電流センサとトランスデューサを
使った電流の測り方

はじめに

電圧と同様に電流は交流（AC）または直流（DC）に分類することができます。電流は電荷の流れの強さまたは速度です。電圧の計測と同様に、マイクロアンペアの範囲の非常に小さな電流を計測する必要がある場合もあれば、数千アンペアの非常に高い電流を計測する必要がある場合もあります。

このような幅広い領域に対応するために、DEWESoftはさまざまな電流トランスデューサとセンサを提供しています。これらは当社データ収録機器の電圧シグナルコンディショナに接続できる電圧出力または電流出力を備えています。

DEWESoft DAQシステムは、電圧や電流など、あらゆる種類の電気特性を計測できます。センサとシグナルコンディショナの組み合わせにより、広範囲の電流をシームレスに低レベルの出力に変換し、デジタル化して表示，保存，解析することができます。

しかし、どのセンサを選べばよいのでしょうか？
ここでは、さまざまな種類の電流センサ，その長所と短所，そしてそれぞれのタイプがどのような用途に適しているかを説明します。

電流とは何ですか？

上記のように、電流とは電荷の強さや流れる速度のことです。DCシステムでは、電流は一方向にしか流れません。DC電流の供給源としては電池や太陽電池などがあります。

AC対DC 電流

ACシステムでは、特定の周波数で電流の方向が反転します。職場や家庭では、50または60Hz（国によって異なる）のAC電力が使われています。このAC電流は、通常正弦波です。

ACの主な供給源は発電所です。太陽電池で作られた電流はDCなので、家庭の電力を供給するためにはACに変換する必要があります。UPS（コンピュータバッテリ, バックアップシステム）も同様で、エネルギーはバッテリに蓄えられ、家庭の電力を供給するためにはACに変換する必要があります。

また、AC電流はラジオ信号や音声の送信など、回路上の情報を変調するために、非正弦波で使用されることもあります。

標準的なオーディオ信号

国際単位系（SI）における電流の呼称は「アンペア」であり、一般的には「amps」と略され、記号Aで表記されます。

電流は「I」で書かれることもよくあります。これはフランス語のintensité de courant（英語で「current intensity」）に由来します。「A」と「I」はどちらも、電流（current）の略語として認められています。

AC電流とDC電流は、それぞれAACとADCと略されることがよくあります。

1アンペアは、1秒間に一定の場所を通過する1クーロンの電荷に相当します（1クーロンには約6.242×1018個の電子が含まれています）。

電流を流すと必ず磁界が発生します。電流が強い場所では磁場も強くなります。ホール効果，誘導，磁束などのさまざまな手法でこの磁場を計測することで、電気回路内の電子の流れ（電流）を計測できます。

電流はどのようにして測るのでしょうか

電流は常に磁場を生成するので、この磁場を測定して電流を計測するホール効果などのセンサがあります。

従来の電流計や電流シャントのように、回路自体にシャント抵抗を接続して電流を直接計測することも可能です。

開ループと閉ループの電流センサ

開ループと閉ループ電流センサの違いは何ですか？

開ループ電流センサは、ゼロフラックス電流センサのような閉ループ型に比べて安価です。それらは磁気コアのギャップに取り付けられたホール効果センサで構成されています。ホール効果センサからの出力は増幅され、電流によって作られた電界を、電流に接触することなく計測します。これにより回路とセンサの間はガルバニック絶縁されます。

開ループ電流センサ

開ループ電流センサの中には、周囲の温度変化によるドリフトを補正する電子回路を備えたものがあります。開ループ電流センサは閉ループ電流センサと比べて、小型で低価格です。そこれらは必要な電力も少なく、ACとDCの両方の電流を計測することができます。一方で飽和しやすく、温度補償や耐ノイズ性に劣るなど、精度面では閉ループセンサに及ばない部分もあります。

閉ループ電流センサは、入力に比例した出力を得るために、フィードバック制御回路を採用しています。開ループセンサに比べ、精度や直線性が高く、温度ドリフト補償やノイズに強いという特長があります。

閉ループ電流センサ

開ループセンサでは、温度によるドリフトやセンサの非線形性などによってエラーが発生します。一方、閉ループセンサでは、電流導体の磁場に対抗する磁場を発生させてコイルを積極的に駆動させます。これが精度と飽和性能を高める「閉ループ」です。

では、どちらが良いでしょうか？　それはアプリケーションに依存します。開ループ電流センサは、低コスト、小型、低消費電力であるため、非常に人気があります。しかし、飽和しやすいため、一部のアプリケーションではこの問題を回避するために「オーバーサイズ」にしなければならないという事実があります。

閉ループ電流センサは、高精度と飽和への耐性を必要とするアプリケーションや、広い温度範囲や電気的ノイズのある環境で使用されるアプリケーションで、圧倒的な支持を得ています。

開ループ電流センサは、次のようなアプリケーションで使用されます。

• バッテリ駆動回路（低消費電力のため）
• トルク精度を高くする必要のないドライブアプリケーション
• ファンとポンプの電流計測
• 溶接機
• バッテリ管理システム
• 可変速ドライブ
• 無停電電源装置アプリケーション

閉ループ電流センサは、次のようなアプリケーションで使用されます。

• 可変速ドライブ（精度と直線性が最優先の場合）
• サーボ制御
• 過電流保護
• 地絡検出器
• ACおよびDC産業用ドライブ
• ロボット制御
• エネルギー計測アプリケーション

すべてのセンサと同様に、最終的には得たい結果を考慮する必要があります。

電流計測アプリケーション

電気の基本要素である電流を正確に計測することは、多くのアプリケーションで必要不可欠です。発電しているアンペア数がわからない電力会社を想像できますか？　顧客がどれだけのエネルギーを使用しているかわからないということは？

もちろん、それはばかげているでしょう。しかし電流計測には、他にも何百万もの目的や要件があります。実際これらの要件は、開ループまたは閉ループのいずれかに分類できます。

前のセクションで説明した開ループまたは閉ループのセンサと混同しないように注意してください。ここでは、電流計測アプリケーション自体が開ループか閉ループかという説明をしています。

閉ループ電流計測アプリケーションでは、電流をリアルタイムで制御する必要があるため、電流を知る必要があります。 アプリケーションには次のようなものがあります：

• 電流が一定のレベルを超えないように制限する必要があるコンポーネント
  （例：スイッチング電源やバッテリー充電器など）
• 消費電流に応じて重要なシステムを自動停止させる機能
• 自動車や航空機などに使用される電流制御型電磁弁
• パワーアンプのバイアス電流制御
  など

開ループ電流計測アプリケーションでは、リアルタイム制御の必要性はありませんが、次のようなさまざまな目的で電流値を知る必要があります。

• 自動車，鉄道，消費財などの電気モータの研究開発
• 収益目的のエネルギー消費
• 航空機やロケットなどで使用されるアクチュエータの性能テスト
• 電車とその動力源であるサードレールや架線システムの電流供給と消費の計測
• エネルギーの生産者と消費者の両方に対する電力品質アプリケーション
• 研究，製造，自動車，航空宇宙，軍事，健康科学，教育，産業オートメーション
  など

主な電流センサの種類

そのため、これらのさまざまな方法に対応したいろいろな電流センサや電流トランスデューサが用意されており、それぞれが計測環境や計測対象となる電流範囲に適合しています。例えば、マイクロアンペア（μA）を計測するための要件と、数千アンペアを計測するための要件は大きく異なります。ここでは、それぞれのセンサタイプを取り上げ、その動作原理と用途を説明します。

※シャントは内部または外部のシグナルコンディショナを介して絶縁できますが、本質的に絶縁されていません

先に述べたように、電流を計測する方法は大きく分けて2つあります。

• 電流に直接触れる（別名：シャント/電流計）
• 電流の電磁界や磁束を計測

電流との直接接触

電流を計測する最も一般的な方法は、電流計（電流を計測するメーター）またはシャント抵抗を回路に直列に接続することです。電流計や電流計シャントは、実際には高精度の抵抗器に過ぎません。精密な抵抗器を回路に挟むと、その間に電圧降下が発生します。シャントセンサの出力は、データ収録システムで計測し、オームの法則を応用して回路を流れるアンペア数を求めます。

ある電流計が計測できる最大の電流範囲は、その抵抗器の値によって制限されることに注意してください。一般的には、シャント抵抗を並列に追加して、テスト機器の最大計測範囲を拡大することです。

このような制限があるため、回路の電気導体に直接接続する方法は、低電流用途では広く使われていますが、高電流用途ではほとんど使われず、電流クランプやフレックスコイルなどの間接的な計測センサがはるかに普及しています。

シャント電流計測

低オーム抵抗を回路と並列に接続すると、電流がシャント抵抗（R）を流れ、電圧降下が発生します。

単純な回路での典型的なシャント計測の接続方法

この低下を計測し、オームの法則を適用して電流を計算します。

オームの法則の図

オームの法則とは、電圧（V），電流（I），抵抗（R）の関係を表したものです。3つのうち2つがわかっていれば、3つ目は簡単な算数で計算できます。上の図は、オームの法則の3つの表現方法を示したものです。

I = V / R, V = I・R, R = V / I

したがって、電圧（降下）と抵抗がわかれば、I = V / Rで電流を計算することができます。

シャント抵抗は、抵抗値が高すぎると計測に影響を与え、抵抗器が発熱することでエネルギーを浪費し、計測を歪めてしまうため、適切な電圧範囲と電流範囲を選択する必要があります。このエネルギー損失は、次のようになります。

I2 * R

さらに抵抗器の精度は、計測自体の精度に直接影響するため重要な要素となります。

DEWESoft　DSIi-10A　電流シャント

DEWESoftではいろいろな電流範囲を計測するために、内部に異なる抵抗を使用して設計された、小型の電流シャントを提供しています。これらのシャントは、回路自体にできるだけ影響を与えないように設計されています。

DSIアダプタは、DEWESoft製品に直接接続できます。シャントは計測対象の回路に直接接続されており、回路と計測システム間の絶縁が重要であるため、DEWESoftアンプの絶縁されたアナログ入力は、正確な計測をするための大切です。絶縁された入力は、回路のローサイドまたはハイサイドにシャントを置くことができ、グランドループやコモンモードの計測エラーを心配する必要がありません。

オームの法則と、電圧，電流，抵抗の連動性を考えれば、正確な電流計測を行うためには、DAQシステムが正確な電圧測定と抵抗計測ができなければならないことは明らかです。

電流シャントを内蔵したIOLITE STG

DEWESoftのシグナルコンディショナの中には、小電流を計測するためのシャントが内蔵されているものがあります。IOLITEシリーズのSTGシグナルコンディショナを見てみましょう。このモジュールはユニバーサルタイプなので、さまざまなセンサや入力タイプに対応することができます。

たとえば、フルブリッジ，ハーフブリッジ，クォーターブリッジ構成のひずみゲージ，最大50Vの電圧，電位差センサ，最大20mAの電流を扱うことができます。さらにDSIシリーズアダプタを使用して、熱電対，RTDセンサ，LVDT位置センサ，最大200Vの電圧，最大5Aの電流，IEPE加速度計などを扱うことができます。

さまざまなモジュールを備えたIOLITEDAQシステム
（最初の2つのスロットに6つのユニバーサルアナログ入力を備えた6xSTG）

IOLITE 6xSTGは、過電圧保護を備えた6つの差動入力と、各ユニバーサル入力からのセンサ電力、および最大20 kS / s / chのサンプルレートを備えています。

電流計測用にソフトウェアで適用できる50Ωシャント抵抗が内蔵されているため、ユーザが選択可能な最大2mAまたは20mAの電流を計測できます。

IOLITE-Rシリーズには、最大8つのマルチチャネルモジュールを搭載できる「IOLITE-R8」（上の写真参照）と19インチラックマウントに対応した「IOLITE-R12」があります。IOLITE-R12にモジュールを12のスロット搭載できます。

IOLITE-R12ラックマウントモデル

どちらのIOLITEもデュアル冗長電源を搭載し、信頼性の高いパフォーマンスを実現しています。

電磁場または電流の流れの計測

電流は常に電流量に比例した磁場を発生させるため、さまざまなセンサでこの磁場を計測することで、電流を計測することができます。

ここでは、最も一般的な電流センサとトランスデューサについて、その基本的な動作原理と最適な使用方法をご紹介します。

ホール効果センサ計測

ホール効果センサは、原則として磁場を計測することで動作します。電子が発見される20年前の1879年、アメリカの物理学者Edwin Hallは、導体に電流を流すと電子が直線的に移動することを観察しました。しかし、この導体が磁場にさらされると、ローレンツ力が働き、電子の経路が曲がってしまいます。

さらに、電子が導体の一方の面に押し付けられると、導体の両側の間に電位差が生じます。ホールは、この電位差が磁場の強さに正比例していることを確認しました。

導体の側面（または「平面」）間で計測されるこの電位差は、ホール電圧と呼ばれます。

ホール効果は、近接スイッチ，モーター速度制御回路，タコメータ，LVDTセンサ，さらには自動車の燃料レベルセンサなど何千ものアプリケーションに採用されています。しかし、ここでは特に電流センサを使用したアプリケーションに焦点を当てます。

典型的なホール効果電流センサ

ホール効果電流クランプは、導体をオープンコアに通すことで機能します。そのため、非接触でACおよびDCの電流を計測することができます。必要な電力は非常に少ないため、DSUB9コネクタを備えたSIRIUSから直接電力を供給できます。追加の電源は必要ありません。

それらはフラックスゲート電流クランプやゼロフラックストランスデューサほど正確ではありませんが、計測範囲は一段と広くなります。

ホール効果センサには、開ループ型と閉ループ型があります。 閉ループセンサは開ループセンサに比べて、補償巻線やオンボードのシグナルコンディショニングを強化することで、より高い精度を実現しています。

DEWESoftのホール効果電流センサ

DS-CLAMP 150DCおよび150DCSは、DSUB9コネクタを備えたSirius^® LVまたはSirius^® HS-LVに直接接続できます。 DS-CLAMP-1800DCは、DSUB9コネクタを持つすべてのDEWESoft^®アンプに直接接続できます（例：Sirius^® LV-DB9）。

DEWESoftの標準的なホール効果センサ

電流トランス（CT）の計測

電流トランス（CT）は、交流（AC）の計測に使用されます。これらは、一次巻線, 磁気コア, 二次巻線で構成される誘導型センサです。

基本的に、大電流を磁力線で低電流に変換されるため、大電流を安全かつ効率的に計測することができます。一般的なCTは、一次巻線の巻数は非常に少ないのに対し、二次巻線の巻数は多くなります。この一次側と二次側の巻数の比率によって、電流負荷の大きさをどれだけ降圧できるかが決まります。

代表的な電流トランス

一次巻線で検出された交流はコアに磁界を発生させ、二次巻線に電流を誘導します。この電流がセンサの出力に変換されます。

DEWESoftではスプリットコア構成で提供しており、回路を変更する必要がないため簡単に接続することができます。爪を開くだけで電線に巻き付けることができるので、非常に便利です。

DEWESoftのCT電流トランス

ロゴスキー電流センサ計測

ロゴスキーセンサは、通常のクランプでは不可能な太いケーブル束やバスバー（母線），不規則な形状の導体を計測できるという利点があります。

これらはAC計測用に作成されており、インダクタンスが低いため、急速に変化する電流にも応答できます。また、鉄芯がないため、非常に大きな電流にも直線性があります。高調波成分を計測する際に優れた性能を発揮します。DS-FLEXセンサには、小型の積分器と電源回路が内蔵されています。

典型的なロゴスキーコイルスキーム

モデル名の300、3000、30,000などの数字は、読み取れる最大のアンペア数を表しています。最後の数字は、「ロープ」の長さ（cm）を表しています。たとえば、「DS-FLEX-3000-80」は、最大3000Aの電流を読み取ることができ、「ロープ」の長さは80cm（＝800mm）です。

Dewesoft ロゴスキーコイル「FLEX」電流センサ

DEWESoft DS-FLEX-3000 ロゴスキーコイル電流センサ

これらのクランプは、DSUB9コネクタを備えたすべてのDEWESoft^®アンプに直接接続できます（SIRIUSi LVなど）。

AC電流は通常、真のRMS読み取り値として出力され、DC電流は離散値として出力されることに注意してください。

ゼロフラックスセンサ計測

ゼロフラックス（フラックスゲート）電流センサは、ホール効果電流センサに似ていますが、ホール効果システムの代わりに磁気コイルを使用しています。精度が高いため、高精度な計測を必要とする産業用、航空宇宙用などのアプリケーションに最適なセンサです。ゼロフラックス電流トランスデューサは、ガルバニック絶縁で電流を計測します。高電圧の電流をはるかに低いレベルまで低減し、どの計測システムで容易に読み取ることができます。

典型的なゼロフラックス/フラックスゲートセンサ

DC電流を計測するために飽和状態で動作する2つの巻線があります。1つはAC電流用の巻線で、もう1つは補償用の巻線です。この種の電流計測は、ゼロフラックス補償のために非常に正確です。その理由は？通常、磁気コアには残留磁束があり、それが計測の精度を低下しています。しかしゼロフラックストランスデューサでは、この残留磁束が補償されます。

ゼロフラックストランスデューサは、高いAC/DC精度や高い帯域幅（最大1MHz）を必要とする場合に最適です。ゼロフラックストランスデューサは非常に高い線形性（リニア）があり、位相誤差やオフセット誤差が小さいのが特長です。ただし精度や帯域幅をそれほど必要としない、よりシンプルな計測を行うにはあまり便利ではありません。このような用途には、前のセクションで紹介した電流センサをお勧めします。

フラックス技術はこの原理を発展させ、ホール素子の代わりに磁気コイルを検出素子として使用しています。また、閉ループセンサであるため、二次巻線を用いて計測精度の低下につながるオフセットを排除しています。フラックスセンサは、非常に複雑なAC/DC波形にも対応しており、一般的に精度，直線性，帯域幅に優れ、電力品質アナライザやパワーアナライザには欠かせないものとなっています。

DEWESoft フラックスゲート 電流クランプ

DEWESoftでは、結合ケーブルや電源ケーブルなど、SIRIUSシステムとペアになっているいくつかのFluxGate電流クランプを提供しています。これらのFluxGateクランプは、SIRIUSi-PWR-MCTS2電源ユニットから電力を供給される必要があります。

DEWESoftゼロフラックス電流トランス

Dewesoftは、結合ケーブルや電源ケーブルなど、SIRIUSDAQシステムとペアになっているいくつかのゼロフラックス電流トランスを提供しています。これらのセンサは、SIRIUSi-PWR-MCTS2またはSIRIUSir-PWR-MCTS2電源ユニットで操作する必要があります。

アイソレーションとフィルタリング

データ収録やテストシステムにとって、アイソレーションとフィルタリングは非常に重要な要素です。

アイソレーション

アイソレーションは回路を直接計測する場合、つまりシャント法を使用する場合に特に重要です。ほぼすべてのDEWESoftシグナルコンディショナとプリアンプに内蔵されているアイソレーション電圧は非常に高く、計測システムをテスト対象から絶縁するのに十分です。

これにより、計測の整合性が保証され、短絡から保護されます。さらに、ほとんどの場合、回路のローサイドまたはハイサイドのいずれかにシャントを配置できるため、柔軟性が向上します。一般的に、ローサイドシャントの計測が推奨されるのは、シャントの電流降下が比較的小さいため、シグナルコンディショナに高インピーダンスの出力が提供されるからです。しかし、ローサイドの計測には2つの欠点があります。

• 抵抗がグランドに短絡した場合、シャントは障害を検出しません
• ローサイドシャントは、複数の負荷を計測する場合や、個別にオフとオンを切り替えるような場合には適していません。

そのため、DEWESoftの差動型および絶縁型プリアンプを使用して、ハイサイドのシャント電流計測が必要になることもあります。

フィルタリング

フィルタリングは、高性能データ収録システムのもう一つの重要な機能です。電気ノイズや干渉は、テストエンジニアにとって日常的な課題です。それは、蛍光灯や他の電気機器など、数え切れないほどの原因で誘発されます。

DEWESoftのシグナルコンディショナは、ハードウェアで強力なローパスフィルタリングを行い、エンジニアが一定レベル以上の周波数を抑制できるようにします。また、Dewesoftソフトウェアでは、ローパス，ハイパス，バンドパス，バンドストップの幅広いフィルタリングが可能で、リアルタイムまたは測定後に適用することができます。