專利名稱:在電流測量探頭中使用的電流感測電路的制作方法
技術領域:
本發明 一般涉及電流測量探頭并且更具體而言涉及在電流測量探
頭中4吏用的電流感測(sensing)電i 各。
背景技術:
電流#果頭一it殳通過4吏用電流感測電^各來感測導體中的電流流動生 成的;茲通量來測量導體中的電流。電流感測電^各將經感測電流信號轉 換成耦合到例如示波器等等的測量測試儀器的電壓輸出信號以便顯示 和分析。電流感測電路一般具有變壓器輸入,其中變壓器具有磁性材 庫牛的環形石茲芯(ring shaped core )。變壓器的初級繞組是導體,在該 導體中,電流被測量并被置于環形磁芯內。在初級繞組中的電流感生 磁芯中的磁通量。變壓器的次級繞組環繞石茲芯并且被耦合到端接電阻。 在變壓器的初級繞組中流動的交流電感生次級繞組中的電壓,該次級 繞組在引起與輸入通量相反的方向上的磁動勢或通量的方向產生交流 電。次級繞組中的交流電被耦合到將交流電信號轉換成電壓信號的端 接電阻。
由于變壓器是AC信號耦合裝置,變壓器的通帶(passband)的截 止頻率在DC水平之上。為了允許電流感測電^各感測DC和j氐頻電流信 號,將霍爾(Hall )效應裝置包含在變壓器的磁芯內。霍爾效應裝置 是被安置在磁芯中使得磁芯中的磁通量基本上與霍爾效應裝置垂直的 半導體。將偏壓(bias )施加到霍爾板并且由磁芯中的磁通量引起的 霍爾效應生成的結果電壓被耦合到差動(differential)放大器的輸 入。可將放大器的單端輸出耦合到功率放大器,該功率放大器輸出與 霍爾效應裝置生成的電壓成比例的電流。將霍爾裝置放大器或可選地 將功率放大器的輸出耦合到變壓器的次級繞組以便使源自放大器的流
經次級繞組的輸出電流產生通量,該通量在霍爾效應裝置的整個頻率 通帶上與輸入磁通量相反。在一實施例中,將放大器的輸出耦合到次 級繞組的 一 側,繞組的另側耦合到變壓器端接電阻器和放大器電路。 在另 一 實施例中,將放大器的輸出通過電阻器耦合到次級繞組的相同
3側作為放大器電路。在放大器電路中將電容耦合到寬帶放大器的輸入 以便阻塞源自霍爾效應放大器的電流。在運算放大器的輸入處對霍爾 效應放大器的輸出和寬帶放大器的輸出求和(sum),該運算放大器具 有提供與變壓器的次級繞組中的經組合電流成比例的電壓輸出的反饋
電阻器。運算放大器的電壓輸出是對磁芯通量的AC和DC分量 (component )的測量。美國專利3, 525, 041 、 5, 477, 135和5, 493, 211 描述了以上電流感測電^各。
上述電流感測電路的靈敏度受限于變壓器的匝數比和霍爾效應裝 置。隨著次級繞組中的匝數的數量相對于初級繞組增長,總的電流感 測電路的靈敏度下降。此外,變壓器端接電阻器的包含或將霍爾效應 放大器的輸出耦合到變壓器的次級繞組的電阻器的使用導致變壓器頻 率響應的低頻截止點作為L/R的函數增加,其中L是次級繞組的電感 而R是次級繞組和變壓器端接電阻器的電阻。這要求經組合霍爾效應 裝置的高頻截止點和放大器頻率響應延長(extend)以超過(past) 變壓器頻率響應的低頻截止點用于從DC到霍爾效應裝置的低頻響應到 變壓器的高頻響應的平滑交叉(smooth crossover )。此外,現有技術 設計要求霍爾效應放大器提供充足的電流以便將DC抑制(null)為在 變壓器的磁芯中生成的低頻通量。霍爾效應裝置提供電流輸出,該電 流輸出 一般要求使用用于電流探測裝置的功率放大器,該電流探測裝 置具有在幾十安培范圍內的最大電流額定值。
由于可以使用^爭阻放大器代替響應于電流輸入信號產生電壓輸 出,'135和'211專利建議可以用跨阻放大器來代替具有變壓器端接 電阻器的電壓放大器電路。然而,這種電流感測電路將仍然要求霍爾 效應放大器和功率放大器的使用以生成被施加到變壓器的次級繞組的 屏蔽電流(bucking current )。
因此,需要電流感測電路,其中霍爾效應放大器不生成一皮施加到 變壓器的次級繞組的電流信號。此外,需要電流感測電路,該電流感 測電路要求使用功率放大器以便生成屏蔽電流以將DC抑制(null)為 在變壓器的石茲芯中的^氐頻通量。這種電^各應具有4氐輸入阻抗和高電流 對電壓增益,該j氐輸入阻抗增加了電流感測電^各的靈敏度
發明內容
因此,滿足上述需求的用于檢測導體中的電流的電流感測電路具 有與導體成鏈接關系的磁芯,由此導體中的電流的流動產生芯中的^茲 通量。磁-電轉換器和次級繞組通過磁芯中的磁通量鏈接,其中磁-電 轉換器在與磁通量基本垂直的平面中置于磁芯內。磁-電轉換器響應于 磁芯中的磁通量生成輸出,該輸出被耦合到生成表示磁-電轉換器輸出 的輸出的放大器。次級繞組響應于響應于磁芯中的磁通量以便產生交 電流輸出。阻》文大器具有 一皮耦合以,人次級繞組接收交流電輸出的反 相輸入、被耦合以接收磁-電轉換器放大器的輸出的非反相輸入。跨阻 放大器的反相輸入通過電流信號通路被耦合到跨阻放大器的輸出。電 流信號通路將次級繞組中的交流電耦合到跨阻放大器的輸出并將表示 磁-電轉換器輸出的電流從跨阻放大器的輸出耦合到次級繞組。
如權利要求1所述的電流感測裝置優選地具有耦合到導體的初級 繞組,用于將磁芯與導體中的電流流動鏈接。可選地,導體起用于將 磁芯與導體中的電流流動鏈接的初級繞組的作用。磁-電轉換器優選地 是霍爾效應裝置。偏置電壓可耦合到跨阻放大器的非反相輸入。
當連同所附權利要求書和所附附圖 一 起來閱讀時,從以下詳細描 述中,本發明的目的、優點和新的特征是明顯的。
圖1是依據本發明的電流感測電路實施例的示意性表示。 圖2例示了在依據本發明的電流感測電路實施例中的變壓器、經 組合的霍爾效應裝置和放大器的各自頻率響應曲線。
具體實施例方式
參見圖1,示出了用于檢測導體中的電流流動的電流感測電路10 實施例的示意性表示。電流感測電路10 一皮預期用在通過一果頭測量在導 體中流動的電流的電流測量探頭中。電流感測電路10具有限定了孔徑 的磁性材料的環形磁芯12。用通量鏈接關系將載流導體14與環形磁芯 12耦合。優選地通過多壓數初級繞組16來將載流導體14《連接到環形 i茲芯12,該初級繞組16與載流導體14串耳關耦合。可選地,可以通過 孔將載流導體14插入環形》茲芯12并作為初級繞組16。在載流導體14 中的待測量電流產生》茲芯12中的f茲通量并且一皮4i^接到多匝數次級繞組18。將次級繞組18的一端耦合到地,其中將另端耦合到跨阻放大器20 的反相輸入端。將跨阻放大器20的反相輸入端通過具有跨阻電阻器24 的電流信號通路22耦合到放大器20的輸出端。從而,初級繞組16或 可選地載流導體14、磁芯12和次級繞組18起到變壓器26的作用。將 磁-電轉換器28置于基本上與磁芯12中的通量線垂直的磁芯12內。 優選地,磁-電轉換器28是具有耦合到偏壓源30的第一對終端和連接 到放大器32的差動輸入的第二對終端的薄膜半導體霍爾效應裝置。在 優選實施例中,放大器32是具有低噪聲和高共模抑制的高增益差動放 大器。將差動放大器32的單端輸出耦合到跨阻放大器20的非反相輸 入。可以將由電流感測電路的消磁產生的偏置(offset)控制信號通 過偏置電壓線路34施加給差動》i:大器32。
參見圖2,例示了變壓器26、經組合的霍爾效應裝置28和放大器 32的各自頻率響應曲線40、 42。霍爾效應裝置28和放大器組合具有 從DC延長到1 ~ 2匪Z的開環通帶。在優選實施例中,霍爾效應裝置28 和放大器32的高通3dB衰減頻率(roll off frequency )處于1 ~ 2KHZ。 變壓器26的頻率響應曲線具有在相同的1 ~ 2KHZ中的^氐截止MB頻率。 電流感測電路10的設計提供了從經組合的霍爾效應裝置28和放大器 32的通帶到變壓器26的通帶的平滑過渡。
變壓器26優選地具有乂人次級繞組18到初級繞組16的10比1的 匝數比以便提供在微安范圍內的電流信號的經增加敏感度。與例如 TCP312電流探頭的現有電流測量探頭相比,次級繞組18具有約440 ju H的電感,該TCP312電流探頭由俄勒岡州比弗頓(Beaverton)的 Tektronix, Inc制造和銷售,具有48的變壓器次級繞組匝數和4mH的 電感。在不降低變壓器電阻的情況下減少變壓器26的次級繞組18的 電感增加了如由圖2中的虛線所表示的變壓器的低(lower )截止頻率。 這將導致在經組合的霍爾效應裝置28與放大器32和變壓器26之間的 交叉區域的大幅度下降(substantial dip)。因此,具有數量級比現 有電流感測裝置小的次級繞組電感的變壓器26的使用防止了將電阻耦 合到次級繞組18的現有技術電路的使用。跨阻放大器20幾乎呈虛短 路(Oohm負載),從而使變壓器26延長低截止頻率并使變壓器的尺寸 小型化。
可以通過一皮安裝在導體14上的觸點36來將電流感測電^各IO耦合
6到例^J口由Wallingford, CT的Amphenal, Corp .依^居零^f牛號石馬(part number ) MHC-201制造的載流導體14。觸點在正常運行期間提供了電 流流經載流導體14的通路。當通過被耦合到變壓器26的初級繞組16 的觸點引線(pin)將電流感測電路IO耦合到載流導體14時,電流通 路被轉到變壓器26的初級繞組。初級繞組16中的電流產生鏈接到次 級繞組18和霍爾效應裝置28的在變壓器26的磁芯12中的f茲通量。 在初級繞組16中流動的電流的DC或^[氐頻分量生成在霍爾效應裝置28 的笫二對終端之間的電勢差。將霍爾效應裝置28的電壓輸出耦合到放 大器32的差動輸入。將放大器32的輸出耦合到跨阻放大器20的非反 相輸入。在跨阻放大器20的非反相輸入上由霍爾效應裝置28生成的 電壓導致的變化信號水平產生跨阻放大器20的輸出電壓水平相應變 化。在跨阻放大器20的輸出處的電壓產生在耦合到變壓器26的次級 繞組18的電流信號通路22中生成的電流。在次級繞組18中流動的電 流與產生》茲芯12中》茲通量的在初級繞組16中流動的電流相反,在次 級繞組18中流動的電流抑制在初級繞組16中流動的電流產生的》茲通 量。該DC到低頻反饋回路維持了等于變壓器26初級繞組16中的DC 或低電流信號的經過電流信號通^各22的反向電流。
在初級繞組16中流動的電流的高頻分量生成在次級繞組18中在 例如產生;茲芯12中的》茲場的方向上感生的電流,該;茲場與初級繞組16 中的電流產生的場方向相反。在次級繞組18中感生的電流被耦合到跨 阻放大器20的反相輸入。由于反相輸入是虛接地(virtual ground) 的,在次級繞組18中的電流通過電流信號通路22經過跨阻電阻器24 耦合到跨阻放大器20的輸出,該跨阻放大器20產生表示在初級繞組 16中流動的電流的高頻分量的經》文大電壓|敘出。
跨阻放大器20用作生成抑制DC到低電流頻率處的磁芯12中的磁 通量的屏蔽電流的功率放大器和更高頻率的跨阻放大器。采用跨阻放 大器的電流感測電路的電路設計消除了對功率放大器的需要以便生成 屏蔽電流以抑制由DC到低頻率電流信號導致的磁芯12中的磁通量。 與在電流測量探頭中使用的先前電流感測電路相比,這減少了電流感 測電3各10的功率要求。
如先前所陳述的,載流導體14可 f皮用作電流感測裝置10中的初 級繞組16。通過孔將載流導體14插入環形磁芯12。在載流導體14中流動的處于DC到低頻率的電流感生由霍爾效應裝置28感測的磁芯l2 中的》茲通量并感生在次級繞組18中的處于更高頻率的電流。作為變壓 器26的初級繞組16的載流導體14的使用將變壓器的匝數比從10比1 改變為30比1。這導致電流感測電路的總靈每l度的下降。然而,電流 感測電路10通過采用作為用于生成DC到低頻率抑制電流的功率放大 器和作為所感測電流的電壓增益放大器的跨阻放大器2 0仍然節省了功
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進行許多改變而不脫離其基本原理。因此,本發明的范圍應僅由所附
權利要求書確定。
權利要求
1. 一種用于檢測導體中的電流流動的電流感測裝置,包括與導體成鏈接關系的磁芯,從而使導體中的電流的流動產生芯中的磁通量;通過磁芯中的磁通量鏈接的磁-電轉換器和次級繞組,其中磁-電轉換器在與磁通量基本垂直的平面中被置于磁芯內并且響應于磁芯中的磁通量產生輸出,該輸出被耦合到產生表示磁-電轉換器輸出的輸出的放大器,并且次級繞組響應于磁芯中的磁通量產生交流電輸出;跨阻放大器,具有被耦合以從次級繞組接收交流電輸出的反相輸入、被耦合以接收磁-電轉換器放大器的輸出的非反相輸入和通過電流信號通路被耦合到反相輸入的輸出,其中電流信號通路將次級繞組中的交流電耦合到跨阻放大器的輸出并將表示磁-電轉換器輸出的電流從跨阻放大器的輸出耦合到次級繞組。
2. 如權利要求1所述的電流感測裝置,還包括耦合到導體的初 級繞組,用于將;茲芯與導體中的電流流動《連接。
3. 如權利要求1所述的電流感測裝置,其中導體用作將磁芯與 導體中的電流流動鏈接的初級繞組。
4. 如權利要求1所述的電流感測裝置,其中磁-電轉換器是霍爾 效應裝置。
5. 如權利要求1所述的電流感測裝置,還包括耦合到跨阻放大 器的非反相輸入的偏置電壓。
全文摘要
一種電流感測裝置具有變壓器,其中待測量電流感生磁芯(12)內的磁通量。磁芯具有用于感測DC到低頻電流信號的磁-電轉換器(28)和用于感測更高頻率電流信號的次級繞組(18)。磁-電轉換器生成輸出,該輸出通過放大器耦合到跨阻放大器(20)的非反相輸入。跨阻放大器的反相輸入耦合到變壓器的次級繞組。具有跨阻電阻器(24)的電流信號通路將反相輸入耦合到跨阻放大器的輸出。跨阻放大器用作將抑制電流耦合到DC到低頻率電流信號的變壓器的功率放大器和更高頻率信號的跨阻增益放大器。
文檔編號G01R15/20GK101438173SQ200780016687
公開日2009年5月20日 申請日期2007年5月4日 優先權日2006年5月8日
發明者A·S·小克雷恩, J·S·丹迪, M·J·門德 申請人:特克特朗尼克公司