電流検出

(Jo^▽^)ノぁぃ♪

今、設計段階に有るシステムで電流検出が必要となっている、私個人のチャレンジで企業との契約による開発プロジェクトでは無いので、ここで公開出来る

必要な電流検出のスペック
１）検出上限AC1000A 50/60Hz (連続定格)　　「本システムは商用電源由来の正弦波電流を前提としており、波形歪みが大きい場合はデジタル側でRMS演算に切り替える余地を残している」
２）分解能 AC0.1A 　つまり1/10000の精度が要求される、「本仕様で言う 1/10000 精度とは、短時間安定性と再現性を含む実効値演算後の分解能を主眼にしており、絶対精度については校正により担保する前提とする」
３）1000Aの電流検出回路は、全体を制御するメインのCPUとは「絶縁」とする
４）最終的にマイコンの「電流データー」として処理される
５）電流データを確定する間隔は100ms
６）0.1Aの精度を担保する為にはオーバーサンプリングが必要と成る、センサーによるサンプリングからデーター確定まで0.025Aステップで処理し、最後に0.1A以下を丸めてデーター確定する。
７）電流検出部のマイコン内部で処理するデータは16Bitで計算するので、0.025Aから1638Aまで処理出来る。

先ずはセンサーの選択

１）市販の電流センサー
これらはオフセットやドリフトが多く 0.1A精度には使えない、又磁気飽和の問題も有る。

２）ロゴスキーコイル
センサーとしては高額で対象から外れる

３）CT（カレントトランス）
巻き線比 1000/5 でも２次側にはAC5Aをを出力する、OPアンプで直接処理出来ないので抵抗器（1Ω）をシャント抵抗として挿入するが（1000A=5V出力）、「電流源」のカレントトランスを「電圧源」として使用すると誤差が出るので1/10000の精度には採用出来ないし、コア材を使用するセンサーは「磁気飽和」の問題が付きまとう。
又、1000A回路の２次側にに１Ωでシャントすると5Aｘ5V=25W分が１次側（1000A回路）から電力を奪う事に成るので誤差が発生する事に成る。

４）そこで非絶縁だが「シャント抵抗」

１）非絶縁なのでメインのCPUと絶縁する為に絶縁電源を設置し別回路とする。
２）シャント抵抗なので「磁気飽和」の問題は発生しない。
３）1000Aで75mVって事は、このシャント抵抗は75μΩと言う事だ「工業用シャントではこのクラスは珍しくなく、重要なのは抵抗値そのものより温度上昇時のΔR/Rである」
４）シャント抵抗自体から、AC1000Aでは75Wの発熱が有るが強制空冷で対処、発熱による「ドリフト」　（抵抗温度係数（ppm/℃））は検討の余地が有る。
５）AC1000Aで75mVなので、OPアンプで40倍(3V) 程度に増幅、AC1000A時 3Vは0.025A時では75μV（ADコンバータのLSB）、OPアンプのオフセットが1μV以下なら精度が確保される。　「実際にはオフセット電圧そのものより、温度ドリフトと整流回路の非線形が支配的になるため、回路方式の選定（同期検波 or デジタル整流）も検討対象としている」
６）シャント抵抗出力の75mVは、±0.5％の精度（カタログ値）なので、1000Aでは5Aの誤差が出る、増幅回路にゲイン調整用の「多回転トリマー」を設置し±0.7％程度の調整を必要とし、校正を行う。
７）ADコンバータのフルスケール時1638Aなので、ADコンバータが+5V電源の場合 5V/1638A=1A辺り 3.052mV 　 1000A時　3.052mVｘ1000=3.052V
　　　なのでシャント抵抗 1000A時　75mVで、ADコンバータの入力3.052Vまでの増幅、40.69倍の増幅（±0.7％）が必要と成る
８）検出回路が低インピダンスなのでOPアンプの入力バイアス電流は無視できる。
９）電流信号を AC3.052Vに増幅後「OPアンプによる絶対値回路」OPアンプのオフセットが1μV以下なら精度が確保される
１０）アクイジションフィルタ兼ローパスフィルタ　OPアンプのオフセットが1μV以下なら精度が確保される
１１）16BITのADコンバータ　→　電流検出専用マイコンと基板内通信
１２）メインCPUと通信によるデータ確定間隔 100ms は複数回のサンプリングを「プログラムによるLPF」（移動平均ではなく EMA（加重平均）とする。）で処理する事で　　更に精度を確保、
１３）サンプリング間隔 100msなら、フィルタの設計に余裕が出来る
１４）絶縁電源で上記の回路構成　→　フォトカプラによる絶縁通信か、デジタル絶縁ICにより、メインのCPUとシリアル通信

20年程前にもAC1000Aの電流計測システムを開発したが、当時は性能の良いOPアンプが無く、市販の電流センサーを採用して「精度」を出すのに苦労した思い出が有る。

構想段階だがAIと激論して出来そうな感覚を得た、実際に制作すると「ノイズと、シヤント抵抗の温度ドリフトとの闘い」に成るだろう、　温度係数PPMでも 1/10000精度では効いてくる。
　　シヤント抵抗の製品カタログには、抵抗温度係数（ppm/℃）の記載が無いので、実機で「通電→発熱→ドリフト」の試験をして係数を確定するより、方法が無いようだ。
　　仕様では「強制空冷」としたので、シャント抵抗に温度センサーを取り付け、マイコンにより「温度を一定に保つフィードバック制御」でシャント抵抗の温度管理をする必要が有るだろう。　　温度係数を確定させればマイコンにより「温度補正」も可能と成る

「本設計は“測れるか”ではなく、“校正・温度・ノイズを含めて再現性を保てるか”を主眼に置いており、現時点では理論構成の妥当性検証段階である」

AIと激論しながら仕様を決めたが、AIは過去の事例に付いては良い回答が出るが、過去に事例のない事には「頓珍漢」な回答も出る、AIは「分かりません」とは言わないので仕方ないかもしれない。

本投稿で分からない所が有るなら、本投稿を全てコピーしAIに投げれば「私より分かり易く解説」してくれるに違いない。