ホール効果電流センサーとは
ホール効果電流センサーとは、磁電変換素子であるホール素子によるホール効果を利用して、電流値を測るセンサーです。
非接触式の検出センサーであり、直流から数kHzまでの交流電流を連続して計測することができます。製品によって検出可能な電流の強さは異なりますが、4000Aまで検出が可能なものもあります。
ホール効果電流センサーの使用用途
ホール効果電流センサーは、AC/DCカレントセンサとして電流測定に用いられています。製品によって、瞬時波形を記録する短期測定用のものや長期での波形記録に適したものなどがあります。DC及びAC 広帯域波形観測用の電流プローブにも用いられている機構です。
ホール効果電流センサーの仕組みは、産業用、車載用など、各種分野において広く応用されています。例えば、車載用では乗用車やトラック、バス、フォークリフトなどの大型車両においてバッテリー出力モニタリングが挙げられます。
各種産業機器の保守においては、消費電力の把握、電源設備の定期点検、電源品質の監視、などに利用されている機械です。利用される機器には、各種インバーター、産業用ロボット、無人搬送機や、NCマシン、レーザー加工機、溶接機、各種安定化電源、UPS、エレベーターなどがあります。また、太陽光発電システム、風力発電システム、燃料電池システムなどのエネルギー分野でも有用です。
ホール効果電流センサーの原理
ホール効果電流センサーは、電流のまわりに発生する磁界を半導体であるホール素子を用いて、ホール効果で電圧 (ホール電圧) に変換する原理を用いています。この電圧を測定することで、電流値を計測することが可能です。
1. ホール効果
電流の流れる方向に対して垂直に磁場をかけると、電流と磁場の両方に直交する方向に起電力が出現します。ホール効果とは、この現象を指します。
例えば、ホール素子のx方向に電流が流れているときにz方向に磁場がかかると、フレミングの左手の法則によりローレンツ力を受け、y方向に荷電粒子の進む方向が曲げられます。これによってホール素子には＋側に帯電する面と－側に帯電する面が現れるため、このそれぞれの面の電位差を測ることによって周囲の磁界の発生有無や磁界の強さを判別することが可能です。
2. ホール素子
ホール素子は、半導体素子の一種です。ホール素子の起電力は磁束密度、電流、キャリアの移動度に比例するため、高感度のホール素子には移動度の大きい半導体を用いることが必要です。原理上は原料にゲルマニウムやシリコンを用いて作製することも可能ですが、素子の感度を高めるため、ほとんどのホール素子では移動度の大きいInSb (インジウム・アンチモン) 、InAs (インジウム・ヒ素) 、GaAs (ガリウム・ヒ素) などが用いられています。
3. ホール効果電流センサーの機構
ホール効果電流センサーは、ホール素子をギャップ部分に組み込んだ磁気鉄芯 (磁気コア) と、増幅回路から構成されます。これは、ホール電圧は一般に小さい電圧であるため、増幅して出力する事が必要なためです。
磁気コア内に測定導体を通過させることで、導体を流れる電流によって磁気コア内に磁束が発生します。この磁束が磁気コアのギャップ部に挿入したホール素子を通過することで、ホール効果が起こり、ホール電圧が現れるという仕組みです。
このホール電圧は磁束に応じて発生するため、電圧を測定することで磁束を求めることができます。また、この磁束は電流に比例して発生しており、結果的に電流の強さを求めることが可能です。
非接触で電流測定するので、測定の為の電圧降下が無いことが特徴です。優れた絶縁性と交流、直流、交直重畳した電流も測定できるデバイスと言えます。
ホール効果電流センサーの種類
ホール効果電流センサーは、1A程度の電流が検出可能なものから2000A、4000A程度まで、検出可能電流範囲は製品によって様々です。
形状は、貫通穴で回路に組み込むタイプの他、完成している回路の外から取り付けが可能なクランプ方式のものなどがあります。測定対象の電流によって発生した磁界をホール素子で直接検出する機構が最もベーシックですが、ホールICを用いているもの、入力電流によって発生した磁界を打ち消すように二次巻き線にフィードバック電流を流すもの (クローズドループタイプ) などがあります。目的に合わせて適切なものを選択することが必要です。
参考文献
https://www.hioki.co.jp/jp/products/listUse/?category=39
https://www.kohshin-ele.com/products/currentsensor/hall/
https://www.tamuracorp.com/electronics/jp/cs/
https://www.nicera.co.jp/about-hall-elements