用於電流探頭的輸入旁路電路的製作方法

2023-05-13 06:14:11 2

專利名稱：用於電流探頭的輸入旁路電路的製作方法
技術領域：
本發明 一般涉及電流探頭並且更具體而言涉及用於電流探頭的輸 入旁路電路。
背景技術：
連同示波器一起使用的電流探頭應用了變壓器技術以測量在導體
中流動的電流。圖1例示了用於測量下至DC的電流信號的電流探頭10， 該電流探頭IO具有帶限定了孔徑16的環形磁芯14的變壓器l2。優選 》也，環形磁芯14是磁芯的一側相對於另側可移動的分芯(split core) 設計。這允許在不需要使載流導體18與電路斷開的情況下使載流導體 18穿過變壓器12的孔徑16。載流導體18穿過磁芯14中的孔徑16並 且作為變壓器12的初級繞組。次級繞組20環繞磁芯14的一側。為了 允許電流探頭10感測DC和低頻電流信號，將霍爾(Hall)效應裝置 22置於磁芯14中以便磁芯中的磁通量基本上與霍爾效應裝置"垂直。 將偏壓源24施加到霍爾裝置22並且由磁芯14中的通量引起的霍爾效 應產生的結果電壓被耦合到差分放大器26的輸入。將差分放大器26 的單端輸出通過開關28耦合到功率放大器30。還將開關28耦合以接 收被選擇性地施加到變壓器12的消磁信號。功率放大器30產生與霍 爾效應裝置22產生的電壓成比例的電流輸出。將功率放大器30耦合 到次級繞組20的一側，將繞組的另側耦合到變壓器端接電阻器32和 電壓放大器34。
在載流導體18中流動的電流感生連結到磁芯14和次級繞組20的 磁通量。由DC到低頻電流信號引起的磁通量在磁芯14中被耦合到霍 爾效應裝置22。霍爾效應裝置22產生耦合到差分放大器26的輸入的 差分電壓。差分放大器26的輸出通過開關28耦合到功率放大器30。 功率放大器30產生耦合到變壓器12的次級繞組20的電流輸出。功率 放大器施加的電流處在使由載流導體18中的DC到低頻電流信號引起 的磁芯14中通量趨零(null )的方向。更高頻率電流信號感生次級繞 組中的電流，該電流產生與由在載流導體18中流動的電流產生的磁通量相反的磁通量。通過將電壓輸入提供給放大器34的變壓器端接電阻 32對DC到低頻電流信號的功率放大器30產生的電流和以更高電流頻 率信號感生進入次級繞組20的電流求和。放大器34的電壓輸出是對 磁芯通量的AC和DC分量的測量。美國專利3， 525， 041、 5， 477， 135和 5， 493， 211描述了以上電流探頭10的概念。
對於用戶來說為了使上述電流探頭消磁，需要將載流導體18從電 流探頭10去除，否則消磁信號將感生進入載流導體18的可損壞被測 裝置中電路的電流。此外，如果使變壓器l2的磁芯14飽和的足夠高 電流在載流導體18中流動，用戶需要從電流探頭10上除去載流導體 18。
在電流探頭中所需要的是一種電路，當對電流探頭消磁時或者當 存在使變壓器的磁芯飽和的電流時該電路允許用戶使電流探頭保持附 著在載流導體上。此外，電流探頭電路應當允許用戶能夠在不從載流 導體除去電流探頭的情況下設置電流探頭的偏置(offset)電壓。

發明內容
因此，釆用電流探頭的輸入旁路電路來滿足以上需要。電流探頭 具有耦合到電流感測電路用於從被測裝置接收電流信號的輸入，其中 輸入旁路電路具有在電流探頭輸入和電流感測電路之間耦合的切換電 路。開關控制耦合到切換電路，用於使電流探頭輸入與電流感測電路 選擇性地耦合和解耦以便電流信號在被測裝置中連續流動。
第一和第二開關中的每一個具有耦合到電流探頭輸入之一的公共
端、耦合到電流感測電路的第一端和耦合到其他電流探頭輸入的第二 端。當第一和第二開關的公共開關端被耦合到第一和第二開關的第一 端時第 一 和第二開關將電流信號耦合到電流感測電路。當第 一 和第二 開關的公共開關端被耦合到第一和第二開關的第二端時第一和第二開
關在電流探頭輸入之間耦合電流信號。
可以用磁閂繼電器(magnetic—latch relay)或才幾械開關來實現輸 入旁路電路的第一和第二開關。當開關是磁閂繼電器時，開關控制具 有產生信號給控制器的至少第一激活開關，以便啟動耦合到串行到並 行1/0擴展器的產生命令信號的產生。該串行到並行1/0擴展器產生 並行輸出數據以便使電流探頭輸入與電流感測電路選擇性地耦合和解耦，其中命令信號之一使第一和第二開關之一相對於另一個延遲。開 關控制還可具有產生信號給控制器的第二激活開關，用於啟動耦合到
串行到並行1/0擴展器的命令信號的產生。該串行到並行1/0擴展器
產生並行輸出數據，用於使得電流探頭輸入與電流感測電路選擇性地 解耦，其中命令信號之一使笫一和第二開關之一相對於另一個延遲並 且另 一命令信號將消磁信號耦合到電流感測電路。
當第一和第二開關是機械開關時，開關控制是機械地耦合到第一
機械開關的第一致動器(actuator)和耦合到第二才幾械開關的第二致 動器，其中第一致動器和第二致動器使第一和第二開關將電流探頭輸 入與電流感測電路選擇性地耦合和解耦，其中使第 一和第二開關之一 的切換相對於另一個延遲。
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、優點和新的特徵是明顯的。


圖1是採用將載流導體用作初級變壓器繞組的電流探頭的示意性 表示。
圖2是採用了依據本發明的輸入旁路電路的電流探頭的透視圖。 圖3是例示依據本發明的輸入旁路電路的第一實施例的示意性表示。
圖4是例示依據本發明的輸入旁路電路的進一步實施例的示意性 表示。
具體實施例方式
圖2是用於連同示波器42 —起使用的電流探頭40的透視圖，該 電流探頭40具有用於將電流信號從載流導體44選擇性地耦合到電流 探頭40中的電流感測電路的輸入旁路電路。電流探頭40具有探頭體 46、可附著適配器48、控制盒50和將探頭體46耦合到控制盒50的導 電電纜52。適配器48具有外殼54，導電引線56和58延伸自外殼54。 在電流探頭適配器48的導電引線56和58上提供各種類型的電觸點 60、 62。電觸點適於跨形成在例如電路板66上的電路跡線等等的載流 導體44中的不導電間隙64電耦合。在一實例中，電觸點60和62是
6用於使安裝在載流導體44上的方形引腳(pin) 68在不導電間隙64 的任一側上接合的導電插座(socket )。當電流探頭適配器48沒有耦 合到載流導體44時，將電跳線(jumper) 70定位於方形引腳68中以 便跨不導電間隙64耦合電流信號。在另一實例中，電觸點是觸點墊 (pad)，該觸點墊在不導電間隙64的任一側上被電耦合到形成於載 流導體44上的觸點墊72。將可去除的導電箔74固定到觸點墊72以便 跨不導電間隙64耦合電流信號。當將適配器48的導電引線56和58 耦合到栽流導體44時，將導電箔72從載流導體44上去除。
導電電纜52具有各種電氣線路，該各種電氣線路用於將輸出信號 從置於探頭體46中的電流感測電路耦合到控制盒50並且將電力和通 信信號耦合到電流感測電路和置於電流探頭體4 6中的輸入旁路電路。 將電流探頭控制盒50耦合到示波器42的多個輸入信號信道76之一。 每個輸入信號信道76具有插座接口 78,其中每個接口具有導電觸點和 同軸信號插孔。電流探頭控制盒50具有與插座接口 78匹配的插頭 (plug)接口 80並且具有電觸點和與插座接口 78中的相應電觸點和 同軸信號插孔(jack)接口的同軸信號插孔。接口 78和80將電功率 提供給電流探頭40並在電流探頭40和示波器42之間提供通信。接口 78和80還提供在電流探頭40和示波器42之間的信號通路。示波器 42具有例如液晶顯示器、陰極射線管等等的顯示裝置82、按鈕和用於 控制示波器42功能的旋鈕84。
參見圖3，示出了在實現了輸入旁路電路90的電流探頭體46中的 電路的代表性原理圖。輸入旁路電路90具有在電流探頭輸入94及96 和電流感測電路98之間耦合的切換電路92。將電流探頭輸入94和96 通過適配器48中的導電引線56和58耦合到載流導體44。將開關控制 電路100耦合到切換電路92以便在不中斷在載流導體44中流動的電 流的情況下提供切換信號，用於將電流探頭輸入94和96與電流感測 電路98耦合和解耦。
切換電路具有第一和第二開關102和104，其中每個開關102和 104具有耦合到電流探頭輸入94、 96之一的端106、 108。每個開關102 和104具有耦合到電流感測電路98的第一輸入114的第二端110、112。 每個開關102和104具有耦合到電流探頭輸入94、 96中的另一個和感 測電路98的第二輸入120的第三端116、 118。每個開關102和104具有電樞(armature) 122、 124，該電樞122、 124將第一開關端106、 108選擇性地耦合到第二和第三開關端110、 112、 116、 118中的一個 或另一個。
在優選實施例中，第一和第二開關102和104是從開關控制電路 100接收激活(activation)信號的磁閂繼電器。從串行到並行I/O 擴展器通過緩衝器130、 132、 134和136來耦合激活信號。串行到並 行1/0擴展器通過置於導電電纜52中的例如I2C總線、SPI總線等等 的串行總線140來接收串行數據和時鐘信號。通過置於電流探頭控制 盒50中的控制器142產生串行數據和時鐘。控制盒50具有安裝在其 上並且電耦合到信號線路148和150的按鈕接觸開關144和146，該信 號線路148和150耦合到在控制器142上的輸入。控制器142具有用 於與示波器42通信的進一步的串行總線152。
將電流感測電路的輸入114和120耦合到環繞變壓器164的磁芯 162的初級繞組160的相對端。變壓器164具有環繞磁芯162的次級繞 組166,其中將次級繞組166的一端耦合到接地(Electrical Grounding)並且將另端耦合到跨阻放大器168的反相輸入。磁芯162 具有置於其中的與磁芯120中的通量線路基本垂直的霍爾效應裝置 170。霍爾效應裝置170具有在偏壓源172和地之間耦合的第一對端和 連接到差分放大器174的輸入的第二對端。將差分放大器174的單端 輸出通過消磁開關176耦合到跨阻放大器168的非反相輸入。消磁開 關176具有耦合到差分放大器174的輸出的第一端178、耦合到跨阻放 大器168的非反相輸入的第二端180和經耦合以接收消磁信號的第三 端182。電樞184將差分放大器174的輸出或消磁信號選擇性地耦合到 跨阻放大器168的非反相輸入。跨阻放大器168的反相輸入和輸出通 過具有跨阻電阻器188的電流信號通路186耦合在一起。還可以通過 偏置電壓(offset voltage)線路190將偏置控制信號施加到差分放 大器174。
流經載流導體44的電流有時可能超過使變壓器164的磁芯162飽 和的電流探頭40的電流額定值。如果用戶知道這種情況何時可能發生， 可以激活切換電路92以使/使變壓器164的初級繞組160與輸入94和 96解耦和旁路。為此，按鈕接觸開關144和146之一被指定並被用戶 按下。將開關144、 146耦合到啟動了控制器142的邏輯低信號的接地。可選地，可以將開關144、 146耦合到啟動了控制器142的邏輯高信號 的電壓源。在當前實例中，按下產生控制器142的邏輯低的開關144。 在優選實施例中，邏輯信號使得控制器142產生表示開關142被按下 的串行信號，將該串行信號通過串行總線152耦合到示波器12。示波 器12產生串行數據命令返回給控制器142以激活切換電路92。示波器 12可使得表示輸入旁路電路90被激活的圖標產生在示波器顯示器82 上。控制器142產生通過串行總線140耦合到1/0擴展器138的串行 數據命令。1/0擴展器138將串行數據命令轉換成被施加到在1/0擴展 器138上的輸出引腳的並行數據。並行數據包括使得開關102和104 的電樞122和124改變位置的高和低邏輯電平。在圖3的附圖中，定 位電樞122和124以便將電流信號從載流導體44耦合到變壓器162的 初級繞組160。控制器142產生第一串行數據命令，該第一串行數據命 令產生源自I/O擴展器138的並行輸出信號，該並行輸出信號具有跨 例如開關102的開關102、104的繼電器之一的邏輯高和邏輯低的一個。 這4吏得電樞122從觸點110切換到觸點116並JU吏跨初級繞組160的 電流信號短路。控制器142產生第二串行數據命令，該第二串行數據 命令產生源自I/O擴展器138的並行輸出信號，該並行輸出信號具有 跨其他開關104的邏輯高和邏輯低。這使得電樞124從觸點112切換 到觸點118並且4吏初級繞組160與輸入94和96解耦。在優選實施例 中，在源自控制器142的第一和第二串行數據命令之間存在延遲以確 保在初級繞組160與輸入94和96解耦之前使在輸入94和96之間的 電流信號短路。這確保不存在在載流導體44中流動的電流信號的中斷。 可選地，開關142產生的邏輯低信號可以被將串行數據命令產生給I/O 擴展器138的控制器142直接解釋。控制器142還可將串行數據命令 產生給示波器42以便在示波器顯示器82上產生表示輸入旁路電路90 被激活的圖標。
當對電流探頭40消磁時，將漸弱信號施加到變壓器164的次級繞 組166。消磁信號感生在載流導體44上耦合的初級繞組160中的電流。 信號可能引起耦合到栽流導體44的電路的損壞。此外，如果栽流導體 44將電流信號耦合到變壓器164的初級繞組160，作為消磁過程的結 果，可能產生不正確的DC偏置。由於這個原因，在電流探頭40的消 磁期間，不應將電流探頭電耦合到載流導體44。在現有技術的電流探頭中，從變壓器移除作為變壓器164的初級繞組的載流導體。當前描 述的電流探頭40不將載流導體44用作初級繞組而是具有電耦合到載 流導體44的單獨的初級繞組160。切換電路92允許電流探頭40在對 探頭40消磁期間繼續耦合到載流導體44。
按鈕接觸開關144和146中的另一個被指定用於對探頭消磁並被 用戶按下。開關144、 146啟動控制器142的邏輯信號。邏輯信號被控 制器142解釋為消磁命令，該控制器142產生通過串行總線140耦合 到1/0擴展器138的串行數據命令。1/0擴展器138將串行數據命令轉 換成被施加到在I/O擴展器138上的輸出引腳的並行數據。如先前所 描述的，並行數據包括使得開關102和104的電樞122和124改變位 置的高和低邏輯電平。發送進一步的串行數據命令，該串行數據命令 產生由1/0擴展器138產生的耦合到消磁開關176的邏輯高。消磁開 關通過將消磁信號耦合到跨阻放大器168的非反相輸入來響應邏輯高 信號。跨阻放大器通過在跨阻放大器168的輸出上產生消磁電壓信號 來響應。電壓輸出使得漸弱電流信號通過電流信號通路186被產生。 將漸弱電流信號耦合到變壓器164的次級繞組166以對變壓器164消 磁。控制器142還可將串行數據命令產生給示波器42以便在示波器顯 示器82上產生表示電流探頭40被消磁的圖標。在電流探頭40淨皮消磁 之後，控制器142發布進一步的一組串行數據命令，該命令使得開關 102、 104和176去激以l更將輸入94和96重新耦合到電流感測電路98 並且將差分放大器174的輸出耦合到跨阻放大器168的非反相輸入。
參見圖4，示出了輸入旁路電路90的進一步實施例。與圖3相同 的元件在圖4中^:相同標記。用機械開關200和202代替在先前實施 例中用於第一和第二開關102和104的磁閂繼電器。在一實施例中， 機械開關200和202是單刀雙擲開關。才幾械開關200和202具有用與 開關102和104相同的方式耦合的各自的端106、 110、 116和108、 112、 118。將開關200的電樞122機械地耦合到從探頭體46延伸出來的致 動器204。將開關202的電樞124機械地耦合到從探頭體46延伸出來 的致動器206。致動器204和206可以是滑動致動器、按鈕致動器或可 旋轉致動器，其中致動器204和206綁定在一起以便操作致動器引起 電樞122並且隨後其他電樞124之一的切換。致動器204和206當作 在當前實現中的開關控制100。採用機械開關的輸入旁路電路90用與圖3的輸入旁路電路90類似的方式運行。電樞122和124 ;故所示定位 以將電流探頭輸入94和96耦合到電流感測電路98。移動開關200的 致動器204使得電樞122從觸點110切換到觸點116並且使電流探頭 輸入94和96短路在一起。移動開關202的致動器206使得電樞124 從觸點112切換到觸點118並且使電流感測電路90與輸入94和96解 耦。機械地配置致動器204和206以便提供在電樞122和124的切換 之間的延遲。
在另一實施例中，機械開關200和202是雙刀雙擲開關。開關200 具有第二組端208、 210和212,其中端208耦合到地，端210保持斷 開並且端212通過被安裝到探頭體46的發光二極體214耦合到電壓源。 電樞216將端208選擇性地耦合到端210和212並且淨皮致動器204激 活。開關202具有第二組端218、 222和224,其中端218耦合到信號 線路220，端222耦合到地並且端224耦合到電壓源。電樞226將端 218選擇性地耦合到端222和224並且^皮致動器206激活。
雙刀雙擲開關200和202的使用允許用於表示何時輸入旁路電路 90是激活的(active)的電路的使用。在一實例中，致動器216接通 使發光二極體激活的電路以給出輸入旁路電路90是激活的表示。在其 他實例中，致動器226將激活的高邏輯電平耦合到耦合到控制器142 的信號線路220。控制器142發出串行數據命令信號通過串行總線152 給示波器42，該串行數據命令信號使得示波器在顯示裝置82上產生旁 路電路是激活的表示。總之，按實現方案表示配置中的一個或其他。
對於本領域技術人員來說，在不脫離本發明基本原理的情況下明 顯可以對本發明的上述實施例的細節進行許多改變。因此，本發明的 範圍應僅由所附權利要求書確定。
ii
權利要求
1. 在具有耦合到電流感測電路用於從被測裝置接收電流信號的輸入的電流探頭中，一種輸入旁路電路，包括在電流探頭輸入和電流感測電路之間耦合的切換電路；以及耦合到切換電路的開關控制，用於使電流探頭輸入與電流感測電路選擇性地耦合和解耦以便電流信號在被測裝置中連續流動。
2. 如權利要求1所述的輸入旁路電路，其中切換電路包括耦合到 電流探頭的電流探頭輸入之一的第一和第二開關，其中第一和第二開 關中的每一個具有耦合到一電流探頭輸入的公共端、耦合到電流感測 電路的第一端和耦合到其他電流探頭輸入的第二端以便當第一和第二 開關的公共開關端被耦合到第一和第二開關的第一端時第一和第二開 關將電流信號耦合到電流感測電路，並且當第 一和第二開關的公共開 關端被耦合到第一和第二開關的第二端時第一和第二開關在電流探頭 輸入之間耦合電流信號。
3. 如權利要求2所述的輸入旁路電路，其中第一和第二開關是繼 電器。
4. 如權利要求3所述的輸入旁路電路，其中開關控制包括至少第 一激活開關，用於發出信號以便使得第一和第二開關將電流探頭輸入 與電流感測電路選擇性地耦合和解耦，其中第一和第二開關之一的切 換相對於另一個被延遲。
5. 如權利要求4所述的輸入旁路電路，其中開關控制包括產生信 號給控制器的至少第一激活開關，用於啟動耦合到串行到並行I/O擴 展器的命令信號的產生，該串行到並行I/O擴展器產生並行輸出數據 以便使得電流探頭輸入與電流感測電路選擇性地耦合和解耦，其中命 令信號之一使第一和第二開關之一相對於另一個延遲。
6. 如權利要求3所述的輸入旁路電路，其中開關控制包括產生信 號給控制器的第二激活開關，用於啟動耦合到串行到並行I/O擴展器 的命令信號的產生，該串行到並行I/O擴展器產生並行輸出數據以便 使得電流探頭輸入與電流感測電路選擇性地解耦，其中命令信號之一 使第一和第二開關之一相對於另一個延遲並且另一命令信號將消磁信 號耦合到電流感測電路。
7. 如權利要求2所述的輸入旁路電路，其中第一和第二開關是機械開關並且開關控制是機械地耦合到第一機械開關的第一致動器和耦 合到第二機械開關的第二致動器。
全文摘要
用於電流探頭的輸入旁路電路包括在電流探頭輸入(94，96)和電流感測電路(98)輸入之間耦合的第一(102)和第二(104)開關。開關控制(100)耦合到切換電路，用於使電流探頭輸入與電流感測電路選擇性地耦合和解耦以便電流信號在被測裝置中連續流動。
文檔編號G01R15/20GK101438174SQ200780016677
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J·S·丹迪, K·A·史蒂芬斯, M·J·門德, T·J·夏普 申請人:特克特朗尼克公司