電流センサ : タイプ、主要パラメータ、パフォーマンス比較、および共通アプリケーション

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オームの法則に基づく電流センシング

オームの法則によれば、電圧は抵抗素子に供給される電流に比例して出現します。この基本的なアプローチを使用して、頻繁に使用されるシャント抵抗器や銅線を含むさまざまなセンサが考案されてきました。

シャント抵抗器 :

これらは、電流が流れるワイヤと直列に接続された、低抵抗の精密抵抗器です。シャント抵抗器の両端の電圧降下は、シャント抵抗器を流れる電流に比例するため、この電圧を測定することで、シャント抵抗器を通過する電流の量を調べることができます。シャント抵抗器は、AC電流とDC電流の両方を測定できます。シャント抵抗器は電流伝達経路内にあるため、電流の二乗に比例して増加するかなりの電力損失を引き起こす可能性があります。高電流アプリケーションでは、この電力損失によりシャント抵抗器の使用が制限されるかもしれません。

同軸シャントは、立ち上がり時間の速い過渡電流と大きな振幅を必要とするさまざまなアプリケーションで広く使用されています。しかし、低コストの表面実装型デバイス (SMD) はサイズが小さくコストが安いため、高度に統合された電子機器で好まれています。

銅配線 :

特定のシャント抵抗器の代わりに、回路内の導電要素の固有抵抗を使用することも実現可能です。ただし、銅線は抵抗が低く、電圧降下も小さいため、有用な信号を得るには高ゲインのアンプが必要です。

図1 : 電流センシング用シャント抵抗器の使用

図1は、電流検知用のシャント抵抗器の代表的なアプリケーションを示しています。生成された電圧は、ADCの測定範囲全体を活用するために増幅され、その後、処理のためにデジタルコントローラに供給されます。

この種の電流センサの大きな欠点は、測定対象の電流と検知回路の間に存在する固有の電気的接続です。絶縁アンプを使用することで電気的絶縁が得られますが、センサの価格が高くなります。また、元の電流センシング技術の帯域幅、精度、熱ドリフトも低減できます。その結果、絶縁が重要な状況では、電気的絶縁を組み込んだ物理原理に基づく電流センシングデバイスが適しています。

ファラデーの電磁磁誘導の法則に基づく電流センシング

ファラデーの電磁誘導の法則は、閉回路で生成される総起電力 (emf) が、回路に結合する総磁束の時間変化率に比例するというもので、電流センシングデバイスで広く使用されています。ファラデーの法則に基づく一般的なセンシングデバイスは、カレントトランス (CT) とロゴスキーコイルの2つです。安全上の理由から電気的絶縁が必要な場合、これらのセンサは測定対象の電流と出力信号の間に必要な絶縁を自動的に提供します。これにより、現在の検出装置を貴重なものにします。

カレントトランス (CT) :

CTには、主巻線 (通常は単一ループ)、コア、および二次巻線があります。効果的な高交流電流測定センサです。その結果、大きな主電流をより小さな二次電流に変換することができます。この装着は受動なので、追加の駆動回路は必要ありません。もう1つの重要な機能は、非常に少ない電力で非常に高い電流をモニタできることです。ただし、コアに使用されるフェライト材料は、非常に高い一次電流または電流内にあるかなりのDC成分によって飽和し、信号が歪む可能性があります。もう1つの問題は、コアが一度磁化されるとヒステリシスが発生し、再度消磁しないと精度が低下することです。さらに、基本的な考え方は、電流の変化に比例する磁束の変化の検出に依存しているため、標準的な形式でDC電流を検出することはできません。

図2 : CTの基本構造

図2はCTの動作を示しています。巻数比に応じて、主電流Ipの変化がIsとして二次側に反映され、センシングに利用することができます。一次電流に比例した出力電圧を生成するシャント抵抗器を使用して、出力電流をモニタできます。これにより、絶縁、損失の最小化、簡単な動作原理、および電流センサ用に追加増幅を必要としない電圧出力を現します。アナログデジタルコンバータ (ADC) は、出力電圧を直接サンプリングできる場合があります。

一次電流降下率はCT比で示されます。トランスの精度は、カレントトランスクラスまたはCTクラスと呼ばれることもある、トランス精度クラスよって評価されます。CTは、精度クラスに基づいて、計測精度CTとリレー精度CTの2つのカテゴリに分類されます。計測精度 CTは、非常に低い電流であっても、すべての電流定格で非常に正確になるように設計されています。これは特定の共通負荷に対して評価されます。精度が非常に高いため、電力会社は請求目的で使用量を評価するためにこれらのCTを日常的に利用しています。リレー精度CTは計測精度CTよりも精度が低くなります。これらは機器の保護に必要な最小限の精度で動作するように設計されています。

カレントトランスは、費用が低く、アナログデジタルコンバータとすぐに互換性のある出力信号を生成できるため、電力変換アプリケーションで頻繁に使用されます。また、50 / 60Hzのライン周波数で動作する配電ネットワークでも重要な役割を果たします。

ロゴスキーコイル :

これらの空芯コイルは柔軟性があり、導体の周りに巻かれています。導体Ip内の電流によって生じる変化する磁場によって、電流の変化率に比例する導体内の電圧が誘導されます。ロゴスキーコイルの主な使用はAC電流の測定で、特に高周波アプリケーションで使用されます。

図3 : 代表的なロゴスキーコイルの回路図

図3は代表的なロゴスキーコイルの概略図を示しています。一次電流の派生物によって、生成される電圧の量が決まります。必要な電流検知を行うには、出力にインテグレータが必要です。

トランスは高透過性をもつ磁気コアを使用できないため、ロゴスキーコイルの感度は低下します。ロゴスキーコイルは、基本的に線形であり、飽和をしないという点で際立っています。ロゴスキーコイルシステム、短絡試験システム、ロゴスキーコイル誘導モータ、雷試験設備での電流の検出に使用できます。価格的には最新のトランスに匹敵します。

電流センシング用磁場センサ

ファラデーの電磁誘導の法則を使って静磁場を発生させる電流を検出するのは困難です。一方、磁場センサは静的磁場と移動磁場の両方を識別できます。これらは、電流検知の望ましい代替選択肢として存在します。

ホール効果センサ

図4 : ホール効果の原理

これらのセンサはホール効果に基づいています。ホール効果とは、電流が流れる導体の断面に磁場が加えられると、導体全体に電圧差が生じるというものです (図4参照)。フレミングの左手の法則を使用して、電流と磁場に直交して形成される起電力 (emf) の方向を決定できます。電流と磁場の振幅と相対角度によって、結果として生じるベクトル電圧が決まり、これはホール定数に比例します。検出される電流によって磁場が生成され、分析可能な電圧を提供する磁場が生成されます。

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。信号調整電子機器では、多くの場合、増幅段と温度補正が必要になります。これらの特性を持つ差動アンプは、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組み合わせることができます。温度補償も簡単に実装できます。図5はホール効果電流センサの一般的な設計を示しています。

図5 : 電流検知におけるホール効果の使用

ホール効果センサは、電力変換システム、溶接装置、モータドライブ、レーダー装置、電解採取産業など、さまざまなアプリケーションで使用されています。

フラックスゲートセンサ

基本的なフラックスゲートセンサは、磁性材料内の磁場Hと磁束密度B間の非線形接続を利用し、その結果、材料の透磁率が変化します。

図6 : 基本的なフラックスゲート構成

図6は、電流I_pを検知するためのフラックスゲートセンサの簡単な設計を示しています。磁気コアには励磁巻線とピックアップ巻線の2つの巻線が取り付けられています。励起巻線は正弦波電流源に結合され、励起磁場を生成します。その結果、ピックアップ巻線に電圧が生成され、それが検知で使用できるようになります。外部磁場が励起磁場と比較して最小であると仮定すると、出力電圧のピークは外部磁場に比例し、それを定量化するために使用できるかもしません。

絶縁型フラックスゲートセンサは、費用が高く、設置面積が限られているため、主に高精度のアプリケーションで商業的に役に立つことが証明されています。フラックスゲートはその高精度のため、校正システム、診断システム、実験装置、医療システムに採用されています。

磁気抵抗 (MR) センサ

図7は、印加された磁場に応じて抵抗が変化する2つの端末デバイスである磁気抵抗器を示しています。磁場が材料の抵抗に与える影響はMR効果と呼ばれます。MR効果を使用すると、検出される電流の変化によって磁場が変化し、それが電圧に反映されて分析されます。

図7 : 磁気抵抗電流検知の原理

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設計で頻繁に使用されます。MR効果を利用して電流センサを作れるかもしれません。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) などが一般的な形式の例です。

磁場ベースの電流センサの構成

これらの磁場ベースの電流センサは、閉ループと開ループの両方のアプリケーションで広く利用されています。

磁場センサの出力電圧は、閉ループ設定でエラー信号として使用され、2番目のトランス巻線を介して電流を流します。この電流は磁場を生成し、磁気コア内の磁束を補正してゼロにします。理想的な条件下では、二次電流は一次電流Ipに比例します。図8は閉ループセンサの配置を示しています。

図8 : 閉ループセンサ構成

図9は、調整用のフィードバック信号のない開ループ設計を示しています。

図9 : 開ループセンサ構成

開ループセンサでは、センサの温度ドリフトやその他の非線形性により不正確さが生じます。逆に、閉ループセンサは精度と飽和性能を向上させます。使用するセンサ構成は、特定のアプリケーションとニーズによって決まります。開ループ電流センサは、コストが安く、コンパクトで、電力も必要ないという理由から、広く普及しています。閉ループ電流センサは、特に温度変化や電気ノイズが大きい環境において、高い精度と飽和耐性が求められるアプリケーションに推奨されます。

光ファイバー電流センサ

電流センサを作成するには、ファラデーの磁気光学効果を利用できます。ファラデー効果により、光の透過経路に沿った磁場の投影ルートに比例した偏光回転が発生します。ほとんどの光学的に透明な誘電体材料は、磁場にさらされるとこの現象を示します。図10は、検出された電流によって生成された磁場がファラデー効果によってどのように偏光を引き起こすかを示しています。

図10 : 光の偏光をもたらすファラデー効果

回転は、入力と出力の偏光子によって検出できます。入射偏光の回転を測定することにより、磁場とその結果生じる電流を推定することができます。

電流センサの選択基準

最大のパフォーマンスと互換性を保証するために、特定のアプリケーションまたはプロジェクトに電流センサを選択する際には、いくつかの側面に取り組まなければなりません。検討すべき重要な変数は次のとおりです。

1. 電流のタイプ : AC、DC、または両方のタイプの電流測定が必要かどうかを確認します。トランスやロゴスキーコイルなどの一部のセンサはAC電流の測定専用ですが、ホール効果センサやシャント抵抗器などの他のセンサはAC電流とDC電流の両方を測定できます。

2. 電流範囲 : 最小および最大電流レベルを測定することを検討しましょう。ニーズに合った適切な測定範囲を持つセンサを選択します。センサの飽和状態を回避し、全範囲にわたって正確な読み取りを保証することが重要です。

3. 精度 : アプリケーションの精度のニーズを調べます。センサによって精度は異なります。高精度シャント抵抗器、光電流センサ、フラックスゲートセンサは優れた精度を提供しますが、ホール効果センサなどの他のセンサは特定の状況で精度が低下する可能性があります。

4. 感度 : 注目すべき電流の最小の変化を検討します。一部のセンサは感度が高く、電流のわずかな変動を検出できますが、他のセンサは高精度が要求されるアプリケーションには適さない場合があります。

5. 帯域幅 : アプリケーションに応じて、さまざまな周波数幅にわたって電流を測定するか、特定の周波数で電流を測定する必要がある場合があります。特に高周波電流を扱う場合は、ニーズを満たす周波数応答を備えたセンサを選択ましょう。

6. 環境要因 : センサの動作温度範囲、湿度、およびパフォーマンスに影響を与える可能性のあるその他の外部要素を考慮します。センサによっては、外部からの衝撃に対する耐性が他のセンサよりも高いものもあるため、アプリケーションの固有の要件に応じて確実に機能するセンサを選択することが重要です。

7. サイズとフォームファクタ : 取り付け方法や利用可能なスペースなど、プロジェクトの物理的な制限を考慮します。シャント抵抗器は、小型で取り付けが簡単なセンサの良い例です。一方、トランスはサイズが大きくなり、より多くの場所を占める可能性があります。

8. 絶縁 : 測定電流とセンサ出力間の電気的絶縁が必要な場合は、カレントトランス、光電流センサ、ガルバニック絶縁ホール効果センサなどのセンサの利用を検討しましょう。センサによって提供される絶縁電圧がアプリケーションのニーズを満たすかどうかを検討することも重要です。

9. 電源要件 : アプリケーションがセンサの電源ニーズを満たせることを確認します。センサの最大動作電圧を検討することが重要です。アプリケーションによっては特定の電力ニーズがある場合があるため、負荷抵抗の結果としてセンサが受ける電力損失を評価することが重要です。

10. グレード : 車載などの一部のアプリケーションでは、特殊グレードのセンサが必要になる場合があります。

11. コストと入手可能性 : センサの価格と購入場所について考えてみましょう。特定のセンサはパフォーマンスが向上する場合がありますが、より高価になったり、入手困難になったりする可能性もあります。

各種センサの性能比較

表1は、さまざまなセンサの重要なパフォーマンスの指標を示しています。

表1 : 各種センサの性能比較

¹温度補償電子機器の使用

電流センサのアプリケーション

1. 電力システムとグリッドモニタリング: 電力網の安定性と有効性を保証するために、電流センサを使用して、送電線、トランス、サーキットブレーカーの電流を検出し、モニタします。

2. 過電流保護 : サーキットブレーカー、ヒューズ、リレーなどの保護デバイスは、電流センサを使用して過電流イベントを検出し、保護アクションを開始して、機器の損傷を防ぎ、安全性を確保します。

3. エネルギー管理 : 住宅、商業、産業の環境でエネルギー使用量を測定および管理するために、スマートメータ、エネルギーモニタリングシステム、需要側管理アプリでは電流センサが使用されます。

4. モータ制御と駆動 : 電流センサは、モータ制御システムで使用され、モータに供給される電流をモニタおよび管理して、速度、トルク、位置を正確に制御します。

5. 再生可能エネルギーシステム : 効率を最適化し、過負荷や短絡による損傷を回避するために、太陽電池、風力タービン、その他の再生可能エネルギー生産装置の動作をモニタリングおよび管理する電流センサが不可欠です。

6. バッテリー管理システム : 電流センサは、電気自動車、グリッドエネルギー貯蔵、およびその他のアプリケーションのバッテリー管理システムで充電電流と放電電流をモニタおよび調整し、バッテリーのパフォーマンスを最大化し、バッテリー寿命を延ばすために使用されます。

7. 電源モニタリング : 電流センサは、電子機器や装着の電源ユニットで使用され、出力電流をモニタおよび調整して、信頼性と効率性の高い機能を保証します。

8. 産業オートメーションと制御 : モータ、アクチュエータ、その他の部品の電流を検出および調整するために、電流センサは、ロボット工学、プロセス制御、製造などのさまざまな産業用アプリケーションで利用されています。

9. 試験および測定機器 : オシロスコープ、マルチメータ、その他の試験および測定機器はすべて、電子回路およびシステム内の電流を測定および検査するために電流センサを採用しています。

10. 家電 : 電力使用量を追跡・管理し、安全性を維持するために、チャージャ、電源アダプタ、スマートホーム システムなど、さまざまな民生用電子機器製品に電流センサが使用されています。

これらは電流センサのほんの一例です。これらは、電流を制御する際の適応性と重要性により、さまざまな分野のさまざまなアプリケーションで重要な部品となっています。

結論

電流センサは、さまざまな電気および電子システムで重要な機能を果たすため、さまざまな分野の多数のアプリケーションで不可欠な部品です。このページでは、電流センサの種類、選択基準、性能比較、一般的な利用など、役立つ主な側面について説明します。

極めて正確なリニアホール効果電流センサの開発におけるイノベータにはMPSが含まれます。MPSでは、漂遊磁場に耐性のある、高絶縁の工場校正済みセンサを豊富に取り揃えています。詳細については、電流センサのページをご覧ください。

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