JP2006317402A - Current sensor and watt-hour arithmetic unit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電流センサ、特にＭＩ素子（磁気インピーダンス素子）を用いた電流センサおよびそれを用いた電力量演算装置に関する。 The present invention relates to a current sensor, and more particularly to a current sensor using an MI element (magnetic impedance element) and an electric energy calculation device using the current sensor.
図６に例えば非特許文献１に記載されている、従来の小型電力量計の例を示す。なお、同図（ａ）は上面図、（ｂ）は図（ａ）の上下方向から見た側面図、（ｃ）は図（ａ）の左右方向見た側面図である。
かかる小型電力量計は、通常ブレーカなどの遮断手段に直結した構造となっている。例えば、Ａ側の端子６２Ａに電源用ブレーカ、Ｂ側の端子６２Ｂが負荷側になるように、取り付けネジ６４で配線する。
FIG. 6 shows an example of a conventional small watt-hour meter described in Non-Patent Document 1, for example. 2A is a top view, FIG. 2B is a side view as viewed from the vertical direction in FIG. 1A, and FIG. 2C is a side view as viewed in the left-right direction of FIG.
Such a small watt-hour meter has a structure directly connected to an interruption means such as a normal breaker. For example, the power supply breaker is connected to the terminal 62A on the A side, and the mounting screw 64 is used so that the terminal 62B on the B side becomes the load side.
そして、Ａ側からＢ側の負荷側に各相間に流れる電流と電圧とを検出し、電力量を演算するものである。液晶ディスプレイ６６および電力量に比例する周期で発光する計量パルス用ＬＥＤ６０により、外部へ電力量を表示することができる。単相３線対応の電力量計で電力量を演算するには、少なくとも２相の電流信号と電圧信号が必要である。そのため、電流センサは電力量計当り少なくとも２個必要である。 And the electric current and voltage which detect the electric current and voltage which flow between each phase from the A side to the load side of the B side are calculated. The amount of electric power can be displayed to the outside by the liquid crystal display 66 and the metering pulse LED 60 that emits light at a period proportional to the amount of electric power. In order to calculate the amount of power with a single-phase three-wire watt-hour meter, at least two-phase current signals and voltage signals are required. Therefore, at least two current sensors are required per watt-hour meter.
図７に小型電力量計の展開図を示す。
これは、下側筺体６１に取り付けられた３個の凹型の電流バー６３と、Ａ相およびＣ相の電流バー６３から所定の距離離れた位置に配置された電流センサ７３、この電流センサ７３を実装している電流センサ基板７４、電流センサ基板７４に対して垂直方向に配置され、電流センサ基板７４と電気的に接続されている信号処理基板７５、信号処理基板７５から所定の距離離れた位置に配置された電力量演算基板７６等から構成される。なお、図６に示した上側筺体６９は、ここでは図示が省略されている。
FIG. 7 shows a development view of a small watt-hour meter.
This includes three concave current bars 63 attached to the lower casing 61, a current sensor 73 disposed at a predetermined distance from the A-phase and C-phase current bars 63, and the current sensor 73. The current sensor board 74 mounted, the signal processing board 75 that is arranged in a direction perpendicular to the current sensor board 74 and is electrically connected to the current sensor board 74, and a position away from the signal processing board 75 by a predetermined distance. It is comprised from the electric energy calculation board | substrate 76 etc. which are arrange | positioned. The upper casing 69 shown in FIG. 6 is not shown here.
ここで、電流バー６３に電流が流れると、そのα面に図８に示すように回転磁界が発生する。この磁界は距離Ｒ０離れた位置では、距離Ｒ０に反比例し印加された電流Ｉに比例する、次式のような磁界Ｓが発生する。ｋは定数である。
Ｓ＝ｋＩ／Ｒ０
したがって、距離Ｒ０離れた位置に配置された電流センサにより、磁界Ｓを計測することで印加された電流Ｉを検出することができる。
Here, when a current flows through the current bar 63, a rotating magnetic field is generated on the α plane as shown in FIG. At a position away from the distance R0, this magnetic field generates a magnetic field S as shown in the following equation, which is inversely proportional to the distance R0 and proportional to the applied current I. k is a constant.
S = kI / R0
Therefore, the applied current I can be detected by measuring the magnetic field S with a current sensor disposed at a position separated by the distance R0.
図９に電流センサの構成例を示す。ここでは、ＭＩ素子９１，９２がモールド成形されて構成される。より具体的には、ガラス９３上にスパッタリングにより成膜された磁性膜を、フォトプロセスなどでつづら折れにパターニングした磁性体９４、ＭＩ素子に巻かれたコイル９５などから構成される。また、ＭＩ素子９１は測定対象となる電流バー６３から距離Ｒの位置に、またＭＩ素子９２はＭＩ素子９１からさらにΔＲ１離れた位置にそれぞれ配置されている。なお、ＭＩ素子はホール素子や磁気抵抗素子に比して、磁界に対し高感度であることから、これを用いると好都合である。ＭＩ素子を用いる電流センサ、およびそれを用いる電力量演算装置は例えば特許文献１に開示されている。 FIG. 9 shows a configuration example of the current sensor. Here, the MI elements 91 and 92 are formed by molding. More specifically, a magnetic film 94 formed by sputtering on a glass 93 and patterned by a photo process or the like is formed, and a coil 95 wound around an MI element is formed. Further, the MI element 91 is disposed at a position of a distance R from the current bar 63 to be measured, and the MI element 92 is disposed at a position further from the MI element 91 by ΔR1. Note that it is convenient to use the MI element because it is more sensitive to the magnetic field than the Hall element and the magnetoresistive element. A current sensor using an MI element and an electric energy calculation device using the current sensor are disclosed in Patent Document 1, for example.
図１０にＭＩ素子に印加される磁界と、ＭＩ素子のインピーダンスとの関係を示す。横軸に磁界強度、縦軸にインピーダンスを示す。ＭＩ素子に印加される磁界が変化すると、ＭＩ素子は図のようにインピーダンスが変化する。ＭＩ素子のインピーダンスとの関係は図示のように、一般に０磁場付近では安定しない。そこで、コイルに所定のバイアス電流を流し、コイルからバイアス磁界Φ[Ａ／ｍ]を印加して、インピーダンスの変化が磁界に比例するような領域にシフトさせて用いることが望ましい。 FIG. 10 shows the relationship between the magnetic field applied to the MI element and the impedance of the MI element. The horizontal axis shows the magnetic field strength and the vertical axis shows the impedance. When the magnetic field applied to the MI element changes, the impedance of the MI element changes as shown in the figure. As shown in the figure, the relationship with the impedance of the MI element is generally not stable in the vicinity of zero magnetic field. Therefore, it is desirable to apply a bias current to the coil and apply a bias magnetic field Φ [A / m] from the coil so that the change in impedance is shifted to a region proportional to the magnetic field.
また、ＭＩ素子を電流センサとして用いる場合、１）レンジアビリティの向上、２）温度特性改善、等を目的に外部磁界に比例し、外部磁界とは逆方向の磁場（負帰還磁場）を印加するが、上記バイアス磁界Φの外に負帰還磁場が発生するのに必要な負帰還電流を、コイルに流すようにする。
上記電流バーに電流が流れると、図１１に示すように電流バー６３の周辺に磁界が発生する。例えば、電流バーに５Ａ程度の電流を流した場合、ＭＩ素子９１，９２にはそれぞれ１３０Ａ／ｍ，７０Ａ／ｍの磁界が印加されることが分かる。
When an MI element is used as a current sensor, a magnetic field (negative feedback magnetic field) that is proportional to an external magnetic field and is opposite to the external magnetic field is applied for the purpose of 1) improving rangeability, 2) improving temperature characteristics, etc. However, a negative feedback current necessary for generating a negative feedback magnetic field outside the bias magnetic field Φ is caused to flow through the coil.
When a current flows through the current bar, a magnetic field is generated around the current bar 63 as shown in FIG. For example, it is understood that when a current of about 5 A is passed through the current bar, magnetic fields of 130 A / m and 70 A / m are applied to the MI elements 91 and 92, respectively.
上述のようなＭＩ素子を用いる電流センサは、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの高周波パルスをＭＩ素子に印加するため、消費電力が大きいという問題がある。また、アンプでの消費電力も大きい。
したがって、この発明の課題は、消費電力をできる限り低減化することにある。
The current sensor using the MI element as described above has a problem that power consumption is large because a high frequency pulse of several MHz to several tens of MHz is applied to the MI element. In addition, power consumption in the amplifier is large.
Therefore, an object of the present invention is to reduce power consumption as much as possible.
このような課題を解決するために、請求項１の発明では、磁界の変化によって特性が変化するデバイスからなる磁界検出部と、その出力を増幅する増幅部と、その出力をサンプリングし保持するサンプルホールド部と、その出力をデジタル量に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記各部を制御するとともに前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル量に基づき所定の演算処理を行なう演算処理部とを備え、前記増幅部およびサンプルホールド部にはそれぞれシャットダウン機能を持たせ、シャットダウン機能を持つこれら各部を前記演算処理部に接続することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記Ａ／Ｄ変換部の動作開始前に、前記演算処理部からの制御信号にて前記増幅部をアクティブにし、Ａ／Ｄ変換部の動作開始時または開始前に、前記演算処理部からの制御信号にて前記サンプルホールド部をアクティブにし、Ａ／Ｄ変換部の動作終了時またはその前後のいずれかの時に、前記増幅部およびサンプルホールド部をシャットダウンすることができる（請求項２の発明）。
In order to solve such a problem, according to the first aspect of the present invention, a magnetic field detection unit comprising a device whose characteristics change due to a change in the magnetic field, an amplification unit that amplifies the output, and a sample that samples and holds the output A holding unit, an A / D conversion unit that converts the output into a digital quantity, and an arithmetic processing unit that controls each of the units and performs predetermined arithmetic processing based on the digital quantity from the A / D conversion unit, The amplification unit and the sample hold unit are each provided with a shutdown function, and these units having the shutdown function are connected to the arithmetic processing unit.
In the first aspect of the present invention, before the operation of the A / D conversion unit is started, the amplification unit is activated by a control signal from the arithmetic processing unit, and the operation of the A / D conversion unit is started or before the start. In addition, the sample hold unit may be activated by a control signal from the arithmetic processing unit, and the amplifier unit and the sample hold unit may be shut down at the end of the operation of the A / D conversion unit or before or after the operation. (Invention of claim 2)
請求項３の発明では、クロック発生部と、このクロック発生部からの高周波信号により駆動される磁界検出部と、その出力を増幅する増幅部と、その出力をバイアス磁界とともに負帰還する負帰還部と、前記増幅部からの出力をサンプリングし保持するサンプルホールド部と、その出力をデジタル量に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記各部を制御するとともに前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル量に基づき所定の演算処理を行なう演算処理部とを備え、
前記磁界検出部を、前記高周波信号により被測定電流線に発生する磁界に比例してインピーダンスが変化するＭＩ素子と、このＭＩ素子に巻かれ被測定電流を流されるコイルと、前記インピーダンス変化による高周波信号の振幅成分を取り出す整流回路とから構成するとともに、
前記増幅部，負帰還部およびサンプルホールド部にはそれぞれシャットダウン機能を持たせ、シャットダウン機能を持つこれら各部を前記演算処理部に接続することを特徴とする。
この請求項３の発明においては、前記前記Ａ／Ｄ変換部の動作開始前に、前記演算処理部からの制御信号にて前記クロック発生部，増幅部および負帰還部をアクティブにし、前記Ａ／Ｄ変換部の動作開始時または開始前に、前記演算処理部からの制御信号にて前記サンプルホールド部をアクティブにし、Ａ／Ｄ変換部の動作終了時またはその前後のいずれかの時に、前記クロック発生部，増幅部，負帰還部およびサンプルホールド部をシャットダウンすることができる（請求項４の発明）。
In the invention of claim 3, a clock generator, a magnetic field detector driven by a high frequency signal from the clock generator, an amplifier for amplifying the output, and a negative feedback unit for negatively feeding back the output together with the bias magnetic field A sample-and-hold unit that samples and holds the output from the amplification unit, an A / D conversion unit that converts the output into a digital quantity, and controls each of the units and converts the digital quantity from the A / D conversion unit An arithmetic processing unit for performing predetermined arithmetic processing based on
The magnetic field detection unit includes an MI element whose impedance changes in proportion to a magnetic field generated in the current line to be measured by the high frequency signal, a coil wound around the MI element and through which the current to be measured flows, and a high frequency due to the impedance change. A rectifier circuit that extracts the amplitude component of the signal
The amplification unit, the negative feedback unit, and the sample hold unit are each provided with a shutdown function, and these units having the shutdown function are connected to the arithmetic processing unit.
In the third aspect of the present invention, before the operation of the A / D converter, the clock generator, amplifier, and negative feedback unit are activated by a control signal from the arithmetic processor, and the A / D converter is activated. At the start or before the start of the operation of the D conversion unit, the sample hold unit is activated by a control signal from the arithmetic processing unit, and the clock is either at the end of the operation of the A / D conversion unit or before or after the operation. The generation unit, amplification unit, negative feedback unit and sample hold unit can be shut down (invention of claim 4).
請求項５の発明では、クロック発生部と、被測定電流線からそれぞれ異なる位置に配置され前記クロック発生部からの高周波信号により駆動される第１，第２磁界検出部と、その出力をそれぞれ増幅する第１，第２増幅部と、その出力をバイアス磁界とともにそれぞれ負帰還する第１，第２負帰還部と、前記第１，第２増幅部の出力差を得る差動回路部と、その出力をサンプリングし保持するサンプルホールド部と、その出力をデジタル量に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記各部を制御するとともに前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタル量に基づき所定の演算処理を行なう演算処理部とを備え、
前記第１，第２磁界検出部をそれぞれ、前記高周波信号により電流線に発生する磁界に比例してインピーダンスが変化するＭＩ素子と、このＭＩ素子に巻かれ被測定電流を流されるコイルと、前記インピーダンス変化による高周波信号の振幅成分を取り出す整流回路とから構成するとともに、
前記第１，第２増幅部、第１，第２負帰還部、差動回路部およびサンプルホールド部にはそれぞれシャットダウン機能を持たせ、シャットダウン機能を持つこれら各部を前記演算処理部に接続することを特徴とする。
この請求項５の発明においては、前記Ａ／Ｄ変換部の動作開始前に、前記演算処理部からの制御信号にて前記クロック発生部，第１，第２増幅部および第１，第２負帰還部および差動回路部をアクティブにし、前記Ａ／Ｄ変換部の動作開始時または開始前に、前記演算処理部からの制御信号にて前記サンプルホールド部をアクティブにし、Ａ／Ｄ変換部の動作終了時またはその前後のいずれかの時に、前記クロック発生部、第１，第２増幅部、第１，第２負帰還部、差動回路部およびサンプルホールド部をシャットダウンすることができる（請求項６の発明）。
According to a fifth aspect of the present invention, the clock generator, the first and second magnetic field detectors arranged at different positions from the current line to be measured and driven by the high frequency signal from the clock generator, and the outputs thereof are respectively amplified. First and second amplifying units, first and second negative feedback units that negatively feed back their outputs together with a bias magnetic field, a differential circuit unit that obtains an output difference between the first and second amplifying units, and A sample hold unit that samples and holds the output, an A / D conversion unit that converts the output into a digital quantity, and controls each of the parts and performs a predetermined calculation process based on the digital quantity from the A / D conversion unit An arithmetic processing unit,
The first and second magnetic field detectors each have an MI element whose impedance changes in proportion to a magnetic field generated in a current line by the high-frequency signal, a coil wound around the MI element and carrying a current to be measured, It consists of a rectifier circuit that extracts the amplitude component of the high-frequency signal due to impedance changes,
The first and second amplifying units, the first and second negative feedback units, the differential circuit unit, and the sample-and-hold unit each have a shutdown function, and these units having the shutdown function are connected to the arithmetic processing unit. It is characterized by.
In the invention of claim 5, before the operation of the A / D conversion unit is started, the clock generation unit, the first and second amplification units, and the first and second negative signals are controlled by a control signal from the arithmetic processing unit. The feedback unit and the differential circuit unit are activated, and the sample hold unit is activated by a control signal from the arithmetic processing unit at the start or before the operation of the A / D conversion unit, and the A / D conversion unit The clock generation unit, the first and second amplification units, the first and second negative feedback units, the differential circuit unit, and the sample hold unit can be shut down at the end of the operation or at any time before or after the operation. Item 6).
上記請求項１〜６のいずれか１つに記載の電流センサと、電圧センサとを設け、前記演算処理部により電力量を演算して求めることができる（請求項７の発明）。
請求項８の発明では、電流センサと、電圧センサと、前記電流センサおよび電圧センサからの各アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、このＡ／Ｄ変換部からのデジタル信号に基き電力量を演算する演算処理部とを備え、この演算処理部は前記Ａ／Ｄ変換部において前記電流センサ信号をＡ／Ｄ変換するときのみ、電流センサを動作させるための動作信号を電流センサに送信することを特徴とする。
The current sensor according to any one of claims 1 to 6 and a voltage sensor may be provided, and the amount of electric power may be calculated by the arithmetic processing unit (invention of claim 7).
In the invention of claim 8, a current sensor, a voltage sensor, an A / D converter for converting each analog signal from the current sensor and the voltage sensor into a digital signal, and a digital signal from the A / D converter An arithmetic processing unit that calculates the amount of electric power based on the signal, and the arithmetic processing unit outputs an operation signal for operating the current sensor only when the A / D conversion unit performs A / D conversion on the current sensor signal. It is characterized by transmitting to.
上記請求項８の発明においては、前記電流センサは、高周波クロック信号を発生するクロック信号発生部と、電流線に発生する磁界に比例してインピーダンスが変化するＭＩ素子と、前記高周波クロック信号を流されてＭＩ素子のインピーダンス変化を電流信号として検出する検出部とから構成され、前記演算処理部は、前記Ａ／Ｄ変換部において前記電流センサ信号をＡ／Ｄ変換するときのみ、前記クロック信号発生部を動作させるための動作信号をクロック信号発生部に送信することができ（請求項９の発明）、この請求項９の発明においては、前記演算処理部は、前記動作信号を前記クロック信号発生部のほかに前記検出部にも送信することができる（請求項１０の発明）。 In the invention of claim 8, the current sensor is configured to supply a clock signal generator for generating a high-frequency clock signal, an MI element whose impedance changes in proportion to a magnetic field generated in a current line, and the high-frequency clock signal. And a detection unit that detects a change in impedance of the MI element as a current signal. The arithmetic processing unit generates the clock signal only when the A / D conversion unit performs A / D conversion on the current sensor signal. An operation signal for operating the unit can be transmitted to the clock signal generation unit (invention of claim 9). In the invention of claim 9, the arithmetic processing unit generates the operation signal from the clock signal generation unit. It can be transmitted to the detection unit in addition to the unit (invention of claim 10).
この発明によれば、
１）Ａ／Ｄコンバータにて電流信号をサンプリンする前にＭＩ素子に高周波信号を印加しておき、ＭＩ素子出力（インピ−ダンス）を確定する。
２）Ａ／Ｄ変換時のみ確定したインピ−ダンス値またはＭＩ素子出力を、サンプルホールド回路で保持する。
３）上記の制御をマイクロコンピュータで行なう。
などにより、装置を必要なときにのみ動作させる超低消費電力の電流センサおよび電力量計を、簡単な構成にて得ることが可能となる。
According to this invention,
1) A high frequency signal is applied to the MI element before the current signal is sampled by the A / D converter, and the MI element output (impedance) is determined.
2) The impedance value or MI element output determined only during A / D conversion is held by the sample hold circuit.
3) The above control is performed by a microcomputer.
Thus, it is possible to obtain an ultra-low power consumption current sensor and watt-hour meter that operate the device only when necessary with a simple configuration.
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。これは、電流センサを示すもので、電力量計または電力量演算装置として用いる場合は、図示の２つの電流センサ（第１，第２電流センサ）が必要であるが、両者の構成は全く同じなので、以下では一方についてのみ説明する。
すなわち、上側の電流センサ（例えば第１の電流センサ）は演算処理手段としてのマイクロプロセッサ１、クロック発生回路２、クロック切替回路３、各電流センサに２つずつ設けられる磁界検出部４ａ，４ｂ、増幅回路５ａ，５ｂ、負帰還部６ａ，６ｂと、差動回路７ａおよびサンプルホールド回路８ａ等から構成される。前記増幅回路，負帰還部，サンプルホールド回路はシャットダウン機能を有する集積回路から構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. This shows a current sensor. When used as a watt hour meter or a power amount calculation device, the two current sensors (first and second current sensors) shown in the figure are required, but the configuration of both is exactly the same. Therefore, only one of them will be described below.
That is, the upper current sensor (for example, the first current sensor) includes a microprocessor 1 as an arithmetic processing means, a clock generation circuit 2, a clock switching circuit 3, and magnetic field detection units 4a and 4b provided in two for each current sensor, Amplifying circuits 5a and 5b, negative feedback sections 6a and 6b, a differential circuit 7a, a sample and hold circuit 8a, and the like. The amplifying circuit, the negative feedback unit, and the sample hold circuit are composed of an integrated circuit having a shutdown function.
マイクロプロセッサ１は後述する電力量演算，液晶やＬＥＤを含む表示制御および電流センサの各制御を行なう。クロック発生回路２はマイクロプロセッサ１への動作クロックや、磁界検出部のＭＩ素子に印加するパルスを発生する。クロック切替回路３は、２つの電流センサに対してクロック発生回路２からのパルス信号を、切り替えて供給する。 The microprocessor 1 performs power amount calculation, display control including a liquid crystal and LED, and current sensor control, which will be described later. The clock generation circuit 2 generates an operation clock for the microprocessor 1 and a pulse to be applied to the MI element of the magnetic field detection unit. The clock switching circuit 3 switches and supplies the pulse signal from the clock generation circuit 2 to the two current sensors.
図１の第１電流センサの主要部の詳細を、図２に示す。
磁界検出部４ａはＭＩ素子４０，固定抵抗４１，コイル４２および整流回路４３等から構成され、負帰還部６ａはバイアス磁場発生回路６１および負帰還磁場発生回路６２等から構成される。図１のクロック発生回路２からの高周波パルス信号（クロック信号）は、図１のクロック切替回路３を介し、ＭＩ素子４０と固定抵抗４１とで分圧され、整流回路４３に入力される。整流回路４３からは、高周波成分が除去された電流に比例する信号が出力される。
Details of the main part of the first current sensor of FIG. 1 are shown in FIG.
The magnetic field detection unit 4a includes an MI element 40, a fixed resistor 41, a coil 42, a rectifier circuit 43, and the like, and the negative feedback unit 6a includes a bias magnetic field generation circuit 61, a negative feedback magnetic field generation circuit 62, and the like. A high-frequency pulse signal (clock signal) from the clock generation circuit 2 in FIG. 1 is divided by the MI element 40 and the fixed resistor 41 via the clock switching circuit 3 in FIG. The rectifier circuit 43 outputs a signal proportional to the current from which the high frequency component has been removed.
整流回路４３からの出力信号は、一定の信号振幅に増幅する増幅回路５ａを介して一方は図１の差動回路７ａに、他方は負帰還部６ａに入力される。負帰還部６ａに入力された信号は、バイアス磁場発生回路６１からの電流信号とともにコイル４２に印加され、所望の磁場を発生させる。
一方、差動回路７ａは増幅回路５ａからの信号と、図１の増幅回路５ｂからの信号とを入力し、これらの差の信号を出力する。差動回路７ａからの出力信号は、図１のサンプルホールド回路８ａを介して一方の（第１）電流センサの出力となる。
One of the output signals from the rectifier circuit 43 is input to the differential circuit 7a of FIG. 1 and the other is input to the negative feedback unit 6a via the amplifier circuit 5a that amplifies the signal to a constant signal amplitude. The signal input to the negative feedback unit 6a is applied to the coil 42 together with the current signal from the bias magnetic field generation circuit 61 to generate a desired magnetic field.
On the other hand, the differential circuit 7a receives the signal from the amplifier circuit 5a and the signal from the amplifier circuit 5b in FIG. 1, and outputs a signal of the difference between them. The output signal from the differential circuit 7a becomes the output of one (first) current sensor via the sample hold circuit 8a of FIG.
図３は図１の動作を説明するためのタイミングチャ−トである。
まず、第１電圧センサからの出力信号Ｖ1を、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換する。同様に、第２電圧センサからの出力信号Ｖ2も、Ａ／Ｄコンバータを介してデジタル信号に変換する。（図３ａ），ｂ）参照）。このとき、１つの信号をデジタル信号に変換する時間を、図示のように例えば５０μｓとする。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of FIG.
First, the output signal V 1 from the first voltage sensor is converted into a digital signal via an A / D converter. Similarly, the output signal V 2 from the second voltage sensor is also converted into a digital signal via the A / D converter. (See FIGS. 3a) and b)). At this time, the time for converting one signal into a digital signal is, for example, 50 μs as shown in the figure.
次に、図３ｂ）のＡ／Ｄ変換終了の例えば１０μｓ前に、マイクロプロセッサは制御信号（ＣＰＵ信号ともいう）を出力し、第１電流センサの回路系をアクティブにする。ここで回路系とは、サンプルホールド回路８ａを除く磁界検出部４ａ，４ｂ、増幅回路部５ａ，５ｂ、負帰還部６ａ，６ｂおよび差動回路部７ａを言うものとする。また、アクティブとは回路等を動作状態にすること、シャットダウンとは回路等を停止または休止状態にすることを言うものとする。 Next, for example, 10 μs before the end of the A / D conversion in FIG. 3B), the microprocessor outputs a control signal (also referred to as a CPU signal) to activate the circuit system of the first current sensor. Here, the circuit system refers to the magnetic field detection units 4a and 4b, the amplification circuit units 5a and 5b, the negative feedback units 6a and 6b, and the differential circuit unit 7a excluding the sample hold circuit 8a. Further, active means that a circuit or the like is in an operating state, and shutdown means that the circuit or the like is stopped or in a halt state.
続いて、図３ｃ）に示す制御信号の数μｓ後、アンプ系が正常に動作を開始するであろう時間経過後に、マイクロプロセッサは図３ｄ）のようなＣＰＵ信号をクロック切替回路に出力し、図３ｅ）のようなＭＩクロックパルスをＭＩ素子に印加する。
この部分の拡大図を、図４に示す。これは、演算処理装置による電力量の演算周期が、通常数百〜数千Ｈｚのサンプリング周波数で行なわれるので（国内電力量は１８００Ｈｚ（５５０μｓ）が標準）、図４ａ）のような５００μｓ周期で、例えば図４ｂ）のような周波数１ＭＨｚのクロックを８パルス、すなわち８μｓのみＭＩ素子に印加できるようにしている。
Subsequently, after several microseconds of the control signal shown in FIG. 3c), after a period of time that the amplifier system will start to operate normally, the microprocessor outputs a CPU signal as shown in FIG. 3d) to the clock switching circuit. An MI clock pulse as shown in FIG. 3E) is applied to the MI element.
An enlarged view of this part is shown in FIG. This is because the calculation period of the electric energy by the arithmetic processing unit is normally performed at a sampling frequency of several hundreds to several thousand Hz (the domestic electric energy is 1800 Hz (550 μs) as standard), and thus the cycle of 500 μs as shown in FIG. For example, a clock having a frequency of 1 MHz as shown in FIG. 4B) can be applied to the MI element only for 8 pulses, that is, 8 μs.
つまり、周期５００μｓの全ての時間にわたって、ＭＩ素子に高周波信号を印加すると消費電力が大きくなるので、必要なときにのみ高周波信号を印加することで、消費電力を１／５０以下に抑制するものである。図３ではＭＩクロックパルスを与えた後にＡ／Ｄ変換するようにしているが、電流値をＡ／Ｄ変換し得るならば、如何なるタイミングでも良い。回路系についても同様で、常時動作させておくのではなく、Ａ／Ｄ変換のタイミングでのみ動作させるようにしても良い。こうして、消費電力の大幅な低減化を図ることができる。 In other words, if a high frequency signal is applied to the MI element over the entire period of 500 μs, the power consumption increases. Therefore, by applying the high frequency signal only when necessary, the power consumption is suppressed to 1/50 or less. is there. In FIG. 3, the A / D conversion is performed after the MI clock pulse is applied, but any timing may be used as long as the current value can be A / D converted. The same applies to the circuit system, and the circuit system may be operated only at the timing of A / D conversion instead of being always operated. Thus, the power consumption can be greatly reduced.
次いで、第１電流センサの出力信号のＡ／Ｄ変換を行なうタイミング（図３ｇ）参照）の例えば５μｓ前に、マイクロプロセッサは図３ｆ）のようなＣＰＵ信号を出してサンプルホールド回路を立ち上げ、差動回路の出力信号をサンプルホールドする。そして、第２電圧信号のＡ／Ｄ変換が完了し、サンプルホールドされた第１電流信号のＡ／Ｄ変換が開始されるタイミングで、マイクロプロセッサは第１電流センサの回路系をシャットダウンモードに移行させると同時に、クロック切替回路を介してＭＩ素子に印加するパルスも停止する。 Next, for example, 5 μs before the timing of performing A / D conversion of the output signal of the first current sensor (see FIG. 3g)), the microprocessor outputs a CPU signal as shown in FIG. Sample and hold the output signal of the differential circuit. Then, at the timing when the A / D conversion of the second voltage signal is completed and the A / D conversion of the sampled and held first current signal is started, the microprocessor shifts the circuit system of the first current sensor to the shutdown mode. At the same time, the pulse applied to the MI element via the clock switching circuit is also stopped.
その後、第１電流信号のＡ／Ｄ変換が終了する例えば１０μｓ前に、マイクロプロセッサは図３ｈ）のようなＣＰＵ信号を出して、第２電流センサの回路系をアクティブにする。以下は、第１電流センサと同様な動作が行なわれ、第２電流信号が得られる。
以上のようにすることで、各回路系の消費電流およびＭＩ素子に印加するパルス信号の消費電流を低減することができ、超低消費電力の装置を得る事が可能となる。
Thereafter, for example, 10 μs before the end of the A / D conversion of the first current signal, the microprocessor outputs a CPU signal as shown in FIG. 3H) to activate the circuit system of the second current sensor. Thereafter, the same operation as that of the first current sensor is performed, and the second current signal is obtained.
As described above, the current consumption of each circuit system and the current consumption of the pulse signal applied to the MI element can be reduced, and an ultra-low power consumption device can be obtained.
図１の電流センサを用いる電力演算装置の例を、図５に示す。すなわち、マイクロプロセッサ１に対しＡ／Ｄコンバータ（アナログ−デジタル変換器）１１，計量パルス用ＬＥＤ１２および液晶表示部１３等を設けて構成し、第１，第２電流センサからの出力信号Ｉ1，Ｉ2および図示されない第１，第２電圧センサからの出力信号Ｖ1，Ｖ2をＡ／Ｄコンバータ１１を介して受け、マイクロプロセッサ１において演算により電力量を得るもので、基本原理は非特許文献１および特許文献１に示すものと同じである。 An example of a power calculation device using the current sensor of FIG. 1 is shown in FIG. That is, an A / D converter (analog-digital converter) 11, a metering pulse LED 12, a liquid crystal display unit 13, and the like are provided for the microprocessor 1, and output signals I 1 , I 2 and output signals V 1 and V 2 from the first and second voltage sensors (not shown) are received via the A / D converter 11 to obtain electric energy by calculation in the microprocessor 1, and the basic principle is not patented. This is the same as shown in Document 1 and Patent Document 1.
そして、図５に示す演算処理部としてのマイクロプロセッサ１は、電流センサからの信号をＡ／Ｄコンバータ１１でＡ／Ｄ変換するときのみ、電流センサに対してそれを動作させるための動作信号を送信したり、クロック信号発生部（２）を動作させるための動作信号を送信したりすることにより、つとめて消費電力を増大させないようにするのは言うまでもない。 The microprocessor 1 as the arithmetic processing unit shown in FIG. 5 outputs an operation signal for operating the current sensor only when the signal from the current sensor is A / D converted by the A / D converter 11. Needless to say, the power consumption is not increased by transmitting or transmitting an operation signal for operating the clock signal generator (2).
以上では、電流検出素子としてＭＩ素子を用いたが、その代わりに外部磁界によって物理的特性が変化する検出デバイスを用いることができ、この場合は上記のようなクロック発生回路，クロック切替回路および負帰還部は不要となり、回路構成を簡素化することができる。 In the above description, the MI element is used as the current detection element, but a detection device whose physical characteristics are changed by an external magnetic field can be used instead. In this case, the clock generation circuit, the clock switching circuit, and the negative circuit as described above can be used. The feedback unit is not necessary, and the circuit configuration can be simplified.
１…マイクロプロセッサ、２…クロック発生回路、３…クロック切替回路、４ａ〜４ｄ…磁気検出部、５ａ〜５ｄ…増幅回路、６ａ〜６ｄ…負帰還部、７ａ，７ｂ…差動回路、８ａ，８ｂ…サンプルホールド回路、１１…Ａ／Ｄコンバータ（アナログ−デジタル変換器）、１２…計量パルス用ＬＥＤ、１３…液晶表示部、４０…ＭＩ素子（磁気インピーダンス素子）、４１…固定抵抗、４２…コイル、４３…整流回路、６１…バイアス磁場発生回路、６２…負帰還磁場発生回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microprocessor, 2 ... Clock generation circuit, 3 ... Clock switching circuit, 4a-4d ... Magnetic detection part, 5a-5d ... Amplification circuit, 6a-6d ... Negative feedback part, 7a, 7b ... Differential circuit, 8a, 8b ... sample hold circuit, 11 ... A / D converter (analog-digital converter), 12 ... LED for measuring pulse, 13 ... liquid crystal display, 40 ... MI element (magnetic impedance element), 41 ... fixed resistor, 42 ... Coil, 43 ... rectifier circuit, 61 ... bias magnetic field generation circuit, 62 ... negative feedback magnetic field generation circuit.
Claims (10)
前記磁界検出部を、前記高周波信号により被測定電流線に発生する磁界に比例してインピーダンスが変化するＭＩ素子と、このＭＩ素子に巻かれ被測定電流を流されるコイルと、前記インピーダンス変化による高周波信号の振幅成分を取り出す整流回路とから構成するとともに、
前記増幅部，負帰還部およびサンプルホールド部にはそれぞれシャットダウン機能を持たせ、シャットダウン機能を持つこれら各部を前記演算処理部に接続することを特徴とする電流センサ。 A clock generation unit, a magnetic field detection unit driven by a high frequency signal from the clock generation unit, an amplification unit for amplifying the output, a negative feedback unit for negatively feeding back the output together with a bias magnetic field, and the amplification unit A sample hold unit that samples and holds the output, an A / D conversion unit that converts the output into a digital quantity, and controls each of the parts and performs a predetermined calculation process based on the digital quantity from the A / D conversion unit An arithmetic processing unit,
The magnetic field detection unit includes an MI element whose impedance changes in proportion to a magnetic field generated in the current line to be measured by the high frequency signal, a coil wound around the MI element and through which the current to be measured flows, and a high frequency due to the impedance change. A rectifier circuit that extracts the amplitude component of the signal
A current sensor, wherein the amplifying unit, the negative feedback unit, and the sample hold unit each have a shutdown function, and each of the units having the shutdown function is connected to the arithmetic processing unit.
前記第１，第２磁界検出部をそれぞれ、前記高周波信号により電流線に発生する磁界に比例してインピーダンスが変化するＭＩ素子と、このＭＩ素子に巻かれ被測定電流を流されるコイルと、前記インピーダンス変化による高周波信号の振幅成分を取り出す整流回路とから構成するとともに、
前記第１，第２増幅部、第１，第２負帰還部、差動回路部およびサンプルホールド部にはそれぞれシャットダウン機能を持たせ、シャットダウン機能を持つこれら各部を前記演算処理部に接続することを特徴とする電流センサ。 A clock generator, first and second magnetic field detectors arranged at different positions from the current line to be measured and driven by a high-frequency signal from the clock generator, and first and second amplifiers for amplifying the outputs, respectively. , A first and second negative feedback section that negatively feeds back the output together with a bias magnetic field, a differential circuit section that obtains an output difference between the first and second amplification sections, and a sample that samples and holds the output A holding unit, an A / D conversion unit that converts the output into a digital quantity, and an arithmetic processing unit that controls each of the units and performs predetermined arithmetic processing based on the digital quantity from the A / D conversion unit,
The first and second magnetic field detectors each have an MI element whose impedance changes in proportion to a magnetic field generated in a current line by the high-frequency signal, a coil wound around the MI element and carrying a current to be measured, It consists of a rectifier circuit that extracts the amplitude component of the high-frequency signal due to impedance changes,
The first and second amplifying units, the first and second negative feedback units, the differential circuit unit, and the sample-and-hold unit each have a shutdown function, and these units having the shutdown function are connected to the arithmetic processing unit. A current sensor.
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