電流検出回路について

質問

電流検出回路について
電源から『数ｍＡ（ＬＥＤ１個点灯）～数Ａ（ＬＥＤ多数点灯）』か『0Ａ』の判別をしたいと考えています。添付図面の様な回路を組んでみたのですが、大まかこんな感じでよろしいでしょうか？デバイスは東芝のＴＡ７５Ｓ３９３Ｆ　　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/LinearIC/TA75S393F_ja_datasheet_071101.pdf
を使用予定です。
よろしくお願い致します。

回答No.5

inara · ベストアンサー

TA75S393を使って数mAを検出する回路を添付します。電流に対する出力電圧のグラフは回路シミュレータでの結果で、可変抵抗（VR）を18%くらい回したところでの特性です（シミュレータにはTA75S393のモデルがないので同等品のLM393でシミュレーションしました）。可変抵抗を調整することで、TA75S393の出力が変化する電流を変えることができます。この調整はかなり微妙なので多回転の半固定抵抗を使ってください。可変抵抗の調整は、LEDを１個だけ点灯させた状態で可変抵抗を回して、TA75S393の出力が0Vから5Vに変わるギリギリから少し余計に回したところにします。この状態でLEDを消灯させたときに出力が0Vになことを確認してください。

TA75S393の電源は5Vとしました（出力電圧が0-5Vのほうが後で処理しやすいと思われるので）。TA75S393の入力電圧は電源電圧を超えることはありません（2-3Vの範囲）。電流検出抵抗は 電流(A)^2×抵抗（Ω） [W] の発熱があります。5A流れたとき12.5Wになるので20W級の抵抗を使ってください。電流検出抵抗をもっと小さくすれば発熱は減りますが、TA75S393のオフセット電圧の変動や外来ノイズなどで誤動作しやすくなります。C1とC2は電流検出ラインに重畳している外来ノイズを減衰させるものです。LEDが点灯していないときや1個だけ点灯しているときにTA75S393の出力が安定しない場合は、C1とC2の容量をもっと大きく（10μFなど）してみてください。

20kΩ多回転半固定抵抗　http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/search.php?toku=%25A4%25DD%25A4%25C6%25A4%25F3%25A4%25B7%25A4%25E7&cond8=or&dai=25&chu=&syo=&k3=0&pflg=n&list=2
0.5Ω・20Wセメント抵抗　http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/search.php?toku=%25C4%25F1%25B9%25B3%25B8%25C7%25C4%25EA&cond8=or&dai=%25A4%25BB%25A4%25E1%25A4%25F3%25A4%25C8&chu=20&syo=&k3=0&pflg=n&list=1

回答No.4

inara

＞inaraさんからご紹介頂いたデバイス（ＬＴ６１０６）の場合は
tanceさんが紹介されたLT6106の標準的な使い方は、日本語データシート（http://cds.linear.com/docs/Japanese%20Datasheet/j6106f.pdf）の1ページ目の左下にあるように、LT6106の電源電圧を、電流を測定したいラインから直接を取るというものです。このようにすればLT6106の入力電圧が電源電圧を超えることは絶対にありません。しかし、TA75S393Ｆで同じことをしてもコンパレータとして動作しません。LT6106は、ハイサイドの電流検出用の（電圧の高い側で電流を検出する）専用のICなので、LT6106の入力電圧が電源電圧と等しくなってもコンパレータとして正常に動作するように設計されています。しかし、TA75S393Ｆの入力電圧範囲（コンパレータとして正常動作する範囲）は、データシート（http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/LinearIC/TA75S393F_ja_datasheet_071101.pdf）の1ページ目の一番上に書かれているように、GND（0V）から「電源電圧－1.5Vより低い電圧」の範囲になっています。入力端子電圧と電源電圧の差が1.5V未満になると、コンパレータとして正常動作しません（TA75S393Ｆは－側の電源電圧（GND）付近の電圧の比較のために設計されています)。したがってLT6106とTA75S393Ｆの内部回路は異なります。

＞ＬＥＤ電源（＋１２Ｖ）をコンパレータの電源として使用しなかった理由は、ＬＥＤが無点灯時にコンパレータが（極わずかな？）電流を消費してしまうのではと考えた
電流検出抵抗の右側からコンパレータの電源電圧を取るのは問題ですが、左側からなら何も問題はないです。

＞ＬＥＤ電源（＋１２Ｖ）をコンパレータの電源として使用した場合でも『０』か『数ｍＡ以上』の検出は可能でしょうか？
可能です。電流検出抵抗の値が分からないと具体的な抵抗値は出ませんが、例えば電流検出抵抗を 0.1Ωとして、TA75S393Ｆを使った場合の、他の抵抗値と、調整用の可変抵抗の値を考えてみます。

回答No.3

inara

無点灯と1個点灯を区別するとなると、電流検出抵抗が0.5Ωの場合、1～2mVくらいの電圧差を検出することになります。ＴＡ７５Ｓ３９３Ｆの入力オフセット電圧は、最悪で±5mVあるので、手持ちの部品が偶然1mV未満のオフセット電圧になっていないと検出できません。どうしてもＴＡ７５Ｓ３９３Ｆを使わなければならないのであれば、可変抵抗を使って、抵抗値の誤差やオフセット電圧を調整することで、1～2mVの電圧差を検出することはできます。その場合、電流検出抵抗の値が分からないと、可変抵抗の値が決められないので、電流検出抵抗の値を教えてください。

＞＋ＩＮ入力電圧（＋１２Ｖ）がＶ＋電源電圧（＋５Ｖ）を超えてもいいか
ＴＡ７５Ｓ３９３Ｆの入力端子が電源電圧（5V）を超えるのは基本的にはダメです。電流検出抵抗の両端からＴＡ７５Ｓ３９３Ｆの入力端子までの間にある抵抗で電圧が分圧されるので、その抵抗値をうまく選べば、電流検出抵抗に流れる電流が0のときも、数A流れるときも、ＴＡ７５Ｓ３９３Ｆの入力電圧が5V未満になるようにすることはできます。電流検出抵抗の値が分かれば回路図を紹介します。平日は仕事で時間が取れないので回答は土日まで待ってください。

補足

ご回答ありがとうございます。
『＋ＩＮ入力電圧（＋１２Ｖ）がＶ＋電源電圧（＋５Ｖ）を超えてもいいか』の件ですが、ＴＡ７５Ｓ３９３Ｆの場合はおっしゃる通りのことは理解できるのですが、inaraさんからご紹介頂いたデバイス（ＬＴ６１０６）の場合はどうなりますでしょうか？
コンパレータの内部回路は、ＴＡ７５Ｓ３９３Ｆと同等と考えてよろしいのでしょうか？
ＬＥＤ電源（＋１２Ｖ）をコンパレータの電源として使用しなかった理由ですが、ＬＥＤが無点灯時にコンパレータが（極わずかな？）電流を消費してしまうのではという素人的な考えからです。
ＬＥＤ電源（＋１２Ｖ）をコンパレータの電源として使用した場合でも『０』か『数ｍＡ以上』の検出は可能でしょうか？
ご教授頂けますでしょうか？
よろしくお願い致します。

回答No.2

inara

数ｍＡ～数Ａのどこに判別ポイントを置きますか？1個点灯と2個以上点灯とを判別する場合と、1個点灯と500個以上点灯とを判別する場合とでは難しさがかなり違います。

最大で数Ａの電流が流れることを考えると、電流検出抵抗は1Ω未満だと思いますが、その場合、1個点灯と2個以上点灯とを判別するには、数mV未満の電圧変化を検出する必要があります。ＴＡ７５Ｓ３９３Ｆの入力オフセット電圧は、最悪で±5mVあるので、抵抗の比がたとえ理想的であっても、うまく判別できない可能性があります。1個点灯と500個以上点灯とを判別するのであれば、数Vの電圧変化を検出すればいいので、入力オフセット電圧の影響は無視できます。

補足

ご回答ありがとうございます。
判別ポイントは、『０』か『流れいる（数ｍＡ～数Ａ』かになります。
選定して頂いたデバイスですが、＋ＩＮ入力電圧（＋１２Ｖ）がＶ＋電源電圧（＋５Ｖ）を超えてもよろしいのでしょうか？
よろしくお願い致します。

回答No.1

tance

理論的には間違っていませんが、実際に作ると結構泣かされる回路になっています。
電流検出のために何Vロスしても良いかにもよりますが、普通は電流を読むために
12Vが10Vになってしまっては具合が悪いですから、電流検出抵抗の両端には0.1Vとか
そのくらいまでの小さな電圧しか出せないと思います。（このことは後で
利いてきます）

差動アンプを使っていますが、同相電圧が12vあって、差動電圧が0.1Vという
ところが問題です。同相電圧には無関係であって欲しいのですが、同相電圧は
信号の120倍もあるわけです。

同相電圧に対する感度を無くすためにCMRR（Common Mode Rejection Ratio）を
良くしなくてはなりません。この回路では差動ゲインを決めている抵抗（４本）の
精度が命です。精度1%くらいの抵抗を使うと同相電圧が信号の1.2倍くらいに
減衰して読めますが、それでも信号より大きいということは問題です。

0.1%の抵抗を使っても信号の10%くらいが誤差です。たとえば、電流が完全に０A
のときに同相電圧12Vの0.1% = 12mVが出力されます。（ゲイン１として）

通常のフルスケール電流を0.1Vとするとこれは無視できないのではないでしょうか。

0.01%誤差の抵抗はOPアンプの１０倍以上の値段になります。

よくとられる対策は可変抵抗で合わせ込むことですが、これも経年変化や温度
変化などの変動要素が0.01%くらい以下になるようにしなくてはなりません。

そこで考えられたのが以下のような回路です。
http://www.linear-tech.co.jp/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1009,C1077,P37671