シャント抵抗を使用した電流測定

回路に流れる電流を測定するには、さまざまな手法があります。既知の正確な値のシャント抵抗を回路に挿入して、オームの法則を適用することは、回路内の電流を測定する一般的で容易な方法です。ここでは以下について説明します。

• シャント抵抗とそのアプリケーションの定義と詳細
• シャント抵抗の主な特性
• DMMとオシロスコープの概要と、シャント抵抗を使った測定方法
• シャント抵抗での測定の長所と短所
• オシロスコープ用アイソレーション型電流シャント・プローブの概要

シャント抵抗とは?

シャント抵抗は、電流を測定するために回路内に挿入される精密部品です。精度の高いメータ可動部分を使用して電流を測定するように設計された電流計（アンメータ）では、シャント抵抗はメータ可動部分と並列に配線されており、これにより電流を可動部分から分流（シャント）していました。今日ではこの用語は、回路に挿入されて、流れる電流に比例した小さな電圧降下を起こす抵抗に一般的に使われています。この電圧降下は、電圧計やオシロスコープで測定し、オームの法則を使用して測定された電圧を抵抗値で割るだけで回路を流れる電流を計算するのに使用できます。

図1. 既知の抵抗値のシャント抵抗を負荷と直列に挿入して、負荷の電流を測定できます。既知の抵抗の両端の電圧降下を測定することにより、電流はI = V/Rとして計算できます。

シャント抵抗の種類

シャント抵抗器、電流検出抵抗器、および電流表示抵抗器は同じように動作しますが、性能と使用目的が異なる場合があります。CVR(電流表示抵抗器)は、シャント抵抗器の別名です。これは通常、高精度の動的測定アプリケーションで使われ、制御された周波数応答と非常に正確な抵抗で設計された低抵抗値のシャント抵抗を指します。これらは製品設計に組み込むこともできますが、試作中、あるいは一時的なテスト・ポイントとして使用するのが一般的です。CVRには、多くの場合、正確なシミュレーションを支援するために寄生要素を含むソフトウェア・モデルが付属しています。

前述のように、電流検出抵抗はシャント抵抗としても機能しますが、この用語は一般的に製品設計の重要な部分である抵抗に適用されます。これらは増幅器とペアになって、抵抗器の両端の電圧降下を測定します。これは、スタンドアロンの電流検出アンプから、信号調整、絶縁、およびA/D変換を処理する完全統合型パワー監視ICまで多岐にわたります。

シャント抵抗の特性

シャント抵抗器は通常、電圧降下とジュール効果での熱によるI2R電力損失を最小限に抑えるために、低抵抗で設計されています。また、テスト対象の回路に電流を流すための適切な電力定格を備えている必要があります。他のすべての部品と同様に「理想的」ではないため、インダクタンスが電流変化を妨げます。従って直列インダクタンスも重要な懸念事項です。

AC測定で使用するために設計されたシャント抵抗は、多くの場合、物理的に平たくて幅広です。表皮効果により、導体の外側に交流電流が流れる傾向があります。したがって、設計者は奥の場合、表面積を最適化し、ACインピーダンスを低く保つために、平たくて幅広の導体を選択します。

シャントの抵抗値は非常に小さいため、リード抵抗と接触抵抗でさえ、シャント抵抗値自体の１桁程度に匹敵する可能性があります。このため、一部のシャント抵抗器には、ケルビン接続を可能にするために4つの端子があります。これにより、電流電極と電圧電極の間の物理的な分離が可能になり、測定への影響を消します。実際、2つの端子は電流を流すために使用され、他の2つは電圧計に接続するために使用されます。電圧計は入力インピーダンスが高いため、電圧測定端子を流れる電流を効果的に排除し、電圧接続の抵抗の影響を最小限に抑えます。

PCB設計に適したシャント抵抗器を選択することは、設計エンジニアにとって重要なタスクです。その結果、特に大量生産向けに設計する場合には通常、電気定格、パッケージ・フォーム・ファクタ、電力定格、さらには単価の間でトレードオフが生じます。

以下は、理想的なシャント抵抗を選択する際の指針となる主な考慮事項です。

• 確度と許容差: 必要な確度は、部品の選択において特定の境界を決定します。正確な測定を行うには、許容誤差が低い抵抗器(±0.1%以上)を選択します。許容誤差を大きくすると、高精度のアプリケーションでエラーが発生する可能性があります。
• 寄生インダクタンス: 高周波または急速に変化する電流測定では、インダクタンスが重要になります。低インダクタンス抵抗は、測定誤差の可能性を最小限に抑え、クリーンで正確な信号を確保するため、これらの用途に最適です。
• 温度係数: 抵抗器の温度係数(TCR)を低くして、温度が変動する条件下でも確度を安定させることが不可欠です。温度係数は、一般に消費電力の考慮事項に関連しています。
• 電流範囲/電力定格: 電流範囲と電力定格は一緒に考慮する必要があります。電流範囲と抵抗値の最大値によって、最大電力損失が決まります。ただし、測定する最小電流差も考慮し、シャント抵抗が測定可能な電圧降下を生成するのに十分な大きさであることを確認する必要があります。通常、電力定格によってサイズとフォームファクタが決まります。
• 物理サイズとフォームファクタ: 表面実装設計かスルーホール設計、いずれの場合でも、上記の条件を満たす抵抗器の中から、システムで利用可能なスペースに収まる抵抗器を選択します。

シャント抵抗器の用途

シャント抵抗器は、そのシンプルさ、低コスト、性能により、さまざまなアプリケーションで使用されています。以下のようなアプリケーションで広く使用されています。

• 一般的なテストと測定: シャント抵抗は電流計に組み込まれている場合もあれば、テスト対象の負荷と直列に接続された外部デバイスである場合もあります。
• 電源および産業機器: 電流監視および障害検出用。
• 電気モータ・ドライブと制御システム: 最適なパフォーマンスのために電流を測定、調整します。
• EV: 充電電流と放電電流を高精度に監視します。
• モバイル機器: 電流検出抵抗は、低電流デバイスの電流引き込みを監視するためによく使用されます。

回路内のシャント抵抗を配置する場所

ほとんどのアプリケーションでは、シャント抵抗は片方の足をグランドに近づけて配置します(通常は「ローサイド電流検出」と呼ばれます)。これにより、シャントの測定に使用される電圧計に印加されるコモンモード電圧が減少します。設計者は、測定のリターンパスがAC信号と共有されたり、測定にノイズを発生させるAC信号と結合されたりしないように注意する必要があります。

場合によっては、シャント抵抗を接地することが現実的ではない、または望ましくない場合があります。例えば、最近、自動車の電源設計者は、シャントを電源に直接接続する利点について検討しています。この構成はダウンストリーム・パス上の潜在的な障害を迅速に検出し、回路を保護する機会を提供するものです。もちろん、これはシャントを非接地のノードに挿入することを意味するため、電圧降下の測定に使用される測定システムのコモンモード電圧仕様には特別な注意を払う必要があります。

図2. 可能であれば、この回路の低電流表示抵抗器(CVR)などのシャント抵抗器は接地する必要があります。これにより、コモンモード電圧が最小限に抑えられ、グランド基準プローブの接続が可能になります。上段のCVRを測定するには、高いコモンモード除去比の差動測定が必要です(以下のアイソレーション型電流シャント・プローブの概要を参照ください。)。

シャント抵抗を使用した計測器と電流測定

一般に、シャント抵抗器は、小さな、測定可能な電圧降下を生成することで、電流の正確な測定を可能にします。この電圧を正確に読み取るには、電流計、デジタル・マルチメータ(DMM)、オシロスコープなどの計測器が必要です。

電流計とデジタルマルチメータ(DMM)による電流測定

電流計とDMMは、直流または交流の測定に最適です。これらは、ACおよびDC電源の迅速かつ正確な測定を行うための最適なツールです。電流測定用メータの場合、通常、機器内に1つ以上のシャント抵抗が組み込まれています。さまざまな抵抗を使用して、複数の電流レンジを有効にすることができます。例えば、ケースレーのDMM7510高確度ベンチ・マルチメータは、DC電流をpA(1x10-12A)で測定し、AC電流をnA(1x10-9A)で測定することができます。ほとんどのDMMは50/60HzでRMS測定を簡単に行うことができ、一部のDMMはkHzまで測定できますが、メータ・リードは通常1MHz未満が最高となります。

図3. DMMには、電流を正確に測定するためのシャント抵抗が内蔵されています。このケースレー DMM7510は、DC電流をpA(1x10-12A)で測定できます。右下の3A電流入力は、内部シャント抵抗の1つに接続されていることに注意してください。このDMMの背面には10A入力も用意されています。

歴史的にアナログ電流計(検流計)は、高感度のメータ可動部分内のコイルに電流を通すことで電流を感知していました。こうした機器では、シャント抵抗は可動部分から電流を分流（シャント）し、メータがより大きな電流を測定できるようにするための分流器として使用されていました。最近のほとんどの機器はシャント抵抗の両端の電圧降下を測定していますが、「シャント」という用語は定着しています。

• デジタル・マルチメータ(DMM)は、電圧、抵抗、および電流を測定できます。DMMには通常、ACまたはDC電流を測定するための電流シャントが1つ以上組み込まれています。DMMは、ACまたはDC電圧モードで使用して、外部シャント抵抗の電圧降下を測定することもできます。シャント抵抗を備えたDMMを使用する場合、マルチメータは抵抗端子を挟んで接続され、電圧降下を測定し、対応する電流値を表示します。DMMは、低電流回路でも大電流回路でも正確な電流読み取りに優れており、幅広いアプリケーションに適しています。
• 電流計（アンメータ）は電流測定用に特別に設計されており、回路内の電流を連続的に監視する必要があるアプリケーションに最適です。電流計は、多くの場合、リアルタイムのフィードバックのために電源やその他の機器に組み込まれています。

注: よくある間違いは、ユーザが高エネルギー源の電流測定用に構成されたDMMを誤って接続することです。これにより、低抵抗シャントがソース間で接続され、短絡が発生します。このため、DMMの大電流入力は別々のジャックを使用し、ヒューズで保護されています。 DMMで電流測定を行った後は、テストリードを電流ジャックから取り外し、ハイ・インピーダンスの電圧入力に差し込むのがベスト・プラクティスです。

オシロスコープによる電流測定

オシロスコープは、一般に、DCおよび低周波AC電流測定ではDMMほど正確ではありませんが、メガヘルツ単位の周波数で過渡電流や急速に変化する電流を測定するのに非常に役立ちます。また、オシロスコープを使用すると、電圧、スイッチング・イベント、センサ信号、制御信号など、テスト対象デバイスの他のアクティビティやパラメータに対する電流を視覚化することもできます。これは、高速デジタル・システム、トラクション・インバータ、電源など、負荷の変化に応じて電流が急激に急上昇または低下する可能性のあるシステムの試験に特に役立ちます。

電流を測定するには、オシロスコープに電流を電圧に変換できるプローブを接続する必要があります。変換は、磁気センサまたはシャント抵抗のいずれかに基づいて行うことができます。どちらの方法でも、オシロスコープに電圧信号が供給され、それがデジタル化され、対時間で表示されます。

図4. オシロスコープは、クランプオン電流プローブを使用するか、シャント抵抗の両端の降下を測定することにより、電流を測定できます。この例では、抵抗は接地されていないため、シャント電流プローブが使用されています。

磁気電流プローブ

トランス、ロゴスキー、ホール効果プローブは、オシロスコープと連携して動作し、回路を切断することなく電流を測定できます。トランスとロゴスキー・コイルは、ACの測定にのみに使用できます。したがって、オシロスコープ用のAC/DC電流プローブは、トランスの動作とホール効果センサを組み合わせています。これらのプローブは、設計上または一時的なテスト・ポイントとして、ある程度の長さのワイヤまたはバス・バーをDUTに組み込むことができる場合に便利で効果的です。ただし、TCP0030Aのような優れたクランプオン電流プローブでさえ、120MHzに制限され、最小でmAまでの測定となっています。 磁気電流プローブは「回路を切断」する必要はありませんが、被測定回路に誘導性負荷を与え、これは高周波で大きくなる可能性があることを認識しておくことが重要です。120MHzでは、TCP0030Aの挿入インピーダンスは0.85 Ωになります。

シャント抵抗両端の電圧降下

既知の抵抗の両端の電圧降下を測定することは、回路内の電流を測定する簡単な方法です。DUT内の既知の値の小さい直列抵抗は、電流測定シャントとして機能させることができます。あるいは、負荷と直列に適切な定格の抵抗を挿入することにより、テスト・ポイントを追加することもできます。オシロスコープで測定スケーリングが可能な場合(多くの場合プローブ・メニューにあります。)、電圧の読み取り値を一定の抵抗値で除算して、アンペア単位で読み取ることができます。

• 前述のように、理想的には、シャント抵抗器の片方の足はグランドに接続されています。抵抗の一方の足が接地されている場合は、パッシブのグランド基準プローブが使用できます。1つの端子を接地できない場合は、差動電圧プローブを使用する必要があります。差動プローブを使用する場合でも、シャント抵抗をグランドの近くに配置して、コモン・モード電圧を最小限に抑えるのがベスト・プラクティスです。
• シャントの抵抗値は、オシロスコープやプローブよりもはるかに低くなければなりません。
• 高周波測定では、シャント抵抗の寄生容量と寄生インダクタンスが影響を与えるため、高周波アプリケーション用途に設計された検出抵抗またはCVRを使用する必要があります。

パッシブ電圧プローブと差動電圧プローブは、シャント抵抗の両端の電圧波形を測定するために使用できますが、いくつかの欠点もあります。

• 多くの場合、信号を減衰させ、信号対雑音比が低下します。
• 高い入力インピーダンスとシャント容量がノイズ性能に影響を与えます。
• 接地できないシャントの場合
• パッシブ・プローブは使用できません
• 差動プローブが適切なコモンモード電圧をサポートしていない可能性があります
• 多くの場合コモンモード除去性能がノイズを防ぐには不十分です。

図5. TICPシリーズIsoVuアイソレーション型電流プローブは、フローティング・シャント抵抗の高周波数帯域、低ノイズ電流測定用に設計されています。代表的なアプリケーションには、図2に示すような非接地の電流表示抵抗の測定が含まれます。

アイソレーション型電流シャント・プローブの概要

ノイズを厳格に制御する必要がある場合は、特殊な電流シャント・プローブが使用できます。テクトロニクスのTICPシリーズIsoVu™アイソレーション型電流プローブは、そのようなプローブの1つです。これらのプローブは、シャント抵抗の両端で低ノイズ、高周波数帯域の測定を行うように特別に設計されています。新しいTICPシリーズ・アイソレーション型電流プローブの主な特長は次のとおりです。

• 250MHz、500MHz、または1GHzの周波数帯域
• 低減衰と50 Ωの入力インピーダンス（1Xチップ使用時）。これにより信号対雑音比を最大化。
• 1000V以上のコモンモード電圧で、高電圧パワー・コンバータに対応。一般的な差動電圧プローブよりもはるかに高電圧。
• 1MHzで90dBのコモンモード除去比。一般的な差動プローブよりも大幅に高い。

シャント抵抗と磁気センサ、またはホール効果センサを使用する利点と欠点

シャント抵抗を使用した電流測定は、磁気センサやホール効果センサを使用した場合と比較して、いくつかの利点があります。

1. 確度: シャント抵抗は、高確度の電流測定を提供し、被測定回路への影響を最小限に抑えるように設計できます。シャント抵抗は基本的に電流/電圧コンバータであるため、測定確度は、シャント両端の電圧降下を測定するために使用される計測器の確度と、抵抗値の正確性さに依存します。
2. 費用対効果: 磁気センサやホール効果センサなどの他の電流測定方法と比較して、シャント抵抗器は低コストで実装が容易です。
3. 汎用性: 材料と構造に応じて、小電流システムと大電流システムの両方に適しています。

シャント抵抗を使用して電流を測定する主な欠点は次のとおりです。

1. 回路の切断: 磁気センサやホール効果センサとは異なり、測定対象の回路にシャント抵抗を挿入する必要があります。ワイヤ接続の場合は抵抗器を直列に配置できるので簡単です。回路基板の場合はトレースを切断する必要がないように、テスト・ポイントを付けて基盤を設計する必要があります。
2. 電圧降下: ソースと負荷の間にシャント抵抗を配置すると、負荷で利用可能な電圧が低下します。
3. 電力消費: シャント抵抗は、電流の2乗(P = I2R)の関数として電力を消費します。

要約すると、シャント抵抗は、さまざまなアプリケーションで電流を測定するための、信頼性が高く、費用対効果が高く、正確な方法を提供します。回路に小さな既知の抵抗を導入することにより、抵抗器の両端の電圧降下からオームの法則を活用して電流を計算することができます。マルチメータ、パッシブ電流プローブ、差動電流プローブ、アイソレーション型電流プローブを備えたオシロスコープのいずれで使用する場合でも、シャント抵抗器は、低周波から高周波アプリケーションまで、幅広い電流測定ニーズに適応します。回路への挿入、電圧降下、電力消費などの制限はありますが、電流測定には不可欠なものです。