JP5340817B2 - Voltage detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出対象体の電圧を検出する電圧検出装置に関するものである。 The present invention relates to a voltage detection device that detects the voltage of a detection object.
この種の電圧検出装置として、本願発明者は下記特許文献１に開示された非接触型電圧測定装置（以下、「電圧検出装置」ともいう）を既に提案している。この電圧検出装置では、プローブユニットに配設された検出電極と検出対象体（測定対象体）とが容量結合した状態において、プローブユニットに配設された可変容量回路が作動して、検出対象体の電圧とプローブユニットの電圧（電圧生成回路から出力される電圧）との電位差に応じた振幅の電流を検出対象体とプローブユニットとの間に発生させると共に、プローブユニットにおいてこの電流を検出して電圧信号に変換し、さらにこの電圧信号をフォトカプラなどで電気的に絶縁して本体ユニットに出力する。本体ユニットは、プローブユニットから出力される電圧信号の振幅が減少するように電圧生成回路からプローブユニットに出力する電圧をフィードバック制御する。このフィードバック制御動作により、プローブユニットの電圧は、検出対象体の電圧に次第に近づき、最終的に両者の電圧が一致した状態で安定する。本体ユニットでは、電圧計が電圧生成回路から出力されている電圧を測定してその電圧値を表示している。したがって、この電圧検出装置によれば、表示されている電圧が安定したときの電圧計の表示電圧を計測することで、検出対象体の電圧を非接触で検出することが可能となっている。
As this type of voltage detection apparatus, the present inventor has already proposed a non-contact type voltage measurement apparatus (hereinafter also referred to as “voltage detection apparatus”) disclosed in
ところで、本願発明者は、上記電圧検出装置に対してさらに検討を行った結果、以下のような改善すべき課題を発見した。すなわち、この電圧検出装置のプローブユニットでは、検出した電圧信号を電気的に絶縁して出力するためにフォトカプラなどの絶縁用電子部品を使用しているが、この絶縁用電子部品の信号伝達率（フォトカプラの場合にはＣＴＲ（電流伝達率））は温度などの環境条件の変化の影響を受けて変動したり、また経年変化によっても変動する。また、このように信号伝達率が変動したときには、フィードバックループのゲインが変動するため、電圧生成回路から出力される電圧も変動し、この結果、電圧検出の精度自体も変動する。したがって、上記電圧検出装置において電圧検出の精度を一層安定させるためには、この信号伝達率の変動を抑制する必要があることを見出した。この信号伝達率の変動を抑制する方法として、例えばフォトカプラの場合には、下記特許文献２に開示されているように、サーミスタなどの感温素子を用いて補償する方法や、下記特許文献３の図６に開示されているように、出力用および光強度検出用の２つのフォトトランジスタと、発光ダイオードとを含むフォトカプラを使用して、発光ダイオードの光出力を光強度検出用のフォトトランジスタで検出して発光ダイオードの発光をフィードバック制御する補償方法が知られている。
By the way, as a result of further investigation on the voltage detection device, the present inventor has found the following problems to be improved. That is, the probe unit of this voltage detection device uses an insulating electronic component such as a photocoupler to electrically insulate and output the detected voltage signal, but the signal transmission rate of this insulating electronic component (CTR (current transmission rate in the case of a photocoupler)) varies under the influence of changes in environmental conditions such as temperature, and also varies with aging. Further, when the signal transmission rate fluctuates in this way, the feedback loop gain fluctuates, so the voltage output from the voltage generation circuit also fluctuates, and as a result, the voltage detection accuracy itself fluctuates. Therefore, the present inventors have found that in order to further stabilize the voltage detection accuracy in the voltage detection device, it is necessary to suppress the fluctuation of the signal transmission rate. As a method for suppressing the fluctuation of the signal transmissibility, for example, in the case of a photocoupler, as disclosed in
しかしながら、前者の方法には、温度以外の環境条件の変化に起因した変動については抑制できないという課題が存在している。また、後者の方法には、出力用および光強度検出用の２つのフォトトランジスタを含むフォトカプラは非常に高価なため、装置コストが上昇するという課題が存在している。 However, the former method has a problem that fluctuations caused by changes in environmental conditions other than temperature cannot be suppressed. In the latter method, a photocoupler including two phototransistors for output and light intensity detection is very expensive, and there is a problem that the device cost increases.
本発明は、上記の課題を解決すべくなされたものであり、絶縁用電子部品における温度を含む各種環境の変化に対する信号伝達率の変動を補償して検出精度の一層の安定化を図り得る（非接触型）電圧検出装置を提供することを主目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can further stabilize the detection accuracy by compensating for fluctuations in the signal transmission rate with respect to changes in various environments including temperature in the insulating electronic component ( The main object is to provide a non-contact type voltage detection device.
上記目的を達成すべく請求項１記載の電圧検出装置は、検出対象交流電圧の生じている検出対象体に対向して配設されて当該検出対象体と容量結合する検出電極と、基準電圧部の電圧を基準とするフローティング電源で作動して、前記検出対象交流電圧と当該基準電圧部の前記電圧との間の交流の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力する検出部と、前記検出信号に参照信号（直流または交流）を重畳させる参照信号重畳部と、前記参照信号が重畳された前記検出信号を入力すると共に電気的に絶縁して絶縁検出信号として出力する絶縁部と、前記絶縁検出信号を所定の利得で増幅して増幅検出信号を生成しつつ、当該増幅検出信号に含まれている前記参照信号の信号成分のレベルが一定となるように前記利得を制御する利得制御部と、前記増幅検出信号に含まれている前記検出信号の信号成分を抽出して抽出検出信号として出力する信号抽出部と、前記電位差が減少するように前記抽出検出信号に基づく信号を増幅して前記基準電圧部に出力する電圧生成回路とを備えている。
In order to achieve the above object, a voltage detection device according to
また、請求項２記載の電圧検出装置は、請求項１記載の電圧検出装置において、前記絶縁部はフォトカプラで構成され、前記参照信号重畳部は、前記検出信号に基づいて前記フォトカプラの発光ダイオードをリニア領域で駆動する駆動回路で構成されて、当該発光ダイオードを当該リニア領域で駆動するための直流バイアス信号を前記参照信号として当該検出信号に重畳させる。
The voltage detection device according to
請求項１記載の電圧検出装置では、利得制御部が、絶縁検出信号を所定の利得で増幅して増幅検出信号を生成しつつ、この増幅検出信号に含まれている参照信号の信号成分のレベルが一定となるように上記の利得を制御する。したがって、この電圧検出装置によれば、温度変化などの各種環境の変化の影響を受けて絶縁部の信号伝達率が変化した場合においても、参照信号の信号成分と共に増幅検出信号を構成する検出対象交流電圧の信号成分を絶縁部の信号伝達率が温度等の影響を受けていない状態と同じレベルで（つまり信号伝達率の変動を補償して同じレベルで）出力することができるため、検出対象交流電圧についての検出精度の一層の安定化を図ることができる。
In the voltage detection device according to
また、請求項２記載の電圧検出装置によれば、フォトカプラで絶縁部を構成すると共に、検出信号に基づいてフォトカプラの発光ダイオードをリニア領域で駆動する駆動回路で参照信号重畳部を構成し、駆動回路において、この発光ダイオードをリニア領域で駆動するための直流バイアス信号を参照信号として検出信号に重畳させることにより、簡易な構成で検出信号に参照信号を重畳させることができる。
According to the voltage detection device of
以下、添付図面を参照して、電圧検出装置の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a voltage detection device will be described with reference to the accompanying drawings.
最初に、電圧検出装置１の構成について、図面を参照して説明する。
Initially, the structure of the
電圧検出装置１は、非接触型の電圧検出装置であって、図１に示すように、フローティング回路部２および本体回路部３を備え、検出対象体（測定対象体）４に生じている交流電圧Ｖ１（検出対象交流電圧。周波数ｆ１）を非接触で検出（測定）可能に構成されている。
The
フローティング回路部２は、図１，２，３に示すように、ガード電極２１、検出電極２２、電流電圧変換部ＣＶ、駆動回路２５および絶縁回路２６を備えている。電流電圧変換部ＣＶは、本例では一例として電流電圧変換回路２３および積分回路２４を備えている。絶縁回路２６は、本例では一例としてフォトカプラ（以下、「フォトカプラ２６」ともいう）で構成されている。ガード電極２１は、導電性材料（例えば金属材料）を用いて、フローティング回路部２における基準電圧部として構成されて、一例としてその内部に、検出電極２２の後段の回路から絶縁回路２６までの回路、つまり、電流電圧変換回路２３、積分回路２４、駆動回路２５およびフォトカプラ２６が収容されている。これにより、電流電圧変換回路２３からフォトカプラ２６までがガード電極２１に覆われた構成となっている。なお、ガード電極２１で覆うべき部位は、検出電極２２の後段の回路（検出電極２２に接続される回路。本例では電流電圧変換回路２３）からフォトカプラ２６の一次側回路（後述する発光ダイオード）まででよい。このため、フォトカプラ２６の二次側回路（後述するフォトトランジスタ）については、ガード電極２１で覆われない構成とすることもできる。一例として、樹脂材料で一次側回路と二次側回路とが１つのパッケージに封止されて構成されたフォトカプラ２６のような光絶縁素子の場合には、パッケージにおける一次側回路が含まれる部位（パッケージの発光ダイオード側の半分）がガード電極２１の内部に位置し、二次側回路が含まれる部位（パッケージのフォトトランジスタ側の半分）がガード電極２１の外部に突出（露出）するように、ガード電極２１に対してフォトカプラ２６を配置する。また、ガード電極２１には開口部（孔）２１ａが形成されると共に、本例では、さらに、図２，３に示すように、ガード電極２１全体が絶縁層（絶縁物の一例）２１ｂで覆われている。検出電極２２は、例えば、平板状に形成されて、ガード電極２１内における開口部２１ａを臨む位置に、開口部２１ａからガード電極２１の外側に突出しない状態（つまり、検出電極２２の表面をガード電極２１の表面から凹ませた非突出状態）で配設されている。このようにガード電極２１全体が絶縁層２１ｂで覆われ、かつ検出電極２２が開口部２１ａを臨む位置に配置されている構成のため、絶縁層２１ｂが検出電極２２における検出対象体４と対向する表面全体を覆う構成となっている。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the
電流電圧変換回路２３は、一例として、図１に示すように、非反転入力端子（第１の入力端子）が抵抗２３ａを介してガード電極２１に接続されると共に、反転入力端子（第２の入力端子）が検出電極２２に接続され、かつ抵抗２３ｂが帰還回路として反転入力端子と出力端子との間に接続された第１演算増幅器２３ｃ（以下、「演算増幅器２３ｃ」ともいう）を備えて構成されている。この電流電圧変換回路２３は、演算増幅器２３ｃが後述する正電圧Ｖｆ＋および負電圧Ｖｆ−の供給を受けて作動して、検出対象体４の交流電圧Ｖ１とガード電極２１の電圧（基準電圧）との電位差（交流の電位差。つまり、交流電圧Ｖ１の交流成分と基準電圧の交流成分との電位差）Ｖｄｉに起因して、この電位差Ｖｄｉに応じた電流値で検出対象体４と検出電極２２との間（具体的には、検出電極２２と抵抗２３ｂとを含む経路）に流れる検出電流（以下、電流信号ともいう）Ｉを検出電圧信号Ｖ２に変換して出力する。この場合、検出電圧信号Ｖ２は、その振幅が電流信号Ｉの振幅に比例して変化する。
As an example, as shown in FIG. 1, the current-
積分回路２４は、一例として、非反転入力端子が抵抗２４ａを介してガード電極２１に接続されると共に、反転入力端子が入力抵抗２４ｂを介して演算増幅器２３ｃの出力端子に接続され、かつコンデンサ２４ｃが帰還回路として反転入力端子と出力端子との間に接続された第２演算増幅器２４ｄ（以下、「演算増幅器２４ｄ」ともいう）を備えて構成されている。この積分回路２４は、演算増幅器２４ｄが正電圧Ｖｆ＋および負電圧Ｖｆ−の供給を受けて作動して、検出電圧信号Ｖ２を積分することにより、電位差Ｖｄｉに比例して電圧値が変化する積分信号Ｖ３を生成して出力する。なお、積分回路２４は、上記構成に代えて、ローパスフィルタで構成することもできる。
For example, in the integrating
駆動回路２５は、積分信号Ｖ３に基づいて、フォトカプラ２６を駆動する。本例では一例として、駆動回路２５は、ベース端子が演算増幅器２４ｄの出力端子に接続され、コレクタ端子がフォトカプラ２６の発光ダイオードに接続され、かつエミッタ端子が抵抗２５ａを介して負電圧Ｖｆ−に接続されたトランジスタ（本例では一例としてＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ）２５ｂで構成されている。この構成により、駆動回路２５を構成するトランジスタ２５ｂは、その動作点が正電圧Ｖｆ＋と負電圧Ｖｆ−のほぼ中間電位に規定されて、リニア領域で作動する。このため、このトランジスタ２５ｂで構成される駆動回路２５によって駆動されるフォトカプラ２６の発光ダイオードには、積分信号Ｖ３の電圧に応じてトランジスタ２５ｂに流れるベース電流に基づくコレクタ電流成分Ｉｃｂに、動作点でのバイアス電圧（定電圧）に起因してトランジスタ２５ｂを定常的に流れる一定のベース電流に基づくコレクタ電流成分（電流値が一定の直流電流成分。直流バイアス信号）Ｉｃａが重畳してなる駆動電流Ｉｃが流れる。この場合、上記したように積分信号Ｖ３は電位差Ｖｄｉに比例して電圧値が変化する信号であるため、コレクタ電流成分Ｉｃｂもまた電位差Ｖｄｉに比例してその電流値が変化する。したがって、電流電圧変換部ＣＶ、駆動回路２５およびフォトカプラ２６の発光ダイオードが検出部として機能して、電位差Ｖｄｉに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Ｉｃｂを検出信号として出力し、さらに駆動回路２５が、コレクタ電流成分Ｉｃｂに電流値が一定の直流電流成分であるコレクタ電流成分Ｉｃａを参照信号として重畳させて駆動電流Ｉｃを生成することで、参照信号重畳部としても機能する。
The
フォトカプラ２６は、絶縁回路の一例である光絶縁素子に含まれるものであって、その一次側回路としての発光ダイオードは、カソード端子が上記したようにトランジスタ２５ｂのコレクタ端子に接続され、アノード端子が正電圧Ｖｆ＋に接続されている。また、フォトカプラ２６の二次側回路としてのフォトトランジスタは、配線Ｗ１を介して本体回路部３と接続されている。具体的には、フォトカプラ２６のフォトトランジスタは、そのコレクタ端子が本体回路部３側の正電圧Ｖｄｄに接続され、そのエミッタ端子が本体回路部３側の後述の電流電圧変換回路３３に接続されている。フォトカプラ２６は、上記したように、駆動回路２５によってその発光ダイオードに駆動電流Ｉｃ（＝Ｉｃａ＋Ｉｃｂ）が供給されることにより、参照信号としてのコレクタ電流成分Ｉｃａの電流値と信号伝達率（ＣＴＲ）とから算出される（具体的には、コレクタ電流成分Ｉｃａの電流値と信号伝達率（ＣＴＲ）とを乗算して算出される）電流値の直流電流成分Ｉ１ａと、電位差Ｖｄｉに比例するコレクタ電流成分Ｉｃｂの電流値と信号伝達率（ＣＴＲ）とから算出される（具体的には、コレクタ電流成分Ｉｃｂの電流値と信号伝達率（ＣＴＲ）とを乗算して算出される）電流値の交流電流成分Ｉ１ｂとで構成される電流Ｉ１をフォトトランジスタで生成して、生成した電流Ｉ１を絶縁検出信号として配線Ｗ１を介して本体回路部３に出力する。なお、フォトカプラ２６に代えて、同じ光絶縁素子である光ＭＯＳ−ＦＥＴを使用することもできる。この場合、光ＭＯＳ−ＦＥＴは、その一次側回路としての発光ダイオードが上記したフォトカプラ２６の発光ダイオードと同様にしてトランジスタ２５ｂ等に接続され、その二次側回路としてのＦＥＴ対が配線Ｗ１を介して本体回路部３と接続される。
The
本体回路部３は、図１に示すように、一例として、主電源回路３１、ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、単に「コンバータ」ともいう）３２、電流電圧変換回路３３、利得制御部３４、信号抽出部３５、電圧生成回路３６および電圧計３７を備えている。主電源回路３１は、例えば、バッテリーを備えて構成されて、本体回路部３の各構成要素３２〜３７を作動させるための正電圧Ｖｄｄおよび負電圧Ｖｓｓ（グランドＧ１の電位を基準として生成される絶対値が同じで、互いの極性の異なる直流電圧）をそのバッテリーの直流電圧から生成して出力する。コンバータ３２は、一例として互いに電気的に絶縁された一次巻線および二次巻線を有する絶縁型のトランスと、このトランスの一次巻線を駆動する駆動回路と、トランスの二次巻線に誘起される交流電圧を整流平滑する直流変換部（いずれも図示せず）とを備えて、一次側に対して二次側が電気的に絶縁された絶縁型電源として構成されている。このコンバータ３２では、入力した正電圧Ｖｄｄおよび負電圧Ｖｓｓに基づいて駆動回路が作動して、正電圧Ｖｄｄが印加された状態にあるトランスの一次巻線を駆動して二次巻線に交流電圧を誘起させる。また、直流変換部が、この交流電圧を整流して平滑する。これにより、内部基準電位（内部グランド）を基準として、上記電圧（正電圧Ｖｆ＋および負電圧Ｖｆ−）がフローティング状態（グランドＧ１、正電圧Ｖｄｄおよび負電圧Ｖｓｓと電気的に分離された状態）で生成される。このようにして生成された正電圧Ｖｆ＋および負電圧Ｖｆ−は、上記の内部グランドがガード電極２１に電気的に接続された状態で、フローティング回路部２に供給される。なお、正電圧Ｖｆ＋および負電圧Ｖｆ−は、絶対値がほぼ同一で、極性が互いに異なる直流電圧として生成される。
As shown in FIG. 1, the
電流電圧変換回路（本体回路部側の電流電圧変換回路）３３は、一例として、図４に示すように、非反転入力端子がグランドＧ１に接続されると共に、反転入力端子が配線Ｗ１を介して図１に示すようにフォトカプラ２６に接続され、かつ抵抗３３ｂが帰還回路として反転入力端子と出力端子との間に接続された第３演算増幅器３３ａ（以下、「演算増幅器３３ａ」ともいう）を備えて構成されている。この電流電圧変換回路３３は、演算増幅器３３ａが正電圧Ｖｄｄおよび負電圧Ｖｓｓの供給を受けて作動して、電流Ｉ１を電圧に変換することにより、この変換した電圧信号を最終的な絶縁検出信号Ｖ４として出力する。この場合、絶縁検出信号Ｖ４は、電流Ｉ１の直流成分である電流成分Ｉ１ａが電圧に変換されてなる直流電圧成分Ｖ４ａ（参照信号の信号成分でもある）、および電流Ｉ１の交流成分である電流成分Ｉ１ｂが電圧に変換されてなる交流電圧成分Ｖ４ｂで構成されている。この電流電圧変換回路３３は、演算増幅器３３ａの非反転入力端子がグランドＧ１に接続されることにより、直流電圧成分Ｖ４ａは常に負電圧となり、交流電圧成分Ｖ４ｂはこの負の直流電圧成分Ｖ４ａに重畳した状態で出力される。
As shown in FIG. 4, as an example, the current-voltage conversion circuit (current-voltage conversion circuit on the main body circuit side) 33 has a non-inverting input terminal connected to the ground G1 and an inverting input terminal via a wiring W1. As shown in FIG. 1, a third
利得制御部３４は、図１に示すように、増幅回路４１および制御回路４２を備えて構成されて、絶縁検出信号Ｖ４を入力すると共に所定の利得で増幅して増幅検出信号Ｖ５を生成しつつ、増幅検出信号Ｖ５に含まれている直流電圧成分Ｖ５ａ（参照信号の信号成分でもある）のレベルが一定となるように、増幅する際の上記利得を制御する。
As shown in FIG. 1, the
この場合、増幅回路４１は、絶縁検出信号Ｖ４を入力すると共に、制御回路４２からの制御信号Ｓｃの電圧によって規定される利得で絶縁検出信号Ｖ４を増幅して増幅検出信号Ｖ５を出力する。この場合、増幅検出信号Ｖ５は、絶縁検出信号Ｖ４の直流電圧成分Ｖ４ａが増幅されてなる直流電圧成分Ｖ５ａ、および絶縁検出信号Ｖ４の交流電圧成分Ｖ４ｂが増幅されてなる交流電圧成分Ｖ５ｂで構成されている。本例では一例として、増幅回路４１は、図４に示すように、第４演算増幅器４１ａ（以下、「演算増幅器４１ａ」ともいう）、電圧制御型の可変抵抗回路ＶＲ（抵抗４１ｂおよびＪＦＥＴ（接合型電界効果トランジスタ）４１ｃの並列回路で構成された基準電位（本例では一例としてグランド）側の抵抗回路）および帰還抵抗４１ｄ（出力端子側の抵抗回路）を用いて、非反転増幅回路として構成されている。この増幅回路４１では、演算増幅器４１ａの非反転入力端子が演算増幅器３３ａの出力端子に接続され、演算増幅器４１ａの反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗４１ｄが接続されている。また、演算増幅器４１ａの反転入力端子とグランドＧ１との間に可変抵抗回路ＶＲが接続されている。この構成により、増幅回路４１は、制御信号Ｓｃの電圧が増加（上昇）したときにＪＦＥＴ４１ｃのオン状態が浅くなってドレイン・ソース間の抵抗値が増加することで可変抵抗回路ＶＲ全体の抵抗値が増加して、利得（増幅率）が低下する。一方、増幅回路４１は、制御信号Ｓｃの電圧が減少（低下）したときにＪＦＥＴ４１ｃのオン状態が深くなってドレイン・ソース間の抵抗値が減少することで可変抵抗回路ＶＲ全体の抵抗値が減少して、利得（増幅率）が上昇する。
In this case, the
制御回路４２は、一例として図４に示すように、第５演算増幅器４２ａ（以下、「演算増幅器４２ａ」ともいう）、抵抗４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅおよびコンデンサ４２ｆを備えて、ローパスフィルタの機能を備えた反転増幅回路として構成されている。この制御回路４２では、演算増幅器４２ａは、非反転入力端子がグランドＧ１に接続されると共に、反転入力端子と出力端子との間に帰還回路として抵抗４２ｂおよびコンデンサ４２ｆの並列回路が接続されている。また、演算増幅器４２ａは、反転入力端子に、抵抗４２ｃを介して基準電圧Ｖｅ（正の直流電圧）が入力されると共に抵抗４２ｄを介して増幅検出信号Ｖ５が入力される。この場合、演算増幅器４２ａは、抵抗４２ｃを介して入力する基準電圧Ｖｅと抵抗４２ｄを介して入力する増幅検出信号Ｖ５とを加算して増幅するが、上記したように基準電圧Ｖｅは正電圧であり、増幅検出信号Ｖ５は負電圧であることから、結果として演算増幅器４２ａは、基準電圧Ｖｅおよび増幅検出信号Ｖ５の各絶対値の差分を演算して検出信号Ｖｄを生成し、生成した検出信号Ｖｄを出力端子から出力する。また、ローパスフィルタとして機能する制御回路４２のカットオフ周波数ｆ０は、交流電圧Ｖ１の周波数ｆ１よりも低い周波数に規定されている。このため、制御回路４２から出力される検出信号Ｖｄは、基準電圧Ｖｅと、増幅検出信号Ｖ５に含まれている直流電圧成分Ｖ５ａの絶対値との差分（電位差）を示す信号となる。
As shown in FIG. 4 as an example, the
この構成により、利得制御部３４では、絶縁検出信号Ｖ４の直流電圧成分Ｖ４ａが低下したとき（マイナス領域において絶対値が増加したとき）には、増幅検出信号Ｖ５の直流電圧成分Ｖ５ａも低下し（マイナス領域において絶対値が増加し）、これに伴い、制御回路４２の演算増幅器４２ａに入力される基準電圧Ｖｅおよび増幅検出信号Ｖ５の各絶対値の差分電圧が低下する。このため、可変抵抗回路ＶＲの抵抗値が上昇する結果、増幅回路４１の利得（増幅率）が低下させられて、増幅回路４１から出力されている増幅検出信号Ｖ５の直流電圧成分Ｖ５ａの低下が抑制される。一方、絶縁検出信号Ｖ４の直流電圧成分Ｖ４ａが上昇したとき（マイナス領域において絶対値が減少したとき）には、増幅検出信号Ｖ５の直流電圧成分Ｖ５ａも上昇し（マイナス領域において絶対値が減少し）、これに伴い、制御回路４２の演算増幅器４２ａに入力される基準電圧Ｖｅおよび増幅検出信号Ｖ５の各絶対値の差分電圧が上昇する。このため、演算増幅器４２ａから出力される検出信号Ｖｄ、ひいては制御信号Ｓｃの電圧値が低下し、これによって可変抵抗回路ＶＲの抵抗値が低下する結果、増幅回路４１の利得（増幅率）が増加させられて、増幅回路４１から出力されている増幅検出信号Ｖ５の直流電圧成分Ｖ５ａの上昇が抑制される。以上のようなフィードバック制御を制御回路４２が増幅回路４１に対して行う結果、増幅回路４１から出力されている増幅検出信号Ｖ５の直流電圧成分Ｖ５ａの電圧値が一定に維持される。
With this configuration, in the
信号抽出部３５は、増幅検出信号Ｖ５に含まれている交流電圧成分Ｖ５ｂ（検出信号としてのコレクタ電流成分Ｉｃｂの信号成分）を抽出して抽出検出信号として出力する。一例として、信号抽出部３５は、ハイパスフィルタで構成されて、増幅検出信号Ｖ５に含まれている直流電圧成分Ｖ５ａを減衰させ、交流電圧成分Ｖ５ｂを抽出検出信号として選択的に出力する。
The
電圧生成回路３６は、交流電圧成分Ｖ５ｂを入力して増幅することにより、電圧信号Ｖ６（つまり基準電圧）を生成して、ガード電極２１に出力（印加）する。この場合、電圧生成回路３６は、フローティング回路部２のガード電極２１、検出電極２２、電流電圧変換部ＣＶ、駆動回路２５および絶縁回路２６と、本体回路部３の電流電圧変換回路３３、利得制御部３４および信号抽出部３５と共にフィードバックループを形成して、電位差Ｖｄｉを減少させるように交流電圧成分Ｖ５ｂを増幅する増幅動作を行うことにより、電圧信号Ｖ６を生成する。本例では、一例として、電圧生成回路３６は、交流増幅回路３６ａ、位相補償回路３６ｂおよび昇圧回路３６ｃを備えて構成されている。ここで、交流増幅回路３６ａは、交流電圧成分Ｖ５ｂを入力して増幅することにより、電圧信号Ｖ６ａを生成する。この場合、交流増幅回路３６ａは、交流電圧成分Ｖ５ｂの電圧値についての絶対値の増加・減少に対応して、電圧値の絶対値が変化する電圧信号Ｖ６ａを増幅動作によって生成する。位相補償回路３６ｂは、フィードバック制御動作の安定化（発振防止）を図るため、電圧信号Ｖ６ａを入力してその位相を調整して電圧信号Ｖ６ｂとして出力する。昇圧回路３６ｃは、一例として昇圧トランスを用いて構成されて、電圧信号Ｖ６ｂを所定の倍率で昇圧することにより（極性は変えずに絶対を増加させることにより）、電圧信号Ｖ６を生成してガード電極２１に出力（印加）する。電圧計３７は、この電圧信号Ｖ６の実効値を検出（測定）して出力する（一例として自らの表示部（不図示）に表示させる）。
The
次いで、電圧検出装置１による検出対象体４の交流電圧Ｖ１についての検出動作（測定動作）について説明する。
Next, the detection operation (measurement operation) for the AC voltage V1 of the
まず、検出電極２２が非接触の状態で検出対象体４に対向するように、フローティング回路部２（または電圧検出装置１全体）を検出対象体４の近傍に位置させる。これにより、図１に示すように、検出電極２２と検出対象体４との間に静電容量Ｃ０が形成された状態となる。この場合、静電容量Ｃ０の容量値は、検出電極２２と検出対象体４の距離に反比例して変化するが、フローティング回路部２を一旦配設した後は、温度などの環境が一定の条件下においては一定の（変動しない）値となる。また、静電容量Ｃ０の容量値が一般的に極めて小さい（例えば数ｐＦ〜数十ｐＦ程度）ため、交流電圧Ｖ１の周波数が数百Ｈｚ程度であったとしても、検出対象体４と検出電極２２との間のインピーダンスが十分に大きな値（数ＭΩ）となる。このため、この電圧検出装置１では、検出対象体４の交流電圧Ｖ１とガード電極２１の電圧（電圧信号Ｖ６の電圧）とが大きく異なる場合（電位差Ｖｄｉが大きい場合）においても、電流電圧変換回路２３を構成する演算増幅器２３ｃに入力耐圧の低い安価な製品を使用することができ、この構成においても、電位差Ｖｄｉによる演算増幅器２３ｃの破壊が回避されている。
First, the floating circuit unit 2 (or the entire voltage detection device 1) is positioned in the vicinity of the
次いで、電圧検出装置１の起動状態において、検出対象体４の交流電圧Ｖ１と、ガード電極２１の電圧（基準電圧。電圧信号Ｖ６の電圧）との電位差Ｖｄｉが増加しているとき（例えば、交流電圧Ｖ１の上昇に起因して電位差Ｖｄｉが増加しているとき）には、検出対象体４から検出電極２２を介して電流電圧変換回路２３に流れ込む（流入する）電流信号Ｉの電流量が増加する。この場合、電流電圧変換回路２３は、出力している検出電圧信号Ｖ２の電圧値を低下させる。積分回路２４では、この検出電圧信号Ｖ２の低下に起因して、演算増幅器２４ｄの出力端子からコンデンサ２４ｃを介して反転入力端子に向けて流れる電流が増加する。このため、積分回路２４は、積分信号Ｖ３の電圧を上昇させる。また、この積分信号Ｖ３の電圧上昇に伴い、駆動回路２５は、フォトカプラ２６の発光ダイオードに供給しているコレクタ電流成分Ｉｃｂの電流値を増加させる。これにより、フォトトランジスタに流れる電流Ｉ１のうちの交流電流成分Ｉ１ｂも増加する。フォトカプラ２６は、この交流電流成分Ｉ１ｂと直流電流成分Ｉ１ａとで構成される電流Ｉ１を絶縁検出信号として配線Ｗ１を介して本体回路部３に出力する。
Next, in the activated state of the
電流電圧変換回路３３は、電流Ｉ１（＝Ｉ１ｂ＋Ｉ１ａ）を最終的な絶縁検出信号Ｖ４（＝Ｖ４ａ＋Ｖ４ｂ）に変換して利得制御部３４に出力する。この際に、反転増幅器として構成された電流電圧変換回路３３は、増加する交流電流成分Ｉ１ｂに対応させて、出力している交流電圧成分Ｖ４ｂの電圧を低下させる。この絶縁検出信号Ｖ４を入力している利得制御部３４では、増幅回路４１が非反転増幅回路に構成されているため、増幅回路４１は、入力している絶縁検出信号Ｖ４の交流電圧成分Ｖ４ｂの電圧が低下したときには、出力している増幅検出信号Ｖ５に含まれている交流電圧成分Ｖ５ｂの電圧を低下させる。
The current-
ところで、この絶縁検出信号Ｖ４を入力している利得制御部３４では、制御回路４２が、増幅回路４１の利得（増幅率）に対するフィードバック制御を実行して、絶縁検出信号Ｖ４が増幅されて生成される増幅検出信号Ｖ５の直流電圧成分Ｖ５ａのレベル（電圧値）を常に一定に制御している。このため、温度変化の影響を受けてフォトカプラ２６の信号伝達率が変化した場合に、利得制御部３４がないときには、この信号伝達率の変化に応じて、増幅検出信号Ｖ５の直流電圧成分Ｖ５ａのレベルが変化する。一方、利得制御部３４を配設したときには、利得制御部３４がこのようにして直流電圧成分Ｖ５ａのレベルを強制的に一定に制御する。このため、直流電圧成分Ｖ５ａと共に増幅検出信号Ｖ５を構成する交流電圧成分Ｖ５ｂは、フォトカプラ２６の信号伝達率が温度の影響を受けて変動しているか否かに拘わらず、常に温度の影響を受けていない状態と同じレベルで出力される。すなわち、温度変化などの影響を受けて変化するフォトカプラ２６の信号伝達率が利得制御部３４によって補償される。次いで、信号抽出部３５が、増幅検出信号Ｖ５に含まれている交流電圧成分Ｖ５ｂを抽出して出力する。
By the way, in the
電圧生成回路３６は、この交流電圧成分Ｖ５ｂに基づいて、生成している電圧信号Ｖ６の電圧値を上昇させる。この電圧検出装置１では、このようにしてフィードバックループを構成する検出電極２２、電流電圧変換部ＣＶ、駆動回路２５、絶縁回路２６、電流電圧変換回路３３、利得制御部３４、信号抽出部３５および電圧生成回路３６が、検出対象体４の交流電圧Ｖ１の上昇を検出して、電圧信号Ｖ６の電圧値を上昇させるフィードバック制御動作を実行することにより、ガード電極２１の電圧（電圧信号Ｖ６の電圧）を交流電圧Ｖ１に追従させる。
The
また、交流電圧Ｖ１の低下に起因して電位差Ｖｄｉが増加したときには、検出電極２２を介して電流電圧変換部ＣＶの電流電圧変換回路２３から検出対象体４に流れ出る（流出する）電流信号Ｉの電流量が増加する。この際には、フィードバックループを構成する電流電圧変換部ＣＶ等が上記のフィードバック制御動作とは逆の動作を実行して、電圧信号Ｖ６の電圧を低下させることにより、ガード電極２１の電圧（電圧信号Ｖ６の電圧）を交流電圧Ｖ１に追従させる。このようにして、電圧検出装置１では、ガード電極２１の電圧（電圧信号Ｖ６の電圧）を交流電圧Ｖ１に追従させるフィードバック制御動作が短時間に実行されて、ガード電極２１の電圧（演算増幅器２３ｃのバーチャルショートにより、検出電極２２の電圧でもある）が交流電圧Ｖ１に一致させられる。電圧計３７は、電圧信号Ｖ６の実効値（基準電圧。ガード電極２１の電圧）をリアルタイムで計測（検出）して表示する。したがって、この電圧計３７に表示される数値を観測することにより、検出対象体４の交流電圧Ｖ１が検出（測定）される。
Further, when the potential difference Vdi increases due to the decrease in the AC voltage V1, the current signal I flowing (outflowing) from the current-
このように、この電圧検出装置１では、検出電極２２を検出対象体４に対向させて配置した状態において、検出対象体４と検出電極２２との間に形成されている静電容量Ｃ０および検出電極２２を介して、交流電圧Ｖ１および電圧信号Ｖ６（基準電圧）の交流の電位差Ｖｄｉに応じた電流値で検出対象体４と電流電圧変換回路２３との間で流れる電流信号Ｉを電流電圧変換回路２３で検出電圧信号Ｖ２に変換し、この検出電圧信号Ｖ２（具体的には、検出電圧信号Ｖ２と基準電圧との電位差Ｖｄｉに基づいて流れる電流）を積分回路２４で積分して、検出電極２２の電圧（ガード電極２１の電圧）と検出対象体４の交流電圧Ｖ１との電位差Ｖｄｉに応じて振幅が変化する積分信号Ｖ３を生成する。次いで、駆動回路２５が、積分信号Ｖ３の電圧に応じたコレクタ電流成分Ｉｃｂに、動作点でのバイアス電圧（定電圧）に起因するコレクタ電流成分（電流値が一定の直流電流成分。直流バイアス信号）Ｉｃａを参照信号として重畳させてなる駆動電流Ｉｃをフォトカプラ２６の発光ダイオードに供給し、フォトカプラ２６がこの駆動電流Ｉｃを電気的に絶縁して絶縁検出信号としての電流Ｉ１を生成する。続いて、本体回路部３の電流電圧変換回路３３が、この電流Ｉ１を最終的な絶縁検出信号としての絶縁検出信号Ｖ４に変換して出力し、利得制御部３４が、絶縁検出信号Ｖ４を所定の利得で増幅して増幅検出信号Ｖ５を生成しつつ、この増幅検出信号Ｖ５に含まれている直流電圧成分Ｖ５ａ（参照信号としてのコレクタ電流成分Ｉｃａに基づく信号成分）のレベルが一定となるように上記の利得を制御し、信号抽出部３５が、この増幅検出信号Ｖ５に含まれている交流電圧成分Ｖ５ｂを抽出して出力し、この交流電圧成分Ｖ５ｂに基づいて電圧生成回路３６が電圧信号Ｖ６を生成してガード電極２１に印加する。
As described above, in the
したがって、この電圧検出装置１によれば、検出電極２２を検出対象体４と容量結合させることによって検出対象体４の交流電圧Ｖ１を非接触で測定可能としつつ、静電容量Ｃ０の容量値が一般的に極めて小さい（例えば数ｐＦ〜数十ｐＦ程度）ために、検出対象体４と検出電極２２との間のインピーダンスを十分に大きな値（数ＭΩ）とすることができる結果、電流電圧変換回路２３の入力インピーダンスを相対的に小さな値にできることから、電流電圧変換回路２３に過電圧が印加されにくく、電流電圧変換部ＣＶの電流電圧変換回路２３に入力耐圧の低い安価な製品を使用したとしても、具体的には電流電圧変換回路２３を構成する演算増幅器２３ｃに入力耐圧の低い安価な製品を使用したとしても、電位差Ｖｄｉによる演算増幅器２３ｃの破壊を回避することができる。
Therefore, according to the
また、この電圧検出装置１によれば、利得制御部３４が、絶縁検出信号Ｖ４を所定の利得で増幅して増幅検出信号Ｖ５を生成しつつ、この増幅検出信号Ｖ５に含まれている直流電圧成分Ｖ５ａ（参照信号としてのコレクタ電流成分Ｉｃａに基づく信号成分）のレベルが一定となるように上記の利得を制御するため、温度変化などの各種環境の変化の影響を受けてフォトカプラ２６の信号伝達率が変化した場合においても、直流電圧成分Ｖ５ａと共に増幅検出信号Ｖ５を構成する交流電圧成分Ｖ５ｂをフォトカプラ２６の信号伝達率が温度の影響を受けていない状態と同じレベルで（つまり信号伝達率の変動を補償して同じレベルで）出力することができる。したがって、この電圧検出装置１によれば、検出対象体４の交流電圧Ｖ１についての検出精度の一層の安定化を図ることができる。
Further, according to the
また、この電圧検出装置１によれば、絶縁部をフォトカプラ２６で構成し、参照信号重畳部として機能する駆動回路２５が、電位差Ｖｄｉに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Ｉｃｂを検出信号として出力すると共に、このコレクタ電流成分Ｉｃｂに一定（電流値が一定）の直流電流成分であるコレクタ電流成分Ｉｃａを参照信号として重畳させて駆動電流Ｉｃを生成して、フォトカプラ２６の発光ダイオードをリニア領域で駆動することにより、検出信号としてのコレクタ電流成分Ｉｃｂに直流成分の参照信号を簡易な構成で重畳させることができる。
In addition, according to the
また、この電圧検出装置１によれば、利得制御部３４における絶縁検出信号Ｖ４を増幅して増幅検出信号Ｖ５を生成する増幅回路４１を非反転増幅回路で構成すると共に、非反転増幅回路を構成する演算増幅器４１ａの反転入力端子にそれぞれ接続されて利得を規定する一対の抵抗回路のうちのグランドＧ１に接続される抵抗回路を電圧制御型の可変抵抗回路ＶＲで構成したことにより、演算増幅器４１ａの利得が基準電位（この例ではグランド電位）側の抵抗回路の抵抗値で出力端子側の抵抗回路の抵抗値を除算した値を含む構成（利得値）となるため、出力端子側の抵抗回路を可変抵抗回路とする構成と比較して、より少ない抵抗変化でより広い範囲に亘って増幅回路４１の利得を変化させることができる。
Further, according to the
なお、上記の電圧検出装置１では、駆動回路２５において、フォトカプラ２６の発光ダイオードに供給される検出信号としてのコレクタ電流成分Ｉｃｂに、電流値が一定の直流電流成分であるコレクタ電流成分Ｉｃａを参照信号として重畳させる構成を採用しているが、図５に示す電圧検出装置１Ａのように、コレクタ電流成分Ｉｃｂに振幅が一定の交流電流成分を参照信号として重畳させ、この信号を駆動電流Ｉｃとしてフォトカプラ２６の発光ダイオードに供給する構成を採用することもできる。以下、この電圧検出装置１Ａについて説明する。なお、電圧検出装置１と同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
In the
最初に、電圧検出装置１Ａの構成について、図面を参照して説明する。 First, the configuration of the voltage detection device 1A will be described with reference to the drawings.
電圧検出装置１Ａは、非接触型の電圧検出装置であって、図５に示すように、フローティング回路部２および本体回路部３Ａを備え、検出対象体４に生じている交流電圧Ｖ１を非接触で検出可能に構成されている。なお、後述するようにフローティング回路部２は電圧検出装置１と同一の構成のため、その概要についてのみ説明し、主として本体回路部３Ａについて説明する。
The voltage detection device 1A is a non-contact type voltage detection device, and as shown in FIG. 5, includes a floating
フローティング回路部２は、図５に示すように、電圧検出装置１のフローティング回路部２と同一の回路で構成されて、その構造も図２，３に示す電圧検出装置１と同一の構造に構成されている。
As shown in FIG. 5, the floating
本体回路部３Ａは、図５に示すように、主電源回路３１、コンバータ３２、電流電圧変換回路３３、利得制御部３４Ａ、信号抽出部３５、電圧生成回路３６、電圧計３７および参照信号出力部３８を備えている。なお、利得制御部３４Ａおよび参照信号出力部３８を除く他の構成は電圧検出装置１の本体回路部３と同一であるため、詳細な説明を省略し、相違する利得制御部３４Ａおよび参照信号出力部３８の構成について説明する。
As shown in FIG. 5, the main
利得制御部３４Ａは、図５に示すように、増幅回路４１、制御回路４２および分離回路４３を備えて構成されて、絶縁検出信号Ｖ４を入力すると共に所定の利得で増幅して増幅検出信号Ｖ５を生成しつつ、増幅検出信号Ｖ５に含まれている後述の交流電圧成分Ｖ５ｃ（参照信号の信号成分でもある）のレベルが一定となるように、増幅する際の上記利得を制御する。
As shown in FIG. 5, the
この場合、増幅回路４１は、図６に示すように、電圧検出装置１の増幅回路４１（図４参照）と同一回路に構成されている。分離回路４３は、図示はしないが、一例としてバンドパスフィルタと整流平滑回路で構成されて、増幅検出信号Ｖ５に含まれている信号成分のうちの参照信号出力部３８から出力される参照信号Ｓｓ（基準交流信号）と同一の周波数の信号成分のみをバンドパスフィルタで分離し、分離された信号成分（交流信号成分）を整流平滑回路で直流に変換し、変換された直流電圧をレベル検出信号Ｖ７として制御回路４２に出力する。なお、バンドパスフィルタに代えて同期検波回路を使用して、参照信号Ｓｓと同一の周波数の信号成分のみを分離する構成とすることもできる。制御回路４２は、図６に示すように、電圧検出装置１の制御回路４２（図４参照）と同一回路に構成されている。なお、本例の制御回路４２では、電圧検出装置１での構成（増幅検出信号Ｖ５が抵抗４２ｄを介して演算増幅器４２ａに入力される構成）に代えて、分離回路４３から出力されるレベル検出信号Ｖ７が抵抗４２ｄを介して演算増幅器４２ａに入力される構成となっている。
In this case, the
参照信号出力部３８は、グランドＧ１の電位を基準として電圧Ｖｓが所定の周期で変化する振幅が一定の参照信号Ｓｓ（周波数および振幅が一定の基準交流信号）を生成して、ガード電極２１に出力する。この場合、参照信号Ｓｓの周波数は、一例として、分離回路４３での分離が容易に行えるように、交流電圧Ｖ１の周波数ｆ１よりも十分に高い周波数に規定されている。
The reference
次いで、電圧検出装置１Ａによる検出対象体４の交流電圧Ｖ１についての検出動作（測定動作）について説明する。
Next, a detection operation (measurement operation) for the AC voltage V1 of the
まず、検出電極２２が非接触の状態で検出対象体４に対向するように、フローティング回路部２（または電圧検出装置１Ａ全体）を検出対象体４の近傍に位置させる。これにより、図５に示すように、検出電極２２と検出対象体４との間に静電容量Ｃ０が形成された状態となる。
First, the floating circuit unit 2 (or the entire voltage detection device 1A) is positioned in the vicinity of the
次いで、電圧検出装置１Ａを起動させる。これにより、参照信号出力部３８が、参照信号Ｓｓの生成を開始して、参照信号Ｓｓをガード電極２１に出力する。この起動状態において、電流電圧変換回路２３は、電位差Ｖｄｉに応じて流れる電流信号Ｉを電圧に変換して検出電圧信号Ｖ２を出力する。本例では、ガード電極２１には参照信号Ｓｓの電圧Ｖｓが印加され、かつ電流電圧変換回路２３および積分回路２４の非反転入力端子は抵抗２３ａ，２４ａを介してそれぞれガード電極２１に接続されているため、検出電圧信号Ｖ２および積分信号Ｖ３には、参照信号Ｓｓの信号成分が含まれた状態となっている。
Next, the voltage detection device 1A is activated. Accordingly, the reference
これにより、トランジスタ２５ｂで構成される駆動回路２５によって駆動されるフォトカプラ２６の発光ダイオードには、積分信号Ｖ３の電圧に応じてトランジスタ２５ｂに流れるベース電流に基づくコレクタ電流成分Ｉｃｂ、および動作点でのバイアス電圧（定電圧）に起因してトランジスタ２５ｂに定常的に流れる一定のベース電流に基づくコレクタ電流成分（電流値が一定の直流電流成分）Ｉｃａと共に、参照信号Ｓｓの電圧に応じてトランジスタ２５ｂに流れるベース電流に基づくコレクタ電流成分Ｉｃｃを含んで構成される駆動電流Ｉｃが流れる。この場合、電圧検出装置１と同様にして、電流電圧変換部ＣＶ、駆動回路２５およびフォトカプラ２６の発光ダイオードが、検出部として機能して、電位差Ｖｄｉに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Ｉｃｂを検出信号として出力する。一方、本例の電圧検出装置１Ａでは、参照信号出力部３８が、参照信号重畳部として機能して、検出信号としてのコレクタ電流成分Ｉｃｂに参照信号Ｓｓの信号成分であるコレクタ電流成分Ｉｃｃを重畳させる。なお、電圧検出装置１Ａでは、上記したように、積分信号Ｖ３にも参照信号Ｓｓの信号成分が重畳された状態となっているため、積分信号Ｖ３を検出信号とみなすこともできる。
As a result, the light emitting diode of the
フォトカプラ２６は、駆動電流Ｉｃ（＝Ｉｃａ＋Ｉｃｂ＋Ｉｃｃ）を所定の信号伝達率で電流Ｉ１（＝Ｉ１ａ＋Ｉ１ｂ＋Ｉ１ｃ）に変換して本体回路部３Ａに出力する。本体回路部３Ａでは、電流電圧変換回路３３が、この電流Ｉ１（＝Ｉ１ａ＋Ｉ１ｂ＋Ｉ１ｃ）を入力して、最終的な絶縁検出信号Ｖ４（＝Ｖ４ａ＋Ｖ４ｂ＋Ｖ４ｃ）に変換して利得制御部３４に出力する。利得制御部３４Ａでは、増幅回路４１は、この絶縁検出信号Ｖ４を入力すると共に、制御信号Ｓｃの電圧によって規定される利得で絶縁検出信号Ｖ４を増幅して増幅検出信号Ｖ５（＝Ｖ５ａ＋Ｖ５ｂ＋Ｖ５ｃ）を出力する。分離回路４３は、増幅検出信号Ｖ５に含まれている信号成分のうちの参照信号出力部３８から出力される参照信号Ｓｓと同一の周波数の信号成分のみを分離・直流変換して、レベル検出信号Ｖ７として制御回路４２に出力する。
The
制御回路４２は、分離回路４３と共に増幅回路４１に対するフィードバックループを形成して、増幅回路４１の利得（増幅率）に対するフィードバック制御を実行し、増幅検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｓｓについての信号成分（交流電圧成分Ｖ５ｃ）のレベル（振幅）を常に一定に制御している。このため、温度変化の影響を受けてフォトカプラ２６の信号伝達率が変化した場合においても、交流電圧成分Ｖ５ｃと共に増幅検出信号Ｖ５を構成する交流電圧成分Ｖ５ｂは、フォトカプラ２６の信号伝達率が温度などの種々の環境の変化の影響を受けて変動しているか否かに拘わらず、常に環境変化の影響を受けていない状態と同じレベルで出力される。次いで、信号抽出部３５が、増幅検出信号Ｖ５に含まれている交流電圧成分Ｖ５ｂを抽出して出力する。
The
電圧生成回路３６は、この交流電圧成分Ｖ５ｂに基づいて、生成している電圧信号Ｖ６の電圧値を上昇させる。この電圧検出装置１Ａでは、このようにしてフィードバックループを構成する検出電極２２、電流電圧変換部ＣＶ、駆動回路２５、絶縁回路２６、電流電圧変換回路３３、利得制御部３４Ａ、信号抽出部３５および電圧生成回路３６が、検出対象体４の交流電圧Ｖ１の上昇または低下を検出して、電圧信号Ｖ６の電圧値を上昇または低下させるフィードバック制御動作を実行することにより、ガード電極２１の電圧（電圧信号Ｖ６の電圧）を交流電圧Ｖ１に追従させて、短時間に一致させる。したがって、この電圧計３７に表示される数値を観測することにより、検出対象体４の交流電圧Ｖ１が検出（測定）される。
The
このように、この電圧検出装置１Ａにおいても、利得制御部３４Ａが、絶縁検出信号Ｖ４を所定の利得で増幅して増幅検出信号Ｖ５を生成しつつ、この増幅検出信号Ｖ５に含まれている交流電圧成分Ｖ５ｃ（参照信号Ｓｓについての信号成分）のレベルが一定となるように上記の利得を制御するため、温度変化などの各種環境の変化の影響を受けてフォトカプラ２６の信号伝達率が変化した場合においても、交流電圧成分Ｖ５ｃと共に増幅検出信号Ｖ５を構成する交流電圧成分Ｖ５ｂをフォトカプラ２６の信号伝達率が温度の影響を受けていない状態と同じレベルで（つまり信号伝達率の変動を補償して同じレベルで）出力することができる。したがって、この電圧検出装置１Ａによれば、検出対象体４の交流電圧Ｖ１についての検出精度の一層の安定化を図ることができる。また、フォトカプラ２６の信号伝達率だけでなく、駆動回路２５の動作点が温度の影響を受けて変動した場合においても、検出対象体４の交流電圧Ｖ１を高精度で検出することができる。
As described above, also in the voltage detection device 1A, the
また、この電圧検出装置１Ａによれば、参照信号Ｓｓを出力する参照信号出力部３８で参照信号重畳部を構成すると共に、この参照信号Ｓｓをガード電極２１に出力することによって検出信号（電位差Ｖｄｉに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Ｉｃｂや、積分信号Ｖ３）に参照信号Ｓｓの信号成分を重畳させる構成を採用したことにより、より高精度の検出を行い得る電圧検出装置を、簡易な構成で実現することができる。
In addition, according to the voltage detection device 1A, the reference
なお、上記した電圧検出装置１，１Ａの構成に限定されず、種々の構成を採用することができる。例えば、主電源回路３１が外部から交流電圧の供給を受けて正電圧Ｖｄｄおよび負電圧Ｖｓｓを生成する構成の場合には、コンバータ３２は、正電圧Ｖｄｄおよび負電圧Ｖｓｓの供給を受けて正電圧Ｖｆ＋および負電圧Ｖｆ−を生成する構成（ＤＣからＤＣを生成する構成）に代えて、主電源回路３１と同様にして外部から交流電圧の供給を受けて正電圧Ｖｆ＋および負電圧Ｖｆ−を生成する構成を採用することもできる。なお、この構成（ＡＣからＤＣを生成する構成）においても、コンバータ３２は、上記した例と同様にトランスを使用することにより、一次側に対して二次側が電気的に絶縁された絶縁型電源として構成する。
In addition, it is not limited to the structure of
また、電流電圧変換部ＣＶについては、上記の構成に代えて、図７〜図９に示すいずれかの構成を採用して実現することもできる。以下、上記した電圧検出装置１，１Ａの各構成要素と同じ機能を有するものには同一の符号を付して重複した説明を省略する。最初に、図７に示す電流電圧変換部ＣＶでは、電流電圧変換回路２３は、ボルテージフォロアに構成された演算増幅器２３ｃ、および演算増幅器２３ｃの非反転入力端子とガード電極２１（基準電圧部）との間に配置された抵抗２３ｄで構成されている。これにより、この抵抗２３ｄで電流信号Ｉを電圧Ｖ８に変換することができ、この電圧Ｖ８（抵抗２３ｄの両端間に発生する電圧）をバッファ（倍率が１倍の増幅器）として機能する演算増幅器２３ｃ（増幅器）が検出電圧信号Ｖ２として出力する。また、図８に示す電流電圧変換部ＣＶでは、電流電圧変換回路２３は、演算増幅器２３ｃ、演算増幅器２３ｃの非反転入力端子とガード電極２１（基準電圧部）との間に配置された抵抗２３ｄ、演算増幅器２３ｃの反転入力端子とガード電極２１との間に配置された抵抗２３ｅ、および演算増幅器２３ｃの出力端子と反転入力端子との間に帰還回路として配置された抵抗２３ｂで構成されている。これにより、抵抗２３ｄで電流信号Ｉを電圧Ｖ８に変換することができ、この電圧Ｖ８（抵抗２３ｄの両端間に発生する電圧）を非反転増幅器として機能する演算増幅器２３ｃ（増幅器）が検出電圧信号Ｖ２として出力する。したがって、図７，８に示す構成の電流電圧変換部ＣＶを採用した電圧検出装置１，１Ａにおいても、図１に示す電流電圧変換部ＣＶを採用した上記の電圧検出装置１，１Ａと同様にして、検出対象体４の交流電圧Ｖ１を非接触で検出することができると共に、電圧検出装置１，１Ａと同様の作用効果を奏することができる。
Further, the current-voltage conversion unit CV can be realized by employing any one of the configurations shown in FIGS. 7 to 9 instead of the above configuration. Hereinafter, components having the same functions as those of the components of the
また、電流電圧変換回路２３と積分回路２４とで電流電圧変換部ＣＶを構成する例について上記したが、図９に示すように、電流電圧変換部ＣＶを１つの積分回路２７で構成することもできる。積分回路２７は、電流電圧変換回路の機能と積分回路の機能とを有し，一例として、図１に示す電流電圧変換回路２３の構成を基本構成として、その抵抗２３ｂにコンデンサ２７ａを並列接続して構成されている。この場合、コンデンサ２７ａは、一例として０．０１μＦ程度のコンデンサで構成され、抵抗２３ｂは、例えば１ＭΩ程度の高い抵抗値の抵抗で構成されている。このため、この積分回路２７では、主としてコンデンサ２７ａに電流信号Ｉが流れることにより、電流電圧変換動作と同時に積分動作が行われて、検出対象体４の交流電圧Ｖ１とガード電極２１の電圧（基準電圧）との電位差Ｖｄｉに比例して電圧値が変化する積分信号Ｖ３が生成される。したがって、図９に示す構成の電流電圧変換部ＣＶを採用した電圧検出装置１，１Ａにおいても、図１に示す電流電圧変換部ＣＶを採用した上記の電圧検出装置１，１Ａと同様にして、検出対象体４の交流電圧Ｖ１を非接触で検出することができると共に、電圧検出装置１，１Ａと同様の作用効果を奏することができる。
Further, the example in which the current-voltage conversion unit CV is configured by the current-
また、上記の電圧検出装置１では、フォトカプラ２６をリニア領域で作動させるために駆動電流Ｉｃに含めるコレクタ電流成分（電流値が一定の直流電流成分）Ｉｃａを参照信号として重畳させているが、図示はしないが、直流電圧源をフローティング回路部２内に設けて、積分信号Ｖ３に直流定電圧を参照信号として重畳させる構成を採用することもできる。また、上記の電圧検出装置１Ａでは、本体回路部３側に参照信号出力部３８を設けて、参照信号Ｓｓをガード電極２１に出力することで、フローティング回路部２で検出される検出信号に参照信号Ｓｓの信号成分を重畳させているが、フローティング回路部２内に参照信号出力部を配置して、検出電圧信号Ｖ２や積分信号Ｖ３などに参照信号Ｓｓの信号成分を直接重畳させる構成を採用することもできる。
In the
１，１Ａ 電圧検出装置
２，２Ａ フローティング回路部
３，３Ａ 本体回路部
４ 検出対象体
２１ ガード電極
２２ 検出電極
２３ 電流電圧変換回路
２３ｃ 演算増幅器
２３ｄ 抵抗
２４ 積分回路
２６ フォトカプラ
３３ 電流電圧変換回路
３４，３４Ａ 利得制御部
３５ 信号抽出部
３６ 電圧生成回路
ＣＶ 電流電圧変換部
Ｉ 電流信号
Ｖ１ 交流電圧
Ｖ２ 検出電圧信号
Ｖ３ 積分信号
Ｖｄｉ 電位差
DESCRIPTION OF
Claims (2)
基準電圧部の電圧を基準とするフローティング電源で作動して、前記検出対象交流電圧と当該基準電圧部の前記電圧との間の交流の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号に参照信号（直流または交流）を重畳させる参照信号重畳部と、
前記参照信号が重畳された前記検出信号を入力すると共に電気的に絶縁して絶縁検出信号として出力する絶縁部と、
前記絶縁検出信号を所定の利得で増幅して増幅検出信号を生成しつつ、当該増幅検出信号に含まれている前記参照信号の信号成分のレベルが一定となるように前記利得を制御する利得制御部と、
前記増幅検出信号に含まれている前記検出信号の信号成分を抽出して抽出検出信号として出力する信号抽出部と、
前記電位差が減少するように前記抽出検出信号に基づく信号を増幅して前記基準電圧部に出力する電圧生成回路とを備えている電圧検出装置。 A detection electrode disposed opposite to the detection target body where the detection target AC voltage is generated and capacitively coupled to the detection target body;
A detection unit that operates with a floating power source based on a voltage of a reference voltage unit and outputs a detection signal whose amplitude changes according to an AC potential difference between the AC voltage to be detected and the voltage of the reference voltage unit When,
A reference signal superimposing unit for superimposing a reference signal (direct current or alternating current) on the detection signal;
An insulating unit that inputs the detection signal on which the reference signal is superimposed and electrically insulates and outputs an insulation detection signal;
Gain control for amplifying the insulation detection signal with a predetermined gain to generate an amplification detection signal and controlling the gain so that the level of the signal component of the reference signal included in the amplification detection signal is constant And
A signal extraction unit that extracts a signal component of the detection signal included in the amplified detection signal and outputs the extracted signal as an extraction detection signal;
A voltage detection apparatus comprising: a voltage generation circuit that amplifies a signal based on the extracted detection signal so as to reduce the potential difference and outputs the amplified signal to the reference voltage unit.
前記参照信号重畳部は、前記検出信号に基づいて前記フォトカプラの発光ダイオードをリニア領域で駆動する駆動回路で構成されて、当該発光ダイオードを当該リニア領域で駆動するための直流バイアス信号を前記参照信号として当該検出信号に重畳させる請求項１記載の電圧検出装置。 The insulating part is composed of a photocoupler,
The reference signal superimposing unit includes a driving circuit that drives a light emitting diode of the photocoupler in a linear region based on the detection signal, and refers to a DC bias signal for driving the light emitting diode in the linear region. The voltage detection device according to claim 1, wherein the voltage detection device is superimposed on the detection signal as a signal.
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