電流発生器とは
電流発生器とは、電子機器などの電気的な測定のために、一定の定電流を発生させる装置です。
製品としては、電圧電流発生器として発売されているものが多いです。一定の電流を流し続ける必要があるため、負荷抵抗が変化しても定電流を流せるように、搭載されているオペアンプや基準電圧ICによって電流の大きさを制御しています。
電流発生器の中には、大電流を流すことで大規模な電気設備の測定などを行える電流発生器もあります。
電流発生器の使用用途
電流発生器は、半導体デバイスや電子機器、電子部品の電気特性の評価や測定などの用途が主です。また、大電流を発生できる電流発生器では、ブレーカなどの遮断動作の確認や、ヒューズの溶断の検査、変電設備の評価などの用途で使用されます。
電流計や電圧計が備え付けられている製品が多く、高精度で測定対象の電気特性を計測することが可能です。装置を選定する際は、対応している電圧や電流の大きさ、測定精度、安全性などの各種仕様を良く考慮する必要があります。
電流発生器の原理
電流発生器の原理は、負荷のインピーダンス値によらない定電流発生回路を構成すべく、オペアンプや基準電圧回路による負帰還回路を活用し、発生する電流値を基準電圧 (Ref電圧)と内部の抵抗値で決定している点にあります。
定電流を発生させるための回路でよく用いられているのが、負帰還回路でのオペアンプの入力端子で0Vになるバーチャルショートを成立させる回路です。バーチャルショートを成立させる回路には、通常は吸い込み型と吐き出し型があります。
1. 吸い込み型
吸い込み型は、外部から電流をトランジスタに吸い込むように定電流発生の回路に流し、オペアンプとグランドを利用して、バーチャルショートの回路を作る方式です。
2. 吐き出し型
吐き出し型は、電流発生器の回路からトランジスタを利用して増幅させて吐き出すように、外部に電流を流すことでバーチャルショートを成立させる方式です。
ともにオペアンプに印加されるRef電圧を内部の抵抗で割った値で電流値が決定するため、負荷インピーダンスに依存なく、電流値は抵抗でその値を調整可能となっています。
電流発生器のその他情報
1. 電流発生器と計装設備
計装設備の分野で標準的に用いられる、4-20mA及び1-5Vとはアナログ信号の一種で、センサー (変換器) からの出力信号または調節器、シーケンサなどの制御信号として幅広く使われています。
例えば、バルブの開度で考えた場合、開度計からの出力信号は次のようになります。
- バルブ開度0％: 4mAまたは1V
- バルブ開度100％: 20mAまたは5V
つまり、計測値が0の時に4mAまたは1Vを出力し、計測値が100の時に20mAまたは5Vを出力すると言うことです。信号を標準化・統一化することで、計装機器同士の信号の受け渡しが可能です。
計測値が0の時に4mAを出力させる理由は、電線が断線しているかどうかを判断するためです。すなわち、4mAの電流が流れて0を指示しているのか、若しくは電線が途中で切断して0を指示しているのかを判断する目的です。広角度形指示計においては、4mAで0を示し、断線して電流が流れていない場合は0以下を示すように作られています。
2. 計装設備評価時のノイズ対策
電圧で信号を送ると電圧降下が発生し測定誤差の要因となりますが、電流で信号を送った場合には電圧降下が発生しないため長距離の伝送に適しています。
その他、別の計装機器の入力が1-5Vであった場合、250オームの抵抗を挿入すれば、容易に電圧信号に変換できることが電流信号の特徴です。反対にデメリットとして、ノイズの影響を受けやすく測定値に誤差が生じることがあります。
ノイズ対策としては、シールドケーブルを使用する、ノイズフィルタを取り付ける、アースの取り方などを考慮することで、ノイズの影響を最小限に抑えることが効果的です。また、4-20mAの信号でループ回路を形成している場合には、断線するとループ全体に影響が出るといった点が挙げられます。これは、直列回路であるためです。対策として、アイソレータを使用することも1つの手段です。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/kogyobutsurikagaku/40/4/40_258/_pdf
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/teid1.html
https://www.marutsu.co.jp/contents/shop/marutsu/mame/123.html
https://tmi.yokogawa.com/jp/solutions/products/generators-sources/source-measure-units/
http://www.tokyo-seiden.co.jp/technic/current/
http://energy-kanrishi.com/4-20ma/