電流センサー入門
電流センサーは計測を可能にします。ひとたび測定値が得られれば、それを使ってシステムを監視、制御、保護することができる。電流センサーは、モーター速度制御、過負荷保護、故障検出、バッテリー充電器、電源、プログラマブル電流源などでますます一般的になっています。この記事では、一般的な電流センサの種類とその利点について説明します。Danisenseでは、当社製品を電流センサーまたは電流変換器と呼ぶことがほとんどです。
電流センサーとは？
電流センサーは、導体を流れる電流量を測定する装置である。非絶縁の直接測定技術から磁界を感知するものまで、さまざまな実装がある。
現在のセンサー・アーキテクチャ
シャント抵抗 電流センサー
このシンプルな電流センサーはダイレクト・センシングを採用している。オームの法則（V=IR）を用いて、シャントの値が既知であり、それを横切る電圧がアンプで測定され、電流が決定される。これはAC電流とDC電流の両方で動作しますが、非絶縁ソリューションです。
シャント抵抗電流センサーは、シャント内の熱と電力散逸のため、高電圧または高電力アプリケーションには適していません。シャント抵抗は、精度を高め、損失を減らすために、高耐圧、低温度係数、低抵抗である必要があります。物理的な実装では、損失を減らすために複数の抵抗を並列に使用することが多く、部品点数が多くなる。シャント抵抗電流センサーは、より多くの基板スペースを必要とするが、薄型のソリューションである。
ホール効果電流センサー
ホール効果とは、電流を流す導体（金属板など）を磁界にかけると、電流の流れに垂直に電圧が発生するというもの。磁場がなければ電流は一直線に流れるが、磁場がかかると電流の経路が片側に移動し、電圧差が生じる。電圧は電流に正比例するので計算できる。
ホール効果電流センサーはホール素子を使用する。ホール素子に電力が供給され、表面に垂直な磁界中に置かれると、磁界の強さに比例した電圧が発生する。
アンペールの法則では、導体に電流が流れると磁界が発生する。電流センサーには磁性体コアがあり、電流によって発生する磁界をエアギャップに集中させるために使用される。ホール素子はエアギャップ内に置かれ、その結果得られる出力電圧は元の電流に正比例する。ホール効果電流センサーは、高精度、小型、高速応答、低挿入損失、低コストで、ACとDCの両方で動作します。
オープンループとクローズドループの電流センサー
オープンループ電流センサーの主な懸念事項は、直線性と温度オフセットドリフトであり、この2つはクローズドループ構成によって解決される。
閉ループ電流センサーでは、2つ目のホール効果電流センサーが、逆方向に配置された2つ目の磁気コイルに電流をフィードバックします。これにより、非線形性と温度ドリフトが補正され、応答が速くなり、電気ノイズの影響を比較的受けにくくなります。
オープンループとクローズドループのホール効果電流センサーはどちらもエアギャップを持ち、外部磁界の影響を受けやすいため、MRIや大型電源のような大きな電磁波が存在するアプリケーションには不向きです。
マジェント抵抗器
磁気抵抗器は、磁界に比例して抵抗値が変化する部品である。磁気抵抗素子をエアギャップ内に配置すると、一次電流によって磁界が発生し、材料の抵抗が変化して電流が測定されます。この方法は、オフセット温度が低く、ホール効果電流センサーよりも正確ですが、エアギャップがあるため、EMCの影響を受けやすくなります。
フラックスゲート電流センサー
フラックスゲートは高透磁率のコアを持つデバイスで、その電流はすぐに飽和する。フラックスゲートを矩形波で駆動すると、電流のプロファイルは正負の飽和と非飽和のサイクルを繰り返すようになる。磁場が集中するコアのエアギャップ内にフラックスゲートを置くと、これらのサイクルのゼロクロス点にシフトが生じる。信号処理により、このシフトが電流測定値に変換される。フラックスゲート電流センサーは、オフセットとドリフト特性に優れています。性能を向上させるために設計されたいくつかのバリエーションがあります。
クローズドループ
ホール効果電流センサーと同様に、クローズド・ループ・アーキテクチャを作ることができる。電流出力は二次エレメントに再投入され、逆方向の磁界を発生させます。この方法では、フラックスゲートが経験する磁場は常にゼロとなり、オフセットや直線性の問題がなくなります。
シングルコアとダブルコア
単芯電流センサーは、フラックスゲート素子としてエアギャップのないコイルを使用している。エアギャップをなくすことで、EMFに対する感度を回避し、電源やMRIなど有用なアプリケーションを広げている。分解能は高いが、飽和が非常に早く起こるため、帯域幅は数ヘルツに制限される。ダブルコアの電流センサーは、巻線コアを追加することで帯域幅を広げますが、その分価格も上がります。
バランス・コア
平衡コア電流センサーは、対向配置された2つの整合フラックスゲート素子を使用します。これは、2つの素子間に固有の補償があるため、温度やEMCなどの外的要因に影響されない設計となります。このアプローチは、厳しい環境下でも非常に高い精度を実現します。
フラックスゲート電流センサーはホール効果電流センサーよりも高価であり、コアの高さも必要であるため、設計上の制約となり得る。最後の3つの設計は、エアギャップがないため、高起電力状況に適しているという利点があります。
AC専用電流センサー
ロゴスキーコイル
ロゴフスキー・コイルは、非磁性コアに巻かれた単層巻線で、しばしばエア・コアと呼ばれる。コイルは、測定が必要な電流を流すワイヤーの周囲に配置される。交流電流の極性が変わると、発生する磁場が拡大したり縮小したりする。発生する磁場の変化により、ロゴスキーコイルの巻線に一次電流に比例した電流が誘導され、それが処理されて測定値が得られる。
空芯の大きな利点は、磁気飽和がないため、大電流でも非常にリニアな出力が得られることです。ロゴスキーコイルは、その帯域幅がMHzにまで及ぶため、大電流や高周波の高調波を含む信号に主に使用されます。また、コアは柔軟で、テストケーブルに簡単に巻き付けることができるため、アフターマーケットでの取り付けが困難な場合や、電線が生きている場合にも適しています。
電流トランスセンサー
カレント・トランス・センサーは、磁束をコイル内部に集中させる磁性体コアを備えたロゴフスキー・コイルである。これにより、コイル電流と一次電流の間に直接的な関係が生まれます。電源を必要とせず、消費電力が非常に小さいため、高い信号レベルでも使用できる。そのサイズとコストのため、主にハイパワーシステムで使用される。
電流センサーを選択する際の考慮事項
電流センサーのトポロジーにはそれぞれ利点がある。設計者は、アプリケーションに存在する制限と、どの側面が最も重要であるかを考慮する必要がある。
- ACおよびDC、またはACのみ
- 高電圧、電流、電力
- 基板スペース、高さ、部品点数、コスト
- 応答時間、精度、帯域幅、速度
- ノイズや電磁波などの環境要因