸は励磁電流Ｉｅｘを示している。なお、縦軸に示す（±Ｉｔｈ１）は、閾値電圧Ｖｅ＝（±Ｖｔｈ１）である時に対応している。閾値電圧に対して、接続点Ｄの電圧Ｖｄが比較されて、その比較出力が図３（ａ）に示す矩形波の矩形波電圧Ｖａとして出力端子ＶＡから出力される。図３（ａ）に示すように、時点ｔ１において、オペアンプ５１の出力端子ＶＡの矩形波電圧Ｖａがハイレベルとなると、これが励磁コイル４０に印加される。このため、励磁コイル４０を矩形波電圧Ｖａと抵抗ＲＸとに応じた励磁電流Ｉｅｘで励磁する。この励磁電流Ｉｅｘは、図３（ｂ）に示すように、矩形波電圧Ｖａの立ち上がり時点ｔ１から急峻に立ち上がり、その後緩やかに増加する。

時点ｔ１において、オペアンプ５１の非反転入力端子Ｅには、閾値電圧Ｖｔｈ１が入力されている。一方、オペアンプ５１の反転入力端子Ｄの電圧Ｖｄは、励磁コイル４０の励磁電流Ｉｅｘの増加に応じて上昇する。その後、図３（ｂ）のＦ点において、電圧Ｖｄが非反転入力端子Ｅの閾値電圧Ｖｔｈ１を上回る。そうすると、オペアンプ５１の矩形波電圧Ｖａが、図３（ａ）に示す時点ｔ２において、ローレベルに反転する。

時点ｔ２以降、励磁コイル４０を流れる励磁電流Ｉｅｘの向きが反転し、励磁電流Ｉｅｘが急峻に低下し、その後緩やかに低下する。時点ｔ２以降、閾値電圧Ｖｔｈは、矩形波電圧Ｖａがローレベルとなっていることにより、閾値電圧Ｖｔｈ１も低い電圧（−Ｖｔｈ１）となっている。そして、オペアンプ５１の反転入力端子Ｄの電圧Ｖｄが、励磁コイル４０の励磁電流Ｉｅｘの減少に応じて減少する。それから、時点ｔ３において、反転入力端子Ｄの電圧Ｖｄは、非反転入力端子Ｅの閾値電圧（−Ｖｔｈ１）を下回る。そうすると、図３（ａ）に示す時点ｔ３において、オペアンプ５１の矩形波電圧Ｖａは、時点ｔ１と同様にハイレベルに反転する。

このように、図３（ａ）ｔ１〜ｔ３・・・で示すように、矩形波電圧Ｖａは、ハイレベル及びローレベルを繰り返す矩形波電圧Ｖａとなる。つまり、矩形波発振回路５が非安定マルチバイブレータとして動作する。そして、励磁コイル４０の励磁電流Ｉｅｘは、図３（ｂ）に示すように増加及び減少を繰り返す。
図４は、Ｂ−Ｈ特性線図、及びコアのインダクタンス特性を示す特性線図である。図４（ａ）の横軸はコア３を磁化しようとする磁界の強さＨ（Ａ／ｍ）、縦軸は磁界Ｈにより磁化されたコア３の磁束密度Ｂ（Ｔ）である。また、図４（ｂ）の横軸は、励磁コイル４０に流す励磁電流Ｉｅｘであり、縦軸はコアのインダクタンスＬ（Ｈ）である。

図４（ａ）に示すように、パーマロイ等の高透磁率材料で構成されたコア３は、磁界Ｈの強さに対するコア３の磁束密度Ｂの関係は、いわゆるＢ−Ｈ特性であり非線形である。そのため、被測定導線２ａ，２ｂの差電流Ｉａ−Ｉｂ＝Ｉ＝０の時、図４（ｂ）に示すように飽和電流付近Ｇで、コア３のインダクタンスＬが急激に消失する。ここで、コア３を貫通する被測定導線２ａ，２ｂに微小な差電流、すなわち測定電流Ｉ＝Ｃが生じると、図４（ｂ）の破線に示すように、インダクタンス特性が、励磁電流Ｉｅｘを相当に流した方向にシフトする。その結果、インダクタンスＬが消失するタイミングが変化する。

なお、図４（ｂ）における横軸上のＧからＪまでの間をＣと示しているが、このＣは、その横軸のスケールから直読できる電流値ではないことを説明する。被測定導線２に測定電流Ｉ＝Ｃが流れると、右ねじの法則により、その被測定導線２の周囲に磁力線が発生する。この磁力線は、円環状のコア３に沿って発生するので、測定電流Ｉが（０→Ｃ）上昇した分だけ、コア３の磁束密度Ｂが上昇する。一方、コア３に巻回されている励磁コイル４０に励磁電流Ｉｅｘを流した場合にも、コア３の磁束密度Ｂが上昇する。ただし、被測定導線２と、励磁コイル４０とは、コア３に対する磁気結合の形態が異なる。そのため、被測定導線２と、励磁コイル４０とに、それぞれ流す測定電流Ｉと、励磁電流Ｉｅｘとでは、コア３の磁束密度Ｂを上昇させる能力も異なる。したがって、図４（ｂ）に示すＧからＪまでの区間において、コア３の磁束密度Ｂを上昇させるために必要な励磁電流Ｉｅｘ＝Ｃというわけではない。

なお、環状のコア３に挿通されている被測定導線２を１次巻線とし、コア３に巻回されて励磁コイル４０を２次巻線と考えることもできる。そうすれば、コア３の磁束密度Ｂを所定量だけ上昇させるために要する所定の電流値を、１次巻線に流れる測定電流Ｉと、２次巻線に流れる励磁電流Ｉｅｘとの両方から求めることができる。ここでいう、所定の電流値については、図４（ｂ）における横軸上のＧ，Ｊが該当する。したがって、図４（ｂ）における横軸上のＧ，Ｊに示す励磁電流Ｉｅｘから、測定電流Ｉ＝Ｃを算出することが可能となる。

ここで、図３（ｂ）のＦに示した、励磁電流Ｉｅｘの向きが切り換わる電流（＋Ｉｔｈ１）を、図４のＧに示した励磁電流Ｉｅｘの値に一致させるように設定する。すなわち、被測定導線２の電流Ｉ＝０において、コア３のインダクタンスＬが飽和する励磁電流Ｉｅｘ＝（＋Ｉｔｈ１）となるように設定する。そうすると、図４（ｂ）に示すように、測定電流Ｉが上昇した（Ｉ＝０→Ｃ）相当分だけ、励磁電流Ｉｅｘも（Ｇ→Ｊ）と変化する。つまり、インダクタンスＬを飽和させる励磁電流Ｉｅｘは、被測定導線２の測定電流Ｉの変化に伴って変化する。したがって、励磁電流Ｉｅｘの向きが切り換わる電流も、図３（ｂ）においてＦ→Ｈに示すように変化する。

この励磁電流Ｉｅｘの向きを切り換えるように作用する測定電流Ｉが変化することにより、励磁コイル４０と抵抗ＲＸとの接続点Ｄの電圧Ｖｄの上昇タイミングが遅れる。そのため、電圧Ｖｄが、閾値電圧Ｖｔｈ１を上回るタイミングが遅れることになる。このように、測定電流Ｉが上昇した（Ｉ＝０→Ｃ）相当分だけ、矩形波電圧Ｖａの立ち下がり時点は、図３（ａ）で破線に示すように遅れる。その結果、矩形波電圧Ｖａのデューティ比が変化する。

図１に示すように、デューティ検出回路６は、矩形波発振回路５の出力端子ＶＡに接続されている。このデューティ検出回路６は、矩形波電圧Ｖａがハイレベル状態を維持している時間と、ローレベル状態を維持している時間とを計測することにより、デューティ比を検出する。検出したデューティ比に基づいて、被測定導線２の電流Ｃを検知することができる。

また、図１に示す励磁コイル４０の巻数Ｎと電流検出感度及び電流検出範囲との関係は、図２に示すようになる。すなわち、電流検出感度は、図２に実線で図示する双曲線状の特性線で表されるように、励磁コイル４０の巻数Ｎが少ない領域では感度が高く、励磁コイル４０の巻数Ｎが増加するにつれて徐々に双曲線状に減少する。逆に、電流検出範囲は、図２に破線で図示する双曲線状の特性線で表されるように、励磁コイル４０の巻数Ｎが少ない領域では、電流検出範囲が狭く、励磁コイル４０の巻数Ｎが増加するにつれて徐々に電流検出範囲が広くなる。このように、タップ切替スイッチ２４で固定端子Ｔｓ１，Ｔｓ２，Ｔｓ３及びＴｓ４の順に選択することにより、電流検出感度は高感度状態から低感度状態に徐々に切換わり、逆に電流検出範囲は、狭い範囲から広範囲に徐々に切換わることになる。

したがって、電流検出範囲が狭くて良いが、電流検出感度を高めたいときには、巻数Ｎが小さくなるようにタップ切替スイッチ２４で固定端子Ｔｓ１を選択する。これによって、励磁コイル４０の巻数Ｎが少なくなり、電流検出感度を高めることできる。ここで、さらに電流検出感度を高めたい場合には、図２において、太実線で示す特性２１に設定するように、直列抵抗ＲＸ＝Ｒｄ（大）にし、励磁電流Ｉｅｘを小さくする。すなわち、直列抵抗ＲＸの値を大きくしたい場合は、抵抗切替スイッチ１６により、Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃ＜ＲｄのなかからＲｄを選択する。

逆に、電流検出感度は低くて良いが、電流検出範囲は広くしたときには、巻数Ｎが大きくなるようにタップ切替スイッチ２４で固定端子Ｔｓ４を選択する。これによって、励磁コイル４０の巻数Ｎが多くなり、電流検出範囲を広くすることができる。ここで、さらに電流検出範囲を広げたい場合には、図２において、細破線で示す特性２２に設定するように、直列抵抗ＲＸ＝Ｒａ（小）にし、励磁電流Ｉｅｘを大きくする。すなわち、直列抵抗ＲＸの値を小さくしたい場合は、抵抗切替スイッチ１６により、Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃ＜ＲｄのなかからＲａを選択する。

したがって、１つの電流検知装置で、電流検出感度重視の電流検出特性と電流検出範囲重視の電流検出特性との両方を、適宜選択して使い分けられる。さらに電流検出感度を高めたい場合や、電流検出範囲を広げたい場合にも、ある程度の機能を増強するように対応可能である。すなわち、タップ切替スイッチ２４及び抵抗切替スイッチ１６によって、電流検知装置１００の検出特性を、使用条件に応じた所望の特性に設定することができる。なお、タップ切替スイッチ２４は、上述した固定端子Ｔｓ１又はＴｓ４のみならず、適宜Ｔｓ２，Ｔｓ３も選択可能である。同様に、抵抗切替スイッチ１６は、上述したＲａ又はＲｄのみならず、適宜Ｒｂ，Ｒｃも選択可能である。

なお、上記実施形態においては、タップ切替スイッチ２４で励磁コイル４０の巻数Ｎを４段階に選択する場合について説明したが、これに限定されるものではない。励磁コイル４０のタップ１５の数を増やすとともに、タップ切替スイッチ２４の切替選択肢を、タップ１５の数と同数に設定することで対応できる。また、上記実施形態においては、１つの励磁コイル４０の巻数Ｎをタップ切替スイッチ２４で選択する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、巻数の異なる複数の励磁コイルをコア３に巻装し、複数の励磁コイルを選択スイッチで選択するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、図１に示した可変抵抗部８は、複数の抵抗Ｒａ〜Ｒｄを適宜切替選択する構造であったが、これに限定されるものではない。例えば、無段階の摺動抵抗でも構わない。あるいは、複数の抵抗のうち任意本数を、適宜直並列につなぎかえることにより、所望の抵抗値を得るようにしても良い。また、これら抵抗切替スイッチ１６は、適切な制御信号により、トランジスタスイッチをオン・オフさせる構成が好ましい。
なお、被測定導線は、２本に限らず何本でも構わない。また、１本の被測定導線に流れる微小電流を検出することもできる。

以上、説明したように、本発明に係る電流検知装置の実施形態によれば、コアを１つにして、小型化及びコストダウンを可能とする。また、２つのコアの欠点であった磁気特性の差異による出力誤差も生じることなく微小電流の検出を可能とする。しかも、検出範囲及び検出感度の点で使用条件に応じて任意に電流検出特性を設定することにより１台の使用範囲を広げることが可能となる。

２，２ａ，２ｂ…被測定導線、３，１０１，１０２…コア、１３，４０…励磁コイル、５…矩形波発振回路、６…デューティ検出回路、８…可変抵抗部、１４…検出コイル、１５…タップ（巻数切替手段）、１６…抵抗切替スイッチ、２１，２２…特性、２４…タップ切替スイッチ（巻数切替手段）、３１…被測定導線、５１…オペアンプ、１００…電流検知装置、１０４…検出コイル、１０５…被測定導線、Ｂ…磁束密度、Ｃ…電流、Ｄ，Ｅ…接続点、ＧＮＤ…グランド、Ｈ…磁場、Ｉ…測定電流、Ｉｅｘ…励磁電流、Ｉｗ…三角波の励磁電流、±Ｉｔｈ１…閾値電流、Ｒ１，Ｒ３，ＲＸ…抵抗、ｔ１〜ｔ５…時点、ＶＡ…出力端子、Ｖａ…矩形波電圧、Ｖｅ，±Ｖｔｈ…閾値電圧、Ｗ…三角波発振器

Claims (4)

1. 測定電流が流れる被測定導線と、該被測定導線から電気的に絶縁された磁気コアにより前記被測定導線と磁気的に結合されている励磁コイルとを備えた電流検知装置において、
   前記磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態で、前記励磁コイルに供給する励磁電流の向きを反転させる矩形波電圧を発生する矩形波発振回路と、
   該矩形波発振回路から出力される前記矩形波電圧のデューティ変化に基づいて前記測定電流を検知するデューティ検出回路と、
   前記励磁コイルに直列接続された可変抵抗部と、
   前記励磁コイルの巻数を切り替え可能な巻数切替手段と、を備え、
   前記可変抵抗部と前記巻数切替手段とは、電流検出感度重視の電流検出特性と、電流検出範囲重視の電流検出特性とを選択可能に連動されている
   ことを特徴とする電流検知装置。
2. 前記矩形波発振回路は、コンパレータとして動作するオペアンプを備え、
   前記励磁コイルと直列接続された可変抵抗部との接続点に発生する電圧が、前記オペアンプの反転入力部に入力されることを特徴とする請求項１に記載の電流検知装置。
3. 前記可変抵抗部は、複数の抵抗と、該複数の抵抗を切り替え接続可能な抵抗切替スイッチとを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検知装置。
4. 前記巻数切替手段は、前記励磁コイルの有する前記複数の抵抗と同数のタップを切り替えるタップ切替スイッチを備えたことを特徴とする請求項３に記載の電流検知装置。

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