電流センサーとは
電流センサーとは、回路に流れる電流を測定する装置です。
電流センサーは電流回路の内部に組み込むため、回路を遮断する必要があったり、危険を伴ったりしますが、回路の一部の電線部分を外からクランプするだけで電流が計測できるタイプもあります。
電流センサーの使用用途
電流センサーは、特定の回路に流れている電流値を知りたい場面で使用されます。定常的に回路に流れる電流値を計測しかつ記録したい場合には、回路に直接組み込むタイプの電流センサーを使用することが多いです。この場合は、稼働中の装置の自己保全のための情報として使用されます。
一方で、電気工事作業における通電の事前および事後確認や電気回路が故障した時の原因調査のための通電部確認などの非定常的な場面では、回路を外からクランプするタイプの電流センサーが便利です。
電流センサーの原理
回路へ直接接続する電流センサーは抵抗の役割をし、回路にかかった電圧から実際に流れる電流値を計測します。クランプタイプの電流センサーは、直接回路に接続しているわけではないため、回路に流れる電流を実測することはできません。そこで、回路の電線に流れている電流から発生する磁場を測定することで電流換算値として出力しています。
具体的には、クランプ部分には磁気コアがあり、その部分で磁場を検知し電流値に換算しますが、交流と直流で磁場の極性が異なるため、観測のための原理も異なります。多種ある測定方式の中でも直流と交流どちらも検知できる方式として、ホール素子式があります。
この方式では、磁気コア内にホール素子を組み込むことで、被測定回路に発生している磁界を電圧として計測し、内蔵されたアンプを介して電流値に換算しています。
電流センサーの選び方
電流センサーには、電流回路には直流回路と交流回路があります。計測したい回路の電流成分と測定したい精度によって、適切な電流センサーを選定することが重要です。
一般的に、大きな精度を必要としない場合であれば、直流と交流どちらも対応できるホール素子式を選定しますが、回路の設置位置など場合によっては上手くクランプできないことも想定されます。
交流の場合であれば、コアがないロゴスキー式の電流センサーを選定することで、クランプ部を曲げながら計測が可能です。
電流センサーのその他情報
1. 電流センサーの検出方法
電流センサーは、検出方法の特徴により用途も異なります。電流検出の方法は、大きく抵抗検出型と磁場検出型の2つに分類できます。
抵抗検出型
抵抗検出型は、測定したい電流が流れる箇所にシャント抵抗と呼ばれる抵抗を入れることで電流を検出します。オームの法則により、抵抗に電流を流すと電圧降下が発生します。
この電圧値を測定し抵抗値で割ることにより、電流の測定が可能です。回路設計によりますが、回路上の動作に影響を及ぼさないようシャント抵抗の抵抗値は小さな抵抗値を選ぶことが一般的です。
ただし、大電流を計測する場合は抵抗値の発熱や耐圧が問題となります。電圧降下が小さい場合には、電流センスアンプを用いて検出する電圧を増幅する必要があります。
磁場検出型
磁場検出型は、流れた電流が作る磁場を計測する方式です。アンペールの法則により、電流を流すと電流方向を右ねじの進む方向としたとき右ねじの回る向きに磁場が発生します。
この磁場をホール素子などを用いて検出します。ホール素子とは、ホール効果という電流と磁場の両方に直交する方向に起電力が現れる現象を用いた素子で、磁場検出に用いられます。
2. 電流センサーの回路
シャント抵抗を用いた抵抗検出型は、DCDCコンバータなど電源を作る際の過電流検出や電流で駆動するようなLED駆動用ドライバ、モーター駆動回路の電流制御や回路保護用に用いられたりします。また、ホール素子を用いた磁場検出型は電流を図りたい回路パターン上に素子を入れる必要がないため、配線をクランプして電流を計測するクランプ電流計や、モーターの位置検出などにも用いられます。
シャント抵抗を用いた抵抗検出型やホール素子を用いた磁場検出型を用いた電流検出は、出力が小さいことも多くディスクリート部品で回路を構成する場合、電流センスアンプやオペアンプを組み合わせて回路を構成することが一般的です。各社メーカーでは、ディスクリートではなくアンプを内蔵した専用ICなどもあり、用途や特性によって選ぶことができます。
参考文献
https://www.hioki.co.jp/jp/products/listUse/?category=39
https://www.tamuracorp.com/electronics/jp/cs/
https://www.koaglobal.com/product/purpose/c_detection
https://www.macnica.co.jp/business/semiconductor/articles/texas_instruments/130397/