オシロスコープで電流を測定する方法

Tuesday, April 6, 2021 投稿者： Andrea Vinci

デジタル・マルチメータで電流を測定することは珍しくありませんが、時間的に変化する電流を測定するには、オシロスコープを使用する必要があります。オシロスコープの多くは、電流ではなく、電圧のみを直接測定しますが、オシロスコープで電流を測定する方法が、2つあります。

シャント抵抗にかかる電圧を測定する： 電源の設計によっては、フィードバックのためにシャント抵抗が組み込まれている場合があります。そのような抵抗にかかる差動電圧降下を測定するのも1つの手法です。これらの抵抗は一般に低抵抗で、多くの場合1オームより小さいです。
電流プローブで電流を測定する： 電流プロ―プをオシロスコープの電圧測定機能と組み合わせて使用することで、瞬時電力、平均電力、位相など、さまざまな重要な電力測定が可能になります。

現在の測定値を可能な限り正確にするためには、最も適切な手法を選択し、正しく適用する必要があります。上記2つの方法には、それぞれメリットとデメリットがあります。下記で詳しく解説します。

シャント抵抗にかかる電圧降下で電流を測定する方法

DC電源に電流検出抵抗器（シャント抵抗）が組み込まれている場合、この方法が最も便利です。

コモンモード信号がプローブの規定動作範囲内にあり、電圧降下が十分大きい限り、アクティブ差動プローブを用いて検出抵抗器の電圧降下を測定すると、良好な結果が得られます。

しかし、低レベル信号に差動プローブを使う場合は、測定システムのノイズ低減にある程度配慮する必要があります。

測定システムのノイズを低減するために、プローブの減衰率を最小にし、プローブまたはオシロスコープの帯域幅を制限します。
プローブの容量や抵抗は検出抵抗器と並列になり、被測定機器への影響は最小限になるよう設計されていますが、その存在を意識しておく必要はあります。

シャント抵抗で電流を測定する場合の設計上の注意点

負荷と直列に検出抵抗器を使用するには、設計上の慎重な検討が必要です。抵抗値が大きくなると、オームの法則に従い1アンペアあたりの電圧降下が大きくなり、電流測定の質が向上します。しかし、抵抗器の許容損失は電流の2乗で増加し、追加の電圧降下を計算する必要があります。さらに、抵抗器は回路に誘導性リアクタンスを加えます。

また、差動プローブの入力容量が検出抵抗器と並列に現れ、RCフィルタを形成することも忘れてはいけません。

回路に検出抵抗器を追加する場合は、測定システムが除去しなければならない抵抗器のコモンモード信号を最小にするために、できるだけグランドに近い位置に追加するようにしてください。また、高性能な電流プローブとは異なり、差動電圧測定のコモンモード除去性能は周波数によって低下する傾向があり、検出抵抗器による高周波電流測定の精度を低下させます。

電流プローブで電流を測定する方法

導体に電流を流すと、導体の周囲に電磁界が形成されます。電流プローブは、この電磁界の強さを感知し、対応する電圧に変換し、オシロスコープで測定できるようにします。

これにより、オシロスコープで電流波形を表示し、解析できるようになります。また、オシロスコープの電圧測定機能と電流プローブを組み合わせて使用することで、さまざまな電力測定を行うことができます。オシロスコープの波形演算機能に応じて、瞬時電力、真の電力、皮相電力、位相などの測定が可能です。

オシロスコープ用の電流プローブには、主に2つのタイプがあります。

AC電流プローブ
AC/DC電流プローブ

トランス（変圧器）の動作原理

両タイプとも、導体に流れる交流（AC）を検知するために、トランスの動作原理を利用しています。

トランスが動作するためには、導体に交流電流が流れている必要があります。この交流電流により、電流の振幅と方向に応じて電磁界が形成されたり、崩壊したりします。この電磁界の中に検出コイルを置くと、変化する磁界が単純なトランス作用によってコイルに比例した電圧を誘導します。この電流に関連した電圧信号を調整し、電流スケールの波形としてオシロスコープに表示することができます。

電流プローブの種類

最もシンプルなAC電流プローブは、フェライトなどの磁性体コアに正確な仕様で巻かれたコイルを組み合わせたパッシブ型デバイスです。中には、導線をコアに通す必要があるトーラス体もあります。スプリットコア型電流プローブは、精密に設計された機械システムを使用しているため、被測定回路を壊すことなくコアを開き、導体の周りにクランプすることができます。スプリットコア型電流プローブは、高感度で無電源動作が可能ですが、機械的に融通が利かず、一般的に開口部が小さいため、汎用性に欠けることがあります。

ロゴスキーコイル技術を用いたAC電流プローブは、ソリッドコアやスプリットコアの電流プローブに代わるものです。ロゴスキーコイルは空芯を使用しており、機械的に柔軟であるため、コイルを開いてワイヤーや部品のリードに巻き付けることができます。また、コアが磁性体ではないため、数千アンペアの大電流でも磁気的に飽和することがありません。しかし、スプリットコア型プローブに比べて感度が低い傾向があり、コイルからの信号を統合するためにアクティブ・シグナル・コンディショナが必要です。そのため、電源が必要になります。

多くの電力変換アプリケーションでは、スプリットコアのAC/DC電流プローブが、最も汎用性が高く、正確で使いやすいソリューションです。AC/DC電流プローブは、トランスを使用してAC電流を測定し、ホール効果デバイスを使用してDC電流を測定します。AC/DCプローブはホール効果センサーをサポートするアクティブ・エレクトロニクスを搭載しているため、動作には電源が必要です。電源は独立した電源、もしくは、オシロスコープに内蔵されている場合もあります。