专利名称：在电流测量探头中使用的电流感测电路的制作方法
技术领域：
本发明 一般涉及电流测量探头并且更具体而言涉及在电流测量探
头中4吏用的电流感测(sensing)电i 各。
背景技术：
电流#果头一it殳通过4吏用电流感测电^各来感测导体中的电流流动生 成的；兹通量来测量导体中的电流。电流感测电^各将经感测电流信号转 换成耦合到例如示波器等等的测量测试仪器的电压输出信号以便显示 和分析。电流感测电路一般具有变压器输入，其中变压器具有磁性材 库牛的环形石兹芯(ring shaped core )。变压器的初级绕组是导体，在该 导体中，电流被测量并被置于环形磁芯内。在初级绕组中的电流感生 磁芯中的磁通量。变压器的次级绕组环绕石兹芯并且被耦合到端接电阻。 在变压器的初级绕组中流动的交流电感生次级绕组中的电压，该次级 绕组在引起与输入通量相反的方向上的磁动势或通量的方向产生交流 电。次级绕组中的交流电被耦合到将交流电信号转换成电压信号的端 接电阻。
由于变压器是AC信号耦合装置，变压器的通带(passband)的截 止频率在DC水平之上。为了允许电流感测电^各感测DC和j氐频电流信 号，将霍尔(Hall )效应装置包含在变压器的磁芯内。霍尔效应装置 是被安置在磁芯中使得磁芯中的磁通量基本上与霍尔效应装置垂直的 半导体。将偏压(bias )施加到霍尔板并且由磁芯中的磁通量引起的 霍尔效应生成的结果电压被耦合到差动(differential)放大器的输 入。可将放大器的单端输出耦合到功率放大器，该功率放大器输出与 霍尔效应装置生成的电压成比例的电流。将霍尔装置放大器或可选地 将功率放大器的输出耦合到变压器的次级绕组以便使源自放大器的流
经次级绕组的输出电流产生通量，该通量在霍尔效应装置的整个频率 通带上与输入磁通量相反。在一实施例中，将放大器的输出耦合到次 级绕组的 一 侧，绕组的另侧耦合到变压器端接电阻器和放大器电路。 在另 一 实施例中，将放大器的输出通过电阻器耦合到次级绕组的相同
3侧作为放大器电路。在放大器电路中将电容耦合到宽带放大器的输入 以便阻塞源自霍尔效应放大器的电流。在运算放大器的输入处对霍尔 效应放大器的输出和宽带放大器的输出求和(sum),该运算放大器具 有提供与变压器的次级绕组中的经组合电流成比例的电压输出的反馈
电阻器。运算放大器的电压输出是对磁芯通量的AC和DC分量 (component )的测量。美国专利3， 525, 041 、 5， 477， 135和5, 493, 211 描述了以上电流感测电^各。
上述电流感测电路的灵敏度受限于变压器的匝数比和霍尔效应装 置。随着次级绕组中的匝数的数量相对于初级绕组增长，总的电流感 测电路的灵敏度下降。此外，变压器端接电阻器的包含或将霍尔效应 放大器的输出耦合到变压器的次级绕组的电阻器的使用导致变压器频 率响应的低频截止点作为L/R的函数增加，其中L是次级绕组的电感 而R是次级绕组和变压器端接电阻器的电阻。这要求经组合霍尔效应 装置的高频截止点和放大器频率响应延长(extend)以超过(past) 变压器频率响应的低频截止点用于从DC到霍尔效应装置的低频响应到 变压器的高频响应的平滑交叉(smooth crossover )。此外，现有技术 设计要求霍尔效应放大器提供充足的电流以便将DC抑制(null)为在 变压器的磁芯中生成的低频通量。霍尔效应装置提供电流输出，该电 流输出 一般要求使用用于电流探测装置的功率放大器，该电流探测装 置具有在几十安培范围内的最大电流额定值。
由于可以使用^争阻放大器代替响应于电流输入信号产生电压输 出，'135和'211专利建议可以用跨阻放大器来代替具有变压器端接 电阻器的电压放大器电路。然而，这种电流感测电路将仍然要求霍尔 效应放大器和功率放大器的使用以生成被施加到变压器的次级绕组的 屏蔽电流(bucking current )。
因此，需要电流感测电路，其中霍尔效应放大器不生成一皮施加到 变压器的次级绕组的电流信号。此外，需要电流感测电路，该电流感 测电路要求使用功率放大器以便生成屏蔽电流以将DC抑制(null)为 在变压器的石兹芯中的^氐频通量。这种电^各应具有4氐输入阻抗和高电流 对电压增益，该j氐输入阻抗增加了电流感测电^各的灵敏度
发明内容
因此，满足上述需求的用于检测导体中的电流的电流感测电路具 有与导体成链接关系的磁芯，由此导体中的电流的流动产生芯中的^兹 通量。磁-电转换器和次级绕组通过磁芯中的磁通量链接，其中磁-电 转换器在与磁通量基本垂直的平面中置于磁芯内。磁-电转换器响应于 磁芯中的磁通量生成输出，该输出被耦合到生成表示磁-电转换器输出 的输出的放大器。次级绕组响应于响应于磁芯中的磁通量以便产生交 电流输出。阻》文大器具有 一皮耦合以,人次级绕组接收交流电输出的反 相输入、被耦合以接收磁-电转换器放大器的输出的非反相输入。跨阻 放大器的反相输入通过电流信号通路被耦合到跨阻放大器的输出。电 流信号通路将次级绕组中的交流电耦合到跨阻放大器的输出并将表示 磁-电转换器输出的电流从跨阻放大器的输出耦合到次级绕组。
如权利要求1所述的电流感测装置优选地具有耦合到导体的初级 绕组，用于将磁芯与导体中的电流流动链接。可选地，导体起用于将 磁芯与导体中的电流流动链接的初级绕组的作用。磁-电转换器优选地 是霍尔效应装置。偏置电压可耦合到跨阻放大器的非反相输入。
当连同所附权利要求书和所附附图 一 起来阅读时，从以下详细描 述中，本发明的目的、优点和新的特征是明显的。
图1是依据本发明的电流感测电路实施例的示意性表示。 图2例示了在依据本发明的电流感测电路实施例中的变压器、经 组合的霍尔效应装置和放大器的各自频率响应曲线。
具体实施例方式
参见图1，示出了用于检测导体中的电流流动的电流感测电路10 实施例的示意性表示。电流感测电路10 一皮预期用在通过一果头测量在导 体中流动的电流的电流测量探头中。电流感测电路10具有限定了孔径 的磁性材料的环形磁芯12。用通量链接关系将载流导体14与环形磁芯 12耦合。优选地通过多压数初级绕组16来将载流导体14《连接到环形 i兹芯12,该初级绕组16与载流导体14串耳关耦合。可选地，可以通过 孔将载流导体14插入环形》兹芯12并作为初级绕组16。在载流导体14 中的待测量电流产生》兹芯12中的f兹通量并且一皮4i^接到多匝数次级绕组18。将次级绕组18的一端耦合到地，其中将另端耦合到跨阻放大器20 的反相输入端。将跨阻放大器20的反相输入端通过具有跨阻电阻器24 的电流信号通路22耦合到放大器20的输出端。从而，初级绕组16或 可选地载流导体14、磁芯12和次级绕组18起到变压器26的作用。将 磁-电转换器28置于基本上与磁芯12中的通量线垂直的磁芯12内。 优选地，磁-电转换器28是具有耦合到偏压源30的第一对终端和连接 到放大器32的差动输入的第二对终端的薄膜半导体霍尔效应装置。在 优选实施例中，放大器32是具有低噪声和高共模抑制的高增益差动放 大器。将差动放大器32的单端输出耦合到跨阻放大器20的非反相输 入。可以将由电流感测电路的消磁产生的偏置(offset)控制信号通 过偏置电压线路34施加给差动》i:大器32。
参见图2,例示了变压器26、经组合的霍尔效应装置28和放大器 32的各自频率响应曲线40、 42。霍尔效应装置28和放大器组合具有 从DC延长到1 ~ 2匪Z的开环通带。在优选实施例中，霍尔效应装置28 和放大器32的高通3dB衰减频率(roll off frequency )处于1 ~ 2KHZ。 变压器26的频率响应曲线具有在相同的1 ~ 2KHZ中的^氐截止MB频率。 电流感测电路10的设计提供了从经组合的霍尔效应装置28和放大器 32的通带到变压器26的通带的平滑过渡。
变压器26优选地具有乂人次级绕组18到初级绕组16的10比1的 匝数比以便提供在微安范围内的电流信号的经增加敏感度。与例如 TCP312电流探头的现有电流测量探头相比，次级绕组18具有约440 ju H的电感，该TCP312电流探头由俄勒冈州比弗顿(Beaverton)的 Tektronix, Inc制造和销售，具有48的变压器次级绕组匝数和4mH的 电感。在不降低变压器电阻的情况下减少变压器26的次级绕组18的 电感增加了如由图2中的虚线所表示的变压器的低(lower )截止频率。 这将导致在经组合的霍尔效应装置28与放大器32和变压器26之间的 交叉区域的大幅度下降(substantial dip)。因此，具有数量级比现 有电流感测装置小的次级绕组电感的变压器26的使用防止了将电阻耦 合到次级绕组18的现有技术电路的使用。跨阻放大器20几乎呈虚短 路(Oohm负载)，从而使变压器26延长低截止频率并使变压器的尺寸 小型化。
可以通过一皮安装在导体14上的触点36来将电流感测电^各IO耦合
6到例^J口由Wallingford, CT的Amphenal, Corp .依^居零^f牛号石马(part number ) MHC-201制造的载流导体14。触点在正常运行期间提供了电 流流经载流导体14的通路。当通过被耦合到变压器26的初级绕组16 的触点引线(pin)将电流感测电路IO耦合到载流导体14时，电流通 路被转到变压器26的初级绕组。初级绕组16中的电流产生链接到次 级绕组18和霍尔效应装置28的在变压器26的磁芯12中的f兹通量。 在初级绕组16中流动的电流的DC或^[氐频分量生成在霍尔效应装置28 的笫二对终端之间的电势差。将霍尔效应装置28的电压输出耦合到放 大器32的差动输入。将放大器32的输出耦合到跨阻放大器20的非反 相输入。在跨阻放大器20的非反相输入上由霍尔效应装置28生成的 电压导致的变化信号水平产生跨阻放大器20的输出电压水平相应变 化。在跨阻放大器20的输出处的电压产生在耦合到变压器26的次级 绕组18的电流信号通路22中生成的电流。在次级绕组18中流动的电 流与产生》兹芯12中》兹通量的在初级绕组16中流动的电流相反，在次 级绕组18中流动的电流抑制在初级绕组16中流动的电流产生的》兹通 量。该DC到低频反馈回路维持了等于变压器26初级绕组16中的DC 或低电流信号的经过电流信号通^各22的反向电流。
在初级绕组16中流动的电流的高频分量生成在次级绕组18中在 例如产生；兹芯12中的》兹场的方向上感生的电流，该；兹场与初级绕组16 中的电流产生的场方向相反。在次级绕组18中感生的电流被耦合到跨 阻放大器20的反相输入。由于反相输入是虚接地(virtual ground) 的，在次级绕组18中的电流通过电流信号通路22经过跨阻电阻器24 耦合到跨阻放大器20的输出，该跨阻放大器20产生表示在初级绕组 16中流动的电流的高频分量的经》文大电压|叙出。
跨阻放大器20用作生成抑制DC到低电流频率处的磁芯12中的磁 通量的屏蔽电流的功率放大器和更高频率的跨阻放大器。采用跨阻放 大器的电流感测电路的电路设计消除了对功率放大器的需要以便生成 屏蔽电流以抑制由DC到低频率电流信号导致的磁芯12中的磁通量。 与在电流测量探头中使用的先前电流感测电路相比，这减少了电流感 测电3各10的功率要求。
如先前所陈述的，载流导体14可 f皮用作电流感测装置10中的初 级绕组16。通过孔将载流导体14插入环形磁芯12。在载流导体14中流动的处于DC到低频率的电流感生由霍尔效应装置28感测的磁芯l2 中的》兹通量并感生在次级绕组18中的处于更高频率的电流。作为变压 器26的初级绕组16的载流导体14的使用将变压器的匝数比从10比1 改变为30比1。这导致电流感测电路的总灵每l度的下降。然而，电流 感测电路10通过采用作为用于生成DC到低频率抑制电流的功率放大 器和作为所感测电流的电压增益放大器的跨阻放大器2 0仍然节省了功
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进行许多改变而不脱离其基本原理。因此，本发明的范围应仅由所附
权利要求书确定。
权利要求
1. 一种用于检测导体中的电流流动的电流感测装置，包括与导体成链接关系的磁芯，从而使导体中的电流的流动产生芯中的磁通量；通过磁芯中的磁通量链接的磁-电转换器和次级绕组，其中磁-电转换器在与磁通量基本垂直的平面中被置于磁芯内并且响应于磁芯中的磁通量产生输出，该输出被耦合到产生表示磁-电转换器输出的输出的放大器，并且次级绕组响应于磁芯中的磁通量产生交流电输出；跨阻放大器，具有被耦合以从次级绕组接收交流电输出的反相输入、被耦合以接收磁-电转换器放大器的输出的非反相输入和通过电流信号通路被耦合到反相输入的输出，其中电流信号通路将次级绕组中的交流电耦合到跨阻放大器的输出并将表示磁-电转换器输出的电流从跨阻放大器的输出耦合到次级绕组。
2. 如权利要求1所述的电流感测装置，还包括耦合到导体的初 级绕组，用于将;兹芯与导体中的电流流动《连接。
3. 如权利要求1所述的电流感测装置，其中导体用作将磁芯与 导体中的电流流动链接的初级绕组。
4. 如权利要求1所述的电流感测装置，其中磁-电转换器是霍尔 效应装置。
5. 如权利要求1所述的电流感测装置，还包括耦合到跨阻放大 器的非反相输入的偏置电压。
全文摘要
一种电流感测装置具有变压器，其中待测量电流感生磁芯(12)内的磁通量。磁芯具有用于感测DC到低频电流信号的磁-电转换器(28)和用于感测更高频率电流信号的次级绕组(18)。磁-电转换器生成输出，该输出通过放大器耦合到跨阻放大器(20)的非反相输入。跨阻放大器的反相输入耦合到变压器的次级绕组。具有跨阻电阻器(24)的电流信号通路将反相输入耦合到跨阻放大器的输出。跨阻放大器用作将抑制电流耦合到DC到低频率电流信号的变压器的功率放大器和更高频率信号的跨阻增益放大器。
文档编号G01R15/20GK101438173SQ200780016687
公开日2009年5月20日 申请日期2007年5月4日 优先权日2006年5月8日
发明者A·S·小克雷恩, J·S·丹迪, M·J·门德 申请人:特克特朗尼克公司