電流波形を観測する電流プローブ

最終回となる今回は、電流プローブについてお話します。

電流波形と電圧波形は違うのが当たり前

オームの法則(図1)により、電流は抵抗器によって電圧に変換することができます。電流波形を観測するとき、電流経路に抵抗器を挿入し電圧に変換後、電圧波形として電圧プローブで観測する手法があります。この手法において陥りやすいまちがいは、抵抗器を安易に純抵抗とみなしてしまうことです。

十分に低い周波数(成分)を扱う場合、抵抗器はほぼ純抵抗とみなせますが、高い周波数になると、抵抗器はもはや純抵抗ではありません。コイル(インダクタンス)を含んだインピーダンスと考えなければなりません。このような場合、抵抗器を流れる電流波形と抵抗器に生じた電圧波形は異なります(図2)。

実際に周波数帯域20MHzのオシロスコーププローブシステムにおいて、インダクタンスの影響を見てみましょう。純抵抗に46cmのケーブルを加えるだけでインダクタンスは増加し、電流波形と電圧波形にはっきりとした差がでます。電流波形は立ち上りが鈍り、電圧波形はオーバシュートを生じます(図3)。

このシステムにおいて数十cm分のインダクタンスがあるだけで、抵抗器を挿入する手法は、電流波形の観測に向かないことが分かります。もっと高い周波数を扱うシステムならば、もっと小さなインダクタンスによって同様の状況となります。抵抗器を挿入する方法では、いかにインダクタンスを軽減できるかが成否を決定します。

こんなとき電流プローブを使わないと失敗する

電流の観測において、直接電流を観測するに越したことはありません。電流波形を観測するために作られたプローブが「電流プローブ」です。ケーブルに流れる電流がつくる磁束を捉え、電圧に変換します。既述の電圧プローブ群(受動プローブ、アクティブプローブ、差動プローブ、高電圧差動プローブ、高電圧プローブなど)とは、かなり動作が異なります。磁束を捉えるための検出部はコイルを巻いたトランスです。トランスのコアを通過する被測定ケーブルは、トランスの1回巻きの一次巻線として働きます。トランスのコアにあらかじめn回巻かれたコイルが二次巻線となり磁束を捉えて電流を発生します。その電流が負荷抵抗により電圧に変換され、オシロスコープに入力されます(図4)。

被測定経路に抵抗器を挿入して抵抗器の電圧降下を測る手法では、抵抗器を入れるため回路を切断しなければなりませんし、抵抗器を入れること自体が被測定回路の動作を乱します。それに比べると、電流プローブを用いた測定は、回路に与える影響の少ないより正確な測定が可能となります(図5)。

なお、電流プローブを回路に取り付けることは、被測定回路に小さなインピーダンスを挿入することになり、わずかながらも被測定回路の動作を乱します。そのインピーダンスを「電流プローブの挿入インピーダンス」と呼び、プローブごとに規格されています。挿入インピーダンスは総じて小さな値となります。

低い周波数に気を付けろ!!

電圧プローブではほとんど気にする必要のないことですが、電流プローブでは低い周波数の観測において注意が必要です。検出部にトランスを使う構造なので、多くの電流プローブは直流および低い周波数の信号を検出が得意ではありません。このようなプローブを「AC電流プローブ」と呼びます。周波数が低くなるにつれて検出感度が下がり、波形の振幅や波形の形に影響が表れます。120Hzの低域周波数帯域をもつAC電流プローブを例にとると、サイン波形状の周波数50Hzの電流はAC電流プローブで検出すると実際より小さくなり60%以下の振幅にしか見えません(図6)。

電流波形が矩形波の場合は周波数が低くなるにつれ、波形の形が違って見えます(図7)。これらの形が電流プローブによるものと気付かなければ、まちがった測定をしてしまいます。

AC電流プローブに直流が重畳した場合も注意が必要です。直流が重畳すると、低い周波数がさらに検出できなくなり、さらに矩形波の形が変形します(図8)。

このように波形が変形してしまっては、真の波形とはほど遠くなり、正しい測定ができません。重畳したDC電流による不具合は、不具合を起こすDC電流と同量の逆電流(バッキング電流)を流すことにより解消できます(図9)。

DCも測れる電流プローブ

AC電流プローブにとってDCおよび低い周波数はやっかいなものですが、これらを苦にしない電流プローブがあります。「AC/DC電流プローブ」と呼ばれるプローブで、DC(および低い周波数)測定において、感度の低下もなく波形の変形もありません。DC(および低い周波数)を検出するホール素子をコアに内包しており、つねにDC(および低い周波数)をキャンセルするように逆電流を流すことにします。これにより、AC電流プローブで見られた諸問題を解決しています。AC/DC電流プローブは、DCおよび低い周波数の信号に対する煩わしさから開放され、さらに高域周波数帯域も最高120MHzまで伸びている理想的な電流プローブといえます(写真1)。

小さな電流を測定するには

電流プローブはかなり高感度ですが、μA(マイクロアンペア)程度の小さな電流になると振幅が足りず、波形がノイズに埋もれます。このような場合、微小電流の流れるリード線をコアに複数回巻きつけると、巻き数に比例して振幅を大きくすることができます(写真2)。

ただし、多少難があり、挿入インピーダンスが増加します。n回巻くと、挿入インピーダンスは1回巻きのnの2乗倍になります。挿入インピーダンスの増加による影響も考慮する必要がありますが、振幅増加には有効な手段です。

高い周波数の大きな電流は苦手 - 壊れるぞ!!

電流プローブには、高い周波数の大きな電流は印加できません(図10)。

実際の電流プローブ(写真3)を例にとって説明します。

このプローブは最大連続ピーク電流212Aをうたう大型のプローブで、大電流測定によく使われます。このプローブに周波数1MHzのピーク電流100Aを印加できるでしょうか。212Aのプローブなので、100Aの電流なら「できる」と思うかもしれませんが、答えは「できない」です。それは1MHzという高い周波数が原因です。高い周波数においてプローブに印加できる電流は低下します。最大連続ピーク電流とはそのプローブに印加できる連続電流の最大の値を意味し、この値は低い周波数において実現できる値なのです。

図11はTCP303型(TCP300シリーズの電流プローブ)の「デレーティング特性」と呼ばれるグラフです。

周波数と印加できる電流の関係を示しています。1kHzより低い周波数において印加できる電流は最大212Aですが、1kHzを超えて周波数が高くなると、だんだん小さくなり始めます。グラフから読み取ると1MHzにおいては約50Aしか印加できないことが分かります。

電流時間積に要注意

連続した電流ではなく、単発的に流れる細いパルス性の電流なら、最大連続ピーク電流を超えてさらに大きな電流を印加することができます。TCP303型について、どのくらいのパルス幅ならどのくらいのピーク電流が印加できるかを図12に示します。

最大で500Aを超えることはできませんが、パルス幅が細くなるにつれ212A以上の電流が印加できることが分かります。図12中の「15000A*μs」が「電流時間積」と呼ばれる値です。パルス幅とピーク電流の積が15000を超えない条件で、例えば30μsなら500Aが、71μsなら212Aが印加できます。ただし、連続しない単発パルスについてのみの適応となります。

プローブが熔ける!!

大電流の測定においては、プローブの発熱に考慮し、測定時間は短時間に留めなくてはなりません。写真4は発熱によりプローブが熔けた例です。

プローブケーブルの長さに注意

電力測定においては、電流プローブと電圧プローブを使用します。電流波形と電圧波形との掛け算によって電力波形を作ることが測定のスタートです。多くのユーザは電流プローブと電圧プローブの選択に際し、それらの伝播遅延時間(信号がプローブに印加されてからオシロスコープに到達するまでの時間。ケーブルの長さと内部回路により決まる)には無頓着です。伝播遅延時間に差があれば、電流波形と電圧波形とに時間差が生じ、計算した結果(電力波形)が正しく作れません(図13)。

図14は伝播遅延時間に10nsの差があるだけで20%以上もスイッチング損失が大きく見えてしまう例です。プローブの伝播遅延時間の差による問題を解決するには、時間差をキャンセルする機能(デスキュー機能)をもつオシロスコープが有効です。

最後に

本連載では、プロービングにおいて陥りやすい事がらを例として取り上げてきました。あまりの多さに驚いた読者もいらっしゃるかと思います。プロービングはまさにノウハウの塊です。言い換えれば、これらの失敗例をクリアすれば、多大なノウハウを身につけることができます。

言うまでもなく、ほとんどの測定において最初にすることは信号へのプロービングです。プローブなくして測定は始まらないのです。プローブにつまずくと、その後の測定すべてが台無しなるほどの重要なパートです。

測定したい信号の種類や大きさはさまざまで、それらに合わせた数多くのプローブが準備されています。測定対象は電圧なのか、電流なのか、光なのか、音なのか、圧力なのか。信号は小さいのか大きいのか、信号が変化するとすればその変化はどの程度の速さなのか――信号を知り、最適なプローブを選ぶノウハウと共にそれを使いこなすプロービングのノウハウを知ってしまえば、プローブのプロフェッショナルです。測定をもっと効率よく、もっと正確に行うことにより、皆様の仕事は大きく前進することでしょう。本連載が皆様の仕事のお役に立てれば幸いです。

※ 本連載記事は今回が最終回です。ご愛読いただきましいて、誠にありがとうございました。

著者
稲垣 正一郎(いながき・しょういちろう) 日本テクトロニクス テクニカルサポートセンター センター長