JPS5923094B2 - 変成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は可飽和磁心を用いた変成装置に関する。

直流電流又は電圧を検出する従来の変成装置は、被検出
対象の電流又は電圧の極性を判別することが容易でなく
、少くとも被検出値に比例する値を取り出す検出段階で
その極性を判別することができなかつた。第１図は従来
の変成装置の構成を示す回路図である。

Ｔｉ、Ｔ２は可飽和形の磁芯、Ｎ２１、Ｎ２２は磁芯Ｔ
ｌ、Ｔ２に巻回された巻線である。巻線Ｎ２１、Ｎ２２
の巻数を同一符号のＮ２１、Ｎ２２で示すと、Ｎ２１■
Ｎ２２である。また被検出電流を流す一次巻線Ｎｌｌ２
Ｎ１２もＮｌｌ■Ｎ１２である。巻線Ｎ２１、Ｎ２２は
逆直列接続され、ブリッジ接続されたダイオードＤ１〜
Ｄ４を介して交流電源ＶＡＣにより励振される。巻線Ｎ
２１、Ｎ２２に流れる電流を検出するため、ダイオード
Ｄ１、Ｄ２と並列に抵抗ＲＳが接続され、その両端の電
圧を出力としている。被検出対象であり、１次電流を流
す電流源５１は巻線Ｎ、１、Ｎ１２に接続されている。
出力Ｖ。は、巻線Ｎ４１、Ｎ、２にどのような方向で電
流が流れてもダイオードＤ１、Ｄ２端の電圧なので、こ
れによつてその方向を知ることはできない。電流の方向
をも知るためには、各磁芯Ｔｌ、Ｔ２にさらに別の巻線
を巻回してその誘導電圧からその極性を検知することも
可能であるが、複雑となるので、実用的でない。

なお、第２図に第１図に示す回路の交流電源ＶＡＣの電
圧ＶＡＣと電流ｉＡｃとの関係を示す。電圧ＶＡＣ及び
電流ｉＡｃは、方形波形状を有する。電流１ＡＣは、巻
線Ｎｌ，，Ｎ，，を流れる電流１Ｌに比例すると共に、
電圧ＡＣとは第２図に示すように電流１ＡＣの立上りの
角Ｐ点が線分０Ｄ上を移動する形式の関係にある。但し
、Ｏ点はＡＢの中点を示す。なお、磁芯Ｔｌ，Ｔ２は、
拘束磁化状態で使用されるものであり、その１次、２次
巻線間に流れる電流が不飽和磁芯側では等アンペアター
ン則をみたす様に流れ、他方の磁芯は飽和状態にある。
この発明は、被検出対象の電流又は電圧をそれらに比例
する値でもつて検出する際、その極性も同時に検出する
ことが可能な変成装置を提供することを目的とする。

以下図についてこの発明の実施例を説明する。

第３図は、本発明の変成装置の回路図を示す。図中ＶＳ
ｌは直流電源、Ｑ，〜Ｑ４は半導体スイツチ又は電力増
幅器からなるトランジスタであり、ブリツジ接続されて
いる。Ｒ５，Ｒ６はトランジスタＱ３，Ｑ４のエミツタ
に接続され、その両端の電圧Ｄ，，ＶＤ２を差動増幅す
ることにより本装置の出力とする抵抗器である。０Ｐ，
は図示しない正及び負電源により駆動される差動増幅器
であり、抵抗器Ｒ５とＲ６の電圧Ｄ，，Ｄ２間差電圧を
増幅して出力する。

Ｔは巻線Ｎ，を有する可飽和の磁芯である。

巻線Ｎ１は、電流源ＳＩに接続されて被検出対象の電流
ＩＬ，又はＩＬ２を流し、環状磁芯よりなるときはその
窓を貫通する１ターン又は数ターンの巻数からなる。た
だし、巻線Ｎ１を流れる電流力職数の時はターン数を多
くしてもよい。磁芯Ｔは、更に電流ＩＬｌ又はＩＬ２に
比例した電流１。を取出すための巻線Ｎ２及び比較器Ｃ
ＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２の入力となる制御巻線Ｎ，，Ｎ４
を有する。ここで巻線Ｎ，の巻数は巻線Ｎ２の巻数より
十分少ない。即ち、磁芯Ｔは、巻線Ｎ１側のインピーダ
ンスと巻線Ｎ２側のインピーダンスとで決定される磁化
状態で動作する様に構成される。なお点線で示したＬは
巻線Ｎ，に直列接続されたリアクトルである。ＣＯＭＰ
ｌ，ＣＯＭＰ２は比較器であり、制御巻線Ｎ，，Ｎ４の
出力を導入してトランジスタＱ，〜Ｑ４を交互にオンさ
せることにより、巻線Ｎ，を交互に異なつた方向に励磁
させるものである。ＺＤｌ〜ＺＤ４はツエナーダイオー
ド、Ｄ１〜Ｄ４は帰還用のダイオードである。ノ 本構成において、電流源ＳＩより電流が供給されず、磁
芯Ｔが不飽和領域にあり、比較器ＣＯＭＰｌが零を出力
し、比較器ＣＯＭＰ２が正（＋Ｓ１）に出力を飽和させ
ているものとする。

なお、磁芯Ｔの各巻線Ｎ１〜Ｎ４は図において黒丸印を
付した側を巻始めとする。比較器ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ
２の出力によつてトランジスタＱ，，Ｑ３がオンとなる
と、巻線Ｎ２には黒丸印が正なる電圧が印加され、巻線
Ｎ３には正、巻線Ｎ４には負の誘導電圧が発生し、これ
ら巻線Ｎ３，Ｎ４の電圧は、比較器ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭ
Ｐ２をそれぞれ零、正電圧とするように、正帰還される
ので、トランジスタＱ２，Ｑ３はそれぞれオンに保持さ
れる。この間、磁芯Ｔの励磁電流１，０は、巻線Ｎ２、
リアクトルＬ及び抵抗器Ｒ５を経由して電源ＶＳｌから
供給される。やがて磁芯Ｔが磁束＋φｓなる飽和値に達
すると、巻線Ｎ２のインピーダンスは急激に減少し、巻
線Ｎ３，Ｎ４へ誘導されていた出力電圧も消滅し、それ
と同時に巻線Ｎ２のリアクタンス分によるエネルギーの
放出により、巻線Ｎ２は印加されていた電圧と逆方向電
圧を誘導する。本電圧は巻線Ｎ３，Ｎ４にも従前とは逆
極性の電圧を発生させる。巻線Ｎ３，Ｎ４の電圧は、比
較器ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２の入力に正帰還されており
、それぞれのしきい値を超えると、比較器ＣＯＭＰｌ，
ＣＯＭＰ２はそれぞれ出力を反転させ、トランジスタＱ
ｌ，Ｑ４をオンにさせる。巻線Ｎ２へは従前とは逆極性
の電圧が印加され磁芯Ｔの磁束は飽和値＋φｓから反転
し、磁束一φｓの方向へ励磁されはじめる。この間の励
磁電流ＩｒＯは直流電源ＶＳｌによりトランジスタＱ１
、リアクトルＬ１巻線Ｎ２、トランジスタＱ４及び抵抗
器Ｒ６を通つて流れ、比較器ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２が
それぞれ零、正の場合と逆になつている。磁芯Ｔの磁束
が負の飽和値−φｓに達すれば飽和値＋φＳに到達した
と同じような作用で極性を反転させ、飽和値＋φｓの方
向へ励磁され、以後同様にして比較器ＣＯＭＰｌ，ＣＯ
ＭＰ２、トランジスタ（Ｑｌ，Ｑ４），（Ｑ２，Ｑ３）
、磁芯Ｔ及び巻線Ｎ２によつて第６図ｂ−ｅに点線で示
す波形の如くなり、自励発振するものである。なお、リ
アクトルＬは、磁芯Ｔが飽和して比較器ＣＯＭＰｌ，Ｃ
ＯＭＰ２の出力により励磁の極性が反転するまでの切り
変り期間に、巻線Ｎ２を流れる電流による過励磁を抑制
するために挿入されたものである。もしリアクトルＬが
なければ、磁芯Ｔの飽和によつてかなりの電流が抵抗Ｒ
５又はＲ６に流れることになり、出力。を瞬間的ではあ
るが大きなものにする。これは、たとえば被検出対象の
電流１Ｌ，又はＩＬ２が零にもかかわらず、出力Ｖ。が
零にならず、望ましくない。次に、第３図に示すように
、電流源ＳＩより電流１Ｌ１が流れる場合について述べ
る。

比較器ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２の出力が正から零又は零
から正に切換ると、磁芯Ｔの磁束φは負の飽和値−φＳ
より正の飽和値＋φｓに向かつて変化を始める。

この間、磁芯Ｔはもちろん不飽和であるから、巻線Ｎ，
を流れる電流１Ｌ，による起磁力を打消す様に、２次側
の巻線Ｎ２には誘導電流が流れる。電流１Ｌ１は巻線Ｎ
１を巻始めより流出するから、巻線Ｎ２に誘導される電
流１。は巻始めより流入し、それらの間にはＩＬｌ×Ｎ
，＝ＩＯＸＮ２なる等アンペアターンの法則に従う関係
があり、巻線Ｎ２には電流１Ｌ，に比例した電流が流れ
る。この間、巻線Ｎ２にはＶＳｌ−２ＶＥＳ（トランジ
スタＱ２，Ｑ３のコレクタ・エミツタ間飽和電圧）一Ｖ
Ｄｌ（＋ＩＯＸＲｓ）なる電圧が印加されて、これは飽
和に至るまでの期間は、電流１Ｌ１がない場合よりも電
圧が低いので、長くかかる。磁芯Ｔの磁束が＋φｓに達
すると巻線Ｎ３，Ｎ４による正帰還作用により、比較器
ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２の出力が前の極性と逆極性に切
換えられるが、これにより磁束φは＋φｓから一φｓに
向かい、磁芯Ｔは不飽和状態を保持する。従つて、巻線
Ｎ２は、先程と同極性で、ほぼ等しい電流１。を流すこ
とになる。この間、電流１。は、抵抗Ｒ６、トランジス
タＱぃ巻線Ｎ２、リアクトルＬ及びトランジスタＱ１か
らなる回路を流れる。切換時にトランジスタＱ４，Ｑｌ
に印加される逆極性の電圧は、ダイオードＤ４，Ｄｌに
より吸収される。この間、巻線Ｎ２に加わる電圧は、Ｓ
１＋２ＥＳ＋Ｄ２（＋Ｒ６ＸｉＯ）となり、本電圧によ
つて飽和に至るまでの期間は電流１Ｌ１が零のときより
も電圧が高いので短くなる。以上の様にして、比較器Ｃ
ＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２の出力がそれぞれ零、正に切替り
つつ１次電流に比例する電圧が抵抗Ｒ５又はＲ６の両端
から電圧Ｄｌ，ＶＤ２として得られる。増幅器０Ｐ１で
は比較器ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２の切替りによつて得ら
れる検出電圧ＶＤｌ，Ｄ２を差動増幅して出力Ｖ。とす
るもので増幅器０Ｐ，の増幅度を１とすれば、トランジ
スタＱ２，Ｑ３がオン時、ＶＯ＝ＶＤｌトランジスタＱ
ｌ，Ｑ４がオン時、ＶＯ＝Ｏ−（−ＶＤ２）＝Ｄ２とな
る。Ｒ，＝Ｒ６とすれば、被検出の電流１Ｌ１が流れて
いる時は、ＶＯ＝ＶＤｌ＝Ｄ２なる電圧が得られる。以
上の動作を第６図に示したが、ａは電流（巻線Ｎ１の電
流）ＩＬｌを示し、ｂは比較器ＣＯＭＰ２の出力電圧ｅ
を示し、ｃは巻線Ｎ２に印加される電圧Ｎ２を示す。

又ｄはリアクトルＬの電圧ＶＬを示し、ｅは磁芯Ｔの磁
束φを示し、ｆは抵抗Ｒ５又はＲ６の両端の電圧即ち出
力Ｖ。（又は電流１。）を示す。いずれも時間を横軸に
とつて示す。なお、ｂ−ｅにおける点線はそれぞれ電流
１Ｌ０＝Ｏの場合を示す。又ｆにて点線で示したイとイ
５は、それぞれリアクトルＬがなく電流１Ｌ，＋０の場
合とＩＬ，＝Ｏの場合の電流を示す。次に、巻線Ｎ，を
流れる電流１Ｌ，の極性が反転した場合について述べる
。

この場合は、巻線Ｎ２側からみると、電流１。の極性が
反転する。即ち抵抗Ｒ，，Ｒ６を流れる電流の極性が前
記と異るので、出力Ｖ。も反転する。従つて、出力Ｖ。
を見ることによつて、１次側の電流１Ｌ１，ｉＬ２の向
きも検知出来る。即ち、第３図において、電流源ＳＩか
らの電流１Ｌ，が矢印の方向に流れるとき、ＩＬ２ＸＮ
，＝ＩＯＸＮ２なる等アンペアターン則を満たす電流１
０が、巻線Ｎ２を図示の矢印とは逆方向に流れる。トラ
ンジスタＱ２，Ｑ３がオンのときは、この電流１０はＶ
Ｓｌ一抵抗Ｒ，一トランジスタＱ３（又はダイオードＤ
３）−リアクトルＬ一巻線Ｎ２−トランジスタＱ２（又
はダイオードＤ２）−ＶＳｌなる経路をとる。またトラ
ンジスタＱｌ，Ｑ４が０Ｎのときには、Ｓ１−トランジ
スタＱ，−リアクトルＬ−巻線Ｎ２−トランジスタＱ４
一抵抗Ｒ６−ＶＳｌなる経路をとつて流れる。従つて、
抵抗Ｒ５，Ｒ，を流れる電流の向きは、電流源ＳＩから
の電流１Ｌ２とは逆極性の電流１Ｌ１の方向に流れる場
合と丁度逆になる。増幅器０Ｐ，の出力。は抵抗Ｒ，，
Ｒ６の両端の電圧Ｄｌ，Ｄ２を差動増幅しているので、
その電圧Ｖ。も丁度反転した値として得られる。第３図
中、抵抗Ｒ，，Ｒ６及び増幅器０Ｐ１の出力。に対して
、プラス、マイナスの符号を付した場合の極性に電圧が
現われる場合が、電流源ＳＩからの電流１Ｌ１の極性で
流れる時を示す。これらの極性が図示とは逆極性の場合
が、電流源ＳＩから電流１Ｌ２の極性で電流が流れる時
に対応する。いずれの場合にあつてもトランジスタＱ２
，Ｑ３がオンの時は抵抗Ｒ，により、またトランジスタ
Ｑｌ，Ｑ４がオンの時は抵抗Ｒ６により、電流源ＳＩの
電流の値を検知する。この間の様子を第７図に示す。第
７図で左半分で巻線Ｎ１の巻終りから巻線Ｎ１に電流１
Ｌ，が流入する場合、右半分で巻線Ｎ，の巻始めより巻
線Ｎ，に電流１Ｌ２が流入する場合を示す。電圧Ｎ，に
ついては第７図に示した様に極性の切替り時に生ずる過
度飽和期間を無視して示してある。なお、以上の説明に
おいて、励磁電流については無視しているが、その理由
は、電流１。に比して励磁電流が実用上無視しうるほど
小さいものと考えたためである。また、比較器ＣＯＭＰ
ｌ，ＣＯＭＰ２の入力インピーダンスも充分高いものと
すれば、巻線Ｎ３，Ｎ４を流れる電流の巻線Ｎ２への換
算値も実用上無視出来る程小さいからである。また、第
３図の構成においてトランジスタＱ３，Ｑ４を駆動する
ベース電流に関連し、抵抗Ｒ３，Ｒ４における電圧降下
は、トランジスタＱ３，Ｑ４の電流増幅率βを大きく選
べば電流１。に比して実用上問題にならない小さい値に
おさえることができる。なお、第６図において極性の切
替時間δｔの間の出力１。のリツプルをΔＩＯ（電流値
にして換算し 二たもの）なる様におさえると、この間
のリツプルΔＩＯを抑制するリアクトルＬの値は、理論
上約Ｖ′ＥＸδｔ／ΔＩＯとして表わされる。ただし、
′ｅは励振電圧を表わし、抵抗Ｒ，，Ｒ６の電流による
電圧降下によつて即ち負荷電流に応じて変化する ５が
、その平均値はほぼＳ１となる。この様に、リアクトル
Ｌを挿入することによつて出力Ｖ。

のリツプルを実用上問題のない値に抑えることが可能と
なる。以上の説明から明らかな様に、第３図の構成によ
る変成装置は負荷電流の極性を検知出来、又ＡＣ電流の
検知も出来る。

さらに、本発明は単一の磁芯により構成されるので、装
置を簡単化することができる。更に、本発明は単一の直
流電源のみで駆動出来るので、装置が簡単となり、直流
電流を検知するのに整流手段を必要とせず、その効果は
大きいものである。なお、リアクトルを採用したことに
よつて、出力のリツプルを軽減出来、その実用的価値は
高い。以上は、第１の実施例の変成装置の説明であつた
が、１次側の巻線Ｎ１の巻数を多くし、その負荷として
リアクトルや直列抵抗等の高インピーダンス要素を接続
し、巻線Ｎ１の電流１Ｌ１，１Ｌ２を定電流化すれば、
従来の変成装置と同様の動作をし、又その効果も上記実
施例と同様となり、かつ装置を簡単化出来ることは言う
までもない。

本発明による他の実施例を第４図に示す。

第４図において、検出用に巻線Ｎ３だけを設け、比較器
ＣＯＭＰｌ，ＣＯＭＰ２の正及び負入力端子に接続して
、第３図の回路と同じ機能を持たせたものである。本回
路によれば、巻線Ｎ，のみで良いため、第３図に比し構
成が簡単となる。またリツプル除去用のリアクトルＬに
検出巻線を設けて、比較器に帰還させても同様な効果が
得られる。第５図は、本発明の他の実施例を示すもので
、有極性検知型の構成を示す。

電流源ＳＩによる電流１Ｌ１がその極性を変化させずに
巻線Ｎ１の巻始めより流出するならば、巻線Ｎ２の電流
１。はその巻始めより流入し、この極性が巻線Ｎ，電圧
の極性が変化しても変化しない。この場合、トランジス
タＱ，，Ｑ２を流れる電流は、トランジスタＱ，，Ｑ２
がオフすると、直流電源Ｓ１、抵抗Ｒ３、ダイオードＤ
１、リアクトルＬ１巻線Ｎ２、ダイオードＤ２、及び直
流電源ＶＳｌを介して流れるから、抵抗Ｒ３の両端の電
圧を検出することにより電流ＩＬｌを検知出来る。この
様に、負荷電流の極性が変化しないので、第３図の回路
と異なり、トランジスタＱ２，Ｑ３、ダイオードＤ，，
Ｄ４は省略されている。なお、第５図において巻線Ｎ，
だけで比較器ＣＯＭＰｌの出力を比較器ＣＯＭＰ２の負
入力端子に加えることにより、第３図及び第４図の実施
例と同じ機能を得ている。第８図は、本発明のさらに別
の実施例を示す。

スイツチＳＷｌ〜ＳＷ４は図示の様に接点ｂ側に全てあ
るものとすると、巻線Ｎ３に誘導される電圧を比較器Ｃ
ＯＭＰｌで比較することにより、゛トランジスタＱ２が
オンとオフを繰返す。この間、サイリスタＣＲ，はオン
を継続し、電流源ＳＴより電流ＩＬ，が図示の極性で巻
線Ｎ１へ流入するので、トランジスタＱ２のオンとオフ
によつて、巻線Ｎ２に流れる電流は、Ｓ１−Ｑ２−Ｎ２
−Ｌ−ＣＲ，−Ｒ，一ＶＳｌなる経路又はＮ２−Ｌ−Ｃ
Ｒｌ−Ｒ，−Ｄ４−Ｎ２なる経路のいづれかを流れるの
で、抵抗Ｒ，にて、その値を知ることができる。スイツ
チＳＷｌ〜ＳＷ４がａ側に倒れているときは、電流１Ｌ
１の向きが反転した場合に用いられトランジスタＱ２を
トランジスタＱ，に、サイリスタＣＲｌをサイリスタＣ
Ｒ２に、または抵抗Ｒ５をＲ６に置換して考えれば良い
。なお、リアクトルＬに並列に接続した抵抗ＲＬはダン
ピング用の抵抗であつて、リアクトルＬの浮遊キヤパシ
タンスとの作用を相殺するためのものである。この様に
、第８図の回路によつて前記実施例と同様の効果を得る
ことが出来るが、トランジスタにかわりサイリスタＣＲ
，，ＣＲ２を用いたので、スイツチング手段が容易とな
る効果がある。なお片極性のみを問題にするならば、更
に回路は簡単化できる。たとえば、図示の電流１Ｌ１を
巻線Ｎ２の回路で検知したいときは、サイリスタＣＲｌ
は不用となり、この部分を直結しておけば良く、さらに
トランジスタＱ１、サイリスタＣＲ２、ダイオードＤ３
も不用となる。以上の本発明実施例において、変成器の
出力として、ブリツジ結合されたトランジスタの各脚に
設けられた２本の抵抗の両端から差動的に電圧を取出し
ていたが、２次の巻線Ｎ２に直列に抵抗を挿入して、そ
の抵抗両端の電圧を出力としても良い。

この場合は、装置が簡単となるのみならず、スイツチン
グ用トランジスタのベース電流が抵抗器を流れないので
、それだけ精度が上る。また、ブリツジを構成する上下
の２組のトランジスタについて、各組をパワーアンプで
もつて構成しても即ちパワーアンプを２組用いても、そ
の効果は上記実施例と同様である。以上の様に本発明に
よれば被検出対象の電流の極性を知ることが出来、かつ
その電流及び電圧をも検知可能であると共に、単一直流
電源のみで駆動可能なので、装置を簡単化出来、その実
用的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の変成装置の構成例を示し第２図は第１図
の回路の動作を説明する図、第３図〜第５図及び第８図
はそれぞれ本発明の一実施例による変成器の回路図、第
６，７図は第３図の回路の動作状態を示す波形図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源、この直流電源の両端間に並列接続され、
   それぞれ前記直流電源の一方の極から他方の極へ順次直
   列接続された２つのスイッチング素子と抵抗素子とを有
   する２つの直列回路、可飽和磁心と、前記各直列回路を
   構成する各々のスイッチング素子の直列接続点間に接続
   され、前記可飽和磁心に巻回された励磁巻線と、前記可
   飽和磁心に巻回された制御巻線と、被検出電流が与えら
   れ前記可飽和磁心に巻回された１次巻線とから成る可飽
   和変成器、前記制御巻線の出力の極性に応じて、前記各
   直列回路における各スイッチング素子の一方をオン状態
   に、他方をオフ状態にし、オン状態のスイッチング素子
   を介して前記励磁巻線を前記直流電源の両端間に接続さ
   せるコンパレータ、前記各抵抗素子の両端電圧を入力と
   し、その差電圧を増幅して出力するための手段を備えた
   変成装置。 ２ 前記スイッチング素子の少なくとも１つはトランジ
   スタであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の変成装置。 ３ 前記スイッチング素子の少なくとも１つはダイオー
   ドであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   変成装置。 ４ 前記スイッチング素子の少なくとも１つはサイリス
   タであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   変成装置。