電流プローブとは？電流波形を測定する仕組み

電流プローブは、導体に流れる電流を検出し、その変化をオシロスコープで波形として観測するためのプローブです。電圧波形と電流波形を同時に測定することで、回路の動作、消費電力、スイッチング特性、突入電流などを詳しく解析できます。

スイッチング電源、インバータ、モータドライブ、車載電子機器、パワー半導体など、さまざまな電力・電子回路の評価に使用されています。

ここでは、電流プローブの基本的な仕組み、主な種類、測定原理、選定方法、使用上の注意点について解説します。

　
　
■電流プローブとは

電流プローブは、導体に流れる電流によって発生する磁界を検出し、電流に比例した電圧信号へ変換する測定器です。

変換された信号をオシロスコープへ入力することで、時間に対する電流の変化を波形として表示できます。

クランプ式の電流プローブでは、測定する導体をプローブのセンサヘッドで挟むため、一般的には回路を切断せずに電流を測定できます。

主な用途は以下の通りです。

・　直流電流の測定
・　交流電流の測定
・　突入電流の観測
・　パルス電流の測定
・　スイッチング電流の解析
・　電源回路の入力・出力電流測定
・　モータやインバータの電流測定
・　パワー半導体の電流波形測定

　
　
■電流を電圧へ変換する仕組み

オシロスコープは基本的に電圧を測定する計測器です。そのため、電流プローブは検出した電流を一定の変換比で電圧へ変換します。

この変換比は、一般的にV/AまたはmV/Aで表されます。

例えば、変換比が100mV/Aの電流プローブで5Aの電流を測定した場合、プローブから出力される電圧は500mVです。

専用のプローブインターフェースに対応したオシロスコープでは、接続したプローブを自動的に認識し、画面上の単位をVからAへ変更できる場合があります。

通常のBNC入力へ接続する場合は、電流プローブの変換比に合わせてオシロスコープのプローブ比や単位を設定します。

　
　
■電流プローブの主な種類

オシロスコープで使用される主な電流測定方法には、以下があります。

・　AC電流プローブ
・　AC/DC電流プローブ
・　ロゴスキーコイル電流プローブ
・　電流シャントによる測定

それぞれ測定できる電流の種類、周波数帯域、最大電流、感度、回路への影響が異なります。

直流を含む電流を測定する場合はAC/DC電流プローブ、交流やパルス電流のみを測定する場合はAC電流プローブまたはロゴスキーコイルが使用されます。

　
　
■AC電流プローブ

AC電流プローブは、主に電流トランスの原理を利用して交流電流を測定します。

測定導体を一次巻線、プローブ内部のコイルを二次巻線とする変流器として動作し、導体を流れる交流電流に比例した信号を出力します。

主な特長は以下の通りです。

・　交流電流やパルス電流の測定に対応
・　外部電源を必要としない製品がある
・　広い周波数帯域に対応しやすい
・　直流電流は測定できない
・　低周波では出力波形にドループが発生する場合がある
・　過大な電流や長いパルスによって磁気飽和が発生する場合がある

AC電流プローブは、高周波電流、パルス電流、半導体デバイスのスイッチング電流などの測定に適しています。

　
　
■AC/DC電流プローブ

AC/DC電流プローブは、直流から交流までの電流を測定できるプローブです。

一般的な製品では、直流および低周波成分をホール素子で検出し、高周波成分を電流トランスで検出します。両方の検出信号を組み合わせることで、DCから高周波までの電流波形を測定します。

主な特長は以下の通りです。

・　直流電流と交流電流の両方を測定可能
・　電流の方向を判別可能
・　回路を切断せずにクランプして測定可能
・　突入電流や過渡電流の観測に適する
・　内部回路を動作させるための電源が必要
・　測定前に消磁とゼロ調整が必要

AC/DC電流プローブは、スイッチング電源、インバータ、モータドライブ、バッテリー、車載電装回路などの測定に広く使用されています。

　
　
■ロゴスキーコイル電流プローブ

ロゴスキーコイル電流プローブは、柔軟なコイルを測定導体の周囲に巻き付けて交流電流を測定するプローブです。

出力信号は電流の時間変化に比例するため、電流波形を得るには積分回路が必要です。一般的なロゴスキーコイル電流プローブには、専用の積分器が組み込まれています。

主な特長は以下の通りです。

・　大電流の測定に適している
・　柔軟なセンサで太い導体やバスバーに取り付けやすい
・　磁性体コアを使用しないため磁気飽和が起こりにくい
・　直流電流は測定できない
・　低周波測定には制限がある
・　外部磁界やセンサ位置の影響を受ける場合がある

インバータ、モータ、溶接機、大容量電源などの大電流測定に適しています。

　
　
■電流シャントによる測定

電流シャントを使用する方法では、回路に既知の低抵抗を直列に挿入し、その両端に発生する電圧を測定します。

電流はオームの法則によって以下のように求められます。

電流＝シャント抵抗の両端電圧÷抵抗値

シャント抵抗による測定は、小電流や高速電流を高い感度で測定できる場合があります。一方で、回路へ抵抗を直列に追加するため、測定対象の動作に影響を与える可能性があります。

また、高電位側に配置されたシャント抵抗を測定する場合は、高いコモンモード電圧に対応した差動プローブや光アイソレーションプローブが必要です。

　
　
■電流の方向

多くの電流プローブには、電流方向を示す矢印が表示されています。

一般的には、電源側から負荷側へ向かう電流の方向とプローブの矢印を一致させてクランプします。正しい方向で取り付けると、オシロスコープには正の電流として表示されます。

逆向きに取り付けた場合、波形の極性が反転して表示されます。

電圧波形と電流波形を使用して電力を演算する場合、電流プローブの方向が反対になっていると、電力の正負も反転します。接続時には、プローブに表示された矢印と回路の電流方向を確認することが重要です。

　
　
■消磁とゼロ調整

AC/DC電流プローブでは、磁性体コアに残留磁気があると、導体に電流が流れていない状態でもゼロ以外の値が表示されることがあります。

この残留磁気を取り除く操作を「消磁」または「デガウス」と呼びます。

消磁を行う際は、一般的に以下の手順で操作します。

・　プローブを測定導体から取り外す
・　センサヘッドを完全に閉じる
・　プローブの電源を入れる
・　消磁機能を実行する
・　必要に応じてゼロ調整を行う

正確な操作方法は製品によって異なるため、使用する電流プローブの取扱説明書を確認します。

温度変化、強い直流電流、過大入力、センサヘッドの開閉などによってゼロ点が変化する場合があるため、測定条件を変更した後は消磁とゼロ調整を再度行うことが推奨されます。

　
　
■最大連続電流と最大ピーク電流

電流プローブには、連続して測定できる最大電流と、短時間だけ測定できる最大ピーク電流が規定されています。

最大連続電流は、プローブを過熱させずに継続して測定できる電流です。

最大ピーク電流は、規定された時間やデューティ比の範囲内で測定できる瞬間的な電流です。

ピーク電流が仕様範囲内であっても、パルス幅が長い場合や繰り返し周波数が高い場合は、磁気飽和や過熱が発生する可能性があります。

測定前には、以下の項目を確認します。

・　最大連続電流
・　最大ピーク電流
・　パルス幅
・　デューティ比
・　繰り返し周波数
・　電流ディレーティング特性
・　アンペア秒積

単純にピーク電流の値だけで使用可否を判断しないことが重要です。

　
　
■アンペア秒積と磁気飽和

アンペア秒積は、電流値と電流が流れる時間の積であり、主に磁気コアを使用する電流プローブのパルス電流測定能力を示します。

大きな電流が長時間流れると、電流値が最大ピーク電流以内であっても、プローブの磁気コアが飽和する場合があります。

磁気飽和が発生すると、以下のような測定異常が現れます。

・　波形の振幅が小さくなる
・　波形の上部が平坦になる
・　パルスの途中で波形が低下する
・　ゼロ点が変化する
・　測定後に残留磁気が残る

パルス電流を測定する場合は、最大ピーク電流とアンペア秒積の両方を確認する必要があります。

　
　
■周波数帯域と電流ディレーティング

電流プローブで測定できる最大電流は、周波数に関係なく一定とは限りません。

周波数が高くなると、磁気コアの損失、渦電流、誘電損失などによってセンサヘッドが発熱します。そのため、高周波では許容される測定電流が低下する場合があります。

この特性を「電流ディレーティング」と呼びます。

データシートに記載された最大電流が直流または低周波での値であっても、高周波電流では同じ電流を測定できない場合があります。測定する電流の周波数成分とディレーティング特性を確認することが重要です。

　
　
■電流プローブの帯域幅

電流プローブの帯域幅が不足すると、高速な電流変化を正しく測定できません。

帯域幅が不足した場合、以下のような影響が現れます。

・　立上り時間が遅く表示される
・　ピーク電流が小さく表示される
・　短いパルスを正しく再現できない
・　リンギングや高周波成分が表示されない
・　スイッチング損失の演算誤差が増える

電流プローブを選定する際は、電流の繰り返し周波数だけでなく、スイッチング波形の立上り時間や立下り時間も考慮する必要があります。

　
　
■小電流を測定する方法

電流プローブで微小な電流を測定する場合は、プローブ自身のノイズ、オシロスコープのノイズ、ゼロ点のドリフトなどが測定結果に影響します。

測定感度を改善する方法には以下があります。

・　高感度レンジを使用する
・　オシロスコープの垂直感度を上げる
・　不要な帯域を制限する
・　測定前に消磁とゼロ調整を行う
・　平均化機能を使用する
・　導体をセンサヘッドに複数回通す

導体をセンサヘッドに複数回通すと、プローブが検出する電流は巻数に比例して増加します。

例えば、導体を5回通して測定した場合、表示値は実際の電流の5倍になります。そのため、実際の電流を求める際は、表示値を巻数で割る必要があります。

複数回巻く方法は、プローブのアンペア秒積や磁気飽和にも影響するため、定格を超えないように注意します。

　
　
■電流プローブの選定ポイント

電流プローブを選定する際は、以下の項目を確認します。

・　直流測定の必要性
・　最大連続電流
・　最大ピーク電流
・　周波数帯域
・　立上り時間
・　最小測定電流
・　変換比と感度
・　アンペア秒積
・　電流ディレーティング特性
・　測定可能な導体径
・　導体の最大使用電圧
・　測定カテゴリ（CAT）
・　オシロスコープとの互換性
・　外部電源の必要性

大電流を測定できるプローブが、必ずしも微小電流の測定に適しているとは限りません。測定する最大電流だけでなく、必要な感度、ノイズ、帯域幅も確認することが重要です。

　
　
■使用上の注意点

電流プローブを導体へ取り付ける前に、導体の電圧がプローブの最大使用電圧と測定カテゴリの範囲内であることを確認します。

電流値が定格以内であっても、導体の対地電圧がプローブの定格を超えている場合は使用できません。

センサヘッドの接合面にほこり、油分、金属粉などが付着すると、磁気回路に隙間が生じ、感度や測定精度が低下する場合があります。接合面は傷つけないように注意し、清潔な状態を保ちます。

裸導体の測定可否は製品によって異なります。裸導体に対応していない電流プローブは、十分に絶縁された導体だけに使用します。

高電圧が印加された状態でプローブを取り付けたり、取り外したりしてはいけません。必ず製品の取扱説明書と安全上の注意に従って使用します。

　
　
■まとめ

電流プローブは、導体に流れる電流によって発生する磁界を検出し、電流に比例した電圧信号へ変換するオシロスコープ用プローブです。

交流電流にはAC電流プローブ、直流と交流の両方にはAC/DC電流プローブ、大電流の交流測定にはロゴスキーコイル電流プローブが使用されます。また、電流シャントを使用して電流を測定する方法もあります。

正確な電流測定を行うには、最大電流、周波数帯域、感度、アンペア秒積、電流ディレーティング、導体の最大使用電圧を確認することが重要です。AC/DC電流プローブでは、測定前に消磁とゼロ調整を行い、磁気飽和や残留磁気による測定誤差を防ぐ必要があります。

　
　
■T&Mコーポレーション株式会社の取り扱いプローブ