電流検知

電気工学において、電流検知は電流を測定するために使用されるいくつかの技術の 1 つです。電流の測定範囲は、ピコアンペアから数万アンペアまでです。電流検知方法の選択は、大きさ、精度、帯域幅、堅牢性、コスト、分離、サイズなどの要件によって異なります。電流値は、計測器によって直接表示されるか、または監視システムまたは制御システムで使用するためにデジタル形式に変換されます。

電流検知技術には、シャント抵抗器、変流器、ロゴスキーコイル、磁場ベースのトランスデューサーなどが含まれます。

電流センサーは、電線内の電流を検出し、その電流に比例した信号を生成するデバイスです。生成される信号は、アナログ電圧または電流、あるいはデジタル出力です。生成された信号は、電流計で測定された電流を表示するために使用したり、データ収集システムでさらに分析するために保存したり、制御の目的で使用したりできます。

感知された電流と出力信号は次のようになります。

• 交流入力、
  • 感知された電流の波形を複製するアナログ出力。
  • 感知された電流の波形を複製するバイポーラ出力。
  • 検出された電流の平均値または RMS 値に比例する単極出力。
• 直流入力、
  • ユニポーラ、ユニポーラ出力、感知された電流の波形を複製する
  • 感知された電流が一定の閾値を超えると切り替わるデジタル出力

現在のセンシング技術は、さまざまなアプリケーションに対してさまざまな要件を満たす必要があります。一般的に、共通の要件は次のとおりです。

• 高感度
• 高い精度と直線性
• 広い帯域幅
• DCおよびAC測定
• 温度ドリフトが低い
• 干渉除去
• ICパッケージング
• 低消費電力
• 低価格

電流の測定は、次のような基礎となる物理原理に応じて分類することができます。

• ファラデーの電磁誘導の法則
• 磁場センサー
• ファラデー効果
• 変圧器または電流クランプメーター（AC 電流のみに適しています）。
• フラックスゲート センサー (AC または DC 電流に適しています)。
• ホール効果センサー（AC、DC、または脈動電流に適しています）。1879年にエドウィン ホールによって発見されたホール効果現象に基づいた電流センサーの一種です。
• シャント抵抗器。その電圧は流れる電流に正比例します。
• 光ファイバー電流センサー。干渉計を使用して、磁場によって生成される光の位相変化を測定します。
• ロゴフスキーコイルは、交流電流 (AC) または高速電流パルスを測定するための電気装置です。
• 巨大磁気抵抗(GMR): ホール効果よりも高い精度で、AC および DC 電流に適した磁場センサー。磁場と平行に配置されます。

オームの法則とは、抵抗器の両端の電圧降下が、抵抗器を流れる電流に比例するという法則です。

この関係は電流を感知するために使用できます。この単純な関係に基づくセンサーは、コストが低く、この単純な原理により信頼性が高いことでよく知られています。

電流検出の一般的でシンプルな方法は、シャント抵抗器を使用することです。シャントを介した電圧降下は電流に比例するため、オームの法則により、低抵抗の電流シャントは低コストで信頼性が高く、電流測定システムで非常によく使用されます。シャント抵抗器では、交流 (AC) と直流 (DC) の両方を測定できます。高性能同軸シャントは、立ち上がり時間の速い過渡電流や高振幅を必要とする多くの用途で広く使用されていますが、高度に統合された電子デバイスでは、サイズが小さく比較的安価な低コストの表面実装デバイス (SMD) ^{[1]が好まれます。シャントに存在する}寄生インダクタンスは、高精度の電流測定に影響します。これは比較的高い周波数でのインピーダンスの大きさにのみ影響しますが、ライン周波数での位相にも影響するため、低力率では顕著な誤差が発生します。シャントを使用する主な欠点は、シャントが基本的に抵抗素子であるため、電力損失が通過する電流の2乗に比例し、その結果、高電流測定ではまれであることです。高インパルスまたは重サージ電流を測定するための高速応答は、シャント抵抗器に対する一般的な要件です。1981年にMalewski ^[2]は表皮効果を排除する回路を設計し、その後1999年にフラットストラップサンドイッチ抵抗器からフラットストラップサンドイッチシャント（FSSS）^[3]が導入されました。応答時間、電力損失、周波数特性の点でのFSSSの特性はシャント抵抗器と同じですが、Malewskiおよび同軸シャントと比較して、コストが低く、構築技術がそれほど洗練されていません。

プリント基板上の銅トレースなどの導電要素の固有抵抗は、検出抵抗器として使用できます。^[4]これにより、スペースとコンポーネントのコストが節約されます。銅トレースの電圧降下は抵抗が非常に低いため非常に低く、有効な信号を得るには高ゲインアンプが必須です。精度は、トレースの製造の初期許容差と銅の大きな温度係数によって制限されます。デジタルコントローラは、測定値を改善するために補正を適用する場合があります。^[5]

抵抗センサーの大きな欠点は、測定対象の電流と測定回路の間の避けられない電気的接続です。絶縁アンプは、測定電流と測定回路の残りの部分の間の電気的絶縁を提供します。ただし、これらのアンプは高価であり、元の電流検出技術の帯域幅、精度、および熱ドリフトを制限する可能性もあります。絶縁が必要な場合、本質的な電気的絶縁を提供する他の電流検出技術は、低コストで十分なパフォーマンスを提供できる場合があります。

ファラデーの電磁誘導の法則は、閉回路に誘導される総起電力は、回路を結ぶ総磁束の時間変化率に比例するというもので、電流検知技術で広く利用されてきました。ファラデーの法則に基づく 2 つの主要な検知デバイスは、変流器 (CT) とロゴスキー コイルです。これらのセンサーは、測定対象の電流と出力信号の間に本質的な電気的絶縁を提供するため、安全基準で電気的絶縁が要求される場合、これらの電流検知デバイスは必須となります。

CT は変圧器の原理に基づいており、高い一次電流を小さな二次電流に変換し、高 AC 電流測定システムでよく使用されます。このデバイスは受動デバイスであるため、実装時に追加の駆動回路は必要ありません。もう 1 つの大きな利点は、消費電力をほとんどかけずに非常に高い電流を測定できることです。CT の欠点は、非常に高い一次電流または電流内のかなりの DC 成分により、コアに使用されているフェライト材料が飽和し、最終的に信号が破損する可能性があることです。もう 1 つの問題は、コアが磁化されるとヒステリシスが発生し、再度消磁しない限り精度が低下することです。

ロゴスキーコイルはファラデーの誘導の法則に基づいており、ロゴスキーコイルの出力電圧V _{out は}測定する 電流I _{c を積分することによって決定されます。これは次のように表されます。}

${\displaystyle V_{\rm {out}}=-k{\frac {NA\mu _{0}}{2\pi r}}I_{\rm {c}}+v_{\rm {out}} (0)}$

ここで、A はコイルの断面積、N は巻数です。ロゴスキー コイルは、変流器が利用できる高透磁率の磁気コアがないため、感度が低くなります。ただし、ロゴスキー コイルの巻数を増やすか、ゲイン k が高い積分器を使用することで、これを補うことができます。巻数を増やすと、自己容量と自己インダクタンスが増加し、積分器のゲインが高いほど、ゲイン帯域幅積が大きいアンプになります。エンジニアリングでは常にそうであるように、特定のアプリケーションに応じてトレードオフを行う必要があります。

ホール効果センサーは、1879 年にエドウィン ホールがローレンツ力の物理的原理に基づいて発見したホール効果に基づくデバイスです。外部磁場によって作動します。この汎用デバイスでは、ホール センサーは磁気システムによって生成された磁場を感知します。このシステムは、入力インターフェイスを介して感知される量 (電流、温度、位置、速度など) に応答します。ホール素子は基本的な磁場センサーです。ほとんどのアプリケーションで出力を使用できるようにするには、信号調整が必要です。必要な信号調整電子機器は、増幅段と温度補償です。電圧調整は、調整されていない電源で動作する場合必要です。磁場が存在しないときにホール電圧を測定すると、出力はゼロになります。ただし、各出力端子の電圧をグランドに対して測定すると、ゼロ以外の電圧が現れます。これがコモン モード電圧 (CMV) であり、各出力端子で同じです。次に、出力インターフェイスは、ホール センサーからの電気信号を変換します。ホール電圧は、アプリケーションのコンテキストにとって重要な信号です。ホール電圧は、1 ガウスの磁場がある場合、約 30 μV の低レベル信号です。この低レベル出力には、低ノイズ、高入力インピーダンス、中程度のゲインを備えたアンプが必要です。これらの特性を備えた差動アンプは、標準的なバイポーラ トランジスタ技術を使用して、ホール素子と簡単に統合できます。温度補償も簡単に統合できます。

この一連の電流センサーは、導体に電流が流れると、導体の周囲に磁場が生成され、その強さは流れる電流の大きさに正比例するという原理に基づいています。ホール効果磁場センサーは、誘導電流を測定するために使用され、その出力は流れる電流の大きさに正比例します。

最も単純な構成では、ホール効果磁場センサーを導体に隣接させて配置し、その出力を測定できますが、制限があります。約 10 アンペア未満の電流レベルでは、生成される磁場は非常に弱く、地球の磁場よりもそれほど強くはありません。また、生成されるホール電圧は非常に小さいため、非常に高い増幅が必要になり、それに伴う熱不安定性やノイズの問題が発生します。

フラックスゲート センサーまたは飽和インダクタ電流センサーは、ホール効果ベースの電流センサーと同じ測定原理で動作します。測定対象の一次電流によって生成される磁場が、特定の検出素子によって検出されます。飽和インダクタ電流センサーの設計は、閉ループ ホール効果電流センサーの設計に似ています。唯一の違いは、この方法では、エアギャップ内のホール効果センサーの代わりに飽和インダクタを使用することです。

飽和インダクタ電流センサーは、インダクタンスの変化の検出に基づいています。飽和インダクタは、コイルが巻かれた小さくて薄い磁気コアでできています。飽和インダクタは飽和領域で動作します。外部および内部の磁束密度が飽和レベルに影響を与えるように設計されています。飽和インダクタの飽和レベルの変化は、コアの透磁率を変え、その結果としてインダクタンス L を変えます。飽和インダクタンス (L) の値は、低電流では高く (コアの透磁率に基づく)、高電流では低くなります (飽和するとコアの透磁率は 1 になります)。フラックスゲート検出器を解釈する場合、多くの磁性材料が磁場強度 H と磁束密度 B の間に非線形関係を示す特性を考慮する必要があります。^[6]

この技術では、エアギャップのない 2 つのコアを使用することで高周波性能が実現されます。2 つのメイン コアのうち 1 つは飽和インダクタを作成するために使用され、もう 1 つは高周波トランス効果を作成するために使用されます。別のアプローチでは、エアギャップのない 3 つのコアを使用できます。3 つのコアのうち 2 つは飽和インダクタを作成するために使用され、3 つ目のコアは高周波トランス効果を作成するために使用されます。飽和インダクタ センサーの利点には、高解像度、高精度、オフセットとゲインのドリフトが低いこと、および広い帯域幅 (最大 500 kHz) などがあります。飽和インダクタ技術の欠点には、よりシンプルな設計のために帯域幅が制限されること、二次電力消費が比較的高いこと、および一次導体に電流または電圧ノイズが注入されるリスクがあることなどがあります。

磁気抵抗器 (MR) は、印加磁場に応じて抵抗が放物線状に変化する 2 端子デバイスです。磁場による MR の抵抗のこの変化は、磁気抵抗効果として知られています。印加磁場の関数として電気抵抗が変化する構造を構築することができます。これらの構造は、磁気センサーとして使用できます。通常、これらの抵抗器は、熱ドリフトを補正するためにブリッジ構成で組み立てられます。^[7] 一般的な磁気抵抗ベースのセンサーは、異方性磁気抵抗 (AMR)、巨大磁気抵抗(GMR)、巨大磁気インピーダンス (GMI)、トンネル磁気抵抗 (TMR) です。これらの MR ベースのセンサーはすべて、ホール効果センサーに比べて感度が高くなっています。それにもかかわらず、これらのセンサー (GMR、CMR、および TMR) は、ホール効果デバイスよりもまだ高価であり、非線形動作、明確な熱ドリフト、および非常に強い外部磁場によってセンサーの動作が永久的に変化する可能性がある (GMR) という重大な欠点があります。 GMIおよびTMRセンサーはGMRベースのセンサーよりもさらに感度が高く、現在いくつかのメーカーで量産されています。(TDK、Crocus、Sensitec、MDT) ^[8]

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