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電流シャント抵抗

電流測定のためのシャント電圧降下、アンプ出力、電力消費、ADC分解能を計算します。

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公式

V_sh = I × R_sh, P = I² × R_sh

R_sh — Shunt resistance (Ω)
I — Measured current (A)

仕組み

電流シャントは、電流経路と直列に接続された低抵抗の高精度抵抗器で、電流に比例して測定可能な電圧降下（V_sh = I × R_sh）を生成します。この小さな電圧 (フルスケールで通常1～100mV) は、差動アンプまたは専用の電流検出アンプ (CSA) IC によって増幅され、ADC サンプリングに使用されます。主なトレードオフは、電力損失 (P = I² × R_sh。シャントが過熱したり回路効率に影響を与えたりしてはならない)、アンプのゲイン (ゲインが高いほどR_shは小さくなりますが、ノイズが増えます)、およびADCの分解能です。フルスケール V_ref を備えた 12 ビット ADC の場合、電流分解能は ΔI = (V_ref/4096)/(G × R_sh) です。一般的なシャント値は、高電流アプリケーション (1A以上) では1～100mΩ、低電流 (100 mA未満) の測定では1〜10Ωです。専用IC (INA219、INA240、MAX9934) にはアンプが内蔵されており、多くの場合、I²Cを介してデジタル電流を直接読み出すためのシグマデルタADCが組み込まれています。

計算例

問題: INA240 (ゲイン = 20 V/V) と 3.3 V の 12 ビット ADC を搭載した 5 mΩ シャントを使用して、0～20 A を測定します。シャント電圧、フルスケールでのアンプ出力、および分解能を求めます。
解決策:
1。シャント抵抗: R_SH = 5 ミリオーム = 0.005 オーム
2.フルスケールシャント電圧: V_sh = 20 A × 0.005 Ω = 100 mV
3.増幅出力: V_Amp = 100 mV × 20 = 2.0 V (3.3 V ADC の範囲内 ✓)
4.20 A での電力損失: P = 20² × 0.005 = 2 W — 3 W 定格シャントを使用してください
5.ADC 解像度: ΔI = (3.3/4096)/(20 × 0.005) = 0.806 mV/0.1 V/A = 8.06 mA/LSB
結果: 5 mΩ のシャントにより、100 mV のフルスケール出力、2.0 V の増幅出力が得られ、ADC ステップあたり 8 mA が得られます。

実践的なヒント

  • ✓ディスクリート計装アンプではなく、専用の電流検出アンプICを使用してください。INA240、INA219、およびMAX9934は、EMIフィルタを内蔵した双方向電流検出用に設計されています。
  • ✓バッテリ管理には、電源レールが変化したときのコモンモード電圧の問題を回避するために、ローサイド検知（負荷グランドとシステム接地間のシャント）を使用してください。
  • ✓PWMモータードライバーからの高周波スイッチングノイズを抑制するために、アンプ入力に小さなRCフィルタ (10Ω+100nFの差動など) を追加してください。

よくある間違い

  • ✗シャントをハイサイドに配置し、単一電源のグランド基準アンプを使用する — ハイサイドの検出にはレイルトゥレイルまたは高電圧のディファレンス・アンプが必要です。グラウンド・リファレンス・アンプはローサイドのシャントでのみ動作します。
  • ✗ケルビン接続は無視してください。シャントへの通常のPCBトレースでは、測定誤差として現れる直列抵抗が加わります。4端子 (ケルビン) シャント抵抗を使用し、シャント端子から電圧検出トレースを直接配線します。
  • ✗シャントのワット数が小さすぎる — 大電流ではI²の項が優勢です。10Aの10mΩのシャントは1Wを消費し、0.1Wの抵抗のみを使用した場合は大幅にドリフトします。

よくある質問

ローサイド検出では、負荷とグランドの間にシャントが配置されます。単純な単電源アンプは動作しますが、グランド外乱が測定に影響し、負荷グランドがフロート状態になります。ハイサイド検出は電源と負荷の間にシャントを配置します。つまり、真のコモン・グラウンド測定が可能になり、リーク電流を検出できますが、コモン・モード電圧の高いアンプ (定格80VのINA240など) が必要になります。
R_shを選択すると、50～100mVのフルスケール電圧（電力損失を最小限に抑えるのに十分小さく、良好なSNRが得られるほど大きい）が生成されます。次に、増幅された電圧が ADC の入力範囲を満たすようにアンプのゲインを選択します。電力損失 P = i²R_sh がシャントの電力定格の範囲内であり、安全マージンが 2 倍であることを確認します。
温度係数が低く（TCR < 50 ppm/°C）、必要な電力が定格である場合のみ。標準の 1% 金属皮膜抵抗器のTCRは約100ppm/℃で、高精度シャント抵抗 (Vishay WSLやBVSシリーズなど) のTCRは50ppm/℃未満で、4端子のケルビン接続により正確な検出が可能です。

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