電流検出って、そもそもナニ？

はじめに

電気回路を流れる電流を測定することは、電子機器の設計や保守において非常に重要です。しかし、電流は直接「見る」ことができません。そこで、さまざまな方法で電流を検出する技術が開発されてきました。今回は、代表的な3つの電流検出方法について、初心者の方にもわかりやすく解説します。

シャント抵抗：もっともシンプルな方法

基本原理

シャント抵抗方式は、最もシンプルで古典的な電流検出方法です。「シャント(shunt)」とは「分流」を意味し、測定したい回路に小さな抵抗を直列に挿入して電流を測定します。

原理は非常にシンプルで、中学校の理科で習うオームの法則を利用します。

V = I × R　　(電圧 = 電流 × 抵抗)

これを変形すると、

I = V / R　　(電流 = 電圧 / 抵抗)

つまり、既知の抵抗値(R)を持つ抵抗器に流れる電流によって発生する電圧(V)を測定すれば、電流(I)を計算できるのです。

具体例

例えば、0.01Ω(オーム)のシャント抵抗に10Aの電流が流れたとします。

V = 10A × 0.01Ω = 0.1V

このように、0.1Vの電圧降下が発生するので、この電圧を測定すれば電流がわかります。

メリット

• 構造がシンプル：ただの抵抗なので、理解しやすく実装も簡単
• 低コスト：部品代が安く済む
• 高精度：抵抗値が正確であれば、測定精度も高い
• 周波数特性が良い：直流から高周波まで幅広く対応可能

デメリット

• 電力損失：抵抗で発熱するため、エネルギーのロスが発生
• 回路への影響：回路に直列に挿入するため、回路を切断する必要がある
• 電圧降下：測定のために電圧が下がってしまう
• 大電流測定の困難さ：大電流を測定する場合、発熱が大きくなる

適している用途

電源回路の電流監視、バッテリー充放電の管理、モーター制御など、比較的小〜中電流の測定に広く使われています。

ホール素子方式：磁気を利用した非接触測定

基本原理

ホール素子は、ホール効果という物理現象を利用した電流検出方法です。1879年にエドウィン・ホールによって発見されたこの効果は、磁界の中を電流が流れると、電流と磁界の両方に垂直な方向に電圧が発生するというものです。

電流が流れる導線の周りには磁界が発生します。この磁界をホール素子で検出すれば、導線を切断することなく電流を測定できるのです。

構造

典型的なホール式電流センサーは以下のような構造になっています：

1. 導線：測定したい電流が流れる
2. 磁気コア：導線の周りの磁界を集める環状の鉄心
3. ホール素子：磁気コアのギャップ部分に配置され、磁界を検出
4. 信号処理回路：ホール素子の出力を増幅・線形化

メリット

• 非接触測定：導線を切断する必要がない
• 電気的絶縁：測定回路と被測定回路が電気的に分離されている
• 直流・交流両対応：直流から交流まで測定可能
• 電力損失なし：測定対象回路での発熱がない

デメリット

• オフセット誤差：温度変化などによる誤差が発生しやすい
• 外部磁界の影響：周囲の磁界の影響を受けやすい
• コスト：シャント抵抗に比べると高価
• 応答速度：シャント抵抗方式に比べるとやや遅い

適している用途

インバーター制御、電気自動車のバッテリー管理、産業用機器の電流監視など、絶縁が必要な場合や非接触で測定したい場合に適しています。

Rogowski（ロゴスキー）コイル：交流専用の高性能センサー

基本原理

Rogowskiコイルは、電磁誘導の法則を利用した電流測定方法です。コイルを導線の周りに巻くと、電流の変化によってコイルに電圧が誘導されます。この誘導電圧は電流の変化率に比例するため、これを積分することで電流を求めることができます。

Rogowskiコイルの特徴は、鉄心を使わない空芯コイルであることです。導線の周りにぐるりと巻いたコイルが、電流の変化による磁界の変化を検出します。

構造の特徴

• 柔軟なコイル：フレキシブルなコイルで、測定したい導線に巻き付けるだけ
• 空芯構造：鉄心がないため、磁気飽和が起こらない
• 戻り線構造：ノイズを低減するため、コイルが往復する構造になっている

メリット

• 広いダイナミックレンジ：数アンペアから数十万アンペアまで測定可能
• 磁気飽和がない：鉄心を使わないため、大電流でも飽和しない
• 高周波特性が優秀：高速な電流変化にも追従可能
• 設置が簡単：既設の導線に後から取り付けられる
• 軽量・コンパクト：同じ電流容量のCT(変流器)に比べて軽い

デメリット

• 直流測定不可：電流の変化を検出するため、直流は測定できない
• 積分回路が必要：誘導電圧を積分する電子回路が必須
• 低周波での精度低下：非常に低い周波数では精度が落ちる
• 外部磁界の影響：鉄心による磁気シールドがないため、外部磁界の影響を受ける可能性

適している用途

高電圧・大電流の測定、電力系統の保護リレー、溶接機の電流測定、パルス電流の測定など、特に高速で変化する大電流の測定に威力を発揮します。

３つの方式の比較表

項目	シャント抵抗	ホール素子	Rogowskiコイル
測定方式	接触式	非接触式	非接触式
直流測定	○	○	×
交流測定	○	○	○
電気的絶縁	×	○	○
測定範囲	小〜中電流	小〜大電流	中〜超大電流
精度	高い	中程度	中〜高い
コスト	低い	中程度	高い
設置の容易さ	回路切断必要	比較的容易	非常に容易

まとめ：用途に応じた使い分けが重要

電流検出には「これが最高」という方法はありません。それぞれの特徴を理解し、用途に応じて適切な方法を選ぶことが重要です。

• コストと精度を重視し、比較的小さな電流を測定するなら→シャント抵抗
• 絶縁が必要で、直流も含めて幅広く測定するなら→ホール素子
• 大電流や高速変化する交流を測定するなら→Rogowskiコイル

現代の電子機器では、これらの技術が組み合わせて使われることも多く、それぞれの長所を活かした設計が行われています。電流検出技術は、安全で効率的な電気利用の基盤となる、縁の下の力持ちなのです。