シャント（電気）

シャントは、回路内の電流に低抵抗の経路を提供するように設計されたデバイスです。通常、過電流を防ぐために、システムまたはコンポーネントから電流を迂回させるために使用されます。電気シャントは、配電システム、電気測定システム、自動車および船舶アプリケーションなど、さまざまなアプリケーションで一般的に使用されています。

一例として、直列に配線されたミニチュアクリスマスライトが挙げられます。白熱電球の 1 つでフィラメントが切れると、切れた電球全体に全線間電圧が発生します。切れる前にフィラメントに並列接続されていたシャント抵抗器がショートして切れたフィラメントを迂回し、残りの電球が点灯できるようにします。ただし、切れた電球が多すぎるとシャントも切れるため、故障箇所を見つけるには マルチメーターを使用する必要があります。

太陽光発電において、この用語は、通常はウェーハの損傷 によって引き起こされる、太陽電池の前面と背面の表面の接点間の望ましくない短絡を説明するために広く使用されています。

ガス入りチューブは、特に避雷器のシャントとしても使用できます。 ネオンは他の希ガスと同様に高い破壊電圧を持っているため、通常は電流が流れません。ただし、電波塔のアンテナなどに直撃雷が当たると、シャントにアークが発生し、大量の電気が地面に流れて送信機やその他の機器が保護されます。

もう 1 つの古い形式の避雷器は、高電圧が存在するとアークが飛び越える、単純な狭いスパーク ギャップを採用しています。低コストのソリューションではありますが、トリガー電圧が高いため、保護された回路で電力を供給される最新のソリッド ステート電子デバイスをほとんど保護できません。

コンデンサは、高周波ノイズが負荷や他の回路コンポーネントに伝播する前に、高周波ノイズをグランドにリダイレクトするためのシャントとして使用されます。

シャントという用語は、フィルターやラダートポロジーの類似回路で、ラインとコモンの間に接続されたコンポーネントを指すために使用されます。この文脈では、この用語は、信号ラインとリターンラインの間に接続されたシャントコンポーネントを、信号ラインに沿って直列に接続されたコンポーネントと区別するために使用されます。より一般的には、シャントという用語は、他のコンポーネントと並列に接続されたコンポーネントに対して使用できます。たとえば、シャントm導出ハーフセクションは、フィルター設計のイメージインピーダンス法の共通フィルターセクションです。^[1]

デバイスが信号または電源の逆極性の影響を受けやすい場合は、回路を保護するためにダイオードを使用できます。回路に直列に接続すると、逆電流を防ぐだけですが、並列に接続すると逆電源を分流し、ヒューズやその他の電流制限回路が開く可能性があります。

すべての半導体ダイオードにはしきい値電圧（通常は 0.5 ボルトから 1 ボルト）があり、この電圧を超えると、通常許容される方向にダイオードに大量の電流が流れます。2 つの逆並列シャント ダイオード（各方向に 1 つずつ電流を流す）を使用すると、ダイオードを通過する信号をしきい値電圧以下に制限して、後続のコンポーネントを過負荷から保護できます。

回路を過電圧から保護する必要があり、電源にそのような過電圧を生成する可能性のある故障モードがある場合、回路は一般にクローバー回路と呼ばれるデバイスによって保護される場合があります。このデバイスが過電圧を検出すると、電源とその戻りの間に短絡が発生します。これにより、電圧が即座に低下し (デバイスが保護されます)、瞬間的に高電流が発生し、電流に敏感なデバイス (ヒューズや回路ブレーカーなど) が開きます。このデバイスは、実際のバールを一連のバスバー (露出した電気導体) に落とすこと に似ているため、クローバーと呼ばれます。

軍艦では、戦闘に入る前に、重要な機器のヒューズに戦闘短絡シャントを設置するのが一般的です。これにより、機器の電源を切ることが適切な対応ではないときに、過電流保護をバイパスします。 ^{[引用が必要]}

次の章の紹介として、この図は、「シャント抵抗器」という用語が、何をシャントするかという文脈で理解されるべきであることを示しています。

この例では、抵抗器 R _{L は}負荷 L の周囲に電流を流すため、「シャント抵抗器」(負荷 L に対して) として理解されます。R _{L は}負荷 L と 並列に接続されます。

ただし、直列抵抗器R _M1と R _{M2 は}、低抵抗抵抗器 (写真のように) であり、計器 M1 と M2 の周囲に電流を流すためのもので、これらの計器へのシャント抵抗器として機能します。R _M1と R _{M2 は、M1 と M2 に}並列に接続されています。計器なしで見ると、この回路では これら 2 つの抵抗器は直列抵抗器と見なされます。

電流計シャントを使用すると、特定の電流計で直接測定するには大きすぎる電流値を測定できます。この場合、非常に低いが正確に抵抗値がわかっている別のシャント抵抗器が電圧計と並列に配置され、測定される電流のほとんどすべてがシャントを流れるようになります (電圧計の内部抵抗が非常に高いため、電流のごく一部しか流れず、無視できるとみなせる場合)。抵抗は、結果として生じる電圧降下が測定可能でありながら回路を混乱させない程度に低い値になるように選択されます。シャント両端の電圧はシャントを流れる電流に比例するため、測定された電圧をスケーリングして電流値を直接表示できます。^{[2] [3]}

シャントは最大電流とその電流での電圧降下によって定格が決められます。例えば、500A、75mVのシャントは抵抗が150 マイクロオーム、最大許容電流は 500アンペアで、その電流での電圧降下は 75ミリボルトになります。慣例により、ほとんどのシャントは、定格電流で動作しているときに 50 mV、75 mV、または 100 mV 降下するように設計されており、ほとんどの電流計は、フルスケール偏差が 50、75、または 100 mV のシャントと電圧計で構成されています。すべてのシャントには、連続 (2 分以上) 使用時のディレーティング係数があり、最も一般的なのは 66% です。そのため、例のシャントは、330 A (および 50 mV 降下) を超えてそれより長く動作させないでください。

この制限は、シャントが正しく動作しなくなる熱限界によるものです。一般的なシャント材料であるマンガニンの場合、80 °C で熱ドリフトが発生し始め、120 °C では熱ドリフトが重大な問題となり、シャントの設計によっては誤差が数パーセントになることがあります。また、140 °C ではマンガニン合金がアニーリングにより永久的に損傷し、抵抗値が上下にドリフトします。^[要出典]

測定される電流も高電圧電位にある場合、この電圧は接続リード線と読み取り装置自体にも存在します。^[2]場合によっては、この問題を回避するためにシャントがリターンレッグ（接地側）に挿入されます。シャントの代替品として、メーターを高電圧回路に直接接続しないことで高電圧からの絶縁を実現できるものがあります。この絶縁を実現できるデバイスの例としては、ホール効果電流センサーや変流器（クランプメーターを参照）があります。電流シャントは、ホール効果デバイスよりも正確で安価であると考えられています。このようなデバイスの一般的な精度仕様は、±0.1%、±0.25%、または±0.5%です。

トーマス型二重マンガニン壁シャントとMI型（改良型トーマス型設計）は、1990年に量子ホール効果に取って代わられるまで、 NISTやその他の標準研究所でオームの法定基準として使用されていました。量子ホール効果の使用は時間のかかるプロセスであるため、トーマス型シャントは、非常に正確な電流測定を行うための二次標準として今でも使用されています。これらのタイプのシャントの精度は、設定された抵抗の1年あたりのドリフトのppmおよびサブppmスケールで測定されます。^[4]

回路の片側が接地 (アース) されている場合、電流測定シャントは非接地導体または接地導体のいずれかに挿入できます。非接地導体のシャントは、接地に対する全回路電圧に対して絶縁されている必要があります。測定機器は、本質的に接地から絶縁されているか、機器内の比較的高いコモンモード電圧とより低い電圧の間に抵抗分圧器または絶縁増幅器が含まれている必要があります。接地導体のシャントは、シャントをバイパスする漏れ電流を検出しない可能性がありますが、接地に対する高いコモンモード電圧は発生しません。負荷は接地への直接経路から除去されるため、制御回路に問題が生じたり、不要な放射が発生したり、またはその両方が発生する可能性があります。

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  ローサイド挿入によりコモンモード電圧を排除できますが、欠点がないわけではありません。
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  ハイサイド挿入によりローサイドの欠点は解決されますが、コモンモード電圧は保証されます。
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  絶縁アンプは、ハイサイドまたはローサイドの電流シャント測定に伴うすべての困難と制限を解決します。

• 負担電圧
• シャントジェネレータ
• シャント巻モーター
• シャントジャンパー
• ゼロオームリンク
• ヒューズ（電気）
• ビーズ（電気）

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