電流は、電子工学または電気工学において非常に重要な要素です。電子機器では、電流の帯域幅は数ナノアンペアから数百アンペアになります。この範囲は、特に電力グリッドでは、電気分野では通常数千アンペアまではるかに広くなる可能性があります。回路または導体内の電流を検知および測定するには、さまざまな方法があります。この記事では、さまざまな電流検出技術を使用し て電流を測定する方法と、その長所、短所、および用途について説明します。
ホール効果センサー電流検出法
ホール効果は、アメリカの物理学者エドウィンハーバートホールによって発見され、電流を感知するために使用できます。これは一般に磁場の検出に使用され、スピードメーター、ドアアラーム、DIYBLDCなどの多くのアプリケーションで役立ちます。
ホール効果センサーは、磁場に応じて出力電圧を生成します。出力電圧の比率は磁場に比例します。電流検出プロセス中、電流は磁場を測定することによって測定されます。出力電圧は非常に低く、ノイズの少ない高ゲインアンプを使用して有用な値に増幅する必要があります。増幅回路とは別に、ホール効果センサーは線形トランスデューサーであるため、追加の回路が必要です。
長所：
- より高い周波数で使用できます。
- ACとDCの両方で正確に使用できます。
- 非接触ベースの方法。
- 過酷な環境で使用できます。
- 信頼できます。
短所：
- センサーがドリフトし、補正が必要です。
- 有用な出力には追加の回路が必要です。
- シャントベースの手法よりもコストがかかります。
ホール効果センサーは、クランプメーターだけでなく、多くの産業用および自動車用電流検出アプリケーションで使用されます。多くのタイプの線形ホール効果センサーは、数ミリアンペアから数千アンペアまでの電流を感知できます。このため、スマートグリッド監視アプリケーションは、異なるタイプのホール効果センサーを使用して導体電流を監視します。
フラックスゲートセンサー電流検出法
可飽和インダクタは、フラックスゲートセンシング技術の主要コンポーネントです。このため、フラックスゲートセンサーは飽和インダクタ電流センサーと呼ばれます。フラックスゲートセンサーに使用されるインダクターコアは、飽和領域で動作します。このインダクタの飽和レベルは非常に敏感であり、内部または外部の磁束密度によってインダクタの飽和レベルが変化します。コアの透磁率は飽和レベルに正比例するため、インダクタンスも変化します。インダクタ値のこの変化は、電流を検出するためにフラックスゲートセンサーによって分析されます。電流が大きいとインダクタンスが低くなり、電流が小さいとインダクタンスが高くなります。
ホール効果センサーはフラックスゲートセンサーと同様に機能しますが、両者には1つの違いがあります。違いはコア素材にあります。フラックスゲートセンサーは可飽和インダクターを使用しますが、ホール効果センサーは空芯を使用します。
上の画像では、フラックスゲートセンサーの基本的な構造が示されています。可飽和インダクタコアの周りに巻かれた一次および二次の2つのコイルがあります。電流の変化により、コアの透磁率が変化し、他のコイルのインダクタンスが変化する可能性があります。
長所：
- 広範囲の周波数で測定できます。
- 精度が高い。
- 低オフセットとドリフト。
短所：
- 二次消費電力が大きい
- 一次導体の電圧または電流ノイズのリスク要因が増加します。
- DCまたは低周波ACにのみ適しています。
フラックスゲートセンサーは、電流を感知するためにソーラーインバーターで使用されます。これ以外に、フラックスゲートセンサーを使用することにより、閉ループのACおよびDC電流測定を簡単に行うことができます。フラックスゲート電流検出法は、漏れ電流測定、過電流検出などにも使用できます。
Rogowskiコイル電流検出方法
ロゴスキーコイルは、ドイツの物理学者ヴァルターロゴスキーにちなんで名付けられました。ロゴスキーコイルは、らせん状の空芯コイルを使用して作られ、電流測定のために対象の導体に巻き付けられます。
上の画像では、ロゴスキーコイルが追加の回路とともに示されています。追加回路は積分回路です。Rogowskiコイルは、導体の電流変化率に応じて出力電圧を提供します。電流に比例する出力電圧を生成するには、追加の積分回路が必要です。
長所：
- これは、高速の高周波電流変化を検出するための優れた方法です。
- 二次巻線の取り扱いに関して安全な操作。
- 低コストのソリューション。
- 開ループ構造による取り扱いの柔軟性。
- 温度補償は複雑ではありません。
短所：
- ACにのみ適しています
- 変流器より感度が低い。
Rogowskiコイルには幅広い用途があります。たとえば、大電力モジュール、特にMOSFETまたは高電力トランジスタ間またはIGBT全体の電流の測定。Rogowskiコイルは柔軟な測定オプションを提供します。Rogowskiコイルの応答は、過渡現象または高周波の正弦波に対して非常に高速であるため、電力線の高周波の過渡電流を測定することをお勧めします。配電またはスマートグリッドでは、ロゴスキーコイルは電流測定に優れた柔軟性を提供します。
変流器電流検出方法
変流器またはCTは、二次コイルの電流に比例する二次電圧によって電流を検出するために使用されます。大きな値の電圧または電流を2次コイルではるかに小さな値に変換するのは産業用変圧器です。測定は二次出力全体で行われます。
上の画像では、構造が示されています。これは、1次と2次の比率が1：Nの理想的なCTトランスです。Nはトランスの仕様に依存します。変圧器の詳細については、こちらをご覧ください。
長所：
- この記事に示されている他の方法よりも大きな電流処理能力。
- 追加の回路は必要ありません。
短所：
- メンテナンスが必要です。
- 磁化によりヒステリシスが発生します。
- 一次電流が大きいと、フェライトコアの材料が飽和します。
CT変圧器ベースの電流検出技術の主な用途は、非常に高い電流測定容量のため、電力網です。交流電流の測定に変流器を使用するクランプメーターもほとんどありません。
シャント抵抗電流検出法
これは、電流検出技術で最も使用されている方法です。この手法はオームの法則に基づいています。
直列の小さな値の抵抗を使用して、電流を検出します。電流が値の小さい抵抗を流れると、抵抗の両端に電圧差が生じます。
例を見てみましょう。
1Aの電流が1オームの抵抗器を流れていると仮定します。オームの法則によれば、電圧は電流x抵抗に相当します。したがって、1Aの電流が1オームの抵抗を流れると、抵抗の両端に1Vが生成されます。抵抗器のワット数は、考慮すべき重要な要素です。ただし、抵抗がミリオームの範囲にある非常に小さな値の抵抗も市場で入手できます。このような場合、抵抗両端の電圧差も非常に小さくなります。電圧の振幅を大きくするには高利得増幅器が必要であり、最後に逆算で電流を測定します。
このタイプの電流検出技術の代替アプローチは、PCBトレースをシャント抵抗として使用することです。PCBの銅トレースは抵抗が非常に小さいため、トレースを使用して電流を測定できます。ただし、このような代替アプローチでは、正確な結果を得るには、いくつかの依存関係も大きな懸念事項です。ゲームを変える主な要因は、温度のドリフトです。温度によってはトレース抵抗が変化し、エラーになります。アプリケーションでこのエラーを補正する必要があります。
長所：
- 非常に費用効果の高いソリューション
- ACおよびDCで動作できます。
- 追加の機器は必要ありません。
短所：
- 熱放散のため、高電流動作には適していません。
- シャント測定では、抵抗の両端でエネルギーが浪費されるため、システム効率が不必要に低下します。
- 熱ドリフトは、高温アプリケーションでエラー結果をもたらします。
シャント抵抗のアプリケーションには、デジタルアンプメーターが含まれます。これは、ホール効果センサー以外の正確で安価な方法です。シャント抵抗はまた、低抵抗経路を提供し、電流が回路内のあるポイントから別のポイントに流れることを可能にします。
適切な電流検出方法を選択する方法は？
電流検出の適切な方法を選択することは難しいことではありません。次のように、適切な方法を選択するために考慮する必要のあるいくつかの要因があります。
- どのくらいの精度が必要ですか？
- DCまたはAC測定、あるいはその両方？
- どのくらいの電力消費が必要ですか？
- 測定する電流範囲と帯域幅はどれくらいですか？
- 原価計算。
それ以外に、許容可能な感度と干渉除去も考慮する必要があります。すべての要素を満たすことができないため、アプリケーション要件の優先順位に応じて、ある機能を他の機能と妥協するためにいくつかのトレードオフが行われます。