电流检测装置制造方法

电流检测装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种能利用一个磁芯来检测出较宽范围的电流、且在有过大电流流过时能可靠地检测出该过大电流的电流检测装置。本发明包括：励磁线圈(3)，其卷绕于将有测定电流流过的导线包围的磁芯(2)；及振荡电路(4)，其根据设定的阈值，产生在磁芯(2)处于饱和状态或接近饱和的状态下、使提供给励磁线圈(3)的励磁电流的磁性反转的矩形波电压。本发明还包括：占空比检测电路(5)，其基于从振荡电路(4)输出的矩形波电压的占空比变化，检测测定电流；频率检测电路(7)，其基于从振荡电路(4)输出的矩形波电压的频率，检测测定电流的过电流；以及振荡振幅检测电路(6)，其基于从振荡电路(4)输出的矩形波电压的峰值，检测测定电流的过电流。
【专利说明】电流检测装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及可适用于漏电断路器、漏电警报器等的电流检测装置。

【背景技术】
[0002] 作为这种电流检测装置，提出并实施了具有各种结构的装置，但作为结构简单、能 检测出微小电流的装置，已知有磁通门型（flux gate)的电流传感器（例如，参照专利文献 1)。 该专利文献1所记载的现有例的电流传感器具有图10(a)所示的结构。即，该电流传 感器包括软质磁性体制的构成为形状相同、大小相等的呈圆环状的芯101及102、以及以相 等匝数卷绕于各芯101及102的励磁线圈103、以跨越各芯101及102的方式一并卷绕的检 测线圈104.
[0003] 励磁线圈103与未图示的交流电源相连接，而检测线圈104与未图示的检测电路 相连接。而且，在两个芯101及102的中心插入有作为测定电流的对象物的被测定导线105。 励磁线圈103以对其通电时两芯101及102中产生的磁场为反相而彼此抵消的方式卷 绕于芯101及102。
[0004] 而且，在励磁线圈103中通电有励磁电流iex时，各芯101及102中产生的磁通密 度B的经时变化如图10(b)所示。关于软质磁性体制的芯101及102的磁气特性，在磁场 的大小Η处于规定范围内时，磁场的大小Η与磁通密度B处于线性关系。然而，若磁场的大 小Η超过规定值，则磁通密度Β成为不发生变化的磁饱和状态，由于处于这种关系，因此，若 励磁线圈103中通电有励磁电流iex，则各芯101及102中产生的磁通密度Β如实线图示的 那样呈上下对称的梯形波状变化，且彼此处于错开180°相位的状态。
[0005] 若在被测定导线105中如箭头所示地向下通电有直流电流值I，则重叠有与该直 流部分相当的磁通密度，其结果是，磁通密度B如图10(b)中虚线所示呈如下状态：梯形波 中，上方的梯形波的宽度被扩大，另一方面下方的梯形波的宽度被缩小。
[0006] 此处，若用正弦波（对应于电动势）来呈现两芯101及102中产生的磁通密度B的 变化，则成为如图10(C)所示那样。在该图10(c)中，对应于上述图10(b)中实线图示的梯 形波，如实线图示的那样呈现错开180°相位的频率f的正弦波（电动势），由于它们错开 180°，因此相互抵消。另一方面，对应于图10(b)中虚线图示的梯形波，图10(c)中呈现虚 线图示那样的2倍频率2f的二次谐波。该二次谐波的相位错开180°，因此，若相互重叠， 则成为如图10(c)的最下部所示的正弦波信号，这由检测线圈104检测出。
[0007] 由该检测线圈104捕捉到的检测信号对应于在被测定导线105中流过的直流的电 流值I，通过对其进行处理，从而能检测出电流值I。 此外，作为其他现有例，提出了一种电流传感器，其包括：一个以上的第1检测变压器， 其具有流过要检测的电流的一次绕组、及与该一次绕组电绝缘且利用磁芯与一次绕组进行 磁耦合的二次绕组；以及检测单元，检测单元具备：包含检测出饱和并据此使磁化电流的 方向反转的单元，且为了将上述磁芯周期性地驱动成饱和状态而向上述二次绕组交替提供 相反方向的磁化电流的单兀；以及TO出与所感测的电流实质上成比例的TO出彳目7的处理单 元（例如，参照专利文献2)。
[0008] 该电流传感器还包括：低通滤波器，其与上述第1检测变压器的二次绕组相连接 并对因感测的电流而在上述二次绕组中被生成的磁化电流的低频或直流分量进行分离；以 及第2检测变压器，其具有使所感测的电流通过的一次绕组、二次绕组，该二次绕组的输入 侧与上述低通滤波器的输出部相结合，其输出侧通过生成该电流传感器的输出信号的电阻 接地。 现有技术文献 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本专利特开2000-162244号公报 专利文献2 :日本专利第2923307号公报


【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0010] 然而，在上述专利文献1所记载的现有例中，使用两个芯101及102。使芯101及 102的磁气特性完全一致实际上是较为困难的，因此，因该磁气特性的差异，导致由励磁电 流iex所引起的电压无法完全抵消。这使与二次谐波分量相对应的检测电压的S/N比恶化， 存在难以检测出微小电流这一未解决的问题。
[0011] 此外，与从检测线圈104输出的电流值I对应的二次谐波在电流值I过大时，如图 10(b)中虚线图示的那样，梯形波的形状发生变形，从而电流I和二次谐波分量的关系不再 是比例关系。由此，电流值I的检测范围受到限制，从而还存在无法检测出较宽范围的电流 这一未解决的问题。
[0012] 此外，由于使用至少两个芯，因此，还存在难以实现小型化、低成本化这一未解决 的问题。 此外，在专利文献2所记载的现有例中，需要设置第1检测变压器和第2检测变压器， 也存在无法利用一个磁芯检测出较宽范围的电流这一未解决的问题。 进一步地，在被测定电线中有过大的直流电流流过的情况下，还存在无法检测出该过 大的直流电流这一未解决的问题。
[0013] 因此，本发明着眼于上述问题，其目的在于提供一种能利用一个磁芯来检测出较 宽范围的电流，且在有过大电流流过时能可靠地检测出该过大电流的电流检测装置。 用于解决问题的手段
[0014] 为了达到上述目的，本发明具有以下结构。 本发明的一个方式的电流检测装置的特征在于，包括：励磁线圈，该励磁线圈卷绕于将 有测定电流流过的导线包围的磁芯；振荡单元，该振荡单元根据设定的阈值，产生在所述磁 芯处于饱和状态或接近饱和状态时，使提供给所述励磁线圈的励磁电流的磁性反转的矩形 波电压；电流检测单元，该电流检测单元基于从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的占 空比变化，检测所述测定电流；第1过电流检测单元，该第1过电流检测单元基于从所述振 荡单元输出的所述矩形波电压的频率，检测所述测定电流的过电流；以及第2过电流检测 单元，该第2过电流检测单元基于从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的峰值，检测所 述测定电流的过电流。
[0015] 此外，所述电流检测单元检测所述矩形波电压的占空比变化，根据该检测结果，可 检测出所述测定电流的第1过电流。所述第1过电流检测单元检测所述矩形波电压的频率 变化，根据该检测结果，可检测出所述测定电流的第2过电流。所述第2过电流检测单元检 测所述矩形波电压的峰值变化，根据该检测结果，可检测出所述测定电流的第3过电流。 [0016] 此外，上述一个方式的电流检测装置还可包括输出单元，该输出单元在所述电流 检测单元检测出所述测定电流的第1过电流、所述第1过电流检测单元检测出所述测定电 流的第2过电流、或所述第2过电流检测单元检测出所述测定电流的第3过电流时，输出所 述测定电流为过电流的信号。
[0017] 此外，本发明的其他方式的电流检测装置的特征在于，包括：励磁线圈，该励磁线 圈卷绕于将有测定电流流过的导线包围的磁芯；振荡单元，该振荡单元根据设定的阈值，产 生在所述磁芯处于饱和状态或接近饱和状态时，使提供给所述励磁线圈的励磁电流的磁性 反转的矩形波电压；电流检测单元，该电流检测单元检测从所述振荡单元输出的所述矩形 波电压的占空比，根据该检测结果，检测所述测定电流是否为第1过电流；第1过电流检测 单元，该第1过电流检测单元检测从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的频率变化，根 据该检测结果，检测所述测定电流是否为第2过电流；以及第2过电流检测单元，该第2过 电流检测单元检测从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的峰值变化，根据该检测结果， 检测所述测定电流是否为第3过电流。
[0018] 所述电流检测单元可包括：占空比检测电路，该占空比检测电路检测从所述振荡 单元输出的所述矩形波电压的占空比；以及第1比较电路，该第1比较电路将占空比检测电 路检测出的占空比与预定的基准值进行比较，在所述占空比为所述基准值以下时，输出表 示检测出所述测定电流为第1过电流这一情况的信号。
[0019] 所述第1过电流检测单元可包括：高通滤波电路，该高通滤波电路对从所述振荡 单元输出的所述矩形波电压进行滤波处理；第1绝对值检测电路，该第1绝对值检测电路检 测所述高通滤波电路的输出的绝对值；以及第2比较电路，该第2比较电路将所述第1绝对 值检测电路检测出的绝对值与预定的第1基准值进行比较，在所述绝对值为所述第1基准 值以上时，输出表示检测出所述测定电流为第2过大电流这一情况的信号。
[0020] 所述第2过电流检测单元可包括：第2绝对值检测电路，该第2绝对值检测电路检 测从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的绝对值；以及第3比较电路，该第3比较电路将 所述第2绝对值检测电路检测出的绝对值与预定的第2基准值进行比较，在所述绝对值为 所述第2基准值以下时，输出表示检测出所述测定电流为第3过大电流这一情况的信号。
[0021] 上述其他方式的电流检测装置还可包括或门电路，该或门电路输入所述第1比较 电路的输出信号、所述第2比较电路的输出信号、以及所述第3比较电路的输出信号。所述 输出信号可分别为高电平的信号。 发明效果
[0022] 这样，在本发明中，电流检测单元基于从振荡单元输出的矩形波电压的占空比变 化，检测测定电流。 此外，第1过电流检测单元基于从振荡单元输出的矩形波电压的频率，检测过电流。 进一步地，第2过电流检测单元基于从振荡单元输出的矩形波电压的峰值，检测测定 电流的过电流。 因此，根据本发明，在导线中有过电流流过的情况下，无论振荡单元有无停止，都能检 测出该过电流。而且，根据本发明，在有过电流流过的情况下，能在较宽的检测范围内高精 度地检测出过电流。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1是表示本发明的电流检测装置的实施方式的结构的图。 图2是将图1的各部分的结构具体化的图。 图3是表不振荡电路的具体结构的电路图。 图4是说明磁芯的B-H特性曲线的图。 图5是说明测定电流I = 0时的磁芯与振荡电路的关系的图。 图6是说明测定电流I处于0?L的范围内时的磁芯与振荡电路的关系的图。 图7是说明测定电流I处于L?12的范围内时的磁芯与振荡电路的关系的图。 图8是说明测定电流I为13以上时的磁芯与振荡电路的关系的图。 图9是表示实施方式的各部分的波形例的波形图。 图10是说明现有装置的图。

【具体实施方式】
[0024] 下面，基于【专利附图】

【附图说明】本发明的实施方式。
[实施方式的结构] 图1是表示本发明的电流检测装置的实施方式的结构的图。图2是将图1的各部分的 结构具体化的图。图3是表示振荡电路的具体结构的电路图。 如图1所示，本实施方式的电流检测装置用于检测导线la、lb中流过的电流la、lb之 差即检测测定电流I，在导线la、lb周围配置有环状的磁芯2。即，导线la、lb插入到磁芯 2内。
[0025] 导线la、lb设置于例如漏电检测等的对象物，是例如有10A?800A的往返电流I 流过的导线，虽然在健全状态下，导线la、lb中流过的电流之和为零（0)，但若因漏电或接 地短路等而导致导线la、lb中流过的电流之和不为零，则在导线la、lb中有作为检测对象 的例如15mA?500mA左右的微小差异电流流过。
[0026] 而且，本实施方式中，如图1所示，包括励磁线圈3、振荡电路4、占空检测电路5、振 汤振幅检测电路6、频率检测电路7、及两个或门电路9a、9b。此处，振汤振幅检测电路6和 频率检测电路7构成过电流检测电路8。 另外，振荡电路4、占空检测电路5分别相当于本发明的振荡单元、电流检测单元。此 夕卜，频率检测电路7、振荡振幅检测电路6分别相当于本发明的第1过电流检测单元、第2过 电流检测单元。
[0027] 在磁芯2上，励磁线圈3以规定匝数进行卷绕，从振荡电路4对该励磁线圈3提供 励磁电流。 振荡电路4如后所述，根据设定的阈值，产生在磁芯2处于饱和状态或接近饱和的状态 下、将提供给励磁线圈3的励磁电流的磁性反转的矩形波电压。
[0028] 因此，如图3所不，振荡电路4包括作为比较器进彳丁动作的运算放大器11。在该运 算放大器11的输出侧与反转输入侧之间连接有励磁线圈3。此外，运算放大器11的反转输 入侧经由电阻12接地，运算放大器11的非反转输入侧连接在分压电阻13及14之间，该分 压电阻13及14串联连接在运算放大器11的输出侧及接地之间。运算放大器11的输出侧 连接到输出端子15。
[0029] 占空检测电路5如后所述，基于振荡电路4的输出电压Va，检测输出电压Va的占 空比，基于该检测结果，检测测定电流I。此外，占空检测电路5基于检测出的占空比，检测 测定电流I是否为第1过电流，在检测出第1过电流时，将表示这一情况的高电平信号输出 到或门电路9b。 频率检测电路7如后所述，基于振荡电路4的输出电压Va的频率，检测测定电流I是 否为第2过电流，在检测出第2过电流时，将表示这一情况的高电平的信号输出到或门电路 9a〇
[0030] 振荡振幅检测电路6如后所述，基于从振荡电路4输出的输出电压Va的峰值，检 测测定电流I是否为第3过电流，在检测出第3过电流时，将表示这一情况的高电平的信号 输出到或门电路9a。 或门电路9a对频率检测电路7的输出信号和振荡振幅电路6的输出信号进行逻辑和 处理，将其处理结果输出到或门电路％。此外，或门电路9b对占空检测电路5的输出信号 和或门电路9a的输出信号进行逻辑和处理。
[0031] 接下来,参照图2,对图1所示的占空检测电路5、振荡振幅检测电路6、及频率检测 电路7各自的具体结构进行说明。 如图2所示，占空检测电路5包括占空比检测电路51和比较电路52。 占空比检测电路51检测从振荡电路4输出的输出电压Va的占空比。比较电路52将占 空比检测电路51检测出的占空比与预定的基准值进行比较，在该占空比为基准值以下时， 输出表不检测出过大电流这一,清况的高电平的信号。
[0032] 如图2所示，频率检测电路7包括高通滤波电路71、绝对值检测电路72、及比较电 路（比较器）73。 高通滤波电路71对从振荡电路4输出的输出电压Va进行滤波处理并输出。绝对值检 测电路72检测高通滤波电路71的输出电压的绝对值。比较电路73将绝对值检测电路72 检测出的绝对值与预定的基准电压VI进行比较，在该绝对值为基准电压VI以上时，输出高 电平的信号，以作为表示检测出过大电流这一情况的信号。
[0033] 如图2所示，振荡振幅检测电路6包括绝对值检测电路61和比较电路（比较 器）62。 绝对值检测电路61检测从振荡电路4输出的输出电压Va的绝对值（峰值）。比较电 路62将绝对值检测电路61检测出的绝对值与预定的基准电压V2进行比较，在该绝对值为 基准电压V2以下时，输出高电平的信号，以作为表不检测出过大电流这'清况的信号。 [0034][实施方式的动作] 下面，参照【专利附图】

【附图说明】实施方式的动作例。 (振荡电路的动作） 首先，参照图3,对振荡电路4的动作进行说明。 该振荡电路4中，将分压电阻13及14的连接点E的阈值电压Vth提供到运算放大器 11的非反转输入侧，将该阈值电压Vth与励磁线圈3及电阻12的连接点D的电压Vd进行 比较，其比较输出作为矩形波的输出电压Va从输出侧输出（例如参照图9(b)?（d))。
[0035] 若运算放大器11的输出侧的输出电压Va变成高电平，则将其施加于励磁线圈3。 因此，利用与输出电压Va和电阻12的电阻值R12相对应的励磁电流込来对励磁线圈3进 行励磁。此时，如图9(a)所示，励磁电流込以由励磁线圈3的电感值L和电阻12的电阻 值R12决定的时间常数上升。
[0036] 此时，运算放大器11的非反转输入侧连接有电阻13与电阻14的连接点4,因此， 由电阻13和电阻14分压得到的电压作为阈值电压Vth而输入。另一方面，运算放大器11 的反转输入侧的励磁线圈3与电阻12的连接点D的电压Vd随着励磁线圈3的励磁电流込 的增加而增加。若该电压Vd = R12XL超过阈值电压Vth，则运算放大器11的输出电压Va 反转成低电平。
[0037] 由此，励磁线圈3中流过的励磁电流込的极性反转，励磁电流込以由励磁线圈3 的电感值L和电阻R12的电阻值R12决定的时间常数减少。 此时，关于阈值电压Vth，由于输出电压Va变成低电平，因此，阈值电压Vth也变成低电 压。然后，连接点D的电压Vd随着励磁线圈3的励磁电流込的减少而减少，在低于阈值电 压Vth时，运算放大器11的输出电压Va如图9(b)?（d)所示那样反转成高电平。
[0038] 图9(a)中，设从高电平变为低电平的阈值励磁线圈电流为Ι?2，从低电平变为高电 平的阈值励磁线圈电流为I u。 通过这样的动作，如图9(b)?（d)所示，振荡电路4的输出电压Va成为交替重复高电 平和低电平的矩形波电压，振荡电路4作为无稳态多谐振荡器而进行动作。而且，如图9 (a) 所示，励磁线圈3的励磁电流成为交替重复增加和减少的锯齿状波电流。
[0039] 此外，磁芯2的芯材质采用具有高磁导率μ的软磁性材料。在卷绕于使用这种芯 的环状圈磁芯的励磁线圈中有电流流过时，因该电流在芯中产生磁场Η，在芯内部产生磁通 密度Β的磁通。关于芯的磁场Η和磁通密度的特性（Β-Η特性），如图4所示，在磁场Η增加 时，磁通密度Β急剧上升。然后，在磁场Η为某一值以上时，磁通密度Β的上升变缓，之后， 达到磁通密度饱和的饱和区域（饱和磁通密度Bs)。
[0040] (磁芯和振汤电路的关系） 接下里，对磁芯2和振荡电路4的关系进行说明。 此处，磁芯2的B-H特性实际上如图4的实线所示那样具有磁滞。然而，为了使说明易 于理解，设磁芯2的B-H特性具有图4的虚线所示的磁滞的中心值的特性。
[0041] 现设为将来自振荡电路4的矩形波电压施加到卷绕于磁芯2的励磁线圈3。此时， 在磁芯2的环状圈内流过的测定电流I = 0的情况下，磁芯2的内部的磁场Η及磁通密度 Β中，图5 (a)的Β-Η特性的粗线部分为动作区域。S卩，磁芯2的内部的磁场Η及磁通密度Β 在正侧及负侧为对称的状态下使用。
[0042] 此外，若设磁芯2的平均磁路长度为lm、励磁线圈3卷绕于磁芯2的匝数为Ν，则由 于存在NX込= HXlm的关系，因此，磁场Η与励磁电流込成比例，且由于磁导率μ为B-H 特性的斜率（μ = dB/dH)，因此，励磁电流L与磁导率μ的关系可由图5(b)来表示。 此外，励磁线圈3的电感值L可由下式来表示。
[0043] [数学式1]

【权利要求】
1. 一种电流检测装置，其特征在于，包括： 励磁线圈，该励磁线圈卷绕于磁芯，该磁芯包围供测定电流流动的导线； 振荡单元，该振荡单元根据设定的阈值，产生在所述磁芯处于饱和状态或接近饱和状 态时，将提供给所述励磁线圈的励磁电流的磁性反转的矩形波电压； 电流检测单元，该电流检测单元基于从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的占空比 变化，检测所述测定电流； 第1过电流检测单元，该第1过电流检测单元基于从所述振荡单元输出的所述矩形波 电压的频率，检测所述测定电流的过电流；以及 第2过电流检测单元，该第2过电流检测单元基于从所述振荡单元输出的所述矩形波 电压的峰值，检测所述测定电流的过电流。
2. 如权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于， 所述电流检测单元检测所述矩形波电压的占空比变化，根据该检测结果，检测出所述 测定电流的第1过电流， 所述第1过电流检测单元检测所述矩形波电压的频率变化，根据该检测结果，检测出 所述测定电流的第2过电流， 所述第2过电流检测单元检测所述矩形波电压的峰值变化，根据该检测结果，检测出 所述测定电流的第3过电流。
3. 如权利要求2所述的电流检测装置，其特征在于， 还包括输出单元，该输出单元在所述电流检测单元检测出所述测定电流的第1过电 流、所述第1过电流检测单元检测出所述测定电流的第2过电流、或所述第2过电流检测单 元检测出所述测定电流的第3过电流时，输出所述测定电流为过电流的信号。
4. 一种电流检测装置，其特征在于，包括： 励磁线圈，该励磁线圈卷绕于磁芯，该磁芯包围供测定电流流动的导线； 振荡单元，该振荡单元根据设定的阈值，产生在所述磁芯处于饱和状态或接近饱和状 态下时，将提供给所述励磁线圈的励磁电流的磁性反转的矩形波电压； 电流检测单元，该电流检测单元检测从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的占空 t匕，根据该检测结果，检测所述测定电流是否为第1过电流； 第1过电流检测单元，该第1过电流检测单元检测从所述振荡单元输出的所述矩形波 电压的频率变化，根据该检测结果，检测出所述测定电流是否为第2过电流；以及 第2过电流检测单元，该第2过电流检测单元检测从所述振荡单元输出的所述矩形波 电压的峰值变化，根据该检测结果，检测出所述测定电流是否为第3过电流。
5. 如权利要求4所述的电流检测装置，其特征在于， 所述电流检测单元包括： 占空比检测电路，该占空比检测电路检测从所述振荡单元输出的所述矩形波电压的占 空比；以及 第1比较电路，该第1比较电路将占空比检测电路检测出的占空比与预定的基准值进 行比较，在所述占空比为所述基准值以下时，输出表示所述测定电流被检测为第1过电流 的信号。
6. 如权利要求4或5所述的电流检测装置，其特征在于， 所述第1过电流检测单元包括： 高通滤波电路，该高通滤波电路对从所述振荡单元输出的所述矩形波电压进行滤波处 理； 第1绝对值检测电路，该第1绝对值检测电路检测所述高通滤波电路的输出的绝对值； 以及 第2比较电路，该第2比较电路将所述第1绝对值检测电路检测出的绝对值与预定的 第1基准值进行比较，在所述绝对值为所述第1基准值以上时，输出表示所述测定电流被检 测为第2过大电流的信号。
7. 如权利要求4至6中任一项所述的电流检测装置，其特征在于， 所述第2过电流检测单元包括： 第2绝对值检测电路，该第2绝对值检测电路检测从所述振荡单元输出的所述矩形波 电压的绝对值；以及 第3比较电路，该第3比较电路将所述第2绝对值检测电路检测出的绝对值与预定的 第2基准值进行比较，在所述绝对值为所述第2基准值以下时，输出表示所述测定电流被检 测为第3过大电流的信号。
8. 如权利要求7所述的电流检测装置，其特征在于， 还包括或门电路，该或门电路输入所述第1比较电路的输出信号、所述第2比较电路的 输出信号、以及所述第3比较电路的输出信号， 所述输出信号分别为高电平的信号。
【文档编号】G01R19/165GK104067134SQ201380005543
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年2月6日 优先权日:2012年2月29日
【发明者】野寺俊夫, 高桥康弘, 桥本贵, 细冈洋平 申请人:富士电机机器制御株式会社